農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物堆肥腐殖化進(jìn)程調(diào)控機(jī)制概述

胡丹丹馬建

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110161)

前言

腐殖質(zhì)作為高碳含量的大分子化合物，對提高土壤養(yǎng)分，平衡土壤含碳量具有著重要的意義[1]。堆肥產(chǎn)物腐殖質(zhì)類物質(zhì)含量的高低是有效評價堆肥質(zhì)量的指標(biāo)。關(guān)于提高堆肥產(chǎn)物腐殖化水平方面的研究眾多，主要集中在堆肥物料優(yōu)化方面，但不同實(shí)驗的研究結(jié)果卻差異較大。薛兆駿等[2]通過將秸稈與剩余污泥混合發(fā)酵，堆肥產(chǎn)物腐植酸的含量由最初的115.1mg·g-1上升至154.5mg·g-1，較堆肥前增加了5%；段麗杰等[3]對牛糞與秸稈混合堆肥后發(fā)現(xiàn)腐植酸總量由初始的40.9%下降到35.0%。由此可見，現(xiàn)階段的堆肥研究主要集中于有機(jī)廢棄物的資源化和無害化處理，而對于如何有針對性地提高腐殖化程度、增加腐殖質(zhì)類物質(zhì)積累的研究仍處于初級階段。因此，本文基于腐殖質(zhì)形成的多酚理論，綜述了近幾年促進(jìn)堆肥腐殖化進(jìn)程的調(diào)控技術(shù)以及改進(jìn)方案。

1 腐殖質(zhì)的形成機(jī)理

腐殖質(zhì)是有機(jī)物經(jīng)過微生物分解轉(zhuǎn)化形成的膠體物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常為棕黑色，是土壤中有機(jī)物質(zhì)的主要成分，是陸地和海洋當(dāng)中最主要的有機(jī)碳庫。而且還具有粘結(jié)性，可使砂土粘結(jié)粘土疏松，是形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的良好膠結(jié)劑[4]，根據(jù)腐殖質(zhì)在溶劑中的溶解程度及其顏色可以劃分為3個組分：可溶于酸堿且外觀呈橙黃色溶液的組分為富里酸(FA)；不溶于酸溶于堿的組分為胡敏酸(HA)；既不溶于酸也不溶于堿的組分為胡敏素(HM)。其含氧官能團(tuán)由大到小順序為富里酸>胡敏酸>腐殖質(zhì)，而分子量的大小則與含氧官能團(tuán)的大小相反為腐殖質(zhì)>胡敏酸>富里酸[5]。

在21世紀(jì)已有許多關(guān)于腐植酸的形成機(jī)理及其本質(zhì)方面的研究，其中最具代表性的包括木質(zhì)素—蛋白理論、多元酚理論以及糖-胺縮合學(xué)說[6]。這些理論的區(qū)別在于合成腐殖質(zhì)核心骨架的前體不同，其中木質(zhì)素—蛋白理論表明，土壤當(dāng)中存在的不易被微生物降解的木質(zhì)素和蛋白質(zhì)可以通過物理化學(xué)作用相結(jié)合形成腐殖質(zhì)。然而隨著對腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)在木質(zhì)素與蛋白質(zhì)形成復(fù)合體之前就已經(jīng)存在，因此提出多酚理論[7]，該理論認(rèn)為腐殖質(zhì)的形成包括2個階段，第1階段是微生物將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為簡單有機(jī)物，在這一階段形成了腐植酸的合成原料，即氨基酸、多元酚和多肽，第2階段則是腐植酸前體被微生物縮合從而形成腐殖質(zhì)分子。在堆肥過程中，促進(jìn)腐殖化原料的累積和有機(jī)質(zhì)向腐植酸形態(tài)的轉(zhuǎn)變，是提升堆肥腐植酸含量的有益方向。

2 腐殖化過程原理

腐殖化是指在生物、化學(xué)和物理共同作用下，將有機(jī)物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化成一種棕黑色或暗褐色腐殖質(zhì)的綜合性過程，其對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)有著重要的作用。腐殖化是指有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下生成一系列腐植酸前體物質(zhì)，如多元酚、氨基酸以及多肽等，而后經(jīng)過縮合反應(yīng)與復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)結(jié)合成為腐植酸的過程。

在好氧堆肥過程當(dāng)中，微生物優(yōu)先利用堆體當(dāng)中的簡單有機(jī)物質(zhì)，如糖類、脂肪和蛋白質(zhì)，隨著堆肥時間的推移，簡單有機(jī)物質(zhì)含量逐漸減少，微生物開始分解纖維素和半纖維素，形成碳水化合物。隨著纖維素和半纖維素的含量逐漸減少，一些嗜溫性微生物通過分泌降解木質(zhì)素的酶分解木質(zhì)素而形成醌類物質(zhì)，進(jìn)而形成腐植酸[8]。

2.1 木質(zhì)素的降解

微生物的活性大致可分為糖解階段、纖維素分解階段和木質(zhì)素分解階段，其往往隨溫度的變化而變化。堆肥初期，溫度小于40℃時，主要以低、中溫菌群為主，其中氨化細(xì)菌和糖解細(xì)菌主要用于分解糖、水溶性營養(yǎng)鹽及簡單有機(jī)物質(zhì)，這一過程被稱為糖解階段；當(dāng)反應(yīng)器中的溫度上升至40℃以上時，優(yōu)勢菌群轉(zhuǎn)變?yōu)橹小⒏邷鼐?，其中高溫纖維素分解菌占主導(dǎo)地位，其除了繼續(xù)消耗簡單有機(jī)物外，還可分解半纖維素、纖維素等復(fù)雜有機(jī)物，開啟了腐殖化過程，此階段被稱為纖維素分解階段；當(dāng)堆肥溫度逐漸趨于室溫時，主導(dǎo)菌群由中、高溫菌群轉(zhuǎn)變?yōu)橹?、低溫菌群，高溫分解菌的活性受到抑制，中溫微生物活性顯著增加，以分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等殘留物質(zhì)為主，此階段被稱為木質(zhì)素分解階段。木質(zhì)素作為一種可以再生的大分子天然芳香族聚合物，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難被微生物降解[9]。真菌是最易降解木質(zhì)素的微生物之一，其對堆肥溫度的要求較高，只在堆肥的降溫階段和腐熟階段能較好的生長，因此堆肥后期是促進(jìn)木質(zhì)素降解的重要階段，也是腐殖化過程當(dāng)中至關(guān)重要的一步。

2.2 腐植酸前體物質(zhì)的形成

在好氧堆肥的腐殖化過程當(dāng)中，各種來源的有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下被降解為小分子物質(zhì)。小分子物質(zhì)通過微生物的新陳代謝形成新的中間產(chǎn)物，即腐植酸的重要前體。這些前體物質(zhì)通過特定方式縮合形成腐植酸[10]。此外關(guān)于多酚理論、木質(zhì)素—蛋白理論以及糖—胺縮合理論均不同程度的對腐植酸前體物質(zhì)的形成進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。因此腐植酸的前體物質(zhì)對腐殖化過程起著重要作用。

腐植酸前體物質(zhì)主要在堆肥的升溫和高溫階段產(chǎn)生，而腐植酸的縮合往往發(fā)生在堆肥的降溫和腐熟階段。Wu等[11]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，酚類物質(zhì)、還原糖、羧基、氨基酸與腐植酸呈明顯的負(fù)相關(guān)系，所以研究者普遍認(rèn)為這些物質(zhì)是完成腐殖化過程的重要腐植酸前體物質(zhì)?；诙喾永碚撛矸宇愇镔|(zhì)經(jīng)氧化會形成醌基化合物，該類化合物與木質(zhì)素碳骨架結(jié)合后形成腐植酸。其次氨基酸和還原糖屬于維持微生物正常生命活動的必需物質(zhì)，其含量越多，即腐植酸前體物質(zhì)越多，腐植酸合成量就越大，越促進(jìn)腐殖化的進(jìn)程，Wang等[12]在垃圾堆肥中也證實(shí)了這一點(diǎn)。因此可以通過適當(dāng)降低微生物活躍程度的方法來減少微生物對還原糖和氨基酸的消耗，從而提高腐植酸的生成量和堆肥品質(zhì)。

2.3 腐殖質(zhì)形成的主要影響因素

在堆肥腐殖化的過程當(dāng)中，微生物起到至關(guān)重要的作用，因此環(huán)境當(dāng)中的各種因素也影響著微生物的活性。合適的環(huán)境可以激發(fā)微生物的豐度，提高重要酶的活性，因此木質(zhì)素等物質(zhì)的降解、環(huán)境溫度、含水率、pH等因素均是影響堆肥腐殖化進(jìn)程的重要環(huán)境因子[10]。

3 提高腐殖化進(jìn)程的技術(shù)方法及研究現(xiàn)狀

腐殖質(zhì)對土壤質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)和植物生長等方面都有著非常重要的作用。具體來說，腐殖質(zhì)可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高團(tuán)粒性，增加通氣性和保水性，從而提高土壤的保育性和生產(chǎn)力。此外，腐殖質(zhì)還可以提高土壤的肥力和養(yǎng)分含量，增加微生物和土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有利于植物生長和發(fā)展，減少土壤侵蝕，促進(jìn)生態(tài)平衡。

目前面對傳統(tǒng)好氧堆肥腐殖化進(jìn)程慢，腐植酸產(chǎn)率低，氮素?fù)p失嚴(yán)重以及堆肥品質(zhì)不高等系列問題，國內(nèi)外學(xué)者針對不同方面對堆肥工藝進(jìn)行改進(jìn)，如從添加劑的制配、堆料的選擇、物理因素的調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行研究，來促進(jìn)堆肥腐殖化進(jìn)程以及減緩碳、氮養(yǎng)分的損失。

3.1 添加劑的選擇對腐殖化進(jìn)程的影響

近年來，添加劑在農(nóng)業(yè)堆肥領(lǐng)域的應(yīng)用中引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。類似于生物炭、麥飯石等堆肥添加劑已經(jīng)被證實(shí)了其在提高土壤質(zhì)量等方面發(fā)揮著各種有益的作用。Kavitha等[13]則對生物炭在農(nóng)業(yè)土壤中應(yīng)用的潛在效進(jìn)行評估，并證實(shí)了其提高土壤肥力的能力，在固定有機(jī)質(zhì)的同時還能保留氮素，是一種非常高效且廉價的添加劑。李思敏等[14]也通過添加生物炭的方法，研究其對污泥好氧堆肥過程中腐殖質(zhì)組分的影響，發(fā)現(xiàn)添加5%生物炭的腐殖化效果最好，同時有利于氮素的保留。綜上可以發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加在積累腐植質(zhì)方面具有良好的效果。

盡管生物炭在改良土壤等多個領(lǐng)域當(dāng)中都表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，但其仍然存在許多潛在的風(fēng)險。據(jù)秦雅鑫等[15]對生物碳在環(huán)境應(yīng)用過程中的健康風(fēng)險進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，生物炭在制備過程當(dāng)中容易產(chǎn)生重金屬類污染物以及多環(huán)芳烴等新型污染物，這些物質(zhì)極易造成自然環(huán)境的二次污染。除此之外，生物炭的肆意添加還會造成土壤的基礎(chǔ)指標(biāo)惡化、土地鹽堿化等現(xiàn)象。因此在提高腐殖化進(jìn)程，積累腐殖質(zhì)含量方面還需要尋找更綠色有效的調(diào)節(jié)方法。

3.2 不同的堆料對腐殖化進(jìn)程的影響

在農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物堆肥的過程當(dāng)中，通常將C/N比調(diào)至30堆肥效果最佳，因此為了充分資源化利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物，往往以玉米秸稈作為碳源，以畜禽糞便作為氮源進(jìn)行好氧堆肥處理。常見的畜禽糞便有牛糞、雞糞、豬糞以及羊糞等，這些畜禽糞便均是作為有機(jī)肥的良好材料，但食性不同的畜禽糞便其中所含有的養(yǎng)分也有一定區(qū)別。

通常食草動物糞便當(dāng)中的養(yǎng)分是沒有食用糧食的雜食動物糞便中養(yǎng)分高的。如牛、羊這種食草動物排出的糞便當(dāng)中往往是一些草屑纖維，這些物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)成分非常豐富，而像雞、豬這類雜食動物常常排泄一些沒有消化的食物殘渣，這些殘渣當(dāng)中往往含有較豐富的氨基酸、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)。這些物質(zhì)都是構(gòu)成腐植酸前體的良好材料，因此將不同的糞便與秸稈進(jìn)行堆肥有利于腐殖質(zhì)類物質(zhì)的積累。

近年來，許多學(xué)者通過將不同糞便分別與秸稈、生活垃圾以及尾菜進(jìn)行堆肥，研究其對腐殖化過程的影響情況。張陸等[16]則通過將雞糞與蔬菜廢棄物進(jìn)行好氧堆肥后發(fā)現(xiàn)在高木質(zhì)纖維素的堆料中適量添加雞糞可以有效促進(jìn)木質(zhì)素的降解，有利于腐植酸的形成，但過量的添加雞糞反而會加重礦化反應(yīng)程度。李文圣等[17]分別將2種食性的糞便豬糞和牛糞與秸稈按照一定的比例進(jìn)行堆肥，發(fā)現(xiàn)至堆腐結(jié)束時牛糞處理中胡敏酸/富里酸的比值隨堆肥的進(jìn)行逐漸上升，而豬糞處理中胡敏酸/富里酸的比值則先上升后下降，證明牛糞比豬糞的腐殖化效果更好。綜上可以看出，素食動物糞便較雜食動物糞便更容易腐熟，腐殖化效果更好。將秸稈與糞便合理的調(diào)配可以有效促進(jìn)堆肥腐殖化進(jìn)程，但仍存在一定的礦化問題，因此對于礦化反應(yīng)的控制還需要進(jìn)一步研究。

3.3 物理因素的調(diào)控對腐殖化進(jìn)程的影響

目前，在好氧堆肥工藝當(dāng)中，可以進(jìn)行調(diào)控的物理因素有很多，其中包括含水率、曝氣量、溫度等，通過對這些因素的調(diào)節(jié)可以在一定程度上促進(jìn)好氧堆肥的腐熟進(jìn)程以及腐植酸的積累。汪晶晶等[18]通過在不同含水量下將藍(lán)藻和菌渣、稻殼作為堆肥原料進(jìn)行好氧堆肥探究其腐殖化進(jìn)程情況，發(fā)現(xiàn)在高含水量的堆肥處理中，腐殖質(zhì)的下降含量和胡敏酸的提高含量較低，說明低含水量即50%～55%的堆肥處理更有利于腐殖質(zhì)類物質(zhì)的形成。對于通氣量的調(diào)節(jié)，趙秀玲等[19]通過設(shè)置適量通氣、過量通氣和不通氣3種方式對牛糞好氧堆肥進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)含水量隨不同通氣量的變化而變化，氣量越大水分散失越重，在適量通氣條件下氮素的含量較之前增加了46.4%，而碳素的含量變化則在不同處理間不明顯，但對于腐殖化進(jìn)程方面的研究卻比較空白。因此為了促進(jìn)腐殖化進(jìn)程，提高腐植酸含量可以對通氣量的調(diào)控方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。除了對含水率、曝氣量的調(diào)節(jié)以外，提高好氧堆肥的反應(yīng)溫度也可以加快腐殖化的進(jìn)程，研究表明[20]，在高溫環(huán)境中通過接種極端嗜熱菌劑可以提高堆肥的腐殖化程度，其中胡富比和種子發(fā)芽指數(shù)分別提高了21.3%和35.9%。

3.4 通氣量對堆肥質(zhì)量的影響

在好氧堆肥過程當(dāng)中，通風(fēng)速率是影響堆肥腐熟進(jìn)程的重要因素之一，合適的通風(fēng)速率不但可以促進(jìn)堆肥的腐殖化進(jìn)程，同時還可以減少堆肥礦化反應(yīng)的程度，有效地積累腐植酸前體物質(zhì)。盡管目前已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究來確定不同通氣量下微生物分解固體廢物的堆肥腐熟情況，但對于利用微生物的耗氧速率求出堆肥臨界供氣量的試驗卻鮮有研究，同時基于這種臨界通氣量進(jìn)行的好氧堆肥并研究其腐殖化進(jìn)程的試驗則更是空白。因此本研究主要通過調(diào)控堆肥反應(yīng)器中的微生物的臨界好氧通氣量，來確定在不同堆料當(dāng)中減量曝氣對某些農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥的影響。

對于通氣速率來說，其通氣量的大小可以直接決定堆肥質(zhì)量的好壞，如果在堆置期間的通氣速率太高，就會導(dǎo)致反應(yīng)器中微生物產(chǎn)生的熱量大量散失，使反應(yīng)器中的溫度達(dá)不到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，但如果通氣率不足，又會導(dǎo)致反應(yīng)器中缺氧，形成厭氧條件從而達(dá)不到好氧堆肥的效果[21]。沈玉君等[22]通過對比不同通氣速率對堆肥腐熟度的影響，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)速率越低全碳保留量越高，這有利于腐植質(zhì)前體物質(zhì)的積累，但較低的通風(fēng)速率會降低堆肥過程中的反應(yīng)溫度，使好氧堆肥難以達(dá)到腐熟水平。因此在考慮降低堆肥通氣量的同時也應(yīng)先達(dá)到堆肥的腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

目前可以通過利用堆肥過程當(dāng)中的指標(biāo)值，計算出不同堆料中微生物群落的氧氣消耗率，進(jìn)而求出不同體積堆體所需要的氧氣含量，最后按照微生物的需氧情況計算出臨界供氧量。這樣既不會使微生物過度活躍而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)大量礦化，同時也可以保證微生物的正常生長代謝，使腐殖化過程可以延續(xù)。因此，在堆肥過程的規(guī)劃和管理中，可以模擬實(shí)際堆肥過程，也可以預(yù)測最終產(chǎn)品的特征。雖然這些研究不能完全模擬堆肥廠的真實(shí)條件，但其有助于理解過程中單個參數(shù)的影響。

4 總結(jié)

農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展離不開肥沃的土地，堆肥化的出現(xiàn)為農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的利用指明了方向，并逐步成為保障農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要舉措之一。在如今耕地土壤肥力下降的背景下有機(jī)質(zhì)礦化加速，肥料中有機(jī)碳物質(zhì)的大量流失等都是目前面臨的問題，因此可以對堆肥曝氣量的控制方面著重研究，來抑制礦化反應(yīng)速度，提高堆肥腐殖化進(jìn)程，使農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物堆肥化在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用。