農(nóng)業(yè)廢棄物好氧堆肥技術(shù)的研究與應(yīng)用

魏天嬌 李廣 關(guān)法春 解嬌 滕星 高星愛 崔彥如

(吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/中國農(nóng)業(yè)科技東北創(chuàng)新中心，吉林 長春 130033)

1 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化的意義

農(nóng)業(yè)廢棄物是指在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中被丟棄的有機類物質(zhì)，主要包括植物類廢棄物、動物類廢棄物、加工類廢棄物和農(nóng)村城鎮(zhèn)生活垃圾等4大類[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量約為7.0×109t左右，畜禽糞便年產(chǎn)生量約為18.6×108t，農(nóng)村生活垃圾和人糞便產(chǎn)生量約為2.5×108t，且隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人口的急劇增長，這些廢棄物以年5%～10%的速度遞增[2]。大量農(nóng)業(yè)廢棄物存在處理不當?shù)膯栴}，如秸稈及生活垃圾等露天焚燒會造成空氣污染，垃圾填埋也會污染地下水、土壤和作物等，這些都會對動物和人類健康造成巨大的污染和有害影響。目前，我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用主要向4個方面發(fā)展：肥料化，飼料化，能源化，基質(zhì)化。好氧堆肥技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施之一，特別適用于農(nóng)業(yè)廢棄物實現(xiàn)肥料化與基質(zhì)化[3，4]。2022年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和財政部在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展等項目實施工作上也明確強調(diào)了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重要性，加快糞肥還田，推廣適宜技術(shù)，促進畜禽糞污資源化利用和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。因此，開展農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理，實現(xiàn)廢棄物由“污染源”向“資源”轉(zhuǎn)變，有效降低對環(huán)境造成的危害，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然所趨[5]。

2 好氧堆肥過程

2.1 好氧堆肥過程的主要階段特征

堆肥按照微生物生長環(huán)境的不同，分為好氧堆肥和厭氧堆肥，其中好氧堆肥是指在好氧條件下，微生物與堆體中有機物發(fā)生放熱分解反應(yīng)，引起復(fù)雜的有機物轉(zhuǎn)化為簡單而穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程。堆肥過程通常需要植物源性碳源(如植物秸稈和稻殼等)和動物源性氮源(禽畜糞便)以一定比例混合，達到一定的C/N比值，才能保證發(fā)酵正常運行。無機氮源(如尿素)替代有機氮源更有利于提高堆肥質(zhì)量[6]。好氧堆肥過程需要經(jīng)歷4個階段：升溫期，高溫期，降溫期和腐熟期，并在各階段呈現(xiàn)出不同的特點。升溫期：堆肥的溫度約為20～40℃，能量豐富，容易降解的化合物，如糖和蛋白質(zhì)可被真菌、放線菌和細菌降解。高溫期：溫度約為40～70℃，溫度升高可以消滅病原體和寄生蟲，從而確保堆肥的無害化。降溫期：溫度降至40～45℃，降解淀粉或纖維素的微生物數(shù)量增加。腐熟期：堆肥穩(wěn)定供植物使用，真菌比例增加，細菌數(shù)量下降，此階段易形成木質(zhì)素-腐殖質(zhì)復(fù)合物[7]。

2.2 好氧堆肥的影響因素

好氧堆肥的影響因素主要包括堆肥物料的理化性質(zhì)(如有機物料的養(yǎng)分含量、作物秸稈顆粒度等)、堆肥工藝參數(shù)(如溫度、氧濃度、含水率等)以及其他因素(pH值和微生物菌劑的添加等)[8]，這些影響因素的作用原理見表1。

表1 好氧堆肥的影響因素及其作用原理

2.3 參與堆肥過程的主要微生物群落組成和功能

堆肥是一種由微生物驅(qū)動的過程，微生物會加速廢物降解和復(fù)雜材料轉(zhuǎn)化為可用的、更簡單的有機和無機形式[14]。參與堆肥過程的微生物種類主要包括細菌、真菌和放線菌等[15]。隨著新一代高通量測序的發(fā)展，添加物料的不同會引起參與堆肥的主要細菌和真菌群落組成的差異見表2。不同種類微生物的生態(tài)學(xué)功能也存在差異，其中細菌的主要功能在于降解脂類、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素，甚至有毒化合物[16]。真菌主要以許多碳底物作為食物來源，并在干燥、酸性、低水平的氮條件下生存，通過產(chǎn)生多種細胞外酶來分解纖維素、木質(zhì)素等[17]。放線菌具有耐高溫、抗鹽堿和耐鹽分等特點，有助于木質(zhì)纖維素的降解作用[18]。

表2 不同堆肥階段的主要微生物群落組成

2.4 堆肥過程中的碳氮轉(zhuǎn)化過程

2.4.1 堆肥過程中碳素的轉(zhuǎn)化

大多數(shù)簡單、易降解的有機物(可溶性糖、有機酸和淀粉等)會在堆肥的中溫階段、嗜熱階段，被微生物礦化為CO2，只有小部分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。隨著大量易降解有機物被充分利用后，堆體溫度開始下降，微生物種群結(jié)構(gòu)也同時發(fā)生轉(zhuǎn)變，一些中等和難降解的有機物(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)逐漸成為主要的碳源，其在微生物的代謝作用下被分解成酚類、醌類以及芳香族等化合物，這些中間產(chǎn)物被進一步分解成CO2或者轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)，以CO2排放為主，而腐殖質(zhì)的形成則利于廢棄物的穩(wěn)定與腐熟[22]。通常經(jīng)好氧堆肥并充分腐熟后一般有10%～40%的碳被降解，其中以CO2、CH4等溫室氣體形式排放的碳量高達70%以上[23]。

2.4.2 堆肥過程中氮素的轉(zhuǎn)化

有機固體廢棄物中，氮元素主要以有機氮的形式存在于分子中，如蛋白質(zhì)、DNA和其他關(guān)鍵的細胞化合物等。堆肥體系中的氮素轉(zhuǎn)化過程是由多種微生物介導(dǎo)的基本生化過程，主要包括氨化作用、氨同化作用、硝化作用、反硝化作用等[24]。通常在堆肥結(jié)束后，氮素損失途徑主要是有機氮的礦化，持續(xù)性氨的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化3方面[25]。通常當堆肥溫度升高到45～55℃，pH值會隨之增加，NH3排放量也會增加[26]。在硝化階段，NH4+通過氧化作用轉(zhuǎn)化為NO3-和副產(chǎn)物如N2O[27]。

3 堆肥在改善植物生長中的應(yīng)用

3.1 修復(fù)土壤環(huán)境

3.1.1 修復(fù)重金屬污染土壤

富集于土壤中的重金屬具有不可降解性，易進入生物鏈中，導(dǎo)致飲用水污染和食品污染，對人類、動植物的健康構(gòu)成嚴重威脅[28]。堆肥是一種有機質(zhì)腐殖化過程，而腐殖質(zhì)作為有機質(zhì)主要成分，對污染物具有較好的吸附和氧化還原的作用[29]。堆肥可通過降低土壤溶液中As、Cu、Pb和Zn元素的含量，提高土壤pH值和養(yǎng)分水平，減少土壤環(huán)境有效金屬庫和減少植物金屬吸收的效果[28]。

3.1.2 修復(fù)鹽漬化土壤

土壤鹽化或鹽堿化會抑制植物生長，降低植物光合能力，影響植株對土壤營養(yǎng)元素的吸收，最終限制作物產(chǎn)量[30]。堆肥作為一種土壤改良劑，可以通過改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤肥力，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，增強植物抗逆性。

3.2 調(diào)節(jié)土壤和基質(zhì)的養(yǎng)分

3.2.1 堆肥作為農(nóng)用肥料

我國化肥的年使用量高達4214萬t，占世界35%，平均施用水平為368kg·hm-2，遠超過其他發(fā)達國家的施用水平，對我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成嚴重的負面影響。堆肥是把各種各樣的有機廢棄物分解轉(zhuǎn)化成為一種穩(wěn)定、無害化的適合于土壤培肥的有機肥產(chǎn)品，還可以減少農(nóng)業(yè)殘留物和動物糞便的浪費[31]。同化肥相比，堆肥中的養(yǎng)分含量豐富，養(yǎng)分釋放較緩慢且持久性強，可以較好供給植物生長發(fā)育所需。堆肥與無機肥配施在增加產(chǎn)量、提高氮素回收率的同時，可促進土壤微生物繁殖，改善土壤生物學(xué)特性，進而有利于提高土壤肥力[32]。

3.2.2 堆肥作為育苗基質(zhì)

育苗基質(zhì)可以滿足植物水分和養(yǎng)分的需求，支撐幼苗生長基質(zhì)，對集約化、標準化的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要[33]。泥炭是一種普遍采用的育苗基質(zhì)，但泥炭屬于不可再生資源[34]，由于泥炭資源存在短缺現(xiàn)象，成本高且價格昂貴。近年來，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)堆肥技術(shù)，成本低，價格低廉且不污染環(huán)境，以堆肥來替代泥炭基質(zhì)已經(jīng)逐步成為育苗基質(zhì)生產(chǎn)中關(guān)注的熱點。在育苗基質(zhì)生產(chǎn)中不同堆肥比例添加會對植物產(chǎn)生不同的影響，其比例過高或過低都不利于植物生長，同時也要考慮植物種類因素，同樣的配比條件對同科植物生長的影響也存在差異[35]。

3.3 防治植物病害

堆肥和生防微生物的使用常能改變根際微生物多樣性，促進有益微生物的增殖，可使土壤向健康有利的方向發(fā)展，從而產(chǎn)生廣譜抗病性[36，37]。堆肥不僅能夠抑制多種作物的真菌病害，如枯萎病、黃萎病、腐霉病和絲核病等，也可抑制細菌病害，如青枯病、斑疹病和葉枯病等[38]。堆肥抑制病害的原因有2方面，自身存在大量的對植物病原具有拮抗作用的微生物；堆肥中的化學(xué)物質(zhì)(小分子酸、氨氮、腐殖質(zhì)、酚類物質(zhì))、活性物質(zhì)(PR蛋白、大分子物質(zhì)降解酶、抗氧化酶)可以增強植株的抑病能力[39]。

4 存在問題與展望

農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥是一種經(jīng)濟有效、環(huán)境友好的技術(shù)手段，能夠有效解決我國農(nóng)業(yè)廢棄物量大且利用困難等突出矛盾，在土壤環(huán)境修復(fù)與作物增產(chǎn)等方面都具有良好的應(yīng)用前景[37]。但目前關(guān)于添加不同碳源和氮源的農(nóng)業(yè)廢棄物原料下堆肥質(zhì)量和植物毒性評估等方面的研究尚存在不足，參與堆肥過程的微生物群落信息和功能仍不明確，堆肥替代有機肥的最佳田間施用量以及堆肥調(diào)控植物生長發(fā)育機制解析方面仍缺乏深入探討。

鑒于此，為研發(fā)、完善堆肥工藝，增強理解堆肥在改善植物生長方面的機制研究，建議未來的研究可從4方面入手：開展不同碳源添加或不同氮源添加下堆肥質(zhì)量和植物毒性評估試驗，解析不同原料添加下堆肥腐熟度和應(yīng)用效果，為堆肥施用的安全性評估提供科學(xué)依據(jù)；開展堆肥中微生物群落組成、演替和功能分析，探明參與堆肥過程的關(guān)鍵微生物群的作用機制，同時關(guān)注堆肥過程中病原菌、抗生素抗性基因的消減情況，確保堆肥腐熟產(chǎn)品的無害化；探究堆肥與無機氮肥配施的用量問題，研究其對土壤養(yǎng)分有效性和后續(xù)產(chǎn)量的影響，為實施有機肥替代化肥，推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供重要參考；堆肥作為土壤修復(fù)劑，可以有效降低土壤重金屬污染和土壤鹽度，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，未來應(yīng)加強堆肥改善植物生長發(fā)育的“堆肥-土壤-植物根際微生物組”互作系統(tǒng)方面研究，建立土壤理化屬性、土壤關(guān)鍵微生物群與植物生長發(fā)育之間的關(guān)系，為土壤定向培肥及作物增產(chǎn)潛力提升奠定理論基礎(chǔ)。