有機物料“差別堆腐”及其評價方法初探

常志州， 于建光， 黃紅英， 吳華山， 沈明星

(1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇 南京 210014;2.江蘇省農業廢棄物資源化工程技術研究中心，江蘇 南京210014;3.江蘇太湖地區農業科學研究所，江蘇 蘇州 215155)

好氧堆肥是目前常用的處理有機廢棄物的方法，目的是將堆肥原料中不穩定的有機物，通過高溫好氧發酵，逐步降解為性質穩定、對作物無害或改良土壤的堆肥產物。堆肥腐熟若不充分，則有害于農作物的生長發育，而過度腐熟，有機碳與氮素損失大、肥效低。

國內外對各種有機物料堆肥腐熟度判斷做過大量研究工作，同時提出了各種評定腐熟度的指標與方法。盡管目前的堆肥腐熟評價體系在提供堆肥技術發展、技術應用及產業化開發方面功不可滅，但不得不承認的是目前的評價方法及其指標體系主要針對堆肥產物的自身穩定性，未能充分考慮不同區域或作物類型對堆肥產品的需求差異，更沒有考慮堆肥產品不僅可作為有機肥施用，同時也可作為土壤改良劑和基質等不同使用需求的實際情況。本文試圖對目前已有的腐熟度評價標準作簡要評價，對其存在的問題進行探討，同時，結合江蘇省農業科學院農業廢棄物資源化利用研究室關于不同腐熟程度堆肥產物施用農學效應的研究結果，提出構建滿足不同需求的堆肥腐熟度評價指標體系及表征方法，供研究堆肥技術的同仁與堆肥企業管理及技術人員共同討論。

1 堆肥腐熟度評價方法、判斷標準及存在問題

目前評定堆肥腐熟度的方法主要有物理學、化學和生物學方法等［1-5］，物理學指標常采用溫度、氣味和顏色等，化學指標采用碳氮比、化學需氧量、揮發性固體含量、易降解有機質和腐殖質物質變化等，生物學指標主要采用微生物活性測試和發芽試驗等。在具體應用中，學者們多數是推薦幾種指標組合作為腐熟的評價標準，如鮑艷宇等提出多個與碳素相關的化學指標［6］，張亞寧推薦堆肥水溶性碳(WSC)、水溶性銨態氮(NH4+-N)和水溶性胡敏酸E4/E6值為快速測定指標［7］，張橋等推薦碳氮比終點值/碳氮比起始值的比值和銨態氮為腐熟度指標［8］，Sánchez等推薦將堆肥呼吸速率作為腐熟指標［9］，李吉進推薦碳氮比、銨態氮(NH4+-N)、胡敏酸/富里酸(HA/FA)和種子發芽率為腐熟判斷指標［10］，Goyal等推薦碳氮比和 CO2釋放率為腐熟指標［11］。除上述指標外，水溶性有機光譜學特性［12］、堆肥可溶性有機質電子傳導性能(ETC)［13］、近紅外反射光譜(NIRS)［14］等也被作為堆肥腐熟指標，甚至有學者推薦將線蟲群落變化作為腐熟指標［15］。

堆肥腐熟度側重于堆肥物料自身的無害化與穩定性，只有在考慮堆肥產物應用時，才考慮它對植物生長的影響。堆肥的農學效應受堆肥物料和堆肥條件等諸多因素的綜合影響，種子發芽指數(GI)作為植物毒性指標被認為是最可靠的評價指標之一［16-17］。發芽指數測定中所用的作物品種不相同，如小白菜［3］、白菜［18］、水芹［19］種子等，然而不同供試種子對堆肥植物毒性的敏感程度差異顯著［20］，如大白菜和波菜遠比番茄和黃瓜敏感［21］，這造成堆肥發芽指數受種子品種、萃取率、堆肥樣品、環境條件和設備的影響而難以統一［22］。盡管發芽指數相比于理化指標更利于直觀接近于田間應用，但仍不能完全指示堆肥產物施用后對受體作物的直接影響，同時也沒有考慮土壤類型、氣候、農藝操作等對堆肥產物發揮作用的影響。在添加果園土壤于新鮮牛糞和玉米秸稈的堆肥試驗中，發現堆肥產物對水芹種子發芽和根系生長的抑制作用減緩，表明堆肥產物應用中有可能忽略了土壤的巨大緩沖能力［19］。

總之，物理學指標易于定性描述堆肥過程所處的狀態，因此可作為試驗的經驗判斷，但用作評價則缺乏可比性;化學指標可信度比較高，能客觀地表征堆肥過程，但是用單個化學指標評價很難克服因化學指標之間的影響而導致的評價偏差;生物學指標的可靠性較好，對實際應用有很好的指導作用，但目前存在供試作物與實際應用作物不一致，同時未考慮土壤、水文和氣候等綜合因素的影響。上述評價指標的共同缺陷是，較少從堆肥產物的用途方面，對堆肥腐熟程度進行界定，此外，不同廢棄物堆肥達到無害化所需的時間不同［23］，如藍藻藻泥好氧堆肥時，堆肥35 d后已滿足有機肥行業標準，種子發芽指數均高于80%，但微囊藻毒素含量仍高，需進一步延長堆腐時間［24］;因而，針對有機物料與堆肥產物用途不同，采用單一的有機物料腐熟度標準，顯然存在著不合理性。

2 不同堆腐程度有機物料施用后的農學效應

2.1 有機物料堆腐進程中的養分含量變化及損失

有機物料堆肥過程一般伴隨著氮、磷、鉀等營養元素以及腐殖質等含量升高及形態的變化［25-30］，同時可生物降解有毒物質含量也逐漸降低［31］。與此同時，堆肥過程中存在著碳、氮損失;其中，碳氮比低的物料如畜禽糞便堆肥過程中，氮素損失較嚴重，氮素損失量可達16% ～74%［32-36］。

我們的研究結果表明，不同有機物料的氮素損失量均在15%以上，氮主要以氨揮發形式損失，在高濕物料中存在氣態氮氧化物(N2O)損失，且主要發生在堆肥前15 d以及堆肥的表層;不同有機物料堆肥有機碳損失量可達30%以上，堆肥時間越長，有機碳與氮的損失量越大(表1)。

表1 不同有機物料堆腐后的碳氮損失Table 1 Carbon and nitrogen losses in different organic materials after composting

2.2 不同腐熟程度有機物料在蔬菜上施用的農學效應

大量的研究結果表明:施用有機物料能夠增加作物產量與提高農產品品質［39-41］，但對不同堆腐時間有機物料施用后農學效應的研究卻相當缺乏。在半干旱土壤中施用新鮮污泥和堆腐污泥的比較試驗結果表明，污泥以2種方式施用后植被覆蓋密度、土壤微生物活性和生物量兩者間均沒有差別［42］。高新昊等試驗結果表明，30 d麥秸堆肥處理的番茄葉片凈光合速率與產量高于90 d堆肥處理，表明秸稈堆肥在作為設施土壤改良劑施用時，完全腐熟并非最佳［43］。

我們選取豬糞和奶牛糞，通過自然堆肥好氧發酵，獲得0 d、15 d、25 d、35 d 和 50 d 不同堆腐時間的堆肥產物，通過等氮量進行小白菜和香瓜田間施用試驗，以評價其農學效應的差異。結果表明:不同腐熟度豬糞堆肥和奶牛糞堆肥對小白菜和香瓜的出苗率均有影響，小白菜和香瓜出苗率均隨堆腐天數增加而增大;與未堆腐(堆腐0 d)相比，分別施用35 d以上堆腐豬糞和25 d以上堆腐奶牛糞小白菜和香瓜出苗率均顯著提高(P＜0.05)。不同腐熟度豬糞堆肥和奶牛糞堆肥對小白菜和香瓜的單株生物量影響程度不同，施用不同腐熟度豬糞和奶牛糞小白菜的單株地上部鮮質量均隨堆腐時間的增加而增加，施用25 d以上堆腐豬糞和奶牛糞小白菜單株地上部鮮質量均顯著高于未堆腐(堆腐0 d)豬糞處理(P＜0.05);而施用15 d以上堆腐豬糞和奶牛糞香瓜單株地上部鮮質量均顯著高于未堆腐(堆腐0 d)豬糞處理(P＜0.05)。相比于未堆腐(堆腐0 d)處理，施用25 d和35 d以上堆腐豬糞的小白菜和香瓜的生物學產量均顯著提高(P＜0.05)，同時施用25 d以上堆腐奶牛糞的小白菜和香瓜的生物學產量均顯著提高(P＜0.05)(表2)。

表2 不同腐熟程度堆肥對小白菜和香瓜生物學產量的影響Table 2 Influence of compost with different maturities on the yield of Chinese cabbage and biomass of muskmelon

2.3 不同腐熟程度豬糞在花生上施用的農學效應

為進一步驗證不同腐熟度堆肥施用的農學效應差異，2010和2011年我們開展了不同堆腐時間豬糞在花生上施用效果試驗。試驗結果表明，化肥和豬糞處理的花生產量顯著高于不施肥處理(對照)(P＜0.05);且豬糞堆腐30 d處理的花生產量最高，顯著高于堆腐0 d、10 d和20 d處理(P＜0.05);豬糞堆腐0 d處理的花生產量比對照高37.41%?；侍幚淼幕ㄉ旮咦罡撸蓉i糞堆腐10 d和不施肥處理分別高40.31%和31.05%(P＜0.05);豬糞處理的花生分枝數顯著高于化肥和不施肥處理，其中堆腐30 d處理的花生分枝數比化肥和不施肥處理分別增加11.09%和14.02%(P＜0.05)(表3)。

表3 不同腐熟程度豬糞對花生SPAD值、產量及其構成因素的影響(2011年)Table3 Effects of swine manures with different maturities on SPAD value，yield and yield components of peanut

2.4 不同腐熟程度有機物料施用的改土培肥效應

施用堆肥可以顯著提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，增加土壤水穩性團粒體含量，降低容重，進而提高土壤的養分供應狀況與緩沖能力［44-47］，但不同堆腐時間有機物料施用研究甚少。Pascual等發現在干旱土壤中施用新鮮的市政垃圾和下水道污泥相比于它們的堆肥產物更有利于土壤有機質的提升［48］。高新昊等研究結果表明30 d麥秸堆肥在改善土壤物理性狀的作用效果好于90 d堆肥處理［43］;但不同堆腐時間的堆肥施用對土壤中氮、磷和鉀的潛在淋溶存在風險［49］。

堆肥對土壤生態系統的影響深遠，如堆肥添加到泥碳后有利于防治土傳病害［50］，改變土壤中線蟲群落組成及結構［51］。然而不同堆腐時間堆肥施用后對土壤生態系統的差異研究相當缺乏，且相關研究報道結果也不盡一致，如未腐熟污泥不利于種子的發芽和彈尾目昆蟲的繁殖，然而卻有利于蚯蚓的生長和繁殖［52］，堆腐10 d豬糞相比于20 d和30 d豬糞更利于中型土壤動物數量的增加［53］，施用家畜糞便堆肥主要通過改變土壤微生物群落多樣性和土壤酶活性，提高番茄植株的抗病性［54］。

綜上所述，有機物料堆腐過程中存在著碳、氮損失，且隨著堆腐時間延長，損失量越大，而不同堆腐時間有機物料農田施用后的農學效應、土壤肥力影響與堆肥時間長短并不呈正相關關系，因此，建立既滿足堆肥無害化要求，兼顧有機物料穩定性，又滿足農田施用目的不同要求的有機物料差別堆腐技術與指標，以適應有機物料的無害化處置與農田施用2個方面的需求，十分必要。

3 有機物料差別堆腐的分類與表征

3.1 差別堆腐的分類

為了闡明堆肥過程無害化指標、碳氮損失變化的相互關系，我們匯總江蘇省農業科學院農業廢棄物資源化利用研究室5個不同堆肥試驗，將其相關指標進行無量綱處理，得到圖1。由圖1可見，基于畜禽糞便堆肥技術操作規程與農田安全使用標準要求，考慮有機物料堆肥施入農田后農學效應，同時考慮堆肥企業的經濟效益，我們提出:在達到無害化指標后，其物料腐熟程度，應依據堆肥使用的目的與作物對象不同，而采取“差別堆腐”方式;堆肥達到無害化、初步腐熟、基本腐熟或完全腐熟的要求后，相應采用糞大腸菌群數、碳氮損失和發芽指數進行控制(圖1)，與上述不同施用目標相適應，構建不同指標體系(表4)。

圖1 差別堆腐評價方法示意圖Fig.1 Evaluation of differential maturity composting

表4 差別堆腐指標體系構建標準Table 4 Construction standard of index system for differential composting

3.2 差別堆腐評價指標

有機肥企業對堆肥腐熟進行控制時，通過理化性狀測定及生物學測定均費時且實效性差，且在生產中，由于季節、地區等對堆溫產生相當程度的影響，如高溫堆肥所需時間遠少于中低溫堆肥所需的時間［55］，因而在堆肥終點時間確定上可供選擇方法幾乎沒有，而更多是基于經驗進行終止或控制。鑒于堆肥溫度對堆肥產物穩定性和腐熟度的重要指示作用，同時參照植物生長發育中積溫的概念，陳同斌等提出用積溫用于城市污泥好氧堆肥穩定化過程的評價標準，并建議以15℃作為生物學零度，積溫指標為1 000(℃·h)［56］。我們也初步推薦將積溫作為有機物料腐熟程度判斷的控制指標，并建議計算公式如下:

f:腐熟程度;A:達到無害化指標所需要的有效積溫;T:依據腐熟程度不同所需要的有效積溫;a:與環境溫度、物料含水量以及物料的有機碳含量有關的系數。

以上方法正確與否，還需開展更多的堆肥試驗以驗證與修訂。

4 結論

(1)有機物料好氧堆肥過程中，在達到無害化指標后，其物料腐熟程度，應依據堆肥施用目的與作物對象不同，而采取“差別堆腐”方式;

(2)有機物料好氧堆肥達到無害化、初步腐熟、基本腐熟和完全腐熟后，其產物可分別作為土壤改良劑、生育期較長作物肥料、生育期較短作物肥料以及栽培基質施用;

(3)從企業生產實用性出發，堆肥積溫可推薦作為有機物料堆肥腐熟程度判斷的重要控制指標。

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