有機肥質量標準與關鍵生產技術研究綜述

楊 麗，李慧媛，柴小粉

（1.中國標準化研究院，食品與農業標準化研究所 100191；2.中國農業大學園藝學院 100083）

1 有機肥的概念

在GB/T6274-2016《肥料和土壤調理劑術語》中對肥料的定義是：以提供植物養分為主要功效的物料。如此看來，肥料的范圍是很大的，類別也是很多的。從該國家標準可以看出有機肥料（organic fertilizer）和無機肥料（inorganic fertilizer）是對應的，而且該國家標準中對礦物肥料（mineral fertilizer）和無機肥料（inorganic fertilizer）的定義是同一個：由提取、物理和/或化學工業方法制成的，標明養分呈無機鹽形式的肥料。該國家標準對于傳統意義上統稱的化肥卻沒有對應的術語和定義。

有機肥的概念最早在相關行業標準發布之前是對應化肥的概念提出的，當時涵蓋的物料范圍十分廣泛，包括農家肥、堆漚肥、沼肥、廄肥、綠肥、秸稈肥、餅肥、泥肥、腐植酸類肥等。綠肥包括綠豆、蠶豆、苜蓿、黑麥草、肥田蘿、小葵子、滿江紅、水葫蘆、水花生等作物；餅肥包括菜籽、棉籽、豆餅、芝麻餅、蓖麻餅、茶籽餅等；泥肥包括未經污染的河泥、塘泥、溝泥、湖泥等。上述這些非化肥的肥料統稱為有機肥。從2002年發布有機肥料的行業標準開始，就對有機肥料有了明確的定義。有機肥料的農業行業標準自發布以來已經過3次修訂和重新發布。分別是NY525-2002《有機肥料》、NY525-2011《有機肥料》和NY525-2012《有機肥料》。在最新的有機肥料行業標準中對有機肥料（organic fertilizer）的定義是：主要來源于植物和（或）動物，經過發酵腐熟的含碳有機物料，其功能是改善土壤肥力、提供植物營養、提高作物品質。有機肥料目前尚沒有發布國家標準。

在有機肥行業標準的基礎上，農業部又發布了生物有機肥行業標準NY 884-2004，其中對生物有機肥的定義是：指特定功能微生物與主要以動植物殘體（如畜禽糞便、農作物秸稈）為來源并經無害化處理、腐熟的有機物料復合而成的一類兼具微生物肥料和有機肥效應的肥料。可以看出有機肥與生物有機肥從概念上具有一定的交叉重疊。如何歸類和劃分按目前的行業標準來講，并不十分清晰。

歐美國家對有機肥的定義沒有類似我國行業標準的單獨的規范性文件，只在有機農業法規或標準中規范了土壤培肥和改良物質。在法規中給出有機農業允許使用的土壤培肥和改良物質的列表，并給出相應的評價準則。

2 有機肥的質量要求

NY525-2012《有機肥料》中對有機肥的質量從外觀、成分、有害物質限量等3個方面進行規范。首先，外觀要求顏色為褐色或灰褐色，粉狀或粒狀，均勻，無惡臭，無機械雜質；其次，成分要求其有機質的質量分數（以烘干基計）≥45%；總養分（氮+五氧化二磷+氯化鉀）的質量分數（以烘干基計）≥5%；鮮樣的質量分數≤30%；酸堿度（pH）在5.5～8.5之間；第三，重金屬限量指標規定了總砷（≤15%）、總汞（≤2%）、總鉛（≤50%）、總鎘（≤3%）、總鉻（≤150%）的要求，標準中的其余內容就是試驗方法、檢驗規則、包裝標識運輸和貯存。

行業標準NY 884-2004《生物有機肥》對生物有機肥的質量從外觀、成分、有害物質限量等3個方面進行規范。外觀要求也是粉劑產品松散、無惡臭味；顆粒產品無明顯機械雜質、大小均勻，無腐敗味；技術指標從有效活菌數、有機質含量、水分、pH、糞大腸菌群數、蛔蟲卵死亡率、有效期等幾方面進行規范；砷、汞、鉛、鎘、鉻等重金屬限值應符合NY/T 798-2004《復合微生物肥料》的規定。

3 有機肥的作用簡述

可以看出，有機肥是動物排泄物、植物殘枝等廢棄物經過無害化處理、發酵腐熟漚制而成的含有可以補充土壤養分的物質的產品，有機肥不僅含有植物生長所需的各種營養元素，同時含有有機質、多種氨基酸和腐殖質等，養分均衡，被稱為緩釋性的完全肥料[1，2]。我國有機肥資源豐富，種類繁多，主要包括：人糞尿、畜禽糞便、漚肥、沼氣肥、綠肥、秸稈、蠶砂、餅肥、泥土肥（溝泥、河泥、塘泥等）、草炭、風化煤與腐殖酸肥料、草木灰、骨粉、食品加工廢渣、肉類加工廢棄物、有機生活垃圾及城市污泥等[3]。

長期使用有機肥可以有效疏松土壤，防止土壤板結，促進農作物生長[4]，也可以改善土壤微環境，改變土壤微生物群落組成，促進土壤中有益菌的形成，提高作物抗病蟲害的能力[5-9]。若長期不合理施用化肥，有機肥數量不足且使用不均衡，會造成部分農田各類養分比例失調，致使農田生態環境、土壤理化性狀和土壤微生物區系受到不同程度的破壞，在一定程度影響農產品安全。有機肥是既能向農作物提供多種無機養分和有機養分，又能培肥改良土壤的一類肥料。因此，有機肥在我國實現農業可持續發展中具有重要的戰略地位。近年來，隨著中國綠色、優質、高效、健康、環保的新型農業和資源節約型、環境友好型社會的快速發展，有機肥料大受青睞，已逐步成為我國肥料業生產和銷售的熱點。有機肥的推廣應用不僅是科學施肥的延伸和耕地生產力提升的重要措施，也是社會主義新農村建設、保護生態環境的一項重要內容，對促進中國有機農業的發展和農業部提出的到2020年實現化肥零增長的目標具有重要的作用。

4 有機肥的主要生產原料和處理方法

我國商品有機肥組成成分繁雜[10，11]，在生產上如何實現無害化是一大難題。通過運用現代科技對傳統有機肥生產工藝進行改進的研究，尤其是畜禽糞便有機肥生產取得了很大進步[12，13]。有機肥是以畜禽糞便、動植物殘體、生活垃圾等富含有機質的固體廢棄物為主要原料，并添加一定量的其他輔料（如風化煤、草炭、中藥渣、酒渣、菌菇渣等）和發酵菌劑，通過工廠化方式加工生產而成的肥料。根據生產原料的不同，我國商品有機肥料主要包括三大類：一是以集約化養殖畜禽糞便為主要原料加工而成的有機肥料；二是以城鄉生活垃圾為主要原料加工而成的有機肥料；三是以天然有機物料為主要原料，不添加任何化學合成物質加工而成的有機肥料[14]。商品有機肥的一般生產過程包括：粉碎、攪拌、發酵、除臭、脫水、粉碎、造粒、干燥，整個過程需要1個月左右的時間完成。我國每年來自農業生產的有機物質（糞尿類、秸稈類、綠肥類、餅肥類）資源量約為40億t，其中秸稈占資源量的12.2%，糞尿類占資源量的78.7%[15]，從有機肥的基本資源量來看，畜禽糞便和農作物秸稈是最主要的有機肥資源。

4.1 以畜禽糞便為主要原料

畜禽糞便主要指豬、牛、羊、馬等家畜糞便和雞、鴨等家禽糞便，是優質的有機肥原料。隨著養殖業的發展，產生了越來越多的畜禽糞便，大部分養殖場未能對畜禽糞便進行有效的處理和利用，畜禽糞便的不合理處置帶來了嚴重的環境污染問題：畜禽糞便中的氮、磷等營養物質通過降雨沖刷或淋溶方式進入水體和土壤；畜禽糞便中的氨、硫化氫等不穩定物質通過揮發釋放到大氣中；畜禽糞便中的有害病原微生物、藥物添加劑通過不同途徑進入水體、人體，從而對大氣、土壤和水體造成嚴重污染，給社會帶來一系列的環境、衛生問題。畜禽糞便同時又是一種寶貴的肥料資源，因為畜禽糞便富含有機質和氮、磷、鉀等營養元素，利用高溫好氧堆肥技術對畜禽糞便處理后，加入功能性微生物菌劑便可制成生物有機肥。

目前畜禽糞便處理最常用的是高溫好氧堆肥技術，該技術是利用微生物在一定的溫度、濕度和pH值條件下，將可生物降解的有機固體廢棄物分解為相對穩定的腐殖質物質的過程。高溫好氧堆肥處理是目前實現農業廢棄物無害化、減量化、資源化利用的有效途徑[16]。其工藝流程主要由預處理、好氧發酵、后處理和儲存等工序組成[17]。其關鍵技術主要是預處理和好氧發酵。

（1）預處理。堆肥預處理主要是對堆肥原料的水分、pH 和碳氮比進行調整，并向堆肥原料添加微生物發酵菌劑。堆肥糞便的起始含水率一般應為40%～60%，水分過低不利于微生物的生長，水分過高則堵塞堆料中的空隙，影響通風，導致厭氧發酵，減慢降解速度，延長堆腐時間[18]。pH是對微生物生存環境進行評估的參數，堆肥過程中最適宜的pH應為5.5～8.0。在堆肥過程中，pH 值通常被認為非重要影響因素，因為大部分細菌均可在pH 5.5～8.0的范圍內生長繁殖。堆肥原料的碳氮平衡是微生物達到最佳生物活性的關鍵因素。堆肥原料的碳氮比一般在25∶1～35∶1 之間比較適宜[19]。碳氮比小，溫度上升很快，但堆層達到的最高溫度低；碳氮比大，堆層達到的最高溫度高，但溫度上升慢。在實際生產中，可利用秸稈、稻殼或鋸末等物料調整碳氮比。堆肥是微生物作用于有機物的生化降解過程，微生物是堆肥過程的主體，是堆肥過程中最關鍵、最活躍的成分。向堆肥原料中添加微生物發酵菌劑，可加速堆肥原料有機物的分解腐熟，促進有機物料中有效氮的釋放。

（2）好氧發酵。好氧發酵堆肥過程由一級發酵和二級發酵2 個階段組成，堆肥運行所需時間隨碳氮比、濕度、天氣條件、堆肥運行管理類型等方面的不同而不同。一般情況下，發酵周期為9～35 d 左右[20，21]。一級發酵是指從溫度升高到開始降低為止的階段，是堆肥發酵的第一階段。在此階段通常需要向堆肥層或發酵裝置中供氧。氧是好氧微生物生存的必要條件，充足的氧氣供給是保證好氧微生物群體繁殖發育的重要條件，對堆肥時間及終產品質量有重要影響[22]。一般認為堆肥中的空氣氧的體積含量保持在5%～15%比較適宜，低于5%會導致厭氧發酵；高于15%則會使堆肥體冷卻，導致病菌的大量存活[23]。目前采用的通風方法主要有利用動力鏟或其他特殊設備翻堆、向糞堆中插入帶孔的通風管、借助高壓風機強制通風供氧和自然通風供氧等。在一級發酵過程中，堆層各測試點的溫度均應保持在55～65℃，不宜高于75℃，且持續時間不得少于5 d。二級發酵是指堆肥經過一級發酵后，微生物以較低的速度分解難降解的有機物和發酵中間產物的發酵過程，此階段通常不需通風，但應定期進行翻堆。

4.2 以農作物秸稈為主要原料

秸稈是成熟農作物在收獲籽實后的剩余部分，是一種可再生的生物質資源，但目前大量的秸稈被焚燒或丟棄，不但造成嚴重的環境污染，而且浪費了寶貴的有機肥資源。因此，加強農作物秸稈資源的開發利用是實現秸稈資源化的一種途徑。作物秸稈還田是當今世界上普遍重視和應用的一項培肥地力的增產措施，既節省肥料肥，變廢為寶，又避免了焚燒，是典型的低碳農業措施。幾種常見的秸稈肥料化技術包括直接還田、焚燒還田、堆漚還田、過腹還田和堆肥還田[24]。目前采用較多的是秸稈堆肥技術的優點是：（1）在秸稈堆積、腐熟的過程中，產生的高溫可殺死大部分病菌和害蟲，減輕病原基數，降低蟲口密度，還可以產生一些有益微生物，從而減輕作物病害、蟲害和草害的發生。同時，還具有解決重茬、固氮、解磷鉀、改善農作物品質等多種功效，適合在農村大范圍推廣。（2）在秸稈堆積、腐熟的過程中，易分解的有機物大部分被分解，堆肥還田后不會造成燒根、農作物死亡等現象。目前大力發展的生物秸稈反應堆技術是利用高溫型菌種制劑將秸稈速堆漚成高效、優質有機肥，一方面將秸稈纖維快速分解，提高農田二氧化碳含量，改善農田小氣候；另一方面形成大量菌體蛋白，被植物吸收或轉化為腐殖質，增加了土壤有機質[25]。

5 有機肥生產的技術要點

在有機肥實際的生產過程中，很多技術是結合使用的，而且各種技術的叫法雖然不同，有些核心的技術內容卻是相同的。

5.1 高溫堆肥技術

傳統農業中基肥、追肥等施肥措施會廣泛使用有機肥[26]，傳統堆肥是農民自制有機肥的一種方式，其實質是厭氧堆肥。傳統堆肥占地面積大且堆制時間長，因堆溫較低其無害化程度較低，有機物分解緩慢、易產生臭味。目前我國工廠化有機肥生產的研究已取得較多研究成果并已普遍應用，形成多種工藝，如條垛式堆腐、槽式發酵、圓筒發酵、塔式發酵、膨化發酵、水解處理及蚯蚓處理等[27]，相比傳統的畜禽糞便堆肥方式有較大改善。高溫堆肥是有機固體廢棄物的處理方法之一[28]，是在微生物作用下通過高溫發酵使有機物礦質腐殖化和無害化從而變成腐熟肥料的過程，與此同時會產生高溫（T＞55℃），可以最大限度地殺滅蟲卵、病原菌及雜草種子[29，30]。在高溫堆肥的過程中，微生物將有機質分解，生成大量可被植物吸收的有效氮、磷、鉀等化合物，并使有機質快速地降解為穩定的腐殖質，轉化為有機肥[31]，或者進一步制備成各種作物專用的有機無機復混肥。高溫堆肥解決了發酵周期長、處理不徹底的難題，實現了畜禽糞便、秸稈等廢棄物的資源化和無害化利用。

5.2 生物有機肥技術

生物有機肥是土壤有益微生物菌種與有機肥結合形成的新型、高效、安全的微生物—有機復合肥料，輔以拮抗菌的生物有機肥能有效抑制土傳病原菌，減少植物土傳病害的發生，提高作物品質[32]。所以生物有機肥生產既可以將廢棄物資源充分利用，又可以在治理污染、改善生態環境和促進農業、養殖業發展方面發揮作用，符合國家可持續發展戰略。微生物菌劑法被認為是畜禽糞便等肥料化處理方式中最具有發展潛力的一種方法。在高溫堆肥的基礎上，將微生物功能菌作為添加劑添加到有機肥中，能有效提高肥料利用率和農產品品質，并可以通過選培的微生物對病原體有一定的拮抗作用，抑制病原體微生物的繁殖，提高有益微生物在有機肥中的生物效價，改善土壤中的微生物區系向有利于農作物高產、優質方向轉化，提高土壤抗逆性[33-36]，因此利用新型微生物菌劑處理畜禽糞便已成為新的研究方向。

5.3 原料配比技術

有機肥原料具有提供碳源、提高堆肥過程中的空隙度、調節物料的濕度等作用。有機肥生產中的原料來源多，種類多，成分復雜[10，11]，根據原料性質進行不同原料配比試驗研究可獲得合適配方。堆肥過程中的一個關鍵因素是C/N，其數值一般在20-30之間相對適宜微生物活性[37]。C/N比值較高時，微生物生長代謝加快進而消耗過量的碳，直到達到適宜的碳含量時才會進行新陳代謝[38]，而C/N比較低時，堆體中的氮將會以氨氣的形式揮發，導致氮損失[39]。因此在選擇原料和確定配比時，應了解原料的性質、養分和有機質等含量，以確保在堆肥的整個過程順利完成。例如在麥秸堆腐時添加雞糞，不僅能改善麥秸堆肥的結構、吸收水汽，而且可作為微生物的氮源，既解決了麥秸C/N比值低在單獨堆肥時本身所存在的弊端，還可以促進雞糞的資源化利用[40，41]。

5.4 發酵接種技術

有機肥發酵指復雜的有機物在微生物的作用下分解為簡單物質的過程[42]。發酵是一種解決畜禽糞便污染最經濟有效的方法，在減少污染的同時還可以使畜禽糞資源化。發酵菌劑是生物有機肥生產中重要的物質，發酵菌劑的選擇是生物有機肥生產的關鍵，它決定了生產中有機物料發酵的溫度、生產過程等。研究表明，接種微生物對加快堆肥進程或提高堆肥產品的質量沒有明顯作用，主要原因是堆肥原料中本身含有大量的微生物種類和數量，堆肥選用的微生物繁殖速度非常，在適宜的環境下就可以大量繁殖，在農田應用階段發揮其功能[43-45]。隨著農業的發展，對有機肥的需要標準也在升高，單一菌種、單一功能的生物有機肥已不能滿足現代農業發展的要求，復合菌種是生物有機肥的發展趨勢[46]。菌種選擇的原則如下：符合農用微生物菌種安全評價要求、繁殖速度快、功能性強、無拮抗或不同菌株拮抗小、不同產品對菌株的其他要求。在生物有機肥生產過程中，加入的功能菌一般為芽孢桿菌（Bacillus）、假單胞菌（Pseudomonas）、鏈霉菌（Streptomycete）、固氮菌、溶磷菌、光合細菌等[46，47]。

5.5 環境控制技術

堆肥發酵過程中外界條件會影響堆肥的完成，主要的影響因素為原料、含水率、碳氮比、堆肥過程的氧濃度和溫度以及pH等，可以通過調控上述因素，控制微生物的活性和堆肥速度。

5.5.1 濕度

堆肥過程中水分是一個重要因素[48]，主要作用在于溶解有機物，并參與微生物的新陳代謝。水分蒸發時帶走熱量，起到調節堆肥溫度的作用。水分過低，不利于微生物生長，如果水分含量低于10%，細菌的代謝作用會停止；水分過高，則會使堆料通氣不暢，導致厭氧發酵，延緩堆肥時間[49]。在選擇原料的時候應保證水分含量適中。

5.5.2 溫度

對于堆肥系統而言，溫度會影響微生物活性從而影響堆肥效果。作為一種生物系統，堆肥中微生物分解有機物釋放熱量使堆肥溫度上升，不同于非生物系統[49]。當堆體溫度超過極限時，溫度越高，反應速度變得越低[50]。高溫堆肥溫度控制在45～55℃左右[51]，以保證微生物活性和相關酶的活性。

5.5.3 pH

堆肥過程中，pH是一個重要的因素，微生物在高溫階段在pH為7.5～8.5時其分解能力最大[52]。一般來講，pH在3～12之間，堆肥反應均可以進行[53]。但有研究發現，在堆肥初期堆體的pH降低，低pH有時會嚴重地抑制堆肥反應的進行。在堆腐生活垃圾時，當pH控制在5時，葡萄糖和蛋白質的降解會停止。6 展望

當前國家對食品安全、環境保護等問題越來越重視，人們對農產品的質量及生態環境的要求越來越高，生態農業的呼聲也越來越強烈。我國目前正逐步加大對有機肥的研究和開發力度，但很多研究成果尚處于實驗室階段，在有機肥實際生產中，生產技術與工藝不成熟比較普遍，還沒形成較為完善的法規和技術標準體系，有機肥的質量、功效、對環境，人類健康及生態系統的影響的評價還沒有統一的規范，還需要進一步探索適合規模化、工廠化生產的應用技術及制定相應的技術標準，規范和促進有機肥的生產，提高有機肥產品質量，從而促進有機肥產業技術的進步和發展。

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