农业有机废弃物堆肥腐殖化进程调控机制概述

胡丹丹马建

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110161；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110161)

前言

腐殖质作为高碳含量的大分子化合物，对提高土壤养分，平衡土壤含碳量具有着重要的意义[1]。堆肥产物腐殖质类物质含量的高低是有效评价堆肥质量的指标。关于提高堆肥产物腐殖化水平方面的研究众多，主要集中在堆肥物料优化方面，但不同实验的研究结果却差异较大。薛兆骏等[2]通过将秸秆与剩余污泥混合发酵，堆肥产物腐植酸的含量由最初的115.1mg·g-1上升至154.5mg·g-1，较堆肥前增加了5%；段丽杰等[3]对牛粪与秸秆混合堆肥后发现腐植酸总量由初始的40.9%下降到35.0%。由此可见，现阶段的堆肥研究主要集中于有机废弃物的资源化和无害化处理，而对于如何有针对性地提高腐殖化程度、增加腐殖质类物质积累的研究仍处于初级阶段。因此，本文基于腐殖质形成的多酚理论，综述了近几年促进堆肥腐殖化进程的调控技术以及改进方案。

1 腐殖质的形成机理

腐殖质是有机物经过微生物分解转化形成的胶体物质，其结构复杂，通常为棕黑色，是土壤中有机物质的主要成分，是陆地和海洋当中最主要的有机碳库。而且还具有粘结性，可使砂土粘结粘土疏松，是形成团粒结构的良好胶结剂[4]，根据腐殖质在溶剂中的溶解程度及其颜色可以划分为3个组分：可溶于酸碱且外观呈橙黄色溶液的组分为富里酸(FA)；不溶于酸溶于碱的组分为胡敏酸(HA)；既不溶于酸也不溶于碱的组分为胡敏素(HM)。其含氧官能团由大到小顺序为富里酸>胡敏酸>腐殖质，而分子量的大小则与含氧官能团的大小相反为腐殖质>胡敏酸>富里酸[5]。

在21世纪已有许多关于腐植酸的形成机理及其本质方面的研究，其中最具代表性的包括木质素—蛋白理论、多元酚理论以及糖-胺缩合学说[6]。这些理论的区别在于合成腐殖质核心骨架的前体不同，其中木质素—蛋白理论表明，土壤当中存在的不易被微生物降解的木质素和蛋白质可以通过物理化学作用相结合形成腐殖质。然而随着对腐殖质结构的进一步研究发现，腐殖质在木质素与蛋白质形成复合体之前就已经存在，因此提出多酚理论[7]，该理论认为腐殖质的形成包括2个阶段，第1阶段是微生物将有机物分解转化为简单有机物，在这一阶段形成了腐植酸的合成原料，即氨基酸、多元酚和多肽，第2阶段则是腐植酸前体被微生物缩合从而形成腐殖质分子。在堆肥过程中，促进腐殖化原料的累积和有机质向腐植酸形态的转变，是提升堆肥腐植酸含量的有益方向。

2 腐殖化过程原理

腐殖化是指在生物、化学和物理共同作用下，将有机物质逐渐转化成一种棕黑色或暗褐色腐殖质的综合性过程，其对环境和生态系统有着重要的作用。腐殖化是指有机物质在微生物的作用下生成一系列腐植酸前体物质，如多元酚、氨基酸以及多肽等，而后经过缩合反应与复杂有机物质结合成为腐植酸的过程。

在好氧堆肥过程当中，微生物优先利用堆体当中的简单有机物质，如糖类、脂肪和蛋白质，随着堆肥时间的推移，简单有机物质含量逐渐减少，微生物开始分解纤维素和半纤维素，形成碳水化合物。随着纤维素和半纤维素的含量逐渐减少，一些嗜温性微生物通过分泌降解木质素的酶分解木质素而形成醌类物质，进而形成腐植酸[8]。

2.1 木质素的降解

微生物的活性大致可分为糖解阶段、纤维素分解阶段和木质素分解阶段，其往往随温度的变化而变化。堆肥初期，温度小于40℃时，主要以低、中温菌群为主，其中氨化细菌和糖解细菌主要用于分解糖、水溶性营养盐及简单有机物质，这一过程被称为糖解阶段；当反应器中的温度上升至40℃以上时，优势菌群转变为中、高温菌群，其中高温纤维素分解菌占主导地位，其除了继续消耗简单有机物外，还可分解半纤维素、纤维素等复杂有机物，开启了腐殖化过程，此阶段被称为纤维素分解阶段；当堆肥温度逐渐趋于室温时，主导菌群由中、高温菌群转变为中、低温菌群，高温分解菌的活性受到抑制，中温微生物活性显著增加，以分解纤维素、半纤维素、木质素等残留物质为主，此阶段被称为木质素分解阶段。木质素作为一种可以再生的大分子天然芳香族聚合物，由于其结构复杂，很难被微生物降解[9]。真菌是最易降解木质素的微生物之一，其对堆肥温度的要求较高，只在堆肥的降温阶段和腐熟阶段能较好的生长，因此堆肥后期是促进木质素降解的重要阶段，也是腐殖化过程当中至关重要的一步。

2.2 腐植酸前体物质的形成

在好氧堆肥的腐殖化过程当中，各种来源的有机物质在微生物的作用下被降解为小分子物质。小分子物质通过微生物的新陈代谢形成新的中间产物，即腐植酸的重要前体。这些前体物质通过特定方式缩合形成腐植酸[10]。此外关于多酚理论、木质素—蛋白理论以及糖—胺缩合理论均不同程度的对腐植酸前体物质的形成进行强调。因此腐植酸的前体物质对腐殖化过程起着重要作用。

腐植酸前体物质主要在堆肥的升温和高温阶段产生，而腐植酸的缩合往往发生在堆肥的降温和腐熟阶段。Wu等[11]经研究发现，酚类物质、还原糖、羧基、氨基酸与腐植酸呈明显的负相关系，所以研究者普遍认为这些物质是完成腐殖化过程的重要腐植酸前体物质。基于多酚理论原理酚类物质经氧化会形成醌基化合物，该类化合物与木质素碳骨架结合后形成腐植酸。其次氨基酸和还原糖属于维持微生物正常生命活动的必需物质，其含量越多，即腐植酸前体物质越多，腐植酸合成量就越大，越促进腐殖化的进程，Wang等[12]在垃圾堆肥中也证实了这一点。因此可以通过适当降低微生物活跃程度的方法来减少微生物对还原糖和氨基酸的消耗，从而提高腐植酸的生成量和堆肥品质。

2.3 腐殖质形成的主要影响因素

在堆肥腐殖化的过程当中，微生物起到至关重要的作用，因此环境当中的各种因素也影响着微生物的活性。合适的环境可以激发微生物的丰度，提高重要酶的活性，因此木质素等物质的降解、环境温度、含水率、pH等因素均是影响堆肥腐殖化进程的重要环境因子[10]。

3 提高腐殖化进程的技术方法及研究现状

腐殖质对土壤质量、环境保护和植物生长等方面都有着非常重要的作用。具体来说，腐殖质可以改善土壤结构，提高团粒性，增加通气性和保水性，从而提高土壤的保育性和生产力。此外，腐殖质还可以提高土壤的肥力和养分含量，增加微生物和土壤有机质的含量，有利于植物生长和发展，减少土壤侵蚀，促进生态平衡。

目前面对传统好氧堆肥腐殖化进程慢，腐植酸产率低，氮素损失严重以及堆肥品质不高等系列问题，国内外学者针对不同方面对堆肥工艺进行改进，如从添加剂的制配、堆料的选择、物理因素的调节等方面进行研究，来促进堆肥腐殖化进程以及减缓碳、氮养分的损失。

3.1 添加剂的选择对腐殖化进程的影响

近年来，添加剂在农业堆肥领域的应用中引起了众多学者的关注。类似于生物炭、麦饭石等堆肥添加剂已经被证实了其在提高土壤质量等方面发挥着各种有益的作用。Kavitha等[13]则对生物炭在农业土壤中应用的潜在效进行评估，并证实了其提高土壤肥力的能力，在固定有机质的同时还能保留氮素，是一种非常高效且廉价的添加剂。李思敏等[14]也通过添加生物炭的方法，研究其对污泥好氧堆肥过程中腐殖质组分的影响，发现添加5%生物炭的腐殖化效果最好，同时有利于氮素的保留。综上可以发现，生物炭的添加在积累腐植质方面具有良好的效果。

尽管生物炭在改良土壤等多个领域当中都表现出极大的优势，但其仍然存在许多潜在的风险。据秦雅鑫等[15]对生物碳在环境应用过程中的健康风险进行研究发现，生物炭在制备过程当中容易产生重金属类污染物以及多环芳烃等新型污染物，这些物质极易造成自然环境的二次污染。除此之外，生物炭的肆意添加还会造成土壤的基础指标恶化、土地盐碱化等现象。因此在提高腐殖化进程，积累腐殖质含量方面还需要寻找更绿色有效的调节方法。

3.2 不同的堆料对腐殖化进程的影响

在农业有机废弃物堆肥的过程当中，通常将C/N比调至30堆肥效果最佳，因此为了充分资源化利用农业有机废弃物，往往以玉米秸秆作为碳源，以畜禽粪便作为氮源进行好氧堆肥处理。常见的畜禽粪便有牛粪、鸡粪、猪粪以及羊粪等，这些畜禽粪便均是作为有机肥的良好材料，但食性不同的畜禽粪便其中所含有的养分也有一定区别。

通常食草动物粪便当中的养分是没有食用粮食的杂食动物粪便中养分高的。如牛、羊这种食草动物排出的粪便当中往往是一些草屑纤维，这些物质中的有机质成分非常丰富，而像鸡、猪这类杂食动物常常排泄一些没有消化的食物残渣，这些残渣当中往往含有较丰富的氨基酸、无机盐等营养物质。这些物质都是构成腐植酸前体的良好材料，因此将不同的粪便与秸秆进行堆肥有利于腐殖质类物质的积累。

近年来，许多学者通过将不同粪便分别与秸秆、生活垃圾以及尾菜进行堆肥，研究其对腐殖化过程的影响情况。张陆等[16]则通过将鸡粪与蔬菜废弃物进行好氧堆肥后发现在高木质纤维素的堆料中适量添加鸡粪可以有效促进木质素的降解，有利于腐植酸的形成，但过量的添加鸡粪反而会加重矿化反应程度。李文圣等[17]分别将2种食性的粪便猪粪和牛粪与秸秆按照一定的比例进行堆肥，发现至堆腐结束时牛粪处理中胡敏酸/富里酸的比值随堆肥的进行逐渐上升，而猪粪处理中胡敏酸/富里酸的比值则先上升后下降，证明牛粪比猪粪的腐殖化效果更好。综上可以看出，素食动物粪便较杂食动物粪便更容易腐熟，腐殖化效果更好。将秸秆与粪便合理的调配可以有效促进堆肥腐殖化进程，但仍存在一定的矿化问题，因此对于矿化反应的控制还需要进一步研究。

3.3 物理因素的调控对腐殖化进程的影响

目前，在好氧堆肥工艺当中，可以进行调控的物理因素有很多，其中包括含水率、曝气量、温度等，通过对这些因素的调节可以在一定程度上促进好氧堆肥的腐熟进程以及腐植酸的积累。汪晶晶等[18]通过在不同含水量下将蓝藻和菌渣、稻壳作为堆肥原料进行好氧堆肥探究其腐殖化进程情况，发现在高含水量的堆肥处理中，腐殖质的下降含量和胡敏酸的提高含量较低，说明低含水量即50%～55%的堆肥处理更有利于腐殖质类物质的形成。对于通气量的调节，赵秀玲等[19]通过设置适量通气、过量通气和不通气3种方式对牛粪好氧堆肥进行调节，发现含水量随不同通气量的变化而变化，气量越大水分散失越重，在适量通气条件下氮素的含量较之前增加了46.4%，而碳素的含量变化则在不同处理间不明显，但对于腐殖化进程方面的研究却比较空白。因此为了促进腐殖化进程，提高腐植酸含量可以对通气量的调控方面进行进一步研究。除了对含水率、曝气量的调节以外，提高好氧堆肥的反应温度也可以加快腐殖化的进程，研究表明[20]，在高温环境中通过接种极端嗜热菌剂可以提高堆肥的腐殖化程度，其中胡富比和种子发芽指数分别提高了21.3%和35.9%。

3.4 通气量对堆肥质量的影响

在好氧堆肥过程当中，通风速率是影响堆肥腐熟进程的重要因素之一，合适的通风速率不但可以促进堆肥的腐殖化进程，同时还可以减少堆肥矿化反应的程度，有效地积累腐植酸前体物质。尽管目前已经进行了大量的研究来确定不同通气量下微生物分解固体废物的堆肥腐熟情况，但对于利用微生物的耗氧速率求出堆肥临界供气量的试验却鲜有研究，同时基于这种临界通气量进行的好氧堆肥并研究其腐殖化进程的试验则更是空白。因此本研究主要通过调控堆肥反应器中的微生物的临界好氧通气量，来确定在不同堆料当中减量曝气对某些农业废弃物堆肥的影响。

对于通气速率来说，其通气量的大小可以直接决定堆肥质量的好坏，如果在堆置期间的通气速率太高，就会导致反应器中微生物产生的热量大量散失，使反应器中的温度达不到腐熟标准，但如果通气率不足，又会导致反应器中缺氧，形成厌氧条件从而达不到好氧堆肥的效果[21]。沈玉君等[22]通过对比不同通气速率对堆肥腐熟度的影响，发现通风速率越低全碳保留量越高，这有利于腐植质前体物质的积累，但较低的通风速率会降低堆肥过程中的反应温度，使好氧堆肥难以达到腐熟水平。因此在考虑降低堆肥通气量的同时也应先达到堆肥的腐熟标准。

目前可以通过利用堆肥过程当中的指标值，计算出不同堆料中微生物群落的氧气消耗率，进而求出不同体积堆体所需要的氧气含量，最后按照微生物的需氧情况计算出临界供氧量。这样既不会使微生物过度活跃而导致有机质大量矿化，同时也可以保证微生物的正常生长代谢，使腐殖化过程可以延续。因此，在堆肥过程的规划和管理中，可以模拟实际堆肥过程，也可以预测最终产品的特征。虽然这些研究不能完全模拟堆肥厂的真实条件，但其有助于理解过程中单个参数的影响。

4 总结

农业的可持续发展离不开肥沃的土地，堆肥化的出现为农业有机废弃物的利用指明了方向，并逐步成为保障农业绿色发展的重要举措之一。在如今耕地土壤肥力下降的背景下有机质矿化加速，肥料中有机碳物质的大量流失等都是目前面临的问题，因此可以对堆肥曝气量的控制方面着重研究，来抑制矿化反应速度，提高堆肥腐殖化进程，使农业有机废弃物堆肥化在现代农业的发展中发挥越来越重要的作用。