农业废弃物好氧堆肥技术的研究与应用

魏天娇 李广 关法春 解娇 滕星 高星爱 崔彦如

(吉林省农业科学院/中国农业科技东北创新中心，吉林 长春 130033)

1 农业废弃物资源化的意义

农业废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，主要包括植物类废弃物、动物类废弃物、加工类废弃物和农村城镇生活垃圾等4大类[1]。据统计，我国农作物秸秆年产生量约为7.0×109t左右，畜禽粪便年产生量约为18.6×108t，农村生活垃圾和人粪便产生量约为2.5×108t，且随着我国工农业生产的迅速发展和人口的急剧增长，这些废弃物以年5%～10%的速度递增[2]。大量农业废弃物存在处理不当的问题，如秸秆及生活垃圾等露天焚烧会造成空气污染，垃圾填埋也会污染地下水、土壤和作物等，这些都会对动物和人类健康造成巨大的污染和有害影响。目前，我国农业废弃物资源化利用主要向4个方面发展：肥料化，饲料化，能源化，基质化。好氧堆肥技术是实现农业废弃物循环利用和农业可持续发展的有效措施之一，特别适用于农业废弃物实现肥料化与基质化[3，4]。2022年农业农村部和财政部在农业生产发展等项目实施工作上也明确强调了农业废弃物资源化利用的重要性，加快粪肥还田，推广适宜技术，促进畜禽粪污资源化利用和农业绿色发展。因此，开展农业废弃物资源化处理，实现废弃物由“污染源”向“资源”转变，有效降低对环境造成的危害，是促进农业可持续发展的必然所趋[5]。

2 好氧堆肥过程

2.1 好氧堆肥过程的主要阶段特征

堆肥按照微生物生长环境的不同，分为好氧堆肥和厌氧堆肥，其中好氧堆肥是指在好氧条件下，微生物与堆体中有机物发生放热分解反应，引起复杂的有机物转化为简单而稳定的腐殖质的过程。堆肥过程通常需要植物源性碳源(如植物秸秆和稻壳等)和动物源性氮源(禽畜粪便)以一定比例混合，达到一定的C/N比值，才能保证发酵正常运行。无机氮源(如尿素)替代有机氮源更有利于提高堆肥质量[6]。好氧堆肥过程需要经历4个阶段：升温期，高温期，降温期和腐熟期，并在各阶段呈现出不同的特点。升温期：堆肥的温度约为20～40℃，能量丰富，容易降解的化合物，如糖和蛋白质可被真菌、放线菌和细菌降解。高温期：温度约为40～70℃，温度升高可以消灭病原体和寄生虫，从而确保堆肥的无害化。降温期：温度降至40～45℃，降解淀粉或纤维素的微生物数量增加。腐熟期：堆肥稳定供植物使用，真菌比例增加，细菌数量下降，此阶段易形成木质素-腐殖质复合物[7]。

2.2 好氧堆肥的影响因素

好氧堆肥的影响因素主要包括堆肥物料的理化性质(如有机物料的养分含量、作物秸秆颗粒度等)、堆肥工艺参数(如温度、氧浓度、含水率等)以及其他因素(pH值和微生物菌剂的添加等)[8]，这些影响因素的作用原理见表1。

表1 好氧堆肥的影响因素及其作用原理

2.3 参与堆肥过程的主要微生物群落组成和功能

堆肥是一种由微生物驱动的过程，微生物会加速废物降解和复杂材料转化为可用的、更简单的有机和无机形式[14]。参与堆肥过程的微生物种类主要包括细菌、真菌和放线菌等[15]。随着新一代高通量测序的发展，添加物料的不同会引起参与堆肥的主要细菌和真菌群落组成的差异见表2。不同种类微生物的生态学功能也存在差异，其中细菌的主要功能在于降解脂类、蛋白质、木质素、纤维素，甚至有毒化合物[16]。真菌主要以许多碳底物作为食物来源，并在干燥、酸性、低水平的氮条件下生存，通过产生多种细胞外酶来分解纤维素、木质素等[17]。放线菌具有耐高温、抗盐碱和耐盐分等特点，有助于木质纤维素的降解作用[18]。

表2 不同堆肥阶段的主要微生物群落组成

2.4 堆肥过程中的碳氮转化过程

2.4.1 堆肥过程中碳素的转化

大多数简单、易降解的有机物(可溶性糖、有机酸和淀粉等)会在堆肥的中温阶段、嗜热阶段，被微生物矿化为CO2，只有小部分转化为腐殖质。随着大量易降解有机物被充分利用后，堆体温度开始下降，微生物种群结构也同时发生转变，一些中等和难降解的有机物(纤维素、半纤维素和木质素)逐渐成为主要的碳源，其在微生物的代谢作用下被分解成酚类、醌类以及芳香族等化合物，这些中间产物被进一步分解成CO2或者转化成腐殖质，以CO2排放为主，而腐殖质的形成则利于废弃物的稳定与腐熟[22]。通常经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等温室气体形式排放的碳量高达70%以上[23]。

2.4.2 堆肥过程中氮素的转化

有机固体废弃物中，氮元素主要以有机氮的形式存在于分子中，如蛋白质、DNA和其他关键的细胞化合物等。堆肥体系中的氮素转化过程是由多种微生物介导的基本生化过程，主要包括氨化作用、氨同化作用、硝化作用、反硝化作用等[24]。通常在堆肥结束后，氮素损失途径主要是有机氮的矿化，持续性氨的挥发以及硝态氮的反硝化3方面[25]。通常当堆肥温度升高到45～55℃，pH值会随之增加，NH3排放量也会增加[26]。在硝化阶段，NH4+通过氧化作用转化为NO3-和副产物如N2O[27]。

3 堆肥在改善植物生长中的应用

3.1 修复土壤环境

3.1.1 修复重金属污染土壤

富集于土壤中的重金属具有不可降解性，易进入生物链中，导致饮用水污染和食品污染，对人类、动植物的健康构成严重威胁[28]。堆肥是一种有机质腐殖化过程，而腐殖质作为有机质主要成分，对污染物具有较好的吸附和氧化还原的作用[29]。堆肥可通过降低土壤溶液中As、Cu、Pb和Zn元素的含量，提高土壤pH值和养分水平，减少土壤环境有效金属库和减少植物金属吸收的效果[28]。

3.1.2 修复盐渍化土壤

土壤盐化或盐碱化会抑制植物生长，降低植物光合能力，影响植株对土壤营养元素的吸收，最终限制作物产量[30]。堆肥作为一种土壤改良剂，可以通过改善土壤理化性质，增加土壤肥力，改变土壤微生物群落结构，增强植物抗逆性。

3.2 调节土壤和基质的养分

3.2.1 堆肥作为农用肥料

我国化肥的年使用量高达4214万t，占世界35%，平均施用水平为368kg·hm-2，远超过其他发达国家的施用水平，对我国农业生态环境造成严重的负面影响。堆肥是把各种各样的有机废弃物分解转化成为一种稳定、无害化的适合于土壤培肥的有机肥产品，还可以减少农业残留物和动物粪便的浪费[31]。同化肥相比，堆肥中的养分含量丰富，养分释放较缓慢且持久性强，可以较好供给植物生长发育所需。堆肥与无机肥配施在增加产量、提高氮素回收率的同时，可促进土壤微生物繁殖，改善土壤生物学特性，进而有利于提高土壤肥力[32]。

3.2.2 堆肥作为育苗基质

育苗基质可以满足植物水分和养分的需求，支撑幼苗生长基质，对集约化、标准化的设施农业发展至关重要[33]。泥炭是一种普遍采用的育苗基质，但泥炭属于不可再生资源[34]，由于泥炭资源存在短缺现象，成本高且价格昂贵。近年来，农业生物质堆肥技术，成本低，价格低廉且不污染环境，以堆肥来替代泥炭基质已经逐步成为育苗基质生产中关注的热点。在育苗基质生产中不同堆肥比例添加会对植物产生不同的影响，其比例过高或过低都不利于植物生长，同时也要考虑植物种类因素，同样的配比条件对同科植物生长的影响也存在差异[35]。

3.3 防治植物病害

堆肥和生防微生物的使用常能改变根际微生物多样性，促进有益微生物的增殖，可使土壤向健康有利的方向发展，从而产生广谱抗病性[36，37]。堆肥不仅能够抑制多种作物的真菌病害，如枯萎病、黄萎病、腐霉病和丝核病等，也可抑制细菌病害，如青枯病、斑疹病和叶枯病等[38]。堆肥抑制病害的原因有2方面，自身存在大量的对植物病原具有拮抗作用的微生物；堆肥中的化学物质(小分子酸、氨氮、腐殖质、酚类物质)、活性物质(PR蛋白、大分子物质降解酶、抗氧化酶)可以增强植株的抑病能力[39]。

4 存在问题与展望

农业废弃物堆肥是一种经济有效、环境友好的技术手段，能够有效解决我国农业废弃物量大且利用困难等突出矛盾，在土壤环境修复与作物增产等方面都具有良好的应用前景[37]。但目前关于添加不同碳源和氮源的农业废弃物原料下堆肥质量和植物毒性评估等方面的研究尚存在不足，参与堆肥过程的微生物群落信息和功能仍不明确，堆肥替代有机肥的最佳田间施用量以及堆肥调控植物生长发育机制解析方面仍缺乏深入探讨。

鉴于此，为研发、完善堆肥工艺，增强理解堆肥在改善植物生长方面的机制研究，建议未来的研究可从4方面入手：开展不同碳源添加或不同氮源添加下堆肥质量和植物毒性评估试验，解析不同原料添加下堆肥腐熟度和应用效果，为堆肥施用的安全性评估提供科学依据；开展堆肥中微生物群落组成、演替和功能分析，探明参与堆肥过程的关键微生物群的作用机制，同时关注堆肥过程中病原菌、抗生素抗性基因的消减情况，确保堆肥腐熟产品的无害化；探究堆肥与无机氮肥配施的用量问题，研究其对土壤养分有效性和后续产量的影响，为实施有机肥替代化肥，推动农业高质量发展提供重要参考；堆肥作为土壤修复剂，可以有效降低土壤重金属污染和土壤盐度，改善土壤微生态环境，未来应加强堆肥改善植物生长发育的“堆肥-土壤-植物根际微生物组”互作系统方面研究，建立土壤理化属性、土壤关键微生物群与植物生长发育之间的关系，为土壤定向培肥及作物增产潜力提升奠定理论基础。