堆肥：古老方法的现代应用，为农业生产带来生态效益

一、概述

任何合格、优质的有机肥的生产都必须经过堆肥发酵过程。堆肥是在一定条件下，通过微生物的作用，使有机质不断降解、稳定，并生成适合土地利用的产品的过程。

堆肥是一种古老而简便的处理有机废弃物和制作肥料的方法。随着研究的深入和方法的完善，它的应用已受到各国的高度重视，因为它具有良好的生态意义，给农业生产带来了益处。有许多报道说，利用成熟的堆肥制备苗床，可以抑制土传病害。另外，堆肥过程经过高温阶段后，随之而来的拮抗细菌可使细菌数量达到很高的水平；在堆肥过程中，有机质在微生物的作用下不易分解、稳定，易于被作物吸收利用；同时，微生物的作用在一定范围内降低了重金属的毒害作用。可见，堆肥是一种简单而有效的制作生物有机肥的方法，有利于生态农业的发展。

有机肥原料运输

堆肥为何会产生这样的效果呢？下面我们就来详细的介绍一下堆肥的原理。

2、有机肥发酵原理

1. 堆肥过程中有机物的转化

堆肥中的有机质在微生物的作用下发生复杂的转化。这种转化可归纳为两个过程：一是有机质的矿化过程，将复杂的有机质分解成简单的物质，最终生成二氧化碳、水和矿物质营养物质；二是有机质的腐殖化过程，将有机质分解、合成，生成更为复杂的特殊有机质——腐殖质。两个过程同时进行，但方向相反。在不同条件下，各过程的强度有明显差异。

1. 有机质矿化

（1）无氮有机物的分解多糖化合物（淀粉、纤维素、半纤维素）在微生物分泌的水解酶作用下，首先水解成单糖。葡萄糖在通风良好的情况下分解很快，中间产物如酒精、乙酸、草酸等不易积累，最后生成CO2和H2O，同时释放出大​​量的热能。若通风不良，在厌氧微生物作用下，单糖分解较慢，产热量较少，并积累一些中间产物——有机酸。在极端厌氧的微生物条件下，还会生成CH4、H2等还原性物质。

（2）含氮有机物的分解堆肥中的含氮有机物包括蛋白质、氨基酸、生物碱、腐殖质等，除腐殖质外，大部分都易于分解，如蛋白质在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐步降解生成各种氨基酸，再经氨化、硝化作用分别生成铵盐和硝酸盐，可被植物吸收利用。

（3）含磷有机质的转化：堆肥中的含磷有机物在多种腐生微生物的作用下，形成磷酸，成为可被植物吸收利用的营养物质。

⑷含硫有机物的转化堆肥中的含硫有机物在微生物的作用下生成硫化氢。硫化氢在厌氧环境中易积累，对植物和微生物有毒性。但在通风良好的条件下，硫化氢被硫细菌氧化成硫酸并与堆肥中的盐基发生反应，生成硫酸盐，不仅消除了硫化氢的毒性而且成为可被植物吸收的硫营养物。在通风不良的条件下，会发生逆硫化，导致硫酸转化为H2S而逸散，对植物有毒性。在堆肥发酵过程中，可通过定期翻堆措施，改善堆肥的通气性，从而消除逆硫化。

⑸脂类和芳香族有机物的转化单宁、树脂等结构复杂，分解较慢，其最终产物也是CO2和水；木质素是含有植物原料（如树皮、锯末等）的堆肥中特别稳定的有机化合物。它结构复杂，含有芳香核，在植物组织中以聚合物形式存在，极难分解。在通风良好的条件下，它主要通过真菌和放线菌的作用而缓慢分解，其芳香核可转化为醌类化合物，而醌类化合物是重新合成腐殖质的原料之一。当然，这些物质在一定条件下还会继续分解。

综上所述，堆肥有机质的矿化，可以为作物和微生物提供速效养分，为微生物活动提供能量，为堆肥有机质的腐殖化准备基本原料。当堆肥以好氧微生物活动为主时，有机质迅速矿化生成较多的二氧化碳、水等养分，分解迅速彻底，释放出大量的热能；当堆肥以厌氧微生物活动为主时，有机质分解缓慢，且往往不完全，释放的热能较少，其分解产物除含有植物养分外，还容易积累有机酸和还原性物质如CH4、H2S、PH3、H2等，当它们达到一定程度时，对作物生长是不利甚至有害的。因此，在发酵过程中翻堆也是为了改变微生物活动类型，消除有害物质。

有机肥发酵现场

2.有机质的腐殖化过程

关于腐殖质的形成过程，目前有许多不同的看法，一般可分为两个阶段：第一阶段，有机残渣分解形成组成腐殖质分子的原始物质，如多酚、含氮有机物（氨基酸、多肽等）；第二阶段，微生物分泌的多酚氧化酶首先将多酚氧化成醌，醌再与氨基酸或多肽缩合形成腐殖质单体。由于酚、醌、氨基酸的种类很多，相互缩合的方式也不同，因此形成的腐殖质单体也是多种多样的。在不同条件下，这些单体进一步缩合，形成大小不一的分子。（二）堆肥过程中重金属的转化

城市污泥中含有农作物生长所需的多种营养成分和有机质，是堆肥发酵的最佳原料之一。但城市污泥中往往含有重金属，重金属一般指汞、铬、镉、铅、砷等。微生物特别是细菌和真菌在重金属的生物转化过程中起着重要作用。虽然有些微生物可以改变环境中重金属的存在状态，增加化学物质的毒性而造成严重的环境问题或使重金属浓缩，并通过食物链进行积累。但有些微生物可以通过直接或间接作用去除环境中的重金属，有助于改善环境。 例如，汞，这种最早引起人们关注的造成环境污染的重金属，微生物对汞的转化包括无机汞（Hg2+）的甲基化、无机汞（Hg2+）还原为Hg0、甲基汞和其他有机汞化合物的裂解还原为Hg0三个方面。这些能将无机汞和有机汞转化为单质汞的微生物被称为抗汞微生物。微生物虽然不能降解重金属，但可以通过转化重金属、控制其转化途径来降低毒性。

3. 堆肥发酵过程

堆肥其实是垃圾稳定化的一种形式，但需要特殊的湿度、通风条件和微生物才能产生合适的温度。一般认为这个温度应该高于45℃。保持这个高温可以灭活病原体，杀死杂草种子。经过合理的堆肥，残留的有机物分解速度低，比较稳定，容易被植物吸收。堆肥后臭味可以大大减少。

参与堆肥过程的微生物种类繁多，由于原料和条件的变化，各种微生物的数量也在不断变化，因此没有一种微生物总是在堆肥过程中占据主导地位。每种环境都有自己特定的微生物菌群，微生物的多样性使堆肥系统避免在外界条件变化时系统崩溃。

堆肥过程主要是靠微生物的作用进行的，微生物是堆肥发酵的主体。参与堆肥的微生物来源有两种：一是有机废弃物中原有的大量微生物；二是人工添加的微生物接种剂。这些菌种在一定条件下对某些有机废弃物有较强的分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物快等特点，可以加速堆肥反应的进程，缩短堆肥反应的时间。

堆肥一般分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种。好氧堆肥是有机物在有氧条件下的分解过程，其代谢产物主要为二氧化碳、水和热量；厌氧堆肥是有机物在有氧条件下的分解过程，厌氧分解的最终代谢产物为甲烷、二氧化碳及许多低分子量的中间体，如有机酸等。

参与堆肥过程的微生物主要有细菌、真菌和放线菌，这三类微生物都有中温菌株和嗜热菌株。

堆肥过程中微生物种群随温度的变化为：中低温菌群转变为中高温菌群，中高温菌群转变为中低温菌群。随着堆肥时间的增加，细菌逐渐减少，放线菌逐渐增加，堆肥末期霉菌和酵母菌明显减少。

有机肥发酵后

有机堆肥的发酵过程可简单分为以下4个阶段：

（1）升温阶段。在堆肥初期，堆肥中的微生物主要为中温、好氧菌种，其中最常见的有无芽孢菌、产芽孢菌和霉菌。它们启动堆肥的发酵过程，在有氧条件下剧烈分解易分解的有机物（如单糖、淀粉、蛋白质等），产生大量的热量，使堆肥温度不断由20℃左右升至40℃左右，这阶段称为升温阶段，或称中温阶段。

（2）高温阶段随着温度的升高，嗜热微生物逐渐取代中温种群而起主导作用。温度继续升高，一般在数天内就达到50℃以上，进入高温阶段。在高温阶段，嗜热放线菌和嗜热真菌成为主要种群。它们强烈分解堆肥中的复杂有机质（如纤维素、半纤维素、果胶等），热量不断积累，堆肥温度上升到60℃左右，对加速堆肥的腐熟起重要作用。堆肥处理不当的堆肥只有较短的高温期，或根本达不到高温，因此腐熟非常缓慢，半年或更长时间内不能达到半腐熟状态。

（3）降温阶段当高温阶段持续一定时间后，纤维素、半纤维素和果胶类物质大部分已分解，剩下难分解的复杂成分（如木质素）和新形成的腐殖质。微生物活动减弱，温度逐渐下降。当温度降到40℃以下时，中温微生物又成为优势种群。

如果降温阶段来得早，说明堆肥条件还不理想，植物物质还未完全分解，此时可进行翻堆、搅拌，以产生二次加热升温，促进堆肥的腐熟。

（4）堆肥保肥阶段：堆肥成熟后，体积收缩，堆温降至略高于空气温度，此时堆肥要压实，造成厌氧状态，使有机质的矿化作用减弱，利于肥料的保存。

总之，有机堆肥的发酵过程，其实就是各种微生物的代谢、繁殖过程，微生物的代谢过程就是有机物的分解过程，有机物的分解必然会产生能量，促进堆肥过程，提高温度，也可以使湿基质干燥。

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