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一、概述

任何一種合格優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料的生產(chǎn)，都必須經(jīng)過堆肥發(fā)酵過程。堆肥是在一定條件下，通過微生物的作用，使有機(jī)物不斷被降解和穩(wěn)定，并產(chǎn)出一種適宜于土地利用的產(chǎn)品的過程。

堆肥這種古老而簡便的處理有機(jī)廢棄物和制造肥料的方法，隨著研究深入和方法的改進(jìn)，其應(yīng)用很受各個國家的重視，因?yàn)樗泻芎玫纳鷳B(tài)意義，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來效益。有許多報道指出，用腐熟堆肥制備種子苗床，能抑制土傳病害，并且在堆肥過程的高溫階段過后，接踵而來的結(jié)抗性細(xì)菌，可使菌數(shù)達(dá)到很高水平；堆肥過程中，各種有機(jī)物在微生物作用下，達(dá)到不易分解、穩(wěn)定、作物易吸收狀態(tài)；同時，微生物作用在一定范圍內(nèi)減少重金屬毒害作用。可見，堆肥是制造生物有機(jī)肥的簡單而有效的方法，有益于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

堆肥為什么產(chǎn)生這樣的效果呢？下面我們對堆肥原理進(jìn)行比較詳盡的介紹。

一、有機(jī)肥發(fā)酵原理

（一）、堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化

堆肥中的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下，進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化可歸納為兩個過程：一個是有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化過程，即把復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)分解成為簡單的物質(zhì)，.后生成二氧化碳、水和礦物質(zhì)養(yǎng)分等；另一個是有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程，即有機(jī)質(zhì)經(jīng)分解再合成，生成更復(fù)雜的特殊有機(jī)質(zhì)－腐殖質(zhì)。兩個過程是同時進(jìn)行的，但方向相反，在不同條件下，各自進(jìn)行的強(qiáng)度有明顯的差別。

1、有機(jī)質(zhì)的礦化作用

（1）不含氮有機(jī)物分解：

多糖化合物（淀粉、纖維素、半纖維素）首先在微生物分泌的水解酶的作用下，水解成單糖。葡萄糖在通氣良好的條件下分解迅速，酒精、醋酸、草酸等中間產(chǎn)物不易積累，.終形成CO2和H2O，同時放出大量熱能。如果通氣不良，在嫌氣微生物作用下，單糖分解緩慢，產(chǎn)生熱量少，并積累一些中間產(chǎn)物－有機(jī)酸。在極嫌氣微生物條件下，還會生成CH4、H2等還原態(tài)物質(zhì)。

（2）含氮有機(jī)物的分解

堆肥中的含氮有機(jī)物，包括蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿、腐殖質(zhì)等。除腐殖質(zhì)外，大部分容易被分解。例如蛋白質(zhì)、在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐級降解，產(chǎn)生各種氨基酸，再經(jīng)氨化作用、硝化作用而分別形成氨鹽、硝酸鹽，可以被作物吸收利用。

（3）含磷有機(jī)物的轉(zhuǎn)化

堆肥中的含磷有機(jī)化合物，在多種腐生性微生物作用下，形成磷酸，成為作物能夠吸收利用的養(yǎng)分。

（4）含硫有機(jī)物的轉(zhuǎn)化

堆肥中含硫有機(jī)物，經(jīng)微生物的作用，生成硫化氫。硫化氫在嫌氣環(huán)境中易積累，對植物和微生物會發(fā)生毒害。但在通氣良好的條件下，硫化氫在硫細(xì)菌的作用下氧化成硫酸，并與堆肥中的鹽基作用，形成硫酸鹽，不僅消除了硫化氫的毒害，并成為植物易吸收的硫素養(yǎng)料。在通氣不良的情況下，發(fā)生反硫化作用，使硫酸轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S散失，并對植物產(chǎn)生毒害。堆肥發(fā)酵過程中，可以通過定時翻倒措施，改善堆肥的通氣性，就能消除反硫化作用。

（5）脂類及芳香類有機(jī)物的轉(zhuǎn)化

單寧、樹脂等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分解較慢，其.終產(chǎn)物也是CO2和水；木質(zhì)素是含植物性原料（如樹皮、木莦等）堆肥中特別穩(wěn)定的有機(jī)化合物，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含芳香核，并以多聚形式存在植物組織中，極難分解。在通氣良好的條件下，主要通過真菌、放線菌的作用，緩慢地進(jìn)行分解，其芳香核可變?yōu)轷突衔?，它是再合成腐殖質(zhì)的原料之一。當(dāng)然，這些物質(zhì)在一定條件下，還會繼續(xù)被分解的。

綜上所述，堆肥有機(jī)質(zhì)的礦質(zhì)化，可為植物和微生物提供速效養(yǎng)分，為微生物活動提供能源，并為堆肥有機(jī)質(zhì)的腐殖化準(zhǔn)備基本原料。堆肥以好氣性微生物活動為主時，有機(jī)質(zhì)迅速礦化，生成較多的二氧化碳、水及其它養(yǎng)分物質(zhì)，分解速度快而徹底，并放出大量熱能；以嫌氣性微生物活動為主時，有機(jī)質(zhì)分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產(chǎn)物除植物養(yǎng)分外，尚易積累有機(jī)酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質(zhì)，當(dāng)其達(dá)到一定程度時，則對作物生長不利，甚至有害。因此，堆肥發(fā)酵期間的翻倒也是為了轉(zhuǎn)換微生物活動類型，以消除有害物質(zhì)。

2、有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程

關(guān)于腐殖質(zhì)的形成過程有很多種說法，概括起來，大體可分為兩個階段：

..階段，有機(jī)殘體分解形成腐殖質(zhì)分子的原始材料，如多元酚、含氮有機(jī)物（氨基酸、肽等）；

第二階段：先由微生物分泌的多酚氧化物將多酚氧化成醌，然后醌與氨基酸或肽縮合而成腐殖質(zhì)單體。由于酚、醌、氨基酸種類多，相互縮合的方式也不盡相同，因而形成的腐殖質(zhì)單體也就多種多樣。在不同條件下，這些單體又進(jìn)一步縮合形成大小不等的分子。

（二）堆肥過程中重金屬的轉(zhuǎn)化

城市污泥中含有豐富的作物生長所需要的各種養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)，是堆肥發(fā)酵.佳原材料之一。但城市污泥中，往往含有重金屬，這些重金屬一般指汞、鉻、鉛、砷等。微生物特別是細(xì)菌、真菌在重金屬的生物轉(zhuǎn)化中起重要作用。雖然有些微生物可以改變重金屬在環(huán)境中的存在狀態(tài)，使化學(xué)物毒性增強(qiáng)而引起嚴(yán)重的環(huán)境問題或濃縮重金屬，并通過食物鏈積累。但也有些微生物可以通過直接或間接的作用，去除環(huán)境中重金屬，有助于改善環(huán)境。如.早受到關(guān)注的造成環(huán)境污染的重金屬汞。微生物轉(zhuǎn)化汞，包括三方面，無機(jī)汞（Hg2）的甲基化、無機(jī)汞（Hg2）還原成（Hg0），甲基汞和其他有機(jī)汞化合物的裂解并還原成Hg0。這些能將無機(jī)汞和有機(jī)汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞的微生物，稱為抗汞微生物。微生物雖然不能降解重金屬，但通過對重金屬的轉(zhuǎn)化作用，控制其轉(zhuǎn)化途徑，可以達(dá)到減輕毒性作用。

（三）堆肥發(fā)酵工藝

堆肥實(shí)際就是廢棄物穩(wěn)定化的一種形式，但它需要特殊的濕度、通氣條件和微生物以產(chǎn)生適宜的溫度。一般認(rèn)為這個溫度要高于45℃，保持這種高溫可以使病原菌失活，并殺死雜草種子。在合理堆肥后，殘留的有機(jī)物分解率較低、相對穩(wěn)定并易于被植物吸收。堆肥后，臭味可以大大降低。

堆肥過程有許多不同種類的微生物參與。由于原料和條件的變化，各種微生物的數(shù)量也在不斷發(fā)生變化，所以堆肥過程中沒有任何微生物始終占據(jù)主導(dǎo)地位。每一個環(huán)境都有其特定的微生物菌群，微生物的多樣性使得堆肥在外部條件出現(xiàn)變化的情況下仍可避免系統(tǒng)崩潰。

堆肥過程主要靠微生物的作用進(jìn)行，微生物是堆肥發(fā)酵的主體。參與堆肥的微生物有兩個來源，一是有機(jī)廢棄物里面原有的大量微生物；另一是人工加入的微生物接種劑。這些菌種在一定條件下對某些有機(jī)廢棄物具有較強(qiáng)的分解能力，具有活性強(qiáng)、繁殖快、分解有機(jī)物迅速等特點(diǎn)，能加速堆肥反應(yīng)的進(jìn)程，縮短堆肥反應(yīng)的時間。

堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。

好氧堆肥是在有氧情況下的有機(jī)物料分解過程，其代謝產(chǎn)物主要是二氧化碳、水和熱；

厭氧堆肥是在無氧條件下有機(jī)物料的分解過程。厭氧分解.后的代謝產(chǎn)物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產(chǎn)物。如有機(jī)酸等。

參與堆肥過程的主要微生物種類是細(xì)菌、真菌以及放線菌。這三種微生物都有中溫菌和高溫菌。

堆肥過程中，微生物的種群隨溫度的變化發(fā)生如下的交替變化：低、中溫菌群為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈邷鼐簽橹?，中高溫群為主轉(zhuǎn)化為中低溫菌群。隨著堆肥時間的延長，細(xì)菌逐漸減少，放線菌逐漸增多，霉菌和酵母菌在堆肥末期顯著減少。

有機(jī)堆肥的發(fā)酵過程簡單可分為以下四個階段：

1）、發(fā)熱階段

堆肥制作初期，堆肥中的微生物以中溫、好氣性的種類為主，.常見的是無芽孢細(xì)菌。芽孢細(xì)菌和霉菌。它們啟動堆肥的發(fā)酵過程，在好氣性條件下，旺盛分解易分解的有機(jī)物質(zhì)（如簡單糖類、淀粉、蛋白質(zhì)等）。產(chǎn)生大量的熱，不斷提高堆肥溫度，從20℃左右上升到40℃，稱為發(fā)熱階段或中溫階段。

2）、高溫階段

隨著溫度的提高，好熱性的微生物逐漸取代中溫性的種類而起主導(dǎo)作用。溫度持續(xù)上升，一般在幾天內(nèi)即達(dá)到50℃以上，進(jìn)入高溫階段。在高溫階段，好熱放線菌和好熱真菌成為主要種類。它們在堆肥中復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)（如纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)等）進(jìn)行強(qiáng)烈分解，熱量積累，堆肥溫度上升至60℃，這對加快堆肥的腐熟有很重要的作用。堆肥不當(dāng)?shù)亩逊?，只有很短的高溫期，或者根本達(dá)不到高溫，因而腐熟很慢，在半年或者更長時期內(nèi)還達(dá)不到半腐熟狀態(tài)。

3）降溫階段

當(dāng)高溫階段持續(xù)一定時間后，纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)大部分已被分解，剩下很難分解的復(fù)雜成分（如木質(zhì)素）和新形成的腐殖質(zhì)，微生物的活動減弱，溫度逐漸下降。當(dāng)溫度下降到40℃時，中溫性微生物又成為優(yōu)勢種類。

如果降溫階段來的早，表明堆制條件不夠理想。植物性物質(zhì)分解不充分。這時可以翻堆，將堆積的材料拌勻，使之產(chǎn)生第二次發(fā)熱、升溫，以促進(jìn)堆肥的腐熱。

4）腐熟保肥階段

堆肥腐熟后，體積縮小，堆溫下降至稍高于氣溫，這時應(yīng)將堆肥壓緊，造成厭氧狀態(tài)，使有機(jī)質(zhì)礦化作用縮減，以利于保肥。

簡而言之，有機(jī)堆肥的發(fā)酵過程實(shí)際上就是各種微生物新陳代謝、繁殖的過程。微生物的新陳代謝過程即有機(jī)物分解的過程。有機(jī)物的分解必然會產(chǎn)生能量，這些能量推動了堆肥化進(jìn)程，使溫度升高、同時還可以干燥濕基質(zhì)。