常志州， 于建光， 黃紅英， 吳華山， 沈明星

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014;2.江蘇省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京210014;3.江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 蘇州 215155)

好氧堆肥是目前常用的處理有機(jī)廢棄物的方法，目的是將堆肥原料中不穩(wěn)定的有機(jī)物，通過高溫好氧發(fā)酵，逐步降解為性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)作物無害或改良土壤的堆肥產(chǎn)物。堆肥腐熟若不充分，則有害于農(nóng)作物的生長發(fā)育，而過度腐熟，有機(jī)碳與氮素?fù)p失大、肥效低。

國內(nèi)外對(duì)各種有機(jī)物料堆肥腐熟度判斷做過大量研究工作，同時(shí)提出了各種評(píng)定腐熟度的指標(biāo)與方法。盡管目前的堆肥腐熟評(píng)價(jià)體系在提供堆肥技術(shù)發(fā)展、技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面功不可滅，但不得不承認(rèn)的是目前的評(píng)價(jià)方法及其指標(biāo)體系主要針對(duì)堆肥產(chǎn)物的自身穩(wěn)定性，未能充分考慮不同區(qū)域或作物類型對(duì)堆肥產(chǎn)品的需求差異，更沒有考慮堆肥產(chǎn)品不僅可作為有機(jī)肥施用，同時(shí)也可作為土壤改良劑和基質(zhì)等不同使用需求的實(shí)際情況。本文試圖對(duì)目前已有的腐熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作簡要評(píng)價(jià)，對(duì)其存在的問題進(jìn)行探討，同時(shí)，結(jié)合江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究室關(guān)于不同腐熟程度堆肥產(chǎn)物施用農(nóng)學(xué)效應(yīng)的研究結(jié)果，提出構(gòu)建滿足不同需求的堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及表征方法，供研究堆肥技術(shù)的同仁與堆肥企業(yè)管理及技術(shù)人員共同討論。

1 堆肥腐熟度評(píng)價(jià)方法、判斷標(biāo)準(zhǔn)及存在問題

目前評(píng)定堆肥腐熟度的方法主要有物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)方法等［1-5］，物理學(xué)指標(biāo)常采用溫度、氣味和顏色等，化學(xué)指標(biāo)采用碳氮比、化學(xué)需氧量、揮發(fā)性固體含量、易降解有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)物質(zhì)變化等，生物學(xué)指標(biāo)主要采用微生物活性測試和發(fā)芽試驗(yàn)等。在具體應(yīng)用中，學(xué)者們多數(shù)是推薦幾種指標(biāo)組合作為腐熟的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如鮑艷宇等提出多個(gè)與碳素相關(guān)的化學(xué)指標(biāo)［6］，張亞寧推薦堆肥水溶性碳(WSC)、水溶性銨態(tài)氮(NH4+-N)和水溶性胡敏酸E4/E6值為快速測定指標(biāo)［7］，張橋等推薦碳氮比終點(diǎn)值/碳氮比起始值的比值和銨態(tài)氮為腐熟度指標(biāo)［8］，Sánchez等推薦將堆肥呼吸速率作為腐熟指標(biāo)［9］，李吉進(jìn)推薦碳氮比、銨態(tài)氮(NH4+-N)、胡敏酸/富里酸(HA/FA)和種子發(fā)芽率為腐熟判斷指標(biāo)［10］，Goyal等推薦碳氮比和 CO2釋放率為腐熟指標(biāo)［11］。除上述指標(biāo)外，水溶性有機(jī)光譜學(xué)特性［12］、堆肥可溶性有機(jī)質(zhì)電子傳導(dǎo)性能(ETC)［13］、近紅外反射光譜(NIRS)［14］等也被作為堆肥腐熟指標(biāo)，甚至有學(xué)者推薦將線蟲群落變化作為腐熟指標(biāo)［15］。

堆肥腐熟度側(cè)重于堆肥物料自身的無害化與穩(wěn)定性，只有在考慮堆肥產(chǎn)物應(yīng)用時(shí)，才考慮它對(duì)植物生長的影響。堆肥的農(nóng)學(xué)效應(yīng)受堆肥物料和堆肥條件等諸多因素的綜合影響，種子發(fā)芽指數(shù)(GI)作為植物毒性指標(biāo)被認(rèn)為是最可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一［16-17］。發(fā)芽指數(shù)測定中所用的作物品種不相同，如小白菜［3］、白菜［18］、水芹［19］種子等，然而不同供試種子對(duì)堆肥植物毒性的敏感程度差異顯著［20］，如大白菜和波菜遠(yuǎn)比番茄和黃瓜敏感［21］，這造成堆肥發(fā)芽指數(shù)受種子品種、萃取率、堆肥樣品、環(huán)境條件和設(shè)備的影響而難以統(tǒng)一［22］。盡管發(fā)芽指數(shù)相比于理化指標(biāo)更利于直觀接近于田間應(yīng)用，但仍不能完全指示堆肥產(chǎn)物施用后對(duì)受體作物的直接影響，同時(shí)也沒有考慮土壤類型、氣候、農(nóng)藝操作等對(duì)堆肥產(chǎn)物發(fā)揮作用的影響。在添加果園土壤于新鮮牛糞和玉米秸稈的堆肥試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)堆肥產(chǎn)物對(duì)水芹種子發(fā)芽和根系生長的抑制作用減緩，表明堆肥產(chǎn)物應(yīng)用中有可能忽略了土壤的巨大緩沖能力［19］。

總之，物理學(xué)指標(biāo)易于定性描述堆肥過程所處的狀態(tài)，因此可作為試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)判斷，但用作評(píng)價(jià)則缺乏可比性;化學(xué)指標(biāo)可信度比較高，能客觀地表征堆肥過程，但是用單個(gè)化學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)很難克服因化學(xué)指標(biāo)之間的影響而導(dǎo)致的評(píng)價(jià)偏差;生物學(xué)指標(biāo)的可靠性較好，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有很好的指導(dǎo)作用，但目前存在供試作物與實(shí)際應(yīng)用作物不一致，同時(shí)未考慮土壤、水文和氣候等綜合因素的影響。上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的共同缺陷是，較少從堆肥產(chǎn)物的用途方面，對(duì)堆肥腐熟程度進(jìn)行界定，此外，不同廢棄物堆肥達(dá)到無害化所需的時(shí)間不同［23］，如藍(lán)藻藻泥好氧堆肥時(shí)，堆肥35 d后已滿足有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，種子發(fā)芽指數(shù)均高于80%，但微囊藻毒素含量仍高，需進(jìn)一步延長堆腐時(shí)間［24］;因而，針對(duì)有機(jī)物料與堆肥產(chǎn)物用途不同，采用單一的有機(jī)物料腐熟度標(biāo)準(zhǔn)，顯然存在著不合理性。

2 不同堆腐程度有機(jī)物料施用后的農(nóng)學(xué)效應(yīng)

2.1 有機(jī)物料堆腐進(jìn)程中的養(yǎng)分含量變化及損失

有機(jī)物料堆肥過程一般伴隨著氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素以及腐殖質(zhì)等含量升高及形態(tài)的變化［25-30］，同時(shí)可生物降解有毒物質(zhì)含量也逐漸降低［31］。與此同時(shí)，堆肥過程中存在著碳、氮損失;其中，碳氮比低的物料如畜禽糞便堆肥過程中，氮素?fù)p失較嚴(yán)重，氮素?fù)p失量可達(dá)16% ～74%［32-36］。

我們的研究結(jié)果表明，不同有機(jī)物料的氮素?fù)p失量均在15%以上，氮主要以氨揮發(fā)形式損失，在高濕物料中存在氣態(tài)氮氧化物(N2O)損失，且主要發(fā)生在堆肥前15 d以及堆肥的表層;不同有機(jī)物料堆肥有機(jī)碳損失量可達(dá)30%以上，堆肥時(shí)間越長，有機(jī)碳與氮的損失量越大(表1)。

表1 不同有機(jī)物料堆腐后的碳氮損失Table 1 Carbon and nitrogen losses in different organic materials after composting

2.2 不同腐熟程度有機(jī)物料在蔬菜上施用的農(nóng)學(xué)效應(yīng)

大量的研究結(jié)果表明:施用有機(jī)物料能夠增加作物產(chǎn)量與提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)［39-41］，但對(duì)不同堆腐時(shí)間有機(jī)物料施用后農(nóng)學(xué)效應(yīng)的研究卻相當(dāng)缺乏。在半干旱土壤中施用新鮮污泥和堆腐污泥的比較試驗(yàn)結(jié)果表明，污泥以2種方式施用后植被覆蓋密度、土壤微生物活性和生物量兩者間均沒有差別［42］。高新昊等試驗(yàn)結(jié)果表明，30 d麥秸堆肥處理的番茄葉片凈光合速率與產(chǎn)量高于90 d堆肥處理，表明秸稈堆肥在作為設(shè)施土壤改良劑施用時(shí)，完全腐熟并非最佳［43］。

我們選取豬糞和奶牛糞，通過自然堆肥好氧發(fā)酵，獲得0 d、15 d、25 d、35 d 和 50 d 不同堆腐時(shí)間的堆肥產(chǎn)物，通過等氮量進(jìn)行小白菜和香瓜田間施用試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)其農(nóng)學(xué)效應(yīng)的差異。結(jié)果表明:不同腐熟度豬糞堆肥和奶牛糞堆肥對(duì)小白菜和香瓜的出苗率均有影響，小白菜和香瓜出苗率均隨堆腐天數(shù)增加而增大;與未堆腐(堆腐0 d)相比，分別施用35 d以上堆腐豬糞和25 d以上堆腐奶牛糞小白菜和香瓜出苗率均顯著提高(P＜0.05)。不同腐熟度豬糞堆肥和奶牛糞堆肥對(duì)小白菜和香瓜的單株生物量影響程度不同，施用不同腐熟度豬糞和奶牛糞小白菜的單株地上部鮮質(zhì)量均隨堆腐時(shí)間的增加而增加，施用25 d以上堆腐豬糞和奶牛糞小白菜單株地上部鮮質(zhì)量均顯著高于未堆腐(堆腐0 d)豬糞處理(P＜0.05);而施用15 d以上堆腐豬糞和奶牛糞香瓜單株地上部鮮質(zhì)量均顯著高于未堆腐(堆腐0 d)豬糞處理(P＜0.05)。相比于未堆腐(堆腐0 d)處理，施用25 d和35 d以上堆腐豬糞的小白菜和香瓜的生物學(xué)產(chǎn)量均顯著提高(P＜0.05)，同時(shí)施用25 d以上堆腐奶牛糞的小白菜和香瓜的生物學(xué)產(chǎn)量均顯著提高(P＜0.05)(表2)。

表2 不同腐熟程度堆肥對(duì)小白菜和香瓜生物學(xué)產(chǎn)量的影響Table 2 Influence of compost with different maturities on the yield of Chinese cabbage and biomass of muskmelon

2.3 不同腐熟程度豬糞在花生上施用的農(nóng)學(xué)效應(yīng)

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同腐熟度堆肥施用的農(nóng)學(xué)效應(yīng)差異，2010和2011年我們開展了不同堆腐時(shí)間豬糞在花生上施用效果試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，化肥和豬糞處理的花生產(chǎn)量顯著高于不施肥處理(對(duì)照)(P＜0.05);且豬糞堆腐30 d處理的花生產(chǎn)量最高，顯著高于堆腐0 d、10 d和20 d處理(P＜0.05);豬糞堆腐0 d處理的花生產(chǎn)量比對(duì)照高37.41%。化肥處理的花生株高最高，比豬糞堆腐10 d和不施肥處理分別高40.31%和31.05%(P＜0.05);豬糞處理的花生分枝數(shù)顯著高于化肥和不施肥處理，其中堆腐30 d處理的花生分枝數(shù)比化肥和不施肥處理分別增加11.09%和14.02%(P＜0.05)(表3)。

表3 不同腐熟程度豬糞對(duì)花生SPAD值、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響(2011年)Table3 Effects of swine manures with different maturities on SPAD value，yield and yield components of peanut

2.4 不同腐熟程度有機(jī)物料施用的改土培肥效應(yīng)

施用堆肥可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒體含量，降低容重，進(jìn)而提高土壤的養(yǎng)分供應(yīng)狀況與緩沖能力［44-47］，但不同堆腐時(shí)間有機(jī)物料施用研究甚少。Pascual等發(fā)現(xiàn)在干旱土壤中施用新鮮的市政垃圾和下水道污泥相比于它們的堆肥產(chǎn)物更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的提升［48］。高新昊等研究結(jié)果表明30 d麥秸堆肥在改善土壤物理性狀的作用效果好于90 d堆肥處理［43］;但不同堆腐時(shí)間的堆肥施用對(duì)土壤中氮、磷和鉀的潛在淋溶存在風(fēng)險(xiǎn)［49］。

堆肥對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響深遠(yuǎn)，如堆肥添加到泥碳后有利于防治土傳病害［50］，改變土壤中線蟲群落組成及結(jié)構(gòu)［51］。然而不同堆腐時(shí)間堆肥施用后對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的差異研究相當(dāng)缺乏，且相關(guān)研究報(bào)道結(jié)果也不盡一致，如未腐熟污泥不利于種子的發(fā)芽和彈尾目昆蟲的繁殖，然而卻有利于蚯蚓的生長和繁殖［52］，堆腐10 d豬糞相比于20 d和30 d豬糞更利于中型土壤動(dòng)物數(shù)量的增加［53］，施用家畜糞便堆肥主要通過改變土壤微生物群落多樣性和土壤酶活性，提高番茄植株的抗病性［54］。

綜上所述，有機(jī)物料堆腐過程中存在著碳、氮損失，且隨著堆腐時(shí)間延長，損失量越大，而不同堆腐時(shí)間有機(jī)物料農(nóng)田施用后的農(nóng)學(xué)效應(yīng)、土壤肥力影響與堆肥時(shí)間長短并不呈正相關(guān)關(guān)系，因此，建立既滿足堆肥無害化要求，兼顧有機(jī)物料穩(wěn)定性，又滿足農(nóng)田施用目的不同要求的有機(jī)物料差別堆腐技術(shù)與指標(biāo)，以適應(yīng)有機(jī)物料的無害化處置與農(nóng)田施用2個(gè)方面的需求，十分必要。

3 有機(jī)物料差別堆腐的分類與表征

3.1 差別堆腐的分類

為了闡明堆肥過程無害化指標(biāo)、碳氮損失變化的相互關(guān)系，我們匯總江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究室5個(gè)不同堆肥試驗(yàn)，將其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理，得到圖1。由圖1可見，基于畜禽糞便堆肥技術(shù)操作規(guī)程與農(nóng)田安全使用標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮有機(jī)物料堆肥施入農(nóng)田后農(nóng)學(xué)效應(yīng)，同時(shí)考慮堆肥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，我們提出:在達(dá)到無害化指標(biāo)后，其物料腐熟程度，應(yīng)依據(jù)堆肥使用的目的與作物對(duì)象不同，而采取“差別堆腐”方式;堆肥達(dá)到無害化、初步腐熟、基本腐熟或完全腐熟的要求后，相應(yīng)采用糞大腸菌群數(shù)、碳氮損失和發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行控制(圖1)，與上述不同施用目標(biāo)相適應(yīng)，構(gòu)建不同指標(biāo)體系(表4)。

圖1 差別堆腐評(píng)價(jià)方法示意圖Fig.1 Evaluation of differential maturity composting

表4 差別堆腐指標(biāo)體系構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Construction standard of index system for differential composting

3.2 差別堆腐評(píng)價(jià)指標(biāo)

有機(jī)肥企業(yè)對(duì)堆肥腐熟進(jìn)行控制時(shí)，通過理化性狀測定及生物學(xué)測定均費(fèi)時(shí)且實(shí)效性差，且在生產(chǎn)中，由于季節(jié)、地區(qū)等對(duì)堆溫產(chǎn)生相當(dāng)程度的影響，如高溫堆肥所需時(shí)間遠(yuǎn)少于中低溫堆肥所需的時(shí)間［55］，因而在堆肥終點(diǎn)時(shí)間確定上可供選擇方法幾乎沒有，而更多是基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行終止或控制。鑒于堆肥溫度對(duì)堆肥產(chǎn)物穩(wěn)定性和腐熟度的重要指示作用，同時(shí)參照植物生長發(fā)育中積溫的概念，陳同斌等提出用積溫用于城市污泥好氧堆肥穩(wěn)定化過程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并建議以15℃作為生物學(xué)零度，積溫指標(biāo)為1 000(℃·h)［56］。我們也初步推薦將積溫作為有機(jī)物料腐熟程度判斷的控制指標(biāo)，并建議計(jì)算公式如下:

f:腐熟程度;A:達(dá)到無害化指標(biāo)所需要的有效積溫;T:依據(jù)腐熟程度不同所需要的有效積溫;a:與環(huán)境溫度、物料含水量以及物料的有機(jī)碳含量有關(guān)的系數(shù)。

以上方法正確與否，還需開展更多的堆肥試驗(yàn)以驗(yàn)證與修訂。

4 結(jié)論

(1)有機(jī)物料好氧堆肥過程中，在達(dá)到無害化指標(biāo)后，其物料腐熟程度，應(yīng)依據(jù)堆肥施用目的與作物對(duì)象不同，而采取“差別堆腐”方式;

(2)有機(jī)物料好氧堆肥達(dá)到無害化、初步腐熟、基本腐熟和完全腐熟后，其產(chǎn)物可分別作為土壤改良劑、生育期較長作物肥料、生育期較短作物肥料以及栽培基質(zhì)施用;

(3)從企業(yè)生產(chǎn)實(shí)用性出發(fā)，堆肥積溫可推薦作為有機(jī)物料堆肥腐熟程度判斷的重要控制指標(biāo)。

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