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关于秸秆等农业废弃物的堆肥化研究
——制造堆肥、创造健康幸福生活
池田秀夫(银香伟业集团土壤改良技术顾问)
姚晓燕(翻译，山东大学日语系老师)
2005年6月
1、引言
近几年，“绿色产品”这个词在迅速的普及，而消费者渴望吃上“可以放心食用的安全的食物”的呼声也越来越高了。
生产绿色食品的有机农业之所以这样受到瞩目，其背景就是开始于20世纪后半叶大量使用化肥和农药的这一构成现代农业主流的农耕方法。
化肥的普及使得有机肥料大大的倒退，随之而来的是耕地地力的下降。这大大影响了农产品的品质与产量。在没有地力的土地中生产出来的农产品不健康，易发生农药残留等问题，失去了作物原本的味道。而随着人们生活水平的日益提高，这些就构成了消费者需要“安全而美味的食品”的重要原因。
有机农业并非什么新兴产业。直到上世纪后半叶化肥引入以前，它还是随处可见的普通农业生产方式。特别是中国的堆肥更有四千年的历史。在这期间，以施用堆肥为主的有机农业使得健康而富有地力的土地得以维持下来。但是它却被不到50年的以化肥为主的现代农业破坏殆尽了。这就造成了今天这样的严重事态。
为了克服这一严重事态，我们要从历史中学习，同时结合现代科技，来构筑新型的有机农业，从而开辟一条可持续的、稳定发展的农业之路。
2、化肥和堆肥
化肥具有肥料成分多、肥效大、速效性等特点。另外，加工好的产品方便使用，而且少量即可，劳动负担也小，优点可谓多多。这种化肥的缺点在于它不含有机物的腐殖。
而堆肥尽管一般来讲肥料成分少、肥效迟，但是它的优点在于它里面包含了腐殖、氨基酸、维生素、微量元素等各种促进生物发育的物质。这是构成有机农业特征的要素。
堆肥的有效成分是有机物被微生物分解的过程中所产生出来的东西，这些成分是无机质的化肥所没有的。
3、堆肥化的优势
现在，农畜产业的残渣、排泄物、生活垃圾等来自人类社会的“有机质废弃物”的数量庞大。这既造成了资源的浪费，也带来了巨大的社会问题。其中大多数都是作为无用的垃圾被焚烧或者淹埋处理了。这些好不容易处理掉的东西转而成了更大的大气污染、水质污染等公害的重要原因，给社会造成了不可估量的危害。
这些有机质废弃物的堆肥化处理，具备从根本上解决上述问题的可能性。历史告诉我们，“来自大地的有机物全部复归大地”这是最符合大自然规律的循环状态，对人类也有益无害。
只有当“土壤、植物、动物、人类”这四者组成一个健康的生物链，才能确保人类的健康。环境和健康状况得以改善了，人类所能享受到的利益才可能惠及子孙，福荫不可限量。
4、堆肥的作用和效力
健康的作物成长于健康的环境。其中最为重要的是土壤。堆肥具有明显的改善土壤的效果。而化肥则没有。
在通过改善土壤来营造健康的土地时，最需要考虑到的是“物理性”、“生物性”、“化学性”这三大要素。各要素的概要如下所示：
·物理性：通气性、排水性、保水性等。
·生物性：分解土壤中的有机物、生成养分、形成团粒，抑制土壤病害、提高作物品质。
·化学性：土壤的化学成分（养分）、pH值（酸度）、CEC（养分保持力）等化学要素。
在改善土壤、推进健康土地的营造时，重要的是要优先考虑上述三条。具体来讲大体的顺序是，首先要好好调整土壤的物理性，在此基础上再考虑其生物性，以及化学性等。
⑴物理性的改善
有机物被微生物分解的过程中产生的腐殖促进了土壤团粒化(参照图1、2)的形成，土壤中出现了大大小小的孔隙。能够产生以下效果：
①通气性：通过大大小小的孔隙，供给作物
根部以及微生物呼吸所必需的空气。
②排水性：水容易通过大的孔隙渗透到地下，
消除过湿之害（烂根、空气不足）。进行灌
溉时地表不会积水导致水分蒸发或流失，
提高了水的利用率。
③保水性：小的孔隙具有保水作用，可以长时
间供给根部水分，从而提高土壤的抗旱性。
⑵生物性的改善
以有机物为饵的土壤生物（微生物和小动物等）的种类和数量都大幅增加，生物相变得多样化、丰富化。有机物在这些土壤生物的作用下被分解成为作物的养分。此外，在这一过程中产生出来的腐殖的作用下土壤团粒化程度增加，土壤中形成了无数孔隙。
①抑制病虫害：生物相多样化后，通过生物间的拮抗作用，病原菌等有害生物的增殖得以抑制。其结果是，病虫害的发生也得到了控制。
②生成生长促进物质：在微生物的作用下，产生出了氨基酸、维生素、酶等对提高作物品质有用的生长促进物质。
③促进土壤团粒化：微生物产生的粘性物质、排泄物、遗骸等成为土壤粒子的粘结剂，促进了土壤的团粒化。
④分解有害物质：微生物中具有分解、净化有害物质、阻碍生长的物质的作用。
⑶化学性的改善
由于腐殖和土壤的粘土粒子同样具有CEC（盐基置换容量：养分保持力），所以施用堆肥可以提高土壤的保肥力，同时发挥肥效的缓冲作用。
①提高保肥力：土壤原有的CEC再加上腐殖的CEC，这些足以提高肥料成分的保持力。被保持住的肥料成分可以根据作物所需缓慢供给，肥效因而增长了。
②缓冲作用：即使施肥过多，由于肥料成分可以暂时被保存起来，因而不会发生作物被肥料烧伤的伤害。
③补给微量元素：来自植物等的有机质废弃物里除含有植物生长所必需的N、P、K、Ca、Mg等多量元素之外，还有微量的也是不可或缺的S、Fe、Zn、Cu、B、Mn、Mo等，这些通过施用堆肥被复归到土壤中。要想知道这样做的重要性，我们只要看一下下述现象便会一目了然：自然林通过光合成的碳水化合物以及根部吸收来的养分、水分来供植物生长之用，同时还从落叶、落枝堆积在地上形成的腐叶土中吸收养分来进行扩大再生产（生长）。
⑷补充日照不足的效力
最近的研究结果表明堆肥除了具备上述的改善效果之外，还具有直接从根部吸收水溶性碳水化合物（氨基酸等），来促进作物的健全发育的作用。以往的学说中有个定论，认为植物的根只能吸收氮、磷酸等无机质养分，而不能吸收有机质的碳水化合物。
众所周知，植物是通过光合作用制造碳水化合物，从而生成机体组织，得到生长所需的能量。因此，光照少的话，光合成就迟缓，无法健康生长。但是，如果“能够从根部吸收碳水化合物”的话，因日照不足导致的光合成的低下就可从根部吸收的碳水化合物得到补偿。这是部分农业工作者中周知的事实，即施用了堆肥的有机栽培，在凉夏、或天灾之年也不太受日照不足的影响，质、量都较化肥栽培地优的事实得到了科学的论证。
5．土壤的三相分布和根的作用
在借助堆肥改善土壤的过程中，重要的衡量指标就是“土壤的三相分布”，即土壤中的土壤粒子（固相）、土壤水分（液相）、土壤空气（气相）的比例。
对于作物和微生物来说，比较适宜的三相分布约为固相40%、液相30%、气相30%。液相和气相都表示土壤中孔隙的含量，液相表示的是保持毛细管水分的小孔隙的含量，而气相表示的是具有促使空气流通及排水作用的大孔隙的量。（参照图3）
众所周知，大多数作物的根喜欢的气相率为30~35%，
这和根部的作用有关系。作物的根是钻大的孔隙生长的，因此根系非常发达，为了吸收氧满足旺盛的生长活动，必须确保充足的大孔隙。这些根所延伸处，都会接近那些蓄满毛细管水的小孔隙，而进入到里面吸收水分的就是根的前端不断滋生的根毛，根毛能够进入百分之十或百分之三毫米的小孔隙中。
另一方面，施入土壤中的肥料，先暂时保存在土壤粒子中的粘土粒子及土壤的腐殖里面，然后逐渐溶解到土壤毛细管中的水里，这才跟水一起为根毛所吸收。此时，养分通过作为液相的毛细管中的水分，向根部移动，而作物会使根部扩张，向着有养分的地方靠近。这样，通过十分发达的大孔隙、小孔隙以及茁壮生长的根、根毛的相互作用，水分和养分都被顺利吸收了。
另外光合作用产生的碳水化合物和作物根部吸收的氧会使作物的根部产生根酸。根酸的分泌使根部周围的不溶性矿物质可溶化而得以吸收，成为作物生长所需的养分。
6、制造堆肥的要诀
堆肥化是利用微生物的作用，使有机物发酵并分解来提高利用效果的手段，因此，为了制造品质优良的堆肥，重要的是准备一个微生物易于活动的环境。此时的重中之重就是材料的C/N比（碳/氮比）和水分含量，通气性（翻搅、通风），形状以及温度等。
⑴材料的C/N比调整
材料整体来讲必须含有作为微生物食饵的适量的氮、碳等。其指标就是C/N比。由于堆肥材料具有不同的C/N比，所以材料整体只有把C/N比控制在微生物喜欢的20~30，发酵才能顺利进行。完成品的C/N比通常为15~25。
⑵水分的调整
C/N比调整好后，就可进行混合堆积了。此时的要诀是将堆肥的整体水分含量调整为50~60%再开始。在计算水分含量时，曾经出现过由于未将材料自身所含水分也计算在内而因水分过剩导致失败的例子。完成品的水分含量因材料和制造方法不同，而呈现较大幅度的偏差，大约为20~60%，一般大约30~40%。
⑶通气
堆肥主要依靠好气的微生物来进行发酵和分解。因此充分供给微生物呼吸所需的空气是很有必要的。微生物因此而变得活性化，就能制造出优良的堆肥。一般利用通风和翻搅的方法来为堆肥输送新鲜空气。
⑷形状
堆肥材料和微生物接触的机会（面积）越多，发酵和分解进行的越顺利，因此形状大的材料需要事先切断或粉粹。
⑸温度
堆肥的温度是微生物产生的发酵热。它因材料或堆积方式的不同而异。秸秆等属于
60℃左右的中温发酵，锯末、树皮等木质材料一般来讲是70℃～80℃的高温发酵。
病原菌、杂草种子等因这种发酵热而灭亡。需要注意的是，如果发酵温度过高，会导致肥料成分的挥发，堆肥燃烧，质量降低。
7、堆肥实际制造方法
⑴秸秆等堆肥制造方法（参照图4）
①材料和堆积场所
材料为秸秆和青草等，砍割下来后晾晒数日使之干燥后再使用。新鲜状态下的（组织体还存活的）不利于发酵进行。
可以只堆积这一原料，如果将家畜粪便作为氮源掺入，将C/N比调整为20~30左右进行堆积的话，可以制造出来优良的堆肥。
堆积场所在户外的堆积盘上（设置排水沟：踩实的土沟、水泥盘等）。
②制造方法
1） 临时堆积
首先铺上秸秆等，堆上跟秸秆同等容积的家畜粪，不需翻搅堆积大约一个月。
堆积量为一处6?（2×2×1.5m）。
2） 正式堆积
在堆肥盘上进行。将土堆积大约20cm高，铺上原木（未经加工过的木头）或竹子增强排水效果。
先在堆肥盘上堆积上大约30cm厚的秸秆，将1）的产物与家畜粪等混合起来堆积大约30cm厚，上面再覆上30cm厚的秸秆。如此反复，直到堆积高度达到
1.5~1.8 m。
3） 翻搅
堆积后一周内发酵、发热。温度高于80℃时，氮的挥发强烈，因而可以适当喷水以免温度过高，使之保持在60~70℃。
大约一个月后进行翻搅，注意里外翻匀，以便发酵均一。
翻搅后温度立即上升，几周后下降，大约3、4个月后堆肥熟透。在此期间，如果再翻搅1、2次，成品效果更好。
③产品特征
成品堆肥为暗褐色，无臭味，手感柔软，秸秆等可以轻易用手撕断。以稻秸为主要原料肥料为干物时，内含氮1.5%、磷酸1%、钾2%，C/N比为20~25左右。
肥效微小，不会“烧苗”可以放心使用于任何作物。
⑵堆肥速成制造法（参照图5）
其基本原理是给与秸秆等原料充足的水分，同时添加氮肥，补充原料所缺的氮，同时利用消石灰使其碱性化（pH值为7~8左右），加速发酵。通过氮的添加以及碱性化效果，2、3个月堆肥即可造成。
①材料和堆积场所
材料使用晒干了的秸秆或青草类。氮的来源可以是硫酸铵、尿素、石灰氮等，使用消石灰促使材料碱性化。
堆积可以在户外的堆积盘上进行。
②制造方法
1）临时堆积
将秸秆等原料切成不到10cm长短，加入原料1/2左右的水（每100kg原料放入40~50L水）放置一天。这样一来，材料中含了水分，就容易堆积了。
首先，将材料堆积30cm厚并踩实，撒入石灰乳（消石灰中加入20倍的水），并轻轻踩压。石灰乳的喷洒量以下面没有液体渗出为宜，这个消石灰的作用是使材料变软同时防止酸性化。
这种状态下大约过两周左右，消石灰的碱性效果会使秸秆中的纤维素变得容易被微生物分解。
2）正式堆积
将1）叉散，边往堆积盘上堆积，边撒入氮（硫酸铵等），高度每达到30cm时轻轻踩压。重复此动作，直到堆积高度达到1.5m。
还有一种简便的方法，氮选择使用石灰氮（参照图5）。这样，就不需要使用石灰乳的临时堆积了，可以直接正式堆积，更加省力。在堆积物的顶部大量掺入石灰氮。这是为了让石灰氮的成分容易溶解于水中，往下渗透。
3）翻搅
堆积后发热效果降低（4、5周左右）时，如果进行翻搅，再过一个月就可以完成。待到熟透以后，还要再翻搅堆积一个月。
③产品的特征
完成后的堆肥为暗褐色，无臭味，手感柔软。肥料为干物时成分含量是氮1.5%、磷酸0.8%、钾1.5%，C/N比为20~25左右。略有肥效，任何作物皆可放心使用。
⑶堆肥连续制造法（参照图6）
这是以家畜粪为主体的制造堆肥的方法之一。是将部分做成的堆肥跟生粪混合调节水分含量，促使其发酵的方法。其特点是通过反复操作可以连续的将生粪堆肥化。这也是其名称的由来。
①材料和堆积场所
材料可以只用家畜粪。牛粪、猪粪、鸡粪等皆可使用。另外也可以将几种粪或食物渣混合使用。而堆积场所可以是户外的堆肥盘，当使用猪粪和鸡粪时，由于臭味难闻，有必要慎重选择场地。
②制造方法：
1）、原始堆肥的制造
首先，制造干燥的原始堆肥。将粪尿分离后的生粪约3?(以要制作的堆肥量为6?来计算，相当于其1/2的量)进行日晒干燥。避雨大约堆积两周时间，在此期间进行3~4次翻搅，使水分均匀减少。在屋外作业时，如果下雨覆盖苫布等防止水进入。在这种方式下，即使发酵效果不佳，当水分降到40%（手握无湿感时），就能够作为原始堆肥使用。
另外，从第二个步骤起部分完成的堆肥要作为原始堆肥使用，因此上述的干燥处理仅限于初次即可。
2）堆积：
将等量的原始堆肥和生粪混合并堆积起来。由于60%的水分率最适合发酵，所以在水分率为80%的生粪中按照1
：1的比例掺入水分率为40%的原始堆肥，水分率就变成了60%左右。水分率略低成功率更大。堆积的高度为大约1.2m~1.5m。
3）翻搅：
堆肥几日后，温度会升高到70℃。按照每三天一次的频率翻搅，大约一个月堆肥就做成了。
4）连续堆肥化：
这种方法的长处在于，由于通过掺入原始堆肥调节水分含量的同时还能供给生粪以有用的微生物群，因此能够在短时间内造出优良的堆肥。
其短处在于，只能处理堆积规模的一半多少的生粪，以及在制造过程中盐类浓度会升高。为了解决后一问题，可以减少原始堆肥的使用量，添加新鲜的有机物，比如锯末、秸秆等。
③产品的特征：
颜色为暗褐色，只要难闻的气味消失后就可以放心使用。所含肥效较普通的家畜粪的简单堆积法稍高。
（参考）1、牛粪堆肥所含肥分：氮2%、磷酸2%、钾2%、C/N比15~20
2、生粪的水分率：牛粪80%、猪粪70%、鸡粪65%
表1 各种有机物的C/N比和水分
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材料名
|
C/N比
|
水分
（%）
|
材料名
|
C/N比
|
水分（%）
|
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家畜粪便
|
牛粪
猪粪
鸡粪
|
15~20
10~15
6~10
|
80
70
65
|
树
木
类
|
树叶
树皮
锯末
|
15~60
300~1300
300~1000
|
50~70
30
10
|
|
秸秆类
|
稻秸
麦秸
稻壳
|
50~60
60~70
70~80
|
10
10
10
|
植物性
食
品
残
渣
|
菜油渣
大豆油渣
啤酒糟
豆腐渣
茶叶渣类
|
7~10
6~8
8~10
10~12
10~15
|
10
10
75
75
——
|
|
蔬菜碎渣
|
萝卜叶
卷心菜
白菜
白薯梗
玉米秸
|
8~10
8~10
10~15
10~15
10~15
|
90
90
90
70
70
|
动
物
性
食
品
残
渣
|
鱼渣
肉渣
蟹壳
骨粉
|
6~8
6~8
6~8
6~8
|
10
10
5
5
|
|
野草类
|
黑麦
三叶草
紫云英
|
20~30
10~15
10~15
|
80
90
90
|
|
海草
|
20~30
|
75
|
8、采用发酵装置的生产方式（参照图7）
堆肥一般都以上述方式，将堆肥材料堆积在地面上使其发酵制造而成的。因此不论生产规模是大是小，C/N比、水分、通风等必要条件都一样，但是在进行大规模生产时，可以根据所利用的机械装置不同分为“堆积方式”“搅拌方式”。各方式概要如下所示：
（1）、堆积方式
①在堆肥房内进行堆积的方式
是将堆肥材料堆积在堆肥房内的基盘上，用铲车等进行适当的翻搅来推进材料的堆肥化的方式。分设置或不设强制送风装置两种。
②在木箱进行堆肥化的方式
将材料堆积在木箱或水泥箱中制造堆肥的方式。大多设置强制送风装置。
（2）、搅拌方式
①开放式
将堆肥材料堆积在堆肥用的沟状发酵槽中，用安装在发酵槽上部的搅拌机进行
搅拌以促进发酵。因搅拌机种类的不同，分为铲式和旋转式两种。
每天开动搅拌机1-2次搅拌或移动材料。同上述的“堆积方式”相比，通风状况更好，所以材料的分解速度更快。
②密闭式
此种方式的长处在于，同“堆积方式”和“开放式发酵装置”相比，所需时日非常之短。
ａ、卧式发酵槽
将圆筒形的发酵槽置于旋转台上，利用驱动马达使之旋转，搅拌材料。
ｂ、立式发酵槽
将圆筒形的容器立于地上，也有些容器内部被分割成好几段。发酵槽内有旋转
叶片，用来搅拌材料。
表2 病原菌及寄生虫的死亡温度
|
种类
|
温度（℃）
|
时间（分）
|
|
伤寒菌
|
55?60
|
30
|
|
痢疾杆菌
|
55
|
60
|
|
沙门氏菌
|
56?60
|
15?60
|
|
葡萄球菌
|
50
|
10
|
|
链球菌
|
54
|
10
|
|
白喉菌
|
66
|
15?20
|
|
大肠杆菌
|
55
|
60
|
|
蛔虫（卵）
|
60
|
30
|
表3 牛粪堆肥中掺杂的杂草种子的出芽率（%）
|
种类
|
堆肥温度
50℃
|
持续两天
60℃
|
对照
|
|
俭草
|
96
|
0
|
74
|
|
稗子
|
72
|
0
|
87
|
|
具芒杂米莎草
|
56
|
0
|
30
|
|
马蓼
|
8
|
0
|
53
|
|
野稗
|
68
|
0
|
70
|
|
