畜粪堆肥过程中腐殖质形成特征研究进展

姚 武，顾燕青，巫 阳，顾优丽，龚梦丹，朱维琴

（杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州310036）

0 前 言

随着我国人口的迅速增长，畜禽养殖业得到了规模化、集约化、产业化发展，目前我国已经发展成为一个畜禽养殖大国.巨大的畜禽养殖业带来了大量的畜禽粪便［1-3］，据统计，1999年我国畜禽粪便产量为19亿t，为同期工业固体废弃物产生总量的2.4倍［4］；2003年全国畜禽粪便产生量约31.90亿t，为同期工业固体废弃物产生总量的3.2倍［5］；2009年全国畜禽粪便产生量为32.64亿t，为同期工业固体废弃物排放总量的1.6倍［6］；朱凤连等［7］估算到2020年全国畜禽粪便的产生量将高达42.44亿t.如果畜禽粪便不经处理或处理不当，不仅造成极大的资源浪费，还将污染水源和扩散病原菌，对人类和畜禽的健康构成严重威胁［4］，如何合理有效处理畜禽粪便已成为全世界的一个生态挑战和技术研究热点.

堆肥（Compost）是一种集粪便处理和资源再生于一体的生物处理方法，是各种有机固体废弃物减量化、无害化和资源化的有效途径［8］.堆肥处理通常分为两个阶段——活化阶段和固化阶段：1）活化阶段是在微生物活性作用下分解可生物降解材料、产生稳定有机残基的过程；2）第二个固化阶段为腐殖化阶段，是将稳定有机残基转换成腐殖酸物质的过程［9-10］.目前，借助动物（蚯蚓、蝇蛆等）和微生物群落的共同作用以降解有机废物进而获得高质量的腐殖化产物已成为新兴的堆肥途径之一［11-13］.通过堆肥处理，畜禽粪便中不稳定的有机物逐步降解为性质稳定、对作物无害的成品堆肥，可以用来作为土壤耕作的营养物和改良剂，从而保持和提高土壤的肥力和生产力［14］.堆肥化的腐熟程度决定畜禽粪便的无害化、资源化和减量化的程度及其应用价值.以往大多研究者将容重、孔隙度、粒度、养分含量、C／N 比、温度、pH 值、水分和氧气供应等作为决定堆肥工艺优化的关键因素，然而，畜禽粪便堆肥中腐殖物质（Humic substances，HS）的变化特征对判断堆肥化腐熟程度及堆肥应用价值等亦有着重要作用，迄今亦已成为人们研究的热点.本文就堆肥过程中腐殖物质的形成、组成变化及腐殖化参数等作一论述，以期为研究堆肥过程中畜禽粪便的腐殖化机理、推动畜粪堆肥应用范围等提供理论借鉴.

1 腐殖物质的形成机制和组成

堆肥过程的实质是有机物质稳定化和腐殖化的过程，是在微生物作用下有机质转化为组成、结构及性质上具有差异及共性的复杂稳定有机化合物——腐殖物质的过程［15-16］.目前，关于腐殖物质形成机制主要有以下三种学说：1）木质素-蛋白质聚合学说：认为腐殖质由木质素、蛋白质及其分解中间产物，在微生物的作用下发生聚合而成；木质素由不饱和的酚苯丙醇组成，苯环上有羟基，所以在分解中可以形成脂类、酚类和醌类化合物等，这些化合物再与氨基酸、氨及其蛋白质发生聚合反应，形成腐殖质；2）生化合成学说：认为土壤有机质分解的中间产物，如多元酚和氨基酸等，在微生物分泌的酚氧化酶作用下缩合聚合反应形成腐殖质；3）化学催化聚合学说：认为土壤有机质分解的中间产物如酚类化合物、氨基酸等在蒙脱石、伊利石和高岭石表面吸附的铁、铝催化下能合成腐殖质.

根据腐殖质在酸碱溶液中的溶解度可分为胡敏酸（Humic Acid，HA）、富里酸（Fulvic Acid，FA）和胡敏素（Humin，HM）三部分［17］.胡敏酸，又称腐殖酸，是一类只溶于稀碱溶液而不溶于酸溶液、呈棕至暗褐色的腐殖物质，其分子量在400～100000之间.胡敏酸呈微酸性，吸收容量（阳离子交换量）较高，它的一价盐类均溶于水，二价和三价盐类不溶于水，这对土壤养分保持及土壤结构形成具有重要意义.富里酸是既溶于碱溶液又溶于酸溶液的腐殖质物质，颜色较浅，多呈黄色，其分子量比胡敏酸小.富里酸呈强酸性，溶解能力强，移动性大，吸收容量比胡敏酸低，它的一价、二价、三价盐类均溶于水，因此富里酸对促进矿物的分解和养分的释放具有重要作用.在任何pH 条件下都不溶解的是胡敏素，其与矿物质紧密结合，具有大分子结构的特性，但性质不活泼，是一种惰性的腐殖质.此外，由于腐殖物质的结构十分复杂，其各种成分的具体结构尚未完全确定下来，仍需进一步研究.

2 畜禽粪便堆肥中腐殖物质的形成特征

2.1 腐殖物质含量变化

2.1.1 腐殖物质的总量变化

随着畜禽粪便中有机物质的降解和腐殖化，堆肥中腐殖物质的含量将发生变化.王玉军等［18］研究鸡粪和玉米秸秆等农业废弃物中腐殖物质的变化规律时发现堆肥过程中可提取腐殖物质质量分数表现为先增加后下降的趋势，当堆肥完成后其下降了34.6%；李吉进等［19］采用畜禽粪便条垛式高温堆肥实验方法对鸡粪和牛粪进行堆肥，发现腐殖酸总量呈下降趋势，但其占有机碳的比例却提高；Hsu等［20］发现猪粪堆肥33d后，腐殖物质从原来占原材料中有机质的28%增加到占有机质的44%并稳定在该值直至堆肥结束，认为堆肥原料类型是影响堆肥过程中腐殖化过程的主要因素.可见，畜禽粪便中腐殖物质总量的变化具有不确定性，跟原材料的性质有关.

2.1.2 胡敏酸和富里酸的含量变化

作为腐殖物质中主要成分，HA 和FA 在堆肥中的变化显得尤为重要.马开星等［21］选用鸡粪与小麦秸秆为堆肥原料进行堆肥实验，观察到堆肥中腐殖物质中HA 比例先迅速下降后上升，相对于最低点升高了107%，FA 则总体呈现为逐渐降低趋势，与堆肥前相比降低47.1%.Huang等［22］发现猪粪堆肥后，HA 含量从2.05%增加至3.79%，FA 含量则略有增加，从0.49%上升至0.62%.鲍艳宇等［23］则认为在鸡粪和牛粪混合堆肥过程中，高温堆肥可能促进FA 转化为HA，有利于HA 的形成.可见，堆肥腐殖化过程中，胡敏酸在腐殖物质中的比例将提高，而部分FA 可能向HA 转化.虽然HA 的含量变化会因原料来源而异，不能被用来作为堆肥成熟的指标［24］，但HA 含量升高能在一定程度上指示堆肥的腐殖化进程［20，25］.一般堆肥后，腐殖物质中的HA／FA 值将增大.然而，对于蚯蚓堆肥而言，一些研究者却得到相反的结果，如Molina等［26］将兔粪分别与污泥和酒糟生物废物混合，经赤子爱蚯蚓堆肥处理后，发现堆肥中的HA／FA 值均比对照组中的低.相似结果也出现在Contreras-Ramos等［27］研究中.目前，关于该结果的机理原因还不是很清楚，可能跟蚯蚓复杂的生物作用有关，明确的机理还需进一步研究探索.

2.2 腐殖物质的分子量变化

畜禽粪便堆肥中，腐殖质的分子量也会发生变化.Huang等［22］发现腐熟猪粪与木屑混合堆肥中，腐殖物质的超大分子量化合物大幅增加，而小分子量化合物增加幅度甚小.Sánchez-Monedero等［28］经过研究亦发现畜禽粪便堆肥中胡敏酸（HA）的平均分子量略有增加.Fuentes等［29］利用高效凝胶过滤色谱法也发现从不同原料（羊粪、橄榄废物、生活垃圾等）堆肥中提取的腐殖物质的平均分子量增加这一现象.上述表明畜禽粪便堆肥处理使腐殖物质中大分子量物质增加，而且其整体平均分子量也相应增加，这可能是小分子物质向高分子物质转化的结果［30-31］，亦或是生物转化造成的腐殖物质结构聚缩合所引起［32］.腐殖物质分子量的提高意味着其从水溶态向固态的转化［33］，这对堆肥中重金属迁移性及生物有效性的降低具有积极作用［15］.

2.3 腐殖化过程中腐殖物质结构、官能团的变化

在堆肥腐殖化过程中，腐殖物质结构表征和官能团的变化能反映堆肥的腐殖化和腐熟程度.已有研究表明［34］，随着堆肥的进行，腐殖物质中不饱和结构的多聚化程度增大，芳香结构物质与氨基基团有所增加，脂肪族基团减少.Veeken等［35］运用元素分析、13C 核磁共振和热裂解气相色谱-质谱等手段发现堆肥中腐殖酸的芳香族化合物取代脂肪族化合物并呈增加趋势.Sánchez-Monedero等［28］研究发现堆肥后腐殖物质中酚类、羧基和羰基官能团显著增加，利用红外光谱分析发现其3000～2850cm-1吸收波峰的强度明显减弱，表明脂肪族官能团减少.Huang等［22］也发现胡敏酸中的芳香结构增加，而富里酸则几乎没有变化；通过元素分析、E4／E6比、荧光光谱分析和红外分析等，也得出腐殖物质的缩聚程度增大这一结论.

3 堆肥腐殖化参数及腐殖物质结构分析方法

3.1 堆肥腐殖化参数

堆肥过程中的有机质腐殖化程度是一个评价堆肥质量的标准，随着有机质腐殖化程度的增高，堆肥的农用价值亦可得到提高.堆肥中腐殖酸的分子量、缩合程度、芳香度、官能团结构及氮氧含量等变化可以揭示堆肥的腐殖化程度［36］，通常以腐殖化率HR（Humification ratio，HR＝（HA＋FA）×100／TOC，TOC为总有机碳）、腐殖化指数HI（Humification index，HI＝HA／FA）、胡敏酸含量PHA（Percent of humic acids，PHA＝HA／HS×100）和腐殖化度DH（Humification degree，DH%＝（CHA＋CFA）／TEC×100，TEC为水溶态碳）等腐殖化参数来评价堆肥的腐熟度.Roletto等［37］早在1985年通过对不同来源材料堆肥的研究发现，一般堆肥在HR≥7.0、HI≥1.0和PHA≥50时达到高腐殖化水平.Jiménez和García［38］认为HI是反映堆肥腐熟度最佳的参数之一，当HI＞1.6 时表示堆肥腐熟.腐殖化度DH 由Ciavatta等［39］提取，其值在腐殖化过程中逐渐升高，表示堆肥过程中腐殖酸的变化，指示堆肥的稳定性，但DH 值受堆肥中的湿度影响很大.

3.2 腐殖物质结构分析方法

虽然腐殖化参数能在一定的程度上反映堆肥的腐熟程度，但由于堆肥过程极为复杂，新腐殖质的形成会伴随旧腐殖质的矿化，故腐殖化数有时亦不能很好地描述堆肥的腐熟程度［40］.目前，众多研究发现测量及识别腐殖物质的化学组成，结构性质和官能团特性能够较好探讨堆肥过程中腐殖物质的迁移转化规律.因此，多种化学、物理-化学及光谱学的技术被广泛地应用于腐殖物质研究［41］.各种分析方法的原理及样品要求如表1所示［42］.

表1 常用的腐殖物质结构分析方法Tab.1 Common analysis methods of humic substances

与元素分析、凝胶渗透色谱分析等相比，官能团分析是研究堆肥中腐殖质结构变化的最灵敏方法［43］，故红外光谱分析则可能作为一个快速评价堆肥质量的技术方法［44］.Chen等［45］亦认为利用先进技术方法如核磁共振分析、红外光谱分析和热解分析等可以更好地理解堆肥中腐殖物质的变化，从而更好地评价堆肥效率和堆肥腐熟度.同样，Cook［46］和Chen等［47］亦认为新型的分析手段如荧光、拉曼光谱和13C 核磁共振等能真实反映腐殖化过程中所形成的复杂化合物在聚合、缩合和多环芳烃共轭等性质方面的信息.

4 结论与展望

4.1 结 论

作为一种高效、可持续利用的畜禽粪便处理方法，堆肥法能有效解决畜禽粪便带来的环境污染，并使之变废为宝.腐殖物质是堆肥成品中的重要成分，堆肥中腐殖物质的形成与转化是评价畜禽粪便堆肥的重要指标.综上所述，根据在酸碱溶液中的溶解度，腐殖质可分为胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）三部分，其形成机制主要有木质素-蛋白质聚合学说、生化合成学说和化学催化聚合学说三种学说.由于堆肥中的腐殖化作用等，当堆肥成熟时，畜禽粪便中的腐殖物质尤其是HA 和FA 的含量、分子量、结构等会产生变化.腐殖物质的含量变化跟堆肥原料相关，具有不确定性；常规堆肥中HA 增加，HA／FA增加，而动物堆肥却相反；大分子量物质增加，而且其整体平均分子量也相应增加；腐殖物质的缩聚程度增大，其中芳香结构物质与氨基基团有所增加，而脂肪族基团减少.虽然上述腐殖物质在堆肥过程中的变化在众多研究中具有一致性，但同时也存在一些分歧，这可能归因于腐殖物质的变化与堆肥原材料类型、堆肥工艺种类有关所致，具体的原理和机制需要更进一步的探讨和研究.运用堆肥腐殖化参数如HR、HI、PHA 和DH 等可以揭示堆肥的腐殖化程度，评价堆肥的腐熟度；借用化学、物理-化学和光谱学等技术手段如元素分析、凝胶渗透色谱、红外光谱、核磁共振等可分析腐殖物质的结构性质和官能团特性.多种腐殖化参数和分析手段互相参照，才能有效地评价堆肥的腐殖化程度.

4.2 展 望

由于畜禽粪便和堆肥辅助材料的来源不同、堆肥方式的差别，众多研究者对畜禽粪便堆肥中腐殖物质变化规律的研究结果有所变异，故在今后的研究中需要综合考虑堆肥工艺、腐殖化参数评价方法及腐殖物质的结构分析等.另一方面，可探讨原料组成对腐殖质官能团及其结构变化的研究，或采用分子生物学技术，分析堆肥中官能团等结构变化与微生物多样性的关联性研究等，以便更加全面、综合地反映堆肥腐熟特征.此外，亦可在腐熟指标中，通过对不同原料、不同方式的堆肥进行研究，发现更多、更准确、测定更为简便的新指标，如根据堆肥过程中腐殖质官能团等结构的特征，添加腐殖质官能团等结构性指标，从而更加全面得出畜禽粪便堆肥中腐殖物质的变化规律和主要特性，分析腐殖物质变化中起主要作用的影响因素，这对畜禽粪便的堆肥处理及农业应用等具有重要的理论及实际研究意义.

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