園林廢棄物堆肥應用及技術的研究進展

韓華國，杜 康，丁佳云，蔡龍飛

（常州新園市政綠化有限公司，江蘇常州213000）

1 園林廢棄物的概念及特征

園林廢棄物是指在綠化美化過程中產生的枯枝、落葉、草屑、花卉枯枝及其他綠化修剪物等[1]，成分主要以有機質為主，富含纖維素、木質素。隨經濟快速發展，城市化進程不斷加快，人民美好生活的需要日益增長導致園林事業發展迅速，園林廢棄物的產生量也在迅速增加。過去在園林綠地的養護管理中，通過焚燒、填埋等方法將其清除干凈，這個過程造成植物葉片和枝干中的營養元素不能歸還綠地，進而影響了園林綠地生態系統循環，使其養分收支不平衡，土壤有機質含量降低，土壤板結，土壤質量變差[2]。

園林廢棄物來源于植物，根據產生來源不同分成兩大類，一是植物因其自身的新陳代謝而自然產生的枯枝、落葉、草屑、殘花等，二是因城市綠化需要，修剪過程中產生的大量修剪物等，它們均是屬于光合作用后的產物，是可再生能源，因此，具有可再生的能力。目前，我國對于生態文明建設的重視日益增強，城市綠化面積日益擴大，園林廢棄物的量也迅猛增加。若對園林廢棄物，加以科學有效的方法措施可以充分發揮其可再生性[3]，從而將園林廢棄物“變廢為寶”。合理地處理日益增加的園林廢棄物已成為當今社會亟待解決的問題，也是目前研究的熱點和發展趨勢[4]。園林廢棄物的利用方式多樣，主要作為地表覆蓋物、生物質能源、培育食用菌、制成各種木塑工藝等[5]，目前將園林廢棄物堆腐形成有機肥是資源化利用園林廢棄物的一個重要途徑[1]。

2 園林廢棄物的處理和應用

堆肥化就是在人工控制下，在一定的水分、C/N和通風條件下通過微生物的發酵作用，將有機廢物轉變為肥料的過程。在這種堆肥化過程中，有機物由不穩定轉化為穩定的腐殖質物質，是有機廢物在好氧或厭氧的條件下依靠細菌、放線菌、真菌等的作用下使有機物得以降解的生化過程。在發酵的過程中，微生物對C，N的需求比較高，添加生物菌劑使堆肥腐熟速度加快，堆料的理化性質得以改善。一個完整的堆肥過程中，各種微生物利用廢物和階段產物作為食物和能量的來源，它們的群落結構更替十分快速，這種過程一直進行到穩定的腐殖物質形成為止。所以，堆肥腐熟就是各種微生物共同作用，將物質轉化成為腐殖物質的動態過程[6-8]。

好氧堆肥是園林廢棄物資源化利用的一種重要途徑。它是在有氧氣的條件下，借助好氧微生物（主要是好氧菌）的作用來進行的。微生物通過自身的生命活動——氧化、還原、合成等過程，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的無機物，并放出生物生長活動所需要的能量，產生的高溫一般在50～65℃，稱為高溫堆肥[9]。一方面堆肥化處理能夠節約園林廢棄物的填埋體積，另一方面堆肥產品可以作為無土栽培基質或有機肥料[10]。同時，堆肥化處理的技術相較于其他處理方式更安全也更經濟，具有非常巨大的發展潛力[4]。DAWSON等[11]研究也表明，園林廢棄物經過微生物降解方式對其進行堆肥化處理，其堆肥產品能夠用于植物栽培。

園林廢棄物堆肥化是將植物自身生長代謝或養護管理過程中產生的枯枝、落葉、草屑、花卉枯枝及其他綠化修剪物等，作為園林廢棄物堆肥原料，控制一定的水分、C/N等，在適宜條件下通過微生物的發酵作用，將有機物由不穩定轉化為穩定的腐殖質物質，即最終腐熟的堆肥產品[12]。在生產實踐中，堆肥的產品通常被用作有機肥料、土壤改良劑和栽培基質等。但不像泥炭土栽培基質被廣泛利用。

2.1 有機肥料

有機肥料通常是指由動植物的殘體或排泄物構成[13]。將有機肥料施用于農田，不僅可以給植物帶來各種有效的營養元素，還能夠作為土壤有機質的來源，提高土壤微生物的代謝繁殖能力，同時，有機肥料可改善土壤理化性質，提高土壤的緩沖能力。

沈洪艷等[14]將園林廢棄物堆肥產品作為有機肥料施于土壤中，草炭組為對照，研究發現，植物群落的各項生物量均高于對照組，同時堆肥產品還明顯地提高了土壤的肥力，起到了明顯的改良作用。有研究者施用園林廢棄物堆制的有機肥到土壤中，認為有毒性物質產生，從而威脅到植物本身，因此，研究者對敏感性進行研究分析，建立了關于有機肥穩定性和危害植物毒性的反曲線模型[15]。

也有研究者在堆肥的過程中，利用蚯蚓生物反應器，再加入高溫降解菌劑，提高對難降解物質的降解速度，得到了質量優良的有機肥料[16]。

2.2 土壤改良劑

園林廢棄物堆肥產品可作為土壤改良劑施入土壤中，可改善土壤的理化性質，增強土壤肥力。由于堆肥形成的腐殖質帶有負電荷，而園林廢棄物成分中氮、鉀等物質是以陽離子作為存在形式，腐殖質能吸附這些物質，所以，堆肥能大大減少營養元素的流失，從而增強土壤肥力[17]。大量研究發現，堆肥產品施加到土壤中可大大增強土壤的理化性質，增加土壤中各種營養元素的含量，包括N，P，K和多種必要的中微量元素，調節土壤中的酸堿性，還能夠改善土壤的結構和持水能力等[18-19]。堆肥制成的有機質具有優良的腐殖化程度，對土壤的改良效果顯著[20]。有研究者認為，由于通過堆肥產生的腐殖質中有部分物質擁有螯合的功能，結合土壤中對植物有危害的活性物質銅、鋁、鎘等，讓它們成為非活性物質，減少其與磷酸作用而產生的不良后果，從而減少了重金屬對植物的危害性。也有研究認為，堆肥產品施加于污染的土壤中具有一定的修復作用[21-22]，他們將黑麥草作為試驗材料，對污染土壤的理化性質、無機成分、不同重金屬含量和植物生長量等各種指標進行測量，得到園林廢棄物堆肥制成的堆肥產品能提高污染土壤中的有機質含量，降低重金屬危害，同時還具有促進生物量增加的能力[23]。

2.3 栽培基質

有機基質是由各種有機生物殘體及其衍生物構成的生態型基質物質，是一種可再生的節約型清潔資源，內含多種營養元素，具有良好的緩沖能力[4]。園林廢棄物堆腐形成的基質能用作栽培材料，將其與泥炭、草炭等物質通過合理的配比可用于植物的栽培。美國研究者于1989年研究發現，將腐爛的樹皮和泥炭作為基質，有很好的持水能力和透水性，適合作為花卉的無土栽培材料[24-25]。美國的愛荷華州佩拉鎮及伊利諾伊州芝加哥市的綠化區常能見到以園林廢棄物堆肥產品作為栽培基質用于花卉栽培；而在英國、法國、德國等國家，木屑常被堆肥腐熟當做栽培基質，近年來木屑機制相關的研究日益增多[26]。安大略湖園藝研究中心研究者一直探索環境友好與苗圃容器生產的可持續發展，其試驗了上百種廢棄物所制成的栽培基質，各種栽培試驗都表明，用園林廢棄物作為堆肥原料制得的基質能夠栽培植物[27]。上海市政府部門大力支持園林廢棄物再利用，相關研究人員根據自主研發的發酵技術對園林廢棄物堆肥腐熟，并用堆肥腐熟原料作為栽培基質開發出適用于園林植物栽培的系列產品[28-30]。

3 園林廢棄物堆肥化處理關鍵技術

在堆肥的過程中，需要控制影響堆肥的各種因素，它們決定微生物作用的程度、影響堆肥過程的快慢和堆肥產品的質量[31-32]。

3.1 粒徑調節

粒徑調節主要是通過粉碎機粉碎處理，在考慮經濟成本與發酵的前提下，將園林廢棄物原料的粒徑控制在一定范圍內，促進堆肥化進程、增強發酵效果并提高產品質量。一般控制園林廢棄物原料的粒徑為50 mm以下，從理論上講，粒徑越小，越容易分解。但有研究表明，園林廢棄物的粒徑適宜范圍為12～60 mm，考慮到增加物料的表面積的同時，還必須保證物料有一定的孔隙度，便于通風，使物料能夠獲得足夠氧氣。最佳粒徑應隨園林廢棄物的物理特性而變化[17]。

3.2 溫度

溫度是堆肥過程中微生物活動的反映，是影響微生物活動和堆肥工藝過程的重要因素。堆肥過程中溫度控制十分必要。微生物在適宜溫度條件下迅速大量繁殖，它們在利用有機物的過程中，有一部分轉化成熱量，堆體溫度不斷上升，適宜的堆體溫度可使堆肥進程加速，溫度過高或過低都會減緩反應速度。因此，適宜的堆體溫度應控制在45～65℃[33]。

3.3 通氣供氧

通氣供氧是堆肥成功的重要因素之一。通常堆體中氧氣量控制在5%～15%。若堆體中氧氣含量不足，微生物處于厭氧狀態，使降解速度減緩，同時使堆體溫度下降。若堆體中氧氣含量過高，也會影響堆體溫度的上升，導致部分病原菌和蟲卵等未被完全殺死。通風供氧主要有為堆體內的微生物提供氧氣、調節溫度、散除水分等作用[34]。通氣常采用自然通風、翻堆通風、鼓風等方式。

3.4 C/N調節

碳氮比（C/N）是指碳元素和氮元素的物質的量比值。堆肥過程中，碳源是微生物合成自身細胞結構的物質和能源物質，也是微生物細胞構成的基本材料[35]。堆體中碳源能被微生物利用并轉化成為腐殖質和CO2，氮源則以氨氣的形式散失，或變成硝酸鹽、亞硝酸鹽，或是由生物體同化吸收，主要消耗在原生質合成而留于系統內。堆肥初期的C/N一般在20/1～40/1比較適宜，而比值為25/1時最優[17]。C/N過高和過低均不利于微生物活動，當C/N過高時，微生物通過自身繁殖代謝產生過多的碳源，次級代謝減弱，導致有機物降解速度減緩；當C/N過低時，微生物自身繁殖代謝會受到阻礙，次級代謝過強，造成氮源過多轉化為氨氣，揮發氮源，導致堆肥產品的質量下降。因此，適宜的C/N能使微生物生長良好，促進有機物質分解，加速堆肥進程。部分研究者認為，通過添加外源磷素調節碳磷比（C/P）在75/1～150/1，也可以供給堆肥微生物能量，從而促進其生物活性，加快堆體的腐熟速度[6]。

3.5 水分含量

在堆肥過程中，水分是非常重要的物理因素[1]。水分含量是指整個堆體的含水量。其主要作用有2點：（1）溶解有機物，參與微生物的新陳代謝；（2）水分揮發時帶走熱量，起調節堆肥溫度的作用。有機物堆肥原料的最佳含水量通常是在50%～60%。堆肥原料水分的多少直接影響好氧堆肥反應速率的快慢、影響堆肥產品的質量，甚至還關系到好氧堆肥工藝的成敗。所以，堆肥過程中對于水分的控制非常重要。在腐熟的階段，堆體中的水分含量仍要保持在20%～30%，一方面增強部分微生物的活性，加快堆肥的后熟和提高堆肥產品質量的穩定性，另一方面還能有效減少翻堆時造成的粉塵污染[17]。

3.6 pH值

在堆肥過程中，堆體pH值也是影響微生物生長的重要因素之一，是反映有機物降解的一項重要指標[36]。研究表明，多數堆肥微生物適合在中性或偏堿性的環境中繁殖與活動，因此，當堆體的pH值在6～8時，是適宜堆肥微生物生長的。堆肥初始階段，由于微生物代謝生成有機酸導致pH值下降呈酸性（可降至5.0），有利于真菌的生長和木質素、纖維素的分解；后來有機酸積累被微生物利用并產生堿性物質，部分有機酸隨堆體溫度升高而揮發，pH值又升高，最終堆肥產品pH值一般在8～9[37]。

3.7 添加微生物菌劑

添加微生物菌劑可以加快堆肥的進程，提高堆肥產品的質量[38]。當前，園林廢棄物堆肥過程中加入的菌劑多為秸稈等農作物堆肥所用的微生物菌劑。李芳等[39]在對落葉堆肥處理中添加農業廢棄物堆肥用的微生物菌劑，分析對堆肥養分的變化和堆肥腐熟度的影響，結果表明，加入了有機廢物發酵菌曲的堆肥效果好，可提高園林廢棄物腐熟堆肥中的總養分含量。而陳祥等[40]研究表明，菌劑添加對堆肥的影響小于含水率、C/N和翻堆時間等因素。

4 展望

近年來，隨著我國城市化進程的加快，園林綠化水平及規模顯著提高，園林廢棄物大量增加，園林廢棄物堆肥處理作為一個新興的行業，具有非常廣闊的發展前景。國內經濟比較發達的城市已經開始對園林植物廢棄物進行集中收集，并進行堆肥化處理，如北京、上海、深圳等已頒布了相關政策，鼓勵對園林廢棄物進行簡易堆肥處理，同時免費為其提供堆肥技術，鼓勵建設堆肥廠等。但遺憾的是，對于園林廢棄物處理的資源化利用和處理技術方法等還有許多方面需要進一步改進和完善，例如，添加微生物菌劑可以促進堆肥過程，但目前園林廢棄物堆肥用的菌劑多是針對農作物廢棄物的，針對園林廢棄物的性質，研究適宜的專用菌劑，仍需要進一步探索。所以，需要大力研究其處置處理的方法，從而提高園林廢棄物資源化利用的效率，促進社會效益和經濟效益的共同提高。