有机肥质量标准与关键生产技术研究综述

1 有机肥的概念

在 GB/T6274-2016《肥料和土壤调理剂术语》中对肥料的定义是：以提供植物养分为主要功效的物料。如此看来，肥料的范围是很大的，类别也是很多的。从该国家标准可以看出有机肥料（organicfertilizer）和无机肥料（inorganic fertilizer）是对应的，而且该国家标准中对矿物肥料（mineral fertilizer）和无机肥料（inorganic fertilizer）的定义是同一个：由提取、物理和 / 或化学工业方法制成的，标明养分呈无机盐形式的肥料。该国家标准对于传统意义上统称的化肥却没有对应的术语和定义。有机肥的概念最早在相关行业标准发布之前是对应化肥的概念提出的，当时涵盖的物料范围十分广泛，包括农家肥、堆沤肥、沼肥、厩肥、绿肥、秸秆肥、饼肥、泥肥、腐植酸类肥等。绿肥包括绿豆、蚕豆、苜蓿、黑麦草、肥田萝、小葵子、满江红、水葫芦、水花生等作物；饼肥包括菜籽、棉籽、豆饼、芝麻饼、蓖麻饼、茶籽饼等；泥肥包括未经污染的河泥、塘泥、沟泥、湖泥等。上述这些非化肥的肥料统称为有机肥。从 2002 年发布有机肥料的行业标准开始，就对有机肥料有了明确的定义。有机肥料的农业行业标准自发布以来已经过 3 次修订和重新发布。分别是NY525-2002《有机肥料》、NY525-2011《有机肥料》和 NY525-2012《有机肥料》。在最新的有机肥料行业标准中对有机肥料（organic fertilizer）的定义是：主要来源于植物和（或）动物，经过发酵腐熟的含碳有机物料，其功能是改善土壤肥力、提供植物营养、提高作物品质。有机肥料目前尚没有发布国家标准。在有机肥行业标准的基础上，农业部又发布了生物有机肥行业标准 NY 884-2004，其中对生物有机肥的定义是：指特定功能微生物与主要以动植物残体（如畜禽粪便、农作物秸秆）为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。可以看出有机肥与生物有机肥从概念上具有一定的交叉重叠。如何归类和划分按目前的行业标准来讲，并不十分清晰。欧美国家对有机肥的定义没有类似我国行业标准的单独的规范性文件，只在有机农业法规或标准中规范了土壤培肥和改良物质。在法规中给出有机农业允许使用的土壤培肥和改良物质的列表，并给出相应的评价准则。

2 有机肥的质量要求

NY525-2012《有机肥料》中对有机肥的质量从外观、成分、有害物质限量等 3 个方面进行规范。首先，外观要求颜色为褐色或灰褐色，粉状或粒状，均匀，无恶臭，无机械杂质；其次，成分要求其有机质的质量分数（以烘干基计）≥ 45%；总养分（氮   五氧化二磷   氯化钾）的质量分数（以烘干基计）≥ 5%；鲜样的质量分数≤ 30%；酸碱度（pH）在 5.5～8.5 之间；第三，重金属限量指标规定了总砷（≤ 15%）、总汞（≤ 2%）、总铅（≤ 50%）、总镉（≤ 3%）、总铬（≤ 150%）的要求，标准中的其余内容就是试验方法、检验规则、包装标识运输和贮存。行业标准 NY 884-2004《生物有机肥》对生物有机肥的质量从外观、成分、有害物质限量等 3 个方面进行规范。外观要求也是粉剂产品松散、无恶臭味；颗粒产品无明显机械杂质、大小均匀，无腐败味；技术指标从有效活菌数、有机质含量、水分、pH、粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率、有效期等几方面进行规范；砷、汞、铅、镉、铬等重金属限值应符合 NY/T 798-2004《复合微生物肥料》的规定。

3 有机肥的作用简述

可以看出，有机肥是动物排泄物、植物残枝等废弃物经过无害化处理、发酵腐熟沤制而成的含有可以补充土壤养分的物质的产品，有机肥不仅含有植物生长所需的各种营养元素，同时含有有机质、多种氨基酸和腐殖质等，养分均衡，被称为缓释性的完全肥料[1，2] 。我国有机肥资源丰富，种类繁多，主要包括：人粪尿、畜禽粪便、沤肥、沼气肥、绿肥、秸秆、蚕砂、饼肥、泥土肥（沟泥、河泥、塘泥等）、草炭、风化煤与腐殖酸肥料、草木灰、骨粉、食品加工废渣、肉类加工废弃物、有机生活垃圾及城市污泥等[3] 。

长期使用有机肥可以有效疏松土壤，防止土壤板结，促进农作物生长[4] ，也可以改善土壤微环境，改变土壤微生物群落组成，促进土壤中有益菌的形成，提高作物抗病虫害的能力[5-9] 。若长期不合理施用化肥，有机肥数量不足且使用不均衡，会造成部分农田各类养分比例失调，致使农田生态环境、土壤理化性状和土壤微生物区系受到不同程度的破坏，在一定程度影响农产品安全。有机肥是既能向农作物提供多种无机养分和有机养分，又能培肥改良土壤的一类肥料。因此，有机肥在我国实现农业可持续发展中具有重要的战略地位。近年来，随着中国绿色、优质、高效、健康、环保的新型农业和资源节约型、环境友好型社会的快速发展，有机肥料大受青睐，已逐步成为我国肥料业生产和销售的热点。有机肥的推广应用不仅是科学施肥的延伸和耕地生产力提升的重要措施，也是社会主义新农村建设、保护生态环境的一项重要内容，对促进中国有机农业的发展和农业部提出的到2020 年实现化肥零增长的目标具有重要的作用。

4 有机肥的主要生产原料和处理方法

我国商品有机肥组成成分繁杂[10，11] ，在生产上如何实现无害化是一大难题。通过运用现代科技对传统有机肥生产工艺进行改进的研究，尤其是畜禽粪便有机肥生产取得了很大进步[12，13] 。有机肥是以畜禽粪便、动植物残体、生活垃圾等富含有机质的固体废弃物为主要原料，并添加一定量的其他辅料（如风化煤、草炭、中药渣、酒渣、菌菇渣等）和发酵菌剂，通过工厂化方式加工生产而成的肥料。根据生产原料的不同，我国商品有机肥料主要包括三大类：一是以集约化养殖畜禽粪便为主要原料加工而成的有机肥料；二是以城乡生活垃圾为主要原料加工而成的有机肥料；三是以天然有机物料为主要原料，不添加任何化学合成物质加工而成的有机肥料[14] 。商品有机肥的一般生产过程包括：粉碎、搅拌、发酵、除臭、脱水、粉碎、造粒、干燥，整个过程需要 1 个月左右的时间完成。我国每年来自农业生产的有机物质（粪尿类、秸秆类、绿肥类、饼肥类）资源量约为 40 亿 t，其中秸秆占资源量的 12.2%，粪尿类占资源量的 78.7% [15] ，从有机肥的基本资源量来看，畜禽粪便和农作物秸秆是最主要的有机肥资源。

4.1　以畜禽粪便为主要原料

畜禽粪便主要指猪、牛、羊、马等家畜粪便和鸡、鸭等家禽粪便，是优质的有机肥原料。随着养殖业的发展，产生了越来越多的畜禽粪便，大部分养殖场未能对畜禽粪便进行有效的处理和利用，畜禽粪便的不合理处置带来了严重的环境污染问题：畜禽粪便中的氮、磷等营养物质通过降雨冲刷或淋溶方式进入水体和土壤；畜禽粪便中的氨、硫化氢等不稳定物质通过挥发释放到大气中；畜禽粪便中的有害病原微生物、药物添加剂通过不同途径进入水体、人体，从而对大气、土壤和水体造成严重污染，给社会带来一系列的环境、卫生问题。畜禽粪便同时又是一种宝贵的肥料资源，因为畜禽粪便富含有机质和氮、磷、钾等营养元素，利用高温好氧堆肥技术对畜禽粪便处理后，加入功能性微生物菌剂便可制成生物有机肥。

目前畜禽粪便处理最常用的是高温好氧堆肥技术，该技术是利用微生物在一定的温度、湿度和 pH值条件下，将可生物降解的有机固体废弃物分解为相对稳定的腐殖质物质的过程。高温好氧堆肥处理是目前实现农业废弃物无害化、减量化、资源化利用的有效途径[16] 。其工艺流程主要由预处理、好氧发酵、后

处理和储存等工序组成[17] 。其关键技术主要是预处理和好氧发酵。

（1）预处理。堆肥预处理主要是对堆肥原料的水分、pH 和碳氮比进行调整，并向堆肥原料添加微生物发酵菌剂。堆肥粪便的起始含水率一般应为40%～60%，水分过低不利于微生物的生长，水分过高则堵塞堆料中的空隙，影响通风，导致厌氧发酵，减慢降解速度，延长堆腐时间[18] 。pH 是对微生物生存环境进行评估的参数，堆肥过程中最适宜的 pH 应为 5.5～8.0。在堆肥过程中，pH 值通常被认为非重要影响因素，因为大部分细菌均可在 pH 5.5～8.0 的范围内生长繁殖。堆肥原料的碳氮平衡是微生物达到最佳生物活性的关键因素。堆肥原料的碳氮比一般在 25∶1～35∶1 之间比较适宜[19] 。碳氮比小，温度上升很快，但堆层达到的最高温度低；碳氮比大，堆层达到的最高温度高，但温度上升慢。在实际生产中，可利用秸秆、稻壳或锯末等物料调整碳氮比。堆肥是微生物作用于有机物的生化降解过程，微生物是堆肥过程的主体，是堆肥过程中最关键、最活跃的成分。向堆肥原料中添加微生物发酵菌剂，可加速堆肥原料有机物的分解腐熟，促进有机物料中有效氮的释放。

（2）好氧发酵。好氧发酵堆肥过程由一级发酵和二级发酵 2 个阶段组成，堆肥运行所需时间随碳氮比、湿度、天气条件、堆肥运行管理类型等方面的不同而不同。一般情况下，发酵周期为 9～35 d 左右[20，21] 。一级发酵是指从温度升高到开始降低为止的阶段，是堆肥发酵的第一阶段。在此阶段通常需要向堆肥层或发酵装置中供氧。氧是好氧微生物生存的必要条件，充足的氧气供给是保证好氧微生物群体繁殖发育的重要条件，对堆肥时间及终产品质量有重要影响[22] 。一般认为堆肥中的空气氧的体积含量保持在5%～15% 比较适宜，低于 5% 会导致厌氧发酵；高于15% 则会使堆肥体冷却，导致病菌的大量存活[23] 。目前采用的通风方法主要有利用动力铲或其他特殊设备翻堆、向粪堆中插入带孔的通风管、借助高压风机强制通风供氧和自然通风供氧等。在一级发酵过程中，堆层各测试点的温度均应保持在 55～65℃，不宜高于75℃，且持续时间不得少于 5 d。二级发酵是指堆肥经过一级发酵后，微生物以较低的速度分解难降解的有机物和发酵中间产物的发酵过程，此阶段通常不需通风，但应定期进行翻堆。

4.2　以农作物秸秆为主要原料

秸秆是成熟农作物在收获籽实后的剩余部分，是一种可再生的生物质资源，但目前大量的秸秆被焚烧或丢弃，不但造成严重的环境污染，而且浪费了宝贵的有机肥资源。因此，加强农作物秸秆资源的开发利用是实现秸秆资源化的一种途径。作物秸秆还田是当今世界上普遍重视和应用的一项培肥地力的增产措施，既节省肥料肥，变废为宝，又避免了焚烧，是典型的低碳农业措施。几种常见的秸秆肥料化技术包括直接还田、焚烧还田、堆沤还田、过腹还田和堆肥还田[24] 。目前采用较多的是秸秆堆肥技术的优点是：

（1）在秸秆堆积、腐熟的过程中，产生的高温可杀死大部分病菌和害虫，减轻病原基数，降低虫口密度，还可以产生一些有益微生物，从而减轻作物病害、虫害和草害的发生。同时，还具有解决重茬、固氮、解磷钾、改善农作物品质等多种功效，适合在农村大范围推广。

（2）在秸秆堆积、腐熟的过程中，易分解的有机物大部分被分解，堆肥还田后不会造成烧根、农作物死亡等现象。目前大力发展的生物秸秆反应堆技术是利用高温型菌种制剂将秸秆速堆沤成高效、优质有机肥，一方面将秸秆纤维快速分解，提高农田二氧化碳含量，改善农田小气候；另一方面形成大量菌体蛋白，被植物吸收或转化为腐殖质，增加了土壤有机质。

5 有机肥生产的技术要点

在有机肥实际的生产过程中，很多技术是结合使用的，而且各种技术的叫法虽然不同，有些核心的技术内容却是相同的。

5.1　高温堆肥技术

传统农业中基肥、追肥等施肥措施会广泛使用有机肥[26] ，传统堆肥是农民自制有机肥的一种方式，其实质是厌氧堆肥。传统堆肥占地面积大且堆制时间长，因堆温较低其无害化程度较低，有机物分解缓慢、易产生臭味。目前我国工厂化有机肥生产的研究已取得较多研究成果并已普遍应用，形成多种工艺，如条垛式堆腐、槽式发酵、圆筒发酵、塔式发酵、膨化发酵、水解处理及蚯蚓处理等[27] ，相比传统的畜禽粪便堆肥方式有较大改善。高温堆肥是有机固体废弃物的处理方法之一[28] ，是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质腐殖化和无害化从而变成腐熟肥料的过程，与此同时会产生高温（T ＞55℃），可以最大限度地杀灭虫卵、病原菌及杂草种子 [29，30] 。在高温堆肥的过程中，微生物将有机质分解，生成大量可被植物吸收的有效氮、磷、钾等化合物，并使有机质快速地降解为稳定的腐殖质，转化为有机肥[31] ，或者进一步制备成各种作物专用的有机无机复混肥。高温堆肥解决了发酵周期长、处理不彻底的难题，实现了畜禽粪便、秸秆等废弃物的资源化和无害化利用。

5.2　生物有机肥技术

生物有机肥是土壤有益微生物菌种与有机肥结合形成的新型、高效、安全的微生物—有机复合肥料，辅以拮抗菌的生物有机肥能有效抑制土传病原菌，减少植物土传病害的发生，提高作物品质[32] 。所以生物有机肥生产既可以将废弃物资源充分利用，又可以在治理污染、改善生态环境和促进农业、养殖业发展方面发挥作用，符合国家可持续发展战略。微生物菌剂法被认为是畜禽粪便等肥料化处理方式中最具有发展潜力的一种方法。在高温堆肥的基础上，将微生物功能菌作为添加剂添加到有机肥中，能有效提高肥料利用率和农产品品质，并可以通过选培的微生物对病原体有一定的拮抗作用，抑制病原体微生物的繁殖，提高有益微生物在有机肥中的生物效价，改善土壤中的微生物区系向有利于农作物高产、优质方向转化，提高土壤抗逆性[33-36] ，因此利用新型微生物菌剂处理畜禽粪便已成为新的研究方向。

5.3　原料配比技术

有机肥原料具有提供碳源、提高堆肥过程中的空隙度、调节物料的湿度等作用。有机肥生产中的原料来源多，种类多，成分复杂[10，11] ，根据原料性质进行不同原料配比试验研究可获得合适配方。堆肥过程中的一个关键因素是 C/N，其数值一般在 20-30 之间相对适宜微生物活性[37] 。C/N 比值较高时，微生物生长代谢加快进而消耗过量的碳，直到达到适宜的碳含量时才会进行新陈代谢[38] ，而 C/N 比较低时，堆体中的氮将会以氨气的形式挥发，导致氮损失[39] 。因此在选择原料和确定配比时，应了解原料的性质、养分和有机质等含量，以确保在堆肥的整个过程顺利完成。例如在麦秸堆腐时添加鸡粪，不仅能改善麦秸堆肥的结构、吸收水汽，而且可作为微生物的氮源，既解决了麦秸 C/N 比值低在单独堆肥时本身所存在的弊端，还可以促进鸡粪的资源化利用[40，41] 。

5.4　发酵接种技术

有机肥发酵指复杂的有机物在微生物的作用下分解为简单物质的过程[42] 。发酵是一种解决畜禽粪便污染最经济有效的方法，在减少污染的同时还可以使畜禽粪资源化。发酵菌剂是生物有机肥生产中重要的物质，发酵菌剂的选是生物有机肥生产的关键，它决定了生产中有机物料发酵的温度、生产过程等。研究表明，接种微生物对加快堆肥进程或提高堆肥产品的质量没有明显作用，主要原因是堆肥原料中本身含有大量的微生物种类和数量，堆肥选用的微生物繁殖速度非常，在适宜的环境下就可以大量繁殖，在农田应用阶段发挥其功能[43-45]。随着农业的发展，对有机肥的需要标准也在升高，单一菌种、单一功能的生物有机肥已不能满足现代农业发展的要求，复合菌种是生物有机肥的发展趋势[46] 。菌种选择的原则如下：符合农用微生物菌种安全评价要求、繁殖速度快、功能性强、无拮抗或不同菌株拮抗小、不同产品对菌株的其他要求。在生物有机肥生过程中，加入的功能菌一般为芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞菌（Pseudomonas）、链霉菌（Streptomycete）、固氮菌、溶磷菌、光合细菌等[46，47] 。

5.5　环境控制技术

堆肥发酵过程中外界条件会影响堆肥的完成，主要的影响因素为原料、含水率、碳氮比、堆肥过程的氧浓度和温度以及 pH 等，可以通过调控上述因素，控制微生物的活性和堆肥速度。

5.5.1　湿度

堆肥过程中水分是一个重要因素[48] ，主要作用在于溶解有机物，并参与微生物的新陈代谢。水分蒸发时带走热量，起到调节堆肥温度的作用。水分过低，不利于微生物生长，如果水分含量低于 10%，细菌的代谢作用会停止；水分过高，则会使堆料通气不畅，导致厌氧发酵，延缓堆肥时间  [49] 。在选择原料的时候应保证水分含量适中。

5.5.2　温度

对于堆肥系统而言，温度会影响微生物活性从而影响堆肥效果。作为一种生物系统，堆肥中微生物分解有机物释放热量使堆肥温度上升，不同于非生物系统[49] 。当堆体温度超过极限时，温度越高，反应速度变得越低[50] 。高温堆肥温度控制在 45～55℃左右 [51] ，以保证微生物活性和相关酶的活性。

5.5.3pH

堆肥过程中，pH 是一个重要的因素，微生物在高温阶段在 pH 为 7.5～8.5 时其分解能力最大[52] 。一般来讲，pH 在 3～12 之间，堆肥反应均可以进行[53] 。但有研究发现，在堆肥初期堆体的 pH 降低，低 pH有时会严重地抑制堆肥反应的进行。在堆腐生活垃圾时，当 pH 控制在 5 时，葡萄糖和蛋白质的降解会停止。

6 展望

当前国家对食品安全、环境保护等问题越来越重视，人们对农产品的质量及生态环境的要求越来越高，生态农业的呼声也越来越强烈。我国目前正逐步加大对有机肥的研究和开发力度，但很多研究成果尚处于实验室阶段，在有机肥实际生产中，生产技术与工艺不成熟比较普遍，还没形成较为完善的法规和技术标准体系，有机肥的质量、功效、对环境，人类健康及生态系统的影响的评价还没有统一的规范，还需要进一步探索适合规模化、工厂化生产的应用技术及制定相应的技术标准，规范和促进有机肥的生产，提高有机肥产品质量，从而促进有机肥产业技术的进步和发展。