任何一種合格優質的有機肥料的生產都必須經過堆肥發酵過程。 堆肥是在一定條件下通過微生物的作用，使有機物不斷被降解和穩定，併產出一種適宜於土地利用的產品的過程。
堆肥這種古老而簡便的處理有機廢棄物和製造肥料的方法，隨著研究的深入和方法的改進，其應用很受各個國家的重視，因為它有很好的生態意義，也為農業生產帶來效益。有許多報道指出，用腐熟堆肥製備種子苗床能抑制土傳病害。並且在堆肥過程的高溫階段過後接踵而來的拮抗性細菌，可使菌數達到很高水平；堆肥過程中各有機物在微生物作用下，達到不易分解、穩定、作物易吸收狀態；同時微生物作用在一定範圍內減少重金屬毒害作用。可見，堆肥是製造生物有機肥的簡便而有效的方法，有益於生態農業的發展。
我國國內大多數有機肥料產品只堆肥發酵15-20天，這樣的產品只能達到無害化標準。而優質的有機肥料堆肥發酵過程一般需要45-60天的時間。這是因為在堆肥前期的升溫階段以及高溫階段會殺死植物致病病原菌、蟲卵、雜草籽等有害微生物，但此過程中微生物的主要作用是新陳代謝、繁殖，而只產生很少量的代謝產物，並且這些代謝產物不穩定也不易被植物吸收。到後期的降溫期，微生物才會進行有機物的腐殖質化，並在此過程中產生大量有益於植物生長吸收的代謝產物，這個過程需要45-60天。
經此過程的堆肥可以達到三個目的，一是無害化；二是腐殖質化；三是產生大量微生物代謝產物如各種抗生素、蛋白類物質等。堆肥為什麼產生這樣的效果呢？下面我們對堆肥原理進行比較詳盡的介紹。
有機肥發酵原理
堆肥過程中有機質的轉化
堆肥中的有機質在微生物作用下進行復雜的轉化，這種轉化可歸納為兩個過程：一個是有機質的礦質化過程，即把複雜的有機質分解成為簡單的物質，最後生成二氧化碳、水和礦質養分等；另一個是有機質的腐殖化過程，即有機質經分解再合成，生成更復雜的特殊有機質-腐殖質。兩個過程是同時進行的，但方向相反，在不同條件下，各自進行的強度有明顯的差別。
有機質的礦化作用
⑴不含氮有機物的分解：多糖化合物（澱粉、纖維素、半纖維素）首先在微生物分泌的水解酶的作用下，水解成單糖。葡萄糖在通氣良好的條件下分解迅速，酒精、醋酸、草酸等中間產物不易積累，最終形成CO2和H2O，同時放出大量熱能。如果通氣不良，在嫌氣微生物作用下，單糖分解緩慢，產生熱量少，並積累一些中間產物-有機酸。在極嫌氣微生物條件下，還會生成CH4、H2等還原態物質。
⑵含氮有機物的分解：堆肥中的含氮有機物包括蛋白質、氨基酸、生物鹼、腐殖質等。除腐殖質外，大部分容易被分解。例如蛋白質，在微生物分泌的蛋白酶作用下，逐級降解，產生各種氨基酸，再經氨化作用、硝化作用而分別形成銨鹽、硝酸鹽，可以被植物吸收利用。
⑶含磷有機物的轉化：堆肥中的含磷有機化合物，在多種腐生性微生物的作用下，形成磷酸，成為植物能夠吸收利用的養分。
⑷含硫有機物的轉化：堆肥中含硫有機物，經微生物的作用生成硫化氫。硫化氫在嫌氣環境中易積累，對植物和微生物會發生毒害。但在通氣良好的條件下，硫化氫在硫細菌的作用下氧化成硫酸，並和堆肥中的鹽基作用形成硫酸鹽，不僅消除了硫化氫的毒害，併成為植物能吸收的硫素養料。在通氣不良的情況下，發生反硫化作用，使硫酸轉變為H2S散失，並對植物產生毒害。堆肥發酵過程中，可以通過定時翻倒措施改善堆肥的通氣性，就能消除反硫化作用。
⑸脂類及芳香類有機物的轉化：單寧、樹脂等結構複雜，分解較慢，其最終產物也是CO2和水；木質素是含植物性原料（如樹皮、木屑等）堆肥中特別穩定的有機化合物，它結構複雜，含芳香核，並以多聚形式存在於植物組織中，極難分解。在通氣良好的條件下，主要通過真菌、放線菌的作用，緩慢地進行分解，其芳香核可變為醌型化合物，它是再合成腐殖質的原料之一。當然，這些物質在一定條件下，還會繼續被分解的。
綜上所述，堆肥有機質的礦質化，可為作物和微生物提供速效養分，為微生物活動提供能源，併為堆肥有機質的腐殖化準備基本原料。堆肥以好氣性微生物活動為主時，有機質迅速礦化生成較多的二氧化碳、水及其它養分物質，分解速度快而徹底，並放出大量熱能；以嫌氣性微生物活動為主時，有機質的分解速度慢，且往往不徹底，釋放熱能少，其分解產物除植物養分外，尚易積累有機酸及CH4、H2S、PH3、H2等還原性物質，當其達到一定程度時，則對作物生長不利甚至有害。因此堆肥發酵期間的翻倒也是為了轉換微生物活動類型，以消除有害物質。
有機質的腐殖化過程
關於腐殖質的形成過程有很多種說法，概括起來大體可分為兩個階段：第一階段，有機殘體分解形成組成腐殖質分子的原始材料，如多元酚、含氮有機物（氨基酸、肽等）等；第二階段，先由微生物分泌的多酚氧化酶將多酚氧化成醌，然後醌與氨基酸或肽縮合而成腐殖質單體。由於酚、醌、氨基酸種類很多，相互縮合的方式也不盡相同，因而形成的腐殖質單體也就多種多樣。在不同條件下，這些單體又進一步縮合形成大小不等的分子。
堆肥發酵工藝
堆肥實際就是廢棄物穩定化的一種形式，但它需要特殊的溼度、通氣條件和微生物以產生適宜的溫度。一般認為這個溫度要高於45℃，保持這種高溫可以使病原菌失活，並殺死雜草種子。在合理堆肥後殘留的有機物分解率較低、相對穩定並易於被植物吸收。堆肥後臭味可以大大降低。
堆肥過程有許多不同種類的微生物參與。由於原料和條件的變化，各種微生物的數量也在不斷髮生變化，所以堆肥過程中沒有任何微生物始終佔據主導地位。每一個環境都有其特定的微生物菌群，微生物的多樣性使得堆肥在外部條件出現變化的情況下仍可避免系統崩潰。
堆肥過程主要靠微生物的作用進行，微生物是堆肥發酵的主體。參與堆肥的微生物有兩個來源：一是有機廢棄物裡面原有的大量微生物；另一是人工加入的微生物接種劑。這些菌種在一定條件下對某些有機廢物具有較強的分解能力，具有活性強、繁殖快、分解有機物迅速等特點，能加速堆肥反應的進程，縮短堆肥反應的時間。
堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥兩種。好氧堆肥是在有氧情況下的有機物料分解過程，其代謝產物主要是二氧化碳、水和熱；厭氧堆肥是在無氧條件下有機物料的分解過程，厭氧分解最後的代謝產物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產物，如有機酸等。
參與堆肥過程的主要微生物種類是細菌、真菌以及放線菌。這3種微生物都有中溫菌和高溫菌。
堆肥過程中微生物的種群隨溫度的變化發生如下的交替變化：低、中溫菌群為主轉變為中高溫菌群為主，中高溫菌群為主轉化為中低溫菌群。隨著堆肥時間的延長，細菌逐漸減少，放線菌逐漸增多，黴菌和酵母菌在堆肥的末期顯著減少。
有機堆肥的發酵過程簡單可分為以下4個階段
⑴發熱階段：堆肥製作初期，堆肥中的微生物以中溫、好氣性的種類為主，最常見的是無芽孢細菌、芽孢細菌和黴菌。它們啟動堆肥的發酵過程，在好氣性條件下旺盛分解易分解有機物質（如簡單糖類、澱粉、蛋白質等），產生大量的熱，不斷提高堆肥溫度，從20℃左右上升至40℃，稱為發熱階段，或中溫階段。
⑵高溫階段：隨著溫度的提高，好熱性的微生物逐漸取代中溫性的種類而起主導作用，溫度持續上升，一般在幾天之內即達50℃以上，進入高溫階段。在高溫階段，好熱放線菌和好熱真菌成為主要種類。它們對堆肥中複雜的有機物質（如纖維素、半纖維素、果膠物質等）進行強烈分解，熱量積累，堆肥溫度上升至60-70℃，甚至可高達80℃.隨即大多數好熱性微生物也大量死亡或進入休眠狀態（20d以上），這對加快堆肥的腐熟有很重要的作用。堆肥不當的堆肥，只有很短的高溫期，或者根本達不到高溫，因而腐熟很慢，在半年或者更長時期內還達不到半腐熟狀態。
⑶降溫階段：當高溫階段持續一定時間後，纖維素、半纖維素、果膠物質大部分已被分解，剩下很難分解的複雜成分（如木質素）和新形成的腐殖質，微生物的活動減弱，溫度逐漸下降。當溫度下降到40℃以下時，中溫性微生物又成為優勢種類。
如果降溫階段來的早，表明堆制條件不夠理想，植物性物質分解不充分。這時可以翻堆，將堆積材料拌勻，使之產生第二次發熱、升溫，以促進堆肥的腐熟。
⑷腐熟保肥階段：堆肥腐熟後，體積縮小，堆溫下降至稍高於氣溫，這時應將堆肥壓緊，造成厭氣狀態，使有機質礦化作用減弱，以利於保肥。
簡而言之，有機堆肥的發酵過程實際上就是各種微生物新陳代謝、繁殖的過程。微生物的新陳代謝過程即有機物分解的過程。有機物分解必然會產生能量，這些能量推動了堆肥化進程，使溫度升高，同時還可乾燥溼基質。
許多堆肥用的基質攜帶人類、動植物的病原體，以及令人討厭的生物如雜草種子。在堆肥過程中，通過短時間的持續升溫，可以有效地控制這些生物的生長。因此，高溫堆肥的一個主要優勢就是能夠使人和動植物病原體以及種子失活。
病原體以及種子失活是由於其細胞死亡，而細胞的死亡很大程度上基於酶的熱失活。在適宜的溫度下，酶的失活是可逆的，但在高溫下是不可逆的。在一個很小的溫度範圍內酶的活性部分將迅速降低。如沒有酶的作用，細胞就會失去功能，然後死亡。只有少數幾種酶能夠經受住長時間的高溫。因此，微生物對熱失活非常敏感。
研究表明，在一定溫度下加熱一段時間可以破壞病原體或者是令人討厭的生物體。通常在60-70℃（溼熱）的溫度下，加熱5-10min。可以破壞非芽孢細菌和芽孢細菌的非休眠體的活性。利用加熱滅菌，在70℃條件下加熱30min可以消滅汙泥中的病原體。但在較低溫度下（50-60℃），一些病原菌的滅活則可長達60d。因此堆肥過程中保持60℃以上溫度一段時間是必須的。
堆肥製作過程中，必要時應進行翻堆。一般在堆溫越過高峰開始降溫時進行，翻堆可以使內層外層分解溫度不同的物質重新混合均勻。如溼度不足可補加一些水，促進堆肥均勻腐熟。
堆肥過程中的各種生物、微生物的死亡、更替及物質形態轉化都是同時進行的，上述分塊介紹是從不同角度對堆肥發酵原理進行了簡單介紹，無論是從熱力學、生物學還是物質轉化角度，這些反應都不是幾天或十幾天這麼短時間能夠完成的，這也是為什麼即使各種溫度、溼度、水分、微生物等條件都控制的很好的前提下，堆肥仍要經歷45-60天時間的原因。
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