3.2.4 堆肥腐熟度及其评价指标体系
3.2.4.1 腐熟度定义
腐熟度（maturity）即堆体内的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定化的程度［34］，堆肥产品要达到稳定化、无害化，对环境不产生不良影响，其使用不影响作物的生长和土壤的耕作能力。有机固体废物的堆肥化是借助微生物分解的作用，使废物中能分解的有机物稳定化、腐殖化的过程，这种稳定化程度即堆肥腐熟程度的确定对于堆肥化理论研究、堆肥工艺及设备的设计和评价、堆肥成品品质的控制与分级等都具有重要意义。腐熟度的经验判断可通过产品温度、气味和颜色来直观定性判断，但国内外许多研究人员为了更加科学地评价堆肥腐熟度，在腐熟度判定方面进行深入研究与探讨，并提出了许多判定标准，推动了堆肥研究的发展。一般情况下堆肥腐熟度评价指标分为物理学指标、化学指标和生物学指标三类。Frost Donna Iannotti等［35］认为腐熟度的检测应该包括腐熟程度的检测和稳定程度的检测，腐熟程度的检测主要侧重于堆肥产品后续使用对植物的影响，如水芹植物毒性测试；稳定程度的检测则侧重于生物学性质和微生物活性，如耗氧速率。但是，由于各种评判指标的局限性和不成熟性，导致目前尚未形成统一堆肥腐熟度评定标准。
3.2.4.2 物理评价指标
物理评价指标也称表观分析法，包括温度、气味、颜色等指标。
（1）温度
堆肥过程中堆体温度的动态变化直接反映了微生物活性的变化，一个完整的好氧堆肥过程一般均经历升温、高温和降温3个阶段［12］，虽然堆肥物料不同，但其堆体温度一般从开始的环境温度迅速上升至60～70℃的高温，并在这一水平持续一段时间后逐渐下降。当堆体温度与环境温度趋于一致，不再明显变化时，表明有机质的分解接近完全，有机质已经实现了稳定化，堆肥可被认为已达稳定。但由于堆体为非均相体系，其各个区域的温度分布不均衡，限制了温度作为腐熟度定量指标的应用，但其仍是堆肥过程最重要的常规检测指标之一。
（2）气味
一般情况下，由于有机固体废物中含有大量不稳定物质，所以堆肥原料均不同程度地产生恶臭气体。但是如果堆肥工艺切实可行，不稳定物质将逐渐被降解或转化为稳定的腐殖质类物质，所以随着堆肥的进行，恶臭气味逐渐减弱并在堆肥结束后消失。例如，Chanyasak等［36］对庭院垃圾进行堆肥试验表明，低分子量挥发性脂肪酸是引起不愉快气味的主要成分之一，每次翻堆后以及堆肥结束堆体产生的气体中没有不愉快的气味，并具有潮湿泥土的气息。
（3）颜色
随着堆肥的进行，堆料逐渐发黑，腐熟后的堆肥产品呈黑褐色或黑色，湿透后呈浓茶色，放置1～2d后表面会有白色或灰色的霉菌长出，而未腐熟的堆肥呈浅褐色。通过大量研究，Sugahara等［37］提出了堆肥色度的概念，用下面的回归关系式表示：
γ=（0.388C/N）+8.13（R2=0.749）
式中 γ——响应值（颜色分析值）。
通过试验提出γ值在11～13的堆肥产品是腐熟的，但是这一指标受原始物料成分以及取样的影响，在应用过程中无法得到统一，所以制约了其在实际堆肥腐熟程度评价中的应用。
3.2.4.3 化学指标
（1）固相碳氮比（Cs/Ns）
Cs/Ns是最常用的堆肥腐熟度评价指标之一。大量研究表明，堆肥起始Cs/Ns值在（25︰1）～（30︰1）之间为堆肥的最佳Cs/Ns条件，这有利于微生物的正常生长繁殖和有机物的快速降解。微生物的Cs/Ns在16左右，堆体内微生物在利用有机物的过程中，将一部分碳素用于合成自身繁殖所需的营养成分的同时，将多余的碳素转变成CO2。因此，一些研究者认为，腐熟的堆肥理论上应趋向于微生物菌体的Cs/Ns［38］。但也有研究结论认为，堆体的Cs/Ns从最初的25～30降到20以下时即可认为堆肥已基本腐熟。但由于许多堆肥原料的初始Cs/Ns较低，所以此时Cs/Ns就不适合单独作为堆肥腐熟度评价指标，应该结合堆肥产品的有机成分结构分析，说明堆体内有机物的稳定程度，从而对堆肥的腐熟程度进行判定。
（2）T值［T=（终点Cs/Ns）/（初始Cs/Ns）］
鉴于不同堆肥原料初始Cs/Ns的差异性，难以直接利用堆肥结束时的Cs/Ns作为腐熟度的判定指标，所以研究人员在对起始物料与堆肥产品Cs/Ns研究的基础上提出终点Cs/Ns与初始Cs/Ns的比值可以作为堆肥腐熟程度的判定指标。实际堆肥过程中，随着堆肥腐熟程度的不断增加，T值是不断下降的。Morel等［39］建议采用T值来评价城市垃圾堆肥的腐熟度，并提出当T值小于0.6时堆肥达到腐熟；Vuorinen等［40］认为，腐熟猪粪与稻草混合堆肥的T值应在0.49～0.59之间；Itavaara等［41］的研究则表明，当包装废物堆肥的T值下降到0.53～0.72之间，堆肥即达到腐熟。综上所述，T值可以作为不同物料堆肥的腐熟度评价的重要指标之一。
（3）WSC/WSN（水溶态有机碳/水溶态有机氮）
Chanyasak和Kubota［36］报道称堆肥后WSC/WSN总维持在5～6之间，这与Garcia等［42］的研究结论相一致。研究表明，一般情况下，腐熟堆肥的WSC/WSN为5～7，但由于微生物的分解作用，堆肥基质中的淀粉、脂类、蛋白质和半纤维素等较易分解的物质被转化为水溶性物质，从而造成水溶性氮和水溶性碳的含量增加，然后随着微生物对水溶性物质的优先利用，水溶性氮、水溶性碳呈逐渐降低的趋势，至堆肥结束时水溶性氮、水溶性碳比堆肥起始时有所减少。
（4）水溶性碳/总有机氮
随着堆肥的进行，堆肥物料的水溶性碳/总有机氮存在着下降的趋势。Garcia等［43］报道认为水溶性碳/总有机氮与堆肥时间有较好的相关性，同时Hue［44］通过对17种物料堆肥研究认为，水溶性碳/总有机氮可作为腐熟堆肥很好的指标。稳定的腐熟堆肥水溶性碳/总有机氮之比为0.32，未腐熟堆肥水溶性碳/总有机氮比值为1.1，原始物料的水溶性碳/总有机氮比值为3.0，有关专家建议采用水溶性碳/全有机氮比值为0.70作为堆肥腐熟的一个指标。
3.2.4.4 生物活性指标
反应堆肥腐熟和稳定情况的生物活性指标有呼吸作用、微生物种群和数量、酶学分析、植物毒性指标等。其中较为普遍使用的是呼吸作用指标，即耗氧速率和CO2产生速率。
（1）呼吸作用
在堆肥中，好氧微生物的主要生命活动形式就是在分解有机物的同时消耗O2产生CO2，研究表明，CO2生成速率与耗氧速率具有较好的相关性。微生物好氧速率变化反映了堆肥过程中微生物活性变化，标志着有机物的分解程度和堆肥反应的进行程度，因此，以耗氧速率作为腐熟度标准是符合生物学原理的［45］。但目前的研究只是停留在认为稳定的堆肥其CO2生成速率与耗氧速率均处于较低的水平，而没有明确说明其范围，所以在实际操作中难以定量地反应堆肥的腐熟程度。
（2）微生物种群和数量
在堆肥的不同时期，堆肥的温度不同，微生物的种群和数量也随之发生相应变化，特定的微生物种群和数量的变化也是反映堆肥代谢发生的依据。堆肥初期嗜温菌较为活跃并大量繁殖，当堆肥达到50～60℃时嗜温菌受到抑制甚至死亡，嗜热菌开始大量繁殖。在整个堆肥过程中微生物种群的演替可很好地指示堆肥的腐熟程度。因此用微生物来评价堆肥过程是合适的，特别是可以用它来指示堆肥是否达到稳定阶段或是否已经腐熟，但由于微生物在不同生长环境其数量有很大差异，因而迄今为止尚未能提出评价堆肥腐熟的统一标准，实际堆肥过程中难以进行定量分析。
（3）酶学分析
在堆肥过程中，多种氧化还原酶和水解酶与C、N、P等基础物质代谢密切相关，分析相关酶的活力，可间接反映微生物的代谢活性和酶特定底物的变化情况，从而在一定程度上反映堆肥的腐熟程度。在堆肥复杂系统中，当大量的简单有机化合物已被消耗殆尽时木质素成为微生物群落主要碳源之一，降解木质素的过氧化物酶的活性增加就意味着堆肥稳定性的提高。研究人员通过对畜禽粪便与稻草的混合堆肥研究中发现，堆制一段时间后，堆肥的脱氢酶活性比新鲜物料要高，且在堆制2～3个月后趋于稳定。Fang等［46］采用污泥和粉煤灰进行堆肥试验发现，所有酶活性均随着堆肥时间的推进逐渐下降，β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶和脲酶活性之间具有较好的相关性，但嗜热细菌与酶活性间没有相关性。从酶活性的变化可以了解堆肥的稳定程度，但对于如何利用酶活性作为堆肥腐熟度的评价还需进一步研究。
（4）植物毒性指标
许多植物种子在堆肥原料和未腐熟堆肥萃取液中生长受到抑制，而随着堆肥的进行，这种抑制作用不断降低。因此，堆肥腐熟度可以通过堆肥产品对种子发芽和植物生长的抑制程度进行评价。考虑到堆肥腐熟度的实用意义，植物生长试验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法。发芽指数（GI）是一种常用的评价堆肥腐熟度的指标，可间接表征堆肥中的生物毒性作用，一般认为植物种子的GI变化体现了堆肥毒性的发展趋势，随着堆肥腐熟度的增加，种子的发芽指数不断增加，在堆肥起始阶段，堆肥对种子发芽几乎完全抑制。Garcia等［42］研究发现新鲜污泥几乎完全抑制大麦种子的发芽，而堆肥后却未发现。所以种子发芽实验是堆肥植物毒性的一种直接而又快速的方法。
从理论上讲，GI<100%时，可判断堆肥没有植物毒性，但实际上一般认为发芽指数>50%即表明堆肥产品基本没有毒性，堆肥达到腐熟，如Zueconit等［34］通过研究认为GI>50%时，堆肥对植物已基本没有毒性，堆肥已基本腐熟。通过发芽指数判定堆肥腐熟程度的方法已被意大利政府用作评价有机废物和粪便堆肥腐熟度的标准，而当GI>80%时可认为堆肥已经腐熟了。虽然种子发芽实验被认为是评价堆肥腐熟度最具说服力的方法，但不同植物种类对植物毒性的抵抗能力和适应性存在很大差异。因而，在对堆肥程度进行评定时，结合当地的具体植物种类进行相应的种子发芽实验更为可靠。
3.2.4.5 堆肥腐熟度的综合评价
堆肥腐熟度是反映有机固体废物中有机物降解和生物化学稳定程度的指标，腐熟度判定对堆肥工艺和堆肥产品的质量控制以及堆肥使用后对环境的影响都具有重要意义。国内外对各种物料堆肥腐熟度做过大量研究，提出了各种评定腐熟度的指标与方法。但是中国土壤学会农业化学专业委员会指出堆肥过程是有机物的生化转化过程，由于有机物降解过程的复杂性，单一指标无法全面反映实际堆肥过程的腐熟特征［47］。物理学指标可作为经验判断，定性描述堆肥过程所处状态，但作为唯一指标则缺乏可比性；化学指标可信度比较高，能客观地表征堆肥过程，但单个化学指标评价很难克服因化学指标之间的相互影响而导致的评价偏差；生物学指标可靠性较好，但针对性太强，缺乏普遍性。
采用多种分析方法测定堆肥的多个指标，然后对这些指标进行综合分析，能更加实际地反映出堆肥腐熟状况，同时由于影响堆肥腐熟度的众多因素具有不确定性和模糊性，所以鉴于当前未形成一个合理的腐熟度评价方法，模糊评价法不失为腐熟度评价的一种较好的分析方法。模糊评价法是把模糊数学应用到判别事物和系统优劣领域的方法，所揭示的是客观事物之间差异的中介过渡性引起的划分上的一种不确定性，根据给出的评价标准和实测值，经过模糊变换后对事物或系统做出综合评价［48，49］。
3.2.4.6 荧光光谱学分析技术在腐熟度测定上的应用
有机固体废物好氧堆肥中将形成胡敏酸（humic acid，HA）类、富里酸类（fulvicacid，FA）等物质，堆肥起始阶段HA含量低而FA含量较高，随着堆制过程的推进，FA含量下降或保持不变，而HA含量增加。Chefetz等［50］研究表明，通过堆肥HA逐渐成为腐殖质的主要部分；Sugahara等［51］通过城市生活垃圾堆肥腐殖质组分分析同样证实，HA增加，而FA则呈降低趋势。同时，HA类物质结构的复杂化程度是决定堆肥质量及腐熟度的重要因素之一，堆肥产品培肥土壤后HA类物质对土壤的理化性质及生物学特性具有十分重要的影响，并且会对作物的生长发育产生积极的作用。
由于胡敏酸分子中存在芳香类和酚类等荧光物质，因此采用荧光光谱学分析技术，可实现对有机物质的精细分析，有利于了解碳水化合物的降解和腐殖化进程［52］，一般情况下，堆肥过程中水溶性有机物（DOM）中含有HA，所以DOM的组成与结构的变化较固相组分更能灵敏地反映堆肥腐熟状况［53～57］。虽然堆肥过程中有机物质的光谱特性变化与腐熟度存在相关性，且目前对于利用荧光光谱学分析方法对堆肥腐熟度进行了大量的研究工作［54～57］，但仍然没有形成一套基于光谱学分析方法确定堆肥腐熟度的量化标准，在实际工作中可以将荧光光谱学分析方法和其他指标相结合对腐熟度加以辅助性说明。