全 文 ：农业废弃物分解产生 CO2 的影响因素研究 3
杜　静　林咸永　章永松 3 3
(浙江大学环境与资源学院 ,杭州 310029)
【摘要】　在正交预备试验得出有机废弃物分解产生 CO2 适宜条件的基础上 ,逐一进行单因子试验 ,以获
得利用农业废弃物分解产生的 CO2 进行棚室栽培 CO2 施肥的最适发酵条件. 结果表明 ,利用有机废弃物
(稻草 + 猪粪)生物发酵产生 CO2 的最佳条件分别为 :温度 50 ℃、含水量 70 %、初始 p H 610～710. 初始 C/
N 比因发酵目的不同有较大变化 ,以堆肥为目的时为 30/ 1 ,而以产生 CO2 为目的时 ,则以 40/ 1 为宜. 在 4
个因素中 ,初始 C/ N 比和含水量对 CO2 释放的影响较大 ,其次是温度 ,初始 p H 的影响最小.
关键词 　有机废弃物 　生物降解 　CO2 释放 　C/ N 比 　温度 　含水量 　p H
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 03 - 0501 - 05 　中图分类号 　X71 　文献标识码 　A
Affecting factors of CO2 evolution from biodegradation of agricultural organic wastes. DU Jing ,L IN Xianyong ,
ZHAN G Yongsong ( College of Envi ronmental and Resources Sciences , Zhejiang U niversity , Hangz hou
310029 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (3) :501～505.
On the basis of a preliminary orthogonal design experiment ,from which ,the primary parameters suitable for the
CO2 evolution from bio2degradation of agricultural organic wastes had been obtained ,four single factor experi2
ments were installed in greenhouse to seek the optimal parameters for the CO2 evolution. The results showed that
the optimal parameters for the CO2 evolution from the bio2degradation of rice straw2pig manure mixture were 50
℃,70 % water content and initial p H 6. 0～7. 0. For fermentation ,the optimal initial C/ N ratio of substrate for
cumulative CO2 evolution was 40/ 1 ,but 30/ 1 was better for compost . The effect of the four parameters on CO2
evolution was in the order of C/ N ratio and water content > temperature > p H.
Key words 　Organic wastes , Bio2degradation , CO2 evolution , C/ N ratio , Temperature , Water content , p H.
3 国家重点基础研究发展规划项目 (2002CB410806) 和浙江省自然
科学基金资助项目 (2303465) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 10 收稿 ,2003 - 03 - 12 接受.
1 　引 　　言
随着我国农业的迅猛发展 ,每年都有大量的农
业废弃物产生. 据报道 ,我国各类农作物秸秆的年总
产量达 710 ×108 t 以上 ,但利用率不足 30 %[10 ] ,相
当多的地区 ,每年将大量秸秆就地烧毁 ,使得其中
70 %以上的纤维素、木质素等得不到利用 ,而且燃烧
释放出的有害气体严重污染大气 , 妨碍交通安
全[16 ] . 我国一年的家畜粪尿排放量约有 2014 ×108
t [20 ] . 由于化肥使用省时、简便 ,加之施肥季节性强 ,
在用肥淡季时 ,往往有大量畜禽粪便积压 ,严重污染
了环境. 另一方面 ,温室中 CO2 亏缺问题严重限制
了我国设施园艺事业的发展 ,目前主要采用化学反
应法施 CO2 ,但此法费用高 ,CO2 分布不均 ,持续时
间短[29 ] .
农业废弃物中含有大量的 N 及其它矿质营养
元素 ,有机废弃物好氧发酵过程可产生大量的 CO2
和生物热能. 因此 ,作者试图利用农业有机废弃物好
氧发酵产生 CO2 来开辟棚室栽培的 CO2 肥源. 这样
既可解决大量有机废弃物对环境的污染 ,又能改善
棚室栽培条件. 以往对有机肥发酵条件进行了大量
研究[11 ,28 ] . 但因两者的目的有所不同 ,其发酵的适
宜条件也会有所不同. 此外 ,以往对发酵最佳条件的
摸索往往直接采用单因子试验 ,很少考虑各因子间
的交互作用. 因而得出的最佳条件与实际情况有较
大偏差. 本文主要针对影响 CO2 发酵的几个关键条
件如 C/ N 比、温度、水分、p H 等 ,在通过正交预备试
验大致得出各种适宜条件的基础上 ,以此为依据控
制其余条件 ,逐一进行单因子试验 ,以获得利用农用
有机废弃物进行 CO2 发酵的最适条件.
2 　材料与方法
211 　试验材料
本研究所用材料主要为稻草 (取自本校农场)和猪粪 (取
自本校动物科学院畜牧场) . 试验前均已经过自然风干、除
杂、粉碎处理. 并测定出各自的全 C、全 N 及含水量 (表 1) .
212 　试验设计
前期正交预备试验得出适宜有机废弃物 CO2 发酵大
致条件 :温度为40 ℃、含水量为80 %、C/ N比40 、初始p H
应 用 生 态 学 报 　2004 年 3 月 　第 15 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2004 ,15 (3)∶501～505
表 1 　供试有机废弃物碳、氮含量及 C/ N比
Table 1 Contents of C, N and C/ N ratio of organic wastes used in the
experiment
C
(mg·g - 1)
N
(mg·g - 1)
C/ N H2O
( %)
稻草 Rice straw 365 918 3711 719
猪粪 Pig feces 331 3918 6168 819
710. 以此作为控制条件分别进行温度、C/ N 比、含水量、初始
p H 对 CO2 释放量影响的单因子试验 ,每个处理设 3 个重复.
1)温度对 CO2 释放量的影响 :培养温度共设 30、35、40、
45、50 和 55 ℃6 个水平. 调节发酵基质的初始 C/ N 比为 40 ,
初始 p H 710 ,含水量为 80 %.
2) 含水量对 CO2 释放量的影响 : 含水量共设 65 % ,
70 % ,75 % ,80 % ,85 %和 90 %6 个水平. 调节发酵基质的初
始 C/ N 比为 40 ,初始 p H 710 ,培养温度为 40 ℃.
3)初始 C/ N 比对 CO2释放量的影响 :初始 C/ N 比共设
25∶1 ,30∶1 ,35∶1 ,40∶1 ,45∶1 ,50∶1 6 个水平. 调节发酵基质
初始 p H 710 ,含水量为 80 % ,培养温度为 40 ℃.
4)初始 p H 对 CO2释放量的影响 :初始 p H 分别设 510、
515、610、615、710 和 715 6 个水平. 调节发酵基质的初始 C/
N 比为 40 ,含水量为 80 % ,培养温度为 40 ℃.
上述 4 组试验均以 5 g 稻草 ,015 g 猪粪作为发酵基质 ,
以硫酸铵 ,纤维素粉作为填充剂 ,调节 C/ N 比. 以磷酸缓冲
液调节初始 p H ,在恒温箱内培养 35 d ,每日测定 CO2 释放
量 ,最终确定各因子的最适条件.
213 　测定方法
实验通过 NaOH 溶液吸收发酵释放的 CO2 ,以石泽
法[15 ]测定不同处理 CO2 的每日释放量.
3 　结果与讨论
311 　温度对 CO2 释放的影响
在有机肥堆肥试验中 ,通常以培养期间 CO2 累
计释放量和 CO22C 累积释放量占基质总 C 百分比
两种方法来表示堆肥的发酵程度. 分别这按两种方
法计算得到温度对 CO2 累积释放量影响的结果 (图
1) . 温度对 CO2 最终释放量影响的次序为 :50 ℃>
55 ℃> 45 ℃> 40 ℃> 35 ℃> 30 ℃,并且两种不同
表示方法之间没有区别. 由图 1 可以看出 ,在培养的
前 5 d ,各处理间的 CO2 释放量几乎没什么差异 ,这
可能与发酵前期主要以降解易分解有机物为主有
关 ,因为不管是嗜温微生物还是嗜热微生物都能分
解这些有机物. 此后 ,随着易分解有机物的消耗 ,不
同温度处理间的差异开始变大 ,高温处理开始明显
优于中温处理. 这是因为此期间开始依靠降解半纤
维素、纤维素、木质素等复杂有机物 ,而这些复杂有
机物的降解主要依赖嗜热性微生物的繁殖与活
动[18 ,21 ,25 ] . 在前 3 周培养期间 ,55 ℃处理的 CO2 释
放量略高于 50 ℃,但此后 50 ℃处理曾开始明显高
于 55 ℃处理 ,到培养结束时 ,前者的 CO2 释放累积
量比后者高出了 915 %. 这表明 50 ℃更有利于嗜热
性微生物的繁殖与生长以及对有机物的降解 ,与
Rosenberg[17 ]和 Tuomela 等[24 ]的结果相一致. 他们
发现 ,分解木质素以 50 ℃最好 ,当温度升至 55 ℃以
上时 (58 ℃) ,对木质素分解的效果还不如 35 ℃时
好. Tomati 等[23 ]也得出类似结果 ,当堆肥温度保持
在 50 ℃时的效果最好 ,70 %的木质素可被降解. 然
而 ,不同研究者得出的最佳温度不同. Waksman
等[26 ]采用马粪和小麦秸秆进行堆肥的最佳温度是
65 ℃. Schulze[19 ]认为 ,采用城市垃圾堆肥时 ,直至
70 ℃耗氧量与温度之间仍存在着很好的线性关系.
Bach 等[1 ]发现 ,从 CO2 释放来看 ,适合污水污泥堆
肥的最佳温度是 60 ℃左右. 同样 ,Nakasaki 等[13 ]的
结论是 ,根据 CO2 总释放量和挥发性物质的最终转
化情况来看 ,60 ℃为最佳 ,而从 CO2 释放速率来看 ,
70 ℃时最高. Golueke[4 ]则认为 ,堆肥的最佳温度并
不是某一温度 ,而是一个较宽的范围 ,应在 35～55
℃,因为有许多不同种类的微生物参与有机物质的
分解 ,而这些微生物对温度的要求是不同的. 由此看
来 ,最佳温度应与堆肥所用的材料以及所采用的评
判方法有关.
图 1 　温度对 CO2 累积释放量的影响
Fig. 1 Effect of incubation temperature on cumulative CO2 evolved.
312 　水分含量对 CO2 释放的影响
由图 2 可以看出 ,水分含量对 CO2 最终释放量
影响的次序分别为 : 70 % > 75 % > 65 %和 80 % µ
85 % > 90 % ,两种不同表示方法之间没有区别. 在整
205 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
个培养期间 ,均以 70 %含水量处理的 CO2 累积释放
量为最高. 水分是一个重要的物理因素[6 ,4 ] ,在污泥
堆肥中起着决定性作用[9 ] . 由于水分既参与有机物
的溶解和微生物的新陈代谢 ,又通过蒸发带走热量
对堆温起调节作用. 且水分的多寡直接关系到氧的
供应. 因此 ,含水量对堆肥过程有极大的影响 ,含水
率不宜超过 80 %[27 ] . 一般认为 ,堆肥的初始含水率
应在 50 %～60 %[5 ,6 ,22 ] . Tiquia 等[22 ]认为 ,当含水
率达到 70 %时 ,将降低微生物的活性和生物量. 由
此看来 ,适合于一般堆肥的最佳含水量与以发酵产
生 CO2 为目的的堆肥最佳含水量有一定差异 ,这很
可能是由基质成分不同引起的. 在常规堆肥 (特别是
利用污泥和垃圾等)中 ,基质中常含有一定量的泥土
等物质 ,相对持水能力差 ,含水量高时极易影响通透
性. 而使用的纯稻草和猪粪几乎全为有机物质 ,比较
疏松 ,持水能力和通透性较好 ,故要求的最佳含水量
较高.
图 2 　含水量对 CO2 累积释放量的影响
Fig. 2 Effect of water content on cumulative CO2 evolved.
313 　初始 C/ N 比对 CO2 释放的影响
由图 3 可见 ,两种不同计算方法得出的结果有
较大的差别. 若以 CO2 最终释放量进行排序 ,其次
序为 C/ N 比 40/ 1 > 30/ 1、45/ 1、35/ 1、25/ 1 µ 50/ 1 ;
而以 CO22C 累积释放量占基质总 C 百分比行排序 ,
其次序则为 :C/ N 比 30/ 1 > 25/ 1、35/ 1、40/ 1 > 45/ 1µ 50/ 1. 也就是说 ,以前一种方式表示时 ,最佳的初
始 C/ N 比较高 ,且适宜的 C/ N 比范围相对较宽
(25/ 1～45/ 1) ,而以后一种方式表示时 ,最佳的初始
C/ N 比要低一些 ,适宜的 C/ N 比范围相对要窄 (25/
1～40/ 1) . 在堆肥试验中 ,一般以后一种方式来确定
最佳 C/ N 比 ,本实验得出的最佳 C/ N 比为 30/ 1 与
大多数堆肥试验结果完全一致. 从堆肥角度来看 ,微
生物生长需要碳源 ,蛋白质合成需要氮源 ,微生物合
成一份蛋白质大约需要 30 份 C ,故 C/ N 比为 30 是
理想的[3 ,14 ] . 当 C/ N 比高于 35 时 ,微生物必须经过
多次生命循环 ,氧化掉过量的 C ,直至达到一个合适
的 C/ N 比供其进行新陈代谢[7 ] . 因此 ,从我们通过
有机废弃物生物降解获得 CO2 进行棚室 CO2 施肥
的初衷来看 ,适当调高堆料初始 C/ N 比 ,通过微生
物调节 C/ N 比过程释放出较多的 CO2 可能是行之
有效的. 因此 ,以此为目的进行堆肥获取 CO2 时 ,采
用前一种方法计算获得的最佳 C/ N 比为 40/ 1 应该
是合适的. 这说明进行不同目的堆肥时 ,其各种最佳
条件可能会有所不同.
图 3 　初始 C/ N 比对 CO2 累积释放量的影响
Fig. 3 Effect of initial C/ N ratio of substrate on cumulative CO2 evolved.
314 　初始 p H 对 CO2 释放的影响
根据本试验得出的有利于有机废弃物降解释放
CO2 的最适 p H 排序为 710 > 615、610 > 515、510 µ
715 (图 4) . 有关堆料初始 p H 对堆肥的影响 ,不同研
究者提出了不同看法. 一般来讲 ,p H 值在 3～12 之
间都可以进行堆肥[7 ] . 但 Nakasaki 等[12 ]在研究控
制 p H 对垃圾堆肥的影响时发现 ,在垃圾堆肥初期 ,
控制 p H 值能极大地加快反应速率 ,微生物生长速
率和蛋白质分解速率在 p H 7～8 时为最佳 ,而葡萄
糖分解速率在 p H 6～9 时为最佳. 当 p H 值控制在 5
时 ,葡萄糖和蛋白质的降解会停止. 因而 ,低的 p H
值有时会严重地抑制堆肥反应的进行. 故在堆腐垃
3053 期 　　　　　　　　　　　　　杜 　静等 :农业废弃物分解产生 CO2 的影响因素研究 　　　　　　　　　　　
圾时 ,p H 值控制在 8 左右可以显著提高堆肥初期的
反应速度 ,可以极大地缩短堆肥达到高温所要求的
时间. 从微生物活动角度考虑 ,一般微生物最适宜的
p H值是中性或微碱性 ,故 p H 值在 615～715 时是
好氧堆肥中大多数微生物活动的最佳范围 ,真菌活
动的最佳 p H 值为 515～8. 根据美国环保局的规
定[2 ] ,污泥和调理剂混合物的 p H 应在 6～9 之间.
但 Lei 等[8 ]通过测定耗 O2 时提出 ,调节初始 p H 对
有机物分解影响并不明显. 魏源送等[27 ]认为 ,在正
常污泥堆肥过程中 ,堆料的 p H 都有在高温期上升、
后熟阶段趋于中性的特点. 故在污泥堆肥过程中 ,没
有必要对堆料的 p H 进行调整. 然而 ,从我们的试验
来看 ,当 p H 超过 7 时 ,则显著地降低了 CO2 释放
量 ,可能是由于微生物呼吸释放的 CO2 又被碱性基
质吸收引起的. 因此 ,在以通过有机废弃物堆肥获得
CO2 进行棚室 CO2 施肥为目的时 ,堆料的 p H 应该
控制在微酸性至中性 (p H 6～7)为佳.
图 4 　初始 p H 对 CO2 累积释放量的影响
Fig. 4 Effect of initial p H of substrate on cumulative CO2 evolved.
　　从上述 4 个不同因素对有机废弃物生物降解
CO2 释放影响的试验中可以发现 ,其 CO2 累积释放
量随培养期的变化均呈现为二阶曲线形式 ,尤其是
以 C/ N 比试验更为明显. 在培养期的第 1 周 ,CO2
释放较快 ,之后 ,大约有 4～5 d 的缓慢释放期 ,然后
又进入第 2 个高峰. 出现这一现象的原因应与发酵
过程中微生物的繁殖和基质成分的转化有关 ,在培
养初期 ,基质中的可溶性易分解有机物首先被微生
物利用和降解 ,从而出现了第 1 个 CO2 释放高峰 ;
随着这部分有机物的消耗 ,CO2 的释放也开始变缓 ;
经过一段时间 (4～5 d) 的微生物繁殖 ,嗜热微生物
开始对半纤维素、纤维素、木质素等复杂有机物起降
解作用[18 ,25 ] ,又开始出现 CO2 释放的第 2 个高峰.
从 C/ N 比对 CO2 释放影响试验结果中可以发
现 ,当采用 CO2 累计释放量进行比较时得出的最佳
C/ N 比为 40/ 1 ,而以 CO22C 累积释放量占基质总 C
百分比进行比较时得出的最佳 C/ N 比为 30/ 1. 然
而 ,这一现象在其他几个因素试验中均没有出现. 这
主要是由在 C/ N 比试验中各处理基质中的总 C 量
不同引起的. 尽管在以 CO2 累计释放量计算时 C/ N
比为 40/ 1 的 CO2 释放量在所有处理中最高 ,但当
以 CO22C 累积释放量占基质总 C 百分比计算时 ,因
C/ N 比为 40/ 1 处理基质中的总 C 量比 30/ 1 处理
多得多 ,故得出的结论是 C/ N 比为 30/ 1 的要比 40/
1 为好. 因此 ,分别得出这两种不同结论并不矛盾.
具体采用那种方法计算为好 ,可根据不同情况而定.
如在研究 C/ N 比对有机物中有机 C 的 CO2 转化率
以及堆肥腐熟度影响时 ,应以 CO22C 累积释放量占
基质总 C 百分比来评价为宜 ;而在注重 CO2 释放总
量和释放速率 ,不考虑基质利用率的情况下 ,则可采
用以 CO2 累计释放量计算得出的 C/ N 比.
通过比较 4 个不同因素对有机废弃物发酵释放
CO2 的影响作用大小可以发现 ,在各处理的不同试
验水平内 ,若以 CO22C 累积释放量占基质总 C 百分
比计算 ,各因素的影响作用大小依次为 C/ N 比、含
水量、温度和 p H ;若以 CO2 累计释放量计算 ,则次
序为含水量、C/ N 比、温度和 p H. 说明初始 C/ N 比
和含水量是关键因素 ,其次是温度 ,初始 p H 的影响
最小.
根据本试验得出的有利于有机废弃物 (稻草 +
猪粪)生物发酵产生 CO2 的最佳条件分别为温度 50
℃、含水量 70 %、初始 C/ N 比 30/ 1 (堆肥为目的) 或
40/ 1 (产生 CO2 为目的) 、p H 610～710.
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作者简介 　杜 　静 ,女 ,1976 年生 ,硕士生 ,主要从事植物营
养、农业生态方面的研究 , 发表论文 3 篇. Tel : 05712
86971147 ,E2mail :doudou 511 @163. com
5053 期 　　　　　　　　　　　　　杜 　静等 :农业废弃物分解产生 CO2 的影响因素研究