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堆肥生物学与土壤生态网
- 1. 堆肥微生物和土壤生态网 台灣廚餘堆肥資源化發展協會 譯自美國加州環保局文件 簡介 堆肥是好氧發酵*的一個過程，期間微生物 真菌數量介於每克土壤 1萬和100萬菌落*。目 分解有機物至穩定物質，此物質能改善土壤品 前世界各地已被發現的大約有70,000種真菌， 質與肥力。在堆肥期間，微生物將有機物作為 但估計仍有?一百萬未被發現的種類。生態上， 食物來源，他們劇烈的生長和活動產生熱，二 真菌在分解死亡植物上起著關鍵作用。 氧化碳，水蒸氣，和腐植質*。當混入土壤，腐 植質能促進良好的土壤結構，提高保水、保存 細菌 養分能力，並有助於抑制侵蝕。腐植質大約佔 堆肥中最多的微生物是細菌。雖然每克 堆肥成品的60％。 土壤中往往有超過10億細菌，他們（放線菌除 各種有機物質如庭院修剪的枝葉，糞便， 外）對堆肥的貢獻卻沒有真菌多，因為他們的 廚餘都能作為堆肥材料。 尺寸相對較小。雖然細菌（放線菌例外）不會 此文件第一部分描述堆肥過程和相關的微生物。第 形成菌絲，它們也有助於固定聚集體，因為他 二部分則關於堆肥如何幫助土壤生態和植物健康。 們分泌的化合物能將相鄰的有機物和土壤粒子 連在?一起。細菌通常消化易降解的有機物。他 第一部分：堆肥過程和相關微生物 們在整個堆肥過程中是都是數量佔優勢的種 群，而放線菌和真菌則通常在後期階段才大量 堆肥微生物 繁殖。 來源 放線菌 堆肥需要的微生物存在整個自然環境中。 堆肥原料、水、空氣、土壤，和過程中使用的 雖然放線菌看起來與真菌相似，他們也會 各種機械上都有。這些不同的來源確保微生物 形成纖維束構成的網絡，但他們其實是細菌的 的高度多樣性，有助於在化學和物理環境變動 ?一種。這些纖維束能讓?一個群落的放線菌蔓延 劇烈的堆肥過程中保持活躍的微生物種群，這 至整個堆肥，他們也跟分解較頑固*的有機物相 些變動如pH值、溫度、水分、有機質和養分供 關。 應等。只有在極少數情況下添加微生物會有效 放線菌每克土壤約有10萬至100萬菌落， 果（見“接种堆肥”一節）。 他們的纖維束有助形堆肥成品中常見的有機物 聚集體。放線菌對水分條件比其他細菌寬容， 微生物的類型和需求 且會釋放geosmin，我們聞到潮濕泥土味的來 堆肥中的微生物包括細菌和真菌。由於放 源。 線菌獨特的性質，這裡將其作為第三類微生物 討論，雖然它其實是?一種特殊類型的細菌。大 堆肥過程 多數堆肥微生物是好氧菌，代表他們需要氧氣 堆肥的過程有幾個階段。在不同的階段， 或最好有氧氣存在。 溫度及養分供應量不停變化而影響微生物的種 許多堆肥的問題可歸因到氧氣含量不足， 類和數量。最初，肥堆與環境溫度相同。當微 以致於無法分解堆肥原料。堆肥微生物也需要 生物越加活躍，堆肥材料就漸漸升溫進入所謂 潮濕的環境，因為他們住在有機物顆粒周圍的 的中溫期*（10 - 40℃)。不久，微生物活動產 水膜。50％至60％的含水量是最佳的。 生的熱累積至進入高溫期*（41- 77℃)。這被認 為是堆肥最有生產力的階段。 真菌 嗜中溫和嗜高溫微生物是分別適應中溫及 真菌形成的細絲叫菌絲。真菌菌絲比放線 高溫條件的微生物。堆肥在高溫條件下以更快 菌大，有時可用肉眼看到。他們滲透在堆肥材 的速度進展。最後可迅速分解的原料耗盡，氣 料中，同時以化學和物理方式分解較頑固*的有 溫逐漸回歸到中溫範圍，熟成期就開始了。下 機物，如木質素和纖維素。真菌菌絲將堆肥固 面?一節說明每個階段的微生物。 定成小聚集體，能改善通風和排水。
- 2. 初始阶段 在熟成階段，真菌和放線菌佔主導地位， 運輸和前處理過程中堆肥原料暴露在許多 真菌和放線菌依靠餘下較難分解的有機物如甲 來源的微生物中，他們都可能參加堆肥初始過 殼素，纖維素和木質素繁殖。這些化合物因為 程。最初，適中溫微生物佔主導地位，分解容 不溶於水而難分解，且由於它們的大小和複雜 易降解的醣類，蛋白質，澱粉和脂肪。易於取 性，不能進入細菌的細胞。因此分解這些化合 得的有機物質讓生長最快速的微生物能快速繁 物需要使用細胞外酶.* 殖，也就是細菌。嗜中溫細菌菌因此主宰初始 ?一旦複雜的有機化合物分解成更小，更可 階段的分解。這些細菌分解有機物並釋放熱 溶的形式，它們就可以進入細胞，並成為微生 量。適當大小的堆肥能保溫因此累積並開始提 物的食物和能源。能夠分泌分解這些材料的胞 高堆肥的溫度。幾個小時之內溫度可以上升至 外酶的微生物這時將佔優勢。 高於41℃。 真菌細胞外酶有?一特殊的功能，能分解廣 劇烈發酵階段 泛的各種化合物。真菌雖然生長和繁殖速度沒 當堆肥達到較高的溫度，嗜熱微生物開始 有細菌快，因此非常適合生存在充滿不易分解 主導。劇烈發酵階段中大部分有機物轉化為二 有機物的熟成階段。 氧化碳和腐植質，微生物大量增長。嗜高溫微 生物不斷分解剩餘的有機物並產生更多熱量。 熟成階段所需時間不定，較長的熟成時間 更能保證堆肥沒有病原體和phytotoxins*，如 由於技術的限制，實驗室中只能從嗜熱期 果堆肥未完全熟成（即不安定），它較高的微 中分離少數幾屬細菌群(Bacillus, Clostridium, 生物活性會增加耗氧。施用未完熟堆肥，可能 Thermus)，仍有許多其他微生物未被發現。在 適當通風的肥堆中，溫度能保持在55 -68℃。 降低植物根部的供氧。 人類的病原體，如病毒和傳染性細菌，通常無 此外，未熟成的堆肥可以含有較高量的可 法在如此惡劣的環境存活，這樣的高溫能快速 溶性有機物質（即有機酸），在某些操作會有 分解有機物，同時破壞人類和植物病原體以及 毒性，如育苗。評估堆肥成熟度的詳細信息可 雜草種子。 參考加州綜合廢物管理委員會（CIWMB）出版 由於堆肥的表面溫度較低，定期混合裡外 的：Compost: Matching Performance (翻堆)是滅除病原體和種子必不可少的動作。 Needs with Product Characteristics。 翻堆還有助於增加通風。這也很重要，因為不 在熟成階段，腐植質漸漸增加。腐植質是 通風的堆肥，溫度可能超過71℃，停止所有微 ?一類複雜的化學物質，來自於不完全分解的有 生物的活動，且微生物需要氧氣以有效分解有 機物。 機物。腐植質是自然界中最不易分解的物質。 這也是土壤保留營養物質（如氮，磷）和微量 過熱 元素（如銅，鋅，鐵，錳，鈣）最主要的機 如果堆肥過熱，約超過76℃，大多數微生 制。由於腐植質能很好地保留微量營養素和 物將被消滅，微生物活性將消失。活下來的微 水，他們往往是生物活動最多的地方，包括微 生物通常以孢子型態留存，當堆肥堆回到適合 生物、原生動物、無脊椎動物（例如蚯蚓、蠕 溫度時孢子又會開始生長。 蟲、跳蟲）和植物。 過熱之後，堆肥會冷卻到中溫狀態，嗜中 溫微生物返回活動。如果肥堆中分解的有機物 完熟堆肥中的微生物 質過少，則未必能夠產生足夠的熱重回嗜高溫 堆肥中的微生物及其生態極其多樣又複 期。在這種情況下，可能需要補充額外的原 雜，鑑定堆肥中的個別生物?一般很少實行，且 料，以確保最佳分解與消滅病原。 非常昂貴。通常在實驗室內進行鑑定和計數， 常見如放線菌，好氧菌，厭氧菌，真菌，固氮 熟成階段 菌，或假單胞菌等。 正常運作的堆肥最終將耗盡大多數的易分 專門分析堆肥的實驗室能根據採樣和觀察 解有機物，留下?一些纖維素、木質素和腐殖 提供堆肥中各種微生物的理想數量的參考準 質。細菌通常不太善於代謝這些剩餘的化合 則，DNA分析也提供?一個鑑定堆肥和土壤微生 物。因此，細菌數量將縮減。這時產生較少熱 物的新技術。但是，這種方法還處於起步階 能，溫度會慢慢下降到中溫。當回到中溫條 段，不常用於商業土壤實驗室。 件，最後的熟成階段就開始了。
- 3. 接种堆肥 特定的抑制為有益微生物分泌的化學物質 許多研究人員和公司表示他們可以判斷堆 毒害病原體或當它以病原體為食。許多植物病 肥產品的「健康」，並建議接種微生物以提高 原體含有纖維素或甲殼素（常見於昆蟲和真 其品質和效果。然而，沒有確鑿的證據證明接 菌）。某些堆肥中的微生物，如 種任何特定微生物能改善完熟堆肥的任何特 Gliocladium、Pseudomonas、 性。原生的微生物迅速就能壓制引入的微生 Trichoderma、Streptomycetes等，產生的 物。引進的微生物可能僅只提供原生生物額外 酶能分解這些化合物，在此過程中殺死病原 的營養成分。微生物接種，如果需要的話，可 體。 以在施用堆肥前施加。 堆肥的高溫階段能夠殺死植物人類病原。 這種熱也會殺死某些不耐熱的有益微生物。因 此堆肥若要作為?一種減少植物病原體的手段， 第二部分：堆肥對土壤生態網和植物健康的貢 必須重新生長這些有益微生物。 獻 加州的商業堆肥生產商並沒有接種的習 許多人認為堆肥主要可添加營養素。但是，其 多樣化的微生物結合高量的有機物能提供更為 慣。分析通常證明，有益微生物的重新生長是 自然發生的。然而，?一些研究顯示，以某些已 顯著的好處。 知生物控制劑（真菌和細菌）接種能保證抑制 土壤由多種有機和無機成分構成，相互動態影 病原效果的穩定。 響。生物小至細菌大至昆蟲如蚯蚓，都幫助循 分解污染物 環養分、促進土壤生態網和周圍植物的健康。 好氧發酵且充分熟成的高品質堆肥，可以在幾 熟成的堆肥已證明是?一種減少土壤和水中 有機污染物的有效工具。堆肥生物整治能分解 個方面促進土壤生態和植物的健康。堆肥引入 或轉化許多類型的污染物，包括氯化或未綠化 多種微生物，可能有助於營養物質的循環和控 制病原體。堆肥提供有機質，除了其他各種效 的碳氫化合物、溶劑、農藥、石油製品。堆肥 中的微生物分解這些污染物，轉化為較少環境 用，也可作為各種微生物的食物來源。 影響的的成分。 堆肥帶入有益微生物 堆肥提供有機質來源 當施加進土壤，堆肥便帶入了豐富的有益 土壤有機質可以來自各種來源，包括作物 微生物。正如第?一部分提到，在堆肥過程中植 或植物殘體，覆蓋作物和堆肥。堆肥主要成分 物和人類病原體會被消滅。其餘的有益微生物 為有機質，有機質在土壤中有多種重要功能： 提供土壤和植物數種功能的。 為微生物提供食物 循環養分 幫助土壤釋放營養的細菌和真菌使用有機 氮要被植物吸收，必須處於在無機狀態， 物作為食物和能量來源。因此堆肥提供了微生 如硝酸根（NO3-）或氨根（NH4+）。植物沒 物燃料。堆肥也提供了微生物極好的棲息地。 有能力將有機氮轉化為這些無機狀態。幸運的 是，普遍存在於土壤和堆肥的微生物能將有機 保存養分和水分 氮轉化成無機氮，這個過程稱為礦化。植物可 有機物質透過其陽離子交換量捉住許多營 攝取礦化過程釋放的養分。 養物質。由於堆肥分子帶負電荷，它們吸引並 已經被劇毒農藥如甲基溴(燻寶、燻王，92 捉住帶正電的離子，如鈣，鉀，氨，鎂。 年禁止使用)污染的土壤，可能缺乏這些有益的 增加孔隙度 微生物。堆肥可以幫這些土壤重新接種這些與 有機質增加土壤團粒：?一種像麵包屑?一樣的土 養分循環相關的微生物。 壤結構，因此增加孔隙。孔隙能改善土壤保水 抑制疾病 與透水，因此持續使用堆肥能改善灌溉效率。 堆肥包含了種類驚人的微生物，其中許多 可能有益於的控制病原體。他們通過特定的或 普遍的抑制控制植物病原。 普遍抑制為當有益微生物佔據了病原的生 加州環保局原文網站： 態區位。例如，有益微生物可能搶走病原的能 http://www.calrecycle.ca.gov/ 源、養分、或生存空間，從而減少病原體的生 Publications/Detail.aspx? 存機率。 PublicationID=857
- 4. 延伸資料 Compost: Matching Performance Needs with Product Characteristics, CIWMB Publication #443-00-005. Available from the CIWMB at (916) 341-6300 and also at www.ciwmb.ca.gov/ Publications/Organics/44300005.doc. Composting Reduces Growers’ Concerns About Pathogens, CIWMB Publication #442-00-014. Available from the CIWMB at (916) 341-6300 and also at www.ciwmb.ca.gov/ Publications/Organics/44200014.doc. Persistence and Activity of Pesticides in Composting, CIWMB Publication #442-00-015. Available from the CIWMB at (916) 341-6300 and also at ww w.ciwmb.ca.gov/ Publications/Organics/44200015.doc. Compost Quality Standards, Organic Ag Advisors and BBC Laboratories, Inc. Available from the CIWMB at (916) 341-6300. California Integrated Waste Management Board: www.ciwmb.ca.gov/Organics/ Soil Quality Institute’s Soil Biology Primer, www.statlab.iastate.edu/survey/SQI/ SoilBiologyPrimer/ U.S. EPA’s Bioremediation Fact Sheet, www.epa.gov/epaoswer/non-hw/ compost/ bioremed.pdf BBC Laboratories, Inc., www.bbclabs.com, (480) 967-5931. Soil Foodweb, Inc., www.soilfoodweb.com/, (541) 752-5066.