崔砢
台湾明志科技大學環安衛系助理教授
前言
鑑於化學肥料和農藥被大量的使用，造成食品的安全受到疑慮，再加上世人對永續發展的日益重視，使得有機農業的推廣，愈來愈受到國人的歡迎。根據農委會的定義：「有機農業是遵守自然資源循環永續利用原則，不允許使用合成化學物質，強調水土資源保育與生態平衡之管理系統，並達到生產自然安全農產品目標之農業。」為了維持土壤的肥力，有機農業採用了堆肥、綠肥、或輪耕等方式，以提高有機生產的產值。雖然這些有機農業技術都已有相當的歷史，但是其中的堆肥法是直到20世紀，才隨著科學技術的發展與對微生物系統的更加瞭解，漸漸地成為一門有系統的學科，而可以藉由工程的方法加以控制堆肥的過程與品質（李和張，2005）。
不當堆肥 恐有害農作物
堆肥雖然可提高土壤的肥力，然而，堆肥法也是一種常被用來作為固體廢棄物處理的一種
方法。雖然許多固體廢棄物可藉由堆肥法進行回收再利用，但若堆肥的原物料或操作製程有所不當，所生產出來的堆肥，卻仍有可能對農作物的生長與人體的健康，帶來負面的影響。
因此，本篇文章主要是針對堆肥程序應注意的事項，作一概略的整理；同時也將針對一些非主流的有機農業耕種方式，作一簡單的討論。
堆肥資材與主要操作因子
堆 肥的原料包括從成分多樣的城市垃圾、污泥、廚餘，到組成較為單一的農林廢棄物、禽畜糞便、以及食品加工廢棄物等。這些原料組成，有些具有大量的纖維素與木 質素、有些具有高的含水率、有些含有致病的蟲卵和細菌、有些則含有過高的有害重金屬，所以針對不同的堆肥質材，需加入不同的添加物，以提高堆肥的速度與品 質。堆肥過程中所加入的的添加物可包含：調理劑以增加質材的膨鬆度與通氣性，同時也可調整質材的C/N比；營養添加劑（或稱起爆劑，starter）如易分解的糖類或營養源，以增加堆肥剛開始的活性；接種劑以提高初期物料中高效微生物的總數；pH調節劑以維持堆肥過程的pH值；重金屬頓化劑以減少堆肥中可交換態的重金屬含量（柴等，2005）。
堆肥製備的方法，可依堆肥設備型式的不同，分類為簡易堆積發酵法與攪拌送風發酵法（陳文卿，2001）。簡易堆積發酵法有可細分為堆肥舍、簡易發酵槽、堆肥盤、只通風但不攪拌的箱型發酵設備。攪拌送風發酵法則可進一步細分為鐵剷式與風道式的堆積式堆肥設備，與鏟斗式、螺旋鑽式、多段旋漿式、移動板式、儲倉式等型的機械式翻堆設備（經濟部工業局，民86年）。
而根據作用微生物對氧氣的要求的不同，則可分為好氧的高溫堆肥與厭氧堆肥法（曾等，2005）。雖然最早的科學化堆肥方式，是採用厭氧的印多爾程序 (Indore Process)，將堆肥資材堆成1.5 m高的土堆，隔數月才翻堆1～2次；然而，由於好氧堆肥法可加速微生物的生長，提高廢棄物降解的速度，進而在高溫下消滅原物料中的致病菌及雜草種子，所以近年來的堆肥方式，還是以好氧堆肥為主，在有些地區如歐盟，甚至規定堆肥化過程僅限定於好氧堆肥。
好氧堆肥關鍵因素 通風供氣
通風供氣是好氧堆肥的重要因素之一，其主要的目的，除了提供足夠的氧氣以提高好氧微生物的活性外，也可藉由供氣量的控制，以進行堆肥過程中溫度的調控（李和張，2005）。在堆肥過程初期，中溫菌微生物分解有機物而釋放出熱量，這些熱量使堆肥溫度上升。當溫度上升到50～65°C時，中溫菌受到抑制，嗜熱菌大量的繁殖並造成溫度的明顯提高，使堆肥發酵直接由中溫進入高溫，也正是在這一個溫度範圍內，堆肥中的寄生蟲與病原菌被殺死。然而高溫堆肥的溫度，一般是建議不要超過60°C，因為溫度過高會過渡消耗有機質，降低堆肥的品質。此外，過高的溫度也會促成微生物進入孢子階段，而會降低微生物的活性。為了避免堆肥的溫度過高，可藉由適當的通風供氣與添加水量，以調整堆肥中的溫度。
微生物需要從周圍環境中不斷吸收水分以維持其生長代謝活動，且微生物只能攝取溶解性養分，所以如何控制適當的含水率，是決定好氧堆肥過程中，有機物分解速率及微生物生長繁殖的重要關鍵因素之一。理論上理想的水分含量應接近100％（李和張，2005），但是含水率過高，會造成原料被緊縮或其內部游離空隙被水分填充，而影響空氣的擴散，造成有機物供氧不足而出現厭氧的狀態；且含水率過高，會造成堆肥發酵所產生的熱量，多半消耗於水分的蒸發，而無法達到高溫堆肥的要求。根據大量的研究結果顯示，堆肥中最合適的含水率約在50％～60％為最好，不過在控制含水率的過程中，需注意原物料本身的含水率，以及原物料的顆粒大小與孔隙度，決定是否需要加入額外的調理膨鬆劑，以維持堆肥堆結構的完整性與多孔性。
適合堆肥揮發性物質含量介於20％～80％
堆肥過程是一個利用微生物降解有機物的生物化學過程，在一般的堆肥過程中，有機物變化或降解總是遵循著下列規則：可溶性的有機物質如糖類常是優先被降解，然後是蛋白質的降解、纖維素等物質的降解往往是逐步完成的（柴等，2005）。 對於一般的生物化學反應，反應物濃度越高通常越有利於反應過程的進行，但由於大分子的有機物，如纖維素等物質，不易被微生物直接利用，所以總是需先將其經 由微生物的作用，轉化成揮發性的小分子，而揮發性物質含量的多少、成分的變化情形均會對堆肥過程產生一定的影響。一般而言，在高溫好氧堆肥中，適合堆肥的 揮發性物質含量一般在20％～80％（李和張，2005）。當揮發性物質含量低於20％時，由於受揮發性物質的限制，堆肥化過程不能產生足夠的熱量以提高堆層的溫度而無害化，同時無法提高微生物的活性，限制堆肥微生物的生長繁殖。當堆肥揮發性物質含量高於80％時，由於高濃度的揮發性物質在堆肥過程中，常常無法達到足夠的氧氣而會產生惡臭，也不能使好氧高溫堆肥過程順利的進行。
微生物的新陳代謝和細胞物質的合成中，需要大量的營養元素和微量元素，如碳、氮、磷、鉀、鈷、錳、鎂、銅、鈣等，其中又以碳、氮最為重要，所以肥物料碳氮比的變化，在堆肥過程中有特殊的意義（李和張，2005）。碳在微生物新陳代謝過程中，被用來作為能量與生物質量的主要來源，其中約有2/3變成二氧化碳而被消耗掉，1/3用於細胞的合成；氮則主要用於細胞原生質的合成。根據微生物的生物化學平均計算而言，微生物每合成一份碳素的生物質量，需約消耗掉四份碳素作為能量來源 (Haug, 1993)。好氧微生物生物體內的碳氮比為(4~5)：1，故合成這樣的生物體，需再利用掉16～20碳素來作為提供能量的來源，故細菌生長繁殖時，堆肥組成的最佳碳氮比是(20~25)：1。如果堆肥原料中的碳氮比操過40：1，所需要的氮素原料相對缺乏，細菌和其他微生物的發展受到限制，有機物的分解速度就慢，堆肥發酵過程就長。若碳氮比低於20：1，可供消耗的碳素少，氮素養料相對過剩，則氮將變成氨態氮而揮發，導致氮元素大量損失而降低肥效。
堆肥腐熟度指標
堆肥產品要達到穩定化，才能被認為無害化的堆肥過程已告完成，其判定的標準就是腐熟度。根據Golueke (1877)之定義，堆肥化為在人為控制的情況下，將固體廢棄物經由生物分解反應，使其中的有機物分解為對環境不產生負面影響的固定、無害之成分，而適於處理、儲存、或施用於農地。如果堆肥未完全腐熟，將過高碳氮比的堆肥施灑到田間，會造成土壤氮飢渴的現象 (Inbar et al., 1990)；而碳氮比過低，則會產生氨毒性。此外，未腐熟的堆肥施入田間，也會由於好氧微生物的劇烈作用，消耗土壤中的氧氣，導致土壤呈現厭氧狀態，造成土壤中產生有害的有機酸及還原態NH3與H2S，影響植物的正常生長（柴等，2005）。因此，堆肥的腐熟度問題對堆肥的品質至為重要。
儘管堆肥腐熟度的研究，已有廣泛的討論，但由於堆肥原料與製作發誓會有很大的差異性，所以欲僅以一個參數作為堆肥穩定化的指標，事實上是不太可能的（沈和王，民83年）。一般而言，堆肥腐熟度的判斷標準，可分為物理方法、化學方法、光譜分析法，以及生物評價指標四大類（李和張，2005）。物理性指標的判斷標準包含了堆肥的溫度、氣味、色度、光學特性、與電導度等，不過這些方法通常都只是初步的判斷標準，很難作為一種腐熟度定量指標的運用（柴等，2005）。近年來，也有學者利用熱分析的方法，來判斷堆肥的腐熟度(Pietro and Paola et al., 2004; Parsi et al., 2007)。雖然熱分析的方法，可明顯看出堆肥在不同腐熟階段，有不同的熱重分析圖譜，且與化學分析法的腐熟度分析結果相吻合，但由於實驗只針對同一種堆肥在腐熟過程中的熱穩定性比較，目前尚難做為其它種堆肥腐熟度的判斷指標。
化學性指標包含了pH值、揮發性固體含量、固相或液相的碳氮比、陽離子交換量、二氧化碳釋放量、水溶性有機酸含量、水溶性糖含量、生化需養量、有機質腐植化程度、生物可降解指數、及銨的含量等判斷標準（李和張，2005），其中又以有機質腐植化程度指標，被探討的最多(Tsui, 2004) 。在探討堆肥腐熟度的有機質組成，主要是根據腐植酸(Humic Acid; HA)、黃酸(Fulvic Acid; FA)和腐植質(Humic Substance; HS)等三大部分的變化進行探討，其中HA溶於鹼不溶於酸，FA溶於鹼也溶於酸，HS則不溶於鹼也不溶於酸。Chefetz et al. (1996)指出，城市固體廢物(MSW)的HS量在堆肥過程中基本上變化不大，而HA的含量會增加，直至腐熟穩定階段，而FA含量在堆肥過程中下降；在單獨的牛糞堆肥中，HS和HA的含量隨堆肥時間顯著增加 (Inbar et al., 1990)，FA的含量則幾乎不變。以上兩個研究的比較結果顯示，原料材料類型對於腐植質化過程有重要的影響。一般而言，有機質腐植化程度可通過以下三個參數來表示：腐植化指數(HI＝HA/FA)、腐植化率(HR=HA/FF，其中FF=FA+NHF，NHF為未腐植化有機物含量)、及腐植酸的百分率(HP=HA*100/HS)，這些值通常都會隨堆肥的腐熟時間而增加，但是並沒有一個值可以當作是堆肥完全腐熟的絕對判斷標準。
由於通常無法藉由化學分析對腐熟度的參數和指標進行統一，所以有些學者利用光譜分析的方法，來判斷堆肥的腐熟度。最常使用的光譜分析法為13C-核磁共振光譜法和紅外光譜法（李和張，2005）。紅外光譜法可以提供有關特徵官能基變化的情形，而13C-NMR光譜法則能提供有機分子骨架的訊息。Inbar et al. (1989)對牛糞堆肥進行了13C-NMR光譜分析，把含碳的官能基團分為九個官能基團組，實驗結果顯示，代表大部分份糖類的50～112區域訊號，隨著堆肥的時間而有明顯降低的情形，而代表苯酚的145～163區域，則有增加的趨勢。Chefetz et al. (1996)將13C-NMR光譜圖分為五個區域，同樣發現代表糖類的50～112區域訊號，有隨堆肥時間增加而減少的情形，112～163芳香族碳和苯酚的訊號，則隨堆肥時間的增加而增加。此外，Chefetz et al. (1996)也利用紅外光譜圖顯示，在堆肥過程中，脂肪區顯著降低，而芳香族區則有增加的趨勢。然而，比較Inbar和Chefetz的數據顯示，並無一個絕對的判斷標準，認為50～112糖類的訊號降低多少，可代表堆肥已達到腐熟穩定階段。因此，利用光譜法以判斷堆肥腐熟度，還有待更進一步的研究。
種子發芽試驗試測定堆肥植物毒性，一種直接而又快速的方法（柴等，2005）。植物在為腐熟的堆肥中成長受到抑制，在腐熟的堆肥中生長得到促進。一般利用植物的發芽率和根長計算發芽指數(GI)，其定義為：
而當GI值達到80％以上時，堆肥就可以被認為是沒有植物毒性或說堆肥已經腐熟了。但是，GI值 低有可能不是由於腐熟度低所造成的，因為氮的缺乏與鹽分含量也有可能會影響發芽率，而不同植物種子所做出來的發芽指數也可能不盡相同。此外，有些學者指 出，堆肥的穩定性不一定代表植物生長的可能性，所以植物生長評價只能做為堆肥腐熟度評價的一個輔助指標，並不能做為唯一的指標，而是需要採用多種植物的發 芽率來確定堆肥的腐熟度。
堆肥化可降解有機廢棄物而將其轉化為腐植質的過程，使用堆肥可改善土壤品質。然而在堆肥過程中，有機物質的體積縮小為原來的50％～70％，若堆肥原料中含有不能分解的重金屬，則堆肥成品的重金屬含量，就會出現濃縮累積的現象，而有可能造成對植物和人畜的危害。因此，許多學者都針對重金屬含量與物種，在堆肥過程中隨時間變化的進行，做了研究探討（曾等，2006）。
Tessler et al. (1979)將土壤中的重金屬離子，劃分為下列五種型態：（1）水溶態即可交換態，（2）碳酸鹽結合態，（3）鐵錳氧化態，（4）有機結合態，（5）殘留態。並透過一系列的操作程序，將以上五種型態的重金屬依序的萃取出來，這種萃取順序是由較易溶淋的金屬離子到結合比較牢固的重金屬。不過由於不同學者所採用的提取方法不盡相同，也導致了重金屬在堆肥中的預定型態不同。一般來說，堆肥中的重金屬存在型態可分為：水溶態(H2O可萃取），交換態(CaCl2, MgCl2, KNO3, NaOAC等萃取)，有機結合態(Na4P2O7或H2O2萃取)，碳酸鹽和硫化物結合態(EDTA或DTPA等萃取)及殘留態(HNO3, HF, HClO4或混合強酸提取)等（曾等，2006）。通常研究中對第一種和第二種的重金屬離子最為關注，這是因為這兩種形式的重金屬，與生物有效性有關(Mitra et al., 2003)。
胡天覺（2004） 研究了添加重金屬鉛對好氧垃圾堆肥的影響，實驗結果顯示，隨著鉛離子投加量的增加，堆肥過程變慢，有機質降解率減小，堆肥產量品質下降。分析造成腐熟度降 低直接的原因，主要是由於微生物活性隨鉛添加量增加而有減少的趨勢，不過此抑制現像，主要發生在堆肥初期，隨著堆肥的進行，鉛離子與有機質結合，毒性降 低，所以經較長時間後，堆肥仍然能夠達到腐熟。胡天覺（2004）接著在三組堆肥中，分別加入100、200、300mg/kg的鉛離子，並測試各型態的鉛隨時間變化的情形。實驗結果顯示，前兩組處理的堆肥中（加入100、200 mg/kg的鉛離子），堆肥從第4天開始，堆肥中水溶態和可交換態的鉛離子含量，就已降到一較低的值，且在整個堆肥過程中所佔比例均保持在9％～11％左右，變化程度較小；當堆肥中加入300mg/kg的鉛離子，水溶態和可交換態的鉛含量比例超過35％。只結果說明，當鉛的含量大於一定值後，將超過堆肥的吸附能力而使得重金屬以大量的游離態形式存在。
強制通風加翻堆 有助降重金屬活性
堆肥中重金屬型態隨著堆肥化條件的變化有明顯的不同，但由於不同研究所使用的原料、堆肥方法及堆置時間的不同，所得的結果也不太一致。黃國鋒等（2004）研究不同堆肥原料對豬糞混合堆肥重金屬型態的影響及機制，結果顯示，堆肥過程中加入木糠或樹葉，會稀釋豬糞中的重金屬含量，不過經堆肥後，重金屬的含量會比剛開始時有所增加，主要是由於水分散失，揮發性物質散失，以及堆肥體積變小而引起堆料中重金屬濃縮所致。樹葉/豬糞堆肥中的DTPA-Cu, DTPA-Zn, DTPA-Pb濃度，大於木糠/豬糞堆肥中的DTPA-Cu, DTPA-Zn, DTPA-Pb濃度，顯示不同的添加材會影響重金屬的溶出。此外，強制通風加翻堆的方法，也較單獨翻堆的方法，更能減少DTPA萃取金屬的含量。這些結果顯示，加入樹葉於堆肥中，以及強制通風結合翻堆，有助於降低豬糞堆肥中重金屬的活性。堆肥後，Cu主要以有機態與殘留態的形式存在，Zn則以Fe-Mn氧化態及殘留態的形式存在，而Cu跟Zn的可交換分配比例均明顯減少，顯示堆肥可減少重金屬的生物有效性。
在探討堆肥對植物體內累積重金屬含量的研究上，郭和黃(1992)分別將0、10、15、20、25、30 t/ha六個級數的牛糞廄肥施於受鎘污染的土壤，結果顯示，施用不同量之牛糞對莧菜之生長及金屬吸收量有顯著的影響，植物的生長隨施用量的增加而呈現地增的趨勢，增至25 t/ha後植株生長呈穩定的狀況，而植株內重金屬的濃度，則隨施用量而遞減。Chang et al. (1997)進行長時間的盆栽實驗，將含有重金屬的污泥堆肥連續的施於盆栽中，實驗結果顯示，植物體內的重金屬含量，剛開始使隨施用污泥堆肥的量增加而提高，但隨著污泥堆肥的持續使用，植物體內的重金屬含量則維持在一個穩定的範圍內，此現象被稱為高原(plateau) 現象。曾等（2006）提出，若在田中加入一定量的重金屬鈍化劑，如煤灰、沸石、黏土、草灰等，有助於控制重金屬離子的移動，而降低土壤的pH則易將與鐵錳氧化物結合的重金屬釋放出來。另堆肥中的一些微生物，如硫化氫菌與假單胞菌，能與特定的重金屬有強烈的親和性，而可減少重金屬對植物的危害。
非主流之有機農法
現在的有機堆肥生產，大多專注在堆肥中的養分含量對植物成長的影響。然而，有一些堆肥原則，卻提出不一樣的觀點，其中包含了秀明自然農法、生物動力農法(Biodynamic Agriculture)、以及有效微生物 (EM)與綠生農法等思想。謹在此針對這些堆肥觀念，作一簡單的整理。
秀明自然農法是由日本的岡田茂吉先生於1935年 提出，主張自家採種、連種主義、無農藥、無肥料、及愛心栽種等五個原則，秀明自然農法和其他有機農業最大不同的地方，是主張即使連有機肥料與農藥都不該被 使用，頂多是使用草葉堆肥來增加腐植質的含量。此外，為了實施自家採種這個原則，每種蔬菜都需留幾株強壯的個體，繼續讓他其開發結子，以作為下一季栽種的 種子。由於不額外施肥，所以作物中不會像慣型農法與部分的有機農法，有硝酸鹽殘留的問題；又由於作物需努力扎根才能從土壤中獲取足夠的養分，所以使用秀明 自然農法的農地，由於植物的根系較旺盛，所以水土保持的能力較好。根據秀明農法的理論，植物可從土壤中獲取約2/3所需要的養分，肥料對產量的貢獻只有1/3，所以秀明自然農法的產量，大約是傳統慣型農法的60％。
生物動力農法(Biodynamic Farming)是在1924年的六月份，由德國的人智學家魯道夫‧斯坦納 (Rudolf Steiner)所提出有關農業的理論(Rudolf Steiner Press, 2004)。不同於其他的有機農業，生物動力農法認為天體的運行會對農業和植物發生影響，而介紹使用特殊的礦物與植物，配合天上星體運轉的時間製備堆肥，以吸收宇宙中的能量，進而增加植物的成長。雖然生物動力農法宣稱能增加植物中，某特定組成，如菜葉或果肉的生長，且有專門的學者進行研究，不過有學者卻認為利用生物動力農法所做出來的作物，與一般的有機農法作物，品質上並沒有太大的不同(Kirchmann, 2007)。
綠生農法 還土地健康本色
有效微生物(Effective Microorganisms；EM)技術是日本琉球大學的比嘉照夫(Teruo Higa)教授，於1985年時所發展出來(Higa, 1996)，其原理是利用10屬80種有效微生物共生發展，以協助植物生長。此技術在台灣，經由南投的星野忠義先生 (Hoshino Tadayoshi)改良，而發展成所謂的綠生農法。不同於一般有機堆肥製作是採用好氧方式進行，EM技術主要是利用厭氧混合菌（其中有些是好氧菌），以製備固態厭氧發酵的產物，日文稱其為ボカシ (Bokashi)。厭氧環境的特點是，微生物們彼此共生的存在著，但是如果某一種微生物失去平衡，產生過多的有害物質，則可能影響到整個厭氧系統，而造成所有微生物酸敗的現象。在好氧堆肥系統中，微生物活動所產生的有害代謝產物，如氨態氮或硫化氫，可藉由翻堆的程序加以移除，而在EM技術技術中，則藉由加入一類特殊的微生物--光合成菌，以代謝這些有害物質。
在南投，星野先生成功的利用光合綠生菌、Bokashi與Bokashi製備成的兼氧性堆肥，讓作物健康的生長在由土石流所沖積的土地上，且這些作物經八八水災泡水後，植物的根部也沒有出現困窘的情形。此外，使用綠生農法技術，因為使用Bokashi以提供微生物生長的優良環境，使用兼氧性堆肥以改良土壤，具有很高的還原力，所以可以很快的將慣性農法的農田，轉變為有機農田。不過，由於這些有效微生物，可能會在培育的過程中，漸漸的失去其活性，所以EM技術的可靠性，尚未獲得太多學術界的肯定。
結論
有 機農業的推廣，有愈來愈受到各界支持的趨勢。但是有機農業的原理，因為牽涉到堆肥原料、土壤、微生物、植物之間的相互作用，所以可能無法再跟過去一樣，單 單從傳統作物營養學的角度進行思考。而是需要投入更多的資源，結合實務上成功的有機案例，作更有系統的探討。為了全體人類的健康，與環境永續的目標，有機 堆肥的發展研究，是值得各方先進繼續努力和推廣的。
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