张邦喜，江 滔，杨仁德，柳玲玲，朱森林，李国学

（1.乐山师范学院 化学学院，乐山614000；2.贵州省农业科学院 农业资源与环境研究所，贵阳550006；3.中国农业大学 资源与环境学院，北京100193）

随着我国经济飞速发展，城镇居民对肉类的需求日趋增加，畜禽养殖产业发展迅猛，但畜禽粪便的累积与污染问题日趋严重［1］。高温好氧堆肥是国内外畜禽粪便处理的主要方式之一，其原理是利用好氧微生物的分解作用，将畜禽粪便和作物秸秆等生物质废弃物转变为稳定的堆肥产品并施用于土壤中，为实现畜禽粪便减量化、无害化及资源化利用的有效途径［2］。然而，好氧堆肥过程中会产生大量氨气（NH3）和氧化亚氮（N2O）等气体，造成严重的氮素流失。已有的研究表明，堆肥过程中NH3损失量可达物料初始总氮的40%～80%，N2O的损失量约占堆肥总氮的0.2%～9%［3］.有学者认为，NH3损失不仅参与大气气溶胶的形成，还参与二次反应形成细颗粒物（PM2.5），部分转化为 N2O，间接造成温室效应［4］；同时，N2O已取代CFC-12成为继CO2和CH4后的第三重要辐射强迫温室气体，年排放量约为4.1Tg N2O-N（3.8～6.8Tg N2O-N），占全部人为总N2O-N排放量的54%～83%，对全球气候的增温效应显著［3，5］。由此可见，堆肥过程中 NH3和N2O的排放，不仅降低了成品堆肥的农学价值，还会造成环境污染，因而在堆肥过程中如何有效的控制并减少氮素损失备受国内外研究者关注。

目前，通过添加外源材料来减少堆肥过程中氮素损失，已成为一种有效的解决途径。然而由于堆肥物料性状和堆肥系统条件的复杂性，不同外源添加剂对堆肥过程中含氮气体（NH3、N2O）减排效果不同。研究表明，添加1kg Ca2SO4·2H2O／吨粪便，堆肥物料氮素损失可降低0.11%［6］.DELAUNE et al［7］研究发现，以 Al2（SO4）3·14H2O 和 H3PO4作为氮素损失控制材料，堆肥过程中NH3排放量分别减少17%和12%.也有学者认为，铝盐和磷酸盐添加量为原料初始总氮量的10%～20%较合理，添加量过高则会导致堆肥铵态氮含量、电导率偏高等问题［8］。LUO et al［9］的研究也表明，添加过磷酸钙和双氰胺能够降低堆肥过程中CH4和N2O的排放，但会增加 NH3的释放。CHOWDHURY et al［10］研究表明，添加生物炭能够显著降低鸡粪-秸秆联合堆肥过程中CH4、NH3的排放。CHEN et al［11］的研究表明，添加10%竹炭能够减少9.2%的氨气排放。也有学者认为，添加生物炭会提高堆肥过程中碳素损失的风险［8，12］。这些研究表明，在好氧堆肥过程中添加过磷酸钙或生物炭等外源材料均具有较好的减排效果，但不同研究间仍存在一定差异。因此，对比研究过磷酸钙、竹炭对鸡粪堆肥腐熟度及固氮效果尤为重要。本研究以鸡粪、烟末、菌糠为堆肥原料，以提升堆肥腐熟度和氮减排为目标，探讨竹炭和过磷酸钙投入对鸡粪-烟末-菌糠联合堆肥过程中堆肥腐熟度、NH3、N2O排放的影响，为优化多元物料联合堆肥工艺参数提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 堆肥材料

本试验以鸡粪、菌糠和烟沫为堆肥原料，鸡粪取自中国农业大学上庄试验站，菌糠取自贵州省遵义蘑菇园，菌糠是以酒糟为主料种植蘑菇以后的废料，为片状，粒径约2cm；烟末取自贵州开阳南江现代农业发展有限公司，为粉末状，粒径约1.5mm.初始物料基本理化性质见表1.

1.2 试验设计

已有研究表明，分别添加5%过磷酸钙［9］、10%竹炭［13］控氮效果明显。本研究将鸡粪、烟末、菌糠按照质量比8∶1∶1混合，设置了3个处理（如表2）：1）鸡粪＋烟末＋菌糠（CK）；2）添加10%竹炭；3）添加5%过磷酸钙。

表1 堆肥初始物料基本性状Table 1 Key physiochemical characteristics of raw composting materials

表2 试验设计Table 2 Experiment design

堆肥前，添加蒸馏水将鸡粪、烟末和菌糠混合物料的含水率调节至60%，装入60L（r＝0.36m，h＝0.6m）的密闭式发酵罐［14］，均匀压实。发酵罐内底采用多孔筛板支撑物料，双层隔热不锈钢制成，并连接温度反馈自动控制系统，底部连接空气泵，顶部设置安全瓶，末端采气口用于采集气体样品如图1所示。堆置期间采取强制通风＋人工翻堆方式进行供氧，通过调节空气泵流量将通风速率控制在0.4L·kg-1·min-1，通风方式为间歇通风，通风30min，停止30min.

图1 发酵装置Fig.1 Schematic diagram of composting reactor

堆置周期为35d，分别在堆肥第0、3、7、14、21、28天进行翻堆、取样，每次随机选取5个点混合成一份样品约200～300g，均分为两份，一份于4℃条件下存储待用；另一份自然风干、粉碎过0.5mm筛，用于测定堆肥腐熟指标。

1.3 分析方法与数据处理

堆体温度通过连接电脑的温度传感器直接读取；堆肥鲜样（pH、EC、NH＋4、GI）和气体（NH3、CH4、N2O、O2）样品参照文献［14］方法测定；发芽率指数（GI）参照如下公式进行计算［9，15］：Spss16.0和Origin 8.5软件完成。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程中的变化特征温度和氧气

温度是衡量堆肥进程中重要指标，堆体温度的升高或降低都与微生物降解物料有机质关系密切［16］。堆肥过程中各处理堆体温度变化如图2所示，所有堆肥处理温度均呈先升高后降低的趋势，分别经历了升温期、高温期和降温期三个典型阶段，这与RAUT et al［17］的研究结果相似。堆肥初期，CK处理在第2d到达59.6℃，第15d上升至最高温度（71.3℃），高温期（＞55℃）累积达16d；添加10%竹炭处理堆体温度迅速升高，在第1d到达64.7℃，第8d上升至最高温度（73.5℃），高温期（＞55℃）累积达17d；添加5%过磷酸钙处理堆体温度延迟至第7d才上升至50℃以上，在第17d上升至最高温（70.1℃），整个堆肥周期内高温期（＞55℃）累积达16d.经过35d堆肥，堆体温度趋近于环境温度，3组堆肥处理堆温（＞55℃）均满足无害化标准要求的8d以上（GB 7959-87），处理之间差异不显著。从进入高温期来看，与CK处理相比，添加10%竹炭能够减少堆体进入高温期的时间，缩短堆肥周期，而添加5%过磷酸钙处理堆体升温较缓慢，延长堆肥周期，这与前人研究结论一致［18］，主要原因可能是因为生物炭丰富的孔隙结构有利于氧气的传输，增强了微生物活性，从而促进升温。

图2 堆肥过程中温度和氧气体积分数的变化Fig.2 Temperature and Oxygen concentration during composting

整个堆肥过程中氧气体积分数变化特征如图2所示，各处理O2体积分数均呈先下降后回升的趋势，最后均趋近环境的氧气体积分数21%，O2体积分数的变化情况与温度变化趋势呈显著负相关（P＜0.05）.在堆肥高温期，所有堆肥处理氧气体积分数均维持在9%～18%左右，与MAGALHAES et al［19］提出，当堆体排出的 O2体积分数在10%～18%范围内时，堆肥微生物具有最佳活性，消耗大量氧气的结果相似。在堆肥第17d氧气体积分数逐渐上升，第21d翻堆后，氧气体积分数短时下降后逐渐上升，最后上升至接近环境氧气浓度，氧气体积分数下降的时间和温度上升期一致，但温度对O2体积分数变化的响应略呈现滞后性，主要受密闭堆肥装置中物料自身的热量保持作用影响，这与前人研究结果相似［20］。

2.2 堆肥腐熟度分析

由图3可知，3组堆肥处理初始pH在8.17～8.34之间，呈碱性，至35d堆肥结束时，堆肥产品pH上升为8.21～8.45，偏碱性，处理之间的pH值差异不显著（P＞0.05），符合NY525-2012《农业部有机肥标准》对堆肥产品酸碱度的规定（合格堆肥产品pH值在5.5～8.5范围内）。

研究表明，堆肥产品EC高于4mS／cm时，会对植物产生抑制作用或生物毒性［21］。本研究中3个堆肥处理EC总体变化趋势基本一致，初始EC在6.35～7.04mS／cm，至35d堆肥结束时，堆肥产品EC下降为3.39～4.65mS／cm，处理之间差异不显著（P＞0.05），其中CK处理和添加5%过磷酸钙处理的EC均高于4mS／cm，未达到无害化要求。分析原因为鸡粪（7.02mS／cm）、烟末（8.99mS／cm）EC较高，且粒径细小，造成堆体结构致密，局部或区域厌氧严重。也有学者［9］认为，添加过磷酸钙也会增加堆肥产品含盐量。可见，添加生物炭有利于改善高EC原料堆肥产品盐含量。

图3 堆肥化学性质和腐熟度指标变化Fig.3 Chemical characteristics and germination index during composting

堆肥过程中NH＋4-N含量变化与pH、EC有所不同，所有堆肥处理NH＋4-N含量呈现升高后降低的趋势。CK、添加5%过磷酸钙、添加10%生物炭处理的NH＋4-N含量均在第3d达到峰值，分别为10.56、11.21、13.60g／kg，这可能与堆体内高温或高浓度NH＋4-N抑制了硝化微生物活性，硝化作用减弱而反硝化作用造成NO-x-N消耗有关［22］。至35d堆肥结束，随着微生物同化作用和NH3挥发，各处理NH＋4-N含量均呈下降趋势，这与SÁNCHEZ-MONEDERO et al［23］研究结果一致。此外，经过35d的堆肥后，CK处理、添加5%过磷酸钙、10%生物炭处理的NH＋4-N含量分别比堆肥开始时降低了74.14%、80.98%、79.33%，表明添加过磷酸钙、生物炭有利于鸡粪-烟末-菌糠多元物料堆肥过程中NH＋4-N转化，提升堆肥产品品质。

发芽率指数（GI）是评价堆肥腐熟度的重要指标，也是检测堆肥产品是否安全的重要指标之一［24］。一般来说，当GI＞50%时，可认为堆肥产品对作物生长无毒害作用，当GI＞80%时，则认为堆肥达到腐熟［25］。由图3可知，经过35d堆肥，所有堆肥处理GI均呈上升趋势。其中，在堆肥前期（0～7d），各处理堆肥产品GI基本没有变化，这可能是因为堆肥前期有机酸和铵含量过高，导致种子发芽受到抑制作用［22］。堆肥中期（7～21d），随着物料中有害物质的逐步降解，各处理堆肥产品GI有明显上升趋势。已有的研究结果表明，低C／N堆肥产品浸提液中高浓度的NH＋4、有机酸、盐基离子抑制了种子发芽［26］。堆肥后期（21～35d），CK 处理至第35d堆肥产品GI达到80%以上，而添加5%过磷酸钙、10%生物炭处理较CK处理分别缩短至21d和28d.可见，添加5%过磷酸钙、10%生物炭有利用改善鸡粪-烟末-菌糠混合堆肥腐熟度，缩短堆肥周期。

2.3 堆肥过程中含氮气体排放特征

2.3.1 氨气（NH3）排放特征

图4 堆肥过程中NH3排放规律Fig.4 Ammonia emissions during composting

NH3排放及累积排放特征如图4所示。在整个堆肥过程中，CK处理的NH3排放速率最大峰值在第16d，为1.68g·kg-1·d-1；添加5%过磷酸钙、添加10%生物炭处理的NH3排放速率最大峰值则延迟至第23d，分别为1.06、1.10g·kg-1·d-1.可见，添加过磷酸钙、生物炭处理NH3排放高峰期明显滞后且峰值低于CK处理，这与陈是吏［13］和江涛［27］的研究结果一致。

经过35d堆肥，添加过磷酸钙、生物炭处理NH3累积排放量分别为6.36、5.79g／kg，处理之间差异不显著（P＜0.05）。与CK处理相比，添加5%过磷酸钙、10%生物炭均能够降低堆肥过程中NH3累积排放量，分别降低了34.67%和40.52%。可见，添加过磷酸钙、生物炭能够增加鸡粪-烟末-菌糠多元物料堆肥过程中氮素固存能力，从而降低污染气体排放。

2.3.2 氧化亚氮（N2O）排放特征

堆肥过程中N2O产生主要是通过硝化和反硝化两种途径，图5为3组堆肥处理N2O排放速率及累积排放量的变化情况。在整个堆肥过程中，所有堆肥处理第1d均出现N2O排放峰值，其中，CK处理、添加5%过磷酸钙和10%竹炭处理N2O排放峰值分别为5.15、1.88和5.41mg·kg-1·d-1，且所有堆肥处理N2O排放主要集中在前10d，这种排放模式同以前许多的研究结果相似［28］。高温期过后，随着堆肥物料的降解，N2O又出现1～2次小的排放峰值，这种现象在EL KADER et al［28］和FUKUMOTO et al［29］的研究中均有出现，主要原因可能是翻堆活动改善堆体氧气含量，堆体内NO-2／NO-3通过不完全的反硝化反应生产N2O.

图5 堆肥过程中N2O排放规律Fig.5 Nitrous oxide emissions during composting

经过35d堆肥，添加质量比5%过磷酸钙和添加10%生物炭处理N2O累积排放量分别为23.46 mg·kg-1和16.48mg·kg-1，处理之间差异不显著（P＜0.05）。与CK处理相比，添加5%过磷酸钙、10%生物炭处理的N2O累积排量分别降低了7.79%、35.21%。可见，添加5%过磷酸钙、10%生物炭能够降低鸡粪-烟末-菌糠混合堆肥过程中N2O产生量，尤以添加10%生物炭处理减排效果最好。

2.4 氮素平衡

堆肥过程中氮素主要以NH3、N2O、N2等形式损失。由表3可知，本次堆肥过程中氮素损失水平为25.04%～34.68%，其中以NH3-N形式损失的氮素占堆肥总氮损失的19.14%～28.20%，介于黄向东等［30］的研究结果之间（13%～78%）；以 NO2-N形式损失的氮素占堆肥总氮损失的0.27%～0.41%，与 WOLTER et al［31］研究结果（0.1% ～1.9%）相似，这可能与添加过磷酸钙、生物炭有利于提升微生物活性，发生氨化、硝化／反硝化反应。此外，添加5%过磷酸钙处理明显降低了NH3的累计排放量，而NH3挥发是本研究中氮素损失的主要来源。可见，要控制鸡粪-烟末-菌糠混合的多元物料堆肥过程中氮素损失，以添加质量比5%过磷酸钙或者添加10%生物炭是可行的，且添加质量比5%过磷酸钙综合效果优于添加10%生物炭。

表3 堆肥氮素平衡分析Table 3 Analysis of carbon and nitrogen balance during composting

3 结论

经过35d的好氧堆肥，与CK相比，添加5%过磷酸钙处理堆肥过程中以NH3-N、N2O-N形式损失TN分别降低了32.13%和12.20%；添加10%生物炭处理以NH3-N、N2O-N形式损失TN分别降低了28.83%和34.15%.所有堆肥处理堆体温度均能在55℃持续8d以上，堆肥产品GI达80%以上，满足堆肥产品对作物生长无毒害的要求。综合堆肥腐熟度、氮损失及污染气体减控效果来看，添加质量比5%过磷酸钙能够提升鸡粪-烟末-菌糠多元物料堆肥腐熟度并减少污染气体排放。