李孟婵，张 鹤，杨慧珍，张 健，张春红，王友玲，邱慧珍

(甘肃农业大学资源与环境学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070)

随着我国经济的快速发展和居民对肉类需求的日趋增加，现代农业及畜禽养殖产业迅猛发展，随之产生的农业废弃物对环境造成的影响也日趋严重[1]。据估算，全国每年产生的畜禽粪污约38亿t，综合利用率还不到60%；每年产生的农作物秸秆近9亿t，未利用的达2亿t[2]，这些废弃物已成为农业面源污染的主要来源[3]。由于未经腐熟的畜禽粪便中一般都会含有大量的病原菌、寄生虫卵和滋生的蚊蝇，因此会引起人、畜传染病的发生，当人和畜禽都患病时还会引发疫情，从而危害人民的健康[4]。另外，我国耕地质量面临着新一轮的低肥力、高投入和高污染等问题[5]，农业废弃物肥料化利用可避免养分资源的浪费。据估算，38亿t畜禽粪便可提供氮磷钾 5 323万t[6]，占我国目前化肥施用总量的89%[7]。如能将这部分养分以有机肥的形式归还土壤，可有效减少化肥用量。

好氧堆肥是由微生物分解难降解有机物(如纤维素和木质素)，并转化为腐殖质的生物化学过程，可以完成不同有机物料如农作物秸秆和畜禽粪便的生物转化[8-9]，是无害化和资源化处理农牧业废弃物的最有前景的一种方式，也是实现畜禽粪便无害化和资源化处理的最有效途径[10]。好氧堆肥产品施入农田可以促进农田的可持续利用[6,11]，可补充土壤养分，起到改良土壤环境的作用[12-13]。

然而，目前我国堆肥产品中存在着质量参差不齐、肥效低等诸多问题[14]。有机质含量是评价堆肥产品质量的重要指标，腐殖质作为有机质的主要组成部分[15]，是评价堆肥产品质量的重要指标[16]，可溶性有机碳是能被微生物直接利用的碳源，是有机物料中纤维素、半纤维素等组分分解的中间产物[17]。因此深入研究不同原料好氧堆肥过程中碳转化特征及腐殖质组分的变化规律，优化堆肥配方和工艺参数，对促进有机肥企业的发展具有十分重要的意义。

堆肥过程中会产生大量的腐殖质类物质：富里酸(Fulvic Acid，FA)、胡敏酸(Humic Acid，HA)和胡敏素(Humin，HM)。胡敏酸和富里酸的含量是决定堆肥质量及腐熟度的重要因素之一，对堆肥产品的品质具有重要意义[18-20]。研究表明，不同堆肥原料有机质组分存在较大差异，其在堆肥过程中可溶性有机碳及腐殖质组分含量变化趋势也不尽相同[21-22]。目前，有关好氧堆肥过程中碳转化特征及腐殖质组分变化规律的研究试验多是以单种畜禽粪便与秸秆为原料进行，而对以不同畜禽粪便与秸秆为原料的堆肥过程中碳转化及腐殖质组分变化进行比较分析的研究鲜见报道。本试验以牛粪、羊粪2种畜禽的粪便为主原料，以玉米秸秆和小麦秸秆为辅料，对不同原料好氧堆肥过程中总有机碳(TOC)、可溶性有机碳(DOC)和腐殖酸含量的碳转化特征以及腐殖质组分，胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量的变化规律进行了研究，旨在比较不同原料在堆肥过程中碳转化特征及腐殖质组分的变化规律，以期为有机肥生产过程中优化配料组合提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验设在白银市白银区四龙镇鑫昊生物科技有限公司，试验区年平均气温约9℃，6-7月份平均气温15～27℃，年均降雨量181 mm，全年多风，属典型的大陆性气候。堆肥采用户外堆置方式，于2017年6月20日开始堆肥，周期35 d。供试原料由肥料厂提供，使用前用切碎机将玉米秸秆切为2～5 cm的碎料。堆肥原料的理化性状见表1。

1.2 试验设计

堆肥试验设置4个处理：T1：牛粪+玉米秸秆(C+M)；T2：牛粪+小麦秸秆(C+W);T3：羊粪+玉米秸秆(S+M);T4：羊粪+小麦秸秆(S+W)。

各处理的畜禽粪便与秸秆添加量干基相同，用尿素调节C/N为27±0.5，堆体初始含水率控制在60%±1%，混匀后堆成长2.5 m，高1.2 m，宽2 m的条堆。堆肥以自然发酵的方式进行，不添加发酵菌剂。人工翻堆，升温和高温阶段每2 d翻堆一次，降温阶段每4 d翻堆一次。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 采样时间与方法 每隔5 d采集一次样品，方法为按长度将堆体分为4个等距截面，于各截面的3个不同深度：表面(0～20 cm)，中间(50～70 cm)，底部(100～120 cm)进行取样，每层等量取样约300 g，混匀，每个处理4次重复。样品自然风干用于理化性状的测定。

1.3.2 测定项目及方法 总有机碳(TOC)的测定采用重铬酸钾容量法[23]；可溶性有机碳(DOC)的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法[24]；总腐殖酸(THA)的测定采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾容量法[25]，游离腐殖酸(FHA)的测定采用1%氢氧化钠浸提-重铬酸钾容量法[25]；富里酸(FA)、胡敏酸(HA)含量的测定采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法[26]；纤维素的测定采用酸性洗涤硫酸-重铬酸钾氧化法[27],半纤维素的测定采用2 mol·L-1盐酸水解法[27]；木质素的测定采用醋酸分离硫酸-重铬酸钾氧化法[27]。

温度测定：每天于8∶00， 12∶00， 16∶00分别取样测定3次，取3次温度的平均值。测温层次与取样层次一致，每层均匀测温4次，取其平均值。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行图表绘制和Spass 23进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同原料堆肥过程中有机碳含量的变化

2.1.1 总有机碳(TOC)含量的变化 碳变化是堆肥过程中最基本的特征，碳作为微生物的能源物质和细胞的主要组成物质，在堆肥过程中被微生物分解利用，转化为气体散失，同时合成腐殖质[28]。不同处理堆肥过程中TOC的变化见图1。

表1 不同堆肥原料的理化性质

注：T1—牛粪+玉米秸秆;T2—牛粪+小麦秸秆；T3—羊粪+玉米秸秆；T4—羊粪+小麦秸秆。下同。Note:T1—cow dung+maize straw;T2—cow dung+wheat straw；T3—sheep dung+maize straw；T4—sheep dung+wheat straw. The same below.图1 堆肥过程中总有机碳(TOC)含量的变化Fig.1 Changes of total organic carbon during composting

由图1可知，在整个堆肥过程中，所有处理的TOC含量均呈下降趋势，至堆肥结束时，T1～T4处理的TOC下降幅度分别为22.1%、21.5%、23.6%和23.7%，以小麦秸秆为辅料的处理在堆肥过程中TOC含量始终高于玉米秸秆的处理，这可能与不同秸秆的理化性质不同有关。

2.1.2 可溶性有机碳(DOC)含量的变化 DOC是总碳中最活跃的成分，是微生物在分解有机物料中半纤维素、纤维素等组分的产物[17]，同时它又是微生物所依赖的碳源与能源[29]，为此，我们在测定TOC含量变化的同时，测定了不同处理在堆肥过程中DOC含量的变化，结果见图2。

如图2所示，各处理DOC含量在堆肥过程中呈波动式降低趋势，至堆肥第15天时，各处理的DOC降至最低值，但不同处理的变化情况明显不同。以牛粪为主料的T1和T2处理的DOC在第10天之前几乎无变化，其后迅速下降，而以羊粪为主料的T3和T4处理的DOC则从堆肥一开始就下降，至第15天时达最低值，T1～T4处理至堆肥第15天时DOC的下降幅度分别为32.4%、36.5%、51.8%、39.3%，以羊粪+玉米秸秆的T3下降幅度最大，这可能与牛羊粪中纤维素和半纤维素的含量不同有关。

从图2结果还可以看出，随堆肥过程的推进，不同处理的DOC都在下降，但是T1的DOC始终高于其它处理，至堆肥结束时，T1～T4处理DOC的含量较堆肥开始时分别降低了31.3%、30.6%、38.1%、33.5%，相较于第15天时的最低值，T1的降幅最小，T3的降幅最大。

2.2 不同原料堆肥过程中腐殖酸含量的变化

2.2.1 总腐殖酸(THA)含量的变化 堆肥过程是一个矿化和腐殖化作用交替进行的过程，堆肥中的腐殖酸由物料中新生成及原有腐殖酸转化而来，原料成分、堆肥时间、堆置工艺、环境条件等都是影响堆肥中腐殖酸含量高低的因素[30-31]。为此，我们测定了不同处理堆肥过程中腐殖酸含量的变化，结果见图3。

由图3可以看出，堆肥中THA含量的增加始于第10天，至第15天时增大到最高值，随后缓慢下降，至第30天降到最低值后趋于稳定。

图2 堆肥过程中可溶性有机碳(DOC)含量的变化Fig.2 Changes of DOC content during composting

图3 堆肥过程中总腐殖酸(THA)含量的变化Fig.3 Changes of total content of humic acid(THA)during composting

各处理的THA含量从一开始就表现不同，以羊粪为主料的T3、T4处理在整个堆肥过程中THA含量始终高于牛粪组合的T1和T2处理。堆肥结束时，与堆肥初期相比，牛粪组合的T1和T2处理的THA含量增加了14.8%和17.0%，羊粪组合的T3处理较堆肥开始时降低了16.4%，T4处理增加了1.1%。

2.2.2 游离腐殖酸(FHA)含量的变化 不同处理堆肥过程中FHA含量的变化情况见图4。从图4可以看出，不同处理的FHA含量的变化情况与THA类似，从一开始就表现不同，以羊粪为主料的T3、T4处理在整个堆肥过程中显著高于牛粪组合的T1和T2处理(P<0.05)，这是因为FHA是腐殖酸的主要组成部分。4个处理FHA含量的变化趋势基本相同，在第15天之前持续下降后表现上升，这是因为堆肥初期形成的THA不稳定，极易被分解成FHA。

2.2.3 总腐殖酸/总有机碳(THA/TOC)值的变化 好氧堆肥的结果是物料中的有机物向稳定程度较高的腐殖质方向转化，腐殖质在形成的同时也在微生物的作用下进行着分解[30-31]。为此，本试验在测定腐殖酸含量的基础上分析了THA/TOC值的变化，结果见图5。

由图5可以看出，堆肥中THA/TOC值的变化与THA含量的变化趋势相似。THA/TOC值的增加同样始于第10天，至第15天时增大到最高值，随后缓慢下降，至第30天降到最低值后趋于稳定。各处理的THA/TOC值从一开始就表现不同，以羊粪为主料的T3、T4处理在整个堆肥过程中THA/TOC值显著高于牛粪组合的T1和T2处理(P<0.05)。堆肥结束时，与堆肥初期相比，牛粪组合的T1和T2处理的THA/TOC值增加了47.3%和49.1%，羊粪组合的T3和T4处理较堆肥开始时增加了9.4%和32.3%。

图4 堆肥过程中游离腐殖酸(FHA)含量的变化Fig.4 Changes of the content of free humic acid(FHA)during composting

图5 堆肥过程中总腐殖酸/总有机碳比值的变化Fig.5 Changes of THA/TOC ratio during composting

2.3 不同原料堆肥过程中腐殖质主要组分含量的变化

堆肥过程是一个腐殖质不断积累的过程，我们对腐殖质的重要组分HA和FA含量在堆肥过程中的变化进行了测定。

2.3.1 胡敏酸(HA)含量的变化 HA是一类能溶于碱溶液而被酸溶液所沉淀的腐殖质物质，对土壤养分保持及土壤结构形成具有重要意义[32]，不同处理堆肥过程中HA含量的变化见图6。

从图6可以看出，各处理的HA含量从一开始就明显分为2组，羊粪由于其HA的含量高于牛粪，所以其组合T3和T4处理的HA含量整个堆肥过程中始终高于牛粪组合的T1和T2处理，但是随堆肥进程的延续，处理之间的差异在堆肥25 d后变小，在堆肥结束时，T3、T4处理HA含量显著高于T1、T2处理(P<0.05)。T1～T4处理较堆肥开始时的增幅分别为197.8%、140.9%、70.4%和65.4%。

2.3.2 富里酸(FA)含量的变化 FA是一类既能溶于碱溶液又溶于酸溶液的腐殖质物质，其酸性和移动性均大于HA，但是其吸收性比HA低，对促进矿物的分解和养分的释放具有重要作用[32]。不同处理堆肥过程中FA含量的变化见图7。

从图7可以看出，堆肥期间各处理FA含量整体呈下降趋势。堆肥前5 d FA含量均迅速下降，可能是由于FA分子量相对较小，结构简单，随着微生物的大量繁殖，原料中的FA被微生物大量分解；之后各处理FA含量呈波动式变化，下降幅度变小，可能是由于物料在微生物作用下分解合成FA的速率与FA矿化或聚合成HA的速率在动态变化；堆肥结束时，T1～T4处理FA含量分别为1.19%、1.15%、1.33%、1.49%，T4处理显著高于T1、T2处理，其它处理间差异不显著(P<0.5)，可能与T4处理高温持续时间长有关。各处理FA相比堆肥开始阶段降低幅度不同，T1～T4分别为54.9%、59.4%、55.5%、44.9%。

图6 堆肥过程中胡敏酸(HA)含量的变化Fig.6 Changes of humic acid content during composting

2.3.3 胡敏酸/富里酸(HA/FA)比值的变化 HA/FA是表征堆化腐殖化过程的重要参数[33]，不同堆肥处理的HA/FA的变化见图8。

由图8可知，各处理HA/FA比值均逐渐升高，这主要是因为堆肥过程中HA含量的不断增加和FA含量的持续下降。堆肥初期各处理含有较低含量的HA和较高含量的FA，T1、T2处理HA/FA分别为0.51和0.53，显著低于T3(0.88)和T4(1.01)处理(P<0.05)；随着堆肥化的进行，HA含量逐渐增加，FA含量则迅速降低，使各处理HA/FA呈上升趋势；堆肥第15天时，T1、T2处理HA/FA显著低于T3、T4处理(P<0.05)；堆肥结束时， T1～T4处理的HA/FA较初期增幅分别达566.9%、497.4%、271.7%、199.9%， T1、T2处理增幅大于T3、T4处理。

2.4 不同原料好氧堆肥过程中温度的变化

温度是堆肥过程中重要的工艺参数之一，它影响着堆体中微生物的活性及有机物料的分解速率，也影响着堆肥产品的腐殖化程度[34-35]。不同处理堆肥过程中温度的变化见图9。

图7 堆肥过程中富里酸(FA)含量的变化Fig.7 Changes of fulvic acid during composting

图8 堆肥过程中HA/FA比值的变化Fig.8 Changes of HA/FA ratio during composting

图9 堆肥过程中温度的变化Fig.9 Changes of temperature during composting

由图9可知，4个处理中，T1在第3天进入高温期(55℃)，T2在第1天就进入高温期，其它2个处理都在第2天进入高温期。T1～T4处理高温维持时间分别为20、21、22、27 d，T3、T4处理高温期持续时间长于T1、T2。各处理达60℃以上天数分别为13、15、6 d和9 d，T1、T2处理达60℃以上高温时间多于T3、T4处理。4个处理在高温期达到的最高温度分别为66.7℃、71.8℃、64.5℃、72.2℃，T2、T4处理在堆肥过程中达到的最高温度高于T1、T3，这可能与原材料性质有关。4个处理分别于堆肥第22、21、23、28天后进入降温期，至堆肥结束各处理堆温接近环境温度。

3 讨 论

堆肥过程中有机物料中的有机碳含量会因矿化分解作用而逐渐减少。研究表明，不同堆肥条件下，有机碳减少幅度不同[36-37]。本试验中以羊粪为主料的处理(T3、T4)在堆肥结束时TOC下降幅度比以牛粪为主料的处理(T1、T2)高，可能是由于T3、T4处理高温期长于T1、T2处理，有机碳被微生物分解利用的程度也较高。DOC可以为微生物的生长繁殖提供碳源来促进微生物的活动，而微生物在活动过程中又会通过分解堆体中的有机物料及通过本身的一些新陈代谢或死亡来増加堆料中DOC的含量[17,38]。大量研究表明，在不同的堆肥物料和堆肥条件下，堆体中DOC的动态变化规律也不尽相同[9,39]，有的研究发现堆肥结束时DOC相比堆肥开始呈降低趋势[37,39]，也有在堆肥结束时较堆肥开始呈增加趋势的研究报道[33]。本试验中，各处理DOC呈波动式下降趋势，堆肥结束时T3、T4处理下降幅度大于T1、T2处理，可能是由于羊粪中纤维素、半纤维素含量高于牛粪，使得微生物利用其在降解过程中产生的DOC的量就多，从而使得堆体DOC含量降幅较大。

堆肥过程中会产生大量的腐殖质类物质[17-19]，腐殖质在形成的同时也进行着分解。FA与HA作为腐殖质的重要组成部分，它们在很大程度上决定着堆肥产品的质量[20]。相关研究表明，腐殖质及其各组分含量变化与原材料的性质有关[20,32]。本试验中，4个处理THA含量的增加始于第10天，在第15天时增大到最高值。说明腐殖酸在堆肥10 d后大量形成，在堆肥结束时T1、T2处理的THA含量较堆肥开始时的增幅显著大于T4处理，而T3处理THA含量较堆肥开始时低，可能是由于堆肥开始时羊粪处理中THA含量较高，而这部分腐殖酸不稳定，在堆肥期间进行了矿化分解。FHA含量是影响腐殖酸类肥料肥效的重要指标，很多提高肥料腐殖酸活性的研究都是通过提高FHA含量来实现的[40]，各处理FHA含量在堆肥结束时均较堆肥开始时低，其变化情况与THA相似，因为FHA是腐殖酸总量的主要组成部分，它的数量变化直接影响了腐殖酸总量的变化[16]。有研究认为堆肥过程中FA和HA均呈下降趋势[41]，也有呈增加趋势的研究报道[42]。本试验表明，堆肥过程中各处理HA含量呈增加趋势，FA含量呈下降趋势，因为FA可能会通过微生物活动转化成HA[39,43]。随着堆肥过程的进行，物料中有机物迅速分解，腐殖质组分中不稳定的成分逐渐向稳定成分转化，导致HA/FA比值也随之发生相应的变化[33]，本试验中T1、T2处理在堆肥结束时HA/FA增幅大于T3、T4处理，说明T1、T2处理腐殖化程度高于T3、T4处理。

温度是影响堆肥效率以及保证堆肥产品质量的重要因素。李国学等[44]认为在堆肥刚开始时，堆料的温度通常会接近周围的环境温度，随着堆料中中温性微生物的作用，堆体通常能够在1～2 d的时间达到高温微生物活动的理想温度50℃～65℃，而在这样的高温条件下，一般只需要5 d左右的时间便可以保证堆肥产品达到无害化的相关要求。如果堆肥时堆体的温度上升太慢、温度一直较低就会大大地延长堆体能够达到腐熟条件所需的天数，而太高的堆温(高于70℃)则会抑制大部分微生物的活性。本试验中以羊粪为主料的2个堆肥处理高温持续时间长于以牛粪为主料的2个处理，以小麦秸秆为辅料的堆肥处理在堆肥过程中达到的最高温度高于以玉米秸秆为辅料的处理，这可能与原材料性质有关。

4 结 论

1)不同原料在堆肥过程中总有机碳和可溶性碳含量随堆肥过程的推进而降低，添加羊粪的处理在堆肥结束时总有机碳和可溶性碳含量的下降幅度大于添加牛粪的处理，羊粪中高含量的纤维素、半纤维素可能是其变化幅度较大的主要原因。

2)不同原料在堆肥过程中总腐殖酸含量总体呈先上升后下降趋势，游离腐殖酸及富里酸含量逐渐降低，胡敏酸含量逐渐增加，堆肥过程显著提高了胡敏酸态碳。整个堆肥过程添加羊粪的处理总腐殖酸、游离腐殖酸及胡敏酸含量均高于添加牛粪的处理，添加不同秸秆的处理间差异不大。

3)羊粪中较高含量的纤维素、半纤维素和胡敏酸可能是堆肥产品中总腐殖酸和胡敏酸含量较高的主要原因，建议企业在以牛粪为主料的堆肥配料中适当加入羊粪以提高堆肥产品的腐殖酸含量和胡敏酸态碳。