米糠、鋸末與蛋雞糞堆肥過程中氮素的變化特征

李有建，廖新俤，吳銀寶

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510642)

蛋雞糞的碳氮比(C/N)較低[1]，各地采用不同類型的輔料開展糞便堆肥，輔料配比和翻堆通風(fēng)方面尚缺乏科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致我國蛋雞糞堆肥氮素?fù)p失比較嚴(yán)重的問題[2，3]。蛋雞糞堆肥過程中，氨的揮發(fā)不僅污染空氣而招投訴，還影響堆肥廠工作人員的健康[4]；氨氣的產(chǎn)生與揮發(fā)還引起物料腐熟期延長，堆肥設(shè)備腐蝕，降低設(shè)備使用壽命[5]，也導(dǎo)致堆肥質(zhì)量差，影響市場銷售[6]。為了適應(yīng)規(guī)模化蛋雞養(yǎng)殖場糞便處理的發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)雞糞的無害化處理和資源化利用，蛋雞糞堆肥處理過程中氮素的變化特征研究凸顯必要。我國蛋雞糞堆肥實(shí)際生產(chǎn)中以米糠、鋸末等輔料為主，因此，本文探討了米糠、鋸末與蛋雞糞堆肥過程中氮素的變化特征，以期為蛋雞糞堆肥規(guī)?；a(chǎn)中減少氮素?fù)p失、減少氨氣揮發(fā)的調(diào)控措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 堆肥原料

試驗(yàn)于2011年8～9月在安徽省廣德縣某有機(jī)肥廠進(jìn)行，堆肥原料蛋雞糞便來自當(dāng)?shù)氐半u企業(yè)，米糠和鋸末購自當(dāng)?shù)?，主要成分見?。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，A組(蛋雞糞-米糠)、B組(蛋雞糞-鋸末)翻堆頻率設(shè)計(jì)為隔天1次；C組(蛋雞糞-米糠-鋸末)、 D組(蛋雞糞-鋸末)翻堆頻率設(shè)計(jì)為每天1次，見表2。

各組堆肥按初始重量相等設(shè)計(jì)(其中C組按米糠和鋸末質(zhì)量比1∶1配置)，調(diào)整堆肥物料含水率為60%，初始C/N實(shí)測值見表2，堆體長3 m、寬1.60 m、高0.65 m。各組按不同的翻堆頻率從第3d開始進(jìn)行機(jī)械翻堆，并在第13d對各堆體進(jìn)行人工翻堆1次。

1.3 樣品的采集與測定

在堆肥第0、1、3、7、13、17、20 d進(jìn)行采樣，按照十字交叉法選取堆體表層下30 cm處5點(diǎn)采集樣品，充分混勻后取200 g樣品用4.5 mol/L硫酸固定，保存在4 ℃冰箱，用于測定理化指標(biāo)；另取約100 g樣品1份，用于測定含水率、pH值。

堆溫：每天8∶30、15∶30測定2次，同時(shí)測定環(huán)境溫度和濕度。每一個(gè)堆體用2支溫度計(jì)，插在堆體中間表層下30 cm深。

酸堿度(pH)：取10 g堆肥樣品，加50 mL蒸餾水，攪拌15 min，靜置15 min，用pH計(jì)測定[6]。

氧氣濃度：采用DR95C型高精度氧氣分析儀；用100 mL醫(yī)用注射器在堆肥初始和第3、7、11、15、19 d翻堆后于第0、10、20、30、40、50、60 min，6、12、20、24 h抽取堆體內(nèi)氧氣測定[7]。

其它指標(biāo)的測定方法均參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[8]。全氮：硫酸-雙氧水消煮-蒸餾滴定法；有機(jī)氮：Bremner法；銨態(tài)氮：1N氯化鉀浸提-蒸餾滴定法；硝態(tài)氮：1N氯化鉀浸提-鋅粉-硫酸亞鐵還原-蒸餾滴定法；有機(jī)質(zhì)：高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；水溶性碳：水提取--重鉻酸鉀氧化-容量法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用EXCEL處理，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；單因素方差分析采用ANOVA進(jìn)行，用鄧肯極差檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，顯著水平P值設(shè)為0.05。統(tǒng)計(jì)結(jié)果用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤(M±SE)表示。

表1 堆肥原料的主要成分Table 1 Composition of Compost

表2 試驗(yàn)分組Table 2 Division of groups

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度和pH的變化

如圖1所示，B(鋸末)、C(米糠-鋸末)、D(鋸末)組堆溫均在第2 d升到50 ℃以上，其中B、D組均在第6 d升到70 ℃以上，C組在第7 d升到70 ℃以上。B、C、D組堆溫在70 ℃以上分別維持10、9、9d，并分別在第16、16、15d開始降溫；A組(米糠)堆肥在第3 d升至50 ℃以上，第10 d才升到70 ℃以上，并一直維持至試驗(yàn)結(jié)束(20 d)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)A、B、C、D組堆溫分別為74.0、57.8、63.2、54.2 ℃。t檢驗(yàn)表明，堆肥前12 d，A組與B組、C組與D組的堆溫差異不顯著(P>0.05)，但與B組(鋸末)相比，A組(米糠)堆溫相對較低；第13d至試驗(yàn)結(jié)束，A組與B組之間、C組與D組之間差異顯著(P<0.05)，說明相同翻堆頻率下鋸末組比米糠組、米糠-鋸末組降溫更快，高溫期縮短。

圖1 堆溫變化 Fig.1 Changes of composting temperature during composting

圖2 物料pH變化Fig.2 Changes of pH during composting

如圖2所示，整個(gè)堆肥過程中，B、C、D組堆肥開始后pH值逐漸升高，A組(米糠)pH值先略微下降后上升，pH值也相對低于B組(鋸末)，C組(米糠-鋸末)堆肥前期pH值也低于D組(鋸末)。t檢驗(yàn)表明，A組與B組之間、C組與D組之間物料pH值差異不顯著(P>0.05)。

2.2 堆肥氧氣濃度動態(tài)變化

圖3所示，堆肥初始B、C、D組氧氣濃度維持在5%以上，能滿足堆肥要求[9]；但 A組(米糠)因容重大(米糠容重：350 kg/m3；鋸末容重：110 kg/m3)、孔隙度低，氧氣過早降到5%以下，局部厭氧影響了微生物活性，造成升溫慢，堆溫和pH相對低。

圖4反映堆肥過程中堆體氧氣濃度動態(tài)變化，各組氧氣從全程來看呈先降后逐漸升高的趨勢。其中A組(米糠)整個(gè)堆肥過程氧氣濃度都低于5%，而 B組(鋸末)在第15 d后維持在5～15%；D組(鋸末)和C組(米糠-鋸末)氧氣濃度分別在第11 d和15 d維持在5%以上。t檢驗(yàn)表明，A組與B組、C組與D組堆體的氧氣濃度差異顯著(P<0.05)。說明堆體結(jié)構(gòu)的改變及物料分解程度影響微生物耗氧速率。

圖3 堆肥初始堆體氧氣濃度動態(tài)變化 Fig.3 Oxygen variation of the initial compost

圖4 堆肥過程中堆體氧氣濃度動態(tài)變化Fig.4 Oxygen variation during composting

2.3 堆肥有機(jī)質(zhì)與水溶性碳的變化

如圖5所示，堆肥過程中，各組堆肥有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸下降趨勢。主要是微生物分解和利用碳素物質(zhì)使“碳素物質(zhì)不斷以二氧化碳和易揮發(fā)有機(jī)酸等形式釋放”的結(jié)果[10]。t檢驗(yàn)表明，C組與D組間有機(jī)質(zhì)含量變化差異不顯著(P>0.05)；而A組(米糠)受前期物料降解的影響導(dǎo)致整個(gè)過程有機(jī)質(zhì)含量顯著高于B組(鋸末)(P<0.05)。

如圖6所示，各組堆肥水溶性碳含量呈先微弱下降后升再逐漸下降的變化趨勢，初始水溶性碳含量在5.37～6.7 g/kg之間，至試驗(yàn)結(jié)束，A組(米糠)水溶性碳含量較初始值略有上升，B組(鋸末)則減少38.33%；C組(米糠-鋸末)與D組(鋸末)較初始值分別減少30.20%和33.32% 。t檢驗(yàn)表明， A組(米糠)水溶性碳含量顯著高于B組(鋸末)(P<0.05)，原因是A組堆體初始容重過高，形成局部厭氧，堆肥前期物料降解相對較慢，后期相對較多的可降解有機(jī)質(zhì)持續(xù)分解補(bǔ)充水溶性碳，使水溶性碳含量升高，最終導(dǎo)致A、B組間差異。A組堆肥后期含有充足的水溶性碳供微生物利用，堆溫在高溫(>70℃)維持較長時(shí)間，延長了高溫期。C組(米糠-鋸末)與D組(鋸末)之間水溶性碳含量差異顯著(P<0.05)，可能是C組堆體結(jié)構(gòu)受米糠影響的結(jié)果。

圖5 堆肥中物料有機(jī)質(zhì)的變化Fig.5 Changes of organic matter during composting

圖6 堆肥中物料水溶性碳的變化Fig.6 Changes of WSC during composting

2.4 堆肥銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

如圖7所示，堆肥過程中各組銨態(tài)氮呈先微弱上升后下降的變化趨勢，并均出現(xiàn)了幾次快速下降的階段：其中A組(米糠)銨態(tài)氮含量在第3～7 d和第17～20 d分別快速下降31.67%和43.92%，B組(鋸末)銨態(tài)氮含量在第1～3 d快速下降48.56%；C組(米糠-鋸末)堆肥銨態(tài)氮含量在第1～3 d和第7～13 d分別快速下降50.92%和58.48%，D組(鋸末)下降時(shí)間段與C組相同，分別下降了41.06%、53.91%。結(jié)合堆溫和pH變化來看，當(dāng)溫度升至60 ℃以上、pH>8和堆溫升至70 ℃以上、pH>9時(shí)銨態(tài)氮含量快速下降，且后者下降程度更大，說明NH4+-N的轉(zhuǎn)化依賴于堆肥的環(huán)境條件，高溫和高pH促進(jìn)氨氣的揮發(fā)。這與李國學(xué)等研究報(bào)道相符。t檢驗(yàn)表明，A組與B組、C組與D組的銨態(tài)氮含量變化差異不顯著(P>0.05)。至試驗(yàn)結(jié)束，A、B、C、D組銨態(tài)氮含量分別為0.74 g/kg、0.55 g/kg、0.45 g/kg、0.84 g/kg，與初始值比較分別減少67.50%、75.99%、80.09%、58.31%。與A組(米糠)比較，B組(鋸末)銨態(tài)氮的損失較大，主要是B組較早形成利于氨氮揮發(fā)的高pH和高溫環(huán)境，導(dǎo)致銨態(tài)氮持續(xù)揮發(fā)損失。與C組(米糠-鋸末)相比，D組(鋸末)中后期主要發(fā)生銨態(tài)氮和有機(jī)氮之間的相互轉(zhuǎn)化(見圖7、9)，減少了銨態(tài)氮以氨氣形式揮發(fā)損失。

由圖8可見，各組堆肥硝態(tài)氮含量極低(與銨態(tài)氮含量相差兩個(gè)數(shù)量級)，說明整個(gè)堆肥過程中硝化作用很微弱，主要是由于堆體長期處于高溫階段，高溫和高氨氮水平和氨氣揮發(fā)抑制硝化菌的生長[11-12]，限制了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。

圖7 堆肥中物料銨態(tài)氮的變化Fig.7 Changes of NH4+-N during composting

圖8 堆肥中物料硝態(tài)氮的變化Fig.8 Changes of NO3--N during composting

2.5 堆肥有機(jī)氮和全氮的變化

如圖9所示，堆肥初期各組物料中有機(jī)氮快速下降，主要在氨化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，此階段銨態(tài)氮快速積累達(dá)到峰值后迅速下降(圖7)，而硝化作用受抑制(圖8)，此階段氮素通過銨態(tài)氮以氨氣形式揮發(fā)損失。隨著堆制時(shí)間延長，物料中易降解的有機(jī)氮類物質(zhì)消耗殆盡，A、C組有機(jī)氮變化趨于平緩，B、D組中后期有機(jī)氮含量有所回升。t檢驗(yàn)表明，A組(米糠)有機(jī)氮含量顯著高于B組(鋸末)(P<0.05)，主要由于A組堆肥物料降解較慢； D組(鋸末)顯著高于C組(米糠-鋸末)(P<0.05)，是當(dāng)堆體氧氣濃度適宜(大于5%)，促進(jìn)銨態(tài)氮向微生物量態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，使有機(jī)氮含量升高。

如圖10所示，在堆肥過程中，TN呈下降的變化趨勢，說明氮素存在一定的損失。至試驗(yàn)結(jié)束，A、B、C、D堆肥全氮含量分別為8.56 g/kg、7.26 g/kg、6.91 g/kg、10.20 g/kg，與初始值比較分別減少了36.72%、48.89%、47.61%、19.98%。

圖9 堆肥中物料有機(jī)氮的變化Fig.9 Changes of organic nitrogen during composting

圖10 堆肥中物料全氮的變化Fig.10 Changes of TN during composting

可見，米糠、鋸末與蛋雞糞便堆肥氮素?fù)p失較大。t檢驗(yàn)表明，A組(米糠)與B組(鋸末)之間、C組(米糠-鋸末)與D組(鋸末)之間的全氮變化差異不顯著(P>0.05)。

3 討 論

堆肥過程中，微生物通過氨化作用分解有機(jī)氮產(chǎn)生氨氣，氨氣溶于物料形成銨態(tài)氮。銨態(tài)氮既可作為氮源被微生物同化利用，又可被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，也可發(fā)生反硝化脫氮損失或以氨形式揮發(fā)，這些過程受堆溫、pH、通氣條件等因素影響。本研究中，堆肥物料快速分解，銨態(tài)氮累積，在T>60℃、pH>8和T>70℃、pH>9時(shí)，快速下降，且堆溫、pH越高，降幅越大；硝化細(xì)菌的活性受抑制，阻礙銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化；當(dāng)堆體氧氣濃度>5%，微生物對銨態(tài)氮的固定作用明顯(轉(zhuǎn)化為微生物量態(tài)氮)。因此，本試驗(yàn)中，堆肥氮素轉(zhuǎn)化主要包括有機(jī)氮與銨態(tài)氮間的相互轉(zhuǎn)化以及銨態(tài)氮以氨形式的揮發(fā)。在堆肥過程中，未發(fā)現(xiàn)滲濾液產(chǎn)生，故氮素沒有通過滲濾液而損失；物料初始硝態(tài)氮含量極低，高溫和高pH同樣抑制反硝化細(xì)菌活動。因此，堆肥過程中，氮素?fù)p失主要是由銨態(tài)氮以氨形式揮發(fā)引起，這與黃向東等[13]報(bào)道一致。高溫、高pH促進(jìn)氨氣揮發(fā)；充足的氧氣可促進(jìn)銨態(tài)氮向微生物量態(tài)氮(有機(jī)氮)轉(zhuǎn)化，減少氮素?fù)p失。

本試驗(yàn)中，氮素轉(zhuǎn)化、損失與堆肥溫度、pH、O2等參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)主要受堆體結(jié)構(gòu)對堆肥氧氣供應(yīng)和有機(jī)質(zhì)分解的影響。有文獻(xiàn)報(bào)道，在好氧條件下，堆肥氨氣的最大釋放濃度遠(yuǎn)小于厭氧/好氧交替(嫌氣)條件下；曾光明等也指出，好氧堆肥過程中抑制缺氧，使堆肥生物代謝完全，可以有效減少氨氣排放[14]。因此，可以嘗試在米糠和鋸末中添加來源廣泛的秸稈類輔料，通過改善堆體結(jié)構(gòu)(容重)來減少氮素?fù)p失。

4 結(jié) 論

研究表明，堆肥過程中，銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化受抑制，氮素轉(zhuǎn)化以有機(jī)氮與銨態(tài)氮間的相互轉(zhuǎn)化以及銨態(tài)氮以氨氣形式揮發(fā)為主，銨態(tài)氮主要以氨氣形式揮發(fā)造成全氮損失。

氮素轉(zhuǎn)化與損失與堆肥溫度、pH、O2等環(huán)境參數(shù)有關(guān)，高溫、高pH促進(jìn)氨氣揮發(fā)；充足的氧氣可促進(jìn)銨態(tài)氮向微生物量態(tài)氮(有機(jī)氮)轉(zhuǎn)化。這些參數(shù)主要受堆體結(jié)構(gòu)對堆肥氧氣供應(yīng)和有機(jī)質(zhì)分解的影響。

至試驗(yàn)結(jié)束，蛋雞糞-米糠組與蛋雞糞-鋸末組全氮比初始值減少了36.72%和48.89%，蛋雞糞-米糠-鋸末組與蛋雞糞-鋸末組全氮比初始值減少了47.61%和19.98%，米糠、鋸末與蛋雞糞便堆肥氮素?fù)p失較大。因此，可以嘗試在米糠和鋸末中添加來源廣泛的秸稈類輔料，通過改善堆體結(jié)構(gòu)(容重)來減少氮素?fù)p失。

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