高 鵬，魯耀雄，崔新衛(wèi)，盧紅玲，聶新星，張 鴻，彭福元

（1. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所,湖北 武漢 430064；3. 湖南百威生物科技股份有限公司，湖南 瀏陽(yáng) 410318）

近年來，隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)生量急劇增加[1]。受運(yùn)輸和種養(yǎng)脫節(jié)等因素影響，畜禽糞便完全就地消納存在一定困難，于是部分地方政府出臺(tái)了限養(yǎng)區(qū)或禁養(yǎng)區(qū)政策，甚至出現(xiàn)了無豬縣（市），嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活。高溫堆肥是規(guī)模化處理畜禽糞便最常用且有效的方法[2-3]。但在條垛式或槽式這種開放式堆肥過程中，氨揮發(fā)是一個(gè)不容忽視的問題。一方面會(huì)造成嚴(yán)重的氮素?fù)p失，降低肥料養(yǎng)分含量；另一方面氨揮發(fā)是臭氣排放的主要原因，對(duì)環(huán)境造成了“負(fù)面效應(yīng)”[4]。因此，研究經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的堆肥保氮技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

不少學(xué)者對(duì)堆肥過程中減少氮素?fù)p失的方法開展了相關(guān)研究。雷平等[6]發(fā)現(xiàn)添加過磷酸鈣能有效減少豬糞堆肥過程中的氮素?fù)p失。He 等[7]、李波等[8]研究結(jié)果表明，添加生物炭有利于降低雞糞好氧堆肥過程的氨氣排放和氮素?fù)p失。徐鵬翔等[9]發(fā)現(xiàn)，在豬糞堆肥中加入5%（占鮮豬糞重）的腐殖酸有利于發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，有效控制氮素?fù)p失。然而，大部分研究針對(duì)的是單一添加劑的具體用量，而對(duì)不同添加劑保氮效果比較的研究較少。鑒于此，筆者以湖南當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)常見的豬糞、雞糞和菌渣為原料，選取過磷酸鈣、生物炭、腐殖酸3 種經(jīng)濟(jì)便利的添加劑，研究不同添加劑對(duì)畜禽糞便堆肥的保氮效果，旨在為篩選高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的堆肥添加劑提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2020 年5 月8 日至6 月15 日在湖南百威生物科技有限公司進(jìn)行。堆肥原料包括豬糞、雞糞和食用菌渣，均來源于瀏陽(yáng)市普跡鎮(zhèn)周邊養(yǎng)殖及種植業(yè)廢棄物。其中，含水量較高或體積較大的原料經(jīng)過晾干并破碎過篩。堆肥原料的理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原料理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4 個(gè)處理，分別為：CK，不添加調(diào)理劑；T1，添加5%（按物料鮮重計(jì)，下同）過磷酸鈣；T2，添加5%生物炭；T3，添加5%腐殖酸。每個(gè)處理3次重復(fù)。堆肥原料配比根據(jù)物料養(yǎng)分情況，按50%豬糞+20%雞糞+30%菌渣混合均勻，不同添加劑在堆料攪拌過程中均勻撒入，充分拌勻，調(diào)節(jié)堆體碳氮比約為25 ∶1，每個(gè)堆體總質(zhì)量控制在1 000 kg，堆成1.5 m 高的圓錐形堆進(jìn)行好氧發(fā)酵，分別在堆肥的第7 天、第14 天、第21 天和第28 天上午9：00 用鏟車和人工配合翻堆。

1.3 取樣與測(cè)定方法

取樣方法：每間隔7 d 取樣一次，在堆體上任意選取3 點(diǎn)，深度為距離堆體表面約30 cm，取樣約1 kg，充分混勻，然后將其分成2 份，一份鮮樣帶回實(shí)驗(yàn)室保存于冰箱，用于測(cè)定堆肥過程中pH 值變化；另一份置于通風(fēng)處自然風(fēng)干并粉碎過篩，用于測(cè)定堆肥處理不同時(shí)期銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全氮的含量以及種子發(fā)芽勢(shì)（GI）。

溫度測(cè)定：每天上午9：00 隨機(jī)在堆體3 個(gè)不同部位，用80 cm 長(zhǎng)的溫度計(jì)插入堆體約30 cm 處，待溫度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后記錄溫度，取同期3 點(diǎn)不同部位平均值為該堆體溫度。同時(shí)測(cè)定上午9：00 的室內(nèi)溫度，作為當(dāng)天的室內(nèi)溫度。

pH 值測(cè)定：取保存于冰箱中的新鮮樣品10 g（換算成干基），放入200 mL 廣口塑料瓶中，按1 ∶10（w/v）的比例加入去離子水，25℃振蕩30 min，然后靜止1 h，用pH 計(jì)測(cè)定。

養(yǎng)分含量測(cè)定：采用2 mol/L KCl 浸提-蒸餾法測(cè)定銨態(tài)氮，采用紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮，采用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測(cè)定全氮，采用釩鉬黃比色法測(cè)定全磷，采用火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）測(cè)定：準(zhǔn)確稱取堆肥風(fēng)干樣品25 g 于三角瓶中，加入250 mL 去離子水，置于搖床150 r/min 振蕩30 min，過濾后吸取濾液20 mL，加入到放有2 張濾紙的培養(yǎng)皿（直徑為9 cm）中，均勻放置20 顆大小均勻、顆粒飽滿的蘿卜種子，置于培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng)48 h 后，計(jì)算種子的發(fā)芽率，測(cè)定種子的根長(zhǎng)[10]。每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，以去離子水為對(duì)照。

1.4 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)公式（1）計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)（GI）。

式中：GT、LT、GCK和LCK分別代表處理發(fā)芽率（%）、處理根長(zhǎng)（cm）、對(duì)照發(fā)芽率（%）和對(duì)照根長(zhǎng)（cm）。

根據(jù)公式（2）計(jì)算氮素?fù)p失率（NL）。

式中：X0為堆體初始全氮（TN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Xi為堆肥結(jié)束時(shí)TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，M0為堆體初始干重（kg），Mi為堆肥結(jié)束時(shí)干重（kg）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SAS 8.1 軟件進(jìn)行整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加劑對(duì)畜禽糞便堆肥溫度的影響

堆肥過程中，溫度變化是發(fā)酵狀態(tài)的最直觀反映。從圖1 可以看出，不同處理的溫度變化因翻堆而呈現(xiàn)上升下降再上升的周期性變化。在堆肥早期階段（0～7 d），由于有機(jī)質(zhì)分解和代謝釋放熱量，各堆體溫度均迅速升高，在第6 天達(dá)到峰值，且均超過了55℃，表現(xiàn)為T3 ＞T2 ＞T1 ＞CK，說明3 種添加劑均在一定程度上提升了堆肥的溫度。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，堆肥過程中溫度維持在55℃以上超過3 d，可殺滅堆體中的病原體[11]。這表明該試驗(yàn)的4 個(gè)處理均達(dá)到了無害化的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 各處理堆肥過程中溫度的變化

2.2 不同添加劑對(duì)畜禽糞便堆肥pH 值的影響

堆肥過程中堆體pH 值變化受到微生物代謝活動(dòng)及代謝產(chǎn)物的影響，它決定著微生物生活環(huán)境和重金屬遷移情況[12]。由圖2 可知，各處理pH 值均在7.4～8.2之間，屬于中性或弱堿性，均滿足堆肥微生物生長(zhǎng)對(duì)pH 值的環(huán)境要求。pH 值在0～7 d 升高的原因可能是堆肥前期微生物快速生長(zhǎng)和繁殖，促使氮化合物加速分解，導(dǎo)致銨態(tài)氮和氫氧根離子增加，pH 值升高[13]。隨著堆肥進(jìn)程加快，有機(jī)質(zhì)降解成有機(jī)酸，堆體中氮素的氨化作用減弱，pH 值逐漸降低。后期pH 值升高的原因可能是堆體內(nèi)蛋白質(zhì)或有機(jī)氮的礦化和有機(jī)酸的消耗加劇所致[14]。堆肥35 d 后，不同處理堆體的pH值各不相同，均呈弱堿性，且T2 ＞CK ＞T3 ＞T1。

圖2 各處理堆肥過程中pH 值的變化

2.3 堆肥過程的銨態(tài)氮變化

堆肥過程中銨態(tài)氮含量與氨氣的釋放密切相關(guān)，是氮素?fù)p失的主要來源[15]。由圖3 可知，不同處理銨態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)基本一致，即先增加后降低再緩慢增加，且各堆體銨態(tài)氮含量都是在高溫期增加最快，在降溫期和腐熟期含量降低。這主要是由于隨著堆體溫度的升高，含氮有機(jī)物不斷降解，產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，當(dāng)堆肥進(jìn)入穩(wěn)定期后，可降解的氮素逐漸減少，加上銨態(tài)氮向硝態(tài)氮或有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，其含量逐漸下降。在整個(gè)堆肥過程中，T1 處理的銨態(tài)氮含量始終高于CK，堆肥結(jié)束后各處理氨態(tài)氮含量由高到低依次為T1 ＞T2 ＞CK ＞T3，說明添加過磷酸鈣和生物炭均能增加堆肥的銨態(tài)氮含量，且過磷酸鈣的效果更明顯。

圖3 各處理堆肥過程中銨態(tài)氮含量的變化

2.4 堆肥過程的硝態(tài)氮變化

如圖4 所示，從堆肥開始到第7 天翻堆，硝態(tài)氮含量的增加可能是堆肥初期在微生物作用下，硝化作用逐漸增強(qiáng)所致。進(jìn)入高溫階段后（7～14 d），堆體溫度升高，抑制了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，硝化作用減弱，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量降低。堆肥第21 天至堆肥結(jié)束，堆體溫度逐漸降低，硝化作用加強(qiáng)，銨態(tài)氮逐步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮含量繼續(xù)增加。堆肥35 d 后，添加過磷酸鈣（T1）處理的硝態(tài)氮含量最高，為1.9 g/kg，較CK 增加0.1g/kg，而T2、T3 處理的硝態(tài)氮含量分別比CK 低0.2、0.1g/kg。這表明堆肥過程中添加過磷酸鈣（T1）提高了堆體的硝態(tài)氮含量，添加生物炭（T2）和腐殖酸（T3）降低了堆體的硝態(tài)氮含量。

圖4 各處理堆肥過程中硝態(tài)氮含量的變化

2.5 堆肥過程的全氮變化

全氮含量是判斷堆肥品質(zhì)和肥效的重要指標(biāo)。如圖5 所示，各處理全氮含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在堆肥初期，全氮含量增加可能與有機(jī)質(zhì)的大量分解相關(guān)，各處理堆體全氮含量均在第7 天達(dá)到頂峰，表現(xiàn)為T1 ＞CK ＞T3 ＞T2。隨著堆肥過程的推進(jìn)，全氮含量逐漸降低，可能與不同處理氨揮發(fā)和氮素?fù)p失有關(guān)。與CK 相比，過磷酸鈣（T1）、生物炭（T2）、腐殖酸（T3）處理在堆肥的中后期（14～35 d），全氮含量均高于對(duì)照，表現(xiàn)為T1 ＞T2 ＞T3 ＞CK。分析堆肥前后的氮素?fù)p失率（圖6）可知，各處理保氮效果排列依次為T1 ＞T2 ＞T3 ＞CK；其中，過磷酸鈣（T1）保氮效果最好，氮素?fù)p失率低至20.67%，較CK 減少了12.07 個(gè)百分點(diǎn)。

圖5 各處理堆肥過程中總氮含量的變化

圖6 堆肥結(jié)束后各處理的氮素?fù)p失率

2.6 堆肥過程的種子發(fā)芽指數(shù)變化

堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)（GI）是評(píng)價(jià)堆肥成熟度的重要生物指標(biāo)之一[16]。一般來說，GI 值大于80%表明堆肥已經(jīng)腐熟[17]。如圖7 所示，隨著堆肥過程的推進(jìn)，發(fā)芽指數(shù)逐漸增加；且堆肥結(jié)束時(shí)，T1、T2，T3 處理堆體的發(fā)芽指數(shù)均高于CK；其中，T1、T3 處理在第28 天發(fā)芽指數(shù)已經(jīng)超過80%，T2、CK處理在第35 天也達(dá)到腐熟程度，說明T1、T3 有利于加快堆體的腐熟。堆肥結(jié)束后（35 d），T1 處理發(fā)芽指數(shù)最高，GI 值達(dá)到98%，較CK（82%）增加16 個(gè)百分點(diǎn)，其次為T3、T2 處理，分別為96%和89%，均高于CK。以上結(jié)果表明各添加劑均能提高堆肥發(fā)芽指數(shù)，以過磷酸鈣的處理效果最佳。

圖7 各處理堆肥樣品對(duì)蘿卜種子的種子發(fā)芽指數(shù)

3 討 論

堆肥需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和微生物轉(zhuǎn)化，包括水解、蛋白酶解、氨化、硝化、碳礦化、腐殖質(zhì)化[18]。在堆肥過程中，氮的轉(zhuǎn)化主要包括氮的固定與釋放2 個(gè)方面。一般而言，堆肥結(jié)束后，由于有機(jī)氮的礦化、氨氣的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化都可能造成堆體的氮素?fù)p失[19]。堆肥過程可以分為初始升溫、高溫發(fā)酵和降溫腐熟3 個(gè)階段。

在堆肥過程的初始升溫階段，微生物迅速繁殖，在其作用下有機(jī)質(zhì)礦化為簡(jiǎn)單的蛋白質(zhì)并釋放出氨氣。在此階段，由于有機(jī)質(zhì)的礦化、堆體質(zhì)量的損失，全氮和有機(jī)氮濃度增高。在堆肥開始的一周內(nèi)，堆體有機(jī)質(zhì)降解進(jìn)程加速，礦化作用強(qiáng)烈，銨態(tài)氮達(dá)到最大濃度，隨后逐漸降低[20]，這與該研究的結(jié)果一致。與此同時(shí)，大量銨態(tài)氮的產(chǎn)生，可能會(huì)在短期內(nèi)抑制微生物的活動(dòng)，阻礙微生物繁殖，并且隨著可供降解的有機(jī)質(zhì)減少，有機(jī)質(zhì)的降解速度也開始減緩。

在堆肥的高溫階段，堆體水溶性銨態(tài)氮濃度達(dá)到最高值，pH 值也達(dá)到最高。由于溫度過高，抑制了硝化反應(yīng)，這個(gè)階段氨氣揮發(fā)也很強(qiáng)烈。在堆肥的2～3 周，堆體銨態(tài)氮含量開始降低，pH 值也開始持續(xù)降低。只有溫度低于40℃，硝化反應(yīng)才能完全進(jìn)行，同時(shí)其反應(yīng)進(jìn)程也依賴于硝化細(xì)菌可利用的銨態(tài)氮數(shù)量。

在堆肥的腐熟階段，溫度逐漸穩(wěn)定，并出現(xiàn)一定幅度的降低，此時(shí)，銨態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，導(dǎo)致堆體中銨態(tài)氮含量持續(xù)降低、硝態(tài)氮含量持續(xù)升高。

研究比較了3 種添加劑對(duì)堆肥過程中氮轉(zhuǎn)化的影響，過磷酸鈣在堆肥體系中溶解產(chǎn)生H+，降低了堆肥過程的pH 值，減少堿性環(huán)境條件下NH3的揮發(fā)；另一方面H+可以與NH3發(fā)生反應(yīng)，生成磷酸銨和硫酸銨，發(fā)揮保氮作用。但是，堆肥過程中不能大量使用過磷酸鈣，否則會(huì)導(dǎo)致堆肥物料過酸，進(jìn)而影響堆肥進(jìn)程。生物炭呈堿性，應(yīng)用在堆肥物料中，可以有效地吸附硝態(tài)氮與NH3，減少物料中NH3的揮發(fā)[21]。此外，生物炭為硝化細(xì)菌提供了良好的微環(huán)境，對(duì)氮轉(zhuǎn)化（銨態(tài)氮進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮）有積極影響[22]。腐殖酸呈弱酸性，可以調(diào)節(jié)堆體的pH 值，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，加快堆體的腐熟，控制堆肥過程中氮素的損失[9]。

過磷酸鈣、生物炭和腐殖酸分別添加到豬糞-雞糞-菌渣的堆肥體系中，均能增加堆體的全氮含量，減少氮素?fù)p失，有一定的保氮效果，且堆肥過程中高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可以滿足堆肥無害化的要求。堆肥中添加過磷酸鈣和生物炭，均能增加堆肥的銨態(tài)氮含量，而添加腐殖酸則會(huì)降低堆體銨態(tài)氮含量；添加過磷酸鈣可增加硝態(tài)氮含量，而添加生物炭和腐殖酸均會(huì)降低堆體硝態(tài)氮含量。3 種添加劑均提高了堆體的全氮含量，以過磷酸鈣處理保氮效果最好，氮素?fù)p失率低至20.67%，較CK 減少了12.07 個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，3種添加劑均提高了堆體對(duì)蘿卜種子的發(fā)芽指數(shù)，以過磷酸鈣處理效果最明顯，堆制35 d 時(shí)GI 值達(dá)到98%，比對(duì)照處理高出16 個(gè)百分點(diǎn)。另外，添加過磷酸鈣和腐殖酸對(duì)加快堆體腐熟也有一定作用，這2 個(gè)處理的堆肥堆制28 d 時(shí)發(fā)芽指數(shù)就超過了80%，達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

在豬糞-雞糞-菌渣堆肥過程中添加5%的過磷酸鈣、生物炭、腐殖酸，均可增加堆肥的全氮含量，提高堆肥對(duì)蘿卜種子的發(fā)芽指數(shù)，對(duì)降低氮素?fù)p失、加快堆肥進(jìn)程也有一定效果；其中，以添加過磷酸鈣的效果最佳，氮素?fù)p失率低至20.67%；同時(shí)，添加過磷酸鈣和腐殖酸還能加快堆體腐熟。綜合考慮堆肥保氮效果及腐熟時(shí)間，添加物料鮮重5%的過磷酸鈣是提升豬糞-雞糞-菌渣堆肥保氮效果的理想材料。