堆体规模对牛粪堆肥氨气和温室气体排放的影响

朱海生，左福元，董红敏，栾冬梅，袁 丰，饶 骏

(1 西南大学 荣昌校区动物科学系，重庆 402460； 2 中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所，北京100081;3东北农业大学 动物科学技术学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

堆肥是处理固体粪便的常用方法，新鲜粪便经堆肥后，可以实现粪便无害化，并使其中的养分更利于作物吸收与利用。然而，堆肥过程中会产生大量的氨气和温室气体(N2O、CH4、CO2)，不仅造成养分含量降低，而且会带来环境问题。氨气会导致自然生态系统的酸化和富营养化[1]，甲烷和氧化亚氮具有较高的全球增温潜势，根据IPCC报道，在100 年尺度上，甲烷和氧化亚氮的全球增温潜势分别是二氧化碳的28和265倍[2]。

目前，针对堆肥过程中氨气和温室气体排放已进行了一些相关的研究，通过控制初始含水率[3-4]、碳氮比[5-6]、翻堆频率和通风率[7-9]及添加外源添加剂[10]等方法，可以达到控制气体排放的目的。从现有的研究结果看，由于粪便性质、处理工艺、测量方法以及气候等因素的影响，研究结果差异较大，甚至出现相反的结论，而且目前尚缺乏关于牛粪便堆体规模与气体排放关系的研究报道[11]。为此，本试验通过使用不同量的牛粪，研究不同堆体规模对牛粪堆肥过程中氨气和温室气体排放的影响，以期为氨气和温室气体减排提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 堆肥设置

试验在西南大学荣昌校区实训基地干粪处理场内进行。试验于2016-05-13开始，至2016-06-17结束，试验期为35 d。试验用牛粪来自重庆市荣昌区某规模化牛场，将牛粪与锯末充分混合，调整含水率约为66%，放置于气体排放连续测量系统的发酵棚内(图1)堆积成堆体。3个处理牛粪与锯末混合物的总质量分别为109.24，217.52和429.53 kg，分别用W100、W200和W400表示，相应堆体高度分别为0.52，0.59和0.85 m，直径分别为1.07，1.39和1.60 m。分别在堆肥后的4，7，11，14，18，21，25，28和32 d，由人工进行翻堆。环境温度和堆体中心温度由温度记录仪(ZDR-31)每小时记录1次。

1.发酵棚；2.堆体；3.风机；4.多点采样器；5.气体分析仪；6.电脑；7.进气采样点；8.出气采样点；9.特氟龙管；10.温度记录仪1.Chamber；2.Composting pile；3.Blower；4.Multipoint sampler；5.Gas-Monitor；6.Computer；7.Inlet air sampling point;8.Exhaust air sampling point；9.Teflon tube；10.Temperature recorder

1.2 气体测量

牛粪发酵过程中氨气和温室气体排放的测量参考Fukumoto等[11]的方法，采用连续在线测量系统(图1)进行测量，该测量系统由发酵棚、 INNOVA 1412i多种气体分析仪、INNOVA 1409-24多点采样器和电脑组成。

发酵棚用于容纳堆体，由不锈钢和PVC材料制作而成，发酵棚上部锥体高度为0.5 m，下部长、宽和高分别为3，3和2 m，总容积为19.5 m3。新鲜空气由发酵棚底部进入，通过负压风机经通风管(直径100 mm)将气体从发酵棚顶部排出，通风率为165 m3/h，相当于每小时换气约8.5次，考虑到堆体质量较小，通风率的设置较前人研究略小[11]。

进气口采样点设置在发酵棚的外侧底部，出气口采样点设置在负压风机前，各采样点气体分别经特氟龙管(直径4 mm)输送到INNOVA 1409-24多点采样器(LumaSense Technologies A/S,Ballerup,Denmark)，由INNOVA 1412i多种气体分析仪(LumaSense Technologies A/S,Ballerup,Denmark)对氨气、氧化亚氮、甲烷和二氧化碳质量浓度进行分析，每小时1次，该仪器对NH3、N2O、CH4和CO2的检测下限分别为0.14，0.05，0.13和9.15 mg/m3。

各种气体的排放速率由排风口与进风口的气体质量浓度差异和通风率计算，计算公式为：

E=(Coutlet-Cinlet)×VR。

(1)

式中：E为气体排放速率，mg/h；Coutlet为排风口的气体质量浓度，mg/m3；Cinlet为进风口的气体质量浓度，mg/m3；VR为通风率，m3/h。

1.3 固体成分分析

试验开始前和结束后分别称量堆体质量，充分混合后采集500 g堆肥样品烘干后于实验室内分析其理化性质。采用真空烘箱法(GB/T 8576-2010)测量水分质量分数；采用消化-蒸馏-滴定法(NY 525-2012)测量总氮含量；采用重铬酸钾容量法(NY 525-2012)测量总有机碳含量；采用紫外分光光度法(NY/T 1116-2014)测量硝态氮含量；采用蒸馏滴定法测量(NY/T 1116-2014)铵态氮含量。

2 结果与分析

2.1 牛粪堆肥理化性质和温度变化

堆肥开始前和结束后堆肥的理化性质(干基)如表1所示。由表1可以看出，堆肥结束后，3种堆体规模处理的堆体质量降低了55.13%～55.65%，主要是由于水分蒸发和干物质分解所致。各堆体干物质降低了33.90%～37.04%，干物质降低率随堆体增大而增加，但各处理间无显著差异，这与Fukumoto等[11]的研究结果相近，但高于Hao等[12]的研究结果，可能与堆肥管理措施不同有关。总有机碳、总氮和铵态氮的含量都呈现一定程度的下降，但各处理之间并无显著差异。总有机碳含量减少了111.61～120.45 g/kg，主要是因为堆肥过程中有机质的分解和含碳气体排放导致有机碳含量降低。总氮含量下降了1.74～2.34 g/kg，铵态氮含量下降了0.80～1.09 g/kg，而硝态氮含量增加了1.06～1.31 g/kg，但各处理之间无显著差异，可能是由于堆肥过程中有机物质的分解、氨气的排放以及铵态氮的硝化作用所导致，这与贾兴永[13]的研究结果相一致。

表1 堆肥初始和结束时堆肥材料的性质Table 1 Characteristics of initial and final composting materials

图2显示了堆肥过程中环境温度和堆体中心温度的变化趋势。由图2可见，整个试验期的平均环境温度为(25.10±3.77) ℃，最高为35.3 ℃，最低为17.5 ℃。堆肥初期，较小的堆体升温速度较快，这可能是因为较小的堆体氧气供应充分，促进了好氧微生物的活动，因而堆体温度上升较快；而较大堆体内部的氧气供应不足，因而温度上升较慢。各堆体中心温度在第1次翻堆(第4天)后迅速接近60 ℃，并持续一段时间，各堆体最高温度在70 ℃ 左右。堆体规模越大，高温持续时间越长，W100、W200 和 W400 处理堆体中心温度分别在堆肥的第15,23和29天降到40 ℃ 以下，此后不再上升。

图2 牛粪堆肥过程中环境和堆体内温度的变化Fig.2 Change of pile temperature and air temperature during composting

2.2 氨气的排放

堆体建成后，立即进行气体排放的测量，每小时测量1次，结果如图3所示。图3显示，3个堆体规模处理的氨气排放模式总体相似，氨气的排放主要集中在堆肥的前2周，主要是因为易降解有机物的快速分解导致排放的氨气质量浓度较高，这与之前的一些研究结论[8,11,14-16]相一致。本试验中，除W100处理氨气排放在堆肥的第4天后达到排放高峰外，其余2个处理都是在堆肥7 d后达到最大值，排放的氨气质量浓度随堆体规模增大而增加，W100、W 200 和W 400处理的氨气质量浓度峰值分别为8.49，17.01和30.60 mg/m3，此后呈高低波动下降趋势，到试验的第3周之后，氨气一直处于较低的排放水平。试验结束时，各处理组NH3-N总排放量分别为84.89～455.65 g，分别占初始堆肥总氮的12.59%～17.44%(表2)。这一数据高于Szanto等[17]的试验结果(2.5%～3.9%)，但低于Jiang等[7]的试验结果(20%～39%)，产生差异的原因可能与使用的材料、粪便性质及堆肥方式的不同有关。从表2可以看出，NH3-N的排放率随堆体规模的增加而增大(P<0.05)，Fukumoto等[11]使用猪粪堆肥的试验也得出相似结论。由于较大的堆体高温时间持续较长，高温能够提高氨化微生物的活性，对氨化作用可能有较大的促进作用，因而导致氨气排放量增加。

图3 牛粪堆肥过程中氨气的排放模式Fig.3 Emission pattern of NH3 during cattle manure composting

2.3 氧化亚氮的排放

由图4可以看出，与氨气排放模式不同，堆肥过程中排放的氧化亚氮质量浓度在堆肥前期较低，排放高峰出现在堆肥的第2周之后，也就是氨气排放开始下降之后。早期的研究结果证明，大多数硝化和反硝化微生物是嗜温微生物，因此，在温度高于40 ℃时，氧化亚氮的生成会被抑制[18-19]。此外，早期较高的氨气质量浓度也抑制了硝化作用的进行[20]，这与Fukumoto等[11]的研究结论相符合。然而，有研究发现在高温条件下氧化亚氮也会被生成[17,21]，其具体机理与原因还有待于进一步研究。每次翻堆后，氧化亚氮都会出现一个排放高峰，前人的研究[4-5,7,11,22]也观察到了这一点，这是由于在每次翻堆后，堆体表层好氧部分产生的硝态氮被转移到堆体内部，由于微生物的反硝化作用导致氧化亚氮的生成，因此，在每次翻堆后氧化亚氮会出现排放高峰。至试验结束时，各处理组N2O-N总排放量达到22.18～120.62 g，占堆肥初始总氮的3.29%～4.62%(表2)，N2O-N排放率随堆体规模的增大而增加(P<0.05)，Fukumoto等[11]的研究也证实了这一点，可能是由于较大的堆体可产生较大的厌氧部分，导致氧化亚氮排放的增加。Osada等[15]的研究发现，较小的通风率会增加氧化亚氮的排放。

表2 不同堆肥处理氨气、氧化亚氮、甲烷和二氧化碳的排放情况Table 2 Emissions of NH3,N2O,CH4 and CO2 during composting under different treatments

注：1.同列数据后标不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.氨气和氧化亚氮排放率指的是占初始堆肥总氮的百分比；甲烷和二氧化碳排放率指的是占初始总有机碳的百分比。

Notes：1.Different letters in each column indicate significant differences among treatments (P<0.05),same as below.

2.The emission rate of each gas was calculated based on one kilogram total nitrogen in the initial fresh manure for NH3and N2O,and one kilogram of total organic carbon in the initial fresh manure for CH4and CO2.

图4 牛粪堆肥过程中氧化亚氮的排放模式Fig.4 Emission pattern of N2O during cattle manure composting

2.4 甲烷的排放

甲烷的生成是在一系列微生物的连续作用下完成的[23]。堆体内部较低的氧气含量、较高的易降解有机物质和水分含量都有利于微生物的活动，促进甲烷的排放[24-25]。由图5可知，各处理组甲烷的排放主要集中在堆肥的前期，随着堆肥时间的增长，排放的甲烷质量浓度呈波动下降趋势，本研究甲烷的排放模式与之前的研究结果[7,11,15,26]类似。由于甲烷的产生主要是在厌氧条件下进行的，堆肥前期易降解有机物质的大量分解会导致堆体内部氧气含量的迅速下降，因此堆肥前期产生的甲烷较多。而随着堆肥的腐熟，堆体内部厌氧部分会逐渐减少，甲烷排放也随之降低[27]。各处理组CH4-C总排放量达到45.66～229.50 g，占初始总有机碳的0.31%～0.41%(表2)，与较小的堆体比较，较大堆体的CH4-C排放率较大(P<0.05)。这是因为较大堆体内部厌氧部分增大，甲烷产生量也随之增大。之前的一些研究[7-8,14-17]也证明，较小的通风率或翻堆频率会减少堆体内部氧气的供应，从而促进甲烷的排放。然而，也有研究[9,28]得出相反的结论，即翻堆频率或者通风率增加导致甲烷排放增多，这可能是试验过程中的温度和人为干预影响所致。

2.5 二氧化碳的排放

相对于动物呼吸来说，粪便排放的二氧化碳被认为是可以忽略不计的[29]。然而一些研究指出，粪便排放的二氧化碳达到动物呼出二氧化碳的4%～5%，甚至更高[24-25，30]。因此，本试验对堆肥过程中二氧化碳排放进行了测试。从图6可以看出，二氧化碳的排放主要集中在堆肥前期，而堆肥后期的排放较弱，堆肥初期较多的易降解有机碳会导致排放的二氧化碳质量浓度增大，后期则主要因难降解的有机物代谢率低，使得二氧化碳的排放量较低[31-32]。因为固体粪便二氧化碳来源主要是有机物质的好氧分解[20]，堆肥过程中水分含量和易降解有机碳源都会影响CO2的排放[33-34]。整个试验期，各处理组CO2-C总排放量达到4.13～10.53 kg，占初始总有机碳的20.70%～30.98%(表2)，这与之前的研究结果相近，如Jiang等[6]使用猪粪堆肥的研究结果表明，有23.9%～45.6%的有机碳以CO2形式损失。本研究表明，W400处理组显著高于其他2个处理组(P<0.05)，虽然W200处理组与W100处理组无显著差异(P>0.05)，但W200处理组二氧化碳排放率较小，较小的堆体产生较大的二氧化碳排放率，这可能是由于较小堆体氧气供应相对充足，堆体中有机碳降解得更加充分，从而导致其二氧化碳排放量的增加。

图5 牛粪堆肥过程中甲烷的排放模式Fig.5 Emission pattern of CH4 during cattle manure composting

图6 牛粪堆肥过程中二氧化碳的排放模式Fig.6 Emission pattern of CO2 during cattle manure composting

2.6 温室效应

根据CH4和N2O在100年尺度上的增温潜势分别为CO2的28和265倍[2]，据此可以得出每千克堆肥CH4和N2O排放量的CO2当量。此外，考虑到沉降的NH3-N会有1%转化为N2O-N[35]，所以先将NH3-N转化为N2O-N后再按式(2)进行计算，从而可以计算出每千克堆肥总的温室气体排放量。

ECO2eq=ECO2+28ECH4+

265(EN2O+0.01ENH3-N×44/28)

(2)

式中：ECO2eq为总温室气体排放量以(CO2计)，g/kg；ECO2为CO2累积排放量，g/kg；ECH4为CH4的累积排放量，g/kg；EN2O为N2O的累积排放量，g/kg；ENH3-N为NH3-N的累积排放量，g/kg。

3种不同堆体规模处理总温室气体排放量如表3所示。由表3可以看出，各处理单位质量堆肥总温室气体排放量为241.20～257.36 g/kg，随着堆体增大，单位质量牛粪的温室气体排放量呈减少趋势，其中二氧化碳占总温室气体排放量的41.62%～60.93%，氧化亚氮占总温室气体排放量的32.85%～48.48%，甲烷和氨气占温室气体排放量的比例较小。

表3 不同堆肥处理总温室气体排放量的比较Table 3 Comparison of total greenhouse gas emissions under different composting treatments

3 结 论

通过35 d 不同规模的牛粪堆肥试验，得出以下结论：

1)氨气、甲烷和二氧化碳的排放主要集中在堆肥前期，而氧化亚氮的排放集中在堆肥中后期。

2)单位质量堆肥的NH3-N、N2O-N和CH4-C排放量随着堆体规模的增大而增大，而CO2-C排放量随着堆体规模的增大而减小。

3)随堆体规模增大，牛粪堆体堆肥过程中的总温室气体排放量呈降低趋势，其中二氧化碳和氧化亚氮占总温室气体排放量的比例较大，甲烷和氨气占总温室气体排放量的比例较小。

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