添加不同粒径炭基辅料改善猪粪好氧堆肥质量的效果

王海候，何 胥，陶玥玥，金梅娟，陆长婴，施林林，周新伟，沈明星※

（1. 江苏太湖地区农业科学研究所/农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，苏州 215155；2. 江苏省安丰生物源农药工程中心有限公司，太仓 215400）

0 引 言

好氧堆肥是实现畜禽粪便无害化和资源化利用的一项重要技术途径。自然状态下，大部分畜禽粪便含水率较高（≥75%）、碳氮比低、结构性差，在实际堆肥中，需添加一定量的辅料调节堆肥体的含水率、碳氮比及通气性，促进好氧堆肥的有效进行[1-3]；另外，好氧堆肥有机质降解转化过程，会释放大量含氮气体（NH3、N2O等），导致堆体氮素养分流失[4-5]，造成环境污染及有机肥农用价值降低[6]，添加辅料可缓解或减轻堆肥工程中氮素损失及有害气体排放，提高堆肥质量与处理效率[7]。国内外有关堆肥辅料的研究已有许多报道，一致认为辅料是快速堆肥必不可少的添加材料[8-11]。目前，从辅料是否参与发酵过程的角度，将辅料分为活性和惰性两类[12]；活性辅料如秸秆、木屑、菌渣、生物质炭、回流堆肥[13-16]等，主要用于调节堆肥物料碳氮比，但在改善堆体结构方面的作用不明显[12]；惰性辅料如粉煤灰、沸石、矿渣、合成调理剂（塑料）、CTB调理剂[17-19]等，可以有效改善堆体结构，自身不被降解，回收利用率高，缺点是不能调节物料碳氮比[17]。为实现堆肥辅料兼备调节堆肥物料化学性质、改善堆体结构的多样性功能，笔者所在课题组利用树枝等生态林地废弃物，采用生物质炭化设备，通过生物质非充分炭化方法（即生物质表层充分炭化，而内部不完全炭化），创制了一种炭基辅料，该堆肥辅料呈粒块状，表层为生物质炭，内部仍然为木质化结构。为探讨炭基辅料在堆肥中的应用效果，本文将炭基辅料与猪粪、食用菌渣混合，采用模拟堆肥的方法，比较了 2种不同粒径炭基辅料对堆肥温度、氮素损失、种子发芽指数等指标的影响，以期为堆肥质量的提高及堆肥工艺的改进提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

猪粪取自太仓市浮桥镇当地民营养猪场，总有机碳质量分数为33.7 g/kg、总氮质量分数为2.64 g/kg、含水率为79.1%。食用菌渣取自太仓市四季食用菌有限公司，总有机碳质量分数为49.41 g/kg、总氮质量分数为1.03 g/kg、含水率为44.5%，菌包去除塑料袋后，机械粉碎并进行3～5 mm过筛、备用。2种不同粒径（1～2、6～7 cm）炭基辅料由项目组自制，原材料为园林废弃修剪树枝，由常熟市园林住建局提供；1～2 cm 炭基辅料选择直径 1～2 cm的废弃树枝进行长度1～2 cm的切割，6～7 cm的炭基辅料选择直径6～7 cm的废弃树枝进行长度6～7 cm的切割；然后分别置于裂解炉中（由张家港天源机械厂提供），在 650～750 ℃高温、无氧条件下进行不完全裂解处理，裂解时间为75～105 min，最后冷却、备用。制备的炭基辅料见图1a。

图1 炭基辅料及堆肥反应器示意图Fig.1 Carbonaceous amendment and schematic of composting reactor

1.2 试验装置

1.2.1 堆肥反应器

如图1b所示，反应器呈立方体箱形，采用厚度为2 cm的PVC板，通过塑料焊条拼装而成。反应器底部靠近边角处安装4个活动轮（高度为25 cm）；底面为边长100 cm的正方形，均匀分布直径为2 cm的圆形通气孔若干，通气孔面积总和约为底部面积的1/3；为方便堆肥物料的装卸操作，反应器箱壁为方环体，分为 3层，每层环状箱体的边长为100 cm、高度33.3 cm，为保证箱壁的密封性，采用层层镶嵌的方式叠起，形成一个立方体形堆肥箱；每层箱壁覆盖海绵（厚度为15 mm）及铝箔胶带，在每层箱壁正中间布置1个测温孔（直径2 cm），反应器顶部无盖。反应器堆肥时，安装底部第1层，装料完成后，再安装第 2层并装料，依次向上；当翻堆卸料时，取下顶部第1层并铲下物料，再进行第2、3层，依次向下操作。

1.2.2 NH3挥发收集装置

NH3挥发收集装置[20]：底部为圆环形槽状底座（高8 cm、槽深3 cm、圆环内径18 cm、圆环外径22 cm）；中部为开口向下的圆柱形透明有机玻璃箱（直径为20 cm，高度30 cm），玻璃箱内部放置一个250 mL的玻璃烧杯，玻璃箱顶部设有 1个通气孔；上部为通气孔与乳胶软管连接，乳胶软管向上延伸至2.5 m高。

1.2.3 N2O气体采集装置

N2O气体采集装置：底部为方环形槽状底座（高8 cm、槽深3 cm、方环内边长18 cm、方环外边长22 cm）；上部是一个开口向下的长方体箱体（长 20 cm、宽20 cm、高30 cm，容积为12 L），采用厚度为1 cm的PVC板，通过塑料焊条拼装而成; 在箱体其中一面的2/3高度正中间设置一个取气孔，取气孔用色谱级软胶垫进行密封处理；箱体外表用铝箔胶带进行覆盖处理。

1.3 试验设计

控制堆肥体C/N为20～25，尽可能采用炭基辅料替代常规辅料。试验设3个处理，分别用CK、B1、B2表示。CK为对照处理，即将猪粪与常规辅料（食用菌渣）混合物直接进行堆制；B1、B2为添加2种粒径的炭基辅料处理，即在对照基础上分别将粒径1～2、6～7 cm的炭基辅料替代60%的常规辅料（体积比）；每个处理重复3次。

1.4 试验方法

试验于2016年5月—7月，在太仓绿丰有机肥料有限公司进行。堆肥采用静态堆置高温好氧发酵的方法。CK处理的堆制方法为：将猪粪与辅料按体积比1∶1进行充分混合，即900 kg猪粪与540 kg食用菌渣充分混匀；B1处理的堆制方法为：900 kg猪粪与216 kg食用菌渣、237 kg炭基辅料（1～2 cm粒径）充分混匀；B2处理的堆制方法为：900 kg猪粪与216 kg食用菌渣、195 kg炭基辅料（6～7 cm粒径）充分混匀。上述3个处理的混合堆肥体控制堆肥体水分65%～70%，每个处理的堆肥物料按等量均分为3份，分别装入3个堆肥反应器内（3次重复），称量每个堆肥反应器内物料质量。当堆体温度超过75 ℃时或每隔7 d左右翻堆1次，采用人工将箱内物料全部取出，充分混合并称量每堆体物料质量后再次装箱；堆肥结束后，称量堆肥物料的最终质量。

1.5 测定指标及方法

1.5.1 堆 温

堆肥过程中，每天 10:00或 16:00左右，用长度为60 cm的红水温度计，插入堆肥体约30 cm深处测定堆温，每堆体分布3个测定点，直至堆肥结束，同时测定气温，并按日期记录温度数据。

1.5.2 堆肥物料理化性状

分别于堆制后第 1、3、8、14、21、30 天，每个堆肥反应器内多点取堆肥混合样品 2 kg，带回实验室。堆肥样品在实验室内分成3份：一份采用105 ℃烘干法测定堆肥样品的水分，一份制取新鲜样品的浸提液，一份置于阴凉处进行风干处理。浸提液的制取方法为：称取鲜样40 g放入塑料瓶中，加400 mL去离子水，盖紧瓶盖后置于振震器内（150 r/min），振荡浸提30 min后过滤，收集滤液并作好标记。浸提液测定铵态氮、硝态氮（SKALA流动分析仪）、pH值（Inolab 720 pH计）、EC（DDS-11A电导率仪）等。风干的堆肥样品进行100目粉碎后，测定全氮（浓硫酸-双氧水消煮、凯氏定氮法）、有机碳（浓硫酸-重铬酸钾外加热，硫酸亚铁滴定法）、灰分（马弗炉550 ℃灼烧法，仅测定了第1天与第30天采集的样品）。

1.5.3 氨挥发速率

堆肥开始后，将装有50 mL 质量分数为2%硼酸吸收液的玻璃烧杯，放入氨挥发收集装置内，每天观察装置内硼酸的颜色变化，若颜色由红变绿，则需置换硼酸溶液，置换下来的硼酸溶液用保鲜膜盖好，带回实验室立即用稀硫酸（0.05 mol/L）溶液进行滴定分析，并记录稀硫酸用量，直至堆肥结束。

1.5.4 氧化亚氮排放通量

采用静态气体采集箱-气相色谱法。分别于堆肥开始后1、3、8、14、21、30 d进行N2O气体样品采集与测定。于 9:00～11:00，各处理反应器上安装气样采集箱底座，盖上气体采集箱，水密封，于0、10、20、30 min后分别用针筒抽气50 mL，转移至100 mL铝箔气样袋，待分析。每个反应器重复 3次。利用气相色谱仪（岛津GC-14B）测定气样中N2O的浓度。

1.5.5 种子发芽指数

取堆肥后第21、30天的浸提液，待用。将一张大小合适的滤纸放入干净无菌的培养皿（直径9 cm）中，滤纸上整齐摆放20粒小白菜种子，准确吸取8 mL浸提液于培养皿中，在25 ℃、黑暗条件下培养72 h，测定小白菜种子的发芽率和根长，同时用去离子水做空白对照。

1.5.6 炭基辅料回收率

堆肥结束后，将堆肥物料进行过筛处理（2 cm孔径），计量辅料的干基质量，计算回收率。过筛后的炭基辅料回收、备用，堆肥制品进入有机肥的后期处理工序。

1.6 计算方法

1）堆肥积温[21]：T总（℃·h）=Σ（Ti-T0）×Δt，式中Ti为i时间的堆温，℃；T0为堆肥中微生物大量繁殖时的起始温度（生物学零度），℃；Δt为Ti持续的时间，h；以15 ℃作为堆肥反应的生物学零度。

2）氨挥发累积量[20]：堆肥过程中每天氨挥发量的总和。ANH3累积挥发量（mg/kg）= ANH3挥发量1+ ANH3挥发量2+…+ANH3挥发量t；其中 ANH3挥发量为单日的氨挥发量，mg/kg；t为堆肥天数，d。

3）N2O 排放通量：F=ρ·V·(dc/dt) ×24 ×273/(273+T)/m。式中F为N2O气体日均排放量，mg/(kg·d)；ρ为被测气体标准状态下的密度（N2O为1.978 kg/m3）；V为取样箱顶部空间的体积，m3；dc/dt为采样箱内被测气体的浓度变化率；T为采样过程中采样箱内的平均温度，℃；m为堆体干基质量，kg。

4）N2O排放累积量：将相邻2次取样时间点的N2O排放通量平均值与该段时间的乘积，得出某一时间段的N2O排放量，再将各时间段N2O排放量依次叠加。

5）氮素损失率[22]：根据堆制腐熟过程中灰分无损失（绝对量不变），推导氮素损失率的计算公式，N损失率(%)=(N0-H0/H30×N30)/N0×100%；式中 N0为堆肥开始前全氮质量分数（以干基计），%；H0为堆肥0天时灰分质量分数，%；N30为堆肥为30 d时全氮质量分数，%；H30为堆肥30 d时灰分质量分数，%；

6）C/N 变化率[23]：ηC/N=（C/N终-C/N初）/C/N终×100%。

7）种子发芽指数：GI=（堆肥浸提液处理种子发芽率×根长）/（对照种子发芽指数×根长）×100%。

8）辅料回收率：过筛后炭基辅料干基质量与初始投入的炭基辅料干基质量的比例。

1.7 不同处理效果的模糊评价方法

1）模糊评价因子

模糊评价是从多方面对事物进行一个总的评价，使结果更加客观，从而取得更好的实际效果[24-25]。为探讨炭基辅料应用于堆肥工程的适宜粒径，本文以确保堆肥腐熟质量为前提，兼顾氮素损失控制及炭基辅料的可回收再利用，选择堆肥过程中初次升温至55 ℃所需时间、氮素损失率、C/N变化率、种子发芽指数、辅料回收率5个指标进行评价。

2）模糊评价因子等级

根据不同处理各项评价因子的最小值与最大值，结合堆肥质量各因子的表征特点，将不同处理的 5个指标划分为4个等级（1级、2级、3级、4级），各评价因子对应的分级指标如表1所示。

表1 各评价参数分级标准Table 1 Grading standard of evaluation parameters

3）每个因子的隶属度函数模型

以初次升温至55 ℃所需时间（单位d，以x表示）为例，分别建立隶属度模型，如下所示：

式中y1、y2、y3、y4为评价因子不同等级隶属度值，当给定x后，采用以上隶属函数求出初次升温至55℃所需时间对各级堆肥效果的隶属度，从而确定模糊评价的隶属度矩阵R。其他评价指标也按同样的方法求出隶属度函数并确定模糊评价矩阵。

4）评价因子权重

本文运用的权重计算式为

式中 ai为第i种评价因子的权重； xi为第i种评价因子实测值；si为第i种评价因子分级标准平均值；n为评价因子个数。对于堆肥的 C/N变化率、种子发芽指数和辅料回收率越大越好，所以相应权重取其倒数。计算出各因子权重后，组成权重模糊矩阵A={a1, a2,…, an}。

1.8 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010整理、SPSS 23.0进行统计分析、Origin 9.1pro完成画图。以炭基辅料粒径为因子进行单因素方差分析（One-way ANOVA，Dunnett’S t-test（2-sided）），利用多重比较（Duucan法）对处理组间的均值进行差异显著性检验。以堆肥升温至55 ℃所需时间、氮素损失率、C/N变化率、种子发芽指数、辅料回收率为评价指标，进行不同处理的模糊评价分析。

2 结果与分析

2.1 炭基辅料对堆肥温度的影响

温度是反映堆肥过程中微生物活动能力、有机物降解速率及是否达到无害化要求的一个重要过程参数[26]。由图2可知，堆肥第1～7天，所有处理的温度均开始上升，其中B2处理的堆温上升较为迅速，在第3天即进入高温分解阶段（＞55 ℃），在第5～7天维持在65 ℃左右；B1与CK处理的温度在第1～7天均低于50 ℃，且两者之间温度差异不大。在堆肥第8～14天，3个处理的堆温均快速上升，其中 B2处理的堆温在第 11天达最高峰（76.15 ℃）、B1处理的堆温在第 12天达最大值（73.85 ℃），之后呈下降的变化趋势，且在这一阶段，B1、B2处理的堆温相近；而CK处理的堆温呈直线上升的变化趋势，但温度尚未超过 60 ℃。在堆肥第 15～21天（即翻堆2次之后），B1、B2处理的堆温呈下降的变化趋势，B2处理的堆温低于B1处理；CK处理的堆温仍然呈上升的变化趋势，CK处理的堆温在第21天时超过了添加炭基辅料处理。在堆肥第22～28天，B1、B2处理的堆温仍然呈下降的变化趋势，且B2处理的堆温低于B1处理的差距在逐渐扩大；而CK处理的堆温则明显高于 B1、B2处理，CK处理的堆温在第 24天达最大值（71.15 ℃）。3个处理的堆温在 55 ℃以上保持了 16～20 d，符合堆肥无害化和堆肥腐熟条件的标准[27]。

进一步分析堆肥体温度特征（表 2），炭基辅料处理显著减少了堆肥体初次升温至55 ℃所需时间（P＜0.05）；与CK处理相比，B1、B2处理的堆肥体初次升温至55 ℃所需时间减少了4～11 d；B2处理较B1处理的堆温初次升温至55 ℃的时间提前了7 d。堆肥过程中不同处理的最高堆温均在70 ℃以上，B1、B2处理的最高堆温较CK处理分别提高了 2.7，5 ℃，但差异未达显著水平（P＞0.05）。不同处理堆肥体在55 ℃以上维持的天数以B2处理最长，其次为CK处理，B1处理堆肥体55 ℃以上维持的天数较 B2处理减少了 4 d，但无差异显著性（P＞0.05）。堆肥积温兼顾了堆肥过程中的温度强度和持续时间 2个参数，是判断堆肥稳定化的重要指标，积温达到10 000 ℃·h左右时，认为堆肥稳定化过程基本完成[21]。试验结果表明，不同处理的堆肥体均完成了堆肥稳定化过程，B1，B2处理的堆肥积温显著大于 CK 处理（P＜0.05），B2处理的堆肥积温显著大于B1处理（P＜0.05）。

图2 堆肥过程中温度变化Fig.2 Temperature dynamics during composting

表2 炭基辅料对堆体温度特征的影响Table 2 Characteristics of composting temperature treated by carbonaceous amendment

2.2 炭基辅料对堆肥过程氮素损失的影响

2.2.1 氨挥发速率及累积量

由图3a可知，炭基辅料处理对不同时间段的堆肥体氨挥发速率具有不同的作用效果。在堆肥第1～7 天，CK处理的氨挥发速率略高于B1、B2处理，B1、B2处理之间无明显的差异性；在堆肥第8～21 天，CK处理的堆肥体氨挥发速率最大（13.72～26.99 mg/(kg·d)））、其次为B1处理的氨挥发速率（11.06～21.59 mg/(kg·d)）、B2处理的氨挥发速率最小（10.28～13.96 mg/(kg·d)）；在堆肥第22～30 天，B1、B2处理的堆肥体氨挥发速率明显小于CK处理，炭基辅料处理的氨挥发速率呈下降的变化趋势，且B2处理的氨挥发速率小于B1处理，而CK处理的氨挥发速率仍总体呈上升的变化趋势。

图3 氨挥发速率和氨挥发累积量随堆肥时间的变化Fig.3 Volatilization rate and accumulative amount of NH3 during composting process

不同处理的堆肥体氨挥发累积量见图 3b，在堆肥后第1～7 天，3个处理的氨挥发累积量均快速上升，第7 天时，堆肥体氨挥发累积量由大到小依次为：CK、B2、B1处理，但差异不显著（P＞0.05）；在堆肥后第8～14 天，CK处理的堆肥体氨挥发累积量增长迅速，且显著高于B1、B2处理，而B1、B2处理之间的氨挥发累积量差异较小；在堆肥后第15～30 天，不同处理的氨挥发累积量差异逐渐增大，主要表现为CK处理＞ B1处理＞ B2处理，虽然 3个处理的氨挥发累积量呈上升趋势，但 B1、B2处理的氨挥发累积逐渐呈平缓的上升趋势，而CK处理的氨挥发累积量仍上升较快，统计分析结果表明，堆肥第30 天时3个处理之间的氨挥发累积量差异性达显著水平（P＜0.05）。

2.2.2 氧化亚氮排放通量及累积量

在整个堆肥进程中，堆肥后期氧化亚氮排放通量大于前期，炭基辅料处理提高了堆肥体的氧化亚氮排放通量，B2处理的氧化亚氮排放通量在整个堆肥进程中均高于B1处理的炭基辅料处理，且这种趋势在堆肥后期更加明显（图4a）。

图4 氧化亚氮排放通量和累积量随堆肥时间的变化Fig.4 Emission rate and accumulative amount of N2O during composting process

堆肥体氧化亚氮排放累积量分析结果表明（图4b），氧化亚氮在堆肥前期（第 1～14 天）累积量上升幅度小于堆肥后期（第 15～30 天）。统计分析表明，炭基辅料对堆肥 30 d后的氧化亚氮排放累积量存在显著影响（P＜0.05），不同处理之间的氧化亚氮排放累积量由大到小依次为：B2处理、B1处理、CK处理。

2.2.3 堆肥过程中的全氮含量变化及氮素损失率

堆肥过程中堆肥体的全氮含量呈下降的变化趋势（图5a），堆肥第1～7 天的全氮含量下降幅度较大，随后全氮含量下降幅度逐渐平缓。不同处理之间，CK处理的全氮含量低于B1、B2处理，B2处理的全氮质量分数大于B1处理。根据堆制腐熟过程中灰分无损失（绝对量不变）计算堆肥体的氮素损失率[22]，由图 5b可知，CK处理的氮素损失率最大，炭基辅料显著降低了堆肥体的氮素损失率（P＜0.05），B1、B2处理的氮素损失率较CK处理分别降低了16.13%、22.81%，B2处理的氮素损失率小于B1处理，但差异未达显著水平（P＞0.05）。

图5 堆肥过程中全氮质量分数的变化及氮素损失率Fig.5 Changes of total nitrogen content during composting and nitrogen loss rate after composting

2.3 炭基辅料对堆肥质量的影响

2.3.1 堆肥过程中pH值、EC值变化

由图 6a可知，堆肥过程中堆肥体的 pH值均在 7.0以上，且B1、B2处理的pH值总体上大于CK处理，而在第30天时，则相反；B1、B2处理之间，除第7天外，B1处理的pH值均大于B2处理；统计分析表明，不同处理之间的pH值无显著性差异（P＞0.05）。

图6 堆肥过程中pH值和EC值的变化Fig.6 Changes of pH and EC values during composting

EC值的变化趋势反映了堆肥盐分离子的浓度变化，而堆肥体中变化最大的离子为 NH4+和 NO3-，因此，堆肥中 EC值的变化在一定程度上反映堆肥中 NH4+-N和NO3--N的总量及其相互转化程度，从而与堆肥氨挥发强度密切相关[28-29]。图6b结果表明，B1、B2处理的EC值明显低于CK处理，B1、B2处理之间，EC值变化无明显的变化规律。

2.3.2 堆肥体C/N变化率、种子发芽指数

C/N是指堆肥固相中全碳和全氮的比值。由于受堆料组成及堆肥工艺的影响，C/N从堆肥初始到堆肥结束都有不同的变化，金龙等[23]认为采用C/N变化率来表示有机固体废弃物的腐熟程度较为合适。图7a结果表明，添加炭基辅料提高了堆肥体的 C/N变化率，B1、B2处理的C/N变化率分别较CK处理提高了7.30%、30.27%，其中B2处理的C/N变化率显著大于CK处理（P＜0.05）。

由图7b可知，堆制21 d的堆肥浸提液种子发芽指数为54.43%～64.75%，堆制30 d的堆体浸提液种子发芽指数为67.51%～92.44%；炭基辅料有利于浸提液种子发芽指数的提高，不同处理的种子发芽指数由大到小依次为B2、B1、CK，堆肥30 d的堆体浸提液种子发芽指数差异达显著水平（P＜0.05）。

图7 堆肥后C/N变化率和种子发芽指数Fig.7 C/N change rate and seed germination index after composting

2.3.3 炭基辅料回收率

堆肥结束后，将堆肥体进行过筛处理，不同处理的回收率由大到小依次为：B2，B1，CK处理。CK处理的辅料为菌渣，其回收率极低（＜10%）；粒径对辅料回收利用率具有显著影响，B2处理的回收率(91.03%)显著大于B1 处理的回收率(68.91%)（P＜0.05）。

图8 堆肥后辅料回收率Fig.8 Recovery rate of carbonaceous amendment after composting

2.4 模糊综合评价结果与分析

堆肥过程中初次升温至 55 ℃所需时间、氮素损失率、C/N变化率、种子发芽指数、辅料回收率5个评价指标的结果如表3所示。

表3 不同处理的评价因子Table 3 Evaluation factors of different treatments

隶属度矩阵R与权重矩阵A的模糊复合运算结果见表4。评价结果表明，CK处理中“1级（好）”与“2级（较好）”隶属度均为0、“3级（一般）”隶属度为0.147、“4级（差）”隶属度为 0.853，根据最大隶属原则，CK处理的堆肥效果等级为“4级（差）”；同理，B1处理的堆肥效果等级为“3级（一般）”、B2处理的堆肥效果等级为“1级（好）”。可见，与B1处理相比，B2处理在综合堆肥质量、保氮及回收利用方面具有优势。

表4 模糊评价结果Table 4 Results of fuzzy mathematics evaluation

3 讨 论

3.1 炭基辅料对堆温的影响

试验结果表明，与对照处理相比，猪粪堆肥中添加炭基辅料，可促进堆温快速上升，提高堆肥温度，延长堆温≥55℃的维持天数，增加堆肥积温，其原因主要是在对照基础上添加炭基辅料，增加堆体的自由空域[3]、改善堆体的通风状况[30]，堆料中氧气含量充足，更有利于微生物活动，从而使物料分解反应更加剧烈，产热量更大[1,3]；然而，自由空域值并不是越大越好，王永江等研究认为自由空域在一定范围内增大才会有利于有机质的降解[31]，Huang等在总结大量文献的基础上，认为堆肥合适的自由空域值为30%[2]，本试验发现B2处理的升温、增温效应优于 B1处理，说明猪粪堆肥工程中添加 6～7 cm粒径规格的炭基辅料，其堆体中的自由空域值更接近适宜值。

3.2 炭基辅料对堆肥过程氮素损失控制的影响

添加生物质炭可以减少堆肥过程的氮素损失[20]，许多研究结果均一致认为生物质炭能直接吸附铵态氮和氨气等氮素物质，降低堆体铵态氮浓度，进而减缓氨气的挥发损失[31]；刘宁等[32]通过分析好氧堆肥过程第1，7，14，28天的代表性生物质炭扫描电镜图像，发现整个堆肥过程中生物质炭的物理结构并未明显变化，但随着堆肥的进行，其内部吸附的小颗粒逐渐增多并凝聚成较大的颗粒单元，佐证了氮素存在形态的物质颗粒在生物质炭孔隙结构内进行聚集或团聚。本文采用的炭基辅料，其表层实质为生物质炭，仅在参与堆肥过程的形态规格上区别于常规的粉沫状生物质炭，试验结果表明，堆肥30 d后，B1、B2处理的堆肥体氮素损失率分别较对照降低了16.13%，22.81%；CK、B1与B2处理的氨挥发累积量分别为605.41，374.94，303.68 mg/kg，B1，B2处理的氨挥发累积量分别较对照降低了38.07%，49.84%；CK，B1与B2处理的氧化亚氮排放累积量分别为35.80，49.53，74.94 mg/kg，B1，B2处理的氧化亚氮排放累积量分别较CK增加了38.35%，109.33%；其中炭基辅料对氨挥发损失控制的作用与前人研究结果一致[20,33-34]，虽然炭基辅料增加了堆肥体氧化亚氮的排放量，但排放量数值明显小于氨挥发数值，因此添加炭基辅料仍然表现出对堆体氮素损失控制的正向作用。另外，堆肥1～14 d的氧化亚氮排放通量较低，15～30 d的氧化亚氮排放通量明显快速上升，主要是因为1～14 d是堆肥高温期，硝化细菌的生长繁殖受到抑制，之后堆温逐渐下降，硝化作用增强[33]；生物质炭丰富的孔隙结构会在高温阶段为微生物提供一个相对适宜的低温环境，以此作为其抵御外部恶劣环境的庇护场所[34]，可能是添加炭基辅料处理在整个堆肥过程中氧化亚氮排放通量大于对照的主要原因，并且高温条件可促进有机物料降解，同时释放氧化亚氮[35]，从而表现出B2处理的氧化亚氮排放通量大于B1处理。

3.3 炭基辅料对堆肥质量的影响

腐熟堆肥体pH值的安全标准为7.0～9.0[36]。由于生物质炭呈碱性，添加炭基辅料提高了猪粪堆肥体pH值，但pH值仍在腐熟标准范围之内。EC值反映了堆肥中可溶性盐的含量，堆肥中EC值高于4 mS/cm时，会对植物生长产生负面影响[27]，炭基辅料明显降低了猪粪堆肥体EC值，这可能与生物质炭的吸附同化作用有关[31]。种子发芽试验是反映堆肥产品植物毒性最敏感、有效的方法，随着堆肥物料中有毒物质的分解，发芽率逐渐升高[32]，种子发芽指数大于 50%的堆肥产品被认为基本已无毒害，种子发芽指数大于80%的堆肥产品达到完全腐熟[37]，炭基辅料处理的猪粪堆肥体种子发芽指数均高于对照处理，且大于 80%，主要原因是炭基辅料调节了猪粪堆肥体的自由空域，给微生物活动提供了更适宜的环境，提高了有毒物质的降解程度，减少了堆体内的有毒物质积累[33]。可见，添加炭基辅料可以促进猪粪堆肥产品的腐熟及质量提升。另外，生猪养殖过程一般采用水冲洗的方式清除粪便，猪粪呈流动态，在猪粪有机肥料实际生产过程中，通常采用增加辅料用量来降低含水率，辅料添加量远远大于调节堆肥体碳氮比的需求量，导致堆肥产品的氮磷钾等养分相对含量偏低。炭基辅料在堆肥结束后过筛，一方面可以实现辅料的循环利用，减少常规辅料的供应压力，另一方面减少了留在堆肥产品中的辅料量，提高了堆肥产品养分的相对含量。

4 结 论

1）在猪粪好氧堆肥过程中，与CK处理(猪粪与食用菌渣混合物进行堆制)相比，添加炭基辅料促进了堆肥初期的温度快速上升，缩短了温度达 55 ℃以上的升温时间，并增加了堆温≥55 ℃的维持时间；B2处理(粒径6～7 cm粒径炭基辅料替代CK处理 60%的食用菌渣)对猪粪堆肥体的促升温、增温效应大于 B1处理(粒径 1～2 cm炭基辅料替代CK处理60%的食用菌渣)。

2）与CK处理相比，B1、B2处理提高了堆肥体N2O排放、降低了堆肥体NH3挥发，由于N2O排放累积量增加幅度小于NH3挥发累积量的降低幅度，B1、B2处理的氮素损失率仍较CK处理降低了16.13%～22.18%，氮素损失的减控主要是NH3挥发的有效控制。

3）堆肥结束后，B1、B2处理的堆肥体pH值、EC值均在有机肥安全标准范围之内，种子发芽指数达到完全腐熟的标准，B2处理的的回收率为91.03%、B1处理的回收率为68.91%。

4）综合堆肥质量、保氮及回收利用等方面指标，模糊数学评价结果表明，B2处理的堆肥效果优于B1处理；应用炭基辅料改善猪粪高温好氧堆肥技术工艺，其适宜粒径规格为6～7 cm。

[参 考 文 献]

[1] Adhikari B K, Barrington S, Martinez J, et al. Effectiveness of three bulking agents for food waste composting [J]. Waste Management, 2009, 29(1): 197－203.

[2] Huang R T. The Practical Handbook of Composting Engineering[M]. Washington, DC: Lewis Publishers, 1993.

[3] 王永江，黄光群，韩鲁佳. 自由空域对猪粪麦秸好氧堆肥的影响实验分析[J]. 农业机械学报，2011，42(6)：122－126.Wang Yongjiang, Huang Guangqun, Han Lujia. Effects analysis of free airspace to pig slurry wheat straw aerobic composting in laboratory reactor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6):122－126. (in Chinese with English abstract)

[4] Raviv M, Memina S, Krasnovsky A, et al. Organic matter and nitrogen conservation in manure compost for organic agriculture[J]. Compost Science & Utilization, 2004, 12(1):6－10.

[5] Szanto G L, Hamelers H M, Rulkens W H, et al. NH3, N2O and CH4emission during passively aerated composting of straw-rich pig manure[J]. Bioresource Technology, 2007,98(14): 2659－2670.

[6] 杨帆，欧阳喜辉，李国学，等. 膨松剂对厨余垃圾堆肥CH4、N2O 和 NH3排放的影响[J]. 农业工程学报，2013，29(18)：226－233.Yang Fan, Ouyang Xihui, Li Guoxue, et al. Effect of bulking agent on CH4, N2O and NH3emissions in kitchen waste composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013,29(18): 226－233. (in Chinese with English abstract)

[7] Xu Y K, Sun X Y, Luan Y N, et al. Effects of compost with different exogenous additives on growth of gazania sunshine[J]. Journal of Henan Agricultural sciences, 2014, 43(10):87－91.

[8] Mason I G, Mollah M S, Zhong M F, et al. Composting high moisture content bovine manure using passive aeration[J].Compost Science & Utilization, 2004, 12(3): 249－267.

[9] Eftoda G, Mccartney D. Determining the critical bulking agent requirement for municipal bio-solids composting[J].Compost Science & Utilization, 2004, 12(3): 208－218.

[10] 周少奇，李端. 污泥堆肥过程中氮素损失机理及保氮技术[J]. 土壤，2003，35(6)：481－484.Zhou Shaoqi, Li Duan. Mechanism of nitrogen loss and technique for nitrogen conservation in composting of sludge[J]. Soil, 2003, 35(6): 481－484. (in Chinese with English abstract)

[11] 杨延梅，刘鸿亮，杨志峰，等. 控制堆肥过程中氮素损失的途径和方法综述[J]. 北京师范大学学报(自然科学版)，2005，41(2)：213－216.Yang Yanmei, Liu Hongliang, Yang Zhifeng, et al. Methods and techniques in the control of nitrogen loss during the composting: A review[J]. Journal of Beijing Normal University (Natural Science), 2005, 41(2): 213－216. (in Chinese with English abstract)

[12] 张军，雷梅，高定，等. 堆肥调理剂研究进展[J]. 生态环境，2007，16(1)：239－247.Zhang Jun, Lei Mei, Gao Ding, et al. Application of amendments in composting: A review[J]. Ecology and Environment, 2007, 16(1): 239－247. (in Chinese with English abstract)

[13] Gea T, Barrena R, Artola A, et al. Optimal bulking agent particle size and usage for heat retention and disinfection in domestic wastewater sludge composting[J]. Waste Management,2007, 27(9): 1108－1116.

[14] Chen Yingxu, Huang Xiangdong, Han Zhiying, et al. Effects of bamboo charcoal and bamboo vinegar on nitrogen conservation and heavy metals immobility during pig manure composting[J]. Chemosphere, 2010, 78(9): 1177－1181.

[15] 冯磊，Bernhard Raninger，李润东，等. 不同质量比的膨松剂对家庭生物有机垃圾堆肥的影响[J]. 环境污染与防治，2007，29(10)：731－734.Feng Lei, Bernhard Raninger, Li Rundong, et al. Effect of bulking agent on composting of household organic waste[J].Environmental Pollution and Control, 2007, 29(10): 731－734. (in Chinese with English abstract)

[16] 邹德勋，汪群慧，隋克俭，等. 餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果[J]. 农业工程学报，2009，25(11)：269－273.Zou Dexun, Wang Qunhui, Sui Kejian, et al. Aerobic composting effect of kitchen garbage and spent mushroom substrate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009,25(11): 269－273. (in Chinese with English abstract)

[17] Higgins A, Suhr J, Rahman M, et al. Shredded rubber tires as a bulking agent in sewage sludge composting[J]. Waste Management & Research, 1986, 4(4): 367－386.

[18] 黄懿梅，曲东，李国学. 调理剂在锯末堆肥中的保氮效果[J]. 环境科学，2003，24(2)：156－160.Huang Yimei, Qu Dong, Li Guoxue. Effect of adding amendments on preserving nitrogen during chicken manure and saw composting[J]. Environmental Science, 2003, 24(2):156－160. (in Chinese with English abstract)

[19] 高定，黄启飞，陈同斌. 新型堆肥调理剂的吸水特性及应用[J]. 环境工程，2002，20(3)：48－50.Gao Ding, Huang Qifei, Chen Tongbin. Water absorbability and application of a new type compost amendment[J].Environmental Engineering, 2002, 22(3): 48－50. (in Chinese with English abstract)

[20] 王海候，金梅娟，徐 军，等. 生物质炭添加量对伊乐藻堆肥过程氮素损失的影响[J]. 农业工程学报，2016，32(19)：234－240.Wang Haihou, Jin Meijuan, Xu Jun, et al. Effect of biochar addition amount on nitrogen loss during composting process of Elodea Nuttallii[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016,32(19): 234－240. (in Chinese with English abstract)

[21] 陈同斌，黄启飞，高定，等. 城市污泥好氧堆肥过程中积温规律的探讨[J]. 生态学报，2002，22(6)：911－915.Chen Tongbin, Huang Qifei, Gao Ding, et al. Accumulated temperature as an indicator to predict the stabilizing process in sewage sludge composting[J]. Acta Ecologica Sinica, 2002,22(6): 911－915. (in Chinese with English abstract)

[22] 曹喜涛，黄为一，常志州，等. 鸡粪堆制过程中氮素损失及减少氮素损失的机理[J].江苏农业学报，2004，20(2)：l06－110.Cao Xitao, Huang Weiyi, Chang Zhizhou, et al. Mechanism of nitrogen loss and reduction in nitrogen loss during the compost of chicken manure[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2004, 20(2): l06－110. (in Chinese with English abstract)

[23] 金龙，赵由才. 计算机与数学模型在固体废弃物处理与资源化中的应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[24] 李荣华，张广杰，秦睿，等. 粉煤灰和猪粪好氧混合堆肥过程中养分转化研究[J]. 农业机械学报，2012，43(4)：100－105，142.Li Ronghua, Zhang Guangjie, Qin Rui, et al. Nutrient transformation during swine manure co-composting with flyash under aerobic conditions[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(4):100－105, 142. (in Chinese with English abstract)

[25] 王海候，沈明星，常志州，等. 水葫芦高温堆肥过程中氮素损失及控制技术研究[J]. 农业环境科学学报，2011，30(6)：1214－1220.Wang Haihou, Shen Mingxing, Chang Zhizhou, et al.Nitrogen loss and technique for nitrogen conservation in high temperature composting of Hyacinth[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(6): 1214－1220. (in Chinese with English abstract)

[26] Huang Guofeng, Wong J W, Wu Qitang, et al. Effect of C/N on composting of pig manure with sawdust[J]. Waste Management, 2004, 24(8): 805－813.

[27] Li Ronghua, Wang J Jim, Zhang Zengqiang, et al.Nutrient transformations during composting of pig manure with bentonite[J]. Bioresource Technology, 2012, 121: 362－368.

[28] 张永涛，张增强，孙西宁. 模糊数学法在堆肥腐熟度评价中的应用[J]. 环境卫生工程，2009，17(4)：45－48.Zhang Yongtao, Zhang Zengqiang, Sun Xining. Application of fuzzy mathematics in evaluation of composting maturity[J].Environmental Sanitation Engineering, 2009, 17(4): 45－48.(in Chinese with English abstract)

[29] 蔡华帅，彭绪亚，李明，等. 模糊数学方法在垃圾堆肥质量评价中的应用[J]. 重庆建筑大学学报，2006，28(4)：87－89.Cai Huashuai, Peng Xuya, Li Ming, et al. The application of fuzzy mathematics method in the quality evaluation of garbage compost[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University,2006，28 (4)：87－89. (in Chinese with English abstract)

[30] 王永江，黄光群，韩鲁生，等. 塑料和麦秸膨胀剂对猪粪好氧堆肥的影响试验[J]. 农业机械学报，2013，44(5)：158－163.Wang Yongjiang, Huang Guangqun, Han Lujia, et al. Effects of plastic and straw bulking agents on swine manure composting[J]. Transactions of the Chinese society for Agricultural Machinery, 2013, 44(5): 158－163. (in Chinese with English abstract)

[31] 李荣华，张广杰，张增强，等. 添加木炭改善猪粪稻壳好氧堆肥工艺及质量[J].农业工程学报，2014，30(16)：230－238.Li Ronghua, Zhang Guangjie, Zhang Zengqiang, et al.Improving pig manure and rice husk compost technology and quality by wood charcoal addition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 230－238. (in Chinese with English abstract)

[32] 刘宁，周嘉良，马双双，等. 生物炭对鸡粪好氧堆肥主要氮素形态含量影响与保氮机制[J]. 农业机械学报，2016，47(12)：233－239.Liu Ning, Zhou Jialiang, Ma Shuangshuang, et al. Impact of biochar on major forms contents and conservation mechanism of nitrogen during aerobic composting of chicken manure[J].Transactions of the Chinese society for Agricultural Machinery, 2016, 47(12): 233－239. (in Chinese with English abstract)

[33] Tiquia S M, Tam N. Characterization and composting of poultry litter in forced-aeration piles[J]. Process Biochemistry,2002, 37(8): 869－880.

[34] Zhang L, Sun X. Change in physical, chemical, and microbiological properties during the two-stage co-composting of green waste with spent mushroom compost and biochar[J].Bioresource Technology, 2014, 171: 274－284.

[35] 曹云，黄红英，钱玉婷，等. 超高温预处理装置及其促进鸡粪稻秸好氧堆肥腐熟效果[J]. 农业工程学报，2017，33(13)：243－250.Cao Yun, Huang Hongying, Qian Yuting, et al.Hyperthermophilic pretreatment device and its application on improving decomposition effect for chicken manure and rice straw aerobic composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 243－250. (in Chinese with English abstract)

[36] 李洋，席北斗，赵越，等. 不同物料堆肥腐熟度评价指标的变化特性[J]. 环境科学研究，2014，27(6)：623－627.Li Yang, Xi Beidou, Zhao Yue, et al. Study of maturity parameter characteristics in composting process using different materials[J]. Research of Environmental Sciences,2014, 27(6): 623－627. (in Chinese with English abstract)

[37] US Composting Council. TMECC-test Methods for the Examination of Composting and Compost[M]. Bethesda, MD:US Composting council, 2000.