不同碳氮比对牛粪好氧堆肥腐熟过程的影响

张鹤，李孟婵，杨慧珍，王友玲，路永莉，张春红，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)

近年来，随着我国农业产业结构的调整，规模化、集约化成为主要的发展方向[1-2].随着养殖业的增加，大量粪便排放，加剧了环境负荷.据统计，2016年我国大家畜饲养量达11 906.4万头，其中牛的饲养量为10 667.9万头[3]，占比达到89.6%.据估算全国每年产生畜禽粪污38亿t，综合利用率不到60%[4]，成为农业污染的主要来源[5].养殖家畜粪便不合理处理已成为环境污染的重要原因.因此，畜禽粪污的科学处理是目前亟待解决的问题.

我国农作物秸秆具有产量大、种类多和分布广的特点.粮食作物秸秆是我国主要的秸秆类型，稻草、玉米秸杆和小麦秸杆是产量最高、分布最广的3种作物秸秆，约占秸秆资源总量的75%，其中玉米秸秆占31.3%[6].秸秆的不合理处置会造成资源浪费及环境污染等一系列问题[7-8].通过好氧堆肥将畜禽粪便制成商品有机肥，是畜禽粪污及秸秆等废弃物资源高效利用的最佳处置方法[2,9].

好氧堆肥是指在高温环境下通过微生物代谢将畜禽粪便与秸秆中的大分子有机物质转化成二氧化碳、水、氨等物质以及腐殖质的动态变化过程[9].研究表明，堆肥过程中温度、颜色、pH、C/N、铵态氮和硝态氮等理化指标可以反映堆肥的腐熟过程[10-11].种子发芽指数也常被用作生物学指标观察堆体的腐熟度[12].堆体的C/N不仅是高效堆肥的关键因素，也是影响堆体发酵腐熟过程的主要因素之一[13].C/N过高，微生物供氮不足，生长受到抑制，有机物降解缓慢；C/N过低则碳素不足，过量的氮素不能用于微生物细胞合成，易导致氮元素以氨气的形式散失降低肥效[14-17].因此，研究不同C/N条件下堆肥的腐熟进程及特征对粪肥质量和环境质量的影响具有双重意义.鉴于此，本研究以牛粪与玉米秸秆为原料，设置不同C/N进行好氧堆肥，旨在探明不同C/N对堆体腐熟过程和养分保持的影响，为有效处理农业废料(秸秆)与养殖粪污，防止环境污染提供理论依据.

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有机肥厂，年平均气温约9 ℃，7～8月平均气温28 ℃，年均降雨量181 mm，全年多风，属典型的大陆性气候.堆肥采用户外条垛式堆置方式，于2017年7月6日～2017年8月19日进行堆肥.供试新鲜牛粪采自鑫昊奶牛场，所需秸秆由肥料厂提供，使用前用切碎机将秸秆切为2～5 cm的碎料.堆肥原料的理化性质见表1.

1.2 试验设置

堆肥原料为牛粪和玉米秸秆，堆肥试验共设置5个C/N，分别为15、20、25、30、35，记为T1、T2、T3、T4、T5，详见表2.固定牛粪用量，通过添加尿素和不同玉米秸秆调节原料C/N.各处理的畜禽粪便量干基相同，堆体初始含水率为65%，混匀后堆成高1 m，宽2 m的长条堆.自然通风，测温翻堆，翻堆充分，混合均匀.

1.3 样品采集与测定

本试验堆肥期间每3 d采集1次样品，采样时间为上午9∶30～10∶30.采样时，将堆体分为上、中、下3层，按照5点采样法在每层进行采集，并将采集的3层样品混匀.堆肥样品分为2份，1份在4 ℃储存，用于硝铵态氮的测定；1份自然风干，用于测定总有机碳(TOC)、总氮(TN)、全P(TP)、全K(TK)以及种子发芽指数(GI).参照《中华人名共和国农业行业标准 NY525-2012》[18]，有机碳采用重铬酸钾外加热法测定，全氮采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法测定，全磷采用钒钼酸铵比色法测定，全钾用火焰光度计法测定.测定铵态氮、硝态氮采用鲜样并用1 mol/L KCl浸提(水土比10∶1)，滤液上全自动流动分析仪.种子发芽指数参照Zucconi等[19]的方法测定，在培养皿中垫一张滤纸，均匀放入10粒小白菜种子，取鲜样按水肥比10∶1浸提，往培养皿中加浸提液5 mL，封口，25 ℃恒温箱中培养48 h计算发芽率并测定根长.每个样品做3个重复，同时以去离子水作空白对照试验.

表1 堆肥原料的理化性质

表2 不同处理的C/N原料配比

发芽指数=[样品发芽率(%)×样品根长]/[对照发芽率(%)×对照根长]×100%

堆肥期间用温度计于每天8∶00、14∶00、20∶00进行测量，并取3次温度的平均值作为当天堆体的温度.每次测温时测温深度与取样深度保持一致，从各堆体的中心到四周均匀测温5次，取其平均值.同时进行环境温度的测量.

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件进行处理.相关性分析采用SPSS 22.0软件分析.

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中各处理堆体温度的变化

由图1可知，整个堆肥过程中，各处理的堆体温度均表现出升温、高温持续和降温稳定3个阶段.堆肥初始，各处理温度迅速升高，且在第2天均已达到55 ℃，进入高温期.其中T1、T2处理在堆肥的第5天达到最高温度，T3和T5在第7天达到最高温度.T1～T5各处理高温期持续时间分别为22、22、25、25、31 d，高温期平均温度为59.77、61.54、63.81、67.14、63.70 ℃，T4>T3>T5>T2>T1.T1和T2在第25天进入降温期，分别在第29、35天降至40 ℃左右，进入后腐熟阶段.T3和T4在第27天进入降温期，T5在第33天进入降温期.其中T3、T4在第35天进入后腐熟阶段，T5则在第43天进入后腐熟阶段.由于环境温度的变化和翻堆的影响，在堆肥的整个过程中，各堆体温度呈现锯齿形变化.

图1 不同处理堆体温度的变化Figure 1 Variations of temperature of different treatments during composting process

2.2 堆肥过程中堆体pH、铵态氮、硝态氮的变化

由图2可知，各处理的pH变化趋势基本一致，都是先增大后缓慢减小并逐渐趋于稳定.随着堆肥的进行，各处理之间开始出现较大的差异.其中T1和T2处理pH迅速升高，在第6天达到最高值，分别为8.96和8.94.T3、T4和T5在堆肥第12～15天达到最高值.达到最高值后各处理pH缓慢下降，至堆肥结束后，分别降为8.75、8.74、8.71、8.63和8.65，处于8.0～9.0之间，满足堆肥腐熟标准[20].其中，T2处理变化幅度最小，仅升高1.03个单位.T5上升幅度最大，升高了1.4个单位.在整个堆肥过程中，由于C/N的差异，各处理的堆肥产品pH值T1>T2>T3>T4>T5.

图2 不同处理堆体pH的变化Figure 2 Variations of pH of different treatments during composting process

堆肥过程常常伴随着明显的氨化过程.堆肥过程中铵态氮含量变化如图3所示，各处理铵态氮含量整体呈先升高后降低的趋势，不同处理间铵态氮含量差异较大.堆肥初始，除T1处理，其余各处理铵态氮含量迅速增加，分别在堆肥第5、5、15、15天达到高峰.随着堆肥时间的推进，各处理铵态氮含量呈下降趋势.堆肥初始铵态氮含量T1>T2>T3>T4>T5.至堆肥结束，各处理铵态氮含量较初始分别下降了79.91%、61.96%、76.58%、24.26%、43.41%，T4处理的铵态氮损失最少.

硝态氮含量的变化趋势与铵态氮相反，整体呈升高趋势.在堆肥初期，各处理硝态氮含量变化不明显.经过15 d堆置后，各处理硝态氮含量开始出现明显变化.至堆肥结束时，各处理硝态氮含量分别为16.68、14.91、12.49、8.78、7.20 mg/kg，与初始值相比分别增加了11.75、9.88、7.62、4.11、2.39 mg/kg.硝态氮含量T1>T2>T3>T4>T5.

2.3 堆肥过程中堆体总有机碳(TOC)、全氮(TN)、碳氮比(C/N)的变化

堆肥的腐熟化过程是有机质不断被分解再合成的过程.由图5可知，在好氧堆肥的过程中，各处理TOC含量随着堆肥的进行呈下降趋势，且碳氮比越大TOC下降幅度越大.堆肥前12 d各处理TOC含量迅速减少，后期较为平缓.至堆肥结束，T1～T5各处理的TOC含量分别下降了25.93%、35.22%、43.22%、43.58%和47.88%.

图3 不同处理堆体铵态氮的变化Figure 3 Evolution of ammonium of different treatments during composting process

图4 不同处理堆体硝态氮的变化Figure 4 Evolution of ammonium of different treatments during composting process

图5 不同处理堆体TOC的变化Figure 5 Evolution of TOC in different treatments during composting process

堆肥过程中的全氮含量变化由图6可知，5个不同处理的全氮含量总体先降低后升高并趋于稳定.T1、T2处理在1～3 d下降幅度大于其他处理，在堆肥21 d总氮含量达到最低值8.72、10.59 g/kg.T3、T4、T5处理组分别在第18、21、12天达到最低值，分别为12.04、11.68、11.19 g/kg，与初始相比氮素损失18.60%、14.64%、9.52%.虽然在腐熟过程中，氮素都存在不同程度的损失，但T3、T4和T5的氮损失明显小于T1和T2.堆肥结束时，全氮含量除T1略有降低外，其余处理分别升高5.93%、6.19%、5.08%和16.80%.

图6 不同处理堆体全氮的变化Figure 6 Change of total nitrogen of different treatments during composting process

由图7可知，5个处理的碳氮比总体呈减小趋势，并最终保持稳定.T4和T5处理的碳氮比下降极为明显，这是因为高碳氮比导致在堆肥初期总有机碳被大量分解，而全氮变化不明显.T1、T2在堆肥前21 d略有上升，总体碳氮比变化不明显，是因为碳素分解缓慢，氮素大量损失.碳氮比的变化与有机质变化基本相一致.至堆肥结束，5个处理组的C/N分别为13.37、13.38、13.46、14.95和15.32.

图7 不同处理堆体C/N的动态变化Figure 7 Variations of ratio of carbon to nitrogen in different treatments during composting process

2.4 堆肥前后各处理养分的变化

由表3可知，堆肥结束时，各处理全氮(除T1)、全磷及全钾含量均有增加，堆肥结束时各处理总养分含量分别为5.05%、4.99%、4.92%、4.41%和4.25%，与堆肥初期相比，分别增加12.63%、18.41%、45.79%、35.43%和44.64%，T3的增幅最大.

表3 堆肥过程中养分的变化

2.5 各处理堆稳定期种子发芽指数

发芽指数是表征堆肥腐熟度和有无毒害的重要指标.由表4可知，当堆肥进行到第30天，5个处理中T1的种子发芽指数为42.59%，其余4个处理分别为49.77%、53.57%、59.72%和68.90%.至堆肥结束，5个处理的种子发芽指数分别为73.43%、79.64%、87.56%、92.73%和98.53%.

表4 不同处理堆肥期间种子发芽指数

3 讨论

堆肥是由微生物主导的生物化学过程，微生物的生长繁殖和活动离不开适宜的温度条件.温度不仅影响微生物的代谢，还通过微生物的降解活动影响有机质的分解矿化过程以及堆体腐熟进程[21].本研究结果表明，5个处理均在堆肥第2天进入高温期(堆体温度高于55 ℃)(图1).其中T4处理堆体高温天数达25 d，高温期平均温度67.14 ℃，远大于低碳氮比的T1处理(22 d，59.77 ℃).Zucconi等[19]认为当种子发芽指数大于50%时，堆肥基本腐熟；当种子发芽指数大于80%时，堆肥完全腐熟.本试验中，堆肥结束时5个处理的种子发芽指数分别为73.43%、79.64%、87.56%、92.73%和98.53%，除T1和T2处理基本腐熟外，其余3个处理均完全腐熟.这是因为T1处理有效碳源不足，抑制了微生物生长和代谢，限制其升温过程和腐熟进程[22].各处理C/N在堆体腐熟过程中呈下降趋势，一般认为堆肥C/N<20时基本腐熟[23].有研究认为T值(最终碳氮比/初始碳氮比)可以评价腐熟度[24]，当T<0.6时堆肥达到腐熟[24-25].本试验堆肥结束时，各处理的T值分别为0.80、0.64、0.53、0.54、0.45，可以认为除T1和T2外其他处理达到腐熟.

pH也是堆肥顺利进行的重要因素，过酸或过碱都会影响堆肥腐熟过程.本试验堆肥初始各处理pH有一定的差异，分别为7.67、7.71、7.45、7.36和7.25.这可能因为玉米秸秆的pH较低，而高碳氮比的处理组含有更多的玉米秸秆[26].堆肥发酵初期各处理组pH迅速增加(图2)，可能是因为随着微生物活动的增强及堆体温度的上升，有机酸分解，氨化作用增强，硝化反应被抑制，堆肥物料pH上升，并达到微碱性环境[27].堆肥初始铵态氮含量升高(图3)，这可能因为有机质降解产生的有机酸导致pH值降低[28-29]，氨气难以挥发，铵态氮大量积累.从堆肥第5天开始铵态氮含量出现不同程度下降，这是因为随着堆体内微生物活动的增强，温度持续升高，氨挥发不断增加，铵态氮迅速向氨气转化，某些微生物也能够将NH4+-N固定为含氮化合物，例如氨基酸、核酸和蛋白质[30-33].堆肥结束后硝态氮含量T1>T2>T3>T4>T5，这与王若斐[34]和刘超[32]的研究结果一致[32，34].堆肥第15天后各处理硝态氮含量上升(图4)，这可能是因为堆肥前期硝化细菌和亚硝化细菌的活性受到了高温和有机质降解的影响[35-38]，因此硝化作用主要出现在堆肥的后期，后期堆肥处理中硝化细菌将铵态氮转化为硝态氮，导致硝态氮含量升高[39-40].

本研究结果表明，堆肥前期各处理总有机碳降解程度均大于后期(图5)，这是因为在堆肥初始阶段，原料中的碳素物质是微生物活动的主要能源和碳源，易分解有机质组分，在微生物活动下被大量分解[2].堆肥结束时各处理总有机碳含量分别下降了25.93%、35.22%、43.22%、43.58%和47.88%，高碳氮比的处理总有机碳含量下降程度大于低碳氮比的处理.可能是因为堆肥中后期，随着高温的持续，微生物活动增强，较低的碳氮比不能满足微生物生长活动，微生物开始利用纤维素、木质素等难分解组分，碳源成为了限制微生物活动的主要因素[41].堆肥前期T1、T2全氮含量迅速下降可能是因为碳氮比较低，总氮含量高，在腐解前期有机氮不断矿化，无机氮则以铵态氮形式大量积累，并最终转变为氨气挥发，造成大量的氮损失[24].最终全氮含量高于初始值，这是因为微生物消耗碳水化合物，肥堆体积不断减小，重量急剧下降，氮素的相对含量被浓缩，总氮含量逐渐上升.这与张雪辰等[41]和赵建荣等[42]的研究结果一致.由于整个堆肥过程中全磷、全钾不存在挥发问题，相对稳定，而随着堆肥的进行，堆体体积不断减小，因此全磷和全钾的相对含量相较于初始升高[43].堆肥结束时，与初始相比T3处理总养分含量增加了45.79%，增幅最大.总养分含量T1>T2>T3>T4>T5，可见C/N过高会导致堆肥肥料养分含量不达标，堆肥品质下降[45].

4 结论

本研究比较了牛粪与玉米秸秆混合堆置腐熟过程中温度、pH、铵态氮、硝态氮、总氮、全磷、全钾的变化以及堆肥结束时各处理种子发芽指数的不同.研究结果表明，C/N在25～30时堆肥腐熟进程中升温快，高温期持续时间长，养分损失量少，腐熟进程快且彻底.因此，在实际生产中C/N在25～30之间，牛粪与玉米秸秆的配比1∶0.7～1∶1.5之间更有益于养分保持和堆体发酵.研究结果能够为有效处理奶牛场养殖废弃物和工厂化生产有机肥料提供依据.