碳氮比对鸡粪堆肥腐熟度和臭气排放的影响
2020-03-04马若男李丹阳亓传仁李国学王国英孙少泽
马若男，李丹阳，亓传仁，李国学，王国英，刘 燕，孙少泽，袁 京
碳氮比对鸡粪堆肥腐熟度和臭气排放的影响
马若男，李丹阳，亓传仁，李国学，王国英，刘 燕，孙少泽，袁 京※
（中国农业大学资源与环境学院，农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193）
为确定鸡粪堆肥最优碳氮比（C/N比），该研究以新鲜鸡粪为堆肥原料，添加玉米秸秆调节初始C/N比为14、18和22进行好氧堆肥，研究不同C/N比对鸡粪堆肥腐熟度和臭气排放（NH3和H2S）的影响。结果表明：C/N比为14的处理堆肥产品未腐熟，C/N比为18和22的处理均达到腐熟。C/N比为18的处理NH3累积排放量和总氮（TN）损失率最高；C/N比为18～22时，C/N比越高，NH3累积排放量和TN损失率越低。C/N比为14的处理H2S累积排放量和总硫（TS）损失率最高；C/N比为18和22的2个处理，H2S累积排放量显著降低，且无显著差异。此外，C/N比为18处理的微生物群落多样性在整个堆肥过程中显著高于C/N比为14和22处理。堆肥的理化指标、臭气排放与微生物群落之间的相关性分析表明，高温、高pH值和缺氧环境会增加丰度，进而促进NH3和H2S的排放，相反地，低温、低pH和氧气充足的环境更有利于增殖，有利于减少NH3和H2S的排放。综合考虑堆肥产品腐熟度和臭气减排效果，建议低C/N比鸡粪堆肥的初始C/N比为18～22。当秸秆资源不足时，建议初始C/N比为18；秸秆资源充足时，建议初始C/N比为22。
粪；堆肥；挥发性物质 ；C/N比；腐熟度；臭气排放；微生物群落
0 引 言
近年来，中国居民生活水平不断提高，对肉、蛋类食品的需求也迅速增加。截至2018年，中国禽类肉和蛋类的人均消费量分别达9.0和9.7 kg，与2013年相比，分别增加了25.0%和18.3%[1]。因此，畜禽养殖粪污的排放量也显著增加。2017年中国畜禽粪污产生量约38亿t，其中家禽粪污产生量约6亿t，占总量的16%[2]。畜禽粪污的不合理处理不仅会对环境造成污染，而且会对人类和动物健康形成潜在的风险[3]。然而，畜禽粪便中含有丰富的氮磷钾、有机物、微量元素等营养成分，是一个巨大的资源库，尤其是鸡的消化系统决定了鸡饲料中的营养物质约有40%～70%随粪便排出体外[4]。而高温好氧堆肥技术可以实现畜禽粪便的无害化、减量化和资源化，将畜禽粪便转化为富含腐殖酸、有益根际微生物的有机肥[5]。
影响堆肥过程的主要因素包括环境条件（温度、含水率、pH值、通风等）和物料特性（C/N比、颗粒大小、养分含量、孔隙度等）[6]。其中，堆肥物料C/N比会影响微生物代谢，是影响堆肥有效进行和堆肥产品质量的关键因素[7]。传统理论认为微生物生长发育和繁殖最适C/N比为20～35。C/N比太高使得氮素不足，限制微生物生命活动，减缓堆肥反应进程[8]；C/N比太低会造成碳素不足，多余氮素以NH3或者渗滤液的形式损失[9]。畜禽粪便自身氮素含量较高，其堆肥中通常添加辅料来提高C/N比，最优C/N比因原始物料性质不同而并不完全一致[10-11]。
目前，关于C/N比对堆肥腐熟度和堆肥品质的影响已有较多研究。Zhou等[12]以猪粪和食用菌渣、米糠为原料，探究C/N比对氮素损失和堆肥品质的影响，建议最优C/N比为20～25。张红玉等[13]研究了C/N比对厨余垃圾堆肥腐熟度的影响，建议采用C/N比为17的方案，若秸秆资源丰富可采用C/N比为19的方案。赵建荣等[14]发现，以鸡粪和小麦秸秆为原料，C/N为25的堆肥腐熟度和养分含量较高。陈雅娟等[15]研究了不同C/N比对鸡粪堆肥中碳素和氮素转化的影响，建议最适C/N比为25。此外，关于堆肥物料对堆肥过程中臭气排放影响的研究大多集中在最优辅料的筛选方面[16-17]，还有少量研究关注物料C/N比对厨余垃圾以及其它高C/N比畜禽粪便堆肥中NH3或H2S单一臭气排放的影响。杨帆[18]认为，在厨余垃圾与玉米秸秆的堆肥中，C/N比越低，NH3排放越多。Jiang等[19]在猪粪堆肥中发现，较低的C/N会造成较高的NH3排放。郝利峰[20]对园林废弃物堆肥的研究表明，C/N比越低，H2S排放越多。
但是，目前关于初始物料C/N比对低C/N比鸡粪堆肥的腐熟度以及NH3和H2S排放影响的综合研究仍较少。因此，本试验以鸡粪和玉米秸秆为堆肥原料，分析不同初始C/N比（14、18、22）对鸡粪堆肥的基本理化性质、腐熟度以及臭气排放的影响，并且通过微生物群落结构、堆肥理化指标和臭气排放的相关性分析，明确影响臭气排放的主要理化因素和微生物，进而筛选鸡粪堆肥最优C/N比，达到提高堆肥产品腐熟度以及减少堆肥过程臭气排放的目的。
1 材料和方法
1.1 试验材料与试验方法
堆肥主要原料为新鲜鸡粪和玉米秸秆。鸡粪取自北京市延庆县康庄鸡场，秸秆取自中国农业大学上庄试验站大田，自然风干后粉碎成2～3 cm的小段备用。鸡粪和玉米秸秆基本理化性质见表1。堆肥试验在60 L的密闭发酵罐中进行，如图1所示。
注：a为基于干基质量，b为基于湿基质量。
Note:ais based on the dry weight,bis based on the wet weight.
试验共设置3个处理，分别添加初始混合物料湿基质量5%、10%、15%的玉米秸秆，控制堆肥初始物料C/N比分别为14（低）、18（中）、22（高），待物料充分混合后置于密闭发酵罐中进行堆肥。通风方式为间歇式通风，通风30 min，停止30 min，通风速率为0.2 m3/h。本次堆肥共进行35 d。每天同一时间进行温度数据的读取与气体样品的采集。除堆肥起始和结束日外，在第3、7、14、21、28和35天进行人工翻堆和取样。样品一式4份，一份于采样当天测定含水率；一份于-80 ℃保存测定微生物群落，一份于4 ℃冰箱中冷藏，堆肥结束后测定腐熟度指标（NH4+-N，NO3–-N，pH值，EC（Electrical Conductivity），GI（Germination Index））；另一份自然风干14 d以上，粉碎后用于测定TC（总碳）、TN（总氮）以及TS（总硫）含量。
图1 堆肥反应器结构
1.2 测定项目与分析方法
温度由温度传感器测定，自动测温仪（175-T3，Testo，德国）通过红外装置接收读取数据。含水率于105 ℃烘箱中烘至质量恒定测定。O2和H2S由便携式沼气分析仪（Biogas 5000，Geotech，英国）于每天同一时间直接读数测定。NH4+-N、NO3–-N的测定将堆肥鲜样与2 mol/L的KCl溶液按照1∶10（质量∶体积）混合，震荡30 min，静置10 min，过滤后取滤液经流动分析仪（Auto Analyzer 3，Seal，德国）进行测定。pH值、EC的测定将堆肥鲜样与去离子水按照1∶10（质量∶体积）混合，震荡30 min，静置10 min，过滤后取滤液用多参数分析仪（DZS-706-A，雷磁，上海）进行测定。GI值的测定是取上述水浸提液5 mL于盛有10粒心里美萝卜种子的铺有滤纸的培养皿中，置于（20±1）℃的培养箱（SHP-250，精宏，上海）中避光培养48 h，测定种子根长和种子发芽率。NH3以质量分数2%的硼酸为吸收液，甲基红-溴甲酚绿为指示剂，于发酵罐出气口吸收NH3至吸收液由红色变为蓝色，记录吸收时间，然后用0.01 mol/L的稀硫酸滴定至吸收液由蓝色变为红色，记录稀硫酸消耗体积。TC、TN和TS含量使用105 ℃烘干样上元素分析仪（vario MACRO cube，Hananu，德国）测定。
采用高通量测序法测定细菌群落组成。简而言之，使用土壤基因组快速提取试剂盒（MP Biomedicals，Santa Ana，CA）提取基因组DNA，然后将提取的基因组DNA保存在-20 ℃冰箱中，以备后续测定。基因组DNA测序以及细菌群落结构分析由北京奥维森基因科技有限公司（Allwegene，北京）完成。测序方法为Illumina MiSeq，细菌V3～V4区的扩增引物为338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT），测序结果使用Qiime 1.8.0分析，微生物分类参考NCBI数据库。
作图使用Origin 2018完成，显著性差异分析使用SAS 8.1完成，理化指标相关性分析使用SPSS 20完成，微生物与环境因子的相关性分析（典范对应分析，Canonical correspondence analysis，CCA）使用Canoco 5.0完成。
2 结果与讨论
2.1 基本理化性质
2.1.1 温度和氧气
温度可以反应堆肥过程中有机物的降解情况，是堆肥成功与否的重要指标。本试验中温度变化如图2a所示。低、中、高C/N比处理的温度均符合典型堆肥的特征，经历了升温期、高温期、降温期和腐熟期4个阶段。它们均在堆肥第2天进入高温期（>55 ℃），高温期持续时间分别为10、21和17 d，整个堆肥过程有效累积积温分别为22 277、31 344、27 336 ℃·h。值得注意的是，第2周环境温度骤降并逐渐恢复，低C/N比和高C/N比处理的温度也发生骤降，而中C/N比处理的温度一直保持高温状态，这表明C/N比为14和22的堆肥受环境温度影响较大，而C/N比为18的堆肥基本不受环境温度的影响。这可能是由于C/N比为18的处理物种多样性较高，微生物活动和有机物降解剧烈，释放大量的热造成的。随后，低C/N比处理的温度在第14天翻堆以后出现短暂峰值，随后第18天开始缓慢降低并逐渐接近室温，高C/N比处理在第14和21天翻堆后，又持续了6 d的高温期，从第24天开始温度缓慢降低并逐渐接近室温。这是因为高C/N比堆肥的氮源相对不足，微生物生命活动较弱，减缓了堆肥反应进程，这与前人的研究结果一致[8]。中C/N比处理的温度从第21天开始逐渐降低并接近室温。堆肥结束时，3个处理均达到了《粪便无害化卫生要求》[21]。中C/N比处理的高温期持续时间最长（21 d），且不会发生温度骤降，出现了本次堆肥的最高温（72.3 ℃），有效累积积温最高（31 344 ℃·h），这与韩相龙等[5]对不同C/N比下牛粪堆肥的研究结果相一致。统计分析结果表明，不同C/N比处理的日温差异显著（<0.05）。
图2b为不同C/N比处理中O2含量的变化。3个处理的O2含量在堆肥第1～2天均急剧下降，分别降为5.6%、8.0%和3.2%，随后缓慢升高并逐渐接近环境水平。整个堆肥过程中，翻堆后O2含量会出现短暂的降低。统计分析结果表明，温度和O2含量呈显著负相关关系（=-0.789，<0.01），这是因为有机物降解的同时消耗大量的O2，释放大量的热量，这一结果与以往研究相一致[16,22]。堆肥第3～7天，C/N比越高，O2含量越高；堆肥后期，高C/N比处理的O2含量有所降低，证明了高C/N比会减缓堆肥反应进程[8]。整个堆肥过程中，中C/N比处理的O2含量保持较低水平，说明中C/N比最有利于有机物的降解。统计分析结果表明，3个处理的O2含量具有显著性差异（=0.042）。
2.1.2 无机态氮
不同C/N比处理中NH4+-N含量变化如图3a所示。3个处理的NH4+-N浓度均呈先上升后下降最后趋于平稳的趋势，且均在堆肥第3天达到峰值。原始物料中，C/N比越高，NH4+-N浓度越低，这是因为膨松剂的添加会稀释NH4+-N的浓度[23]。低C/N比处理的NH4+-N浓度在整个堆肥过程均显著高于其他2个处理（<0.01）。主要是因为低C/N比处理初始物料中鸡粪含量较高导致NH4+-N浓度较高，同时低C/N比处理有机物降解较少且物料致密，不利于NH4+-N转化为NH3挥发。堆肥第3～14天，3个处理的NH4+-N浓度均大幅降低，这是由于高温和高pH值促使NH4+-N转化为NH3挥发。堆肥第14～21天，高C/N比处理温度快速升高，有机物快速降解，NH4+-N生成速率高于转化为NH3挥发的速率，因此NH4+-N浓度增加。堆肥后期，有机物大部分被降解，NH4+-N浓度基本保持不变。堆肥结束时，3个处理的NH4+-N浓度分别降低了14.41%、58.66%和52.93%。低C/N比处理的NH4+-N损失明显低于中、高C/N比处理，这是因为低C/N比处理物料致密且有机物降解较少，较少的NH4+-N以NH3的形式挥发。统计分析结果表明，中、高C/N比处理的NH4+-N含量差异不显著（=0.085），低C/N比处理的NH4+-N含量显著高于中、高C/N比处理（<0.01）。
3个处理的NO3--N浓度变化如图3b所示。本研究中，低C/N比处理的NO3--N浓度在整个堆肥过程中无明显变化（5.56～8.89 mg/kg）。中C/N比处理的NO3--N浓度在堆肥前7天大幅降低（50.93～9.41 mg/kg），第7～14天略有降低（9.41～4.92 mg/kg），第14～35天基本保持不变（4.92～4.17 mg/kg）。高C/N比处理的NO3--N浓度在堆肥前14天急剧降低（60.81～7.14 mg/kg），第14～35天略有降低（7.14～3.73 mg/kg）。中、高C/N比处理在堆肥前期NO3--N浓度降低是因为NO3--N通过反硝化作用转化为N2O挥发。以往研究认为，堆肥后腐熟期，温度降低，硝化细菌活性增强，NO3--N浓度显著增加[14]。本研究在堆肥后期基本无NO3--N生成，这主要是因为第35天堆肥温度刚刚恢复室温，硝化细菌仍处于被抑制状态，NH4+-N还未通过硝化作用转化为NO3--N，NH4+-N和NO3--N浓度均保持不变也说明了这一点。NO3--N浓度变化也表明，鸡粪有机质含量高，需要较长的周期腐熟和腐殖化，后腐熟期随着温度的彻底降低，硝化细菌的活性增强，NH4+-N会通过硝化作用转化为NO3--N。Liu等[24]以猪粪和玉米秸秆进行35 d的好氧堆肥，其NO3--N浓度变化趋势与本研究相近。统计分析结果表明，高C/N比处理的NO3--N含量显著高于低C/N比处理（=0.031）。
图3 不同C/N比处理无机态氮质量分数变化
2.2 腐熟度指标
堆肥过程中pH值的变化如图4a所示。初始物料的pH值均呈碱性，且C/N比越大，pH值越小，这是因为玉米秸秆呈弱酸性，高C/N比处理含有较多的玉米秸秆所致[25]。堆肥第0～3天，各处理的pH值急剧上升，这主要是由于含氮有机物的矿化和氨化作用生成NH3所致[13]。第3～7天，堆肥进入高温期，高温促使较多的NH3挥发，有机物降解生成有机、无机酸，以及CO2的大量释放等[13]，都导致pH值升高速率减缓。堆肥第7～21天，低、中C/N比处理的pH值基本保持平稳，而高C/N比处理发生明显波动。从温度和NH4+-N变化曲线可以看出，在第7～14天，高C/N比处理有机物降解较少，NH4+-N生成速率低于转化速率，因此pH值显著降低；随后，翻堆使得大量未降解有机物分解，NH4+-N浓度明显增加，pH值显著上升。在堆肥后腐熟期，3个处理的pH值均出现了缓慢下降的趋势，这主要是由于硝化细菌活性增强，促进少量NH4+转化为NO3-[26]。堆肥结束时，各处理的pH值在8.28～8.73之间，符合堆肥产品呈弱碱性的要求[27]。统计分析结果表明，3个处理的pH值无显著性差异（=0.568）。
EC值是反应堆肥水浸提液中可溶性盐浓度的指标，EC值过高会对作物造成毒害作用。一般认为，腐熟堆肥的标准为EC<3 mS/cm[28]。不同C/N比堆肥中EC值的变化如图4b所示。3个处理的初始EC值分别为4.23、4.30、3.79 mS/cm。堆肥前3天，有机物快速降解并生成小分子有机酸和多种离子（NH4+、HCO3-、H+）[13]，因此，3个处理的EC值迅速上升并达到峰值，分别为5.61、5.17、3.85 mS/cm。第3～14 天，堆肥处于高温期，NH3和CO2大量挥发，同时小分子有机酸和部分盐基离子被合成大分子腐殖质（胡敏酸）[29]，EC值显著下降。从第14天开始，EC值无明显变化，基本趋于平缓。堆肥结束时，3个处理的EC值分别为3.91、2.95、2.98 mS/cm，低C/N比处理未达到堆肥无害化要求。3个处理的EC值与初始相比分别降低了7.72%、31.47%、21.28%，说明C/N比为18最有利于堆肥的腐熟。统计分析结果表明，中、高C/N比处理的EC值没有显著性差异（=0.065），但均显著低于低C/N比处理（<0.01）。
堆肥过程中3个处理的C/N比变化如图4c所示。吴银宝等[30]在猪粪堆肥腐熟指标的研究中认为，固相C/N比低于20时，可判定堆肥腐熟。而本研究中，3个处理的初始C/N比分别为14.00、17.81、21.78。依据以往研究，堆肥结束时的C/N比均低于初始C/N比[15,30-32]，因此，上述腐熟标准不适用于本研究。Morel等[33]建议采用值（结束C/N比与初始C/N比的比值）评价堆肥腐熟度，且认为<0.6时堆肥达到腐熟。本研究中，堆肥物料配比不同，C/N比的变化趋势不同。低C/N比处理的C/N比呈先增加后降低的趋势，中、高C/N比处理的C/N比呈逐渐降低的趋势。张鹤等[32]在C/N比对牛粪堆肥腐熟的研究中和程亚娟等[15]在C/N比对鸡粪堆肥腐熟指标的研究中均得出相似的结论。这是因为在堆肥前期，低C/N比处理的有机物降解少，碳素损失低于氮素损失，因此该处理的C/N比增加。在整个堆肥过程中，中、高C/N比处理的有机物均发生显著降解，碳素损失均高于氮素损失，因此C/N比逐渐降低。堆肥结束时，3个处理的值分别为0.74、0.60、0.64，因此，中C/N比处理达到了腐熟标准。
堆肥水浸提液对植物种子的毒性试验是检验堆肥腐熟度最有效、最精确的方法。图4d反应了不同C/N比处理中GI值的变化。堆肥第1周，低、中C/N比处理的GI值略有降低，高C/N比处理上升至11.72%，这是由于堆肥升温期和高温期初始阶段生成大量小分子有机酸和盐基离子所致[13]，而高C/N比处理添加了较多的秸秆，对盐基离子有稀释作用，降低了对作物的毒性。第7～21天，高温和高pH值促使大量的NH3和CO2挥发，降低了堆体中盐基离子的浓度，3个处理的GI值分别增加至21.32%、85.48%、79.81%。堆肥结束时，3个处理的GI值分别为6.23%、84.46%、108%。统计分析结果表明，GI值分别与EC值（=-0.764，<0.01）和NH4+-N浓度（=-0.759，<0.01）呈显著性负相关，进一步证明了高盐分特别是NH4+会对种子发芽率产生抑制作用。一般认为，GI<50%，堆肥未达到腐熟；50%
图4 不同C/N比处理腐熟度指标的变化
2.3 臭气排放以及元素平衡
2.3.1 氨气和硫化氢排放规律
有研究表明，堆肥过程中的NH3排放是堆肥氮素损失的主要途径，NH3-N损失占初始TN的19%～42%[35]，同时它还是一种有刺激性气味的臭气。本研究中，NH3排放速率先快速增加后逐渐降低最后基本接近于零（如图5a），NH3累积排放量呈先增加后基本保持稳定的趋势（如图5b）。堆肥第0～3天，堆肥处于升温期，有机物降解生成较多NH4+-N，少量NH4+-N转化为NH3挥发，NH3挥发量占总排放量的5%～13%。第4～21天，堆肥处于高温期，在高温和高pH值条件下，有机物降解生成的大量NH4+-N转化为NH3挥发，NH3排放量占总排放量的75%～85%。3个处理的NH3排放峰值分别出现在堆肥第7、第5和第5天，分别为0.35、0.76、0.81 g/(d·kg)。第22～35天，堆肥进入后腐熟期，大部分有机物已完全降解，NH3排放速率显著下降，NH3排放量占总排放量的6%～12%。以上结果表明，NH3的排放主要发生在堆肥高温期。统计分析结果也表明，温度与NH3排放速率呈显著性正相关（=0.723，<0.01），温度越高，NH3排放速率越大。这与Pagans等[36]的研究相一致，他们认为温度是决定NH3排放最重要的因子。在整个堆肥过程中，伴随着翻堆的进行，还会出现NH3排放的小高峰。此外，低C/N比处理有机物降解较少，其温度显著低于其他两个处理（<0.01），且该处理物料致密，不利于NH3的挥发，因此其NH3排放最少。对比中、高C/N比处理，C/N比越低，NH3排放越多。这与以往的研究相似，C/N比升高，NH3排放会减少[3,10,37]。统计分析结果表明，低、高C/N比处理的NH3排放速率（=0.122）无显著性差异，中C/N比处理的NH3排放速率显著高于其他两个处理（<0.01），3个处理的NH3累积排放量具有显著性差异（<0.01）。
H2S排放规律如图5c和5d所示。3个处理的H2S排放速率均为先增加后下降最后基本接近于零，其均在堆肥第2天达到最大值，分别为121.06、32.77、53.16 mg/(d·kg)，随后快速降低，从第10天开始基本接近于零。整个堆肥过程中H2S的排放主要发生在堆肥前10天，占总排放量的84%～95%。这与沈玉君等[38]的研究基本一致，他们发现猪粪和秸秆联合堆肥前7天的H2S排放量占整个堆肥过程排放总量的90%以上。第11～35天，H2S有少量排放，占总排放量的5%～16%。堆肥结束时，3个处理的H2S累积排放量分别为408.74、119.85、120.25 mg/kg。低C/N比处理，H2S累积排放量最大。这是因为C/N比越低，堆体的容重越大（3个处理的容重分别为812、599、427 kg/m3），物料致密会造成厌氧环境，促进H2S的生成。此外，翻堆后会出现H2S排放峰值，这与Zang等[39]研究一致。统计分析结果表明，中、高C/N比处理的H2S排放速率（=0.997）和累积排放量（=0.919）无显著性差异，低C/N比处理的H2S排放速率和累积排放量显著高于其他两个处理（<0.01）。因此，在鸡粪堆肥过程，增加C/N比可以显著降低H2S的排放，但当C/N比为18～22时，H2S的累积排放量无明显变化。
图5 不同C/N比处理NH3和H2S排放规律
2.3.2 碳、氮、硫元素平衡分析
不同C/N比处理的碳、氮、硫元素平衡分析如表2所示。堆肥持续35 d，3个处理的TC损失率分别为51.24%、63.30%、56.88%。有效累积积温是一个可以综合反映温度强度和持续时间的指标[30]。低C/N比处理有机碳源含量低，且有效累积积温最低，堆肥产品未达到腐熟，因此其TC损失率最小。中C/N比处理有效累积积温最高，因此其有机物降解最多，TC损失率最高。
整个堆肥过程中，TN损失32.57%～38.62%，其中13.10%～33.21%的初始TN以NH3-N的形式损失，占TN损失的38.43%～85.99%。可见，堆肥过程中大部分氮素以NH3的形式损失，这与已报道的相关结果一致[35]。3个不同C/N比处理的TN含量均增加。这是因为堆肥过程中有机物降解造成的碳素损失远大于氮素损失，氮元素相对含量增加[30,40]。中C/N比处理的TN损失率和NH3-N损失率均最高。当C/N为18～22时，C/N比越高，TN损失率和NH3-N损失率越少。张鹤等[32]的研究也表明，高C/N比处理的氮素损失远低于低C/N比处理。
整个堆肥过程中，TS损失17.83%～27.28%，其中3.04%～9.89%的初始TS以H2S-S的形式损失，占TS损失的16.64%～36.25%。3个不同C/N比处理的TS含量均增加。因为堆肥过程中有机物降解造成的碳素损失远高于硫素损失，硫元素发生相对浓缩。低C/N比处理的TS损失率和H2S-S损失率均最高。中C/N比和高C/N比处理的H2S-S损失率和TS损失率均较低，且二者无显著差异。
表2 不同C/N处理的元素平衡分析
注：a为碳、氮、硫损失分别占初始总碳、总氮、总硫的百分比，b为NH3-N损失占初始总氮百分比，c为H2S-S损失占初始总硫百分比。
Note:ais the percentage of carbon、nitrogen and sulfur loss in the initial total carbon、total nitrogen and total sulfur,bis the percentage of NH3-N loss in the initial total nitrogen,cis the percentage of H2S-S loss in the initial total sulfur.
2.4 微生物与理化因子的相关性分析
堆肥原始物料、堆肥高温期物料和堆肥产品中微生物群落的Alpha多样性指数如表3所示。Alpha多样性指数越大，则对应的堆肥物料中微生物物种多样性越高。从表中可以发现，各处理的物种多样性均呈先降低后升高的趋势，说明高温使得大部分细菌灭活，因此高温期物料物种多样性减少。此外，C/N18处理在堆肥过程中的物种多样性明显高于其他处理，说明C/N18处理的微生物具有耐高温的特性，有利于高温期有机物的降解和堆肥的腐熟，这也是该处理温度保持较高水平且NH3排放最多的原因。微生物与理化因子的相关性分析（典范对应分析，Canonical Correspondence Analysis，CCA）表明，pH值、EC、O2、T、GI、NH3和H2S解释了98.3%的微生物群落变化，其中，pH值、GI和EC解释了65.8%（<0.05）的微生物群落变化，说明微生物群落受酸碱度和离子浓度的影响较大。在门水平上，原始物料中的优势细菌为（52.07%）和（25.31%）（在属水平上为、、），且与EC值和O2含量呈正相关关系。堆肥第14天，C/N14和C/N18处理的物种组成相近，以为主（86.46%和89.83%）（在属水平上为、、、），与O2含量呈负相关关系，与pH值、T、NH3和H2S呈正相关关系，而C/N 22处理的优势菌为（52.02%）和（47.24%）（在属水平上为、），与O2含量呈正相关关系，与pH值、T、NH3和H2S呈负相关关系，说明高温、高pH值和缺氧环境会增加丰度，进而促进NH3和H2S的排放，相反地，低温、低pH值和氧气充足的环境会增加丰度，有利于减少NH3和H2S的排放。堆肥结束时，（27.29%～64.69%）的相对丰度明显降低，且C/N越低，降幅较小，（19.53%～34.28%）和（11.01%～20.14%）的相对丰度有所上升，且C/N越低，升幅越小，说明低C/N处理需要更长的时间才能达到腐熟。此外，C/N18和C/N22处理与GI呈正相关，但C/N14处理与GI呈负相关，这也表明低C/N比处理未达到腐熟。
注：CM0代表原始物料。
注：C/Nndm代表C/N比n处理在第m天的样本。
表3 微生物群落的Alpha多样性指数
3 结 论
1）鸡粪堆肥初始C/N比为18时更有利于有机物的降解，C/N比为14处理未达到腐熟，C/N比为18和22处理达到腐熟。
2）C/N为18的处理NH3累积排放和总氮损失率最高；C/N比为14处理的H2S累积排放和总硫S损失率最高。
3）微生物群落多样性分析表明C/N比为18处理的微生物多样性最高。高温、高pH和缺氧环境会增加丰度，进而促进NH3和H2S的排放，相反地，低温、低pH和氧气充足的环境会增加丰度，有利于减少NH3和H2S的排放。
综合考虑堆肥产品腐熟度和堆肥过程中臭气排放，建议低C/N比鸡粪堆肥初始C/N比为18～22。
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Effects of C/N ratio on maturity and odor emissions during chicken manure composting
Ma Ruonan, Li Danyang, Qi Chuanren, Li Guoxue, Wang Guoying, Liu Yan, Sun Shaoze, Yuan Jing※
(,,,100193,)
A dramatic increase in the amount of chicken manure is posing a great challenge on the social community, ecological environment, and human health, as the growing demand of chicken meat and eggs in China. Fortunately, composting process is an effective, sustainable, economic and natural way to recycle the decomposed organic materials, with an emphasis on the manure treatment prior to land application. Nevertheless, there are usually lots of odor emissions during the composting of nitrogen-rich chicken manure. The C/N ratio of raw materials markedly determines the compost maturity and the odor emissions during composting. At present, lots of previous studies focused on the effect of C/N ratio on the compost maturity and quality. However, only a few reports paid attention to the odor (NH3or H2S) emissions during chicken manure composting. In this study, three C/N ratios, including 14, 18 and 22, were selected from the co-composted chicken manure and cornstalks as the bulking agent, to improve the compost quality, while decrease the odor emissions. An attempt was made to explore the comprehensive effect of C/N ratio on maturity and odor emissions (NH3and H2S) during chicken manure composting. The aeration was in an intermittent mode (Sated 30 min, stopped 30 min), and the rate was 0.2 m3/h. The composting lasted 35 days, where the sampled on the day of 0, 3, 7, 14, 21, 28, 35, respectively. The basic physicochemical and maturity indexes were measured, including temperature (T), oxygen (O2), inorganic nitrogen content (NH4+-N, NO3--N), pH value (pH), Electrical Conductivity (EC), C/N ratio, Germination Index (GI), and the element content (C, N and S). Odor emissions (NH3and H2S) were continuously monitored daily. A canonical correspondence analysis (CCA) was also used to analyze the microbial community composition, as well as their correlation with physicochemical indexes and odor emissions. The results showed that the final compost with the C/N ratio of 14 was not mature, while both the treatment with the C/N ratios of 18 and 22 reached the maturity standard. In terms of odor emissions, the C/N ratio of 18 treatment had the highest NH3emission, because of the higher degradation of organic matter. When the C/N ratio ranged from 18 to 22, the NH3emission and total nitrogen (TN) loss decreased with the C/N ratio increased. In addition, the cumulative H2S emission and the total sulfur (TS) loss were the highest in the C/N ratio of 14 treatment, while those in the C/N ratio of 18 and 22 treatments greatly decreased, indicating no significant difference. Moreover, the C/N ratio of 18 treatment had the highest microbial diversity, compared with other two treatments during the whole composting period. Furthermore, the microbial community compositions in the C/N ratios of 14 and 18 treatments () were significantly different from those in the C/N ratio of 22 treatment (and). More importantly, the CCA showed high temperature, high pH, and hypoxic environment can be beneficial to the proliferation of, and thereby to promote the emission of H2S and NH3. In an opposite case, high abundance ofcan decrease the H2S and NH3emission. As such, the recommended C/N ratio was 18~22 during co-composting of chicken manure and cornstalk. Specifically, the appropriate ratio can also be determined according to the number of cornstalks.
manure; composting; volatile subsnces; C/N ratio; maturity; odors emission; microbial community
马若男，李丹阳，亓传仁，等. 碳氮比对鸡粪堆肥腐熟度和臭气排放的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：194-202.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.023 http://www.tcsae.org
Ma Ruonan, Li Danyang, Qi Chuanren, et al. Effects of C/N ratio on maturity and odor emissions during chicken manure composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 194-202. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.023 http://www.tcsae.org
2020-08-11
2020-10-12
海南省重大科技计划项目（ZDKJ2017002）；海南省农业环境污染治理项目（NWZL2017001）
马若男，博士生，研究方向为废弃物处理与资源化。Email：b20193030239@cau.edu.cn
袁京，副教授，研究方向为废弃物处理与资源化。Email：jingyuan@cau.edu.cn
10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.023
X705
A
1002-6819(2020)-24-0194-09
