粪便对食用菌渣堆肥中碳氮转化的影响*

王定美 麦力文 杨 霞 林 蕊 陈新富 李勤奋#

(1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海南 海口 571101；2.海南省热带生态循环农业重点实验室，海南 海口 571101；3.海南医学院热带医学与检验医学院，海南 海口 571199)

中国是世界食用菌生产与出口大国，2018年我国食用菌总产量已突破3 800万t，占世界总产量70%以上[1]。食用菌生产的同时也伴随着大量食用菌渣(以下简称菌渣)废弃物的产生，菌渣资源化综合利用已受到广泛关注[2-4]。在众多的资源化利用方式中，堆肥化处理被研究者普遍认可[5-6]，该处理在使有机质稳定化的同时，可降低物料中重金属、病原菌、盐分等有害物质的毒性。为提高菌渣堆肥效率，堆肥物料的合理混配不可或缺。

堆肥化本质上是微生物驱动下的碳氮物质矿化分解和分解后产物的腐殖化过程[7]，碳和氮对微生物的生长和繁殖十分必要，碳氮质量比(C/N)是堆肥的关键因素[8]。为了使微生物生长营养物质平衡，堆肥适宜C/N为20～35[9]。关于物料初始C/N的研究，主要集中在全碳(TC)和全氮(TN)上[10]，但这忽视了原料中非生物有效碳氮组分的影响，也导致了不同类别原料即便是同一C/N下，其堆肥进程也差别较大[11],[12]233,[13]。因此，研究原料类别对堆肥进程的影响，对于通过物料混配方法优化堆肥化进程有重要意义。

研究表明，优化菌渣与粪便配比可提高堆肥效率[14-15]，此类研究的主要目的是研究菌渣与粪便的最优质量配比，并未能进一步阐释粪便种类对菌渣堆肥的影响。刘超等[16]比较了典型畜禽粪便与菌渣的堆肥效果，但该文忽视了堆肥化是微生物利用碳氮进行代谢作用的本质，难以明确这种差异是由粪便本身碳氮源有效性等性质引起的还是初始C/N不同造成的。本研究按堆积过程中发热量的不同，将粪便划分为冷性粪肥、温性粪肥、热性粪肥，并进一步选取相应的3 种典型粪便(牛粪、猪粪、鸡粪)，与菌渣在同一C/N下进行共堆肥，以明确粪便性质对堆肥中碳氮转化的影响规律，为选择高效的菌渣堆肥粪源调理剂提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

菌渣取自海南省定安县某食用菌公司，该菌渣为秀珍菇栽培菌渣，制备原料为木屑、棉籽壳、麦麸。菌渣经破袋打碎在阴凉通风处摊开放置3 d，含水率降至约60%即为供试堆肥原料。粪便原料为新鲜的牛粪、猪粪和鸡粪，采自定安县龙湖镇周边畜禽养殖场。供试堆肥原料的基本性质见表1。

1.2 堆肥实验设计

实验设置3个处理：菌渣+鸡粪(记为HM)、菌渣+牛粪(记为CM)、菌渣+猪粪(记为WM)，每个处理4个重复，并以纯菌渣堆肥(记为CK)作为对照。在发酵前，参考李季等[17]推荐的堆肥初始条件，并结合堆肥原料的C/N及含水率等性质(见表1)，将鸡粪、猪粪、牛粪分别按一定比例与菌渣混合均匀，调节物料初始C/N=32.00，初始含水率为65.00%，使其处于堆肥适宜的初始条件，放入自制堆肥实验装置中进行堆肥化处理。该堆肥装置采用1211型塑料桶，容积为240 L，四周和底部有保温层，装置底部设有空气压缩机带动的曝气管，并连接一套曝气系统。堆肥自第2天开始，每天上、下午在测定堆肥温度后各曝气1次，每次30 min。取样时间为上午，每次翻料后取样，取样当天上午不曝气。

1.3 取样与分析测定方法

堆肥时间控制为63 d，分别在堆肥的0、3、7、12、18、25、33、42、52、63 d 时取样，取样方法为多点取样混合。每次取样400 g，一部分鲜样存于-20 ℃冰箱中待用，另一部分风干后待测。主要测定指标及方法：温度，每天9：00、16:00用水银温度计各测定1次温度，每个堆体测定4点取平均值，同时测定环境温度；总有机碳(TOC)，采用重铬酸钾外加热法测定；TN，采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定；硝态氮、铵态氮测定参照《肥料 硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定》(NY/T 1116—2014)进行；灰分测定参照《有机肥料粗灰分的测定》(NY/T 303—1995)进行。腐殖质、富里酸和胡敏酸含量以有机碳含量计，参照文献[18]进行测定。

1.4 数据计算及处理

堆肥过程总积温为实验过程中，各处理每天16:00测定堆温数据平均值的加和。

氮损失率(Nloss，%)、氮固定率(Ns，%)的计算方法依次如式(1)[19]226、式(2)[20]所示。腐殖化率(HR，%)为腐殖质占TOC的比例，腐殖化指数(HI，%)为胡敏酸占TOC的比例，胡富比(DP)为胡敏酸与富里酸的比值。

(1)

(2)

式中：A1、A2分别为初始、采样时的灰分质量分数，%；N1、N2分别为初始、采样时的TN质量分数，%；NCK、NT分别为对照、处理的氮损失率，%。

2 结果与分析

2.1 温度变化

堆体温度变化是评价堆肥过程中微生物活动强度的关键参数，能很好反映堆体的状态。如图1所示，无论是否添加粪便，堆肥开始后，微生物不断分解有机质释放出热量，4个处理温度的变化呈升温、高温、降温和稳定4个阶段。进一步分析堆体温度(见表2)，发现各处理均在堆肥的第1天迅速升至50 ℃以上，进入高温期，各处理最高温度表现为WM(65.41 ℃)>HM(65.03 ℃)>CM(62.88 ℃)>CK(61.06 ℃)，添加鸡粪、猪粪和牛粪的处理高于纯菌渣处理，说明在菌渣中添加粪便可显著提高微生物的活性，堆体代谢强度显著提高，添加鸡粪和猪粪对促进堆体升温的效果最好，且两者相差不大。其可能的原因是：鸡粪和猪粪中易降解有机质含量高，更有利于微生物利用，代谢强度高，进而使堆体能达到的最高温度更高[12]233,[21]。各处理堆体高温期时间由长至短依次为CM(39 d)、HM(27 d)、WM(19 d)、CK(16 d)，持续时间16～39 d，均达到了《粪便无害化卫生标准》(GB 7959—2012)好氧堆肥的卫生要求(堆温≥50 ℃，至少持续10 d)，CM高温期最长，说明牛粪中纤维等难降解有机质含量较高，微生物难以快速降解，代谢强度低。从堆肥过程总积温来看，HM(3 095.42 ℃)>CM(3 050.75 ℃)>WM(2 623.88 ℃)>CK(2 556.19 ℃)，说明添加粪便提升了微生物代谢活性的持久性，鸡粪、牛粪、猪粪提升效果依次降低。由上可知，鸡粪对堆肥过程微生物代谢活性的提升效果最优，鸡粪和猪粪对微生物代谢活动的强度提升效果相当，牛粪对微生物代谢活动的持久性提升效果明显差于鸡粪，可能由于鸡粪与菌渣间的降解性能差异大于牛粪和菌渣间的差异，据文献[13]研究指出，物料间降解性能差别越大越有利于堆肥进程。本实验中，添加粪便后，堆体温度更高，维持更久，是由于粪便作为氮源，可将菌渣C/N(C/N=43.28)调节为适宜的C/N(C/N=32.00)，更符合堆肥微生物对碳氮营养的需求，进而促进堆肥进程。各粪便处理在提升微生物代谢活性中表现出的差异性，是由于物料中有机质的组成和降解特点造成的。

表1 原料的基本性质

图1 不同菌渣堆肥化处理中温度的变化

2.2 堆肥过程有机质与C/N的变化

有机质是微生物生长代谢的营养基质，直接影响堆肥进程。有机质含量过低，将影响堆肥发酵过程热量的产生，有机质含量过高又不利于供氧、产生厌氧情况。如图2(a)所示，堆肥开始后，各处理堆肥有机质含量呈总体下降趋势，随着堆肥的进行，微生物不断分解和利用碳，使得碳以二氧化碳和易挥发有机酸等形式释放，有机质消耗加快[22]，有机质含量快速下降，至堆肥结束时，各处理有机质质量分数为85.4%(CK)、69.7%(CM)、72.0%(WM)、72.3%(HM)，与堆肥初始相比，分别下降了4.3%、17.8%、14.1%、20.8%。添加粪便后，微生物代谢增强，有机质降解效率大于纯菌渣堆肥；添加粪便的各处理有机质含量趋于一致，有机质降解效率按鸡粪、牛粪、猪粪依次减小。这与不同处理下堆肥过程总积温大小一致。

碳氮是微生物生长代谢所必须的营养物质，堆肥的C/N可直接影响到微生物的生长繁殖，进而影响到有机质的降解速率。C/N作为衡量堆料腐熟程度的重要指标，一般认为C/N低于20表示堆肥达到腐熟[23]。如图2(b)所示，随着堆肥进行，C/N不断下降，堆肥结束时，分别为31.20(CK)、20.40(CM)、21.90(WM)、16.50(HM)，除CK外，C/N均降至接近20或小于20，说明添加粪便后有利于有机质的降解转化，可促进堆肥腐熟。相比初始，各处理C/N的下降比例分别是27.6%(CK)、37.2%(CM)、31.4%(WM)、48.8%(HM)，添加粪便的各处理C/N的降低程度不同，下降比例表现为鸡粪>牛粪>猪粪。

2.3 氮转化进程

氮转化直接影响堆肥效率，同时氮在堆肥中尤其是高温期会以氨气的形式逸散损失，不但散发臭气，污染环境，而且会降低堆肥的农用价值。氨化作用是堆肥前期和中期氮转化和氮损失的重要途径之一。堆肥过程中铵态氮的变化如图3所示。堆肥开始后，由于有机氮的矿化及氨化作用，各处理铵态氮质量浓度快速升高，峰值分别是CK 5.50 g/kg、CM 4.88 g/kg、WM 6.98 g/kg、HM 10.73 g/kg。由于曝气翻堆使铵态氮流失、可降解的有机氮不断减少和温度下降使硝化细菌活动增强，铵态氮在硝化细菌的作用下不断转化为硝态氮，导致铵态氮含量下降，堆肥结束时，各处理铵态氮分别为CK 4.54 g/kg、CM 3.64 g/kg、WM 3.58g/kg、HM 3.21g/kg，与堆肥初始相比，CK上升了36.6%，CM、WM、HM 分别下降了14.9%、22.2%、37.3%，HM处理的铵态氮下降比例显著高于CM、WM，CM、WM间差异不显著。铵态氮作为反映堆肥效果和反应进程的重要指标之一，铵态氮含量减少被认为是堆肥腐熟的标志，说明添加粪便可降低铵态氮的积累，可促进菌渣堆肥进程，其促进程度为鸡粪>猪粪>牛粪。

表2 不同菌渣堆肥化处理温度分析1)

图2 不同菌渣堆肥化处理中有机质质量分数与C/N的变化

图3 不同菌渣堆肥化处理中铵态氮的变化

如图4所示，堆肥前期由于堆体温度较高，硝化细菌活性受抑制及微生物利用硝态氮合成细胞物质，硝态氮含量缓慢上升；堆肥后期温度下降，硝化细菌活性增加，硝态氮含量呈上升趋势，但各处理差别较大：CK在第7天达到最大值4.62 g/kg后略有下降，CM在第25天达到最大值 4.15 g/kg后基本保持不变，WM则缓慢上升，HM从第42天起快速升高，结束时CK、CM、WM、HM的硝态氮分别为3.70、4.12、4.89、9.37 g/kg，相比初始增长了13.5%、49.5%、88.3%、114.4%，但CM、HM、WM之间，CM与CK之间硝态氮增加率差异不显著，HM与WM的硝态氮增加率显著高于CK，说明添加不同粪便、添加牛粪与否，硝态氮积累效果差异不显著，添加鸡粪、猪粪可显著提高硝态氮积累，促进硝化进程。

图4 不同菌渣堆肥化处理中硝态氮的变化

如图5所示，随着堆肥进行，各处理初期TN先快速升高，后期除CM在第33天达到最大值2.05%后略有下降外，其余基本呈升高的变化规律，其中，HM的快速升高阶段最长(52 d)，其次为WM(42 d)、CK(25 d)。堆肥结束后，CK、CM、WM、HM的TN分别是1.59%、1.99%、1.90%、2.53%，添加粪便处理的TN均显著高于纯菌渣处理，并且HM显著高于CM和WM，CM和WM差异不明显。添加粪便可延长TN含量提升时间，显著提高TN含量，提升菌渣堆肥的品质，其中添加鸡粪的效果最好。相比初始，结束时HM、CK、CM、WM的TN分别增长了54.5%、32.2%、30.5%、25.2%，说明添加鸡粪可显著提高TN含量，添加牛粪、猪粪不能提高菌渣堆肥的TN含量。这与文献[16]的研究结果一致。

图5 不同菌渣堆肥化处理中TN的变化

根据有机物料堆制腐熟过程中灰分无损失的原理[19]226，计算氮损失率，结果见表3。CK、CM、HM、WM的氮损失率分别为13.2%、14.6%、0.6%、7.3%，CM、WM、HM的氮损失率依次显著减小，但CM与CK差异不显著。与CK相比，CM、HM、WM的氮固定率分别为-11.4%、95.7%、44.3%。这说明添加猪粪、鸡粪可显著降低氮损失，提高氮固定率，其中添加鸡粪效果最佳；添加牛粪不能降低氮损失，不能实现氮固定。因此，菌渣堆肥在选择粪便时，应优先选择鸡粪。

综合2.2节、2.3节研究结果可以推断出，添加粪便明显改变了堆肥中含碳氮物质的矿化降解进程，各处理中，添加鸡粪的处理有机质降解效率最高，促进前期氮的氨化与后期氮的硝化进程、提高TN含量、降低氮损失、提高氮固定率效果均最佳，促进含碳氮物质矿化进程效果最佳；添加猪粪的处理有机质降解效率最低，含碳物质矿化效率最低，硝化进程与HM差异不显著，其余效果仅次鸡粪，含氮物质矿化效率居中；添加牛粪的处理有机质降解效率居中，抑制纯菌渣的氨化进程，且不能促进硝化进程、降低氮素损失和提升氮固定效果，含氮物质矿化效率最低。

2.4 腐殖化进程与腐殖质品质

腐殖质是有机质腐殖化进程的最终产物，堆肥中腐殖质的变化特征对判断堆肥化腐熟程度及堆肥产品品质等亦有着重要作用[24]。腐殖化率是评价堆肥腐殖化程度的重要指标。由图6可以看出，4个处理腐殖化率变化差异明显：CK中腐殖化率随堆肥进行，先升后降，在第25天达到最小值后逐步上升趋于稳定；WM先降后升，在第18天达到最大值后不断下降。在整个堆肥过程中合成和分解同时进行，腐殖化率后期的变化比前期更平稳，说明前期腐殖质不稳定，腐殖质在合成和分解中不断转化，后期合成大于分解，腐殖质逐渐积累使腐殖化率逐渐增大[25]。堆肥结束时，各处理的腐殖化率分别为CK 27.6%、CM 31.6%、WM 27.7%、HM 32.6%，分别是初始的1.23、1.35、0.94、1.32倍，纯菌渣及添加牛粪、鸡粪后，堆肥产物腐殖化程度提升，添加猪粪的处理腐殖化程度则下降，添加猪粪不能促进菌渣堆肥腐殖化进程。CK、CM、HM在堆肥前后的腐殖化率变化差异不显著，但显著高于WM，说明在促进菌渣堆肥腐殖化进程效果方面，牛粪和鸡粪相当，优于猪粪。

胡敏酸是腐殖质中分子量较大、分子结构稳定性较高的组分，腐殖化指数是评价堆肥腐殖质稳定性及堆肥质量的重要指标。由图7可以看出，随着堆肥的进行，HM的腐殖化指数稳定保持在12%左右；CK、CM、WM的腐殖化指数呈上升趋势，分别在第33、42、52天达到峰值15.89%、20.73%、19.28%后下降，最终，CK、CM、WM、HM的腐殖化指数分别为14.55%、20.56%、18.36%、11.90%，分别是初始的1.35、1.76、1.62、0.96倍，纯菌渣及添加牛粪、猪粪后，堆肥产物腐殖质稳定化程度明显提升，添加鸡粪后腐殖质稳定化程度则有所下降，添加鸡粪不能提升菌渣堆肥腐殖质的稳定化水平。CM、WM堆肥前后的腐殖化指数变化间差异不显著，但显著高于HM，说明在促进菌渣堆肥腐殖质的稳定化进程效果方面，牛粪和猪粪相当，并优于鸡粪。

表3 堆肥前后各形态氮的变化率及保氮效果

图6 不同菌渣堆肥化处理中腐殖化率的变化

图7 不同菌渣堆肥化处理中腐殖化指数的变化

富里酸与胡敏酸同为腐殖质的重要组成成分，相比之下，富里酸分子量较小、结构较简单，易被微生物降解。在堆肥腐殖化进程中，富里酸与胡敏酸之间的转化存在关联性。胡富比可反映堆肥过程中胡敏酸、富里酸相互消长和转化的过程，从聚合度反映腐殖质的品质[26]。由图8可以看出，随着堆肥的进行，CK的胡富比呈先降后升再降的波动变化，添加不同类型粪便后，胡富比呈现出不同的变化规律。堆肥结束时，CK、CM、WM、HM的胡富比分别为1.13、1.87、1.96、0.61，是初始值的1.23、1.86、3.16、0.59倍(见表4)，纯菌渣及添加牛粪、猪粪后，胡敏酸向富里酸转化，腐殖质聚合度提高，明显提升腐殖质品质，并以猪粪提升效果最好；添加鸡粪的腐殖质聚合程度则明显下降，不能提升腐殖质的品质。猪粪、牛粪、鸡粪对促进菌渣堆肥腐殖质聚合进程的效果依次减弱。

图8 不同菌渣堆肥化处理中胡富比的变化

表4 堆肥后各腐殖化进程指标相对初始值的倍数

以上分析表明，牛粪、猪粪、鸡粪促进菌渣堆肥腐殖质形成的效果差别较大。猪粪降低腐殖化程度，鸡粪降低腐殖质稳定性和聚合度，均对腐殖化进程有不利的影响；只有牛粪可提高菌渣堆肥的腐殖化进程，并且在提高腐殖化程度、腐殖质稳定性方面均最优，这与文献[27]的研究结果“牛粪比猪粪更能促进腐殖质形成”一致。李吉进等[28]将蘑菇渣与鸡粪、牛粪混合堆肥后，腐殖化率、腐殖化指数、胡富比均显著提高，与本研究中添加鸡粪后胡富比下降不一致，说明同时添加鸡粪和牛粪，可克服鸡粪对腐殖化进程的不利影响，提高腐殖化水平。这与牛粪中纤维素类物质含量高于鸡粪、猪粪有关，鸡粪与牛粪、糠醛渣混合后，堆体中纤维素类物质含量提高，可能导致堆肥中微生物结构发生改变，从而促进腐殖化进程。结合前面鸡粪促进有机物矿化进程的效果最优的结论，建议进一步研究菌渣与鸡粪、牛粪共堆肥的效果，以达到菌渣高效堆肥的目的。

3 结 论

热性粪肥鸡粪提高菌渣堆体温度、促进碳矿化、氮前期氨化与后期硝化作用、氮固定效果最好，物质矿化程度最大。添加鸡粪后堆肥过程中最高温度、总积温、铵态氮最高值依次为65.03 ℃、3 095.42 ℃、10.73 g/kg；堆肥后，有机质和C/N分别降低20.8%、48.8%，硝态氮、TN、氮固定率分别为9.37 g/kg、2.53%、95.7%。

冷性粪肥牛粪提高了菌渣堆肥的腐殖化程度、腐殖质的稳定性与聚合度，促进腐殖化进程效果最优。牛粪菌渣堆肥后，腐殖化率、腐殖化指数、胡富比分别为31.6%、20.56%、1.87，分别是初始值的1.35、1.76、1.86倍。