添加菌糠对鸡粪-烟末堆肥腐熟度及污染气体排放的影响

张邦喜 罗文海 杨仁德 柳玲玲 魏全全 李国学,*

(1 贵州省农业科学院农业资源与环境研究所，贵州 贵阳 550006； 2 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

堆肥化是集有机废弃物处理和有机肥生产于一体的生物化学过程，具有成本低、除臭灭菌效果好、水分含量低、体积小等优点，契合可持续农业的发展方向[1]。不同地区在堆肥工艺、堆肥原料类型、水分调节材料混合比例选择等方面差异较大[2]。北方平原地区由于农作物秸秆产量大、收集方便、成本较低，一般将其作为畜禽粪便堆肥的主要辅料。而南方丘陵山区由于地块零碎、作物秸秆收集成本较高，往往以量多且易收集的加工副产物(如烟末、菌渣等)为辅料用于畜禽粪便堆肥[3-4]。据估算，西南地区特种经济作物加工产业链中每年会产生上百万吨烟末、菌渣等副产物[5]。这些副产物粒径小且含水率高，会导致堆肥过程中堆体升温慢、水分去除难、腐熟周期延长等问题。这不仅会造成碳、氮等营养元素的流失，还会产生二次污染[6]，最终影响堆肥技术的推广与应用。

研究表明，堆肥过程中的营养损失主要通过NH3、N2O和CH43种气体排放的形式产生，其中约有40%～80%的氮素通过NH3挥发的形式损失、约0.2%～9.9%的氮素以N2O排放的形式损失、约0.1%～6.0%的氮素通过CH4排放的形式损失[7-9]。因此，这类物料堆肥通常需要添加木屑、秸秆、菌糠、花生壳和谷壳等结构膨松、C/N比适宜的物料来改善堆体孔隙度、调节水分，从而改变物料降解动力学并缩短堆肥周期[10-12]。Iqbal等[11]研究表明，在生活垃圾堆肥过程中添加40%锯末作为膨松剂能使混合物料含水率降至60%。杨帆[10]在餐厨垃圾堆肥过程中增加15%木屑、秸秆、菌糠作为膨松剂，不仅提高了堆肥效率，降低了氮素损失，而且缩短了堆肥周期并提升了堆肥产品的腐熟度。但目前有关菌糠对鸡粪-烟末联合堆肥腐熟度、氨挥发以及温室气体(N2O、CH4)排放等方面综合影响的研究报道尚鲜见。因此，本研究以鸡粪-烟末联合堆肥为研究对象，探究添加不同质量比菌糠对堆肥腐熟度及典型污染气体(NH3、N2O和CH4)排放的影响，以期为实际生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用鸡粪和菌糠取自中国农业大学上庄实验站，菌糠为片状，粒径约2 cm；烟末取自贵州省开阳县南江现代农业发展有限公司，呈粉末状，粒径约1.5 mm。初始物料基本理化性质见表1。

表1 堆肥初始物料基本性状Table 1 Key physiochemical characteristics of raw composting materials

1.2 试验设计

在不改变鸡粪-烟末湿重7∶3配比的前提下，选择粒径相对较大的菌糠作为膨松剂来改善鸡粪烟末混料容积密度。通过添加蒸馏水将鸡粪、烟末和菌糠混合物料的含水率调至60%，装入60 L(半径0.36 m，高0.6 m)密闭式发酵罐中[13]，压实。发酵罐内底采用多孔筛板支撑物料，双层隔热不锈钢制成，并连接温度反馈自动控制系统，底部连接空气泵，顶部设置安全瓶，末端采气口用于采集气体样品(图1)。试验设计3个处理：1)不添加菌糠处理(CK)；2)添加5%菌糠处理(5% SMS)；3)添加10%处理菌糠(10% SMS)，具体添加量如表2所示。堆置期间采取强制通风+人工翻堆方式进行供氧，通风方式为间歇通风，即通风30 min/停止30 min，通风速率为0.4 L·kg-1·min-1，堆肥周期为35 d。分别在第0、第3、第7、第14、第21、第28、第35天进行翻堆、取样，每次随机选取5个点取样，取样量200～300 g，均分为2份，一份于4℃条件下储存待用；另一份自然风干、粉碎后过0.5 mm筛待用。

表2 不同处理堆肥物料添加量Table 2 Adding of different amount of composting materials /kg

1.3 测定项目与方法

1.4 数据分析

采用SPSS 16.0对数据进行统计分析，采用Origin 8.5制图。

图2 堆肥过程中温度和氧气浓度的变化Fig.2 Changes of temperature and oxygen concentration during composting

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和氧浓度变化特征

由图2可知，所有堆肥处理第2天堆肥温度迅速升高，呈先升高后波动变化，最终降低的趋势。其中CK的堆肥温度在第5天达到50℃以上，第9天上升至最高温度(64.9℃)，整个堆肥周期内高温期(55℃以上)累积达13 d；添加菌糠处理堆体温度均在堆肥第1天上升至50℃以上，在第9天上升至最高温度，分别为65.4℃和66.2℃(5% SMS和10% SMS)，高温期累积分别达15和16 d，至35 d堆肥结束时，堆体温度趋近于环境温度，所有处理的高温期天数均超过GB 7959-2012[16]中规定的8 d以上，处理之间差异不显著(P>0.05)。添加菌糠能够提高堆肥温度、延长堆肥高温期，这主要是因为添加菌糠改善了鸡粪-烟末混合物料的通风状况，从而提高了物料降解速率，加速了微生物代谢水平，导致产热量更多。结合整个堆肥周期内O2浓度变化情况来看，堆肥前期(0～4 d)，由于有机物分解消耗大量O2，添加菌糠处理的O2浓度从21%迅速降低至14%，随着可降解有机物减少，微生物对O2的需求量逐渐降低，O2浓度又开始回升，至堆肥35 d，O2浓度上升至环境O2浓度(21%)。

2.2 堆肥腐熟度分析

图3 堆肥化学性质和腐熟度指标变化Fig.3 Change of chemical characteristics and germination index during composting

由图3可知，堆肥物料初始pH值在7.1～7.4之间，而后随着堆肥物料中大部分有机氮耗尽，NH3持续挥发，至堆肥结束(35 d)时，堆肥产品pH值上升至9.1～9.4。EC则受添加膨松剂比例的影响有所不同，初始物料EC在7.6～8.0 mS·cm-1之间，至堆肥35 d时，EC下降至7.0～7.7 mS·cm-1，添加10%菌糖处理EC接近CK，而添加5%菌糖处理的EC略高于CK，但各处理之间差异均不显著(P>0.05)，总体变化趋势基本一致。堆肥过程中NH4+-N含量变化趋势与pH值和EC不同，堆肥前期，添加菌糠处理的NH4+-N含量迅速升高，在第3天达到峰值。5% SMS和10% SMS的NH4+-N含量分别达9.4和8.1 g·kg-1；随着堆肥时间的延长，各处理的NH4+-N含量均呈下降趋势，其中至堆肥35 d时5% SMS和10% SMS的NH4+-N含量均降至2.1 g·kg-1， 与初始物料相比，分别降低了69.85%和46.10%。可见，在鸡粪-烟末细颗粒物料联合堆肥过程中添加菌糠作为膨松剂能够有效促进NH4+-N的转化。GI方面，在堆肥前期(0～7 d)，各处理堆肥产品GI变化较小，均处于较低水平，可能因为堆肥前期有机酸和铵含量过高，抑制了种子发芽；至堆肥中期(7～21 d)，随着物料中有害物质逐步降解，所有堆肥处理的GI均呈上升趋势，添加菌糠处理的GI均明显高于CK；堆肥后期(21～35 d)，添加菌糠处理的GI均达到40%以上，满足堆肥产品对作物生长无毒害作用的要求，且10% SMS所需堆肥处理时间更短，表明添加菌糠可以明显改善鸡粪-烟末堆肥的腐熟度，但所有处理GI值均低于80%，主要是因为烟末粒径细小，易包裹鸡粪，形成局部厌氧环境，影响有机酸和铵的转化。

2.3 堆肥过程中污染气体排放特征

图4 添加不同比例菌糠处理堆肥CH4排放规律Fig.4 Methane emissions during composting with different additions of SMS

2.3.1 CH4整个堆肥周期内CH4排放规律如图4所示，各处理CH4排放主要集中在堆肥0～3 d和21～26 d，这主要是因为堆肥前期(0～3 d)各处理堆体温度迅速升高，有机物降解较快，耗氧量逐渐增大，导致堆体呈现厌氧环境，CH4排放速率升高。第3天翻堆活动改善了堆体通风状况，O2浓度逐渐回升，堆体CH4排放速率降低。第4～第20天堆体CH4排放速率一直持续在较低水平，每次翻堆后有所增加。堆肥21～26 d时堆体CH4排放速率迅速升高，表明在好氧堆肥过程中，CH4排放高峰不仅出现在堆肥前期，当高温期较长时，堆肥后期也会出现CH4排放高峰。堆肥27～35 d时，随着可降解有机物减少，微生物对O2的需求量逐渐减少，堆体氧含量升高，CH4排放量逐渐降低。堆肥35 d后，CK、5%SMS和10%SMS 3个处理的CH4累积排放量分别为38.19、34.36、43.85 mg·kg-1。与CK相比，5% SMS固碳减排效果最好，CH4累积排放量降低了10.03%，而10% SMS的CH4累积排放量略有升高。可见，菌糠作为鸡粪-烟末联合堆肥的膨松剂，在适宜的添加质量比条件下，能够降低堆肥过程中CH4累积排放量。

2.3.2 N2O 堆肥过程中各处理N2O排放情况如图5所示。所有堆肥处理N2O排放主要集中在前10 d，CK的N2O排放峰值出现在第1天(119.61 mg·kg-1·d-1)，5% SMS和10% SMS的N2O排放峰值均出现在第4天，峰值分别为86.51和91.09 mg·kg-1·d-1。高温期后，随着堆肥物料的降解，N2O又出现1～2次小的排放峰值。整个堆肥过程中添加菌糠处理的N2O排放速率略有不同，但均与CK差异显著(P<0.05)，而5% SMS与10% SMS差异不显著(P>0.05)，这可能与添加膨松剂降低了堆肥物料中NH4+-N、硝态氮(NO3--N)浓度有关。堆肥35 d后，添加菌糠均能降低鸡粪-烟末联合堆肥过程中N2O的排放，5% SMS和10% SMS的N2O累积排放量分别为307.22和313.83 mg·kg-1， 较CK分别降低44.20%和43.00%。可见，菌糠作为鸡粪-烟末联合堆肥的膨松剂，能够降低堆肥过程中N2O的产生，其中以5% SMS堆肥过程中N2O减排效果最好。

图5 添加不同比例菌糠处理堆肥N2O排放规律Fig.5 Nitrous oxide emission during composting with different additions of SMS

2.3.3 NH3结合图2、图6可知，堆肥前2 d堆体温度较低，NH3产生量小，随着堆体温度升高，NH3排放速率也随之增加，在整个堆肥过程中各处理NH3排放速率与堆体温度呈显著正相关(P<0.05，R2=0.93)。在整个堆肥过程中，CK的NH3排放速率最大峰值出现在第30天(0.67 g·kg-1·d-1)；5% SMS和10% SMS的NH3排放速率最大峰值分别前移至第9和第6天，分别为0.85和0.48 g·kg-1·d-1。可见，添加菌糠处理的NH3挥发主要集中在堆肥高温期，CK的NH3排放高峰期明显滞后于添加菌糠处理。堆肥35 d后，CK、5% SMS和10% SMS的NH3累积排放量分别为8.86、10.05和6.43 g·kg-1，CK与5% SMS差异不显著(P>0.05)，但均显著高于10%SMS(P<0.05)。与CK相比，5% SMS在堆肥过程中的NH3累积排放量增加了13.48%，而10% SMS的NH3累积排量降低了27.41%。可见，菌糠作为鸡粪-烟末联合堆肥的膨松剂，适宜的添加量可有利于NH3的减排。

图6 添加不同比例菌糠处理堆肥NH3排放规律Fig.6 Ammonia emissions during composting with different additions of SMS

2.4 堆肥过程中物料碳、氮损失分析

由表3可知，鸡粪-烟末联合堆肥过程中碳素损失主要以CO2-C的形式释放，占堆肥混料总有机碳的18.63%～32.26%，仅有0.01%碳素以CH4-C形式损失。氮素损失水平为32.62%～44.51%，其中以NH3-N形式损失占18.61%～26.37%，以N2O-N形式损失占0.66%～1.09%。另外，添加菌糠的处理可有效减少N2O-N损失，10% SMS处理还可有效减少NH3-N损失，整体而言，添加菌糠处理的TN损失量相较CK减少了8.92～11.89个百分点，这可能是因为添加菌糠改善了堆体透气性，有利于提升微生物活性，发生氨化、硝化/反硝化反应。可见添加菌糠作为膨松剂能够缓解堆肥氮素流失问题，且5% SMS的综合效果优于10% SMS。

表3 堆肥温室气体排放效应分析Table 3 Analysis of total greenhouse gas emissions during composting /%

3 讨论

本试验以粒径细小的鸡粪和烟末为发酵原料，添加粒径较大的菌糠作为膨松剂，经过35 d好氧堆肥，所有处理堆体高温期(55℃以上)均持续10 d以上，且堆肥产品满足无害化标准要求。反应结束时，所有处理堆肥体系内O2浓度也趋近环境氧浓度(21%)，这与Guo等[17]研究结果一致。在堆肥初始阶段(0～4 d)，堆体O2浓度为21%～12%，表明堆体迅速进入反应剧烈期，微生物好氧代谢活性较高。这与Magalhaes等[18]关于堆体逸出O2浓度为10%～18%时，物料中微生物活性最佳，有机物迅速降解，耗氧量逐渐增大的研究结论一致。Guo等[17]和Jiang等[14]也得到了相同的研究结果。

堆肥产品的pH值、EC、NH4+-N含量和GI是评价堆肥进程和堆肥腐熟度的重要指标[19]。堆肥物料初始pH值在7.1～7.4之间，至堆肥35 d结束时，堆肥产品pH值上升至9.1～9.4，高于NY 525-2012[20]标准对堆肥产品酸碱度的规定(pH值5.5～8.5)，也高于Masó等[21]研究中提出的堆肥产品pH值的理想范围(pH值7.0～8.5)，其原因可能是堆肥过程中碳源不足，且物料空隙较小，从而使产生的NH3大量吸附在堆体内部，导致堆肥产品pH值升高。EC是评价堆肥产品对植物生长产生抑制作用或生物毒性的重要指标之一[19]。研究表明，当堆肥产品EC高于4 mS·cm-1时会对植物生长产生抑制作用[22]。本研究中，各处理在堆肥结束时EC均高于4 mS·cm-1，其原因主要是堆肥原料鸡粪(7.0 mS·cm-1)和烟末(9.0 mS·cm-1)的EC均较高，且粒径细小，造成堆体结构比较致密，导致堆肥产品EC偏高。添加菌糠有利于缓解鸡粪、烟末等堆肥原料EC较高的问题。此外，堆肥前期，添加菌糠处理的NH4+-N含量迅速升高至第3天达到峰值，这可能是堆体内高温或高浓度NH4+-N抑制硝化微生物活性造成的，因而硝化作用减弱而反硝化作用增强会造成NOx--N消耗[23-24]。堆肥35 d后，各处理NH4+-N含量均呈下降趋势，与初始物料相比，添加菌糠的堆肥产品，NH4+-N含量分别降低了69.9%和46.1%(5% SMS和10% SMS)，这与Sánchez-Monedero等[25]的研究结果一致。在整个堆肥过程中，各处理的GI均呈上升趋势，添加菌糠处理的GI均明显高于CK，说明添加菌糠可以明显改善鸡粪-烟末堆肥的腐熟度，但均未到达GI>80%的腐熟要求。已有研究结果表明，低C/N堆肥产品浸提液中高浓度的NH4+、有机酸和盐基离子等抑制了种子发芽[26-27]。综上，添加菌糠能够改善堆体孔隙度，给微生物提供适宜的环境，从而提高堆肥腐熟度，缓解鸡粪-烟末等原料NH4+、EC含量高对种子发芽的抑制作用[28]，但受堆肥原料鸡粪、烟末高NH4+、高EC的影响，堆肥产品均未达到腐熟标准，故采用鸡粪-烟末联合堆肥时，需要进一步调节鸡粪、烟末的用量，从而提高堆肥腐熟度。

整个堆肥周期内，CH4排放主要集中在堆肥前期和后期，这与Jiang等[29]研究结果一致。但在堆肥中期(4～20 d)，堆体CH4排放速率一直维持在较低水平，每次翻堆后有所增加，这主要是因为低C/N物料堆肥过程中会产生大量铵态氮(NH4+-N)，但温度过高抑制了产甲烷菌的活性[14]，翻堆可降低堆体温度，产甲烷菌活性增强而造成一定量CH4排放；当堆肥进行到第21～第26天时，堆体CH4排放速率迅速升高。江滔[30]的研究进一步表明，通风间歇期，堆体内产CH4过程被堆体表层甲烷氧化菌发生氧化作用而阻断，导致CH4排放量逐渐降低直至为零，而当翻堆等通风充足时，可恢复CH4排放量。堆肥过程中N2O主要通过硝化和反硝化两种途径产生[31]。本研究中，所有堆肥处理的N2O排放主要集中在前10 d，这种排放模式同前人研究结果相似[32-33]。高温期后，随着堆肥物料的降解，N2O又出现1～2次小的排放峰值，这种现象与El Kader等[33]的研究结果相似，主要是因为翻堆活动改善了堆体局部氧气含量，堆体内NO2-/NO3-可通过不完全的反硝化反应生产N2O。NH3的排放规律与CH4、N2O有所不同，在整个堆肥过程中各处理的NH3排放速率与堆体温度呈显著正相关(P<0.05，R2=0.092)，这与Pagans等[34]的研究结果一致。添加菌糠处理的NH3挥发主要集中在堆肥高温期，CK的NH3排放高峰期明显滞后于添加菌糠处理，这与杨帆[10]的研究结果相似。El Kader等[33]和Pagans等[34]研究也证实，添加剂会对堆肥物料NH4+的吸收率产生影响，进而影响堆肥过程中NH3的排放量。因此，添加菌糠作为鸡粪-烟末联合堆肥的膨松剂，能够改善混料pH值及吸附氮的能力，从而降低堆肥过程中NH3的排放。

Zhou等[35]研究表明，整个堆肥过程中，大部分碳素以CO2、CH4等气体形式释放，有机碳损失率达31%～68%。本研究中，经过35 d的好氧堆肥，鸡粪-烟末联合堆肥过程中以CO2-C形式损失占堆肥混料总有机碳的18.63%～32.26%，这一损失水平远低于Wolter等[36]和Jiang等[14]的研究结果，可能是受堆肥物料影响，鸡粪、烟末本身C/N较低所致。堆肥过程中氮素主要以NH3、N2O、N2等形式损失[37]。前人研究表明，堆肥物料中氮素主要通过有机氮矿化、硝化/反硝化作用，以NH3挥发的形式排放到大气中，损失率达13%～78%[7,38]。本研究中，氮素损失水平为32.62%～44.51%，低于Nakhshiniev等[7]和黄向东等[38]的研究结果，可能是因为添加菌糠改善了堆体透气性，有利于提升微生物活性，发生氨化、硝化/反硝化反应。此外，整个堆肥过程以N2O-N形式损失的氮素占堆肥总氮损失的0.66%～1.09%，这与Wolter等[36]的研究结果相似(0.1%～1.9%)。因此，添加菌糠的堆肥过程，可有效减少碳、氮素损失，提升堆肥产品质量，同时对降低农业源污染气体排放有具有要的意义。

4 结论

经过35 d的好氧堆肥，相比于CK，添加5%菌糠处理固碳(TOC)、保氮(TN)效果明显，而添加10%菌糠处理虽然TOC损失微弱增加，但TN损失量降幅大大提高，因而可以确定在5%～10%之间，存在最大程度保留TOC和TN的菌糠添加比例。除CK堆肥产品GI<50%外，其余处理堆肥产品GI达50%～70%，满足堆肥产品对作物生长无毒害的要求。综合堆肥腐熟度、碳氮损失及污染气体减控效果来看，添加适宜的菌糠有利于改善鸡粪-烟末联合堆肥腐熟度并减少碳氮流失。