不同添加剂对畜禽粪便堆肥的保氮效果

高 鹏，鲁耀雄，崔新卫，卢红玲，聂新星，张 鸿，彭福元

（1. 湖南省农业科学院农业环境生态研究所,湖南 长沙 410125；2. 湖北省农业科学院植保土肥研究所,湖北 武汉 430064；3. 湖南百威生物科技股份有限公司，湖南 浏阳 410318）

近年来，随着养殖业集约化、规模化和产业化的快速发展，畜禽粪便的产生量急剧增加[1]。受运输和种养脱节等因素影响，畜禽粪便完全就地消纳存在一定困难，于是部分地方政府出台了限养区或禁养区政策，甚至出现了无猪县（市），严重影响了人们的生产生活。高温堆肥是规模化处理畜禽粪便最常用且有效的方法[2-3]。但在条垛式或槽式这种开放式堆肥过程中，氨挥发是一个不容忽视的问题。一方面会造成严重的氮素损失，降低肥料养分含量；另一方面氨挥发是臭气排放的主要原因，对环境造成了“负面效应”[4]。因此，研究经济而实用的堆肥保氮技术具有重要的现实意义[5]。

不少学者对堆肥过程中减少氮素损失的方法开展了相关研究。雷平等[6]发现添加过磷酸钙能有效减少猪粪堆肥过程中的氮素损失。He 等[7]、李波等[8]研究结果表明，添加生物炭有利于降低鸡粪好氧堆肥过程的氨气排放和氮素损失。徐鹏翔等[9]发现，在猪粪堆肥中加入5%（占鲜猪粪重）的腐殖酸有利于发酵反应的进行，能够促进有机质的分解，有效控制氮素损失。然而，大部分研究针对的是单一添加剂的具体用量，而对不同添加剂保氮效果比较的研究较少。鉴于此，笔者以湖南当地农业生产常见的猪粪、鸡粪和菌渣为原料，选取过磷酸钙、生物炭、腐殖酸3 种经济便利的添加剂，研究不同添加剂对畜禽粪便堆肥的保氮效果，旨在为筛选高效、经济、环保的堆肥添加剂提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020 年5 月8 日至6 月15 日在湖南百威生物科技有限公司进行。堆肥原料包括猪粪、鸡粪和食用菌渣，均来源于浏阳市普迹镇周边养殖及种植业废弃物。其中，含水量较高或体积较大的原料经过晾干并破碎过筛。堆肥原料的理化性质见表1。

表1 堆肥原料理化性质

1.2 试验设计

试验设4 个处理，分别为：CK，不添加调理剂；T1，添加5%（按物料鲜重计，下同）过磷酸钙；T2，添加5%生物炭；T3，添加5%腐殖酸。每个处理3次重复。堆肥原料配比根据物料养分情况，按50%猪粪+20%鸡粪+30%菌渣混合均匀，不同添加剂在堆料搅拌过程中均匀撒入，充分拌匀，调节堆体碳氮比约为25 ∶1，每个堆体总质量控制在1 000 kg，堆成1.5 m 高的圆锥形堆进行好氧发酵，分别在堆肥的第7 天、第14 天、第21 天和第28 天上午9：00 用铲车和人工配合翻堆。

1.3 取样与测定方法

取样方法：每间隔7 d 取样一次，在堆体上任意选取3 点，深度为距离堆体表面约30 cm，取样约1 kg，充分混匀，然后将其分成2 份，一份鲜样带回实验室保存于冰箱，用于测定堆肥过程中pH 值变化；另一份置于通风处自然风干并粉碎过筛，用于测定堆肥处理不同时期铵态氮、硝态氮、全氮的含量以及种子发芽势（GI）。

温度测定：每天上午9：00 随机在堆体3 个不同部位，用80 cm 长的温度计插入堆体约30 cm 处，待温度计读数稳定后记录温度，取同期3 点不同部位平均值为该堆体温度。同时测定上午9：00 的室内温度，作为当天的室内温度。

pH 值测定：取保存于冰箱中的新鲜样品10 g（换算成干基），放入200 mL 广口塑料瓶中，按1 ∶10（w/v）的比例加入去离子水，25℃振荡30 min，然后静止1 h，用pH 计测定。

养分含量测定：采用2 mol/L KCl 浸提-蒸馏法测定铵态氮，采用紫外分光光度法测定硝态氮，采用H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法测定全氮，采用钒钼黄比色法测定全磷，采用火焰光度计法测定全钾。

种子发芽指数（GI）测定：准确称取堆肥风干样品25 g 于三角瓶中，加入250 mL 去离子水，置于摇床150 r/min 振荡30 min，过滤后吸取滤液20 mL，加入到放有2 张滤纸的培养皿（直径为9 cm）中，均匀放置20 颗大小均匀、颗粒饱满的萝卜种子，置于培养箱中25℃培养48 h 后，计算种子的发芽率，测定种子的根长[10]。每个处理设置3 个重复，以去离子水为对照。

1.4 计算方法与数据分析

根据公式（1）计算种子发芽指数（GI）。

式中：GT、LT、GCK和LCK分别代表处理发芽率（%）、处理根长（cm）、对照发芽率（%）和对照根长（cm）。

根据公式（2）计算氮素损失率（NL）。

式中：X0为堆体初始全氮（TN）质量分数，Xi为堆肥结束时TN 质量分数，M0为堆体初始干重（kg），Mi为堆肥结束时干重（kg）。

试验数据采用Excel 2010 和SAS 8.1 软件进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同添加剂对畜禽粪便堆肥温度的影响

堆肥过程中，温度变化是发酵状态的最直观反映。从图1 可以看出，不同处理的温度变化因翻堆而呈现上升下降再上升的周期性变化。在堆肥早期阶段（0～7 d），由于有机质分解和代谢释放热量，各堆体温度均迅速升高，在第6 天达到峰值，且均超过了55℃，表现为T3 ＞T2 ＞T1 ＞CK，说明3 种添加剂均在一定程度上提升了堆肥的温度。根据文献报道，堆肥过程中温度维持在55℃以上超过3 d，可杀灭堆体中的病原体[11]。这表明该试验的4 个处理均达到了无害化的标准。

图1 各处理堆肥过程中温度的变化

2.2 不同添加剂对畜禽粪便堆肥pH 值的影响

堆肥过程中堆体pH 值变化受到微生物代谢活动及代谢产物的影响，它决定着微生物生活环境和重金属迁移情况[12]。由图2 可知，各处理pH 值均在7.4～8.2之间，属于中性或弱碱性，均满足堆肥微生物生长对pH 值的环境要求。pH 值在0～7 d 升高的原因可能是堆肥前期微生物快速生长和繁殖，促使氮化合物加速分解，导致铵态氮和氢氧根离子增加，pH 值升高[13]。随着堆肥进程加快，有机质降解成有机酸，堆体中氮素的氨化作用减弱，pH 值逐渐降低。后期pH 值升高的原因可能是堆体内蛋白质或有机氮的矿化和有机酸的消耗加剧所致[14]。堆肥35 d 后，不同处理堆体的pH值各不相同，均呈弱碱性，且T2 ＞CK ＞T3 ＞T1。

图2 各处理堆肥过程中pH 值的变化

2.3 堆肥过程的铵态氮变化

堆肥过程中铵态氮含量与氨气的释放密切相关，是氮素损失的主要来源[15]。由图3 可知，不同处理铵态氮含量的变化趋势基本一致，即先增加后降低再缓慢增加，且各堆体铵态氮含量都是在高温期增加最快，在降温期和腐熟期含量降低。这主要是由于随着堆体温度的升高，含氮有机物不断降解，产生大量铵态氮，当堆肥进入稳定期后，可降解的氮素逐渐减少，加上铵态氮向硝态氮或有机氮的转化，其含量逐渐下降。在整个堆肥过程中，T1 处理的铵态氮含量始终高于CK，堆肥结束后各处理氨态氮含量由高到低依次为T1 ＞T2 ＞CK ＞T3，说明添加过磷酸钙和生物炭均能增加堆肥的铵态氮含量，且过磷酸钙的效果更明显。

图3 各处理堆肥过程中铵态氮含量的变化

2.4 堆肥过程的硝态氮变化

如图4 所示，从堆肥开始到第7 天翻堆，硝态氮含量的增加可能是堆肥初期在微生物作用下，硝化作用逐渐增强所致。进入高温阶段后（7～14 d），堆体温度升高，抑制了硝化细菌的生长繁殖，硝化作用减弱，导致硝态氮含量降低。堆肥第21 天至堆肥结束，堆体温度逐渐降低，硝化作用加强，铵态氮逐步转化为硝态氮，硝态氮含量继续增加。堆肥35 d 后，添加过磷酸钙（T1）处理的硝态氮含量最高，为1.9 g/kg，较CK 增加0.1g/kg，而T2、T3 处理的硝态氮含量分别比CK 低0.2、0.1g/kg。这表明堆肥过程中添加过磷酸钙（T1）提高了堆体的硝态氮含量，添加生物炭（T2）和腐殖酸（T3）降低了堆体的硝态氮含量。

图4 各处理堆肥过程中硝态氮含量的变化

2.5 堆肥过程的全氮变化

全氮含量是判断堆肥品质和肥效的重要指标。如图5 所示，各处理全氮含量均呈现先增加后降低的趋势。在堆肥初期，全氮含量增加可能与有机质的大量分解相关，各处理堆体全氮含量均在第7 天达到顶峰，表现为T1 ＞CK ＞T3 ＞T2。随着堆肥过程的推进，全氮含量逐渐降低，可能与不同处理氨挥发和氮素损失有关。与CK 相比，过磷酸钙（T1）、生物炭（T2）、腐殖酸（T3）处理在堆肥的中后期（14～35 d），全氮含量均高于对照，表现为T1 ＞T2 ＞T3 ＞CK。分析堆肥前后的氮素损失率（图6）可知，各处理保氮效果排列依次为T1 ＞T2 ＞T3 ＞CK；其中，过磷酸钙（T1）保氮效果最好，氮素损失率低至20.67%，较CK 减少了12.07 个百分点。

图5 各处理堆肥过程中总氮含量的变化

图6 堆肥结束后各处理的氮素损失率

2.6 堆肥过程的种子发芽指数变化

堆肥产品的种子发芽指数（GI）是评价堆肥成熟度的重要生物指标之一[16]。一般来说，GI 值大于80%表明堆肥已经腐熟[17]。如图7 所示，随着堆肥过程的推进，发芽指数逐渐增加；且堆肥结束时，T1、T2，T3 处理堆体的发芽指数均高于CK；其中，T1、T3 处理在第28 天发芽指数已经超过80%，T2、CK处理在第35 天也达到腐熟程度，说明T1、T3 有利于加快堆体的腐熟。堆肥结束后（35 d），T1 处理发芽指数最高，GI 值达到98%，较CK（82%）增加16 个百分点，其次为T3、T2 处理，分别为96%和89%，均高于CK。以上结果表明各添加剂均能提高堆肥发芽指数，以过磷酸钙的处理效果最佳。

图7 各处理堆肥样品对萝卜种子的种子发芽指数

3 讨 论

堆肥需要经过一系列复杂的化学反应和微生物转化，包括水解、蛋白酶解、氨化、硝化、碳矿化、腐殖质化[18]。在堆肥过程中，氮的转化主要包括氮的固定与释放2 个方面。一般而言，堆肥结束后，由于有机氮的矿化、氨气的挥发以及硝态氮的反硝化都可能造成堆体的氮素损失[19]。堆肥过程可以分为初始升温、高温发酵和降温腐熟3 个阶段。

在堆肥过程的初始升温阶段，微生物迅速繁殖，在其作用下有机质矿化为简单的蛋白质并释放出氨气。在此阶段，由于有机质的矿化、堆体质量的损失，全氮和有机氮浓度增高。在堆肥开始的一周内，堆体有机质降解进程加速，矿化作用强烈，铵态氮达到最大浓度，随后逐渐降低[20]，这与该研究的结果一致。与此同时，大量铵态氮的产生，可能会在短期内抑制微生物的活动，阻碍微生物繁殖，并且随着可供降解的有机质减少，有机质的降解速度也开始减缓。

在堆肥的高温阶段，堆体水溶性铵态氮浓度达到最高值，pH 值也达到最高。由于温度过高，抑制了硝化反应，这个阶段氨气挥发也很强烈。在堆肥的2～3 周，堆体铵态氮含量开始降低，pH 值也开始持续降低。只有温度低于40℃，硝化反应才能完全进行，同时其反应进程也依赖于硝化细菌可利用的铵态氮数量。

在堆肥的腐熟阶段，温度逐渐稳定，并出现一定幅度的降低，此时，铵态氮大量转化成硝态氮，导致堆体中铵态氮含量持续降低、硝态氮含量持续升高。

研究比较了3 种添加剂对堆肥过程中氮转化的影响，过磷酸钙在堆肥体系中溶解产生H+，降低了堆肥过程的pH 值，减少碱性环境条件下NH3的挥发；另一方面H+可以与NH3发生反应，生成磷酸铵和硫酸铵，发挥保氮作用。但是，堆肥过程中不能大量使用过磷酸钙，否则会导致堆肥物料过酸，进而影响堆肥进程。生物炭呈碱性，应用在堆肥物料中，可以有效地吸附硝态氮与NH3，减少物料中NH3的挥发[21]。此外，生物炭为硝化细菌提供了良好的微环境，对氮转化（铵态氮进一步转化为硝态氮）有积极影响[22]。腐殖酸呈弱酸性，可以调节堆体的pH 值，促进有机质的分解，加快堆体的腐熟，控制堆肥过程中氮素的损失[9]。

过磷酸钙、生物炭和腐殖酸分别添加到猪粪-鸡粪-菌渣的堆肥体系中，均能增加堆体的全氮含量，减少氮素损失，有一定的保氮效果，且堆肥过程中高温持续时间长，可以满足堆肥无害化的要求。堆肥中添加过磷酸钙和生物炭，均能增加堆肥的铵态氮含量，而添加腐殖酸则会降低堆体铵态氮含量；添加过磷酸钙可增加硝态氮含量，而添加生物炭和腐殖酸均会降低堆体硝态氮含量。3 种添加剂均提高了堆体的全氮含量，以过磷酸钙处理保氮效果最好，氮素损失率低至20.67%，较CK 减少了12.07 个百分点。同时，3种添加剂均提高了堆体对萝卜种子的发芽指数，以过磷酸钙处理效果最明显，堆制35 d 时GI 值达到98%，比对照处理高出16 个百分点。另外，添加过磷酸钙和腐殖酸对加快堆体腐熟也有一定作用，这2 个处理的堆肥堆制28 d 时发芽指数就超过了80%，达到腐熟标准。

4 结 论

在猪粪-鸡粪-菌渣堆肥过程中添加5%的过磷酸钙、生物炭、腐殖酸，均可增加堆肥的全氮含量，提高堆肥对萝卜种子的发芽指数，对降低氮素损失、加快堆肥进程也有一定效果；其中，以添加过磷酸钙的效果最佳，氮素损失率低至20.67%；同时，添加过磷酸钙和腐殖酸还能加快堆体腐熟。综合考虑堆肥保氮效果及腐熟时间，添加物料鲜重5%的过磷酸钙是提升猪粪-鸡粪-菌渣堆肥保氮效果的理想材料。