不同氮源对秸秆堆沤氮素损失的影响

徐雯琦， 王志恒， 王禾田， 王丽霞， 周永馨， 邵 蕾

（中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670）

0 引言

我国玉米秸秆资源丰富，2019 年总产量约为3.05×108t，资源量约占粮食作物总秸秆量的1/3[1-3]。我国秸秆综合利用方式主要有肥料化、饲料化、能源化、原料化和基料化，其中肥料化占比最高，约为54.67%[4]。秸秆还田可节省化肥投入，2014-2018 年，我国玉米秸秆还田养分当季归还量（化肥可替代量）年均值为154.6 万t（N）、113.7 万t（P2O5）和432.5万t（K2O）[5]。

传统的秸秆堆沤还田方式为堆体覆盖不透气的塑料膜进行厌氧发酵，存在发酵温度低、发酵周期长、草种杀不灭等弊端[6-10]。功能膜覆盖发酵是目前研究热点[10-12]。功能膜又称半透膜和纳米膜，具有透气不透水的性能。功能膜覆盖发酵为好氧发酵，相对于厌氧发酵具有发酵温度高、高温持续时间长、病原菌和草种杀灭效果好的优点[10-11]。畜禽粪便、秸秆等有机废弃物好氧发酵中氮素损失为14.5%～74.0%[13-16]。纳米膜覆盖发酵过程中，膜内侧形成的水膜可吸收挥发的NH3，减少氮素损失。马双双等[11]和李永双等[9]分别以秸秆和畜禽粪便为原料，覆盖纳米膜处理比未覆盖处理NH3产生量分别减少了9.22%和58%。徐振轩[17]以白酒酒糟和牛粪为原料，纳米膜覆盖处理氮素的保存率与无覆膜处理相比提高18.32%。

玉米秸秆的碳氮比（C/N）为（40～90）∶1[18-23]。为保证微生物适宜的生存环境和好氧发酵堆沤的正常进行，秸秆需添加畜禽粪便或含氮化肥等氮源调节发酵原料的碳氮比为25∶1[24]。目前已有的秸秆好氧堆沤发酵研究中常用的氮源为尿素[25-27]。但是尿素在发酵过程中被脲酶分解产生NH3，NH3挥发占堆沤物料初始总氮的10.3%～29.5%[21]。添加草酸、柠檬酸等酸性物质可降低物料pH 值，吸收NH3，减少氮素挥发损失[28]。硫酸铵含氮量为21%，并且为酸性物质（0.1 mol/L 水溶液pH 值5.5），这就为减少好氧堆沤的氮素损失提供了可行性，而以硫酸铵为氮源调节秸秆碳氮比对堆沤的氮素损失研究未见相关报道[14]。试验以玉米秸秆为研究对象，比较以硫酸铵或尿素为氮源调节碳氮比后对纳米膜覆盖发酵过程中的氨气排放和堆沤产物氮素留存的影响，为减少秸秆好氧堆沤过程中的氮素损失提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆采自山东省烟台市牟平区，玉米收获后将秸秆用粉碎机粉碎，挑选未粉碎完全的秸秆用剪刀剪至3 cm。秸秆的理化性质如表1 所示。

表1 玉米秸秆 化性质Tab.1 Physical and chemical properties of corn straw

试验所使用的尿素、硫酸铵和菌剂为市售。大颗粒尿素（含氮量46%）粒径为3 mm；粒状硫酸铵（含氮量21%）粒径2～4 mm。

覆盖堆体的纳米膜为德国Gore 公司生产，由3 层组成：中间层材料为透气不透水的膨体聚四氟乙烯（e-PTFE），内外两层为抗腐蚀耐老化的聚酯纤维材料。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验于2020 年10 月18 日至2021 年4 月18 日在烟台市牟平区高陵村进行。将玉米秸秆各10 t（湿质量）与菌剂混匀，用铲车堆成2 个高约2 m、底部半径约5 m 和顶部半径约2 m 的圆台状堆体。将15 cm×15 cm的尼龙网袋中装入10 g 秸秆，埋入距地面1 m、距表层0 和50 cm 的堆体中，每个堆体埋入网袋48 个（2 个深度各埋24 个），间隔均匀。将192 kg 尿素（T1）和419 kg 硫酸铵（T2）均匀撒至堆体表面。每个堆体分3次喷洒1.34 t 水，每次喷水时间20 min，间隔为1 h。喷水后将堆体用纳米膜覆盖，四周压实。

1.2.2 样品采集与测定

使用手持式气体测定仪（科尔诺GT-1 000-K-N2）刺穿纳米膜测量膜内侧气体的浓度（NH4、O2、CO2），堆体4 个方向各测1 次，测量孔距离地面1 m；使用长杆温度计通过测量孔测定距表层0.5、1.0 和2.0 m 处的温度。测量结束后将测量孔用透明胶带封闭。

每月从T1、T2中分别取出8 个（0 和50 cm 各4 个）网袋，带回实验室测量含水量后风干保存，并测定样品的理化性质（有机质、全N、全P、全K 和pH 值）。测定方法参照NY/T 525-2021《有机肥料》。

试验结束后，将堆体翻堆混合均匀，取样带回实验室测定样品的理化性质、发芽率和种子发芽指数（GI）。测定方法参照NY/T 525-2021《有机肥料》。

腐殖质的测定及胡富比（CHA/CFA）的计算：腐殖质的测定参照NY/T 1867-2010《土壤腐殖质组成的测定

焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法》的方法，用0.1 mol/L 的氢氧化钠-焦磷酸钠混合溶液（pH值13）提取可溶性腐殖质，采用重铬酸钾氧化容量法测定胡敏酸（HA）和富里酸（FA）总碳量，提取液酸化分离沉淀的胡敏酸计算其碳量，富里酸碳量由差减法获得；胡富比的计算公式为[29]

式中CHA-胡敏酸碳量，%

CFA-富里酸碳量，%

C0-HA 和FA 总碳量，%

氮素损失率的测定：利用第一次和最后一次取样的干物质量与含氮量，根据物料守恒原理，计算氮损失率（Nl），如式（2）所示。

式中Nl-氮素损失率，%

N0、Ni—分别为堆肥初始、结束时物料全氮质量分数（以干基计），%

M0、Mi—分别为堆肥初始、结束时物料的干物质质量，g

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2019 和SPSS Statistics 26.0 软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 堆体温度变化

2 个堆体3 个层次（50、100 和200 cm）的温度呈先上升后下降的趋势，在第14 天时两个堆体各个层次的温度最高，T1和T2处理的50 cm 深度温度分别为58.1 和64.3 °C，如图1 所示。试验所用纳米膜具有透气性，堆体外层氧气含量高于内层，外层的微生物活性高，堆沤7～120 d，同一处理不同层次间比较，50 cm 深度温度最高，200 cm 深度温度最低；堆沤7～60 d，同一深度不同处理间比较，T2处理的温度高于T1处理。

图1 堆体温度变化情况Fig.1 Temperature changes of piles

2.2 堆体含水率变化

由图2 可知，T1和T2处理表层（0 cm）含水率为先上升后保持平稳的趋势，堆沤30～180 d，T1和T2处理表层含水率变化80.08%～88.37%；内层（50 cm）含水率为先上升后下降的趋势，堆沤30 d 时T1和T2处理内层含水率分别为67.93%和61.46%，堆沤180 d 时含水率降至26.32%和30.89%。试验结束后表层的秸秆为黑色的浆状物，而内层秸秆呈现棕色、松散的状态，原因为纳米膜具有透气不透水的特性，堆沤过程中堆体蒸发的水蒸气凝结在膜内侧，流回堆体表面，因此表层含水率高于内层。

图2 堆体含水率变化情况Fig.2 Moisture content changes of piles

2.3 堆体pH 值变化

添加尿素的T1处理0 和50 cm 的pH 值由初始的7.10 和7.00 到试验结束后分别上升至8.34 和7.86，如图3所示。原因为尿素在堆沤过程中释放出NH3，NH3溶解于纳米膜内侧的水膜，流回堆体，造成了堆沤秸秆的pH 值升高；流入堆体的冷凝水主要集中于堆体表层，因此表层（0 cm）处的pH 值高于内层（50 cm）。添加硫酸铵的T2处理0 和50 cm 的pH 值由初始的6.50 和6.70 到试验结束后下降至6.04 和6.28。

图3 堆体pH 变化情况Fig.3 pH changes of piles

2.4 堆沤过程中气体排放情况

T2处理整个堆沤过程中纳米膜内侧未检测出NH3。T1处理堆沤30 d 时膜内侧NH3浓度最高（0.045%），打开测量孔可闻到刺鼻的氨气味道；堆沤30～150 d 时NH3浓度逐渐降低为0，如图4 所示。

图4 堆体膜内NH3 浓度变化曲线Fig.4 Variation curve of NH3 concentration in piles membrane

空气中O2和CO2浓度为此消彼长的关系，总浓度和为21.04%左右[30]。堆沤过程中微生物通过好氧作用分解有机质同时排出CO2[31-32]。试验T1和T2处理的O2浓度为先下降后上升的趋势，CO2浓度为先上升后下降的趋势，如图5 和图6 所示。堆沤30 d 时T1处理的O2浓度高于T2处理，而CO2浓度则相反。原因可能为T1处理的氮源为尿素，尿素在分解过程中产生氨气，堆沤30 d 时膜内侧氨气浓度为0.045%，高浓度的NH3抑制了微生物的活性，减少了O2的消耗，提高了O2的浓度，降低了CO2的浓度。

图5 堆体膜内 O2 浓度变化曲线Fig.5 Variation curve of O2 concentration in piles membrane

图6 堆体膜内CO2 浓度变化曲线Fig.6 Variation curve of CO2 concentration in piles membrane

2.5 堆体养分含量变化

T1、T2处理的有机质呈逐渐下降趋势，试验结束后T1处理0 和50 cm 有机质含量分别为57.35%和61.79%，T2处理分别为54.13%和57.13%，如图7 所示。试验结束后T2 处理的有机质含量高于T1处理，原因可能为添加尿素的T1处理在堆沤过程中释放出的NH3可能会对微生物的活性产生抑制，从而减少有机质的分解量。同一处理表层的有机质含量低于内层，原因可能为纳米膜具有透气性，表层O2含量高，微生物活跃，有机质分解量大。

图7 堆体有机质含量变化情况Fig.7 Organic matter content changes of piles

T1、T2处理全氮呈下降趋势，试验结束后T1和T2处理0 cm 处全氮含量分别为1.95%和2.17%，如图8 所示；50 cm 处全氮含量分别为1.60%和2.04%。T2处理的全氮含量高于T1处理，原因为纳米膜具有透气不透水的性质，虽然T1处理挥发的NH3可随膜内侧的凝结水流回堆体，但仍有部分NH3随水蒸气通过纳米膜逸散[33-34]。

图8 堆体全氮含量变化情况Fig.8 Total nitrogen content changes of piles

T1、T2处理的全磷和全钾含量呈逐渐上升趋势，相对于初始物料堆沤结束时T1处理0 和50 cm 的全磷上升了45.16%和44.44%，全钾上升了45.45%和38.91%，如图9 和图10 所示；T2处理0 和50 cm 的全磷上升了65.52%和57.14%，全钾上升了55.28%和46.08%。堆沤物料中全磷和全钾含量上升的原因为堆沤结束时干物质损失35%左右，而磷和钾不存在损失，表现为相对累积的“浓缩效应”[35]。

图9 堆体全磷含量变化情况Fig.9 Total phosphorus content changes of piles

图10 堆体全钾含量变化情况Fig.10 Total potassium content changes of piles

2.6 堆沤过程中胡富比（CHA/CFA）变化

胡富比是反应堆肥腐殖质稳定化的指标，常用来评价堆肥腐熟度[36-37]。古小治等[38]将胡富比超过 1.4 作为熟化的指标。随着堆沤过程的进行，T1和T2处理的胡富比呈逐渐上升趋势[39]。堆沤结束时T1和T2处理的胡富比分别为1.61 和1.82，均高于1.4，如表2 所示。

表2 T1、T2 处理的胡富比（CHA/CFA）变化Tab.2 CHA / CFA changes of T1 and T2 treatments

2.7 氮素损失率测定

T1处理堆沤产物的全氮含量为1.78%，堆沤过程中的氮损失率为54.24%； T2处理堆沤产物的全氮含量为2.11%，堆沤过程中的氮损失率为40.90%，相对于T1处理，T2处理的氮损失减少了24.59%，如表3 所示。

表3 不同处理的氮损失率Tab.3 Nitrogen loss rate of different treatments

2.8 堆沤产物理化性质

NY/T 525-2021《有机肥料》规定种子发芽指数（GI）≥70%为有机肥腐熟的指标之一[40]。T1和T2处理堆沤产物的发芽率低于蒸馏水对照处理，而3 个处理间的根长无差异，如表4 所示。T1和T2处理的GI 分别为91.71%和100.40%，符合NY/T 525-2021《有机肥料》中的要求。

表4 发芽率与发芽指数Tab.4 Germination rate and germination index

堆沤结束后，T1与T2处理堆沤产物中除含水率外，总养分量、有机质、酸碱度、重金属含量和病原菌指标符合NY/T 525-2021《有机肥料》的限量要求，如表5所示。

表5 堆沤产物理化性质Tab.5 Physicochemical properties of composting

3 讨论与结论

3.1 不同氮源对玉米秸秆堆沤的影响

徐智等[41]和魏阳等[32]在好氧堆肥时添加尿素调节碳氮比，氮素损失率分别为55%和38.46%。添加酸性物质可显著降低好氧发酵的氮素损失。薛文涛等[28]和吴梦婷等[42]添加5%柠檬酸、5%草酸和4.1%硫酸亚铁，氮素损失率分别减少了25.16%、48.54%和38.25%。试验以尿素为氮源时，膜内侧的HN3浓度最高为0.045%，试验结束后0 和50 cm 处的pH 值分别上升为8.34 和7.86。虽然尿素处理产生的HN3可以被纳米膜内侧的水膜吸收并流回堆体，但仍有部分HN3随水蒸气逸散出纳米膜；而以硫酸铵为氮源时自始至终膜内侧未检测出HN3。因此，硫酸铵处理相对于尿素处理的氮素损失减少了24.59%。以尿素为氮源调节碳氮比时，尿素在堆沤过程中产生的HN3对堆体中微生物的活性可能存在抑制作用，堆沤7～60 d 时尿素处理的发酵温度低于硫酸铵处理，硫酸铵处理的干物质分解量（干物质损失率）高于尿素处理。最终的堆沤产物硫酸铵处理的养分含量和表示腐熟程度的种子发芽指数均高于尿素处理。

3.2 纳米膜覆盖堆沤时物料不同深度发酵效果的差异

由于纳米膜具有透气性，堆沤物料表层的O2含量高于内层，因此表层的好氧微生物活性高。试验中表层的发酵温度、有机质分解量和总养分含量高于内层。由于纳米膜具有不透水的性质，膜内侧的水蒸气冷凝于膜内侧，冷凝水可吸收挥发的HN3[9,11]，试验中冷凝水回流造成堆体表层含水率和氮含量高于内层。试验中，堆沤产物表层为含水率85%左右、全氮含量3%左右的黑色浆状物，而内层为含水率28%左右、全氮含量1.8%左右的棕色松散状物。由于纳米膜覆盖堆沤产物的表层和内层的含水率和养分含量存在差异，建议掀膜后用铲车将内外层混匀后施用。