微生物和化学添加剂对畜禽粪便堆肥过程活性氮气体的减排研究

顾沈怡，戴海洋，郭凡婧，申卫收①，林先贵

(1.南京信息工程大学环境科学与工程学院/ 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室/ 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/ 中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008)

近年来，我国的畜牧业从传统散栏式向规模化、集约化和机械化模式转变，例如2017年畜牧业产值占农林牧渔总产值的43%，与1978年相比提高了13.3%[1]。在畜牧业快速发展的同时，畜禽粪便的处理面临巨大的挑战和环境风险。畜禽粪便中含有丰富的作物生长所需的营养元素，农业生产中会利用畜禽粪便进行还田。畜禽粪便腐熟化程度不高，直接利用不仅造成环境污染，还会烧苗、危害农作物生长。我国每年产生的畜禽粪污总量近40亿t，综合利用率不足60%，无害化程度不足50%[2-3]。堆肥是利用细菌、真菌、放线菌等微生物，将畜禽粪便中的有机物转化成稳定的腐殖质，为畜禽粪便资源化利用的有效途径。然而，畜禽粪便在堆肥过程中会产生大量的NH3和N2O等活性氮气体，不仅造成堆肥物质的氮素损失，降低堆肥产品的质量[4-5]，而且还会造成空气污染，加剧全球变暖[6]，促进灰霾的形成，恶化空气质量。NH3可与大气中SO2和NOx的氧化物发生反应，生成二次颗粒物，这些颗粒物则是生成PM2.5的重要来源[7]。此外，NH3还属于恶臭污染物，在一定浓度范围内会对人或畜禽产生毒害作用，过高浓度可能会导致死亡[8]。N2O在百年尺度上的增温潜势(GWP)是CO2的265倍，N2O排放到环境中会产生作为消耗臭氧催化剂的平流层氮氧化物，从而进一步加剧全球气候变化。因此，堆肥过程中排放的NH3和N2O对环境的影响不容忽视。

针对上述堆肥过程中NH3和N2O气体的排放，研究者采取了一些改进方法，如在堆肥过程中使用物理添加剂、化学添加剂或微生物菌剂来调节C/N比、含水率和pH值等环境因素[9]，结果表明，添加麦饭石、磷石膏、生物炭、膨润土、硅藻土或者菌剂等物质均可有效减少NH3或者N2O气体的排放。例如，WANG等[10]研究麦饭石对猪粪堆肥过程的影响，发现麦饭石的加入能明显促进猪粪中有机碳和木质素降解，显著减少N2O排放；CAO等[11]研究表明，添加高温耐氨微生物可促进NH4+的同化或硝化，降低物料本底NH4+含量，减少10.2%～42.8% 的氨挥发；FUKUMOTO等[12]研究表明，添加亚硝酸盐氧化菌的腐熟堆肥，可显著减少堆肥过程中的 N2O 排放；雷平等[13]研究表明，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[14]研究表明，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；还有研究发现，在猪粪堆肥过程中接种芽孢杆菌TAT105，能减少堆肥过程中的NH3排放[15-16]。

但是目前的许多研究仅关注对NH3或N2O单一气体的减排效果，对NH3和N2O协同减排效果的探究并不多见，并且对于添加剂的种类选择和配伍的研究也鲜有报道。因此该试验探究在堆肥过程中加入添加剂能否对NH3和N2O气体进行协同减排，试验以新鲜的猪粪、鸡粪为堆肥原料，探究微生物和化学添加剂联用对堆肥过程中NH3和N2O气体排放量的影响，进一步明确接种微生物和加入化学添加剂是否能对猪粪、鸡粪堆肥中起到协同减排和保氮的作用，研究结果可为畜禽粪便绿色高效资源化和农业碳中和研究提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 堆肥试验设置

试验在实验室条件下进行，试验装置为 4 L 半透明密闭容器螺旋桶，将金属支架固定在桶内部中间位置，与桶底部平行，圆形座周围的3块小金属用来固定烧杯(图1)。堆肥原料来自于南京某养殖场新鲜的猪粪和鸡粪，通过添加木屑将堆肥物质的 C/N 比调节为25∶1，含水率w设置为60%[17]。堆料共 1.0 kg，其中猪粪或鸡粪 830 g、木屑 170 g，猪粪或鸡粪与木屑的质量比为5∶1。猪粪堆肥设置6个试验处理，鸡粪堆肥设置4个试验处理，每个处理有3个重复(表1)。

a—螺旋桶；b—桶身；c—金属支架；d—硼酸溶液；e—小烧杯；f—桶盖。

菌株来源于之前笔者所在实验室从广东惠州、江苏宜兴土壤中筛选出来的具有固氨产酸特性的芽孢杆菌。将菌液或化学添加剂与堆料按照V(菌液)∶m(堆料)=1∶5或m(化学添加剂)∶m(堆料)=1∶12.5进行充分搅拌，使其混合均匀。温度对于堆肥具有关键性的影响[18]，试验通过培养箱来人工控制模拟堆肥试验的温度，进行为期40 d的堆肥试验。前7 d为升温阶段，将温度均匀升至60 ℃；8～26 d为高温阶段，温度持续保持在60 ℃；27～40 d为降温腐熟阶段，将温度均匀降至室温。

表1 畜禽粪便堆肥试验处理

1.2 样品采集

气体样品采集前，将装有硼酸吸收液的烧杯放入试验装置的三角支架中，用带有三通阀的盖子旋紧，等待1 h。堆肥产生的N2O用针筒收集至气瓶中，后续利用气相色谱仪(美国 Agilent 7890B GC)-电子捕获检测器(ECD-GC)分析；堆肥过程释放的NH3被硼酸吸收1 h，用靛酚蓝比色法[19-20]进行测定，升温阶段和降温腐熟阶段每3 d采集气样并检测，高温阶段每2 d采集气样并检测。

为了解堆肥物质的物理化学特性，在0(试验初始)、7、16、26、40 d进行翻堆并采集约12 g样品，一部分用于物理化学分析测定，一部分保留在-70 ℃冰箱中进行后续生物分析。

1.3 理化性质分析

用2 mol·L-1的KCl溶液浸提法[21]测定NO3--N含量，浸提之后利用紫外可见分光光度计分析，将波长调整为220和275 nm，计算得出NO3--N含量;采用靛酚蓝比色法，再将紫外可见分光光度计波长调为625 nm来测定 NH4+-N含量[22]；含水率利用烘干称重法进行测定；pH值和电导率(EC)分别用pH计和电导率仪进行测定[23]；总碳(TC)和总氮(TN)含量利用元素分析仪测定。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2017软件对数据进行初步处理，再利用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析，用单因素方差分析确定差异显著性，最后利用Origin 2018软件对数据进行作图分析。

2 结果与讨论

2.1 微生物和化学添加剂联用显著降低NH3排放

由于试验处理和重复较多，利用生化培养箱来控制堆肥过程中的温度变化，以模拟实际堆肥过程中的堆温变化特征，从而保证各处理重复间堆肥条件较为一致。有机质的迅速降解、温度升高以及含水率的降低使过量的NH4+容易以NH3的形式逸出，从而产生恶臭污染环境，并且导致堆肥物料中氮素的损失、肥力的下降。在堆肥处理中，猪粪堆肥和鸡粪堆肥的NH3排放大致呈先上升后下降的趋势，这与JIANG等[24]的研究结果相符，并且排放量在堆肥10 d左右达到峰值(图 2)。2种原料堆肥均在升温期和高温期的前期排放活跃，这可能是由于堆料的氨化作用以及升温期堆体温度持续升高，导致NH3大量排放；在10～15 d排放量迅速降低，最后到堆肥结束时均保持较为平稳的状态，这可能是由于堆肥后期温度降低使硝化作用增强，并且随着堆肥的进行，有机氮被消耗导致矿化作用减弱，进而导致NH3排放量降低。与猪粪堆肥中未加入化学添加剂和未接种微生物和分别单独接种B. sp. H3-1、B. sp. H5-9的处理相比，加入化学添加剂、化学添加剂与B. sp. H3-1联用、化学添加剂与B. sp. H5-9联用处理均能在猪粪堆肥过程中实现NH3显著减排的效果(图3)。这可能是因为化学添加剂中的沸石具有很好的吸附效果，对NH4+有很强的选择性吸附能力[25]。化学添加剂中的过磷酸钙本身就具有一定量的游离酸，可以与NH4+发生反应，将NH4+进行固定[26]。因此，加入化学添加剂的处理能够有效抑制NH3排放，达到显著减排的效果。

各处理设置详见表1。

各处理设置详见表1。同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示处理间NH3累积排放量差异显著(P<0.05)。

2.2 微生物和化学添加剂联用显著降低N2O排放

在整个堆肥期间，猪粪堆肥和鸡粪堆肥N2O排放通量的变化趋势相似，均表现为先上升后下降至平稳(图4)。堆肥升温前期，有机质的矿化作用促进NH4+-N的生成，而NO3--N是硝化过程的最终产物。随着温度的升高，有机物质降解剧烈，堆料环境中的O2被消耗，形成厌氧环境，使NO3--N通过反硝化作用参与N2O的生成。在高温阶段，2种堆肥处理中N2O都达到了排放峰值。在猪粪堆肥过程中，6～9 d达到排放峰值，猪粪堆肥中各处理的排放趋势大致相同，在高温阶段的中后期排放量持续降低至堆肥结束；鸡粪堆肥在9～11 d达到排放峰值，添加化学添加剂、化学添加剂和B.sp. H1-10联用处理的N2O排放峰值与其他2个处理存在明显的差异，这可能是由于化学添加剂的吸附固定作用所致[27]。其峰值大小为接种B. sp. H1-10的处理(6.68 μg·kg-1·h-1)>未加入化学添加剂和未接种微生物处理(6.41 μg·kg-1·h-1)>加入化学添加剂和接种B. sp. H1-10处理(3.39 μg·kg-1·h-1)>加入化学添加剂处理(3.18 μg·kg-1·h-1)。

各处理设置详见表1。

由图 5可见，在以猪粪为原料的堆肥中，相较于未接种微生物、未加入化学添加剂的对照而言，添加化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H3-1联用、化学添加剂和B. sp. H5-9联用处理对N2O的减排量分别为6.5%、4.3%、4.9%，达到了显著减排效果；在以鸡粪为原料的堆肥中，相较于对照而言，加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H5-9联用处理对N2O的减排量分别为26.8%、25.5% ，也达到了显著减排效果。综合来看，添加化学添加剂或微生物和化学添加剂联用的处理方式均能显著减少N2O排放，并且在鸡粪堆肥中的减排效果比猪粪堆肥更好。

各处理设置详见表1。同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示处理间N2O累积排放量差异显著(P<0.05)。

2.3 各处理堆肥产物理化性质变化

2.3.1NH4+-N和NO3--N含量的变化

NH4+-N和NO3--N是堆肥过程中氮转化的重要无机氮形态。NH4+-N是堆肥期间氮的主要存在形态之一，主要来自于有机氮化合物的分解，可作为微生物的氮源合成氨基酸和蛋白质；此外，可通过硝化微生物转化成硝态氮或亚硝态氮的形式参与堆肥过程中的转化与利用。但当环境条件改变有利于氨气大量产生时，如pH值和温度升高，则出现氨气排放活跃期。在整个堆肥期中，加入化学添加剂的处理NH4+-N含量均显著高于未添加化学添加剂的处理(图 6)，这可能是因为其中的过磷酸钙和硫酸亚铁均具有一定的酸性，可以固定NH4+-N。堆肥26 d时各处理的NH4+-N含量均有一定程度的增加，可能是因为翻堆促进了有机氮的氨化和矿化作用。相对于未加入添加剂、未接种微生物的处理而言，加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H3-1联用、化学添加剂和B. sp. H5-9联用处理NH4+-N含量分别显著增加7.0、6.7、7.7倍。接种微生物处理也可以在一定程度上利用微生物自身的同化作用和产酸特性促进对NH4+-N的吸收利用。

在鸡粪堆肥过程中，各处理的NH4+-N含量大致呈先上升后下降的趋势(图 6)。在升温阶段，加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H1-10联用处理的NH4+-N含量因为氨化和矿化作用而迅速升高，后续阶段变化幅度较小。未接种微生物和未加入化学添加剂处理、接种B. sp. H1-10处理的NH4+-N含量在升温阶段变化较小，进入高温阶段之后含量持续降低，最后趋于平稳。在整个鸡粪堆肥期间，加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H1-10联用处理的NH4+-N含量一直显著高于未加入化学添加剂、未接种微生物、单独接种B. sp. H1-10处理。在堆肥结束时，相较于对照组，加入化学添加剂、添加剂和B. sp. H1-10联用处理的NH4+-N含量分别增加3.4和3.9倍。

在整个堆肥期间，猪粪堆肥和鸡粪堆肥各处理的NO3--N变化趋势大致相同，均呈现出先降低后升高、最后趋于平稳的变化趋势。由图 6可见，在升温阶段NO3--N含量迅速下降，这可能是因为高温使得硝化细菌失活，从而抑制NH4+-N转化为NO3--N。且该阶段NH3排放量迅速增加，NH3毒性也是NO3--N迅速降低的原因之一。从结果来看，将微生物和化学添加剂联用的方法可对猪粪堆肥、鸡粪堆肥起到很好的保氮作用。

各处理设置详见表1。

2.3.2pH值和EC的变化

堆肥过程中的pH值能够影响微生物的生长活性，从而影响后续堆肥产物的质量。pH值变化主要是由于堆肥物质中有机酸的生成和含氮化合物的释放。NH4+-N的产生和有机酸的生物降解导致pH值升高，CO2的溶解、有机酸的生成以及硝化作用则会导致pH值降低。在整个猪粪堆肥期间，未加入化学添加剂和未接种微生物的处理、单独接种B. sp. H3-1和B. sp. H5-9处理的pH值波动大于加入化学添加剂、B. sp. H3-1和化学添加剂联用、B. sp. H5-9和化学添加剂联用的处理(图 7)。这可能和沸石、过磷酸钙以及硫酸亚铁自身的物理化学性质有关，化学添加剂对pH值具有缓冲作用。沸石可以促进有机物料分解以及氨化作用，过磷酸钙和硫酸亚铁本身也具有一定的弱酸性，较高的pH值会促进活性氮气体特别是氨气的排放。堆肥结束时，猪粪堆肥处理中加入化学添加剂或者微生物和化学添加剂联用处理的pH值低于其他处理。

鸡粪堆肥处理中pH值的变化趋势与猪粪堆肥相似(图 7)，未加入化学添加剂和未接种微生物的处理、接种B. sp. H1-10的处理在前7 d急剧升高，然后趋于平稳。然而加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H1-10联用处理在前7 d急剧下降，然后趋于平稳。这可能是因为这2种处理含有过磷酸钙和硫酸亚铁，使得该处理堆肥体系偏向弱酸性。虽然单独接种B. sp. H1-10的处理接种的是具有产酸能力的菌株，但前期NH3的大量排放使得效果不明显。堆肥结束时pH值为6.5～7.5，满足堆肥微生物最适生存环境的pH值范围，也有利于抑制氨气的大量排放。

EC可表征物料中可溶性盐的含量，间接反映堆体内部环境的变化。在堆肥过程中，堆肥产物的最终EC值可表征堆肥是否会对植物造成毒害或抑制作用。在猪粪堆肥期间，EC的变化趋势为先升高后降低(图 7)。在堆肥升温阶段，EC值迅速升高，这可能是由于高温导致有机物料被微生物快速降解，产生大量的小分子游离物。另外温度的持续升高使堆肥物料的含水率不断降低，因此水溶性养分浓度升高，EC值也快速升高[28]。在16 d之后，各处理的EC值趋于平稳，这可能与腐殖质的形成有关。鸡粪堆肥中的EC变化趋势与猪粪堆肥具有明显的差异，其变化趋势的波动较小。这可能跟堆肥原料的本身性质有关，新鲜猪粪的含水率比鸡粪高，堆肥高温阶段导致水分减少，鸡粪堆肥产物的含水率与新鲜鸡粪的含水率差值低于新鲜猪粪堆肥前后的含水率差值。鸡粪堆肥各处理中EC的变化趋势大致为先上升后下降。前7 d，加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H1-10联用处理的EC波动趋势大于其他处理，并且在整个堆肥期间，加入化学添加剂、化学添加剂和B. sp. H1-10联用处理的EC值始终高于其余处理。这可能是由于化学添加剂可以更好地促进有机物料的降解，从而产生更多的游离物质。

在堆肥结束时，可能是因为化学添加剂具有吸附作用，能够吸附大量的盐离子，从而满足堆肥产品的应用标准，故可将堆肥产物作为有机肥料施用。从结果来看，化学添加剂和菌株联用或单独加入化学添加剂能够加快堆肥的腐殖化进程，从而减少堆肥过程中活性氮气体的排放。

各处理设置详见表1。

2.3.3TC和TN含量的变化

在整个猪粪堆肥过程中，各处理的TC含量变化趋势大致相同，均表现为先下降后上升(图 8)。TN含量则大多表现为在升温阶段迅速降低，在高温期后期以及降温腐熟阶段上升。这可能是因为随着有机物被分解，含水量也随着时间延长逐渐降低，使得堆肥物质的质量下降。由于TN含量下降幅度低于总质量，因此TN含量在后期处于上升趋势[29]。从最终结果来看，加入化学添加剂处理的TC、TN含量高于其他处理。

在鸡粪堆肥过程中，TC含量的变化趋势表现为升温阶段上升，在高温阶段先下降后上升，最后趋于平稳(图 8)。堆肥结束时，未加入化学添加剂和未接种微生物处理的TC含量最高，添加化学添加剂处理的TC含量低于未加入化学添加剂、未接种微生物的处理。罗一鸣等[30]发现过磷酸钙能减少堆肥期间TC的消耗，笔者与其结论不一致，这可能与堆肥原料和环境因素有关。堆肥期间各处理TN含量的变化趋势大致相同，在升温期急速下降，之后变化幅度较小，试验结束时各处理的TN含量也无明显差异。

3 结论

以猪粪为原料，接种微生物和加入化学添加剂的处理与未接种微生物、未加入化学添加剂的对照相比，能减少11%～21%的NH3排放量，减少4%～6%的N2O排放量，堆肥产物中NH4+-N含量较对照增加6.7～7.7倍；以鸡粪为原料，接种微生物和加入化学添加剂的处理能够减少26%的N2O排放量，其堆肥产物中NH4+-N含量与对照相比增加3.3～3.9倍。在堆肥物料中接种微生物和加入化学添加剂可达到协同减排和保氮的目的，使堆肥过程更加绿色高效，研究结果可为农业碳中和提供重要依据。

各处理设置详见表1。