不同堆肥方式對氮素轉化規律的影響

李群良，王　星，黃逸鑫，張艷玉，何查霖，何曙光

(1.廣西大學化學化工學院,廣西 南寧 530004；2.廣西來源生物科技有限公司,廣西 南寧 530008)

廣西是甘蔗生產大省，會產生大量的甘蔗葉等廢棄物。甘蔗葉的傳統利用方法主要是作為燃料，不僅利用率很低，而且會產生CO2等溫室氣體污染大氣。廣西的奶牛養殖產業也比較發達，產生的牛糞往往不經過處理露天堆放，嚴重污染環境。對于這些有機廢棄物來說，堆肥法是目前最常用的資源化、無害化處理的有效方法[1-2]。其基本過程是將不同的有機固體廢棄物以一定比例混合，控制初始發酵條件以適于微生物生長，并通過微生物降解作用使有機物達到穩定，所產生的堆肥可以用于農業生產。成熟的堆肥產品作為一種優質的肥料，不僅可以促進農作物的生長，而且可以改善土壤的理化性質，減少化肥對土壤的危害[3]。

氮是堆肥有機肥料中主要的營養元素之一，堆肥過程中的氮素轉化規律是目前的研究重點。堆肥pH值、溫度、含氧量、堆肥原料和堆肥方式等都會影響堆肥過程中氮的轉化[4-6]。研究表明，在糞便中加入一些調理劑會減少堆肥過程中的氮損失[7]。通風堆肥方式經常用于好氧堆肥發酵[8-10]，與傳統的翻堆發酵法相比，通風堆肥法的氮素轉化規律值得深入研究。作者以廣西境內甘蔗葉和牛糞兩種廢棄物進行堆肥化處理，通過測定堆肥過程中理化指標的變化，研究通風堆肥與翻堆堆肥過程中氮素轉化過程的差異性。

1　實驗

1.1　堆肥物料特性

堆肥物料最適C/N值為25～35，最適水分含量依據堆肥粒徑的大小而不同，本次堆肥的最適水分含量為70%左右。堆肥物料的特性如表1所示。

表1堆肥物料的特性

Tab.1Thepropertiesofthecompostingmaterials

指標甘蔗葉牛糞混合料水分含量/%102881007333C/N值600021602845

1.2　堆肥方法

將粉碎的甘蔗葉與牛糞以1∶3的質量比混合，加入一定量的水后人工攪拌至甘蔗葉與牛糞充分混合。將混合后的物料均分為2份，每份質量為25.5 kg。其中一份進行翻堆發酵：將物料放入長60 cm、寬65 cm、高120 cm的發酵罐中，不壓實，物料高度約為110 cm，保持自然狀態，每7 d翻堆1次，翻堆在上午取樣之前進行，翻堆后取樣；另一份進行通風發酵：將物料放入堆肥發酵罐中，不壓實，密封后使用空氣壓縮機強制通風，通風量為2 L·min-1，每6 h通風30 min，不干擾取樣的進行。

1.3　堆肥取樣

分別在堆肥第1 d、3 d、5 d、7 d、9 d、13 d、17 d、21 d、26 d、32 d的上午10:00左右取樣。取樣位置在物料的正中心，深度分別約為30 cm和60 cm處，每處取樣約200 g，之后在干凈的塑料盆中充分混合，取其中約100 g保存，并將其余的樣品重新放回發酵罐。將取出的100 g樣品分成4份，其中3份用密封袋封裝于-20 ℃保存，另1份進行pH值、水分、有機質以及總氮含量測定。堆肥完成后，每次取出1批保存的樣品進行氨氮、硝態氮以及亞硝態氮含量的測定。

1.4　測定方法

(1)氨氮含量、亞硝態氮含量的測定采用中華人民共和國國家環境保護標準HJ 634-2012。

(2)有機質含量、總氮含量的測定采用中華人民共和國農業行業標準NY 525-2012。

(3)硝態氮含量的測定采用改進的紫外分光光度法。

2　結果與討論

2.1　堆肥過程中溫度、pH值、有機質含量及水分含量的變化(表2)

表2堆肥過程中理化性質的變化

Tab.2Thevariationofphysicochemicalpropertiesduringcomposting

堆肥方式溫度/℃1d7d17d32dpH值1d7d17d32d有機質含量/%1d7d17d32d水分含量/%1d7d17d32d通風堆肥33444047836979290283477969596896599550677333719372146938翻堆堆肥35949249939480190080876669596632452839467333708874447746

由表2可以看出：

(1)在相同的發酵原料以及外界條件下，堆肥7 d時兩種堆肥方式都達到高溫階段，此時通風堆肥溫度為44.0 ℃、翻堆堆肥溫度為49.2 ℃；整個堆肥過程中，通風堆肥和翻堆堆肥的最高溫度分別為47.8 ℃和49.9 ℃，且通風堆肥的溫度普遍低于翻堆堆肥2.1～5.2 ℃；堆肥17 d后溫度開始下降，堆肥達到腐熟階段，堆肥32 d時溫度降到40 ℃以下，堆肥再次回到中溫階段。造成溫度差異的原因可能是在通風過程中，隨著空氣流動，堆料中的部分熱量被帶走。

(2)堆肥過程中，pH值的變化在合理的范圍之內，最適合微生物生長的pH值為6.5～8.5，最終pH值呈弱堿性。

(3)堆肥過程中，有機質的含量逐漸下降，翻堆堆肥的有機質含量由最初的69.59%降至39.46%，下降了30.13 %；通風堆肥的有機質含量由最初的69.59%降至50.67%，下降了18.92%。說明翻堆堆肥過程中微生物對有機質的分解率較高。

(4)通風堆肥過程中水分的損失量總體大于翻堆堆肥。一般情況下水分損失主要是由于高溫蒸發，通風會加快這個過程。在通風堆肥過程中，水分含量由最初73.33%下降到71.93%，之后又上升到72.14%，最終的水分含量為69.38%，整個過程中水分含量的變化不大，基本保持在70%左右。在翻堆堆肥過程中，水分含量由最初的73.33%下降到70.88%，然后又上升到74.44%，最終水分含量為77.46%。可能是因為剛開始時，水分的蒸發量大于微生物活動產生的水分量，之后，微生物活動產生的水分量漸漸大于水分的蒸發量，水分含量開始上升。翻堆堆肥水分含量變化的總趨勢是上升的，最終水分含量上升了4.13%。

2.2　堆肥過程中C/N值的變化(圖1)

圖1　堆肥過程中C/N值變化曲線

由圖1可以看出,不同堆肥方式的C/N值均呈下降趨勢：通風堆肥過程中，C/N值先由28.76下降到23.43，然后開始上升，到第7 d時上升到最大值28.34，之后開始下降，最終值為14.34，較最初下降了14.42；翻堆堆肥過程中，C/N值先逐漸上升，第5 d時由最初的28.76上升到最大值31.79，之后開始下降，最終值為8.87，較最初下降了19.89。對比發現，通風堆肥中C/N值的下降程度及下降趨勢均小于翻堆堆肥。C/N值下降的原因是，堆肥過程中有機質降解產生的CO2揮發造成碳損失，而氮損失主要是因為氨、一氧化二氮和氮氣的揮發，其損失量小于碳的損失量，所以最終的C/N值會下降。

2.3　堆肥過程中氮元素的變化

2.3.1堆肥過程中氨氮含量變化曲線(圖2)

圖2　堆肥過程中氨氮含量變化曲線

由圖2可以看出：兩種堆肥方式最初的氨氮含量相差很小，通風堆肥為1 465 mg·kg-1，翻堆堆肥為1 411 mg·kg-1；通風堆肥過程中，氨氮含量在第3 d時上升到1 576 mg·kg-1，之后在第5 d時下降到333.8 mg·kg-1，然后又開始上升，第9 d時上升到662.6 mg·kg-1，之后又下降到23.3 mg·kg-1，最終穩定在20～30 mg·kg-1之間。在此過程中，氨氮含量有2個峰值，并在第13 d達到穩定值；翻堆堆肥過程中，氨氮含量逐漸下降，第7 d時由最初的1 411 mg·kg-1下降到144.5 mg·kg-1，第9 d時又上升到373.6 mg·kg-1，在第13 d時下降到35 mg·kg-1左右，最后穩定在30～60 mg·kg-1之間。高溫階段的氨氮含量較低溫階段高得多。相對于通風堆肥來說，翻堆堆肥的氨氮含量最初是下降的，且在1～13 d時始終低于通風堆肥的氨氮含量，之后開始高于通風堆肥，但最終含量相差很小，只有10～30 mg·kg-1左右。通風堆肥過程中氨氮含量高于翻堆堆肥的原因可能是其氧氣量比較充足。兩種堆肥過程中氨氮含量的變化趨勢與常勤學等[11]的測定結果一致。

2.3.2堆肥過程中亞硝態氮含量變化曲線(圖3)

由圖3可以看出：通風堆肥過程中，最初亞硝態氮含量為320 mg·kg-1，第3 d時下降到297 mg·kg-1，第9 d時上升到497 mg·kg-1，之后保持下降趨勢，最終亞硝態氮含量為279 mg·kg-1；翻堆堆肥過程中，最初亞硝態氮含量為606 mg·kg-1，第3 d上升到722.9 mg·kg-1，第7 d時達到最大值770 mg·kg-1，之后開始下降，最終亞硝態氮含量為313 mg·kg-1。兩種堆肥方式的亞硝態氮初始含量差別較大，可能是由于堆肥發酵樣品混合不均所致。在堆肥過程的前7 d，通風堆肥的亞硝態氮含量低于翻堆堆肥約300 mg·kg-1，之后反而高于翻堆堆肥，最終的亞硝態氮含量相差約34 mg·kg-1。

圖3　堆肥過程中亞硝態氮含量變化曲線

2.3.3堆肥過程中硝態氮含量變化曲線(圖4)

圖4　堆肥過程中硝態氮含量變化曲線

由圖4可以看出：堆肥初始階段的硝態氮含量為170 mg·kg-1。通風堆肥過程中，硝態氮含量在第3 d時上升到285 mg·kg-1，第5 d時下降到236 mg·kg-1，之后開始上升，第13 d時又下降，此時硝態氮含量為315 mg·kg-1，之后又逐漸上升，最終硝態氮含量為493 mg·kg-1，為最大值；翻堆堆肥過程中，硝態氮含量在第3 d時達到一個小峰值205 mg·kg-1，第9 d時降至最小值165 mg·kg-1，之后開始上升，第17 d時又降至245 mg·kg-1，之后又逐漸上升，最終硝態氮含量為453 mg·kg-1。對比發現，在整個堆肥過程中，硝態氮含量總體呈上升趨勢，通風堆肥的硝態氮含量始終高于翻堆堆肥的硝態氮含量，兩者分別有2次含量下降階段，但是下降的時間不同。硝態氮含量總的變化趨勢是上升的。

2.4　討論

堆肥是一個復雜的過程，不同的堆肥條件和堆肥方式會導致堆肥過程中物理化學變化的不同[12]，堆肥過程中的微生物有成千上萬種，堆肥不同階段的微生物的種類和數量不同，同時由于發酵條件不同，微生物的活動狀況也有很大差異[13-14]，微生物的活動直接決定了堆肥過程中氮素的轉化狀態[15-16]，而微生物的活動受到堆肥方式的影響，所以通過控制堆肥方式可以控制堆肥過程中的氮素轉化狀態。

隨著堆肥的進行，堆料中的有機氮會被微生物轉化成氨氮，一部分揮發掉，一部分轉化為其它形式的氮。與翻堆堆肥相比，通風堆肥前期，氨氮和硝態氮的含量較高、亞硝態氮含量較低，說明在發酵過程中產生的氨氮較多，在轉化成亞硝態氮之后迅速轉化成為硝態氮的原因可能是，通風堆肥過程中的氧氣含量比較充足，促進了堆料中的蛋白質降解產生氨以及氨的氧化轉化成硝酸鹽。翻堆堆肥過程中的溫度較高，不利于硝化細菌的生長繁殖，同時氧氣含量較少，不利于蛋白質或氨基酸的分解氧化，因此亞硝態氮含量較高。后續可以通過檢測溶氧量深入研究。翻堆堆肥的C/N值和有機質含量下降幅度都大于通風堆肥，說明翻堆堆肥過程中總氮的減少量較多，而硝化作用的強弱與氨氮的排放呈正相關[17]可解釋這一現象。

3　結論

(1)通風堆肥和翻堆堆肥相比，通風堆肥溫度較低，pH值變化差異不大，翻堆堆肥的最終水分含量比最初高4%左右，通風堆肥的最終水分含量較最初下降4%左右。說明堆肥方式不同，堆肥過程中物理特性變化規律不同。

(2)兩種堆肥方式的C/N值都呈下降趨勢，翻堆堆肥過程中C/N值的下降較大，同時有機質含量下降也較大，說明翻堆堆肥過程中氮的損失較大。

(3)在32 d的堆肥過程中，前13 d通風堆肥的氨氮含量高于翻堆堆肥，之后翻堆堆肥的略高；前10 d翻堆堆肥的亞硝態氮含量高于通風堆肥，之后相反；整個堆肥過程中通風堆肥的硝態氮含量均高于翻堆堆肥，說明不同的堆肥方式對氮素的轉化有顯著影響。

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