易降解有機質含量對黃瓜秧堆肥腐熟和氮損失的影響

常瑞雪，王 騫，甘晶晶，李彥明

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

易降解有機質含量對黃瓜秧堆肥腐熟和氮損失的影響

常瑞雪，王 騫，甘晶晶，李彥明※

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

蔬菜廢棄物無害化處理，尤其對于集約化蔬菜產地，缺乏適用技術，易污染環境，浪費資源，甚至造成后續安全隱患。為實現蔬菜廢棄物的安全高效轉化，該試驗以黃瓜秧為堆肥主原料，以玉米秸稈、淀粉和尿素為調理劑，在控制混合堆肥物料初始碳氮比為25，物料水分質量分數為60%，總物料質量相同的條件下，分析易降解有機質（除木質纖維素之外的有機質）比例對堆肥腐熟進程和氮素損失的影響。試驗設置添加易降解有機質的質量分數分別為27%（T1）、36%（T2）、45%（T3）、51%（T4）4個處理，利用自制密閉式堆肥反應器研究了隨堆肥進行，不同處理溫度、物料損失、有機質降解和二氧化碳釋放、pH值、電導率（electrical conductivity，EC）、發芽率指數（germination index，GI）的變化情況，并同時分析了氨氣揮發速率、累積排放量和氮素損失率等。研究結果顯示：隨著初始混合物料中易降解有機質的增加，堆體的最高溫度呈現出先升高后降低的趨勢，但根據物料的pH值、EC和GI值判斷，易降解有機質比例過高會影響堆肥的腐熟過程，其比例不宜超過45%，其中T3的最高溫度最高，高達71.4 ℃，且有機質減少量和CO2累積排放量最高，表明T3最利于堆肥的起爆反應和無害化目標的實現；然而，易降解有機質的增加會伴隨氮素損失，尤其是氨氣揮發損失量的增加，其中T3氨氣損失累積量最大（380.29 mg），T4的氮素損失率最高（36.01%），即物料中的木質纖維素有利于減少氮素的損失。綜上，物料中易降解有機質質量分數為45%最利于堆肥的高溫實現，同時對腐熟的影響較小，但氮素損失率高，因此實際生產中可額外添加木質纖維素類膨脹劑，改良物料的物理結構和理化特點，從而在實現高溫的基礎上減少氮素的損失。

堆肥；有機質；氮；黃瓜秧；易降解有機質；腐熟；氨氣；氮素損失

0 引 言

中國是蔬菜種植大國，種植面積和產量都居于世界前列，黃瓜作為重要的大宗蔬菜作物之一，栽培種植面積超過106萬hm2，產量超過0.73億t[1]，大量的黃瓜藤蔓等生產廢棄物亟需處理。分析發現黃瓜藤蔓雖富含有機質和N、P、K等養分[2]，但含水率高，易腐敗變質，且可能攜帶多種病原菌，處理不當不僅浪費資源、污染環境，而且會對蔬菜集約化產地如溫室種植區等造成生產安全隱患。高溫好氧堆肥可以實現有機廢棄物的資源化利用，但是由于黃瓜藤蔓作為堆肥物料時，存在C/N低，結構性差等缺點，實際堆肥時需加入玉米秸稈[3-4]等添加劑來提高有機廢物堆肥化處理效率[4-5]，保證堆肥的正常進行。與此同時，為了實現病原菌的完全滅活，需適當提高堆體的最高溫度，這就要提高有機質中易降解有機質的比例[6-8]。Kaiser[9]在綜合考慮生物質的分類及各類有機質被微生物降解特異性的基礎上，將其分為4部分：糖類和淀粉類等、纖維素、半纖維素、木質素，纖維素、半纖維素和木質素又統稱為木質纖維素，是物料中除易降解有機質外的其他成分，對堆肥的腐熟過程起到限速作用。因此本試驗以木質纖維素代替成分復雜的易降解有機質進行試驗設置，分析易降解有機質的比例對堆肥腐熟過程和堆體溫度變化的影響。但是，堆體的溫度升高勢必增加堆體中氨氣的釋放，大量氨氣排出不僅污染環境，還大大降低了堆肥產品的農用價值[10-12]。目前堆肥中原位氮素損失控制措施已有很多研究，補充外加的碳源物質可以改變物料有機質構成和比例，影響物料溫度、pH值和碳氮比[13]，從而對堆肥過程中氨氣的釋放量產生影響[14-16]，即物料中有機質不同成分的組成比例會對控制效果產生很大的影響[17]。木質纖維素雖不易被微生物直接利用，但因其結構性好，植物毒性物質少，不易產生臭氣等優點而常作為堆肥中的結構改良劑，且因其含有腐殖質等物質可吸附氨氣從而減少氨氣揮發造成的氮損失[18]。因此，本研究旨在研究物料中易降解有機質比例對堆肥腐熟進程產生的影響的基礎上，進一步分析其對堆肥過程中氮素損失的影響，從而為蔬菜廢棄物堆肥化處理時物料混配方法提供理論支持，并為高溫好氧堆肥中氮素損失控制措施的適用性研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥所用主要原料為新鮮黃瓜秧，取自北京市大興區的蔬菜大棚，玉米秸稈取自北京市上莊試驗田，將黃瓜秧和玉米秸稈經過粉碎機粉碎為1～2 cm的小段后冷凍備用。測定物料的基本理化性質，結果如表1所示。

表1 堆肥材料理化性狀Table 1 Characters of composting material

1.2 試驗設計與樣品分析

1.2.1 試驗設計

本試驗在中國農業大學西校區實驗室內采用模擬堆肥裝置進行。試驗裝置如圖1所示，堆肥所用反應器為自制的PVC材質的圓筒形密閉反應器，體積為6 L，反應器底部和頂部分別置有進氣口和出氣口，均用硅膠管與外界連接，另在反應器蓋子上固定有溫度傳感器，內與物料接觸，外與溫度記錄儀相連。設備細節可參考常瑞雪等[19]。

圖1 堆肥反應裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of composting equipment

堆肥處理設置：控制每個反應器中添加物料質量相同，以玉米秸稈作為添加劑進行黃瓜秧堆肥試驗，并以淀粉和尿素為調理劑，設置相同碳氮比（25）及碳氮初始含量的基礎下，調節混合物料中易降解有機質分別占總物料質量的27%（T1）、36%（T2）、45%（T3）、51%（T4），各處理中不同物料的質量如表2 所示。物料充分混合均勻后放入發酵罐中，初始含水率設為60%，曝氣量為0.1 L/min，堆肥發酵周期設定為30 d。

表2 各處理中不同物料的質量Table 2 Materials weight in different treatments

在堆肥第0、1、3、6、10、15、22、30天取樣，共采集6個樣品，3個樣品用于風干測定總有機碳（total organic carbon，TOC）、總氮（total nitrogen，TN）、有機質等指標，3個樣品冷凍處理，待樣品收集齊后統一測定pH值、電導率（electrical conductivity，EC）、發芽率指數（germination index，GI）等。

1.2.2 樣品分析

1）溫度：堆肥溫度由固定在堆肥罐體中央的溫度傳感器檢測，傳感器與溫度記錄儀相連，每10 min記錄1次實時溫度。

2）二氧化碳和氨氣：二氧化碳和氨氣的測定采用氫氧化鈉和硼酸吸收，吸收液由標準稀硫酸溶液滴定的方法，并通過計算獲得累積排放量。

3）有機碳和全氮：樣品的有機碳和全氮含量參照有機肥測定標準方法（NY 525-2012）。

4）發芽率指數：稱取5 g鮮樣，按樣品和去離子水固液比為1:10（g/mL）在室溫條件下以200 r/min水平震蕩30 min，過濾后得到堆肥浸提液。在培養皿內墊1張濾紙，均勻放入10粒飽滿的水蘿卜種子，加入以上濾液5 mL，在25 ℃培養箱中培養48 h后測定發芽數和根長，然后參照文獻[20]計算種子發芽率指數，每個樣品做3次重復，同時以蒸餾水作空白試驗。

5）pH值和電導率：分別將校準過的pH計電極和EC計電極插入浸提液，讀取數值。

6）木質纖維素：木質纖維素的測定按照范氏（Van Soest）的洗滌纖維分析法，采用ANKOM220型纖維分析儀測定中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和酸性洗滌木質素（acid detergent lignin，ADL）的含量，并通過計算獲得半纖維素和纖維素的含量[21]。

7）含水率通過樣品105 ℃烘干后測得。

8）灰分通過將樣品烘干后經550 ℃灼燒4 h后測得。

應用Excel進行數據處理和圖表制作，SigmaPlot模擬方程。

2 結果與分析

2.1 物料易降解有機質比例對堆肥進程的影響

2.1.1 溫度變化

有機廢棄物堆肥化處理就是在細菌、放線菌、真菌等微生物的作用下，通過降解有機物產生高溫，從而達到殺滅病原菌和促進有機質（OM）穩定化、腐殖質化的目的。溫度是堆肥過程中有機質降解和生物能量積累的重要標志，因此可根據溫度的變化過程了解堆肥進程和有機質降解的情況。不同處理下堆體溫度變化趨勢如圖2所示，自堆肥開始溫度迅速升至65 ℃，且各處理升溫趨勢相同，翻堆有利于堆肥物料恢復結構，促進物料的生物降解。升溫階段：各處理中的糖類和淀粉等易被降解的有機質直接被微生物降解，產生熱量，促進了溫度的升高，其中T2和T3處理的升溫速率快于其他處理，T1和T4處理不能同時保證充足的易降解有機質和適宜的孔隙條件，故而不利于高溫的實現。T3處理糖類和淀粉類物質含量高于T2，故最高溫度達到71.4 ℃，持續超過6 h，達到了病原菌滅活的要求[22-23]。高溫階段（>60 ℃）持續2 d后，不同處理的溫度變化趨勢開始出現差異，T1和T4處理的高溫持續時間較長，一方面是因為升溫期有機質消耗量低于T2和T3，可以供微生物使用的有機質含量高，另一方面是因為這2個處理的最高溫度仍處于堆肥最適宜的溫度范圍52～64 ℃，不會抑制微生物的活性[24]。到第17天后，溫度不再上升，降解過程趨于平緩。

圖2 堆肥過程中溫度變化Fig.2 Temperature variation during composting

溫度的變化曲線表明堆肥正常進行，且提高易降解有機質的比例可以有效促進堆肥起爆作用，提高可達到的最高溫度，易降解有機質占初始物料干重的質量分數為45%左右時，對于提高堆體溫度效果最佳，再低會影響堆體溫度的升高，但會延長高溫期的時間。最高溫度高于70 ℃（T3）和較長的高溫期（T4）對堆肥進程和氮素損失的影響將后續進行分析。

2.1.2 物料損失

堆肥過程是在一定的人工條件下，有控制地促進可生物降解的有機物進行礦化和腐殖化的過程[25]，而減量化是固體廢棄物進行堆肥化處理的主要目的之一，堆肥的物料質量變化可以直觀地反映堆肥化過程的減量化效果。根據物料灰分守恒的規律計算質量變化結果如圖3所示。各處理物料質量隨堆肥進行逐漸減少，前10 d為物料損失高峰期，自第10天后，減少速率逐漸變緩。處理T3和T4的物料減少量分別為43.79%和40.32%，高于處理T1和T2的24.76%和28.89%，即低易降解有機質含量不利于物料的減量化，這主要是因為在堆肥過程中物料的木質纖維素部分不易被微生物降解利用，進而不利于堆體溫度的升高，這也是處理T3和T4的高溫期持續時間和所達到的最高溫度均優于處理T1和T2（圖2）的主要原因。這就表明物料中的高木質纖維素含量會提高堆肥中穩定化腐殖質的含量，從而提高堆肥的附加價值，這對于發展低碳化堆肥技術，實現堆肥的有效資源化利用具有重要意義。

圖3 堆肥進程中物料損失率Fig.3 Matter loss rate during composting

2.1.3 有機質降解和CO2排放

好氧生物堆肥的本質就是微生物利用空氣中的O2降解物料中的有機質，釋放CO2和水的過程。不同處理中有機質含量變化均呈現出穩定降低的趨勢，變化曲線的斜率隨堆肥時間的延長緩慢降低（圖4a），從開始至第3天快速降解，第3天后降解速率開始降低，第6天后變化趨于平緩，這說明激烈的降解反應主要在堆肥的前6 d發生，尤其是前3 d，熱量的累積快速地提高了物料的溫度，因此堆肥高溫期出現在前3 d。有機質損失率[26]表現為T3（58.79%）>T4（52.91%）>T2（39.68%）>T1（34.85%）。

圖4 堆肥過程中有機質降解和CO2累積排放量Fig.4 Organic matter degradation and cumulative emission amount of CO2during composting

CO2累積排放量如圖4b所示，模擬曲線符合第一級動力學方程，曲線的相關系數均在0.9以上（P<0.05），表明堆肥過程正常進行，且CO2累積釋放量先后表現為快速指數增長和緩慢增加。不同處理二氧化碳最終累積量表現為：T3>T1>T4>T2。

物料中的有機質被好氧微生物降解，完全降解會釋放出CO2和水，即為有機質的礦化過程。因此由圖4的有機質和二氧化碳變化過程可以發現，隨有機質含量的逐漸降低，CO2累積量逐漸增加。但二者的關系并不是線性負相關關系，因為從堆肥系統內向系統外釋放的二氧化碳總量除了受有機質降解總量影響外，還會受到堆肥環境中其他因素的影響[27]，如有機質降解產生的代謝產物可通過微生物的再次合成形成腐殖質[28]，或堆肥系統的理化條件會對二氧化碳的逸出時間產生影響。T3中有機質降解總量最高，且堆肥過程中結構始終良好，故二氧化碳釋放速率始終高于其他處理，總釋放量最高。這可能是由后期的理化條件改變等因素造成有機質并未完全降解，溫度變化也證實了這一點。T1的表現與之相反，因其易降解有機質含量低，堆肥過程的前5 d中，二氧化碳釋放速率和有機質降解量不高，熱量累積低于其他處理，故溫度較低。堆肥結束時，有機質損失量最少，但二氧化碳累計釋放量高，這表明物料中的有機質被完全降解為水和二氧化碳，腐殖化水平低[28]。

2.1.4 pH值和EC

一般微生物最適宜的pH值范圍為8～9[29]，pH值太高或太低都會使堆肥處理遇到困難。本試驗中pH值變化如圖5a所示，各處理堆肥起始pH值為弱堿性，堆肥開始后各處理的pH值迅速上升，自第2天開始已超出微生物活動的最適范圍，這必然會影響微生物對物料中有機質的降解。初始物料中易降解有機質含量的增加加速了堆肥過程中的pH值變化，可能是由于易降解有機質含量的增加加速了微生物對含氮物質的降解[30]，從而改變了pH值的變化趨勢。自堆肥第6天開始，上升速率變慢，到30 d堆肥結束時，各處理的pH值分別由初始的8.65、8.85、8.93、8.96上升到了9.37、9.42、9.63、9.77。此外，堆肥主物料黃瓜秧的pH值偏高也是造成堆肥pH值高的重要因素，因此低pH值也應是選擇黃瓜秧堆肥所用添加劑的條件之一。

圖5 堆肥過程中pH值和電導率Fig.5 pH value and electrical conductivity during composting

電導率（EC）反映了堆肥浸提液中的離子總濃度，即可溶性鹽的含量[31]，堆肥中的可溶性鹽主要包括有機鹽和無機鹽，對植物有一定的危害，用于農田的堆肥產品電導率不宜過大，否則會影響植物的正常生長[32]，因此EC是判斷堆肥腐熟的必要條件。研究表明，當堆肥EC值小于9 mS/cm時，對種子發芽沒有抑制作用[33]。如圖5b所示，隨堆肥的進行，EC值呈現出先上升，至第20天后緩慢下降的趨勢。物料中易降解有機質含量不會影響EC值的變化趨勢，但會影響其增加程度，當易降解有機質高于45%時，EC值的變化幅度顯著增加，這與T3 和T4處理中的有機質被大量降解（圖4a）密不可分。

2.1.5 發芽率指數

未腐熟堆肥中含有多種植物毒性物質，對種子的萌發和植物的生產產生抑制作用。因此發芽率指數（GI）是最可靠、有效和最能直接反應堆肥的生物毒性、判斷堆肥無害化和腐熟度的重要指標，一般認為GI>50%，即可認為堆肥基本無毒性[34]。如圖 6 所示，物料易降解有機質含量的差異會明顯影響堆體初始的GI值，含量越低，GI值越低。隨著堆肥時間的增加，微生物降解物料中易被降解的有機質，減少抑制種子萌發的生物毒性物質，不同處理的GI值基本都呈現出逐漸增大的趨勢，到第10天后，變化趨勢減緩，除T4處理外，其余處理GI值均已達到50%以上，堆肥基本無毒性。第10天之后，GI值緩慢增大，除處理T4外，最終GI值均達到70%以上。由此可見，堆肥易被微生物降解利用的有機質比例增加會促進溫度升高，但同時也增加了抑制種子萌發的生物毒性物質，隨堆肥進行，部分生物毒性物質逐漸被降解，但仍對種子萌發具有一定的抑制作用，產品腐熟度也受此影響。尤其對于由前面分析可能存在局部厭氧現象的T4處理，堆肥產品并未達到腐熟標準。因此，在堆肥過程中，易降解有機質的比例不應該高于物料的45%。

圖6 堆肥過程中發芽率指數變化Fig.6 Germination index variation during composting

2.2 氨氣揮發及氮素損失率

研究表明，堆肥化過程中有機物的降解會產生大量銨態氮，在高溫及高pH值作用下，這些銨態氮以氨氣形式揮發[35]，造成大量的氮素損失。本試驗中隨堆肥進行氨氣的釋放速率及累積量如圖7a，7b所示。氨氣揮發高峰期為堆肥過程的第 8 ～12天，釋放高峰期內不同處理的釋放速率差異顯著，T3和T4遠遠高于其他處理，這是由T3和T4的高溫（圖2）和高pH值（圖5a）決定的。氨氣釋放高峰期與高溫期存在時間間隔，表明氨氣釋放受到溫度和理化條件的共同作用。T3和T4的高氨氣釋放速率必然會造成其高氨氣釋放累積量（圖7b），T3中氨氣累計釋放量（380.29 mg）顯著高于其他處理，這是多重因素共同作用造成的：一方面，淀粉可直接被微生物利用，而尿素需轉化成銨態氮才能被微生物利用，所以碳氮利用存在時間差造成代謝不平衡，增加了T3的氨氣損失。而面對同樣問題的T4中，隨堆肥進行結構性逐漸變差，物料結塊，局部厭氧，反而減少了氨氣的逸失；另一方面，木質纖維素含量的差異必然會影響堆肥過程中微生物種類組成的差異，而已有研究表明，木質纖維素降解菌的增加會增加堆肥中的氨氧化細菌數量，增加amoA基因型氨氧化細菌的多樣性[36]，同時改變原有的微生物群落結構，這很可能從另一方面影響堆肥中氮素的轉化和氨氣的逸失。除此之外，木質纖維素還會影響堆體的pH值，這些都會影響氨氣的逸失。

圖7 堆肥過程中NH3排放速率，NH3累積排放量及氮素損失Fig.7 Emission rate and cumulative emission of NH3,and nitrogen loss during composting

不同處理的氮素損失情況如圖7c所示，易降解有機質的比例會顯著影響氮素的損失，直到比例為45%，增加趨勢變緩，僅由35.07%（T3）升為36.01%（T4）。而T3的氨氮損失最大，占總氮損失量的15.48%，可能是因為T4的物料結構隨堆肥進行發生了變化，造成局部厭氧，氮素以N2O或其他形式損失的部分增加，或由于對硝化細菌和反硝化細菌活性產生影響造成[36]。Yang等[37]在廚余垃圾的好氧堆肥過程的研究成果中表明，以氨氣形式損失的氮素占總氮損失量的28.16%，以N2O形式損失的氮素僅占總氮損失量的 4 .16%，其他形式損失占60%以上。類似的成果也可在 N igussie等[38]的研究中發現，好氧堆肥中以N2O形式損失的氮素量（<1%）遠遠低于以氨氣等其他形式損失的氮素（38%～64%），Beck-Friis等[39]則指出在以氣體形式損失的氮素中，NH4-N占98%，而N2O-N僅占不到2%。對比本試驗的結果，氨氣損失氮素比例的檢測結果為9%～15.48%，這可能與堆肥翻堆等造成的氣體損失會降低檢測到的氨氣總量有關，故堆肥實際氨氣逸失量會略高于堆肥的檢測值，所以在本試驗中氨氣仍是以氣體形式損失的氮素的主要形態，而T3由氨氣釋放造成的氮素損失最多。

本試驗的結果還表明，提高木質纖維素的比例可以通過影響微生物活性和堆體環境中的理化性質而減少氮素的損失，因此可考慮在保證滿足快速高溫堆肥所需的易被微生物利用的糖和淀粉等易降解的有機質含量的基礎上，額外添加木質纖維素類添加劑，改良堆肥的理化條件，控制氮素損失。

3 結 論

初始混合物料中易降解有機質的含量為45%時最利于堆肥起爆和高溫的實現，最高溫度可達71.4 ℃，但由此造成的氮素損失量高。而木質纖維素類物質對于減少堆肥中氨氣的釋放和氮素的損失具有良好的作用。因此，為實現高溫滅活病原菌，應調控易降解有機質的質量分數為45%，同時額外添加不易被微生物利用的木質纖維素類膨脹劑，改良物料理化性質和物理結構，減少堆肥過程中的氮素損失，實現高溫低氮損失的堆肥工藝，為工業化生產提供理論基礎和工藝支持。

[1] Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2014. Statistics at FAO[EB/OL]. [2015-11-10]. http://www. fao.org/economic/ess/ess-publications/ess-yearbook/en/#.WF EG5IVOI2w

[2] 韓雪，常瑞雪，杜鵬祥，等. 不同蔬菜種類的產廢比例及性狀分析[J]. 農業資源與環境學報，2015，32(4)：377－382. Han Xue,Chang Ruixue,Du Pengxiang,et al. The straw coefficient and properties of vegetable wastes[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment,2015,32(4):377－382.(in Chinese with English abstract)

[3] 孫向平，李國學，肖愛平，等. 添加不同比例玉米秸稈對豬糞高溫堆肥過程中胡敏酸的結構組成及紅外光譜特性影響分析[J]. 光譜學與光譜分析，2014，34(9)：2413－2418. Sun Xiangping,Li Guoxue,Xiao Aiping,et al. Analysis on the impact of composting with different proportions of corn stalks and pig manure on humic acid fractions and IR spectral Feature[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34(9):2413－2418.(in Chinese with English abstract)

[4] 代學民，龔建英，南國英，等. 辣椒秧-玉米秸稈高溫堆肥無害化研究[J]. 河南農業科學，2015，44(2)：66－70. Dai Xuemin,Gong Jianying,Nan Guoying,et al. Harmless research on high temperature composting of Chili stalk and corn straw[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences,2015,44(2):66－70.(in Chinese with English abstract)

[5] 杜鵬祥，韓雪，高杰云，等. 我國蔬菜廢棄物資源化高效利用潛力分析[J]. 中國蔬菜，2015(7)：15－20. Du Pengxiang,Han Xue,Gao Jieyun,et al. Analysis of the potential fertilizer utilization of vegetable waste in China[J].China Vegetables,2015(7):15－20.(in Chinese with English abstract)

[6] 高定，張軍，陳同斌，等. 好氧生物堆肥過程中有機質降解模型的研究進展[J]. 中國給水排水，2010，26(11)：153－156. Gao Ding,Zhang Jun,Chen Tongbin,et al. Research progress in mathematical model of organic matter biodegradation in aerobic composting process[J]. China Water and Wastewater,2010,26(11):153－156.(in Chinese with English abstract)

[7] Mohee R,White R K,Das K C. Simulation model for composting cellulosic(bagasse) substrates[J]. Compost Science &Utilization,1998,6(2):82－92.

[8] Lin Y P,Huang G H,Lu H W,et al. Modeling of substrate degradation and oxygen consumption in waste composting processes[J]. Waste Management,2008,28(8):1375－1385.

[9] Kaiser J. Modelling composting as a microbial ecosystem:A simulation approach[J]. Ecological modelling,1996,91(1):25－37.

[10] Doublet J,Francou C,Poitrenaud M,et al. Influence of bulking agents on organic matter evolution during sewage sludge composting;consequences on compost organic matter stability and N availability[J]. Bioresource Technology,2011,102(2):1298－1307.

[11] 楊延梅. 通風量對廚余堆肥氮素轉化及氮素損失的影響[J]. 環境科學與技術，2010，33(12)：1－4，19. Yang Yanmei. Influence of ventilation on nitrogen transformation and loss during composting of kitchen waste[J]. Environmental Science and Technology,2010,33(12):1－4,19.(in Chinese with English abstract)

[12] De Guardia A,Mallard P,Teglia C,et al. Comparison of five organic wastes regarding their behavior during composting:Part 2,nitrogen dynamic[J]. Waste Management,2010,30(3):415－425.

[13] Jiang T,Schuchardt F,Li G,et al. Effect of C/N ratio,aeration rate and moisture content on ammonia and greenhouse gas emission during the composting[J]. Journal of Environmental Sciences,2011,23(10):1754－1760.

[14] 黃向東，韓志英，石德智，等. 畜禽糞便堆肥過程中氮素的損失與控制[J]. 應用生態學報，2010，21(1)：247－254. Huang Xiangdong,Han Zhiying,Shi Dezhi,et al. Nitrogen loss and its control during livestock manure composting[J]. Chinese Journey of Applied Ecology,2010,21(1):247－254.(in Chinese with English abstract)

[15] 熊建軍，劉淑英，鄒國元，等. 秸稈不同用量對污泥堆肥保氮效果研究. 土壤通報，2010，41(1)：175－178. Xiong Jianjun,Liu Shuying,Zou Guoyuan,et al. Effect of different straw doses on nitrogen preserving during sludge composting[J]. Chinese Journal of Soil Science,2010,41(1):175－178.(in Chinese with English abstract)

[16] Eklind Y,Kirchmann H. Composting and storage of organic household waste with different litter amendments. II:Nitrogen turnover and losses[J]. Bioresource Technology,2000,74(2):125－133.

[17] Liang Y,Leonard J J,Feddes J J R,et al. Influence of carbon and buffer amendment on ammonia volatilization in composting[J]. Bioresource Technology,2006,97(5):748－761.

[18] Mondini C,Sánchez-Monedero M A,Sinicco T,et al. Evaluation of extracted organic carbon and microbial biomass as stability parameters in ligno-cellulosic waste composts[J]. Journal of Environmental Quality,2006,35(6):2313－2320.

[19] 常瑞雪，甘晶晶，陳清，等. 碳源調理劑對黃瓜秧堆肥進程和碳氮養分損失的影響[J]. 農業工程學報，2016，32(增刊2)：254－259. Chang Ruixue,Gan Jingjing,Chen Qing,et al. Effect of carbon resources conditioner on composting process and carbon and nitrogen loss during composting of cucumber stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(Suppl 2):254－259.(in Chinese with English abstract)

[20] 龔建英，田鎖霞，王智中，等. 微生物菌劑和雞糞對蔬菜廢棄物堆肥化處理的影響[J]. 環境工程學報，2012，6(8)：2813－2817. Gong Jianying,Tian Suoxia,Wang Zhizhong,et al. Effect of inoculation and poultry dung on composting of vegetable residues[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2012,6(8):2813－2817.(in Chinese with English abstract)

[21] 李紅亞，李術娜，王樹香，等. 解淀粉芽孢桿菌MN-8對玉米秸稈木質纖維素的降解[J]. 應用生態學報，2015，26(5)：1404－1410. Li Hongya,Li Shuna，Wang Shuxiang，et al. Degradation of lignocellulose in the corn straw by Bacillus amyloliquefaciens MN-8.[J]. Journal of Applied Ecology,2015,26(5):1404－1410.(in Chinese with English abstract)

[22] Bhargava K S. Some properties of four strains of cucumber mosaic virus[J]. Annals of Applied Biology,1951,38(2):377－388.

[23] Day M,Shaw K. Compost Utilization in Horticultural Cropping Systems[M]. Boca Raton,FL,USA:Lewis Publishers,2001.

[24] Richard T L,Walker L P,Gossett J M. Effects of oxygen on aerobic solid-state biodegradation kinetics[J]. Biotechnology progress,2006,22(1):60－69.

[25] Verstraete W,Philips S. Nitrification-denitrification processes and technologies in new contexts[J]. Environmental pollution,1998,102(1):717－726.

[26] Bernal M P,Navarro A F,Roig A,et al. Carbon and nitrogen transformation during composting of sweet sorghum bagasse[J]. Biology and Fertility of Soils,1996,22(1):141－148.

[27] Drury C F,Reynolds W D,Yang X M,et al. Influence of compost source on corn grain yields,nitrous oxide and carbon dioxide emissions in southwestern Ontario[J]. Canadian Journal of Soil Science,2014,94(3):347－355.

[28] 高凌飛，王義祥，葉菁，等. 堆肥過程中碳，氮轉化與溫室氣體排放研究進展[J]. 福建農業學報，2014，29(8)：803－814. Gao Lingfei,Wang Yixiang,Ye Jing,et al. Process on carbon and nitrogen transformation and greenhouse gas emission in composting[J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2014,29(8):803－814.(in Chinese with English abstract)

[29] 劉衛星，顧金剛，姜瑞波，等. 有機固體廢棄物堆肥的腐熟度評價指標[J]. 土壤肥料，2005(3)：3－7. Liu Weixing,Gu Jingang,Jiang Ruibo,et al. The maturity evaluating indexes of organic solid waste compost[J]. Soil fertilizer,2005(3):3－7.(in Chinese with English abstract)

[30] 李少明，湯利，范茂攀，等. 不同微生物腐熟劑對煙末高溫堆肥腐熟進程的影響[J]. 農業環境科學學報，2008，27(2)：783－786. Li Shaoming,Tang Li,Fan Maopan,et al. Effect of different microbial blends on high temperature composting maturity process of tobacco fine waste[J]. Journal of Agro-Environment Science,2008,27(2):783－786.(in Chinese with English abstract)

[31] 牟克珺. 不同調理劑及堆制條件對豬糞堆肥理化指標的影響[D]. 蘭州：甘肅農業大學，2008. Mou Kejun. The Effects of Different Conditioners and Composting Conditions on the Physicochemical Index of Pig Manure Compost[D]. Lanzhou:Gansu Agricultural University,2008.(in Chinese with English abstract)

[32] 王順利，許廷武，王愛偉，等. 雞糞槽式動態堆肥物料理化性質變化研究[J]. 江蘇農業科學，2007(3)：219－222. Wang Shunli,Xu Tingwu,Wang Aiwei,et al. Study on physico-chemical properties change of material during dynamic tough composting of chicken manure[J]. Jiangsu Agricultural Science,2007(3):219－222.(in Chinese with English abstract)

[33] Rüttimann-Johnson C,Lamar R T. Binding of pentachlorophenol to humic substances in soil by the action of white rot fungi[J]. Soil Biology and Biochemistry,1997,29(7):1143－1148.

[34] Zucconi F,Monaco A,Debertoldi M. Biological evaluation of compost maturity[J]. Biocycle,1981,22(4):27－29.

[35] 江滔，Schuchardt F，李國學. 冬季堆肥中翻堆和覆蓋對溫室氣體和氨氣排放的影響[J]. 農業工程學報，2011，27(10)：212－217. Jiang T,Schuchardt F,Li G. Effect of turning and covering on greenhouse gas and ammonia emissions during the winter composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2011,27(10):212－217.

[36] 徐瑩瑩. 接種菌劑對牛糞堆肥硝化和反硝化細菌群落影響的研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2015. Xu Yingying. Effects of Microbial Inoculants on Nitrifying and Denitrifying Bacteria Community in Manure Compost[D]. Harbin:Northeast Agricultural University,2015.(in Chinese with English abstract)

[37] Yang F,Li G,Shi H,et al. Effects of phosphogypsum and superphosphate on compost maturity and gaseous emissions during kitchen waste composting[J]. Waste Management,2015,36:70－76.

[38] Nigussie A,Bruun S,Kuyper T W,et al. Delayed addition of nitrogen-rich substrates during composting of municipal waste:Effects on nitrogen loss,greenhouse gas emissions and compost stability[J]. Chemosphere,2017,166:352－362.

[39] Beck-Friis B,Smars S,J?nsson H,et al. Gaseous emissions of carbon dioxide,ammonia and nitrous oxide from organic household waste in a compost reactor under different temperature regimes[J]. Journal of agricultural engineering research,2001,78(4):423－430.

Influence of easily-degraded organic matter content on maturity and nitrogen loss during composting of cucumber vine

Chang Ruixue,Wang Qian,Gan Jingjing,Li Yanming※
(College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193,China)

In China,vegetable growing area and production have increased rapidly in order to satisfy the increasing demand for vegetable and benefit,which must be accompanied by more vegetable wastes and are hard to be treated nowadays,for shortage of technologies of circular utilization without hazardous risk. The vegetable wastes without treatment must result in environmental pollution and safety risk,especially for cucumber,one of the major vegetables in China. The study was undertaken to investigate the effects of easily-degraded organic matter content(27%(T1),36%(T2),45%(T3),51%(T4)) on maturity process and nitrogen loss during composting of cucumber vine in lab-scale airtight composting system,with the same mixed material weight,C/N ratio of 25,material moisture content of 60%,using the carbon additive corn stover and corn starch,and the nitrogen additive urea,and analyzed temperature,matter loss,organic matter,CO2emission,pH value,EC(electrical conductivity),GI(germination index),NH3emission rate and accumulation,nitrogen loss rate during the maturity process. Results indicated that along with the increase of easily-degraded organic matter content in raw material,the highest temperature in different treatments showed firstly increased and then decreased,while higher pH value,EC,and lower GI were shown together with the easily-degraded organic matter content increasing,which meant the easily-degraded organic matter content should not be too high and no more than 45% was better for higher temperature and maturity. The highest temperature(71.4 ℃) was shown in treatment T3,with more CO2accumulation,which meant this condition was better for reducing the heating time and making no-hazardous product. However,the increase of easily-degraded organic matter content resulted in more nitrogen loss,especially more ammonia emission. The most ammonia emission was shown in T3(380.29 mg),and the most nitrogen loss rate in T4(36.01%),suggesting that the lignocellulose would help to reduce the ammonia emission and nitrogen loss. In summary,the ratio of 45% in mixed material for easily-degraded organic matter content is a better condition for higher composting temperature to make no-hazardous product and no influence on maturity of the product,but accompanied by higher ammonia emission and nitrogen loss rate. So with the aim to reach high temperature and low nitrogen loss during composting,additional lignocellulose input together with the 45% easily-degraded organic matter content in the material could effectively improve the composting technology,but it needs to be certified by experiment in the future.

composting;organic matter;nitrogen;cucumber vine;easily-degraded organic matter;maturity;NH3;nitrogen loss

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.032

X712

A

1002-6819(2017)-01-0231-07

常瑞雪，王 騫，甘晶晶，李彥明. 易降解有機質含量對黃瓜秧堆肥腐熟和氮損失的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(1)：231－237.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.032 http://www.tcsae.org

Chang Ruixue,Wang Qian,Gan Jingjing,Li Yanming. Influence of easily-degraded organic matter content on maturity and nitrogen loss during composting of cucumber vine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):231－237.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.032 http://www.tcsae.org

2016-04-01

2016-11-15

“十二五”農村領域國家科技計劃課題：以都市農業為支撐的大學農業科技服務關鍵技術集成與示范（2013BAD20B01）；公益性行業（農業）科研專項：“蔬菜副產物綜合利用技術研究與示范（201303079）”

常瑞雪，博士生，研究方向為有機廢物處理與資源高效循環利用。北京 中國農業大學資源與環境學院，100193。Email：changrui.xue@163.com

※通信作者：李彥明，博士，副教授，碩士生導師，專業方向為有機廢物高效循環利用與政策研究。北京 中國農業大學資源與環境學院，100193。E-mail：liym@cau.edu.cn