不同原料好氧堆肥過程中碳轉化特征及腐殖質組分的變化

李孟嬋，張 鶴，楊慧珍，張 健，張春紅，王友玲，邱慧珍

(甘肅農業大學資源與環境學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國經濟的快速發展和居民對肉類需求的日趨增加，現代農業及畜禽養殖產業迅猛發展，隨之產生的農業廢棄物對環境造成的影響也日趨嚴重[1]。據估算，全國每年產生的畜禽糞污約38億t，綜合利用率還不到60%；每年產生的農作物秸稈近9億t，未利用的達2億t[2]，這些廢棄物已成為農業面源污染的主要來源[3]。由于未經腐熟的畜禽糞便中一般都會含有大量的病原菌、寄生蟲卵和滋生的蚊蠅，因此會引起人、畜傳染病的發生，當人和畜禽都患病時還會引發疫情，從而危害人民的健康[4]。另外，我國耕地質量面臨著新一輪的低肥力、高投入和高污染等問題[5]，農業廢棄物肥料化利用可避免養分資源的浪費。據估算，38億t畜禽糞便可提供氮磷鉀 5 323萬t[6]，占我國目前化肥施用總量的89%[7]。如能將這部分養分以有機肥的形式歸還土壤，可有效減少化肥用量。

好氧堆肥是由微生物分解難降解有機物(如纖維素和木質素)，并轉化為腐殖質的生物化學過程，可以完成不同有機物料如農作物秸稈和畜禽糞便的生物轉化[8-9]，是無害化和資源化處理農牧業廢棄物的最有前景的一種方式，也是實現畜禽糞便無害化和資源化處理的最有效途徑[10]。好氧堆肥產品施入農田可以促進農田的可持續利用[6,11]，可補充土壤養分，起到改良土壤環境的作用[12-13]。

然而，目前我國堆肥產品中存在著質量參差不齊、肥效低等諸多問題[14]。有機質含量是評價堆肥產品質量的重要指標，腐殖質作為有機質的主要組成部分[15]，是評價堆肥產品質量的重要指標[16]，可溶性有機碳是能被微生物直接利用的碳源，是有機物料中纖維素、半纖維素等組分分解的中間產物[17]。因此深入研究不同原料好氧堆肥過程中碳轉化特征及腐殖質組分的變化規律，優化堆肥配方和工藝參數，對促進有機肥企業的發展具有十分重要的意義。

堆肥過程中會產生大量的腐殖質類物質：富里酸(Fulvic Acid，FA)、胡敏酸(Humic Acid，HA)和胡敏素(Humin，HM)。胡敏酸和富里酸的含量是決定堆肥質量及腐熟度的重要因素之一，對堆肥產品的品質具有重要意義[18-20]。研究表明，不同堆肥原料有機質組分存在較大差異，其在堆肥過程中可溶性有機碳及腐殖質組分含量變化趨勢也不盡相同[21-22]。目前，有關好氧堆肥過程中碳轉化特征及腐殖質組分變化規律的研究試驗多是以單種畜禽糞便與秸稈為原料進行，而對以不同畜禽糞便與秸稈為原料的堆肥過程中碳轉化及腐殖質組分變化進行比較分析的研究鮮見報道。本試驗以牛糞、羊糞2種畜禽的糞便為主原料，以玉米秸稈和小麥秸稈為輔料，對不同原料好氧堆肥過程中總有機碳(TOC)、可溶性有機碳(DOC)和腐殖酸含量的碳轉化特征以及腐殖質組分，胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量的變化規律進行了研究，旨在比較不同原料在堆肥過程中碳轉化特征及腐殖質組分的變化規律，以期為有機肥生產過程中優化配料組合提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥試驗設在白銀市白銀區四龍鎮鑫昊生物科技有限公司，試驗區年平均氣溫約9℃，6-7月份平均氣溫15～27℃，年均降雨量181 mm，全年多風，屬典型的大陸性氣候。堆肥采用戶外堆置方式，于2017年6月20日開始堆肥，周期35 d。供試原料由肥料廠提供，使用前用切碎機將玉米秸稈切為2～5 cm的碎料。堆肥原料的理化性狀見表1。

1.2 試驗設計

堆肥試驗設置4個處理：T1：牛糞+玉米秸稈(C+M)；T2：牛糞+小麥秸稈(C+W);T3：羊糞+玉米秸稈(S+M);T4：羊糞+小麥秸稈(S+W)。

各處理的畜禽糞便與秸稈添加量干基相同，用尿素調節C/N為27±0.5，堆體初始含水率控制在60%±1%，混勻后堆成長2.5 m，高1.2 m，寬2 m的條堆。堆肥以自然發酵的方式進行，不添加發酵菌劑。人工翻堆，升溫和高溫階段每2 d翻堆一次，降溫階段每4 d翻堆一次。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 采樣時間與方法 每隔5 d采集一次樣品，方法為按長度將堆體分為4個等距截面，于各截面的3個不同深度：表面(0～20 cm)，中間(50～70 cm)，底部(100～120 cm)進行取樣，每層等量取樣約300 g，混勻，每個處理4次重復。樣品自然風干用于理化性狀的測定。

1.3.2 測定項目及方法 總有機碳(TOC)的測定采用重鉻酸鉀容量法[23]；可溶性有機碳(DOC)的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[24]；總腐殖酸(THA)的測定采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀容量法[25]，游離腐殖酸(FHA)的測定采用1%氫氧化鈉浸提-重鉻酸鉀容量法[25]；富里酸(FA)、胡敏酸(HA)含量的測定采用焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法[26]；纖維素的測定采用酸性洗滌硫酸-重鉻酸鉀氧化法[27],半纖維素的測定采用2 mol·L-1鹽酸水解法[27]；木質素的測定采用醋酸分離硫酸-重鉻酸鉀氧化法[27]。

溫度測定：每天于8∶00， 12∶00， 16∶00分別取樣測定3次，取3次溫度的平均值。測溫層次與取樣層次一致，每層均勻測溫4次，取其平均值。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行圖表繪制和Spass 23進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同原料堆肥過程中有機碳含量的變化

2.1.1 總有機碳(TOC)含量的變化 碳變化是堆肥過程中最基本的特征，碳作為微生物的能源物質和細胞的主要組成物質，在堆肥過程中被微生物分解利用，轉化為氣體散失，同時合成腐殖質[28]。不同處理堆肥過程中TOC的變化見圖1。

表1 不同堆肥原料的理化性質

注：T1—牛糞+玉米秸稈;T2—牛糞+小麥秸稈；T3—羊糞+玉米秸稈；T4—羊糞+小麥秸稈。下同。Note:T1—cow dung+maize straw;T2—cow dung+wheat straw；T3—sheep dung+maize straw；T4—sheep dung+wheat straw. The same below.圖1 堆肥過程中總有機碳(TOC)含量的變化Fig.1 Changes of total organic carbon during composting

由圖1可知，在整個堆肥過程中，所有處理的TOC含量均呈下降趨勢，至堆肥結束時，T1～T4處理的TOC下降幅度分別為22.1%、21.5%、23.6%和23.7%，以小麥秸稈為輔料的處理在堆肥過程中TOC含量始終高于玉米秸稈的處理，這可能與不同秸稈的理化性質不同有關。

2.1.2 可溶性有機碳(DOC)含量的變化 DOC是總碳中最活躍的成分，是微生物在分解有機物料中半纖維素、纖維素等組分的產物[17]，同時它又是微生物所依賴的碳源與能源[29]，為此，我們在測定TOC含量變化的同時，測定了不同處理在堆肥過程中DOC含量的變化，結果見圖2。

如圖2所示，各處理DOC含量在堆肥過程中呈波動式降低趨勢，至堆肥第15天時，各處理的DOC降至最低值，但不同處理的變化情況明顯不同。以牛糞為主料的T1和T2處理的DOC在第10天之前幾乎無變化，其后迅速下降，而以羊糞為主料的T3和T4處理的DOC則從堆肥一開始就下降，至第15天時達最低值，T1～T4處理至堆肥第15天時DOC的下降幅度分別為32.4%、36.5%、51.8%、39.3%，以羊糞+玉米秸稈的T3下降幅度最大，這可能與牛羊糞中纖維素和半纖維素的含量不同有關。

從圖2結果還可以看出，隨堆肥過程的推進，不同處理的DOC都在下降，但是T1的DOC始終高于其它處理，至堆肥結束時，T1～T4處理DOC的含量較堆肥開始時分別降低了31.3%、30.6%、38.1%、33.5%，相較于第15天時的最低值，T1的降幅最小，T3的降幅最大。

2.2 不同原料堆肥過程中腐殖酸含量的變化

2.2.1 總腐殖酸(THA)含量的變化 堆肥過程是一個礦化和腐殖化作用交替進行的過程，堆肥中的腐殖酸由物料中新生成及原有腐殖酸轉化而來，原料成分、堆肥時間、堆置工藝、環境條件等都是影響堆肥中腐殖酸含量高低的因素[30-31]。為此，我們測定了不同處理堆肥過程中腐殖酸含量的變化，結果見圖3。

由圖3可以看出，堆肥中THA含量的增加始于第10天，至第15天時增大到最高值，隨后緩慢下降，至第30天降到最低值后趨于穩定。

圖2 堆肥過程中可溶性有機碳(DOC)含量的變化Fig.2 Changes of DOC content during composting

圖3 堆肥過程中總腐殖酸(THA)含量的變化Fig.3 Changes of total content of humic acid(THA)during composting

各處理的THA含量從一開始就表現不同，以羊糞為主料的T3、T4處理在整個堆肥過程中THA含量始終高于牛糞組合的T1和T2處理。堆肥結束時，與堆肥初期相比，牛糞組合的T1和T2處理的THA含量增加了14.8%和17.0%，羊糞組合的T3處理較堆肥開始時降低了16.4%，T4處理增加了1.1%。

2.2.2 游離腐殖酸(FHA)含量的變化 不同處理堆肥過程中FHA含量的變化情況見圖4。從圖4可以看出，不同處理的FHA含量的變化情況與THA類似，從一開始就表現不同，以羊糞為主料的T3、T4處理在整個堆肥過程中顯著高于牛糞組合的T1和T2處理(P<0.05)，這是因為FHA是腐殖酸的主要組成部分。4個處理FHA含量的變化趨勢基本相同，在第15天之前持續下降后表現上升，這是因為堆肥初期形成的THA不穩定，極易被分解成FHA。

2.2.3 總腐殖酸/總有機碳(THA/TOC)值的變化 好氧堆肥的結果是物料中的有機物向穩定程度較高的腐殖質方向轉化，腐殖質在形成的同時也在微生物的作用下進行著分解[30-31]。為此，本試驗在測定腐殖酸含量的基礎上分析了THA/TOC值的變化，結果見圖5。

由圖5可以看出，堆肥中THA/TOC值的變化與THA含量的變化趨勢相似。THA/TOC值的增加同樣始于第10天，至第15天時增大到最高值，隨后緩慢下降，至第30天降到最低值后趨于穩定。各處理的THA/TOC值從一開始就表現不同，以羊糞為主料的T3、T4處理在整個堆肥過程中THA/TOC值顯著高于牛糞組合的T1和T2處理(P<0.05)。堆肥結束時，與堆肥初期相比，牛糞組合的T1和T2處理的THA/TOC值增加了47.3%和49.1%，羊糞組合的T3和T4處理較堆肥開始時增加了9.4%和32.3%。

圖4 堆肥過程中游離腐殖酸(FHA)含量的變化Fig.4 Changes of the content of free humic acid(FHA)during composting

圖5 堆肥過程中總腐殖酸/總有機碳比值的變化Fig.5 Changes of THA/TOC ratio during composting

2.3 不同原料堆肥過程中腐殖質主要組分含量的變化

堆肥過程是一個腐殖質不斷積累的過程，我們對腐殖質的重要組分HA和FA含量在堆肥過程中的變化進行了測定。

2.3.1 胡敏酸(HA)含量的變化 HA是一類能溶于堿溶液而被酸溶液所沉淀的腐殖質物質，對土壤養分保持及土壤結構形成具有重要意義[32]，不同處理堆肥過程中HA含量的變化見圖6。

從圖6可以看出，各處理的HA含量從一開始就明顯分為2組，羊糞由于其HA的含量高于牛糞，所以其組合T3和T4處理的HA含量整個堆肥過程中始終高于牛糞組合的T1和T2處理，但是隨堆肥進程的延續，處理之間的差異在堆肥25 d后變小，在堆肥結束時，T3、T4處理HA含量顯著高于T1、T2處理(P<0.05)。T1～T4處理較堆肥開始時的增幅分別為197.8%、140.9%、70.4%和65.4%。

2.3.2 富里酸(FA)含量的變化 FA是一類既能溶于堿溶液又溶于酸溶液的腐殖質物質，其酸性和移動性均大于HA，但是其吸收性比HA低，對促進礦物的分解和養分的釋放具有重要作用[32]。不同處理堆肥過程中FA含量的變化見圖7。

從圖7可以看出，堆肥期間各處理FA含量整體呈下降趨勢。堆肥前5 d FA含量均迅速下降，可能是由于FA分子量相對較小，結構簡單，隨著微生物的大量繁殖，原料中的FA被微生物大量分解；之后各處理FA含量呈波動式變化，下降幅度變小，可能是由于物料在微生物作用下分解合成FA的速率與FA礦化或聚合成HA的速率在動態變化；堆肥結束時，T1～T4處理FA含量分別為1.19%、1.15%、1.33%、1.49%，T4處理顯著高于T1、T2處理，其它處理間差異不顯著(P<0.5)，可能與T4處理高溫持續時間長有關。各處理FA相比堆肥開始階段降低幅度不同，T1～T4分別為54.9%、59.4%、55.5%、44.9%。

圖6 堆肥過程中胡敏酸(HA)含量的變化Fig.6 Changes of humic acid content during composting

2.3.3 胡敏酸/富里酸(HA/FA)比值的變化 HA/FA是表征堆化腐殖化過程的重要參數[33]，不同堆肥處理的HA/FA的變化見圖8。

由圖8可知，各處理HA/FA比值均逐漸升高，這主要是因為堆肥過程中HA含量的不斷增加和FA含量的持續下降。堆肥初期各處理含有較低含量的HA和較高含量的FA，T1、T2處理HA/FA分別為0.51和0.53，顯著低于T3(0.88)和T4(1.01)處理(P<0.05)；隨著堆肥化的進行，HA含量逐漸增加，FA含量則迅速降低，使各處理HA/FA呈上升趨勢；堆肥第15天時，T1、T2處理HA/FA顯著低于T3、T4處理(P<0.05)；堆肥結束時， T1～T4處理的HA/FA較初期增幅分別達566.9%、497.4%、271.7%、199.9%， T1、T2處理增幅大于T3、T4處理。

2.4 不同原料好氧堆肥過程中溫度的變化

溫度是堆肥過程中重要的工藝參數之一，它影響著堆體中微生物的活性及有機物料的分解速率，也影響著堆肥產品的腐殖化程度[34-35]。不同處理堆肥過程中溫度的變化見圖9。

圖7 堆肥過程中富里酸(FA)含量的變化Fig.7 Changes of fulvic acid during composting

圖8 堆肥過程中HA/FA比值的變化Fig.8 Changes of HA/FA ratio during composting

圖9 堆肥過程中溫度的變化Fig.9 Changes of temperature during composting

由圖9可知，4個處理中，T1在第3天進入高溫期(55℃)，T2在第1天就進入高溫期，其它2個處理都在第2天進入高溫期。T1～T4處理高溫維持時間分別為20、21、22、27 d，T3、T4處理高溫期持續時間長于T1、T2。各處理達60℃以上天數分別為13、15、6 d和9 d，T1、T2處理達60℃以上高溫時間多于T3、T4處理。4個處理在高溫期達到的最高溫度分別為66.7℃、71.8℃、64.5℃、72.2℃，T2、T4處理在堆肥過程中達到的最高溫度高于T1、T3，這可能與原材料性質有關。4個處理分別于堆肥第22、21、23、28天后進入降溫期，至堆肥結束各處理堆溫接近環境溫度。

3 討 論

堆肥過程中有機物料中的有機碳含量會因礦化分解作用而逐漸減少。研究表明，不同堆肥條件下，有機碳減少幅度不同[36-37]。本試驗中以羊糞為主料的處理(T3、T4)在堆肥結束時TOC下降幅度比以牛糞為主料的處理(T1、T2)高，可能是由于T3、T4處理高溫期長于T1、T2處理，有機碳被微生物分解利用的程度也較高。DOC可以為微生物的生長繁殖提供碳源來促進微生物的活動，而微生物在活動過程中又會通過分解堆體中的有機物料及通過本身的一些新陳代謝或死亡來増加堆料中DOC的含量[17,38]。大量研究表明，在不同的堆肥物料和堆肥條件下，堆體中DOC的動態變化規律也不盡相同[9,39]，有的研究發現堆肥結束時DOC相比堆肥開始呈降低趨勢[37,39]，也有在堆肥結束時較堆肥開始呈增加趨勢的研究報道[33]。本試驗中，各處理DOC呈波動式下降趨勢，堆肥結束時T3、T4處理下降幅度大于T1、T2處理，可能是由于羊糞中纖維素、半纖維素含量高于牛糞，使得微生物利用其在降解過程中產生的DOC的量就多，從而使得堆體DOC含量降幅較大。

堆肥過程中會產生大量的腐殖質類物質[17-19]，腐殖質在形成的同時也進行著分解。FA與HA作為腐殖質的重要組成部分，它們在很大程度上決定著堆肥產品的質量[20]。相關研究表明，腐殖質及其各組分含量變化與原材料的性質有關[20,32]。本試驗中，4個處理THA含量的增加始于第10天，在第15天時增大到最高值。說明腐殖酸在堆肥10 d后大量形成，在堆肥結束時T1、T2處理的THA含量較堆肥開始時的增幅顯著大于T4處理，而T3處理THA含量較堆肥開始時低，可能是由于堆肥開始時羊糞處理中THA含量較高，而這部分腐殖酸不穩定，在堆肥期間進行了礦化分解。FHA含量是影響腐殖酸類肥料肥效的重要指標，很多提高肥料腐殖酸活性的研究都是通過提高FHA含量來實現的[40]，各處理FHA含量在堆肥結束時均較堆肥開始時低，其變化情況與THA相似，因為FHA是腐殖酸總量的主要組成部分，它的數量變化直接影響了腐殖酸總量的變化[16]。有研究認為堆肥過程中FA和HA均呈下降趨勢[41]，也有呈增加趨勢的研究報道[42]。本試驗表明，堆肥過程中各處理HA含量呈增加趨勢，FA含量呈下降趨勢，因為FA可能會通過微生物活動轉化成HA[39,43]。隨著堆肥過程的進行，物料中有機物迅速分解，腐殖質組分中不穩定的成分逐漸向穩定成分轉化，導致HA/FA比值也隨之發生相應的變化[33]，本試驗中T1、T2處理在堆肥結束時HA/FA增幅大于T3、T4處理，說明T1、T2處理腐殖化程度高于T3、T4處理。

溫度是影響堆肥效率以及保證堆肥產品質量的重要因素。李國學等[44]認為在堆肥剛開始時，堆料的溫度通常會接近周圍的環境溫度，隨著堆料中中溫性微生物的作用，堆體通常能夠在1～2 d的時間達到高溫微生物活動的理想溫度50℃～65℃，而在這樣的高溫條件下，一般只需要5 d左右的時間便可以保證堆肥產品達到無害化的相關要求。如果堆肥時堆體的溫度上升太慢、溫度一直較低就會大大地延長堆體能夠達到腐熟條件所需的天數，而太高的堆溫(高于70℃)則會抑制大部分微生物的活性。本試驗中以羊糞為主料的2個堆肥處理高溫持續時間長于以牛糞為主料的2個處理，以小麥秸稈為輔料的堆肥處理在堆肥過程中達到的最高溫度高于以玉米秸稈為輔料的處理，這可能與原材料性質有關。

4 結 論

1)不同原料在堆肥過程中總有機碳和可溶性碳含量隨堆肥過程的推進而降低，添加羊糞的處理在堆肥結束時總有機碳和可溶性碳含量的下降幅度大于添加牛糞的處理，羊糞中高含量的纖維素、半纖維素可能是其變化幅度較大的主要原因。

2)不同原料在堆肥過程中總腐殖酸含量總體呈先上升后下降趨勢，游離腐殖酸及富里酸含量逐漸降低，胡敏酸含量逐漸增加，堆肥過程顯著提高了胡敏酸態碳。整個堆肥過程添加羊糞的處理總腐殖酸、游離腐殖酸及胡敏酸含量均高于添加牛糞的處理，添加不同秸稈的處理間差異不大。

3)羊糞中較高含量的纖維素、半纖維素和胡敏酸可能是堆肥產品中總腐殖酸和胡敏酸含量較高的主要原因，建議企業在以牛糞為主料的堆肥配料中適當加入羊糞以提高堆肥產品的腐殖酸含量和胡敏酸態碳。