腐殖酸保氮劑對降低堆肥過程中氮損失的影響

孔凡克 王麗霞 李煜喆 邵蕾

(中國農業大學煙臺研究院 山東煙臺264670)

高溫好氧堆肥是利用農業有機廢棄物生產有機肥，是實現有機物料回歸土地的最直接方式之一。有機肥料中氮磷鉀含量是衡量有機肥料品質的主要指標，《NY525—2012 有機肥料》中規定，有機肥料氮磷鉀總養分≥機肥料》。研究表明，堆肥的高溫階段65%的氮由銨態氮轉變為氨氣而揮發損失［1-2］。堆肥過程中的氮損失會導致發酵后的成品品質下降及發酵場地惡臭等問題。

在堆肥過程中，適量添加調理劑可以有效改善有機物料的結構，降低物料pH 值、減少物料中氨的揮發、降低氮素的損失。羅一鳴等［3］在發酵倉中對豬糞進行好氧堆肥試驗，添加了初始物料干質量3.3%～6.6%的過磷酸鈣，發現NH3、N2O 和CH4排 放 量 分 別 減 少 了24.1%～43.4%、22.2%～27.7%、22.4%～62.9%；李旭等［4］在牛糞和玉米秸稈好氧堆肥試驗中添加15%（鮮質量比）的陶粒、半焦、生物炭，14 d的堆肥過程中氨氣揮發總量相比對照組分別減少了5.4%、9.2%和12.8%；李森等［5］在水葫蘆堆肥中，將過磷酸鈣、腐植酸鈉、硫酸亞鐵按5∶20∶75的質量比例配制保氮劑，添加干料含量的3%進行好氧堆肥試驗，試驗結果表明，相對CK 處理，添加保氮劑以后有機氮含量提高了13.2%，全氮含量提高了16.3%，氨揮發總量降低了42.4%，氮素固定率高達72.2%。

目前保氮劑以磷酸、草炭、沸石、硫酸鋁、過磷酸鈣、氫氧化鎂、硫酸亞鐵等為主，當其添加量達到一定數值時能達到保氮效果［6］。劉寧等［7］在雞糞與秸稈混合發酵中添加10%的生物炭，吳娟［8］在豬糞發酵過程中添加物料干重10%以上的過磷酸鈣，常瑞雪［9］在雞糞和蔬菜秸稈混合發酵中添加占干重5%的磷酸鎂鹽。說明適量添加保氮劑，可以實現堆肥過程中的保氮作用。有機物料經過堆肥之后，可以轉化為穩定性高的腐殖質，進而實現無害化和資源化利用［10］。腐殖酸具有改良土壤和提高土壤肥力的作用，是衡量有機肥品質的重要指標［11］。李軍［12］的研究表明，腐殖酸可減少尿素氮的損失；王平等［13］研究表明，腐殖酸可減少實驗室培養條件下氨揮發、抑制反硝化；徐鵬翔等［14］研究表明，添加腐殖酸可提高堆肥產物氮含量。說明添加腐殖酸可以抑制堆肥過程中的氮損失［15］。本試驗研究不同量腐殖酸對雞糞堆肥過程中氮素的固定效果，為減少有機物料堆肥過程中氮素的損失、提高堆肥成品的品質提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

雞糞來源于蓬萊市村里集柳格莊村養雞場。玉米秸稈粉碎至1 cm 長度，其理化性質見表1（測定方法參照《NY525—2012 有機肥料》）。發酵菌種來自于山東君德生物科技有限公司。試驗所用保氮劑為市售腐殖酸（pH 5.50，腐殖酸含量55%）。

1.1.2 發酵物料

表1 堆肥原料的理化性質

好氧堆肥是微生物發生作用的過程，微生物生命活動受到堆肥原料含水率、C/N、pH、通氣性、有機質含量等因素的影響，發酵需要滿足微生物生命活動的需要。研究表明，發酵物料要求含水量為50%～60%，C/N 為25∶1～30∶1［4-5］。經計算，本試驗的發酵物料調配按雞糞與玉米秸稈干重比例為1∶2 混合，其理化性質如下：含水率56.31%，有機碳40.46%，全氮1.36%，全磷1.51%，全鉀2.52%，C/N 29.68，pH 7.03（測定方法參照《NY525—2012有機肥料》）。

1.2 方法

1.2.1 試驗方案

本試驗共設計4 個處理，重復3 次。第1 組為空白對照組，不添加保氮劑（CK）；試驗2、3、4組分別添加占堆肥原料干重1%、2%、3%的腐殖酸保氮劑，分別標記為為B1、B2、B3。

1.2.2 發酵裝置與發酵過程控制

試驗裝置為自制恒溫好氧堆肥反應桶（圖1），有效容積為70 L。發酵桶外壁包裹電熱恒溫套，以減少外界的環境溫度對發酵過程產生的影響。

將濕重70 kg 的發酵物料按照試驗方案與保氮劑、發酵菌劑混合，發酵菌劑的添加量為1 kg/t（濕物料）。以機械強制通風方式進行通風供氧，利用轉子流量計調節風量，通風速率為0.2 m3/h。高溫階段，每間隔1 小時通風1 h，升溫和降溫階段每間隔2 小時通風1 小時。本試驗累計發酵時間為38 d，其中，試驗開始后第3、7、14、21、28、35 天人工翻堆。試驗期間，每天9：00～10：00點，分別測定堆體中間的溫度和外界的環境溫度，試驗過程中設計電熱恒溫套的溫度30℃。

1.2.3 樣品的采集測定

試驗過程中，在每一次翻堆混合之后都要進行樣品采集，采集完畢，把每個樣品分為2份：一份鮮樣，用于測定pH值（雷磁PHS-25），并利用烘干法測定含水量，銨態氮和硝態氮的測定則參考《NY/T 1116—2014 肥料硝態氮、銨態氮、酰胺態氮含量的測定》；另一份進行自然風干，研磨后測定全氮（凱氏定氮法）。

圖1 發酵裝置圖

堆肥試驗完成之后，根據物料平衡原理，估算氮損失率（Nl）和氮損失減少率（L）：

式中：N0、Ni分別為堆肥初始、結束時物料全氮質量分數（以干基計）；M0、Mi分別為堆肥初始、結束時物料的干重。

式中：Nli為處理i的氮損失率；NlCK為對照組的氮損失率。

1.2.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 進行數據處理并作圖，采用SPSS19.0進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中的溫度變化

堆肥過程中，堆體內部的溫度變化過程代表了堆體內部微生物代謝活動的強弱程度，也反映了有機物料的腐熟程度，如圖2所示，堆肥過程的溫度變化過程大致分為升溫期、高溫期、降溫期和穩定期4 個階段，并顯示有3 次先降溫后再升溫的過程，這是由于堆肥過程中的階段性翻堆并混合而形成的。如圖2所示，堆肥的中間階段，CK處理的堆體溫度低于添加保氮劑的3個處理，說明添加保氮劑有利于微生物的代謝活動，有利于微生物分解有機物料。

圖2 堆肥過程中溫度的變化

2.2 堆肥過程中含水量變化

堆體中的水分含量是影響堆肥腐熟進程的重要因素之一，適宜的含水量是增強微生物活性的必要條件。如圖3所示，堆肥開始時各處理的含水量同為55%左右；堆肥開始以后，溫度升高，水分蒸發，并且微生物代謝活動也需要消耗水分，堆體的含水量一直呈下降趨勢。第二次翻堆（7 d）至試驗結束，CK處理的含水量高于3個保氮劑處理（B1、B2、B3）。最后一次翻堆（35 d），相對于CK處理，B1、B2、B3 處理的含水量分別降低了1.66%、2.65%、2.66%。可能是保氮劑的添加促進了微生物的活動，提高了高溫階段的溫度，有利于水分的減少。添加保氮劑的3個處理中，從第三次翻堆開始，到第七次翻堆結束，B1 處理的含水量明顯高于B2 處理和B3 處理的含水量。最后一次翻堆結束，B2和B3處理的含水量差異不顯著。

圖3 堆肥過程中含水量變化

2.3 堆肥過程中pH變化

由圖4 可知，在4 種不同處理中，pH 變化趨勢基本相同，均表現為先逐漸降低，然后再持續升高。試驗前期階段，堆體溫度升高，微生物代謝加快，大量的有機質轉變成為小分子的有機酸并逐漸積累，再加上保氮劑本身也呈酸性，所以，前期階段堆體的pH 降幅較大。第7 天時pH 達到最低值，相對于CK 處理，B1、B2、B3 處理pH 分別降低了0.15、0.13、0.16。第14 天和第21 天，B1、B2、B3 處理pH 顯著高于CK 處理。說明保氮劑可促進物料中的含氮有機物轉化為氨態氮，并能促進積累水溶性銨態氮，從而降低堆體pH。

圖4 堆肥過程中pH變化

2.4 堆肥過程中全氮含量變化

試驗前期的堆體升溫階段，由于微生物活動旺盛，氮素消耗多，損失量大，但是總干物質減少量不大，導致堆體中干物質的全氮含量相對降低。如圖5所示，堆肥過程中，不同處理的全氮含量均表現為先降后升的變化趨勢，第7天達到最低值。隨著試驗的進行，干物質的損失量逐漸大于氮素的損失量，物料中氮素含量上升。

2.5 堆肥過程中銨態氮含量變化

圖5 堆肥過程中全氮含量變化

堆肥過程中，堆體內部的通氣狀況及微生物分解利用有機氮的情況能夠影響物料中銨態氮的含量。如圖6 所示，本試驗的4 個不同處理中，銨態氮的含量均呈現為先升后降的變化趨勢，堆肥第2 天，銨態氮含量最高。堆肥第2 天至試驗結束，B1、B2、B3 處理的銨態氮含量均明顯高于CK處理。說明添加腐殖酸可以吸附堆肥物料中的銨態氮，提高堆體中銨態氮含量。試驗結束時，相對于CK 處理，B1、B2、B3 處理的銨態氮含量分別提高了97.18%、108.45%、116.90%。

圖6 堆肥過程中銨態氮含量變化

2.6 堆肥過程中硝態氮含量變化

不同處理硝態氮含量的變化趨勢表現不盡相同。CK處理，硝態氮的含量先升高后平穩，而B1、B2、B3 處理表現為逐漸上升的趨勢（圖7）。試驗的第1～2天，4個不同處理之間的硝態氮含量變化趨勢基本相似。試驗的第21、28、35天，B1、B2、B3 處理的硝態氮含量顯著高于CK 處理，可能是試驗過程中，微生物將物料中有機氮分解為無機氮，硝化細菌將物料中的銨態氮轉變成為硝態氮。一方面，添加保氮劑減少了氮素損失，提高了堆體中氮含量；另一方面，添加保氮劑可能為硝化細菌提供了更適宜的環境，從而提高硝化作用。試驗結束時，相對于CK 處理，B1、B2、B3 處理的硝態氮含量分別提高了11.69%、12.99%、15.58%。

2.7 氮素的固定效果比較

CK 和B1 處理的發酵產物干重和干物質損失率差異不顯著；B2、B3 處理的干重顯著高于CK 和B1處理，但干物質損失率低于CK 和B1 處理（表2）。相對于CK 處理，B1、B2、B3 處理的發酵產物中，氮含量分別提高了0.13%、0.20%、0.22%，干物質損失率減少了0.36%、1.33%、3.73%。添加發酵物料干重1%（B1）、2%（B2）、3%（B3）的腐殖酸，氮損失率分別為25.37%、20.15%、15.48%，氮損失減少率分別為7.24%、12.46%和17.13%。由此可見，添加保氮劑可以提高發酵產物的氮含量，降低干物質的損失率，從而減少氮素的損失率；隨著腐殖酸添加量的增加，保氮效果逐步提高。

圖7 堆肥過程中硝態氮含量變化

表2 氮素的固定效果比較

3 討論與結論

3.1 添加保氮劑對發酵過程的影響

好氧堆肥是在有氧條件下，好氧微生物對有機物料進行氧化、分解，轉化為安全、穩定的有機肥料的過程，好氧堆肥的發酵過程受物料碳氮比、含水量、酸堿度、外源添加劑和微生物活動等多種因素共同作用［16］。本試驗第6～12 天，CK處理的堆肥溫度低于添加保氮劑的3個處理，說明物料中添加保氮劑之后，有利于微生物對有機物料的分解活動，微生物活動增強，提高發酵溫度，同時也促進了發酵物料中水分的蒸發。

本試驗中，第2 次翻堆（7 d）至試驗結束，CK 處理的含水量高于3 個保氮劑處理（B1、B2、B3）。添加保氮劑處理后，物料酸堿度和含水量適宜，增強了微生物的活動，減少了堆體中氨的揮發損失，提高了硝化細菌活性，從而保留了堆體中的銨態氮和硝態氮。相對于CK 處理，堆肥結束后添加3%的腐殖酸保氮劑（B3處理），堆體中銨態氮和硝態氮含量分別提高了116.90%和15.58%。

3.2 添加保氮劑對氮素損失的影響

在堆肥過程中，添加腐殖酸保氮劑能夠降低氮素損失，但保氮劑種類不同、添加數量不同，其保氮效果也各不相同［17］。林小鳳［18］在雞糞與麥秸的堆肥過程中，添加磷酸鈣和氯化鐵及其混合物進行試驗，結果表明，增加保氮劑用量，可以提升保氮效果；鄭瑞生等［19］在豬糞堆肥過程中添加不同比例沸石，結果發現，沸石能夠有效抑制氨揮發，降低銨態氮的含量。本試驗研究結果表明，增加腐殖酸的添加量，可以提高堆肥過程的保氮效果；添加發酵物料干重1%、2%、3%的腐殖酸，氮損失率分別為25.37%、20.15%、15.48%，氮損失減少率分別為7.24%、12.46%和17.13%。不同試驗的保氮劑保氮效果不同，原因可能為：一方面，保氮劑的成分影響保氮效果；另一方面，堆肥物料組成和堆肥過程中的參數控制也影響保氮劑的效果［20］。因此，在實際生產有機肥的過程中，還要考慮添加無機保氮劑對有機肥產品有機質和養分含量的影響。