添加生物炭對豬糞好氧堆肥過程氮素轉化與氨揮發的影響

李太魁 ，王小非 ，郭戰玲 ，張香凝 ，寇長林 ，王彥江

1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2.農業部原陽農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，河南 原陽 453500；3.河南省農業生態環境重點實驗室，河南 鄭州 450002；4.盧氏縣農業農村局，河南 三門峽 472200

隨著中國畜禽養殖業的發展，畜禽養殖產生的糞便大大超出當地農田可承載的最大負荷，是我國主要的農業面源污染源之一（宣夢等，2018）。據農業農村部數據，全國每年產生畜禽糞污38億噸，綜合利用率不到60%；每年產生秸稈近9億噸，未利用的約2億噸。這些未實現無害化處理和資源化利用的農業廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，給城鄉生態環境造成了嚴重影響（馬驍軒等，2016）。通過好氧堆肥技術將畜禽糞便、秸稈等有機廢棄物轉化為有機肥是有機固體廢物資源化的重要技術途徑之一，但堆肥過程中伴有大量的氨氣和硫化氫等惡臭氣體產生，造成肥料中氮素等營養物質大量損失。研究表明，畜禽糞便堆肥化處理過程中氮的損失量最高達 50%以上（黃懿梅等，2004）。因此，如何控制堆肥過程中氮素損失成為提高堆肥品質的關鍵問題。

通過向堆肥中添加一定量的添加劑對減少氮素損失有較好效果，國內外對不同類型添加劑的保氮效果已有較多研究（史春梅等，2011；黃向東等，2014）。生物炭是由生物殘體在厭氧條件下，經高溫熱解產生的一類穩定、難熔、富含碳素的固態物質，具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結構，吸附能力較強（Yuan et al.，2010），作為一種高效廉價的添加劑，被廣泛用于堆肥過程中以改善堆肥產品的質量。目前有關添加生物炭對堆肥碳素轉化（李波等，2017）、重金屬（謝勝禹等，2019）、微生物種群（張海濱等，2019）等影響的研究較多，研究生物炭對堆肥腐熟過程中氮素轉化、氨揮發等方面綜合影響的研究還較少，豬糞堆肥生物炭添加適宜比例的研究鮮有報道。堆肥過程氨氣的排放與氮素的損失直接影響溫室氣體的排放量與有機肥的品質。鑒于此，本文采用生物炭作為添加劑進行堆肥試驗，研究不同用量生物炭對豬糞高溫堆肥腐熟過程中的氮素轉化及氨氣排放的影響，為高效、環保的畜禽糞便堆肥化生產提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試豬糞采自河南省鶴壁市石林鄉農戶散養豬舍。生物炭由鄭州永邦科技有限公司生產的小麥秸稈生物炭，經炭化爐在450 ℃低溫厭氧條件下制備。堆肥用秸稈取自附近農田小麥秸稈，經自然風干后粉碎成1—2 cm左右于干燥陰涼處備用。堆肥物料性質見表1。

表1 堆肥物料理化性質Table 1 Physical and chemical properties of composting material

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理，500 kg豬糞+50 kg秸稈（對照，S1）、500 kg豬糞+50 kg秸稈+5%生物炭（S2）、500 kg豬糞+50 kg秸稈+10%生物炭（S3）、500 kg豬糞+50 kg秸稈+15%生物炭（S4）。將各處理堆肥物料調節含水率 50%左右，混合均勻后于 2019年4月6日—5月5日進行堆肥試驗，持續29 d。每個處理設置3個平行，隨機排列。堆體長寬高分別為1.8、1.0、0.8 m，相鄰堆體間距離為1.5 m。堆肥期間采用人工翻堆，每4—5天翻堆一次。

1.3 樣品采集及測定

堆肥樣品在每次翻堆后采集（李麗劼，2012），每個堆體采集表層（0—20 cm）、中層（30—40 cm）、深層（50—60 cm）樣品各500 g，混合均勻。將采集的固體樣品分成兩份：一份裝入無菌塑料袋中于4 ℃下保存，用于 pH、銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3?-N）和有效活菌數等指標的測定；另一份自然風干，粉碎并過 80目篩，用于氮磷鉀養分和有機質的測定。

溫度測定采用 0—100 ℃玻璃溫度計，測定時插入堆體中心處，于每天11:00測定；pH測定采用固液比1∶10（鮮質量∶體積），用蒸餾水浸提鮮樣，靜置0.5 h，然后用S-3C型pH計測懸液pH值；按新鮮堆肥樣與 2 mol·L?1KCl溶液固液比 1∶10（鮮質量：體積）混合，在200 r·min?1的速度下振蕩1 h后過濾浸提，離心（4000 r·min?1）10 min，用流動分析儀測定濾液中NH4+-N和NO3?-N含量；有機質測定采用重鉻酸鉀氧化法；總氮測定采用凱氏定氮法（魯如坤，2000）。有效活菌數測定采用平板計數法（李亞蘭等，1999）。

氨揮發采用海綿吸收法測定（王朝輝等，2002）：采樣裝置由內徑20 cm，高40 cm的硬質PVC管制成。采用磷酸甘油吸收法，將浸過磷酸甘油溶液（由磷酸和丙三醇混合）的海綿放入硬質塑料管中，上層海綿與硬質塑料管頂端平齊；磷酸甘油吸收法可以保證堆體表面的氣體通過海綿與外界環境進行氣體交換，海綿可以吸收堆體表面揮發的氨氣，而上層務必要減少外界氣體對堆體表面氨氣揮發收集的干擾。采樣2 h后，將裝置輕輕揭起，用蒸餾水多次洗滌海綿吸收的氨氣，將洗滌液定容至1 L，測定氨氮濃度。NH3揮發計算公式為：

式中，f為 NH3排放通量[mg·m?2·h?1]，C為浸提液中氨氮的含量（mg·L?1），V為浸提液的體積（mL），A為吸收氨氣海綿的有效面積（m2），t為采樣時間（h）。

1.4 數據處理與統計分析

文中數據采用Excel 2007進行處理，利用SPSS 16.0和Origin 8.0進行方差分析、相關分析、圖形制作等，以LSD法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。測定結果均以平均值±標準差的形式表示。

2 結果與分析

2.1 生物炭對堆肥進程及理化性質的影響

堆肥時間持續29 d，整個堆肥過程由升溫期、高溫期、降溫期3個階段組成。由圖1可以看出，以周圍環境溫度為對照，各處理堆肥溫度均表現為先升高后降低的變化趨勢，S3和S4的升溫期、高溫期和降溫期均為第 1—7、8—16和 17—29天，S2在第8天進入高溫期，而S1的3個時期依次為第 1—8、9—15和 16—29天。添加生物炭的各處理堆溫在第7—16天均保持在50—60 ℃之間，其中S3的堆溫在第6天達到51 ℃，并在第13天達到最高溫度60 ℃，S2、S4的堆溫在第10天達到57 ℃。未添加生物炭的S1第9天升溫到51 ℃，第13天達到最高溫度56 ℃。由此可見，與對照相比，添加生物炭可促進堆體提前 2—3 d進入高溫期，顯著加快了堆肥進程。

圖1 豬糞堆肥過程中溫度的動態變化Fig.1 Dynamics changing curves of temperatures during composting

堆肥前后物料理化性質的變化如表2所示。與堆肥初期相比，S1、S2、S3、S4 pH 分別增加了22.7%、19.9%、19.5%和 15.0%，添加生物炭能夠降低堆體pH值的增加幅度。試驗后期，所有處理的pH值均保持在9.0以下，符合腐熟堆肥pH值應在8.0—9.0之間的標準，達到堆肥腐熟要求。添加生物炭的處理的總養分、有機質以及有效活菌數均有不同程度的提高，其中，S3的效果優于其他處理，說明添加生物炭可以有效改善堆肥的質量。

表2 不同處理豬糞堆肥前后理化性質Table 2 The variation of physical and chemical properties during composting

2.2 添加生物炭對堆肥氮素轉化的影響

2.2.1 生物炭對堆肥過程中 NH4+-N 和 NO3?-N的影響

堆肥過程中NH4+-N和NO3?-N含量的動態變化見圖2、3。添加生物炭的S2、S3、S4 3個處理NH4+-N含量均在第4天達到最高，然后逐漸下降至穩定狀態。未添加生物炭的S1處理NH4+-N含量在前10 d逐漸升高，隨后迅速下降，最終趨于穩定。未添加生物炭的NH4+-N含量增幅明顯大于添加生物炭的3個處理。NO3?-N含量在堆肥升溫期過程中變化幅度不大，在第10—17天高溫期NO3?-N含量迅速上升，對照處理NO3?-N含量增加幅度明顯低于添加生物炭的處理。堆肥結束時，S2、S3、S4 處理 NO3?-N含量分別比對照提高了39.64%、46.68%和28.84%。

圖2 豬糞堆肥過程中NH4+-N含量動態變化Fig.2 Changes of NH4+-N during composting

圖3 豬糞堆肥過程中NO3?-N含量動態變化Fig.3 Changes of NO3?-N during composting

2.2.2 生物炭對堆肥過程中氨揮發的影響

圖4為堆肥過程中氨揮發速率動態變化趨勢。可以看出，堆肥前期氨揮發速率較小，隨著堆溫升高，氨揮發速率迅速加快，在高溫期氨揮發速率達到最大，在腐熟階段氨揮發速率逐漸降低，添加生物炭降低了堆肥在高溫期的氨揮發速率。由表3可知，與對照相比，添加生物炭顯著降低了各處理堆肥過程中氨揮發的數量，堆肥結束時，S2、S3和S4較比對照分別降低了18.77%、25.35%和26.39%，S3、S4與S2之間差異顯著。

圖4 堆肥過程中氨揮發速率的動態變化Fig.4 Changes of ammonia volatilization during composting

表3 不同處理豬糞堆肥過程中氨揮發累積量Table 3 Total emission of ammonia in different treatment during composting

2.2.3 生物炭對堆肥過程中總氮的影響

由表4可以看出，添加生物炭對堆肥全氮的增加有一定影響。實驗結束時，S1—S4總氮的增加率分別為9.7%、27.5%、28.6%和26.2%，氨氮減少量分別為 869.3、703.8、811.4和 746.9 mg·kg?1，其原因可能是生物炭顆粒較小，且比表面積較大，與豬糞混合后，使豬糞堆肥的細小孔隙數量和體積較大，從而導致堆肥中空氣流速相對較小，氨氣的揮發損失較少，保氮作用更強。S3處理全氮增加率要優于其他兩個處理。

表4 不同處理對豬糞堆肥總氮的影響Table 4 Total nitrogen in different treatment during composting

3 討論

3.1 添加生物炭對堆肥腐熟過程的影響

對好氧堆肥而言，溫度是反映有機物降解狀況及腐熟程度的重要指標。一般認為，堆溫在 50 ℃以上保持7 d或在55 ℃以上持續3 d，就可以殺死物料中的致病菌，達到畜禽糞便無害化的衛生標準（沈玉君等，2010）。本研究結果表明，添加不同比例生物炭能夠顯著提高堆溫，加快堆體升溫，與對照相比提前3—5 d進入高溫期，縮短堆肥周期。Sanchez-Monedero et al.（2018）研究認為，生物炭具有較大的比表面積，能夠增強持水和曝氣能力，堆肥過程中可提高堆體中微生物的數量與活性，造成堆體溫度增加。有研究認為，生物炭為一種近似黑體的物質，吸收能量后能夠釋放遠紅外線產生熱效應使溫度增加（吳曉東等，2019）。pH值是堆肥腐熟的重要指標之一，能夠影響堆體內微生物的生長繁殖，在一定程度上反映堆肥腐熟進程。本實驗結果表明，堆肥過程中物料的pH值顯著增加，各處理堆肥后期pH值均保持在8.0—9.0之間，符合堆肥腐熟的范圍（王艮梅等，2019）。堆肥原料的pH值一般呈微酸性到中性，它的變化主要由堆體中微生物活動和物料降解的產物共同決定。若堆肥過程產生的有機酸、無機酸多于氨化作用產生的氨，堆料的pH值下降。添加生物炭的處理堆溫與升溫速率較高，導致其堆體內有機物和小分子酸被快速分解，造成pH值較高（謝勝禹等，2019）。本研究發現，在堆肥過程中加入5%—15%的生物炭降低了有機質的含量，提升堆肥產品總養分含量和有效活菌數。總的來說，添加適量的生物炭對改善堆肥品質和縮短堆肥時間卓有成效。從經濟效益角度考慮，添加10%的生物炭最為合適，這與Awasthi et al.（2017）的研究結果一致。

3.2 生物炭對堆肥過程中氮素轉化的影響

畜禽糞便堆肥過程中氮素轉化與氮素固持已成為一個重要研究內容。堆肥前期主要是氨化作用起主導作用，原料中的有機氮轉化成銨態氮，這也是堆肥前期銨態氮迅速上升的原因。隨著堆肥的進行，一部分銨態氮通過硝化細菌的硝化作用轉變成硝態氮，還有一部分以氨氣的形式釋放到大氣中（付祥峰等，2017）。降低堆肥氮素的損失不僅要減少氨揮發還要使更多的銨態氮轉變成硝態氮。有研究認為，生物炭作為一種多孔結構的生物質原料，有很強的吸附性能，能為微生物群落的繁殖及生長提供良好的環境，提高硝化細菌的活性與數量，促進銨態氮向硝態氮的轉化（Deluca et al.，2006；劉寧等，2016）。本研究也表明，添加不同比例的生物炭均明顯提高了堆肥過程中各階段硝態氮的含量。氨揮發是堆肥過程中氮素損失的主要途徑，主要受溫度、pH值、銨態氮含量和堆肥碳氮比等多因素綜合影響。添加生物炭后，由于堆肥前期的溫度迅速上升和pH值升高，導致氨揮發速率高于對照；在堆肥第 10天至堆肥結束期間，添加生物炭的處理氨揮發速率低于對照。氨揮發累積量與生物炭的添加比例成反比，一方面是由于添加生物炭顯著降低了銨態氮的含量，且生物炭對氨氣有很好的吸附性，減少了堆體的氨累積揮發量；另一方面堆肥物料碳氮比與氨排放量呈負相關，碳氮比越低，氨揮發越嚴重，堆肥時添加生物炭，提高了碳氮比，故降低了氨排放量。

全氮是所有形態氮含量之和，其變化趨勢與其他形態氮變化規律及微生物活性密切相關。生物炭為微生物的活動提供了附著點，更有利于微生物的繁殖和生長。堆肥前期，由于微生物的分解作用降低了有機氮含量，堆肥中后期腐殖化作用加強，在微生物作用下將無機氮轉變成了腐殖質態有機氮，提高了有機氮的穩定性，減少了無機氮的損失（徐路魏等，2016）。本研究發現，盡管氨揮發造成一定的氮素損失，但在堆肥結束時，添加生物炭的處理全氮均有所增加，這可能是由于堆肥過程中，有機物料不斷礦化及水分不斷蒸發，且減少幅度大于氨揮發速率，導致全氮含量因堆體的“濃縮效應”而增加，這與劉微等（2015）的研究結果相似。堆肥結束時，S1—S4全氮含量比堆肥前分別增加了9.7%、27.5%、28.6%和 26.2%，添加生物炭有較明顯的保氮效果，添加 10%效果最佳，當生物炭添加量超過 10%時，全氮含量反而有所下降，可能由于生物炭自身偏堿性，若添加量過多，會影響微生物的生活環境及活性，從而可能會影響除氨氣外其他溫室氣體的排放，具體影響機制有待進一步深入研究。

4 結論

（1）生物炭能顯著增加堆肥過程的溫度，縮短堆肥周期，生物炭處理與對照相比，提前 2—3天進入高溫期，顯著加快了堆肥進程，并且提高了堆肥質量。

（2）生物炭能顯著增加堆肥過程硝態氮的含量，降低了銨態氮的含量，有利于銨態氮向硝態氮轉化；添加10%和15%的生物炭能顯著降低堆肥過程中氨揮發累積量，但兩者之間差異不顯著。

（3）堆肥后全氮的增加率分別為9.7%、27.5%、28.6%和 26.2%，其中添加 10%的生物炭全氮增加率最高。由此可見，從經濟效益的角度來考慮，添加 10%的生物炭是降低堆肥過程中氮素損失的有效措施。