不同添加劑對畜禽糞便堆肥的保氮效果

高 鵬，魯耀雄，崔新衛，盧紅玲，聶新星，張 鴻，彭福元

（1. 湖南省農業科學院農業環境生態研究所,湖南 長沙 410125；2. 湖北省農業科學院植保土肥研究所,湖北 武漢 430064；3. 湖南百威生物科技股份有限公司，湖南 瀏陽 410318）

近年來，隨著養殖業集約化、規模化和產業化的快速發展，畜禽糞便的產生量急劇增加[1]。受運輸和種養脫節等因素影響，畜禽糞便完全就地消納存在一定困難，于是部分地方政府出臺了限養區或禁養區政策，甚至出現了無豬縣（市），嚴重影響了人們的生產生活。高溫堆肥是規模化處理畜禽糞便最常用且有效的方法[2-3]。但在條垛式或槽式這種開放式堆肥過程中，氨揮發是一個不容忽視的問題。一方面會造成嚴重的氮素損失，降低肥料養分含量；另一方面氨揮發是臭氣排放的主要原因，對環境造成了“負面效應”[4]。因此，研究經濟而實用的堆肥保氮技術具有重要的現實意義[5]。

不少學者對堆肥過程中減少氮素損失的方法開展了相關研究。雷平等[6]發現添加過磷酸鈣能有效減少豬糞堆肥過程中的氮素損失。He 等[7]、李波等[8]研究結果表明，添加生物炭有利于降低雞糞好氧堆肥過程的氨氣排放和氮素損失。徐鵬翔等[9]發現，在豬糞堆肥中加入5%（占鮮豬糞重）的腐殖酸有利于發酵反應的進行，能夠促進有機質的分解，有效控制氮素損失。然而，大部分研究針對的是單一添加劑的具體用量，而對不同添加劑保氮效果比較的研究較少。鑒于此，筆者以湖南當地農業生產常見的豬糞、雞糞和菌渣為原料，選取過磷酸鈣、生物炭、腐殖酸3 種經濟便利的添加劑，研究不同添加劑對畜禽糞便堆肥的保氮效果，旨在為篩選高效、經濟、環保的堆肥添加劑提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020 年5 月8 日至6 月15 日在湖南百威生物科技有限公司進行。堆肥原料包括豬糞、雞糞和食用菌渣，均來源于瀏陽市普跡鎮周邊養殖及種植業廢棄物。其中，含水量較高或體積較大的原料經過晾干并破碎過篩。堆肥原料的理化性質見表1。

表1 堆肥原料理化性質

1.2 試驗設計

試驗設4 個處理，分別為：CK，不添加調理劑；T1，添加5%（按物料鮮重計，下同）過磷酸鈣；T2，添加5%生物炭；T3，添加5%腐殖酸。每個處理3次重復。堆肥原料配比根據物料養分情況，按50%豬糞+20%雞糞+30%菌渣混合均勻，不同添加劑在堆料攪拌過程中均勻撒入，充分拌勻，調節堆體碳氮比約為25 ∶1，每個堆體總質量控制在1 000 kg，堆成1.5 m 高的圓錐形堆進行好氧發酵，分別在堆肥的第7 天、第14 天、第21 天和第28 天上午9：00 用鏟車和人工配合翻堆。

1.3 取樣與測定方法

取樣方法：每間隔7 d 取樣一次，在堆體上任意選取3 點，深度為距離堆體表面約30 cm，取樣約1 kg，充分混勻，然后將其分成2 份，一份鮮樣帶回實驗室保存于冰箱，用于測定堆肥過程中pH 值變化；另一份置于通風處自然風干并粉碎過篩，用于測定堆肥處理不同時期銨態氮、硝態氮、全氮的含量以及種子發芽勢（GI）。

溫度測定：每天上午9：00 隨機在堆體3 個不同部位，用80 cm 長的溫度計插入堆體約30 cm 處，待溫度計讀數穩定后記錄溫度，取同期3 點不同部位平均值為該堆體溫度。同時測定上午9：00 的室內溫度，作為當天的室內溫度。

pH 值測定：取保存于冰箱中的新鮮樣品10 g（換算成干基），放入200 mL 廣口塑料瓶中，按1 ∶10（w/v）的比例加入去離子水，25℃振蕩30 min，然后靜止1 h，用pH 計測定。

養分含量測定：采用2 mol/L KCl 浸提-蒸餾法測定銨態氮，采用紫外分光光度法測定硝態氮，采用H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測定全氮，采用釩鉬黃比色法測定全磷，采用火焰光度計法測定全鉀。

種子發芽指數（GI）測定：準確稱取堆肥風干樣品25 g 于三角瓶中，加入250 mL 去離子水，置于搖床150 r/min 振蕩30 min，過濾后吸取濾液20 mL，加入到放有2 張濾紙的培養皿（直徑為9 cm）中，均勻放置20 顆大小均勻、顆粒飽滿的蘿卜種子，置于培養箱中25℃培養48 h 后，計算種子的發芽率，測定種子的根長[10]。每個處理設置3 個重復，以去離子水為對照。

1.4 計算方法與數據分析

根據公式（1）計算種子發芽指數（GI）。

式中：GT、LT、GCK和LCK分別代表處理發芽率（%）、處理根長（cm）、對照發芽率（%）和對照根長（cm）。

根據公式（2）計算氮素損失率（NL）。

式中：X0為堆體初始全氮（TN）質量分數，Xi為堆肥結束時TN 質量分數，M0為堆體初始干重（kg），Mi為堆肥結束時干重（kg）。

試驗數據采用Excel 2010 和SAS 8.1 軟件進行整理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同添加劑對畜禽糞便堆肥溫度的影響

堆肥過程中，溫度變化是發酵狀態的最直觀反映。從圖1 可以看出，不同處理的溫度變化因翻堆而呈現上升下降再上升的周期性變化。在堆肥早期階段（0～7 d），由于有機質分解和代謝釋放熱量，各堆體溫度均迅速升高，在第6 天達到峰值，且均超過了55℃，表現為T3 ＞T2 ＞T1 ＞CK，說明3 種添加劑均在一定程度上提升了堆肥的溫度。根據文獻報道，堆肥過程中溫度維持在55℃以上超過3 d，可殺滅堆體中的病原體[11]。這表明該試驗的4 個處理均達到了無害化的標準。

圖1 各處理堆肥過程中溫度的變化

2.2 不同添加劑對畜禽糞便堆肥pH 值的影響

堆肥過程中堆體pH 值變化受到微生物代謝活動及代謝產物的影響，它決定著微生物生活環境和重金屬遷移情況[12]。由圖2 可知，各處理pH 值均在7.4～8.2之間，屬于中性或弱堿性，均滿足堆肥微生物生長對pH 值的環境要求。pH 值在0～7 d 升高的原因可能是堆肥前期微生物快速生長和繁殖，促使氮化合物加速分解，導致銨態氮和氫氧根離子增加，pH 值升高[13]。隨著堆肥進程加快，有機質降解成有機酸，堆體中氮素的氨化作用減弱，pH 值逐漸降低。后期pH 值升高的原因可能是堆體內蛋白質或有機氮的礦化和有機酸的消耗加劇所致[14]。堆肥35 d 后，不同處理堆體的pH值各不相同，均呈弱堿性，且T2 ＞CK ＞T3 ＞T1。

圖2 各處理堆肥過程中pH 值的變化

2.3 堆肥過程的銨態氮變化

堆肥過程中銨態氮含量與氨氣的釋放密切相關，是氮素損失的主要來源[15]。由圖3 可知，不同處理銨態氮含量的變化趨勢基本一致，即先增加后降低再緩慢增加，且各堆體銨態氮含量都是在高溫期增加最快，在降溫期和腐熟期含量降低。這主要是由于隨著堆體溫度的升高，含氮有機物不斷降解，產生大量銨態氮，當堆肥進入穩定期后，可降解的氮素逐漸減少，加上銨態氮向硝態氮或有機氮的轉化，其含量逐漸下降。在整個堆肥過程中，T1 處理的銨態氮含量始終高于CK，堆肥結束后各處理氨態氮含量由高到低依次為T1 ＞T2 ＞CK ＞T3，說明添加過磷酸鈣和生物炭均能增加堆肥的銨態氮含量，且過磷酸鈣的效果更明顯。

圖3 各處理堆肥過程中銨態氮含量的變化

2.4 堆肥過程的硝態氮變化

如圖4 所示，從堆肥開始到第7 天翻堆，硝態氮含量的增加可能是堆肥初期在微生物作用下，硝化作用逐漸增強所致。進入高溫階段后（7～14 d），堆體溫度升高，抑制了硝化細菌的生長繁殖，硝化作用減弱，導致硝態氮含量降低。堆肥第21 天至堆肥結束，堆體溫度逐漸降低，硝化作用加強，銨態氮逐步轉化為硝態氮，硝態氮含量繼續增加。堆肥35 d 后，添加過磷酸鈣（T1）處理的硝態氮含量最高，為1.9 g/kg，較CK 增加0.1g/kg，而T2、T3 處理的硝態氮含量分別比CK 低0.2、0.1g/kg。這表明堆肥過程中添加過磷酸鈣（T1）提高了堆體的硝態氮含量，添加生物炭（T2）和腐殖酸（T3）降低了堆體的硝態氮含量。

圖4 各處理堆肥過程中硝態氮含量的變化

2.5 堆肥過程的全氮變化

全氮含量是判斷堆肥品質和肥效的重要指標。如圖5 所示，各處理全氮含量均呈現先增加后降低的趨勢。在堆肥初期，全氮含量增加可能與有機質的大量分解相關，各處理堆體全氮含量均在第7 天達到頂峰，表現為T1 ＞CK ＞T3 ＞T2。隨著堆肥過程的推進，全氮含量逐漸降低，可能與不同處理氨揮發和氮素損失有關。與CK 相比，過磷酸鈣（T1）、生物炭（T2）、腐殖酸（T3）處理在堆肥的中后期（14～35 d），全氮含量均高于對照，表現為T1 ＞T2 ＞T3 ＞CK。分析堆肥前后的氮素損失率（圖6）可知，各處理保氮效果排列依次為T1 ＞T2 ＞T3 ＞CK；其中，過磷酸鈣（T1）保氮效果最好，氮素損失率低至20.67%，較CK 減少了12.07 個百分點。

圖5 各處理堆肥過程中總氮含量的變化

圖6 堆肥結束后各處理的氮素損失率

2.6 堆肥過程的種子發芽指數變化

堆肥產品的種子發芽指數（GI）是評價堆肥成熟度的重要生物指標之一[16]。一般來說，GI 值大于80%表明堆肥已經腐熟[17]。如圖7 所示，隨著堆肥過程的推進，發芽指數逐漸增加；且堆肥結束時，T1、T2，T3 處理堆體的發芽指數均高于CK；其中，T1、T3 處理在第28 天發芽指數已經超過80%，T2、CK處理在第35 天也達到腐熟程度，說明T1、T3 有利于加快堆體的腐熟。堆肥結束后（35 d），T1 處理發芽指數最高，GI 值達到98%，較CK（82%）增加16 個百分點，其次為T3、T2 處理，分別為96%和89%，均高于CK。以上結果表明各添加劑均能提高堆肥發芽指數，以過磷酸鈣的處理效果最佳。

圖7 各處理堆肥樣品對蘿卜種子的種子發芽指數

3 討 論

堆肥需要經過一系列復雜的化學反應和微生物轉化，包括水解、蛋白酶解、氨化、硝化、碳礦化、腐殖質化[18]。在堆肥過程中，氮的轉化主要包括氮的固定與釋放2 個方面。一般而言，堆肥結束后，由于有機氮的礦化、氨氣的揮發以及硝態氮的反硝化都可能造成堆體的氮素損失[19]。堆肥過程可以分為初始升溫、高溫發酵和降溫腐熟3 個階段。

在堆肥過程的初始升溫階段，微生物迅速繁殖，在其作用下有機質礦化為簡單的蛋白質并釋放出氨氣。在此階段，由于有機質的礦化、堆體質量的損失，全氮和有機氮濃度增高。在堆肥開始的一周內，堆體有機質降解進程加速，礦化作用強烈，銨態氮達到最大濃度，隨后逐漸降低[20]，這與該研究的結果一致。與此同時，大量銨態氮的產生，可能會在短期內抑制微生物的活動，阻礙微生物繁殖，并且隨著可供降解的有機質減少，有機質的降解速度也開始減緩。

在堆肥的高溫階段，堆體水溶性銨態氮濃度達到最高值，pH 值也達到最高。由于溫度過高，抑制了硝化反應，這個階段氨氣揮發也很強烈。在堆肥的2～3 周，堆體銨態氮含量開始降低，pH 值也開始持續降低。只有溫度低于40℃，硝化反應才能完全進行，同時其反應進程也依賴于硝化細菌可利用的銨態氮數量。

在堆肥的腐熟階段，溫度逐漸穩定，并出現一定幅度的降低，此時，銨態氮大量轉化成硝態氮，導致堆體中銨態氮含量持續降低、硝態氮含量持續升高。

研究比較了3 種添加劑對堆肥過程中氮轉化的影響，過磷酸鈣在堆肥體系中溶解產生H+，降低了堆肥過程的pH 值，減少堿性環境條件下NH3的揮發；另一方面H+可以與NH3發生反應，生成磷酸銨和硫酸銨，發揮保氮作用。但是，堆肥過程中不能大量使用過磷酸鈣，否則會導致堆肥物料過酸，進而影響堆肥進程。生物炭呈堿性，應用在堆肥物料中，可以有效地吸附硝態氮與NH3，減少物料中NH3的揮發[21]。此外，生物炭為硝化細菌提供了良好的微環境，對氮轉化（銨態氮進一步轉化為硝態氮）有積極影響[22]。腐殖酸呈弱酸性，可以調節堆體的pH 值，促進有機質的分解，加快堆體的腐熟，控制堆肥過程中氮素的損失[9]。

過磷酸鈣、生物炭和腐殖酸分別添加到豬糞-雞糞-菌渣的堆肥體系中，均能增加堆體的全氮含量，減少氮素損失，有一定的保氮效果，且堆肥過程中高溫持續時間長，可以滿足堆肥無害化的要求。堆肥中添加過磷酸鈣和生物炭，均能增加堆肥的銨態氮含量，而添加腐殖酸則會降低堆體銨態氮含量；添加過磷酸鈣可增加硝態氮含量，而添加生物炭和腐殖酸均會降低堆體硝態氮含量。3 種添加劑均提高了堆體的全氮含量，以過磷酸鈣處理保氮效果最好，氮素損失率低至20.67%，較CK 減少了12.07 個百分點。同時，3種添加劑均提高了堆體對蘿卜種子的發芽指數，以過磷酸鈣處理效果最明顯，堆制35 d 時GI 值達到98%，比對照處理高出16 個百分點。另外，添加過磷酸鈣和腐殖酸對加快堆體腐熟也有一定作用，這2 個處理的堆肥堆制28 d 時發芽指數就超過了80%，達到腐熟標準。

4 結 論

在豬糞-雞糞-菌渣堆肥過程中添加5%的過磷酸鈣、生物炭、腐殖酸，均可增加堆肥的全氮含量，提高堆肥對蘿卜種子的發芽指數，對降低氮素損失、加快堆肥進程也有一定效果；其中，以添加過磷酸鈣的效果最佳，氮素損失率低至20.67%；同時，添加過磷酸鈣和腐殖酸還能加快堆體腐熟。綜合考慮堆肥保氮效果及腐熟時間，添加物料鮮重5%的過磷酸鈣是提升豬糞-雞糞-菌渣堆肥保氮效果的理想材料。