趙旭 王文麗 李娟

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

好氧堆肥是處理有機(jī)固體廢棄物最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法，其在人為控制的條件下（適宜的碳氮比、含水率、曝氣速率、有機(jī)物含量、pH和溫度等參數(shù)），利用自然界存在的微生物降解有機(jī)廢棄物，形成穩(wěn)定的高腐殖化物質(zhì)［1］。然而好氧堆肥過程常常釋放大量臭氣，如NH3、揮發(fā)性含硫化合物（VSCs）等，不僅污染了環(huán)境，而且阻礙了有機(jī)固體廢棄物堆肥化處理的應(yīng)用和推廣［2-3］。氨氣是惡臭的主要成分，通過控制氨氣揮發(fā)可以降低惡臭，提高堆肥產(chǎn)品的含氮量［4］。堆肥產(chǎn)生的VSCs中占比最大的是H2S，占VSCs總量的39.0%-43.0%，H2S具有臭氣指數(shù)高（1.7×107），低嗅閾值（0.000 7 mg/m3）的特點(diǎn)，對(duì)人體及環(huán)境的影響巨大［5-6］。梁美生等［7］通過高溫水熱化學(xué)改性與硫酸銅溶液浸漬聯(lián)合對(duì)活性炭進(jìn)行改性，改性后的活性炭對(duì)硫化氫具有較好的吸附效果。研究表明添加含碳高的物質(zhì)能夠提高堆肥氮的含量，降低氮素?fù)p失［8］。王芳等［9］研究發(fā)現(xiàn)在奶牛糞中添加9%的干雞糞和25%的褐煤能夠促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程，降低氨氣釋放量。孫志華等［10］研究發(fā)現(xiàn)，蘑菇渣牛糞堆肥原料中加入腐殖酸煤，可加快堆肥腐熟，降低氮素?fù)p失，增加鉀的累積。西北地區(qū)的腐殖酸煤不僅儲(chǔ)量豐富而且品質(zhì)好，一些礦區(qū)的腐殖酸煤HA（腐殖酸）量達(dá)80%以上，在農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。腐殖酸作為一種天然高分子有機(jī)物質(zhì)，具有改良土壤、增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、改善土壤保水能力等功能［11］。研究發(fā)現(xiàn)，在植物生長(zhǎng)過程中，腐殖酸對(duì)根系生長(zhǎng)的刺激作用是其對(duì)植物產(chǎn)生刺激作用的最初動(dòng)力［12］。在堆肥發(fā)酵過程中，不同時(shí)期的功能微生物數(shù)量和多樣性結(jié)構(gòu)變化影響著堆肥基質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，從而對(duì)堆肥效果及質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響［13］。然而加入腐殖酸煤后對(duì)牛糞堆肥過程臭氣釋放量及微生物群落多樣性的影響研究較少，因此本文以鮮牛糞為原料，對(duì)比不加腐殖酸煤與加5%、10%、15%腐殖酸煤對(duì)好氧堆肥過程中臭氣釋放量及微生物群落多樣性的影響效果，為進(jìn)一步開發(fā)利用腐殖酸煤及研發(fā)畜禽糞便的除臭保氮技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用鮮牛糞取自蘭州市紅古區(qū)某奶牛場(chǎng)，主要成分如表1所示。

表1 堆肥原料的主要成分Table 1 Main ingredients of the material composting

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為：處理1：牛糞；處理2：牛糞+5%腐殖酸；處理3：牛糞+10%腐殖酸；處理4：牛糞+15%腐殖酸；每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。調(diào)節(jié)含水量在58%左右，混料3次使牛糞與腐殖酸煤充分混合均勻，采用槽式堆肥方式，堆體長(zhǎng)2.2 m，寬1.8 m，高1.2 m。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.2.1 溫度及理化指標(biāo)的測(cè)定 每天上午10：00在堆體25 cm、50 cm的深度測(cè)定溫度，取測(cè)定溫度的平均值來代表堆肥過程的溫度變化。pH、有機(jī)碳、全氮的檢測(cè)參考 NY525-2012《有機(jī)肥料》中的方法；種子發(fā)芽指數(shù)的檢測(cè)參照朱新夢(mèng)等［14］的方法。

1.2.2.2 氨揮發(fā)的捕獲裝置及計(jì)算方法 氨揮發(fā)的捕獲裝置參考袁玉玲的方法改進(jìn)［15］，主要組件包括 1個(gè)圓柱形氣室（高20 cm，內(nèi)徑16 cm，白色，PVC材質(zhì)）、2層圓形吸收海綿（直徑16 cm，厚3 cm，聚氨基甲酸乙酯材質(zhì)。測(cè)定時(shí)在下層海綿的氨氣吸收層均勻涂布20 mL磷酸甘油混合液（50 mL磷酸+ 40 mL丙三醇，定容至1 000 mL），吸收揮發(fā)的氨氣。下層海綿距管底5 cm高度處，上層海綿與硬質(zhì)塑料管頂端平齊。在堆體的不同位置，分別放置3個(gè)通氣法氨捕獲裝置，吸收2 h后取樣。取樣時(shí)，將下層的海綿取出，迅速按試驗(yàn)處理號(hào)裝入自封袋中，密封。將吸收氨氣的海綿帶回試驗(yàn)室后，裝入1 000 mL的廣口瓶中，加300 mL 1.0 mol/L的KCl溶液，振蕩1 h，浸取液中的銨態(tài)氮用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定。通過以下公式計(jì)算氨氣揮發(fā)量：

式中，f為氨氣排放量［mg/（m2·h）］；C為浸提液中氨氮的含量（mg/L）；V為浸提液的體積（mL）；A為吸收氨氣的海綿的有效面積（m2）；t為采樣時(shí)間（h）。

1.2.2.3 硫化氫發(fā)量的測(cè)定方法 硫化氫氣體采用靜態(tài)箱法測(cè)定參考袁玉玲的方法改進(jìn)［15］。靜態(tài)箱高14 cm，寬24 cm，長(zhǎng)38 cm，在不擾動(dòng)堆體表面狀態(tài)下罩于堆體上，箱體與堆體用堆料密封。在采樣箱的頂部上設(shè)采氣口，放置2 h后利用便攜式硫化氫探測(cè)器檢測(cè)氣體。通過如下公式計(jì)算硫化氫揮發(fā)量：

式中，f為硫化氫排放量［mg/（m2·h）］；C為靜態(tài)箱中硫化氫的濃度（mg/m3）；V為靜態(tài)箱的體積（m3）；A為靜態(tài)箱與堆體接觸的有效面積（m2）；t為采樣時(shí)間（h）。

1.2.2.4 堆肥中微生物群落代謝檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析 取堆肥樣品5 g，加45 mL無(wú)菌生理鹽水，160 r/min下振蕩1 h，靜置后取上清液用無(wú)菌生理鹽水稀釋，稀釋濃度為10-3，將稀釋后的上清液接種于Biolog ECO板中，每孔150 μL，每個(gè)樣品3次重復(fù)，28℃培養(yǎng)，每24 h在Biolog讀書儀上讀取吸光度，連續(xù)測(cè)定120 h。

1.2.2.5 平均吸光度變化曲線（average well color development，AWCD） 對(duì)Biolog測(cè)得的吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均吸光度變化計(jì)算，即：AWCD=∑（C-R）/31，其中C為每個(gè)孔的吸光度值，R為對(duì)應(yīng)孔的吸光度值［16］。

1.2.2.6 多樣性指數(shù)計(jì)算 采用培養(yǎng)96 h的數(shù)據(jù)計(jì)算微生物群落的多樣性指數(shù)。Shannon指數(shù)（H′）用于評(píng)估豐富度，H′ =-∑（Pi×lnPi）；式中Pi為有底物的孔和對(duì)照孔的光密度值差與整板總差的比 值， 即 Pi=（Ci-R）/∑（Ci-R）。Simpson指 數(shù)（D）又稱優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，是多樣性方面的集中性度量，D=1-∑（Pi×Pi）；其中Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)平板相對(duì)吸光值總和的比率［17］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、制圖，采用 SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果

2.1 不同處理堆肥過程中溫度、pH、含水率的動(dòng)態(tài)變化

由圖1可知，不同處理的堆體溫度變化趨勢(shì)各異。各處理堆體升溫速度差異較大，5%處理和10%處理升溫速度比CK處理和15%處理快。5%處理和10%處理在堆肥的第5天和第6天進(jìn)入高溫期（＞50℃），CK處理和15%處理在第9天和11天進(jìn)入高溫期。5%處理的高溫持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，為25 d，其次為10%處理，持續(xù)時(shí)間為23 d；CK處理和15%處理分別為20 d和12 d。綜上所述，從升溫和高溫持續(xù)時(shí)間考慮，牛糞初始含水率在58%左右時(shí)，添加5%的腐殖酸煤堆肥效果最佳。

圖1 不同處理堆體溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic variations in temperature under different compost treatments

堆料pH值的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示，不同處理的pH值變化趨勢(shì)基本一致，都是先上升后下降，堆肥10 d-30 d，各處理堆料pH值達(dá)到最大。堆肥結(jié)束時(shí)，各理堆料pH值降到9以下，CK處理最高，為8.95；15%處理pH值最低，為8.42。

圖2 不同處理的堆料pH值動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic variations in pH value under different compost treatments

堆料含水率的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示，不同處理的含水率變化趨勢(shì)基本一致，都是逐漸下降，堆肥第10天后，各處理堆料含水率下降速度加快。堆肥結(jié)束時(shí)，各處理堆料含水率在5%處理最低，為39.05%；15%處理下含水率最高，為41.9%。

圖3 不同處理的堆料含水率動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic variations in moisture content under different compost treatments

2.2 不同處理種子發(fā)芽指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

由圖4可知，在堆肥0-10 d，15%處理的GI值升高速度最快，10%處理次之，5%處理最慢，CK處理的GI值有所降低。堆肥30 d后，各處理堆料的GI值升高速度加快，15%和10%處理的GI值始終大于CK處理和5%處理。堆肥結(jié)束時(shí)，加入腐殖酸處理的GI值均大于80%，添加腐殖酸煤處理比CK處理的GI值高6.53%-13.06%。

圖4 不同處理種子發(fā)芽指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic variations in germination index（GI）of seeds under different compost treatments

2.3 不同處理C/N比的動(dòng)態(tài)變化

由圖5可知，隨著堆肥的進(jìn)行，各處理堆料的C/N呈降低的趨勢(shì)，各處理堆料C/N在堆肥第20天后下降速度減慢。堆肥結(jié)束時(shí)，加入腐殖酸煤處理堆料的C/N均高于CK處理，并且C/N隨腐殖酸煤加入量的升高而升高。CK處理和5%處理的C/N小于20，分別為17.03和18.55。

圖5 不同處理C/N動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic variations in C/N under different compost treatments

2.4 堆料表面H2S和氨氣濃度的動(dòng)態(tài)變化

從圖6可以看出，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理堆料表面的H2S濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)。堆肥過程中，加入腐殖酸煤處理的堆料表面H2S濃度明顯低于未加腐殖酸煤的CK處理。各處理H2S釋放濃度的峰值出現(xiàn)時(shí)間均在第20天，CK處理最 高 為 2.05 mg/（m2·h），5% 處 理、10% 處 理、15% 處 理 的 峰 值 分 別 為 1.65 mg/（m2·h）、1.42 mg/（m2·h）、1.36 mg/（m2·h）。堆肥過程中 CK 處理的H2S平均釋放濃度最高為1.5 mg/（m2·h），添加腐殖酸煤處理的H2S平均釋放濃度比CK處理低25.17%-45.21%，可見，加入腐殖酸煤可有效降低牛糞堆肥過程中H2S的釋放量。

圖6 堆料表面H2S濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic variations in hydrogen sulfide concentration under different compost treatments

從圖7可以看出，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理堆料表面的NH3濃度呈先上升后下降的趨勢(shì)。堆肥過程中，加入腐殖酸煤處理堆料表面的NH3濃度明顯低于未加腐殖酸煤的CK處理。各處理NH3釋放量的峰值出現(xiàn)時(shí)間相同，都在第20天，但是峰值的大小不同，CK處理、5%處理、10%處理、15%處理的峰值分別為 32.32 mg/（m2·h）、23.24 mg/（m2·h）、19.27 mg/（m2·h）、15.94 mg/（m2·h）。CK處理、5%處理、10%處理、15%處理的NH3平 均 釋 放 濃 度 分 別 為 18.5 mg/（m2·h）、14.64 mg/（m2·h）、12.5 mg/（m2·h）、11.14 mg/（m2·h），加入腐殖酸煤處理的NH3濃度比未加腐殖酸煤的CK處理低20.81%-39.74%。可見，加入腐殖酸煤可有效降低牛糞堆肥過程中NH3的釋放量。

圖7 堆料表面NH3濃度的動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamic variations in ammonia concentration under different compost treatments

2.5 添加腐殖酸煤對(duì)堆肥中微生物群落代謝活性的影響

由圖8中可以看出，添加腐殖酸處理在各階段的AWCD值明顯高于CK處理。這說明添加腐殖酸后，微生物平均活性顯著增加，并隨著堆肥時(shí)間的增加微生物平均活性不斷升高，高溫期的AWCD值增加速度高于堆肥其他時(shí)期，表明此階段微生物繁殖迅速，生理代謝旺盛；進(jìn)入降溫期后，微生物活性增加速度開始下降。當(dāng)腐殖酸煤添加量高于10%時(shí)，AWCD值開始下降；腐殖酸煤添加量在0-10%時(shí)，AWCD值隨腐殖酸煤的添加量增加而升高，添加腐殖酸煤處理的平均AWCD值比CK處理高22.27%-28.47%，由此可知，適當(dāng)?shù)奶砑痈乘崦嚎梢蕴岣叨逊饰⑸锏拇x活性，促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程。

圖8 堆料AWCD值的動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Dynamic variations in AWCD under different compost treatments

2.6 添加腐殖酸煤對(duì)堆肥中微生物群落多樣性的影響

發(fā)酵不同時(shí)期Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)如圖9、圖10所示，添加腐殖酸煤明顯增加了堆肥過程中的微生物多樣性，在堆肥不同階段微生物群種類增加，演替頻繁，不同的微生物種類進(jìn)行不同物質(zhì)的轉(zhuǎn)化代謝，從而促進(jìn)了堆肥腐熟進(jìn)程。當(dāng)腐殖酸煤添加量高于10%時(shí)，Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)開始下降，腐殖酸煤添加量在0-10%時(shí)，Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)隨腐殖酸煤的添加量增加而升高，添加腐殖酸煤處理的平均Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)比CK處理分別高2.32%-6.06%和23.21%-30.48%，由此可知，適當(dāng)?shù)奶砑痈乘崦嚎梢蕴岣叨逊饰⑸锏亩鄻有?，促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程。

圖9 堆料Simpson指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化Fig.9 Dynamic variations in Simpson index under different compost treatments

圖10 堆料Shannon指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化Fig.10 Dynamic variationsin Shannon index under different compost treatments

3 討論

畜禽糞便和作物秸稈堆肥的過程中，銨態(tài)氮會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔鈸]發(fā)，造成超過65%的氮損失［18-19］。堆肥過程中氮素?fù)p失既減少了有機(jī)肥的肥效，又污染了環(huán)境。因此，農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥過程中如何減少氮素?fù)p失，提高肥料質(zhì)量，減少環(huán)境污染一直是研究者們非常關(guān)注的問題［20］。影響堆肥過程中氮素?fù)p失的主要因素包括：C/N、pH值、溫度、水分、通風(fēng)量等。畜禽糞便中的氮含量較高（C/N較低），容重較大，需要與一些碳含量較高、容重較小的廢棄物（如秸稈、木屑、谷殼等）配合，來調(diào)節(jié)其C/N比和容重，可以減少由于氮含量過高或者通氣不良（反硝化作用）造成的氮素?fù)p失［21］。蘑菇渣和牛糞的聯(lián)合堆肥時(shí)，添加10%的風(fēng)化煤可以加快腐熟進(jìn)程，提高堆體升溫速度和有機(jī)物料的腐解速度［10］，與本研究獲得的結(jié)果相似。李榮華等［22］研究表明添加風(fēng)化煤有利于豬糞堆肥的腐殖化過程進(jìn)行。薛梅［23］研究發(fā)現(xiàn)將羊糞和風(fēng)化煤、廢棄甜高梁稻桿結(jié)合作為堆肥主要原料，不僅可以減少環(huán)境污染，還可產(chǎn)生質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的有機(jī)肥料。添加可利用形態(tài)的碳，可以促進(jìn)微生物更迅速地利用NH4+，減少NH3的揮發(fā)損失［24］。研究表明添加木炭能促進(jìn)堆肥有機(jī)物料的降解，加快堆肥腐熟脫毒，增加堆肥產(chǎn)品總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少堆肥初期氨氣的揮發(fā)［25］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)加土和爐渣可以降低堆肥高溫期水溶性氨氮的濃度，減少氨氣的排放，有利于后期硝態(tài)氮和有機(jī)氮的形成，從而降低堆肥中氮素的損失［26］。秦莉等［27］研究表明，堆肥過程中氨氣累積釋放量隨堆料C/N比的升高依次降低。本研究獲得的結(jié)果與以上研究相似，氨氣和硫化氫的釋放量隨腐殖酸煤添加量的升高而降低，添加量為15%時(shí)，氨氣和硫化氫的釋放量最低。

堆體溫度是評(píng)判堆肥腐熟程度的重要因素［28］。本研究中各處理的高溫持續(xù)時(shí)間分別為5%處理25 d、10%處理23 d、CK處理20 d、15%處理12 d，均達(dá)到了畜禽糞便無(wú)害化衛(wèi)生要求［29］。pH值是堆肥腐熟的又一重要指標(biāo)，影響堆體內(nèi)微生物的生長(zhǎng)繁殖。從pH值變化趨勢(shì)可以推斷，添加腐殖酸煤可以抑制堆料酸堿度的升高，由于微生物氨化作用減弱，硝化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致堆肥后期pH值下降。適合微生物生存的pH在6.70-9.00之間，過酸或過堿的都會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生影響。本研究中腐殖酸煤添加，降低了牛糞的酸堿度，促進(jìn)了堆肥腐熟進(jìn)程。研究不同時(shí)期堆料的種子發(fā)芽指數(shù)（GI），不僅可以檢測(cè)堆料的植物毒性，而且獲得堆料植物毒性隨著堆肥腐熟進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化［30］。研究表明，GI是反映堆肥腐熟度的可靠指標(biāo)，GI大于80%的堆肥產(chǎn)品可以確定為完全腐熟［31］。本研究中添加腐殖酸煤的處理，堆肥結(jié)束時(shí)的GI均大于80%，且GI隨腐殖酸添加量的升高而升高，說明鮮牛糞添加適量的腐殖酸煤可以提高堆肥產(chǎn)品的腐熟度。堆肥過程中，隨著堆體質(zhì)量損失和微生物降解作用，堆料總有機(jī)碳逐漸減小，使堆料C/N降低［32］。堆肥結(jié)束時(shí)，CK和 5%處理的碳氮比分別為17.03和18.55，低于20，符合堆肥腐熟度的要求［33］。10%和15%處理的碳氮比分別為20.96和22.01，高于20，究其原因可能是腐殖酸煤的加入量超過了堆肥過程中總有機(jī)碳的減少量，使C/N升高。因此在鮮牛糞堆肥過程中，腐殖酸煤的最佳加入量在5%-10%之間。

研究堆肥腐熟過程中微生物種群組成、數(shù)量以及相互之間關(guān)系，有助于了解堆肥腐熟過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化及保氮技術(shù)。堆肥過程中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)技術(shù)最多能鑒定10%左右的微生物種類［34］。Biolog 微平板技術(shù)可以通過檢測(cè)微生物群落的碳代謝來評(píng)估環(huán)境樣品的微生物代謝情況［35］。Biolog ECO板有31種碳源和一個(gè)空白對(duì)照，共96孔。當(dāng)微生物利用孔中的碳源進(jìn)行呼吸代謝時(shí)，孔中的四唑紫染料會(huì)進(jìn)行還原反應(yīng)，孔的顏色發(fā)生變化。Biolog ECO板技術(shù)操作簡(jiǎn)便、靈敏度高，且可最大限度地保留微生物群落原有的代謝特征，常用于環(huán)境微生物活性和功能多樣性的研究［36］。AWCD值也稱為微生物群落代謝剖面，其表示微生物的平均活性，能直觀地體現(xiàn)微生物群落反應(yīng)速度和最終達(dá)到的程度［37］。Biolog ECO研究中，計(jì)算多樣性指數(shù)能夠從不同側(cè)面反映微生物群落代謝功能的多樣性［38］。蔡涵冰等［39］研究發(fā)現(xiàn)不同好氧堆肥時(shí)期具有不同的微生物群落多樣性。本研究中添加腐殖酸煤處理的AWCD值、香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)均有所升高，因此推斷適量添加腐殖酸煤可增加了堆肥過程中的微生物多樣性，在堆肥不同階段微生物群種類增加，演替頻繁，不同的微生物種類進(jìn)行不同物質(zhì)的轉(zhuǎn)化代謝，從而促進(jìn)了堆肥腐熟進(jìn)程。

4 結(jié)論

鮮牛糞堆肥過程中添加5%-10%的腐殖酸煤，可提高堆肥微生物的多樣性指數(shù)以及堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)，降低NH3和H2S釋放量20.82%-39.74%和25.17%-45.21%。添加適量的腐殖酸煤可以促進(jìn)堆肥微生物種群演替，加快對(duì)不同物質(zhì)的轉(zhuǎn)化代謝，促進(jìn)堆肥腐熟進(jìn)程，提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。