孔凡克 王麗霞 李煜喆 邵蕾

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院 山東煙臺(tái)264670)

高溫好氧堆肥是利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物生產(chǎn)有機(jī)肥，是實(shí)現(xiàn)有機(jī)物料回歸土地的最直接方式之一。有機(jī)肥料中氮磷鉀含量是衡量有機(jī)肥料品質(zhì)的主要指標(biāo)，《NY525—2012 有機(jī)肥料》中規(guī)定，有機(jī)肥料氮磷鉀總養(yǎng)分≥機(jī)肥料》。研究表明，堆肥的高溫階段65%的氮由銨態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔舛鴵]發(fā)損失［1-2］。堆肥過程中的氮損失會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵后的成品品質(zhì)下降及發(fā)酵場(chǎng)地惡臭等問題。

在堆肥過程中，適量添加調(diào)理劑可以有效改善有機(jī)物料的結(jié)構(gòu)，降低物料pH 值、減少物料中氨的揮發(fā)、降低氮素的損失。羅一鳴等［3］在發(fā)酵倉(cāng)中對(duì)豬糞進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，添加了初始物料干質(zhì)量3.3%～6.6%的過磷酸鈣，發(fā)現(xiàn)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(yàn)中添加15%（鮮質(zhì)量比）的陶粒、半焦、生物炭，14 d的堆肥過程中氨氣揮發(fā)總量相比對(duì)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(zhì)量比例配制保氮?jiǎng)?，添加干料含量?%進(jìn)行好氧堆肥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)CK 處理，添加保氮?jiǎng)┮院笥袡C(jī)氮含量提高了13.2%，全氮含量提高了16.3%，氨揮發(fā)總量降低了42.4%，氮素固定率高達(dá)72.2%。

目前保氮?jiǎng)┮粤姿?、草炭、沸石、硫酸鋁、過磷酸鈣、氫氧化鎂、硫酸亞鐵等為主，當(dāng)其添加量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)能達(dá)到保氮效果［6］。劉寧等［7］在雞糞與秸稈混合發(fā)酵中添加10%的生物炭，吳娟［8］在豬糞發(fā)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(fā)酵中添加占干重5%的磷酸鎂鹽。說明適量添加保氮?jiǎng)?，可以?shí)現(xiàn)堆肥過程中的保氮作用。有機(jī)物料經(jīng)過堆肥之后，可以轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性高的腐殖質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)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(jī)肥品質(zhì)的重要指標(biāo)［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(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下氨揮發(fā)、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(chǎn)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(yàn)研究不同量腐殖酸對(duì)雞糞堆肥過程中氮素的固定效果，為減少有機(jī)物料堆肥過程中氮素的損失、提高堆肥成品的品質(zhì)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料

雞糞來源于蓬萊市村里集柳格莊村養(yǎng)雞場(chǎng)。玉米秸稈粉碎至1 cm 長(zhǎng)度，其理化性質(zhì)見表1（測(cè)定方法參照《NY525—2012 有機(jī)肥料》）。發(fā)酵菌種來自于山東君德生物科技有限公司。試驗(yàn)所用保氮?jiǎng)槭惺鄹乘幔╬H 5.50，腐殖酸含量55%）。

1.1.2 發(fā)酵物料

表1 堆肥原料的理化性質(zhì)

好氧堆肥是微生物發(fā)生作用的過程，微生物生命活動(dòng)受到堆肥原料含水率、C/N、pH、通氣性、有機(jī)質(zhì)含量等因素的影響，發(fā)酵需要滿足微生物生命活動(dòng)的需要。研究表明，發(fā)酵物料要求含水量為50%～60%，C/N 為25∶1～30∶1［4-5］。經(jīng)計(jì)算，本試驗(yàn)的發(fā)酵物料調(diào)配按雞糞與玉米秸稈干重比例為1∶2 混合，其理化性質(zhì)如下：含水率56.31%，有機(jī)碳40.46%，全氮1.36%，全磷1.51%，全鉀2.52%，C/N 29.68，pH 7.03（測(cè)定方法參照《NY525—2012有機(jī)肥料》）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4 個(gè)處理，重復(fù)3 次。第1 組為空白對(duì)照組，不添加保氮?jiǎng)–K）；試驗(yàn)2、3、4組分別添加占堆肥原料干重1%、2%、3%的腐殖酸保氮?jiǎng)?，分別標(biāo)記為為B1、B2、B3。

1.2.2 發(fā)酵裝置與發(fā)酵過程控制

試驗(yàn)裝置為自制恒溫好氧堆肥反應(yīng)桶（圖1），有效容積為70 L。發(fā)酵桶外壁包裹電熱恒溫套，以減少外界的環(huán)境溫度對(duì)發(fā)酵過程產(chǎn)生的影響。

將濕重70 kg 的發(fā)酵物料按照試驗(yàn)方案與保氮?jiǎng)?、發(fā)酵菌劑混合，發(fā)酵菌劑的添加量為1 kg/t（濕物料）。以機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)供氧，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)風(fēng)量，通風(fēng)速率為0.2 m3/h。高溫階段，每間隔1 小時(shí)通風(fēng)1 h，升溫和降溫階段每間隔2 小時(shí)通風(fēng)1 小時(shí)。本試驗(yàn)累計(jì)發(fā)酵時(shí)間為38 d，其中，試驗(yàn)開始后第3、7、14、21、28、35 天人工翻堆。試驗(yàn)期間，每天9：00～10：00點(diǎn)，分別測(cè)定堆體中間的溫度和外界的環(huán)境溫度，試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)電熱恒溫套的溫度30℃。

1.2.3 樣品的采集測(cè)定

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

圖1 發(fā)酵裝置圖

堆肥試驗(yàn)完成之后，根據(jù)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(jié)束時(shí)物料全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)）；M0、Mi分別為堆肥初始、結(jié)束時(shí)物料的干重。

式中：Nli為處理i的氮損失率；NlCK為對(duì)照組的氮損失率。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖，采用SPSS19.0進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中的溫度變化

堆肥過程中，堆體內(nèi)部的溫度變化過程代表了堆體內(nèi)部微生物代謝活動(dòng)的強(qiáng)弱程度，也反映了有機(jī)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(wěn)定期4 個(gè)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?jiǎng)┑?個(gè)處理，說明添加保氮?jiǎng)┯欣谖⑸锏拇x活動(dòng)，有利于微生物分解有機(jī)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(jìn)程的重要因素之一，適宜的含水量是增強(qiáng)微生物活性的必要條件。如圖3所示，堆肥開始時(shí)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(fā)，并且微生物代謝活動(dòng)也需要消耗水分，堆體的含水量一直呈下降趨勢(shì)。第二次翻堆（7 d）至試驗(yàn)結(jié)束，CK處理的含水量高于3個(gè)保氮?jiǎng)┨幚恚˙1、B2、B3）。最后一次翻堆（35 d），相對(duì)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?jiǎng)┑奶砑哟龠M(jìn)了微生物的活動(dòng)，提高了高溫階段的溫度，有利于水分的減少。添加保氮?jiǎng)┑?個(gè)處理中，從第三次翻堆開始，到第七次翻堆結(jié)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(jié)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(shì)基本相同，均表現(xiàn)為先逐漸降低，然后再持續(xù)升高。試驗(yàn)前期階段，堆體溫度升高，微生物代謝加快，大量的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變成為小分子的有機(jī)酸并逐漸積累，再加上保氮?jiǎng)┍旧硪渤仕嵝?，所以，前期階段堆體的pH 降幅較大。第7 天時(shí)pH 達(dá)到最低值，相對(duì)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?jiǎng)┛纱龠M(jìn)物料中的含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，并能促進(jìn)積累水溶性銨態(tài)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(yàn)前期的堆體升溫階段，由于微生物活動(dòng)旺盛，氮素消耗多，損失量大，但是總干物質(zhì)減少量不大，導(dǎo)致堆體中干物質(zhì)的全氮含量相對(duì)降低。如圖5所示，堆肥過程中，不同處理的全氮含量均表現(xiàn)為先降后升的變化趨勢(shì)，第7天達(dá)到最低值。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，干物質(zhì)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(tài)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(nèi)部的通氣狀況及微生物分解利用有機(jī)氮的情況能夠影響物料中銨態(tài)氮的含量。如圖6 所示，本試驗(yàn)的4 個(gè)不同處理中，銨態(tài)氮的含量均呈現(xiàn)為先升后降的變化趨勢(shì)，堆肥第2 天，銨態(tài)氮含量最高。堆肥第2 天至試驗(yàn)結(jié)束，B1、B2、B3 處理的銨態(tài)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(tài)氮，提高堆體中銨態(tài)氮含量。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，相對(duì)于CK 處理，B1、B2、B3 處理的銨態(tài)氮含量分別提高了97.18%、108.45%、116.90%。

圖6 堆肥過程中銨態(tài)氮含量變化

2.6 堆肥過程中硝態(tài)氮含量變化

不同處理硝態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)表現(xiàn)不盡相同。CK處理，硝態(tài)氮的含量先升高后平穩(wěn)，而B1、B2、B3 處理表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)（圖7）。試驗(yàn)的第1～2天，4個(gè)不同處理之間的硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)基本相似。試驗(yàn)的第21、28、35天，B1、B2、B3 處理的硝態(tài)氮含量顯著高于CK 處理，可能是試驗(yàn)過程中，微生物將物料中有機(jī)氮分解為無機(jī)氮，硝化細(xì)菌將物料中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)變成為硝態(tài)氮。一方面，添加保氮?jiǎng)p少了氮素?fù)p失，提高了堆體中氮含量；另一方面，添加保氮?jiǎng)┛赡転橄趸?xì)菌提供了更適宜的環(huán)境，從而提高硝化作用。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，相對(duì)于CK 處理，B1、B2、B3 處理的硝態(tài)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(fā)酵產(chǎn)物干重和干物質(zhì)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(zhì)損失率低于CK 和B1 處理（表2）。相對(duì)于CK 處理，B1、B2、B3 處理的發(fā)酵產(chǎn)物中，氮含量分別提高了0.13%、0.20%、0.22%，干物質(zhì)損失率減少了0.36%、1.33%、3.73%。添加發(fā)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?jiǎng)┛梢蕴岣甙l(fā)酵產(chǎn)物的氮含量，降低干物質(zhì)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(tài)氮含量變化

表2 氮素的固定效果比較

3 討論與結(jié)論

3.1 添加保氮?jiǎng)?duì)發(fā)酵過程的影響

好氧堆肥是在有氧條件下，好氧微生物對(duì)有機(jī)物料進(jìn)行氧化、分解，轉(zhuǎn)化為安全、穩(wěn)定的有機(jī)肥料的過程，好氧堆肥的發(fā)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(dòng)等多種因素共同作用［16］。本試驗(yàn)第6～12 天，CK處理的堆肥溫度低于添加保氮?jiǎng)┑?個(gè)處理，說明物料中添加保氮?jiǎng)┲?，有利于微生物?duì)有機(jī)物料的分解活動(dòng)，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，提高發(fā)酵溫度，同時(shí)也促進(jìn)了發(fā)酵物料中水分的蒸發(fā)。

本試驗(yàn)中，第2 次翻堆（7 d）至試驗(yàn)結(jié)束，CK 處理的含水量高于3 個(gè)保氮?jiǎng)┨幚恚˙1、B2、B3）。添加保氮?jiǎng)┨幚砗?，物料酸堿度和含水量適宜，增強(qiáng)了微生物的活動(dòng)，減少了堆體中氨的揮發(fā)損失，提高了硝化細(xì)菌活性，從而保留了堆體中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。相對(duì)于CK 處理，堆肥結(jié)束后添加3%的腐殖酸保氮?jiǎng)˙3處理），堆體中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別提高了116.90%和15.58%。

3.2 添加保氮?jiǎng)?duì)氮素?fù)p失的影響

在堆肥過程中，添加腐殖酸保氮?jiǎng)┠軌蚪档偷負(fù)p失，但保氮?jiǎng)┓N類不同、添加數(shù)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(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，增加保氮?jiǎng)┯昧?，可以提升保氮效果；鄭瑞生等?9］在豬糞堆肥過程中添加不同比例沸石，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沸石能夠有效抑制氨揮發(fā)，降低銨態(tài)氮的含量。本試驗(yàn)研究結(jié)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(fā)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(yàn)的保氮?jiǎng)┍５Ч煌?，原因可能為：一方面，保氮?jiǎng)┑某煞钟绊懕５Ч?；另一方面，堆肥物料組成和堆肥過程中的參數(shù)控制也影響保氮?jiǎng)┑男Ч?0］。因此，在實(shí)際生產(chǎn)有機(jī)肥的過程中，還要考慮添加無機(jī)保氮?jiǎng)?duì)有機(jī)肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響。