徐雯琦， 王志恒， 王禾田， 王麗霞， 周永馨， 邵 蕾

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

0 引言

我國玉米秸稈資源豐富，2019 年總產(chǎn)量約為3.05×108t，資源量約占糧食作物總秸稈量的1/3[1-3]。我國秸稈綜合利用方式主要有肥料化、飼料化、能源化、原料化和基料化，其中肥料化占比最高，約為54.67%[4]。秸稈還田可節(jié)省化肥投入，2014-2018 年，我國玉米秸稈還田養(yǎng)分當(dāng)季歸還量（化肥可替代量）年均值為154.6 萬t（N）、113.7 萬t（P2O5）和432.5萬t（K2O）[5]。

傳統(tǒng)的秸稈堆漚還田方式為堆體覆蓋不透氣的塑料膜進(jìn)行厭氧發(fā)酵，存在發(fā)酵溫度低、發(fā)酵周期長、草種殺不滅等弊端[6-10]。功能膜覆蓋發(fā)酵是目前研究熱點(diǎn)[10-12]。功能膜又稱半透膜和納米膜，具有透氣不透水的性能。功能膜覆蓋發(fā)酵為好氧發(fā)酵，相對于厭氧發(fā)酵具有發(fā)酵溫度高、高溫持續(xù)時間長、病原菌和草種殺滅效果好的優(yōu)點(diǎn)[10-11]。畜禽糞便、秸稈等有機(jī)廢棄物好氧發(fā)酵中氮素?fù)p失為14.5%～74.0%[13-16]。納米膜覆蓋發(fā)酵過程中，膜內(nèi)側(cè)形成的水膜可吸收揮發(fā)的NH3，減少氮素?fù)p失。馬雙雙等[11]和李永雙等[9]分別以秸稈和畜禽糞便為原料，覆蓋納米膜處理比未覆蓋處理NH3產(chǎn)生量分別減少了9.22%和58%。徐振軒[17]以白酒酒糟和牛糞為原料，納米膜覆蓋處理氮素的保存率與無覆膜處理相比提高18.32%。

玉米秸稈的碳氮比（C/N）為（40～90）∶1[18-23]。為保證微生物適宜的生存環(huán)境和好氧發(fā)酵堆漚的正常進(jìn)行，秸稈需添加畜禽糞便或含氮化肥等氮源調(diào)節(jié)發(fā)酵原料的碳氮比為25∶1[24]。目前已有的秸稈好氧堆漚發(fā)酵研究中常用的氮源為尿素[25-27]。但是尿素在發(fā)酵過程中被脲酶分解產(chǎn)生NH3，NH3揮發(fā)占堆漚物料初始總氮的10.3%～29.5%[21]。添加草酸、檸檬酸等酸性物質(zhì)可降低物料pH 值，吸收NH3，減少氮素?fù)]發(fā)損失[28]。硫酸銨含氮量為21%，并且為酸性物質(zhì)（0.1 mol/L 水溶液pH 值5.5），這就為減少好氧堆漚的氮素?fù)p失提供了可行性，而以硫酸銨為氮源調(diào)節(jié)秸稈碳氮比對堆漚的氮素?fù)p失研究未見相關(guān)報道[14]。試驗(yàn)以玉米秸稈為研究對象，比較以硫酸銨或尿素為氮源調(diào)節(jié)碳氮比后對納米膜覆蓋發(fā)酵過程中的氨氣排放和堆漚產(chǎn)物氮素留存的影響，為減少秸稈好氧堆漚過程中的氮素?fù)p失提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈采自山東省煙臺市牟平區(qū)，玉米收獲后將秸稈用粉碎機(jī)粉碎，挑選未粉碎完全的秸稈用剪刀剪至3 cm。秸稈的理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 玉米秸稈 化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of corn straw

試驗(yàn)所使用的尿素、硫酸銨和菌劑為市售。大顆粒尿素（含氮量46%）粒徑為3 mm；粒狀硫酸銨（含氮量21%）粒徑2～4 mm。

覆蓋堆體的納米膜為德國Gore 公司生產(chǎn)，由3 層組成：中間層材料為透氣不透水的膨體聚四氟乙烯（e-PTFE），內(nèi)外兩層為抗腐蝕耐老化的聚酯纖維材料。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2020 年10 月18 日至2021 年4 月18 日在煙臺市牟平區(qū)高陵村進(jìn)行。將玉米秸稈各10 t（濕質(zhì)量）與菌劑混勻，用鏟車堆成2 個高約2 m、底部半徑約5 m 和頂部半徑約2 m 的圓臺狀堆體。將15 cm×15 cm的尼龍網(wǎng)袋中裝入10 g 秸稈，埋入距地面1 m、距表層0 和50 cm 的堆體中，每個堆體埋入網(wǎng)袋48 個（2 個深度各埋24 個），間隔均勻。將192 kg 尿素（T1）和419 kg 硫酸銨（T2）均勻撒至堆體表面。每個堆體分3次噴灑1.34 t 水，每次噴水時間20 min，間隔為1 h。噴水后將堆體用納米膜覆蓋，四周壓實(shí)。

1.2.2 樣品采集與測定

使用手持式氣體測定儀（科爾諾GT-1 000-K-N2）刺穿納米膜測量膜內(nèi)側(cè)氣體的濃度（NH4、O2、CO2），堆體4 個方向各測1 次，測量孔距離地面1 m；使用長桿溫度計通過測量孔測定距表層0.5、1.0 和2.0 m 處的溫度。測量結(jié)束后將測量孔用透明膠帶封閉。

每月從T1、T2中分別取出8 個（0 和50 cm 各4 個）網(wǎng)袋，帶回實(shí)驗(yàn)室測量含水量后風(fēng)干保存，并測定樣品的理化性質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K 和pH 值）。測定方法參照NY/T 525-2021《有機(jī)肥料》。

試驗(yàn)結(jié)束后，將堆體翻堆混合均勻，取樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定樣品的理化性質(zhì)、發(fā)芽率和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）。測定方法參照NY/T 525-2021《有機(jī)肥料》。

腐殖質(zhì)的測定及胡富比（CHA/CFA）的計算：腐殖質(zhì)的測定參照NY/T 1867-2010《土壤腐殖質(zhì)組成的測定

焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法》的方法，用0.1 mol/L 的氫氧化鈉-焦磷酸鈉混合溶液（pH值13）提取可溶性腐殖質(zhì)，采用重鉻酸鉀氧化容量法測定胡敏酸（HA）和富里酸（FA）總碳量，提取液酸化分離沉淀的胡敏酸計算其碳量，富里酸碳量由差減法獲得；胡富比的計算公式為[29]

式中CHA-胡敏酸碳量，%

CFA-富里酸碳量，%

C0-HA 和FA 總碳量，%

氮素?fù)p失率的測定：利用第一次和最后一次取樣的干物質(zhì)量與含氮量，根據(jù)物料守恒原理，計算氮損失率（Nl），如式（2）所示。

式中Nl-氮素?fù)p失率，%

N0、Ni—分別為堆肥初始、結(jié)束時物料全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計），%

M0、Mi—分別為堆肥初始、結(jié)束時物料的干物質(zhì)質(zhì)量，g

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019 和SPSS Statistics 26.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度變化

2 個堆體3 個層次（50、100 和200 cm）的溫度呈先上升后下降的趨勢，在第14 天時兩個堆體各個層次的溫度最高，T1和T2處理的50 cm 深度溫度分別為58.1 和64.3 °C，如圖1 所示。試驗(yàn)所用納米膜具有透氣性，堆體外層氧氣含量高于內(nèi)層，外層的微生物活性高，堆漚7～120 d，同一處理不同層次間比較，50 cm 深度溫度最高，200 cm 深度溫度最低；堆漚7～60 d，同一深度不同處理間比較，T2處理的溫度高于T1處理。

圖1 堆體溫度變化情況Fig.1 Temperature changes of piles

2.2 堆體含水率變化

由圖2 可知，T1和T2處理表層（0 cm）含水率為先上升后保持平穩(wěn)的趨勢，堆漚30～180 d，T1和T2處理表層含水率變化80.08%～88.37%；內(nèi)層（50 cm）含水率為先上升后下降的趨勢，堆漚30 d 時T1和T2處理內(nèi)層含水率分別為67.93%和61.46%，堆漚180 d 時含水率降至26.32%和30.89%。試驗(yàn)結(jié)束后表層的秸稈為黑色的漿狀物，而內(nèi)層秸稈呈現(xiàn)棕色、松散的狀態(tài)，原因?yàn)榧{米膜具有透氣不透水的特性，堆漚過程中堆體蒸發(fā)的水蒸氣凝結(jié)在膜內(nèi)側(cè)，流回堆體表面，因此表層含水率高于內(nèi)層。

圖2 堆體含水率變化情況Fig.2 Moisture content changes of piles

2.3 堆體pH 值變化

添加尿素的T1處理0 和50 cm 的pH 值由初始的7.10 和7.00 到試驗(yàn)結(jié)束后分別上升至8.34 和7.86，如圖3所示。原因?yàn)槟蛩卦诙褲a過程中釋放出NH3，NH3溶解于納米膜內(nèi)側(cè)的水膜，流回堆體，造成了堆漚秸稈的pH 值升高；流入堆體的冷凝水主要集中于堆體表層，因此表層（0 cm）處的pH 值高于內(nèi)層（50 cm）。添加硫酸銨的T2處理0 和50 cm 的pH 值由初始的6.50 和6.70 到試驗(yàn)結(jié)束后下降至6.04 和6.28。

圖3 堆體pH 變化情況Fig.3 pH changes of piles

2.4 堆漚過程中氣體排放情況

T2處理整個堆漚過程中納米膜內(nèi)側(cè)未檢測出NH3。T1處理堆漚30 d 時膜內(nèi)側(cè)NH3濃度最高（0.045%），打開測量孔可聞到刺鼻的氨氣味道；堆漚30～150 d 時NH3濃度逐漸降低為0，如圖4 所示。

圖4 堆體膜內(nèi)NH3 濃度變化曲線Fig.4 Variation curve of NH3 concentration in piles membrane

空氣中O2和CO2濃度為此消彼長的關(guān)系，總濃度和為21.04%左右[30]。堆漚過程中微生物通過好氧作用分解有機(jī)質(zhì)同時排出CO2[31-32]。試驗(yàn)T1和T2處理的O2濃度為先下降后上升的趨勢，CO2濃度為先上升后下降的趨勢，如圖5 和圖6 所示。堆漚30 d 時T1處理的O2濃度高于T2處理，而CO2濃度則相反。原因可能為T1處理的氮源為尿素，尿素在分解過程中產(chǎn)生氨氣，堆漚30 d 時膜內(nèi)側(cè)氨氣濃度為0.045%，高濃度的NH3抑制了微生物的活性，減少了O2的消耗，提高了O2的濃度，降低了CO2的濃度。

圖5 堆體膜內(nèi) O2 濃度變化曲線Fig.5 Variation curve of O2 concentration in piles membrane

圖6 堆體膜內(nèi)CO2 濃度變化曲線Fig.6 Variation curve of CO2 concentration in piles membrane

2.5 堆體養(yǎng)分含量變化

T1、T2處理的有機(jī)質(zhì)呈逐漸下降趨勢，試驗(yàn)結(jié)束后T1處理0 和50 cm 有機(jī)質(zhì)含量分別為57.35%和61.79%，T2處理分別為54.13%和57.13%，如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)束后T2 處理的有機(jī)質(zhì)含量高于T1處理，原因可能為添加尿素的T1處理在堆漚過程中釋放出的NH3可能會對微生物的活性產(chǎn)生抑制，從而減少有機(jī)質(zhì)的分解量。同一處理表層的有機(jī)質(zhì)含量低于內(nèi)層，原因可能為納米膜具有透氣性，表層O2含量高，微生物活躍，有機(jī)質(zhì)分解量大。

圖7 堆體有機(jī)質(zhì)含量變化情況Fig.7 Organic matter content changes of piles

T1、T2處理全氮呈下降趨勢，試驗(yàn)結(jié)束后T1和T2處理0 cm 處全氮含量分別為1.95%和2.17%，如圖8 所示；50 cm 處全氮含量分別為1.60%和2.04%。T2處理的全氮含量高于T1處理，原因?yàn)榧{米膜具有透氣不透水的性質(zhì)，雖然T1處理揮發(fā)的NH3可隨膜內(nèi)側(cè)的凝結(jié)水流回堆體，但仍有部分NH3隨水蒸氣通過納米膜逸散[33-34]。

圖8 堆體全氮含量變化情況Fig.8 Total nitrogen content changes of piles

T1、T2處理的全磷和全鉀含量呈逐漸上升趨勢，相對于初始物料堆漚結(jié)束時T1處理0 和50 cm 的全磷上升了45.16%和44.44%，全鉀上升了45.45%和38.91%，如圖9 和圖10 所示；T2處理0 和50 cm 的全磷上升了65.52%和57.14%，全鉀上升了55.28%和46.08%。堆漚物料中全磷和全鉀含量上升的原因?yàn)槎褲a結(jié)束時干物質(zhì)損失35%左右，而磷和鉀不存在損失，表現(xiàn)為相對累積的“濃縮效應(yīng)”[35]。

圖9 堆體全磷含量變化情況Fig.9 Total phosphorus content changes of piles

圖10 堆體全鉀含量變化情況Fig.10 Total potassium content changes of piles

2.6 堆漚過程中胡富比（CHA/CFA）變化

胡富比是反應(yīng)堆肥腐殖質(zhì)穩(wěn)定化的指標(biāo)，常用來評價堆肥腐熟度[36-37]。古小治等[38]將胡富比超過 1.4 作為熟化的指標(biāo)。隨著堆漚過程的進(jìn)行，T1和T2處理的胡富比呈逐漸上升趨勢[39]。堆漚結(jié)束時T1和T2處理的胡富比分別為1.61 和1.82，均高于1.4，如表2 所示。

表2 T1、T2 處理的胡富比（CHA/CFA）變化Tab.2 CHA / CFA changes of T1 and T2 treatments

2.7 氮素?fù)p失率測定

T1處理堆漚產(chǎn)物的全氮含量為1.78%，堆漚過程中的氮損失率為54.24%； T2處理堆漚產(chǎn)物的全氮含量為2.11%，堆漚過程中的氮損失率為40.90%，相對于T1處理，T2處理的氮損失減少了24.59%，如表3 所示。

表3 不同處理的氮損失率Tab.3 Nitrogen loss rate of different treatments

2.8 堆漚產(chǎn)物理化性質(zhì)

NY/T 525-2021《有機(jī)肥料》規(guī)定種子發(fā)芽指數(shù)（GI）≥70%為有機(jī)肥腐熟的指標(biāo)之一[40]。T1和T2處理堆漚產(chǎn)物的發(fā)芽率低于蒸餾水對照處理，而3 個處理間的根長無差異，如表4 所示。T1和T2處理的GI 分別為91.71%和100.40%，符合NY/T 525-2021《有機(jī)肥料》中的要求。

表4 發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)Tab.4 Germination rate and germination index

堆漚結(jié)束后，T1與T2處理堆漚產(chǎn)物中除含水率外，總養(yǎng)分量、有機(jī)質(zhì)、酸堿度、重金屬含量和病原菌指標(biāo)符合NY/T 525-2021《有機(jī)肥料》的限量要求，如表5所示。

表5 堆漚產(chǎn)物理化性質(zhì)Tab.5 Physicochemical properties of composting

3 討論與結(jié)論

3.1 不同氮源對玉米秸稈堆漚的影響

徐智等[41]和魏陽等[32]在好氧堆肥時添加尿素調(diào)節(jié)碳氮比，氮素?fù)p失率分別為55%和38.46%。添加酸性物質(zhì)可顯著降低好氧發(fā)酵的氮素?fù)p失。薛文濤等[28]和吳夢婷等[42]添加5%檸檬酸、5%草酸和4.1%硫酸亞鐵，氮素?fù)p失率分別減少了25.16%、48.54%和38.25%。試驗(yàn)以尿素為氮源時，膜內(nèi)側(cè)的HN3濃度最高為0.045%，試驗(yàn)結(jié)束后0 和50 cm 處的pH 值分別上升為8.34 和7.86。雖然尿素處理產(chǎn)生的HN3可以被納米膜內(nèi)側(cè)的水膜吸收并流回堆體，但仍有部分HN3隨水蒸氣逸散出納米膜；而以硫酸銨為氮源時自始至終膜內(nèi)側(cè)未檢測出HN3。因此，硫酸銨處理相對于尿素處理的氮素?fù)p失減少了24.59%。以尿素為氮源調(diào)節(jié)碳氮比時，尿素在堆漚過程中產(chǎn)生的HN3對堆體中微生物的活性可能存在抑制作用，堆漚7～60 d 時尿素處理的發(fā)酵溫度低于硫酸銨處理，硫酸銨處理的干物質(zhì)分解量（干物質(zhì)損失率）高于尿素處理。最終的堆漚產(chǎn)物硫酸銨處理的養(yǎng)分含量和表示腐熟程度的種子發(fā)芽指數(shù)均高于尿素處理。

3.2 納米膜覆蓋堆漚時物料不同深度發(fā)酵效果的差異

由于納米膜具有透氣性，堆漚物料表層的O2含量高于內(nèi)層，因此表層的好氧微生物活性高。試驗(yàn)中表層的發(fā)酵溫度、有機(jī)質(zhì)分解量和總養(yǎng)分含量高于內(nèi)層。由于納米膜具有不透水的性質(zhì)，膜內(nèi)側(cè)的水蒸氣冷凝于膜內(nèi)側(cè)，冷凝水可吸收揮發(fā)的HN3[9,11]，試驗(yàn)中冷凝水回流造成堆體表層含水率和氮含量高于內(nèi)層。試驗(yàn)中，堆漚產(chǎn)物表層為含水率85%左右、全氮含量3%左右的黑色漿狀物，而內(nèi)層為含水率28%左右、全氮含量1.8%左右的棕色松散狀物。由于納米膜覆蓋堆漚產(chǎn)物的表層和內(nèi)層的含水率和養(yǎng)分含量存在差異，建議掀膜后用鏟車將內(nèi)外層混勻后施用。