米糠、锯末与蛋鸡粪堆肥过程中氮素的变化特征

李有建，廖新俤，吴银宝

(华南农业大学 动物科学学院，广东 广州 510642)

蛋鸡粪的碳氮比(C/N)较低[1]，各地采用不同类型的辅料开展粪便堆肥，辅料配比和翻堆通风方面尚缺乏科学指导，导致我国蛋鸡粪堆肥氮素损失比较严重的问题[2，3]。蛋鸡粪堆肥过程中，氨的挥发不仅污染空气而招投诉，还影响堆肥厂工作人员的健康[4]；氨气的产生与挥发还引起物料腐熟期延长，堆肥设备腐蚀，降低设备使用寿命[5]，也导致堆肥质量差，影响市场销售[6]。为了适应规模化蛋鸡养殖场粪便处理的发展趋势，实现鸡粪的无害化处理和资源化利用，蛋鸡粪堆肥处理过程中氮素的变化特征研究凸显必要。我国蛋鸡粪堆肥实际生产中以米糠、锯末等辅料为主，因此，本文探讨了米糠、锯末与蛋鸡粪堆肥过程中氮素的变化特征，以期为蛋鸡粪堆肥规模化生产中减少氮素损失、减少氨气挥发的调控措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 堆肥原料

试验于2011年8～9月在安徽省广德县某有机肥厂进行，堆肥原料蛋鸡粪便来自当地蛋鸡企业，米糠和锯末购自当地，主要成分见表1。

1.2 试验设计

试验设4个处理，A组(蛋鸡粪-米糠)、B组(蛋鸡粪-锯末)翻堆频率设计为隔天1次；C组(蛋鸡粪-米糠-锯末)、 D组(蛋鸡粪-锯末)翻堆频率设计为每天1次，见表2。

各组堆肥按初始重量相等设计(其中C组按米糠和锯末质量比1∶1配置)，调整堆肥物料含水率为60%，初始C/N实测值见表2，堆体长3 m、宽1.60 m、高0.65 m。各组按不同的翻堆频率从第3d开始进行机械翻堆，并在第13d对各堆体进行人工翻堆1次。

1.3 样品的采集与测定

在堆肥第0、1、3、7、13、17、20 d进行采样，按照十字交叉法选取堆体表层下30 cm处5点采集样品，充分混匀后取200 g样品用4.5 mol/L硫酸固定，保存在4 ℃冰箱，用于测定理化指标；另取约100 g样品1份，用于测定含水率、pH值。

堆温：每天8∶30、15∶30测定2次，同时测定环境温度和湿度。每一个堆体用2支温度计，插在堆体中间表层下30 cm深。

酸碱度(pH)：取10 g堆肥样品，加50 mL蒸馏水，搅拌15 min，静置15 min，用pH计测定[6]。

氧气浓度：采用DR95C型高精度氧气分析仪；用100 mL医用注射器在堆肥初始和第3、7、11、15、19 d翻堆后于第0、10、20、30、40、50、60 min，6、12、20、24 h抽取堆体内氧气测定[7]。

其它指标的测定方法均参考《土壤农业化学分析方法》[8]。全氮：硫酸-双氧水消煮-蒸馏滴定法；有机氮：Bremner法；铵态氮：1N氯化钾浸提-蒸馏滴定法；硝态氮：1N氯化钾浸提-锌粉-硫酸亚铁还原-蒸馏滴定法；有机质：高温外热重铬酸钾氧化-容量法；水溶性碳：水提取--重铬酸钾氧化-容量法。

1.4 数据处理

数据用EXCEL处理，采用SPSS 17.0软件进行统计分析。两组间比较采用独立样本t检验；单因素方差分析采用ANOVA进行，用邓肯极差检验法进行多重比较，显著水平P值设为0.05。统计结果用平均数±标准误(M±SE)表示。

表1 堆肥原料的主要成分Table 1 Composition of Compost

表2 试验分组Table 2 Division of groups

2 结果与分析

2.1 堆体温度和pH的变化

如图1所示，B(锯末)、C(米糠-锯末)、D(锯末)组堆温均在第2 d升到50 ℃以上，其中B、D组均在第6 d升到70 ℃以上，C组在第7 d升到70 ℃以上。B、C、D组堆温在70 ℃以上分别维持10、9、9d，并分别在第16、16、15d开始降温；A组(米糠)堆肥在第3 d升至50 ℃以上，第10 d才升到70 ℃以上，并一直维持至试验结束(20 d)，试验结束时A、B、C、D组堆温分别为74.0、57.8、63.2、54.2 ℃。t检验表明，堆肥前12 d，A组与B组、C组与D组的堆温差异不显著(P>0.05)，但与B组(锯末)相比，A组(米糠)堆温相对较低；第13d至试验结束，A组与B组之间、C组与D组之间差异显著(P<0.05)，说明相同翻堆频率下锯末组比米糠组、米糠-锯末组降温更快，高温期缩短。

图1 堆温变化 Fig.1 Changes of composting temperature during composting

图2 物料pH变化Fig.2 Changes of pH during composting

如图2所示，整个堆肥过程中，B、C、D组堆肥开始后pH值逐渐升高，A组(米糠)pH值先略微下降后上升，pH值也相对低于B组(锯末)，C组(米糠-锯末)堆肥前期pH值也低于D组(锯末)。t检验表明，A组与B组之间、C组与D组之间物料pH值差异不显著(P>0.05)。

2.2 堆肥氧气浓度动态变化

图3所示，堆肥初始B、C、D组氧气浓度维持在5%以上，能满足堆肥要求[9]；但 A组(米糠)因容重大(米糠容重：350 kg/m3；锯末容重：110 kg/m3)、孔隙度低，氧气过早降到5%以下，局部厌氧影响了微生物活性，造成升温慢，堆温和pH相对低。

图4反映堆肥过程中堆体氧气浓度动态变化，各组氧气从全程来看呈先降后逐渐升高的趋势。其中A组(米糠)整个堆肥过程氧气浓度都低于5%，而 B组(锯末)在第15 d后维持在5～15%；D组(锯末)和C组(米糠-锯末)氧气浓度分别在第11 d和15 d维持在5%以上。t检验表明，A组与B组、C组与D组堆体的氧气浓度差异显著(P<0.05)。说明堆体结构的改变及物料分解程度影响微生物耗氧速率。

图3 堆肥初始堆体氧气浓度动态变化 Fig.3 Oxygen variation of the initial compost

图4 堆肥过程中堆体氧气浓度动态变化Fig.4 Oxygen variation during composting

2.3 堆肥有机质与水溶性碳的变化

如图5所示，堆肥过程中，各组堆肥有机质含量呈逐渐下降趋势。主要是微生物分解和利用碳素物质使“碳素物质不断以二氧化碳和易挥发有机酸等形式释放”的结果[10]。t检验表明，C组与D组间有机质含量变化差异不显著(P>0.05)；而A组(米糠)受前期物料降解的影响导致整个过程有机质含量显著高于B组(锯末)(P<0.05)。

如图6所示，各组堆肥水溶性碳含量呈先微弱下降后升再逐渐下降的变化趋势，初始水溶性碳含量在5.37～6.7 g/kg之间，至试验结束，A组(米糠)水溶性碳含量较初始值略有上升，B组(锯末)则减少38.33%；C组(米糠-锯末)与D组(锯末)较初始值分别减少30.20%和33.32% 。t检验表明， A组(米糠)水溶性碳含量显著高于B组(锯末)(P<0.05)，原因是A组堆体初始容重过高，形成局部厌氧，堆肥前期物料降解相对较慢，后期相对较多的可降解有机质持续分解补充水溶性碳，使水溶性碳含量升高，最终导致A、B组间差异。A组堆肥后期含有充足的水溶性碳供微生物利用，堆温在高温(>70℃)维持较长时间，延长了高温期。C组(米糠-锯末)与D组(锯末)之间水溶性碳含量差异显著(P<0.05)，可能是C组堆体结构受米糠影响的结果。

图5 堆肥中物料有机质的变化Fig.5 Changes of organic matter during composting

图6 堆肥中物料水溶性碳的变化Fig.6 Changes of WSC during composting

2.4 堆肥铵态氮和硝态氮的变化

如图7所示，堆肥过程中各组铵态氮呈先微弱上升后下降的变化趋势，并均出现了几次快速下降的阶段：其中A组(米糠)铵态氮含量在第3～7 d和第17～20 d分别快速下降31.67%和43.92%，B组(锯末)铵态氮含量在第1～3 d快速下降48.56%；C组(米糠-锯末)堆肥铵态氮含量在第1～3 d和第7～13 d分别快速下降50.92%和58.48%，D组(锯末)下降时间段与C组相同，分别下降了41.06%、53.91%。结合堆温和pH变化来看，当温度升至60 ℃以上、pH>8和堆温升至70 ℃以上、pH>9时铵态氮含量快速下降，且后者下降程度更大，说明NH4+-N的转化依赖于堆肥的环境条件，高温和高pH促进氨气的挥发。这与李国学等研究报道相符。t检验表明，A组与B组、C组与D组的铵态氮含量变化差异不显著(P>0.05)。至试验结束，A、B、C、D组铵态氮含量分别为0.74 g/kg、0.55 g/kg、0.45 g/kg、0.84 g/kg，与初始值比较分别减少67.50%、75.99%、80.09%、58.31%。与A组(米糠)比较，B组(锯末)铵态氮的损失较大，主要是B组较早形成利于氨氮挥发的高pH和高温环境，导致铵态氮持续挥发损失。与C组(米糠-锯末)相比，D组(锯末)中后期主要发生铵态氮和有机氮之间的相互转化(见图7、9)，减少了铵态氮以氨气形式挥发损失。

由图8可见，各组堆肥硝态氮含量极低(与铵态氮含量相差两个数量级)，说明整个堆肥过程中硝化作用很微弱，主要是由于堆体长期处于高温阶段，高温和高氨氮水平和氨气挥发抑制硝化菌的生长[11-12]，限制了铵态氮向硝态氮转化。

图7 堆肥中物料铵态氮的变化Fig.7 Changes of NH4+-N during composting

图8 堆肥中物料硝态氮的变化Fig.8 Changes of NO3--N during composting

2.5 堆肥有机氮和全氮的变化

如图9所示，堆肥初期各组物料中有机氮快速下降，主要在氨化细菌作用下转化为铵态氮，此阶段铵态氮快速积累达到峰值后迅速下降(图7)，而硝化作用受抑制(图8)，此阶段氮素通过铵态氮以氨气形式挥发损失。随着堆制时间延长，物料中易降解的有机氮类物质消耗殆尽，A、C组有机氮变化趋于平缓，B、D组中后期有机氮含量有所回升。t检验表明，A组(米糠)有机氮含量显著高于B组(锯末)(P<0.05)，主要由于A组堆肥物料降解较慢； D组(锯末)显著高于C组(米糠-锯末)(P<0.05)，是当堆体氧气浓度适宜(大于5%)，促进铵态氮向微生物量态氮的转化，使有机氮含量升高。

如图10所示，在堆肥过程中，TN呈下降的变化趋势，说明氮素存在一定的损失。至试验结束，A、B、C、D堆肥全氮含量分别为8.56 g/kg、7.26 g/kg、6.91 g/kg、10.20 g/kg，与初始值比较分别减少了36.72%、48.89%、47.61%、19.98%。

图9 堆肥中物料有机氮的变化Fig.9 Changes of organic nitrogen during composting

图10 堆肥中物料全氮的变化Fig.10 Changes of TN during composting

可见，米糠、锯末与蛋鸡粪便堆肥氮素损失较大。t检验表明，A组(米糠)与B组(锯末)之间、C组(米糠-锯末)与D组(锯末)之间的全氮变化差异不显著(P>0.05)。

3 讨 论

堆肥过程中，微生物通过氨化作用分解有机氮产生氨气，氨气溶于物料形成铵态氮。铵态氮既可作为氮源被微生物同化利用，又可被硝化细菌转变为硝态氮，也可发生反硝化脱氮损失或以氨形式挥发，这些过程受堆温、pH、通气条件等因素影响。本研究中，堆肥物料快速分解，铵态氮累积，在T>60℃、pH>8和T>70℃、pH>9时，快速下降，且堆温、pH越高，降幅越大；硝化细菌的活性受抑制，阻碍铵态氮向硝态氮的转化；当堆体氧气浓度>5%，微生物对铵态氮的固定作用明显(转化为微生物量态氮)。因此，本试验中，堆肥氮素转化主要包括有机氮与铵态氮间的相互转化以及铵态氮以氨形式的挥发。在堆肥过程中，未发现渗滤液产生，故氮素没有通过渗滤液而损失；物料初始硝态氮含量极低，高温和高pH同样抑制反硝化细菌活动。因此，堆肥过程中，氮素损失主要是由铵态氮以氨形式挥发引起，这与黄向东等[13]报道一致。高温、高pH促进氨气挥发；充足的氧气可促进铵态氮向微生物量态氮(有机氮)转化，减少氮素损失。

本试验中，氮素转化、损失与堆肥温度、pH、O2等参数有关，这些参数主要受堆体结构对堆肥氧气供应和有机质分解的影响。有文献报道，在好氧条件下，堆肥氨气的最大释放浓度远小于厌氧/好氧交替(嫌气)条件下；曾光明等也指出，好氧堆肥过程中抑制缺氧，使堆肥生物代谢完全，可以有效减少氨气排放[14]。因此，可以尝试在米糠和锯末中添加来源广泛的秸秆类辅料，通过改善堆体结构(容重)来减少氮素损失。

4 结 论

研究表明，堆肥过程中，铵态氮向硝态氮转化受抑制，氮素转化以有机氮与铵态氮间的相互转化以及铵态氮以氨气形式挥发为主，铵态氮主要以氨气形式挥发造成全氮损失。

氮素转化与损失与堆肥温度、pH、O2等环境参数有关，高温、高pH促进氨气挥发；充足的氧气可促进铵态氮向微生物量态氮(有机氮)转化。这些参数主要受堆体结构对堆肥氧气供应和有机质分解的影响。

至试验结束，蛋鸡粪-米糠组与蛋鸡粪-锯末组全氮比初始值减少了36.72%和48.89%，蛋鸡粪-米糠-锯末组与蛋鸡粪-锯末组全氮比初始值减少了47.61%和19.98%，米糠、锯末与蛋鸡粪便堆肥氮素损失较大。因此，可以尝试在米糠和锯末中添加来源广泛的秸秆类辅料，通过改善堆体结构(容重)来减少氮素损失。

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