不同堆肥方式对氮素转化规律的影响

李群良，王　星，黄逸鑫，张艳玉，何查霖，何曙光

(1.广西大学化学化工学院,广西 南宁 530004；2.广西来源生物科技有限公司,广西 南宁 530008)

广西是甘蔗生产大省，会产生大量的甘蔗叶等废弃物。甘蔗叶的传统利用方法主要是作为燃料，不仅利用率很低，而且会产生CO2等温室气体污染大气。广西的奶牛养殖产业也比较发达，产生的牛粪往往不经过处理露天堆放，严重污染环境。对于这些有机废弃物来说，堆肥法是目前最常用的资源化、无害化处理的有效方法[1-2]。其基本过程是将不同的有机固体废弃物以一定比例混合，控制初始发酵条件以适于微生物生长，并通过微生物降解作用使有机物达到稳定，所产生的堆肥可以用于农业生产。成熟的堆肥产品作为一种优质的肥料，不仅可以促进农作物的生长，而且可以改善土壤的理化性质，减少化肥对土壤的危害[3]。

氮是堆肥有机肥料中主要的营养元素之一，堆肥过程中的氮素转化规律是目前的研究重点。堆肥pH值、温度、含氧量、堆肥原料和堆肥方式等都会影响堆肥过程中氮的转化[4-6]。研究表明，在粪便中加入一些调理剂会减少堆肥过程中的氮损失[7]。通风堆肥方式经常用于好氧堆肥发酵[8-10]，与传统的翻堆发酵法相比，通风堆肥法的氮素转化规律值得深入研究。作者以广西境内甘蔗叶和牛粪两种废弃物进行堆肥化处理，通过测定堆肥过程中理化指标的变化，研究通风堆肥与翻堆堆肥过程中氮素转化过程的差异性。

1　实验

1.1　堆肥物料特性

堆肥物料最适C/N值为25～35，最适水分含量依据堆肥粒径的大小而不同，本次堆肥的最适水分含量为70%左右。堆肥物料的特性如表1所示。

表1堆肥物料的特性

Tab.1Thepropertiesofthecompostingmaterials

指标甘蔗叶牛粪混合料水分含量/%102881007333C/N值600021602845

1.2　堆肥方法

将粉碎的甘蔗叶与牛粪以1∶3的质量比混合，加入一定量的水后人工搅拌至甘蔗叶与牛粪充分混合。将混合后的物料均分为2份，每份质量为25.5 kg。其中一份进行翻堆发酵：将物料放入长60 cm、宽65 cm、高120 cm的发酵罐中，不压实，物料高度约为110 cm，保持自然状态，每7 d翻堆1次，翻堆在上午取样之前进行，翻堆后取样；另一份进行通风发酵：将物料放入堆肥发酵罐中，不压实，密封后使用空气压缩机强制通风，通风量为2 L·min-1，每6 h通风30 min，不干扰取样的进行。

1.3　堆肥取样

分别在堆肥第1 d、3 d、5 d、7 d、9 d、13 d、17 d、21 d、26 d、32 d的上午10:00左右取样。取样位置在物料的正中心，深度分别约为30 cm和60 cm处，每处取样约200 g，之后在干净的塑料盆中充分混合，取其中约100 g保存，并将其余的样品重新放回发酵罐。将取出的100 g样品分成4份，其中3份用密封袋封装于-20 ℃保存，另1份进行pH值、水分、有机质以及总氮含量测定。堆肥完成后，每次取出1批保存的样品进行氨氮、硝态氮以及亚硝态氮含量的测定。

1.4　测定方法

(1)氨氮含量、亚硝态氮含量的测定采用中华人民共和国国家环境保护标准HJ 634-2012。

(2)有机质含量、总氮含量的测定采用中华人民共和国农业行业标准NY 525-2012。

(3)硝态氮含量的测定采用改进的紫外分光光度法。

2　结果与讨论

2.1　堆肥过程中温度、pH值、有机质含量及水分含量的变化(表2)

表2堆肥过程中理化性质的变化

Tab.2Thevariationofphysicochemicalpropertiesduringcomposting

堆肥方式温度/℃1d7d17d32dpH值1d7d17d32d有机质含量/%1d7d17d32d水分含量/%1d7d17d32d通风堆肥33444047836979290283477969596896599550677333719372146938翻堆堆肥35949249939480190080876669596632452839467333708874447746

由表2可以看出：

(1)在相同的发酵原料以及外界条件下，堆肥7 d时两种堆肥方式都达到高温阶段，此时通风堆肥温度为44.0 ℃、翻堆堆肥温度为49.2 ℃；整个堆肥过程中，通风堆肥和翻堆堆肥的最高温度分别为47.8 ℃和49.9 ℃，且通风堆肥的温度普遍低于翻堆堆肥2.1～5.2 ℃；堆肥17 d后温度开始下降，堆肥达到腐熟阶段，堆肥32 d时温度降到40 ℃以下，堆肥再次回到中温阶段。造成温度差异的原因可能是在通风过程中，随着空气流动，堆料中的部分热量被带走。

(2)堆肥过程中，pH值的变化在合理的范围之内，最适合微生物生长的pH值为6.5～8.5，最终pH值呈弱碱性。

(3)堆肥过程中，有机质的含量逐渐下降，翻堆堆肥的有机质含量由最初的69.59%降至39.46%，下降了30.13 %；通风堆肥的有机质含量由最初的69.59%降至50.67%，下降了18.92%。说明翻堆堆肥过程中微生物对有机质的分解率较高。

(4)通风堆肥过程中水分的损失量总体大于翻堆堆肥。一般情况下水分损失主要是由于高温蒸发，通风会加快这个过程。在通风堆肥过程中，水分含量由最初73.33%下降到71.93%，之后又上升到72.14%，最终的水分含量为69.38%，整个过程中水分含量的变化不大，基本保持在70%左右。在翻堆堆肥过程中，水分含量由最初的73.33%下降到70.88%，然后又上升到74.44%，最终水分含量为77.46%。可能是因为刚开始时，水分的蒸发量大于微生物活动产生的水分量，之后，微生物活动产生的水分量渐渐大于水分的蒸发量，水分含量开始上升。翻堆堆肥水分含量变化的总趋势是上升的，最终水分含量上升了4.13%。

2.2　堆肥过程中C/N值的变化(图1)

图1　堆肥过程中C/N值变化曲线

由图1可以看出,不同堆肥方式的C/N值均呈下降趋势：通风堆肥过程中，C/N值先由28.76下降到23.43，然后开始上升，到第7 d时上升到最大值28.34，之后开始下降，最终值为14.34，较最初下降了14.42；翻堆堆肥过程中，C/N值先逐渐上升，第5 d时由最初的28.76上升到最大值31.79，之后开始下降，最终值为8.87，较最初下降了19.89。对比发现，通风堆肥中C/N值的下降程度及下降趋势均小于翻堆堆肥。C/N值下降的原因是，堆肥过程中有机质降解产生的CO2挥发造成碳损失，而氮损失主要是因为氨、一氧化二氮和氮气的挥发，其损失量小于碳的损失量，所以最终的C/N值会下降。

2.3　堆肥过程中氮元素的变化

2.3.1堆肥过程中氨氮含量变化曲线(图2)

图2　堆肥过程中氨氮含量变化曲线

由图2可以看出：两种堆肥方式最初的氨氮含量相差很小，通风堆肥为1 465 mg·kg-1，翻堆堆肥为1 411 mg·kg-1；通风堆肥过程中，氨氮含量在第3 d时上升到1 576 mg·kg-1，之后在第5 d时下降到333.8 mg·kg-1，然后又开始上升，第9 d时上升到662.6 mg·kg-1，之后又下降到23.3 mg·kg-1，最终稳定在20～30 mg·kg-1之间。在此过程中，氨氮含量有2个峰值，并在第13 d达到稳定值；翻堆堆肥过程中，氨氮含量逐渐下降，第7 d时由最初的1 411 mg·kg-1下降到144.5 mg·kg-1，第9 d时又上升到373.6 mg·kg-1，在第13 d时下降到35 mg·kg-1左右，最后稳定在30～60 mg·kg-1之间。高温阶段的氨氮含量较低温阶段高得多。相对于通风堆肥来说，翻堆堆肥的氨氮含量最初是下降的，且在1～13 d时始终低于通风堆肥的氨氮含量，之后开始高于通风堆肥，但最终含量相差很小，只有10～30 mg·kg-1左右。通风堆肥过程中氨氮含量高于翻堆堆肥的原因可能是其氧气量比较充足。两种堆肥过程中氨氮含量的变化趋势与常勤学等[11]的测定结果一致。

2.3.2堆肥过程中亚硝态氮含量变化曲线(图3)

由图3可以看出：通风堆肥过程中，最初亚硝态氮含量为320 mg·kg-1，第3 d时下降到297 mg·kg-1，第9 d时上升到497 mg·kg-1，之后保持下降趋势，最终亚硝态氮含量为279 mg·kg-1；翻堆堆肥过程中，最初亚硝态氮含量为606 mg·kg-1，第3 d上升到722.9 mg·kg-1，第7 d时达到最大值770 mg·kg-1，之后开始下降，最终亚硝态氮含量为313 mg·kg-1。两种堆肥方式的亚硝态氮初始含量差别较大，可能是由于堆肥发酵样品混合不均所致。在堆肥过程的前7 d，通风堆肥的亚硝态氮含量低于翻堆堆肥约300 mg·kg-1，之后反而高于翻堆堆肥，最终的亚硝态氮含量相差约34 mg·kg-1。

图3　堆肥过程中亚硝态氮含量变化曲线

2.3.3堆肥过程中硝态氮含量变化曲线(图4)

图4　堆肥过程中硝态氮含量变化曲线

由图4可以看出：堆肥初始阶段的硝态氮含量为170 mg·kg-1。通风堆肥过程中，硝态氮含量在第3 d时上升到285 mg·kg-1，第5 d时下降到236 mg·kg-1，之后开始上升，第13 d时又下降，此时硝态氮含量为315 mg·kg-1，之后又逐渐上升，最终硝态氮含量为493 mg·kg-1，为最大值；翻堆堆肥过程中，硝态氮含量在第3 d时达到一个小峰值205 mg·kg-1，第9 d时降至最小值165 mg·kg-1，之后开始上升，第17 d时又降至245 mg·kg-1，之后又逐渐上升，最终硝态氮含量为453 mg·kg-1。对比发现，在整个堆肥过程中，硝态氮含量总体呈上升趋势，通风堆肥的硝态氮含量始终高于翻堆堆肥的硝态氮含量，两者分别有2次含量下降阶段，但是下降的时间不同。硝态氮含量总的变化趋势是上升的。

2.4　讨论

堆肥是一个复杂的过程，不同的堆肥条件和堆肥方式会导致堆肥过程中物理化学变化的不同[12]，堆肥过程中的微生物有成千上万种，堆肥不同阶段的微生物的种类和数量不同，同时由于发酵条件不同，微生物的活动状况也有很大差异[13-14]，微生物的活动直接决定了堆肥过程中氮素的转化状态[15-16]，而微生物的活动受到堆肥方式的影响，所以通过控制堆肥方式可以控制堆肥过程中的氮素转化状态。

随着堆肥的进行，堆料中的有机氮会被微生物转化成氨氮，一部分挥发掉，一部分转化为其它形式的氮。与翻堆堆肥相比，通风堆肥前期，氨氮和硝态氮的含量较高、亚硝态氮含量较低，说明在发酵过程中产生的氨氮较多，在转化成亚硝态氮之后迅速转化成为硝态氮的原因可能是，通风堆肥过程中的氧气含量比较充足，促进了堆料中的蛋白质降解产生氨以及氨的氧化转化成硝酸盐。翻堆堆肥过程中的温度较高，不利于硝化细菌的生长繁殖，同时氧气含量较少，不利于蛋白质或氨基酸的分解氧化，因此亚硝态氮含量较高。后续可以通过检测溶氧量深入研究。翻堆堆肥的C/N值和有机质含量下降幅度都大于通风堆肥，说明翻堆堆肥过程中总氮的减少量较多，而硝化作用的强弱与氨氮的排放呈正相关[17]可解释这一现象。

3　结论

(1)通风堆肥和翻堆堆肥相比，通风堆肥温度较低，pH值变化差异不大，翻堆堆肥的最终水分含量比最初高4%左右，通风堆肥的最终水分含量较最初下降4%左右。说明堆肥方式不同，堆肥过程中物理特性变化规律不同。

(2)两种堆肥方式的C/N值都呈下降趋势，翻堆堆肥过程中C/N值的下降较大，同时有机质含量下降也较大，说明翻堆堆肥过程中氮的损失较大。

(3)在32 d的堆肥过程中，前13 d通风堆肥的氨氮含量高于翻堆堆肥，之后翻堆堆肥的略高；前10 d翻堆堆肥的亚硝态氮含量高于通风堆肥，之后相反；整个堆肥过程中通风堆肥的硝态氮含量均高于翻堆堆肥，说明不同的堆肥方式对氮素的转化有显著影响。

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