不同碳氮比牛粪玉米秸秆堆肥的碳素转化规律

尹瑞，张鹤，邱慧珍，杨慧珍，李孟婵，张春红，王友玲

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃省畜禽废弃物资源化利用工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

近年来，随着经济水平的发展和人民生活质量的提高，现代农业及畜禽养殖产业迅猛发展[1].畜牧业的快速发展在满足全社会不断增长的畜禽产品需求的同时，养殖废弃物带来的环境污染问题日益凸显.养殖废弃物带来的不仅是水体、大气和土壤的环境污染，其中大量的病原微生物、寄生虫卵以及孽生的蚊蝇，会造成人、畜传染病蔓延，甚至会导致疫情的发生，带来灾难性的危害[2].此外，我国耕地质量面临新一轮的低肥力、高投入和高污染等问题[3].养殖废弃物中含有大量的有机质和氮磷钾等土壤所需的营养元素，具有巨大的资源容量，是优质的生物质和有机肥资源，被称为“放错位置的资源”[4].据估算，仅甘肃省2016年产生的养殖废弃物就重达4 832万t，其养分相当于963.6万t有机质和67.6万t的养分[5].我省中低产田面积大，约占全省耕地面积的85%.如能将养殖废弃物中的养分以有机肥的形式归还土壤，不仅可有效地减少化肥用量，减轻过量化肥施用导致的环境压力，同时也可为“减肥减药”、“化肥零增长”、“有机肥替代化肥”和“农业可持续发展”等国家战略需求提供实践基础[6].

好氧堆肥因其具有可就地处理、成本低、无害化程度高以及生物风险小等优点成为应用最广的养殖废弃物资源化利用途径之一[7].其本质上是一个微生物发酵的过程，在这个过程中伴随着碳素物质的矿化分解以及分解后产物的腐殖化，因此碳素转化在好氧堆肥过程中发挥着重要作用[8]；此外，有机碳是土壤肥力的重要组成部分，在当今农田土壤有机碳含量不断降低的背景下，研究堆肥过程中碳素物质的转化，对于理解施用有机肥后土壤有机碳储量的变化具有重要意义[9].C/N是高效堆肥的最关键因素[10]，其对肥堆中微生物的生长和活动、堆肥腐熟时间长短和有机肥的品质好坏都有很大的影响[11]，C/N太低，会导致堆肥氮素大量损失，进而降低肥效；C/N太高，不仅会增加堆肥成本，还会造成有机碳的大量损失[10,12].因此了解不同C/N好氧堆肥过程中的碳素转化规律，对优化堆肥工艺参数，促进有机肥产业绿色发展具有十分重要的意义.

本课题组张鹤等[13]在前期已对不同C/N牛粪玉米秸秆好氧堆肥的腐熟进程进行了研究，结果表明不同C/N对好氧堆肥中温度、pH、有机碳、总氮、矿质态氮及种子发芽指数等腐熟指标均有很大影响，当堆体初始C/N在25～30时更有利于堆体腐熟和养分保持.基于以上研究结果，本试验以有机碳为切入点，对不同C/N好氧堆肥过程中的碳素转化进行更为深入的研究.

目前，有关于好氧堆肥过程中碳素转化规律的研究多集中在加入外源添加剂(如生物质炭、过磷酸钙等)方面[9,14-15]；而以不同C/N为处理的堆肥试验研究则多集中在堆肥的腐熟进程[13,16-18]；且已有的堆肥试验多在实验室条件下以发酵仓形式进行.本试验采用有机肥料生产中最广为应用的条垛式堆肥，以新鲜牛粪为原料，玉米秸秆为辅料，对不同C/N牛粪玉米秸秆好氧堆肥过程中的总有机碳、腐殖酸及其组分含量和腐殖化参数的变化规律进行了研究.旨在了解不同C/N牛粪玉米秸秆好氧堆肥过程中的碳素转化规律，以期为有机肥生产过程中堆肥参数的优化提供一定的理论依据和技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验设置在甘肃省白银市鑫昊生物科技有限公司，试验区年平均气温约9 ℃，7～8月平均气温28 ℃，年均降雨量181 mm，全年多风.堆肥采用户外堆置方式，于2017年7月6日至2017年8月19日进行堆肥，周期为45 d.供试新鲜牛粪由肥料厂提供，玉米秸秆由附近奶牛场提供，堆置前将玉米秸秆切成2～5 cm的碎料.堆肥原料的农化性质见表1[13].

1.2 试验设计

试验设置5个不同C/N处理，堆肥原料为牛粪和玉米秸秆，牛粪添加量干基相同，用尿素及玉米秸秆调节肥堆起始C/N，详见表2[13].每个处理设置三个重复，堆体初始含水率控制在(65±1)%，将物料混匀后堆成高1.2 m，宽2 m的条堆.人工测温翻堆，翻堆充分，混合均匀.

表1 不同堆肥原料的理化性质

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 采样时间与方法 固体样品每3 d采集一次，方法如下：将堆体按高度分为3层：表面(5～10 cm)，中间(50～60 cm)，底部(100～120 cm)进行取样，每层等量取样约300 g，混匀.堆肥样品自然风干，粉碎后过筛待测.

表2 不同处理的原料配比

1.3.2 测定指标及方法 堆体温度测定：每天测定3次：早8∶00，中午14∶00，下午20∶00，取3次温度的平均值.测温层次与取样层次一致，每层均匀测温5次，取其平均值，同时进行环境温度的测定.总有机碳(TOC)的测定用重铬酸钾容量法[19]；总腐殖酸(THA)的测定用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾容量法[20]；游离腐殖酸(FHA)的测定用1%氢氧化钠浸提-重铬酸钾容量法[20]；富里酸(FA)、胡敏酸(HA)含量的测定用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法[21].

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行图表绘制；SPSS 22.0软件进行统计分析，采用单因素 (one-way ANOVA) 和Duncan法进行方差分析和多重比较 (α=0.05).

2 结果与分析

2.1 不同C/N堆肥中温度的变化

由图1可知，在第3天各处理就已经进入高温期(>55 ℃)，到第27天，除C/N最高的T5处理外，其他处理均已进入降温期(<55 ℃)，直至堆肥第33天，各处理堆温保持在45 ℃左右，进入后熟阶段.在整个高温期中，各处理高温持续时间分别为22、22、25、25、31 d；达60 ℃以上天数分别为6、8、9、10、10 d；达70 ℃以上天数分别为0、4、4、6、7 d；在整个堆肥过程中各处理肥堆的总积温分别为1 176.7、1 199.3、1 273、1 328.7、1 376 ℃，与堆体初始C/N成正比.

图1 堆肥过程中温度的变化Figure 1 Changes of temperature during composting

2.2 不同C/N堆肥中总有机碳含量的变化

由图2可知，好氧堆肥是一个有机碳减少的过程.肥堆中总有机碳的剧烈降解主要发生在好氧堆肥的前15 d.第0天，各处理总有机碳含量分别为268.5、331.5、364.0、381.1、424.5 g/kg，除T3和T4外，其他处理均有显著性差异(P<0.05)，而到了堆肥第15天，各处理总有机碳含量分别为240.5、245.8、268.8、264.9、226.5 g/kg，各处理间已无显著性差异(P<0.05).在0～15 d，T1～T5处理总有机碳含量相比于第0天分别下降了10.4%、25.9%、26.2%、30.5%和46.6%，各处理此时段内总有机碳降解率分别占总降解率的40.2%、73.4%、60.5%、70.0%和97.4%.

至堆肥结束(第45天)，各处理总有机碳含量分别为198.9、214.7、206.7、215.0、221.2 g/kg，C/N最高的T4和T5处理总有机碳含量显著高于T1和T3处理(P<0.05).在整个堆肥过程中，T1～T5处理总有机碳降解率分别为25.9%、35.2%、43.2%、43.6%和47.9%，说明堆体初始C/N越高，总有机碳的降解率越高，碳素损失越严重.

2.3 不同C/N堆肥中腐殖酸及其组分含量的变化

2.3.1 不同C/N堆肥中总腐殖酸含量的变化 如图3所示，堆肥初期各处理总腐殖酸含量均呈上升趋势，并分别在第6天和第9天达到峰值，各处理峰值分别为17.4%、17.2%、18.1%、20.2%和17.9%.随着堆肥过程的推进，总腐殖酸含量不断降低，至第33 d时达到最小值，各处理总腐殖酸含量分别为7.3%、9.9%、8.2%、7.8%和8.8%，C/N=20的T2处理总腐殖酸含量显著高于其他处理(P<0.05).之后随着堆肥后熟过程的推进，各处理总腐殖酸含量缓慢升高.至堆肥结束时(45 d)，各处理总腐殖酸含量分别为10.5%、13.3%、12.6%、8.9%和10.9%，T1、T2和T3处理间总腐殖酸含量无显著性差异，但T2(C/N=20)处理总腐殖酸含量显著高于C/N最高的T4和T5处理.相较于第0 d，各处理总腐殖酸含量分别下降了23.8%、15.1%、14.2%、29.2%和45.3%，以C/N=20的T2和C/N=25的T3处理降幅最小，C/N最高的T4和T5处理降幅最大.

图2 堆肥过程中总有机碳含量的变化Figure 2 Changes of total organic carbon during composting

图3 堆肥过程中总腐殖酸含量的变化Figure 3 Changes of total humus acid during composting

2.3.2 不同C/N堆肥中游离腐殖酸含量的变化 如图4所示，各处理游离腐殖酸含量的变化趋势与总腐殖酸相似，至第9天各处理游离腐殖酸含量均达到峰值，分别为14.7%、16.1%、16.5%、18.1%和16.8%，C/N最低的T1处理游离腐殖酸含量显著低于C/N=30的T4处理，其余处理间无显著性差异(P<0.05).随着堆肥过程的推进，游离腐殖酸含量不断降低，至第33 d达到最小值，各处理游离腐殖酸含量分别为4.9%、5.9%、7.7%、5.3%和6.6%，除C/N最低的T1和C/N=30的T4处理，其他处理间差异显著(P<0.05).之后，随着堆肥后熟过程的推进，游离腐殖酸含量有所回升，至堆肥结束(45 d),各处理游离腐殖酸含量分别为8.2%、12.5%、12.3%、7.8%和10.6%，T2和T3处理游离腐殖酸含量无显著性差异，但二者均显著高于T1和T4处理(P<0.05)，相较于第0 d，各处理游离腐殖酸含量降幅分别为39.9%、10.5%、16.8%、51.3%和29.1%.以C/N=20的T2和C/N=25的T3处理成品中游离腐殖酸含量最高，且在整个堆肥过程中，降幅也最小.

图4 堆肥过程中游离腐殖酸含量的变化Figure 4 Changes of the content of free humic acid during composting

2.3.3 不同C/N堆肥中胡敏酸含量的变化 如图5所示，不同C/N处理胡敏酸含量在堆肥前3 d均呈现下降趋势.至堆肥第3 d，各处理胡敏酸含量分别为1.5%、1.5%、1.9%、2.2%和1.8%，C/N最低的T1和T2处理其胡敏酸含量显著低于T3(C/N=25)和T4(C/N=30)处理(P<0.05).而后，随着堆肥过程的推进，胡敏酸含量缓慢上升，处理之间的差异也逐渐变小，至堆肥第42天，各处理间已无显著性差异(P<0.05).至堆肥结束(第45天)，各处理胡敏酸含量分别为2.4%、2.6%、2.5%、2.4%和2.4%，各处理间无显著性差异(P<0.05).但是相对于第0天，T1～T5处理胡敏酸含量增幅分别为36.8%、37.9%、32.0%、4.8%和8.5%，C/N最高的T4和T5处理胡敏酸增幅远小于其他处理.

图5 堆肥过程中胡敏酸含量的变化Figure 5 Changes of the content of humic acid?during composting

2.3.4 不同C/N堆肥中富里酸含量的变化 由图6可知，富里酸含量的变化趋势与胡敏酸相反.不同C/N处理富里酸含量在堆肥前3 d均呈现上升趋势，至第3天均达到峰值，各处理富里酸含量分别为2.2%、2.6%、2.6%、2.6%和2.9%，T3、T4和T5处理间无显著性差异，但是C/N最低的T1和T2处理富里酸含量显著低于C/N=25的T3和C/N=30的T4处理(P<0.05).随着堆肥过程的推进，肥堆中富里酸含量呈波动式下降.至堆肥结束，各处理堆肥成品中富里酸含量分别为0.7%、1.1%、0.6%、0.8%和0.9%，各处理间无显著性差异(P<0.05).与第0d相比，各处理富里酸含量降幅分别为67.7%、52.7%、75.4%、60.9%和56.9%，以C/N=25的T3处理富里酸含量降幅最大，说明在此C/N条件下更有利于肥堆中富里酸的稳定化.

图6 堆肥过程中富里酸含量的变化Figure 6 Changes of the content of fulvic acid during composting

2.4 不同C/N堆肥中腐殖化程度的评价

2.4.1 不同C/N对好氧堆肥过程中H/F的影响 由图7可知，随着堆肥过程的进行，各处理的H /F均呈上升趋势.在第36～45天，C/N=25的T3处理H/F始终显著高于其他处理(P<0.05).至堆肥结束(45 d)，各处理H/F分别为3.6、2.5、4.0、3.1和2.6，除C/N=20的T2和C/N最高的T5处理差异不显著，其余处理间差异均达显著水平(P<0.05).相较于第0天，T1～T5处理的H/F分别增加了4.2、2.9、4.5、2.7和2.5倍.在5个处理中，以C/N=25的T3处理堆肥产品H/F最高，增幅最大.

图7 堆肥过程中H/F的变化Figure 7 Changes of H/F during composting

2.4.2 不同C/N对好氧堆肥过程中PQ值的影响 如图8所示，在整个堆肥过程中，各处理PQ值均呈现上升趋势，各处理PQ值分别从第0天的45.8%、45.7%、47.5%、53.6%和50.6%，增加到第45天的77.0%、71.0%、80.1%、75.6%和72.0%，堆肥前后各处理PQ值均无显著性差异(P<0.05).在整个堆肥过程中，各处理PQ值的增幅分别为68.1%、55.4%、68.6%、41.0%和42.3%，以C/N=25的T3处理PQ值增幅最大.

2.4.3 不同C/N对好氧堆肥过程中HR值的影响 如图9所示，好氧堆肥中的HR值的变化趋势与总腐殖酸相似，分别在第6天和第9天达到峰值，随后缓慢下降.至第21天，部分处理出现第2次峰值，各处理HR值分别为66.0%、59.0%、52.0%、63.0%和54.0%，C/N最低的T1处理HR值显著高于T2、T3和T5处理，C/N=25的T3处理HR值显著低于T1、T2和T4处理(P<0.05).之后随着堆肥过程的推进，各处理HR值均于第33天降到最低，分别为34.3%、43.0%、34.0%、34.3%和37.0%，T1、T3和T4处理间无显著性差异，C/N最高的T5处理HR值显著高于T1、T3和T4处理，C/N=20的T2处理HR值显著高于其他处理(P<0.05).最后，随着腐殖化作用的进行，各处理HR值再次增大.至堆肥结束，各处理HR值分别为59.0%、62.0%、61.0%、41.3%和49.0%，T1、T2和T3处理间无显著性差异，C/N最高的T5处理HR值显著低于T1、T2和T3处理，C/N=30的T4处理HR值显著低于其他处理(P<0.05)，说明当堆体C/N大于30时，会显著降低堆肥产品中总腐殖酸占总有机碳含量的百分比，进而影响产品腐殖化程度.

图8 堆肥过程中PQ值的变化Figure 8 Changes of PQ during composting

3 讨论

好氧堆肥的碳素转化过程主要包括矿化和腐殖化2个阶段[22].矿化过程是指堆肥原料中大分子有机物被微生物利用分解的过程，肥堆中总有机碳含量会逐渐减少，减少的幅度因堆肥条件而异，尤其是以C/N的影响最大[23-24].在本试验中，总有机碳的降解主要发生在堆肥的前15 d，主要是因为随着堆肥过程的推进，肥堆中易被降解的含碳有机物含量不断减少，到了堆肥后期，微生物只能利用半纤维素、纤维素和木质素等较难分解利用的物质作为碳源，且随着堆体温度的降低，碳素物质的分解转化速率不断下降，总有机碳含量开始缓慢下降，与鲍艳宇和王义祥等[25-26]的研究结果相一致.试验结果显示，随着C/N增加，堆肥中总有机碳的降解率也不断升高，一方面可能是因为堆体初始C/N越高，堆肥原料中总有机碳含量就越高；另一方面则是因为堆体C/N越高，在整个堆肥过程中堆体的总积温就越高，肥堆中含碳有机物矿化越剧烈，碳素损失也就越严重.

图9 堆肥过程中HR值的变化Figure 9 Changes of HR during composting

腐殖化过程则是指微生物利用前期矿化产物再合成新的更稳定的腐殖质，并使其保蓄起来的过程[27].腐殖酸及其各组分是腐殖化过程中生成的最具代表性的次生产物，在整个堆肥过程中，腐殖酸及其各组分的形成和动态变化与堆肥的稳定性、腐熟程度等密切相关[28].有研究显示，原料成分、堆肥时间、堆置工艺、环境条件等都是影响肥堆中腐殖酸及其组分含量高低的因素[28-29]，但相关研究表明，腐殖酸及其各组分含量变化与堆体初始的C/N关系更加密切[30-32].本试验中各处理总腐殖酸含量均于第33 d降到最低值后有明显上升，可能是因为在第33d各处理的堆温都降至45 ℃左右，堆体进入后熟期，腐殖化作用强度远大于矿化作用.至堆肥结束，T1、T2和T3处理间总腐殖酸含量无显著性差异，但T2(C/N=20)处理的总腐殖酸含量显著高于C/N最高的T4和T5处理(P<0.05)，且在整个好氧堆肥过程中T4和T5处理总腐殖酸含量降幅也最大.这可能是因为C/N最高的2个处理中碳源过多，微生物需要经过更多次的代谢循环来氧化消耗掉过量的碳元素，直到堆体的C/N达到适宜其生长繁殖的范围，这就明显加剧了堆肥原料中腐殖酸的矿化分解作用[10-12]；另一方面，T4和T5处理过高的堆温既加剧了肥堆原料中腐殖酸的矿化，又影响了新腐殖酸的生成和积累.各处理游离腐殖酸含量变化情况与总腐殖酸相似，因为游离腐殖酸作为腐殖酸的主要组成部分，它的数量变化直接影响了腐殖酸总量的变化[33].至堆肥结束(45 d),C/N=20的T2和C/N=25的T3处理游离腐殖酸含量无显著性差异，但均显著高于T1和T4处理(P<0.05)，在整个堆肥过程中，T2和T3处理游离腐殖酸含量降幅也最低，说明当堆体C/N在20～25时更有利于肥堆中游离腐殖酸的产生和积累，这与马怀良等[33]的研究结果一致.

胡敏酸是一类含有羧基、酚羟基等多种功能基团的高分子聚合物[34]，施入农田后，对土壤结构的形成及养分保持具有重要意义[35].至堆肥结束(第45 d)，各处理胡敏酸含量间无显著性差异(P<0.05)，但是在整个堆肥过程中C/N最高的T4和T5处理胡敏酸含量增幅远小于其他处理，此结果与李映廷[36]的研究结果一致.这可能是因为堆体温度过高，一方面堆肥原料中的胡敏酸被大量矿化分解；另一方面，堆体中的各类小分子物质还未聚合成复杂的胡敏酸就已经被微生物分解利用了.富里酸是腐殖酸中活性较大、氧化程度较高的组分，其酸性和移动性均大于胡敏酸，对促进矿物的分解和养分的释放具有十分重要的作用[34].本试验中各处理富里酸含量变化趋势与胡敏酸相反，这是因为富里酸是胡敏酸的一阶分解产物，胡敏酸是富里酸的一阶合成产物，两者之间存在着一定的转化关系[37-38].各处理堆肥产品中富里酸含量间亦无显著性差异(P<0.05)，但是在整个堆肥过程中，C/N=25的T3处理胡敏酸含量降幅最大，这可能是因为在此C/N条件下，肥堆中微生物可以更好地将小分子的富里酸转化为复杂的胡敏酸.

腐殖化作用的程度对于堆肥产品的质量起决定性作用[37].近年来，国内外研究者对堆肥腐殖化程度评价指标进行了许多探讨，并提出一些评价标准[39-40].但由于不同的堆肥初始物料和环境存在差异，本试验选取了较具有代表性和普适性的3个参数来评价堆肥的腐殖化程度，以期得到更精准的结果.胡富比(H/F)是表征堆肥腐殖化程度的重要参数，能较好地描述堆肥过程中腐殖质组成和性质的变化，反映堆肥产品的品质优劣[27].在本试验中，C/N=25的T3处理其产品H/F不仅显著高于其他处理(P<0.05)，在整个堆肥过程中增幅也最大.PQ值是指胡敏酸占总腐殖酸含量的百分比，可用于表征堆肥的腐殖化程度[41].不同C/N堆肥产品PQ值虽无显著性差异，但是在整个堆肥过程中以C/N=25的T3处理PQ值增幅最大.H/F和PQ值的结果都表明C/N=25的T3处理其堆肥产品腐殖化程度最高，这可能是因为微生物分解有机物时，需要同化5份碳和1份氮来构成自身细胞体，而在吸收利用1份碳时需消耗4份有机碳来获取能量，最适宜微生物生长生活、分解有机物的C/N就在25左右[42].HR值是指总腐殖酸占总有机碳含量的百分比[43]，是评价堆肥腐殖化程度的重要指标[44].C/N最高的T4和T5处理堆肥产品HR值显著低于其他处理(P<0.05)，说明当堆体C/N大于30时，会显著降低堆肥产品中总腐殖酸占总有机碳含量的比例，进而影响堆肥产品的腐殖化程度.这可能是因为在堆肥过程中，C/N最高的T4和T5处理总腐殖酸含量降幅最大，或是肥堆中过量的碳素和过高的堆温使得堆体矿化作用强于腐殖化作用.

4 结论

1) 总有机碳的降解主要发生在堆肥的前15 d，且堆体初始C/N越高，总有机碳降解率越高，碳素损失越严重.

2) C/N显著影响了堆肥中总腐殖酸及游离腐殖酸含量的变化情况，当堆体C/N在20～25时，更有利于好氧堆肥中腐殖酸类物质的生成和积蓄.

3) 各处理堆肥产品中胡敏酸和富里酸含量均无显著性差异(P<0.05)，但是当堆体初始C/N在15～25时，更有利于整个堆肥过程中胡敏酸的生成和积蓄；当堆体初始C/N为25时，更有利于堆体中富里酸的稳定化.

4) 在本试验各处理产品中，以C/N=25的T3处理腐殖化程度最高；当堆体初始C/N>30时，会显著降低其产品中总腐殖酸占总有机碳含量的比例，进而影响堆肥产品的腐殖化程度.