添加不同粒徑炭基輔料改善豬糞好氧堆肥質(zhì)量的效果

王海候，何 胥，陶玥玥，金梅娟，陸長嬰，施林林，周新偉，沈明星※

（1. 江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部蘇州水稻土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，蘇州 215155；2. 江蘇省安豐生物源農(nóng)藥工程中心有限公司，太倉 215400）

0 引 言

好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無害化和資源化利用的一項(xiàng)重要技術(shù)途徑。自然狀態(tài)下，大部分畜禽糞便含水率較高（≥75%）、碳氮比低、結(jié)構(gòu)性差，在實(shí)際堆肥中，需添加一定量的輔料調(diào)節(jié)堆肥體的含水率、碳氮比及通氣性，促進(jìn)好氧堆肥的有效進(jìn)行[1-3]；另外，好氧堆肥有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化過程，會釋放大量含氮?dú)怏w（NH3、N2O等），導(dǎo)致堆體氮素養(yǎng)分流失[4-5]，造成環(huán)境污染及有機(jī)肥農(nóng)用價值降低[6]，添加輔料可緩解或減輕堆肥工程中氮素?fù)p失及有害氣體排放，提高堆肥質(zhì)量與處理效率[7]。國內(nèi)外有關(guān)堆肥輔料的研究已有許多報道，一致認(rèn)為輔料是快速堆肥必不可少的添加材料[8-11]。目前，從輔料是否參與發(fā)酵過程的角度，將輔料分為活性和惰性兩類[12]；活性輔料如秸稈、木屑、菌渣、生物質(zhì)炭、回流堆肥[13-16]等，主要用于調(diào)節(jié)堆肥物料碳氮比，但在改善堆體結(jié)構(gòu)方面的作用不明顯[12]；惰性輔料如粉煤灰、沸石、礦渣、合成調(diào)理劑（塑料）、CTB調(diào)理劑[17-19]等，可以有效改善堆體結(jié)構(gòu)，自身不被降解，回收利用率高，缺點(diǎn)是不能調(diào)節(jié)物料碳氮比[17]。為實(shí)現(xiàn)堆肥輔料兼?zhèn)湔{(diào)節(jié)堆肥物料化學(xué)性質(zhì)、改善堆體結(jié)構(gòu)的多樣性功能，筆者所在課題組利用樹枝等生態(tài)林地廢棄物，采用生物質(zhì)炭化設(shè)備，通過生物質(zhì)非充分炭化方法（即生物質(zhì)表層充分炭化，而內(nèi)部不完全炭化），創(chuàng)制了一種炭基輔料，該堆肥輔料呈粒塊狀，表層為生物質(zhì)炭，內(nèi)部仍然為木質(zhì)化結(jié)構(gòu)。為探討炭基輔料在堆肥中的應(yīng)用效果，本文將炭基輔料與豬糞、食用菌渣混合，采用模擬堆肥的方法，比較了 2種不同粒徑炭基輔料對堆肥溫度、氮素?fù)p失、種子發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)的影響，以期為堆肥質(zhì)量的提高及堆肥工藝的改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

豬糞取自太倉市浮橋鎮(zhèn)當(dāng)?shù)孛駹I養(yǎng)豬場，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.7 g/kg、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.64 g/kg、含水率為79.1%。食用菌渣取自太倉市四季食用菌有限公司，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.41 g/kg、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.03 g/kg、含水率為44.5%，菌包去除塑料袋后，機(jī)械粉碎并進(jìn)行3～5 mm過篩、備用。2種不同粒徑（1～2、6～7 cm）炭基輔料由項(xiàng)目組自制，原材料為園林廢棄修剪樹枝，由常熟市園林住建局提供；1～2 cm 炭基輔料選擇直徑 1～2 cm的廢棄樹枝進(jìn)行長度1～2 cm的切割，6～7 cm的炭基輔料選擇直徑6～7 cm的廢棄樹枝進(jìn)行長度6～7 cm的切割；然后分別置于裂解爐中（由張家港天源機(jī)械廠提供），在 650～750 ℃高溫、無氧條件下進(jìn)行不完全裂解處理，裂解時間為75～105 min，最后冷卻、備用。制備的炭基輔料見圖1a。

圖1 炭基輔料及堆肥反應(yīng)器示意圖Fig.1 Carbonaceous amendment and schematic of composting reactor

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 堆肥反應(yīng)器

如圖1b所示，反應(yīng)器呈立方體箱形，采用厚度為2 cm的PVC板，通過塑料焊條拼裝而成。反應(yīng)器底部靠近邊角處安裝4個活動輪（高度為25 cm）；底面為邊長100 cm的正方形，均勻分布直徑為2 cm的圓形通氣孔若干，通氣孔面積總和約為底部面積的1/3；為方便堆肥物料的裝卸操作，反應(yīng)器箱壁為方環(huán)體，分為 3層，每層環(huán)狀箱體的邊長為100 cm、高度33.3 cm，為保證箱壁的密封性，采用層層鑲嵌的方式疊起，形成一個立方體形堆肥箱；每層箱壁覆蓋海綿（厚度為15 mm）及鋁箔膠帶，在每層箱壁正中間布置1個測溫孔（直徑2 cm），反應(yīng)器頂部無蓋。反應(yīng)器堆肥時，安裝底部第1層，裝料完成后，再安裝第 2層并裝料，依次向上；當(dāng)翻堆卸料時，取下頂部第1層并鏟下物料，再進(jìn)行第2、3層，依次向下操作。

1.2.2 NH3揮發(fā)收集裝置

NH3揮發(fā)收集裝置[20]：底部為圓環(huán)形槽狀底座（高8 cm、槽深3 cm、圓環(huán)內(nèi)徑18 cm、圓環(huán)外徑22 cm）；中部為開口向下的圓柱形透明有機(jī)玻璃箱（直徑為20 cm，高度30 cm），玻璃箱內(nèi)部放置一個250 mL的玻璃燒杯，玻璃箱頂部設(shè)有 1個通氣孔；上部為通氣孔與乳膠軟管連接，乳膠軟管向上延伸至2.5 m高。

1.2.3 N2O氣體采集裝置

N2O氣體采集裝置：底部為方環(huán)形槽狀底座（高8 cm、槽深3 cm、方環(huán)內(nèi)邊長18 cm、方環(huán)外邊長22 cm）；上部是一個開口向下的長方體箱體（長 20 cm、寬20 cm、高30 cm，容積為12 L），采用厚度為1 cm的PVC板，通過塑料焊條拼裝而成; 在箱體其中一面的2/3高度正中間設(shè)置一個取氣孔，取氣孔用色譜級軟膠墊進(jìn)行密封處理；箱體外表用鋁箔膠帶進(jìn)行覆蓋處理。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制堆肥體C/N為20～25，盡可能采用炭基輔料替代常規(guī)輔料。試驗(yàn)設(shè)3個處理，分別用CK、B1、B2表示。CK為對照處理，即將豬糞與常規(guī)輔料（食用菌渣）混合物直接進(jìn)行堆制；B1、B2為添加2種粒徑的炭基輔料處理，即在對照基礎(chǔ)上分別將粒徑1～2、6～7 cm的炭基輔料替代60%的常規(guī)輔料（體積比）；每個處理重復(fù)3次。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年5月—7月，在太倉綠豐有機(jī)肥料有限公司進(jìn)行。堆肥采用靜態(tài)堆置高溫好氧發(fā)酵的方法。CK處理的堆制方法為：將豬糞與輔料按體積比1∶1進(jìn)行充分混合，即900 kg豬糞與540 kg食用菌渣充分混勻；B1處理的堆制方法為：900 kg豬糞與216 kg食用菌渣、237 kg炭基輔料（1～2 cm粒徑）充分混勻；B2處理的堆制方法為：900 kg豬糞與216 kg食用菌渣、195 kg炭基輔料（6～7 cm粒徑）充分混勻。上述3個處理的混合堆肥體控制堆肥體水分65%～70%，每個處理的堆肥物料按等量均分為3份，分別裝入3個堆肥反應(yīng)器內(nèi)（3次重復(fù)），稱量每個堆肥反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)量。當(dāng)堆體溫度超過75 ℃時或每隔7 d左右翻堆1次，采用人工將箱內(nèi)物料全部取出，充分混合并稱量每堆體物料質(zhì)量后再次裝箱；堆肥結(jié)束后，稱量堆肥物料的最終質(zhì)量。

1.5 測定指標(biāo)及方法

1.5.1 堆 溫

堆肥過程中，每天 10:00或 16:00左右，用長度為60 cm的紅水溫度計(jì)，插入堆肥體約30 cm深處測定堆溫，每堆體分布3個測定點(diǎn)，直至堆肥結(jié)束，同時測定氣溫，并按日期記錄溫度數(shù)據(jù)。

1.5.2 堆肥物料理化性狀

分別于堆制后第 1、3、8、14、21、30 天，每個堆肥反應(yīng)器內(nèi)多點(diǎn)取堆肥混合樣品 2 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室。堆肥樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分成3份：一份采用105 ℃烘干法測定堆肥樣品的水分，一份制取新鮮樣品的浸提液，一份置于陰涼處進(jìn)行風(fēng)干處理。浸提液的制取方法為：稱取鮮樣40 g放入塑料瓶中，加400 mL去離子水，蓋緊瓶蓋后置于振震器內(nèi)（150 r/min），振蕩浸提30 min后過濾，收集濾液并作好標(biāo)記。浸提液測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮（SKALA流動分析儀）、pH值（Inolab 720 pH計(jì)）、EC（DDS-11A電導(dǎo)率儀）等。風(fēng)干的堆肥樣品進(jìn)行100目粉碎后，測定全氮（濃硫酸-雙氧水消煮、凱氏定氮法）、有機(jī)碳（濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱，硫酸亞鐵滴定法）、灰分（馬弗爐550 ℃灼燒法，僅測定了第1天與第30天采集的樣品）。

1.5.3 氨揮發(fā)速率

堆肥開始后，將裝有50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%硼酸吸收液的玻璃燒杯，放入氨揮發(fā)收集裝置內(nèi)，每天觀察裝置內(nèi)硼酸的顏色變化，若顏色由紅變綠，則需置換硼酸溶液，置換下來的硼酸溶液用保鮮膜蓋好，帶回實(shí)驗(yàn)室立即用稀硫酸（0.05 mol/L）溶液進(jìn)行滴定分析，并記錄稀硫酸用量，直至堆肥結(jié)束。

1.5.4 氧化亞氮排放通量

采用靜態(tài)氣體采集箱-氣相色譜法。分別于堆肥開始后1、3、8、14、21、30 d進(jìn)行N2O氣體樣品采集與測定。于 9:00～11:00，各處理反應(yīng)器上安裝氣樣采集箱底座，蓋上氣體采集箱，水密封，于0、10、20、30 min后分別用針筒抽氣50 mL，轉(zhuǎn)移至100 mL鋁箔氣樣袋，待分析。每個反應(yīng)器重復(fù) 3次。利用氣相色譜儀（島津GC-14B）測定氣樣中N2O的濃度。

1.5.5 種子發(fā)芽指數(shù)

取堆肥后第21、30天的浸提液，待用。將一張大小合適的濾紙放入干凈無菌的培養(yǎng)皿（直徑9 cm）中，濾紙上整齊擺放20粒小白菜種子，準(zhǔn)確吸取8 mL浸提液于培養(yǎng)皿中，在25 ℃、黑暗條件下培養(yǎng)72 h，測定小白菜種子的發(fā)芽率和根長，同時用去離子水做空白對照。

1.5.6 炭基輔料回收率

堆肥結(jié)束后，將堆肥物料進(jìn)行過篩處理（2 cm孔徑），計(jì)量輔料的干基質(zhì)量，計(jì)算回收率。過篩后的炭基輔料回收、備用，堆肥制品進(jìn)入有機(jī)肥的后期處理工序。

1.6 計(jì)算方法

1）堆肥積溫[21]：T總（℃·h）=Σ（Ti-T0）×Δt，式中Ti為i時間的堆溫，℃；T0為堆肥中微生物大量繁殖時的起始溫度（生物學(xué)零度），℃；Δt為Ti持續(xù)的時間，h；以15 ℃作為堆肥反應(yīng)的生物學(xué)零度。

2）氨揮發(fā)累積量[20]：堆肥過程中每天氨揮發(fā)量的總和。ANH3累積揮發(fā)量（mg/kg）= ANH3揮發(fā)量1+ ANH3揮發(fā)量2+…+ANH3揮發(fā)量t；其中 ANH3揮發(fā)量為單日的氨揮發(fā)量，mg/kg；t為堆肥天數(shù)，d。

3）N2O 排放通量：F=ρ?V?(dc/dt) ×24 ×273/(273+T)/m。式中F為N2O氣體日均排放量，mg/(kg·d)；ρ為被測氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度（N2O為1.978 kg/m3）；V為取樣箱頂部空間的體積，m3；dc/dt為采樣箱內(nèi)被測氣體的濃度變化率；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃；m為堆體干基質(zhì)量，kg。

4）N2O排放累積量：將相鄰2次取樣時間點(diǎn)的N2O排放通量平均值與該段時間的乘積，得出某一時間段的N2O排放量，再將各時間段N2O排放量依次疊加。

5）氮素?fù)p失率[22]：根據(jù)堆制腐熟過程中灰分無損失（絕對量不變），推導(dǎo)氮素?fù)p失率的計(jì)算公式，N損失率(%)=(N0-H0/H30×N30)/N0×100%；式中 N0為堆肥開始前全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以干基計(jì)），%；H0為堆肥0天時灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；N30為堆肥為30 d時全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；H30為堆肥30 d時灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

6）C/N 變化率[23]：ηC/N=（C/N終-C/N初）/C/N終×100%。

7）種子發(fā)芽指數(shù)：GI=（堆肥浸提液處理種子發(fā)芽率×根長）/（對照種子發(fā)芽指數(shù)×根長）×100%。

8）輔料回收率：過篩后炭基輔料干基質(zhì)量與初始投入的炭基輔料干基質(zhì)量的比例。

1.7 不同處理效果的模糊評價方法

1）模糊評價因子

模糊評價是從多方面對事物進(jìn)行一個總的評價，使結(jié)果更加客觀，從而取得更好的實(shí)際效果[24-25]。為探討炭基輔料應(yīng)用于堆肥工程的適宜粒徑，本文以確保堆肥腐熟質(zhì)量為前提，兼顧氮素?fù)p失控制及炭基輔料的可回收再利用，選擇堆肥過程中初次升溫至55 ℃所需時間、氮素?fù)p失率、C/N變化率、種子發(fā)芽指數(shù)、輔料回收率5個指標(biāo)進(jìn)行評價。

2）模糊評價因子等級

根據(jù)不同處理各項(xiàng)評價因子的最小值與最大值，結(jié)合堆肥質(zhì)量各因子的表征特點(diǎn)，將不同處理的 5個指標(biāo)劃分為4個等級（1級、2級、3級、4級），各評價因子對應(yīng)的分級指標(biāo)如表1所示。

表1 各評價參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standard of evaluation parameters

3）每個因子的隸屬度函數(shù)模型

以初次升溫至55 ℃所需時間（單位d，以x表示）為例，分別建立隸屬度模型，如下所示：

式中y1、y2、y3、y4為評價因子不同等級隸屬度值，當(dāng)給定x后，采用以上隸屬函數(shù)求出初次升溫至55℃所需時間對各級堆肥效果的隸屬度，從而確定模糊評價的隸屬度矩陣R。其他評價指標(biāo)也按同樣的方法求出隸屬度函數(shù)并確定模糊評價矩陣。

4）評價因子權(quán)重

本文運(yùn)用的權(quán)重計(jì)算式為

式中 ai為第i種評價因子的權(quán)重； xi為第i種評價因子實(shí)測值；si為第i種評價因子分級標(biāo)準(zhǔn)平均值；n為評價因子個數(shù)。對于堆肥的 C/N變化率、種子發(fā)芽指數(shù)和輔料回收率越大越好，所以相應(yīng)權(quán)重取其倒數(shù)。計(jì)算出各因子權(quán)重后，組成權(quán)重模糊矩陣A={a1, a2,…, an}。

1.8 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010整理、SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、Origin 9.1pro完成畫圖。以炭基輔料粒徑為因子進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA，Dunnett’S t-test（2-sided）），利用多重比較（Duucan法）對處理組間的均值進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。以堆肥升溫至55 ℃所需時間、氮素?fù)p失率、C/N變化率、種子發(fā)芽指數(shù)、輔料回收率為評價指標(biāo)，進(jìn)行不同處理的模糊評價分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基輔料對堆肥溫度的影響

溫度是反映堆肥過程中微生物活動能力、有機(jī)物降解速率及是否達(dá)到無害化要求的一個重要過程參數(shù)[26]。由圖2可知，堆肥第1～7天，所有處理的溫度均開始上升，其中B2處理的堆溫上升較為迅速，在第3天即進(jìn)入高溫分解階段（＞55 ℃），在第5～7天維持在65 ℃左右；B1與CK處理的溫度在第1～7天均低于50 ℃，且兩者之間溫度差異不大。在堆肥第8～14天，3個處理的堆溫均快速上升，其中 B2處理的堆溫在第 11天達(dá)最高峰（76.15 ℃）、B1處理的堆溫在第 12天達(dá)最大值（73.85 ℃），之后呈下降的變化趨勢，且在這一階段，B1、B2處理的堆溫相近；而CK處理的堆溫呈直線上升的變化趨勢，但溫度尚未超過 60 ℃。在堆肥第 15～21天（即翻堆2次之后），B1、B2處理的堆溫呈下降的變化趨勢，B2處理的堆溫低于B1處理；CK處理的堆溫仍然呈上升的變化趨勢，CK處理的堆溫在第21天時超過了添加炭基輔料處理。在堆肥第22～28天，B1、B2處理的堆溫仍然呈下降的變化趨勢，且B2處理的堆溫低于B1處理的差距在逐漸擴(kuò)大；而CK處理的堆溫則明顯高于 B1、B2處理，CK處理的堆溫在第 24天達(dá)最大值（71.15 ℃）。3個處理的堆溫在 55 ℃以上保持了 16～20 d，符合堆肥無害化和堆肥腐熟條件的標(biāo)準(zhǔn)[27]。

進(jìn)一步分析堆肥體溫度特征（表 2），炭基輔料處理顯著減少了堆肥體初次升溫至55 ℃所需時間（P＜0.05）；與CK處理相比，B1、B2處理的堆肥體初次升溫至55 ℃所需時間減少了4～11 d；B2處理較B1處理的堆溫初次升溫至55 ℃的時間提前了7 d。堆肥過程中不同處理的最高堆溫均在70 ℃以上，B1、B2處理的最高堆溫較CK處理分別提高了 2.7，5 ℃，但差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。不同處理堆肥體在55 ℃以上維持的天數(shù)以B2處理最長，其次為CK處理，B1處理堆肥體55 ℃以上維持的天數(shù)較 B2處理減少了 4 d，但無差異顯著性（P＞0.05）。堆肥積溫兼顧了堆肥過程中的溫度強(qiáng)度和持續(xù)時間 2個參數(shù)，是判斷堆肥穩(wěn)定化的重要指標(biāo)，積溫達(dá)到10 000 ℃·h左右時，認(rèn)為堆肥穩(wěn)定化過程基本完成[21]。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同處理的堆肥體均完成了堆肥穩(wěn)定化過程，B1，B2處理的堆肥積溫顯著大于 CK 處理（P＜0.05），B2處理的堆肥積溫顯著大于B1處理（P＜0.05）。

圖2 堆肥過程中溫度變化Fig.2 Temperature dynamics during composting

表2 炭基輔料對堆體溫度特征的影響Table 2 Characteristics of composting temperature treated by carbonaceous amendment

2.2 炭基輔料對堆肥過程氮素?fù)p失的影響

2.2.1 氨揮發(fā)速率及累積量

由圖3a可知，炭基輔料處理對不同時間段的堆肥體氨揮發(fā)速率具有不同的作用效果。在堆肥第1～7 天，CK處理的氨揮發(fā)速率略高于B1、B2處理，B1、B2處理之間無明顯的差異性；在堆肥第8～21 天，CK處理的堆肥體氨揮發(fā)速率最大（13.72～26.99 mg/(kg·d)））、其次為B1處理的氨揮發(fā)速率（11.06～21.59 mg/(kg·d)）、B2處理的氨揮發(fā)速率最?。?0.28～13.96 mg/(kg·d)）；在堆肥第22～30 天，B1、B2處理的堆肥體氨揮發(fā)速率明顯小于CK處理，炭基輔料處理的氨揮發(fā)速率呈下降的變化趨勢，且B2處理的氨揮發(fā)速率小于B1處理，而CK處理的氨揮發(fā)速率仍總體呈上升的變化趨勢。

圖3 氨揮發(fā)速率和氨揮發(fā)累積量隨堆肥時間的變化Fig.3 Volatilization rate and accumulative amount of NH3 during composting process

不同處理的堆肥體氨揮發(fā)累積量見圖 3b，在堆肥后第1～7 天，3個處理的氨揮發(fā)累積量均快速上升，第7 天時，堆肥體氨揮發(fā)累積量由大到小依次為：CK、B2、B1處理，但差異不顯著（P＞0.05）；在堆肥后第8～14 天，CK處理的堆肥體氨揮發(fā)累積量增長迅速，且顯著高于B1、B2處理，而B1、B2處理之間的氨揮發(fā)累積量差異較小；在堆肥后第15～30 天，不同處理的氨揮發(fā)累積量差異逐漸增大，主要表現(xiàn)為CK處理＞ B1處理＞ B2處理，雖然 3個處理的氨揮發(fā)累積量呈上升趨勢，但 B1、B2處理的氨揮發(fā)累積逐漸呈平緩的上升趨勢，而CK處理的氨揮發(fā)累積量仍上升較快，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，堆肥第30 天時3個處理之間的氨揮發(fā)累積量差異性達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2.2.2 氧化亞氮排放通量及累積量

在整個堆肥進(jìn)程中，堆肥后期氧化亞氮排放通量大于前期，炭基輔料處理提高了堆肥體的氧化亞氮排放通量，B2處理的氧化亞氮排放通量在整個堆肥進(jìn)程中均高于B1處理的炭基輔料處理，且這種趨勢在堆肥后期更加明顯（圖4a）。

圖4 氧化亞氮排放通量和累積量隨堆肥時間的變化Fig.4 Emission rate and accumulative amount of N2O during composting process

堆肥體氧化亞氮排放累積量分析結(jié)果表明（圖4b），氧化亞氮在堆肥前期（第 1～14 天）累積量上升幅度小于堆肥后期（第 15～30 天）。統(tǒng)計(jì)分析表明，炭基輔料對堆肥 30 d后的氧化亞氮排放累積量存在顯著影響（P＜0.05），不同處理之間的氧化亞氮排放累積量由大到小依次為：B2處理、B1處理、CK處理。

2.2.3 堆肥過程中的全氮含量變化及氮素?fù)p失率

堆肥過程中堆肥體的全氮含量呈下降的變化趨勢（圖5a），堆肥第1～7 天的全氮含量下降幅度較大，隨后全氮含量下降幅度逐漸平緩。不同處理之間，CK處理的全氮含量低于B1、B2處理，B2處理的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于B1處理。根據(jù)堆制腐熟過程中灰分無損失（絕對量不變）計(jì)算堆肥體的氮素?fù)p失率[22]，由圖 5b可知，CK處理的氮素?fù)p失率最大，炭基輔料顯著降低了堆肥體的氮素?fù)p失率（P＜0.05），B1、B2處理的氮素?fù)p失率較CK處理分別降低了16.13%、22.81%，B2處理的氮素?fù)p失率小于B1處理，但差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。

圖5 堆肥過程中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化及氮素?fù)p失率Fig.5 Changes of total nitrogen content during composting and nitrogen loss rate after composting

2.3 炭基輔料對堆肥質(zhì)量的影響

2.3.1 堆肥過程中pH值、EC值變化

由圖 6a可知，堆肥過程中堆肥體的 pH值均在 7.0以上，且B1、B2處理的pH值總體上大于CK處理，而在第30天時，則相反；B1、B2處理之間，除第7天外，B1處理的pH值均大于B2處理；統(tǒng)計(jì)分析表明，不同處理之間的pH值無顯著性差異（P＞0.05）。

圖6 堆肥過程中pH值和EC值的變化Fig.6 Changes of pH and EC values during composting

EC值的變化趨勢反映了堆肥鹽分離子的濃度變化，而堆肥體中變化最大的離子為 NH4+和 NO3-，因此，堆肥中 EC值的變化在一定程度上反映堆肥中 NH4+-N和NO3--N的總量及其相互轉(zhuǎn)化程度，從而與堆肥氨揮發(fā)強(qiáng)度密切相關(guān)[28-29]。圖6b結(jié)果表明，B1、B2處理的EC值明顯低于CK處理，B1、B2處理之間，EC值變化無明顯的變化規(guī)律。

2.3.2 堆肥體C/N變化率、種子發(fā)芽指數(shù)

C/N是指堆肥固相中全碳和全氮的比值。由于受堆料組成及堆肥工藝的影響，C/N從堆肥初始到堆肥結(jié)束都有不同的變化，金龍等[23]認(rèn)為采用C/N變化率來表示有機(jī)固體廢棄物的腐熟程度較為合適。圖7a結(jié)果表明，添加炭基輔料提高了堆肥體的 C/N變化率，B1、B2處理的C/N變化率分別較CK處理提高了7.30%、30.27%，其中B2處理的C/N變化率顯著大于CK處理（P＜0.05）。

由圖7b可知，堆制21 d的堆肥浸提液種子發(fā)芽指數(shù)為54.43%～64.75%，堆制30 d的堆體浸提液種子發(fā)芽指數(shù)為67.51%～92.44%；炭基輔料有利于浸提液種子發(fā)芽指數(shù)的提高，不同處理的種子發(fā)芽指數(shù)由大到小依次為B2、B1、CK，堆肥30 d的堆體浸提液種子發(fā)芽指數(shù)差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

圖7 堆肥后C/N變化率和種子發(fā)芽指數(shù)Fig.7 C/N change rate and seed germination index after composting

2.3.3 炭基輔料回收率

堆肥結(jié)束后，將堆肥體進(jìn)行過篩處理，不同處理的回收率由大到小依次為：B2，B1，CK處理。CK處理的輔料為菌渣，其回收率極低（＜10%）；粒徑對輔料回收利用率具有顯著影響，B2處理的回收率(91.03%)顯著大于B1 處理的回收率(68.91%)（P＜0.05）。

圖8 堆肥后輔料回收率Fig.8 Recovery rate of carbonaceous amendment after composting

2.4 模糊綜合評價結(jié)果與分析

堆肥過程中初次升溫至 55 ℃所需時間、氮素?fù)p失率、C/N變化率、種子發(fā)芽指數(shù)、輔料回收率5個評價指標(biāo)的結(jié)果如表3所示。

表3 不同處理的評價因子Table 3 Evaluation factors of different treatments

隸屬度矩陣R與權(quán)重矩陣A的模糊復(fù)合運(yùn)算結(jié)果見表4。評價結(jié)果表明，CK處理中“1級（好）”與“2級（較好）”隸屬度均為0、“3級（一般）”隸屬度為0.147、“4級（差）”隸屬度為 0.853，根據(jù)最大隸屬原則，CK處理的堆肥效果等級為“4級（差）”；同理，B1處理的堆肥效果等級為“3級（一般）”、B2處理的堆肥效果等級為“1級（好）”?？梢?，與B1處理相比，B2處理在綜合堆肥質(zhì)量、保氮及回收利用方面具有優(yōu)勢。

表4 模糊評價結(jié)果Table 4 Results of fuzzy mathematics evaluation

3 討 論

3.1 炭基輔料對堆溫的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，與對照處理相比，豬糞堆肥中添加炭基輔料，可促進(jìn)堆溫快速上升，提高堆肥溫度，延長堆溫≥55℃的維持天數(shù)，增加堆肥積溫，其原因主要是在對照基礎(chǔ)上添加炭基輔料，增加堆體的自由空域[3]、改善堆體的通風(fēng)狀況[30]，堆料中氧氣含量充足，更有利于微生物活動，從而使物料分解反應(yīng)更加劇烈，產(chǎn)熱量更大[1,3]；然而，自由空域值并不是越大越好，王永江等研究認(rèn)為自由空域在一定范圍內(nèi)增大才會有利于有機(jī)質(zhì)的降解[31]，Huang等在總結(jié)大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為堆肥合適的自由空域值為30%[2]，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)B2處理的升溫、增溫效應(yīng)優(yōu)于 B1處理，說明豬糞堆肥工程中添加 6～7 cm粒徑規(guī)格的炭基輔料，其堆體中的自由空域值更接近適宜值。

3.2 炭基輔料對堆肥過程氮素?fù)p失控制的影響

添加生物質(zhì)炭可以減少堆肥過程的氮素?fù)p失[20]，許多研究結(jié)果均一致認(rèn)為生物質(zhì)炭能直接吸附銨態(tài)氮和氨氣等氮素物質(zhì)，降低堆體銨態(tài)氮濃度，進(jìn)而減緩氨氣的揮發(fā)損失[31]；劉寧等[32]通過分析好氧堆肥過程第1，7，14，28天的代表性生物質(zhì)炭掃描電鏡圖像，發(fā)現(xiàn)整個堆肥過程中生物質(zhì)炭的物理結(jié)構(gòu)并未明顯變化，但隨著堆肥的進(jìn)行，其內(nèi)部吸附的小顆粒逐漸增多并凝聚成較大的顆粒單元，佐證了氮素存在形態(tài)的物質(zhì)顆粒在生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行聚集或團(tuán)聚。本文采用的炭基輔料，其表層實(shí)質(zhì)為生物質(zhì)炭，僅在參與堆肥過程的形態(tài)規(guī)格上區(qū)別于常規(guī)的粉沫狀生物質(zhì)炭，試驗(yàn)結(jié)果表明，堆肥30 d后，B1、B2處理的堆肥體氮素?fù)p失率分別較對照降低了16.13%，22.81%；CK、B1與B2處理的氨揮發(fā)累積量分別為605.41，374.94，303.68 mg/kg，B1，B2處理的氨揮發(fā)累積量分別較對照降低了38.07%，49.84%；CK，B1與B2處理的氧化亞氮排放累積量分別為35.80，49.53，74.94 mg/kg，B1，B2處理的氧化亞氮排放累積量分別較CK增加了38.35%，109.33%；其中炭基輔料對氨揮發(fā)損失控制的作用與前人研究結(jié)果一致[20,33-34]，雖然炭基輔料增加了堆肥體氧化亞氮的排放量，但排放量數(shù)值明顯小于氨揮發(fā)數(shù)值，因此添加炭基輔料仍然表現(xiàn)出對堆體氮素?fù)p失控制的正向作用。另外，堆肥1～14 d的氧化亞氮排放通量較低，15～30 d的氧化亞氮排放通量明顯快速上升，主要是因?yàn)?～14 d是堆肥高溫期，硝化細(xì)菌的生長繁殖受到抑制，之后堆溫逐漸下降，硝化作用增強(qiáng)[33]；生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)會在高溫階段為微生物提供一個相對適宜的低溫環(huán)境，以此作為其抵御外部惡劣環(huán)境的庇護(hù)場所[34]，可能是添加炭基輔料處理在整個堆肥過程中氧化亞氮排放通量大于對照的主要原因，并且高溫條件可促進(jìn)有機(jī)物料降解，同時釋放氧化亞氮[35]，從而表現(xiàn)出B2處理的氧化亞氮排放通量大于B1處理。

3.3 炭基輔料對堆肥質(zhì)量的影響

腐熟堆肥體pH值的安全標(biāo)準(zhǔn)為7.0～9.0[36]。由于生物質(zhì)炭呈堿性，添加炭基輔料提高了豬糞堆肥體pH值，但pH值仍在腐熟標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。EC值反映了堆肥中可溶性鹽的含量，堆肥中EC值高于4 mS/cm時，會對植物生長產(chǎn)生負(fù)面影響[27]，炭基輔料明顯降低了豬糞堆肥體EC值，這可能與生物質(zhì)炭的吸附同化作用有關(guān)[31]。種子發(fā)芽試驗(yàn)是反映堆肥產(chǎn)品植物毒性最敏感、有效的方法，隨著堆肥物料中有毒物質(zhì)的分解，發(fā)芽率逐漸升高[32]，種子發(fā)芽指數(shù)大于 50%的堆肥產(chǎn)品被認(rèn)為基本已無毒害，種子發(fā)芽指數(shù)大于80%的堆肥產(chǎn)品達(dá)到完全腐熟[37]，炭基輔料處理的豬糞堆肥體種子發(fā)芽指數(shù)均高于對照處理，且大于 80%，主要原因是炭基輔料調(diào)節(jié)了豬糞堆肥體的自由空域，給微生物活動提供了更適宜的環(huán)境，提高了有毒物質(zhì)的降解程度，減少了堆體內(nèi)的有毒物質(zhì)積累[33]。可見，添加炭基輔料可以促進(jìn)豬糞堆肥產(chǎn)品的腐熟及質(zhì)量提升。另外，生豬養(yǎng)殖過程一般采用水沖洗的方式清除糞便，豬糞呈流動態(tài)，在豬糞有機(jī)肥料實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常采用增加輔料用量來降低含水率，輔料添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)堆肥體碳氮比的需求量，導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品的氮磷鉀等養(yǎng)分相對含量偏低。炭基輔料在堆肥結(jié)束后過篩，一方面可以實(shí)現(xiàn)輔料的循環(huán)利用，減少常規(guī)輔料的供應(yīng)壓力，另一方面減少了留在堆肥產(chǎn)品中的輔料量，提高了堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分的相對含量。

4 結(jié) 論

1）在豬糞好氧堆肥過程中，與CK處理(豬糞與食用菌渣混合物進(jìn)行堆制)相比，添加炭基輔料促進(jìn)了堆肥初期的溫度快速上升，縮短了溫度達(dá) 55 ℃以上的升溫時間，并增加了堆溫≥55 ℃的維持時間；B2處理(粒徑6～7 cm粒徑炭基輔料替代CK處理 60%的食用菌渣)對豬糞堆肥體的促升溫、增溫效應(yīng)大于 B1處理(粒徑 1～2 cm炭基輔料替代CK處理60%的食用菌渣)。

2）與CK處理相比，B1、B2處理提高了堆肥體N2O排放、降低了堆肥體NH3揮發(fā)，由于N2O排放累積量增加幅度小于NH3揮發(fā)累積量的降低幅度，B1、B2處理的氮素?fù)p失率仍較CK處理降低了16.13%～22.18%，氮素?fù)p失的減控主要是NH3揮發(fā)的有效控制。

3）堆肥結(jié)束后，B1、B2處理的堆肥體pH值、EC值均在有機(jī)肥安全標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到完全腐熟的標(biāo)準(zhǔn)，B2處理的的回收率為91.03%、B1處理的回收率為68.91%。

4）綜合堆肥質(zhì)量、保氮及回收利用等方面指標(biāo)，模糊數(shù)學(xué)評價結(jié)果表明，B2處理的堆肥效果優(yōu)于B1處理；應(yīng)用炭基輔料改善豬糞高溫好氧堆肥技術(shù)工藝，其適宜粒徑規(guī)格為6～7 cm。

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