不同堆肥方式對(duì)氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響

李群良，王　星，黃逸鑫，張艷玉，何查霖，何曙光

(1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧 530004；2.廣西來(lái)源生物科技有限公司,廣西 南寧 530008)

廣西是甘蔗生產(chǎn)大省，會(huì)產(chǎn)生大量的甘蔗葉等廢棄物。甘蔗葉的傳統(tǒng)利用方法主要是作為燃料，不僅利用率很低，而且會(huì)產(chǎn)生CO2等溫室氣體污染大氣。廣西的奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)也比較發(fā)達(dá)，產(chǎn)生的牛糞往往不經(jīng)過(guò)處理露天堆放，嚴(yán)重污染環(huán)境。對(duì)于這些有機(jī)廢棄物來(lái)說(shuō)，堆肥法是目前最常用的資源化、無(wú)害化處理的有效方法[1-2]。其基本過(guò)程是將不同的有機(jī)固體廢棄物以一定比例混合，控制初始發(fā)酵條件以適于微生物生長(zhǎng)，并通過(guò)微生物降解作用使有機(jī)物達(dá)到穩(wěn)定，所產(chǎn)生的堆肥可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。成熟的堆肥產(chǎn)品作為一種優(yōu)質(zhì)的肥料，不僅可以促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，而且可以改善土壤的理化性質(zhì)，減少化肥對(duì)土壤的危害[3]。

氮是堆肥有機(jī)肥料中主要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，堆肥過(guò)程中的氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律是目前的研究重點(diǎn)。堆肥pH值、溫度、含氧量、堆肥原料和堆肥方式等都會(huì)影響堆肥過(guò)程中氮的轉(zhuǎn)化[4-6]。研究表明，在糞便中加入一些調(diào)理劑會(huì)減少堆肥過(guò)程中的氮損失[7]。通風(fēng)堆肥方式經(jīng)常用于好氧堆肥發(fā)酵[8-10]，與傳統(tǒng)的翻堆發(fā)酵法相比，通風(fēng)堆肥法的氮素轉(zhuǎn)化規(guī)律值得深入研究。作者以廣西境內(nèi)甘蔗葉和牛糞兩種廢棄物進(jìn)行堆肥化處理，通過(guò)測(cè)定堆肥過(guò)程中理化指標(biāo)的變化，研究通風(fēng)堆肥與翻堆堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程的差異性。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　堆肥物料特性

堆肥物料最適C/N值為25～35，最適水分含量依據(jù)堆肥粒徑的大小而不同，本次堆肥的最適水分含量為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

指標(biāo)甘蔗葉牛糞混合料水分含量/%102881007333C/N值600021602845

1.2　堆肥方法

將粉碎的甘蔗葉與牛糞以1∶3的質(zhì)量比混合，加入一定量的水后人工攪拌至甘蔗葉與牛糞充分混合。將混合后的物料均分為2份，每份質(zhì)量為25.5 kg。其中一份進(jìn)行翻堆發(fā)酵：將物料放入長(zhǎng)60 cm、寬65 cm、高120 cm的發(fā)酵罐中，不壓實(shí)，物料高度約為110 cm，保持自然狀態(tài)，每7 d翻堆1次，翻堆在上午取樣之前進(jìn)行，翻堆后取樣；另一份進(jìn)行通風(fēng)發(fā)酵：將物料放入堆肥發(fā)酵罐中，不壓實(shí)，密封后使用空氣壓縮機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，通風(fēng)量為2 L·min-1，每6 h通風(fēng)30 min，不干擾取樣的進(jìn)行。

1.3　堆肥取樣

分別在堆肥第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左右取樣。取樣位置在物料的正中心，深度分別約為30 cm和60 cm處，每處取樣約200 g，之后在干凈的塑料盆中充分混合，取其中約100 g保存，并將其余的樣品重新放回發(fā)酵罐。將取出的100 g樣品分成4份，其中3份用密封袋封裝于-20 ℃保存，另1份進(jìn)行pH值、水分、有機(jī)質(zhì)以及總氮含量測(cè)定。堆肥完成后，每次取出1批保存的樣品進(jìn)行氨氮、硝態(tài)氮以及亞硝態(tài)氮含量的測(cè)定。

1.4　測(cè)定方法

(1)氨氮含量、亞硝態(tài)氮含量的測(cè)定采用中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 634-2012。

(2)有機(jī)質(zhì)含量、總氮含量的測(cè)定采用中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2012。

(3)硝態(tài)氮含量的測(cè)定采用改進(jìn)的紫外分光光度法。

2　結(jié)果與討論

2.1　堆肥過(guò)程中溫度、pH值、有機(jī)質(zhì)含量及水分含量的變化(表2)

表2堆肥過(guò)程中理化性質(zhì)的變化

Tab.2Thevariationofphysicochemicalpropertiesduringcomposting

堆肥方式溫度/℃1d7d17d32dpH值1d7d17d32d有機(jī)質(zhì)含量/%1d7d17d32d水分含量/%1d7d17d32d通風(fēng)堆肥33444047836979290283477969596896599550677333719372146938翻堆堆肥35949249939480190080876669596632452839467333708874447746

由表2可以看出：

(1)在相同的發(fā)酵原料以及外界條件下，堆肥7 d時(shí)兩種堆肥方式都達(dá)到高溫階段，此時(shí)通風(fēng)堆肥溫度為44.0 ℃、翻堆堆肥溫度為49.2 ℃；整個(gè)堆肥過(guò)程中，通風(fēng)堆肥和翻堆堆肥的最高溫度分別為47.8 ℃和49.9 ℃，且通風(fēng)堆肥的溫度普遍低于翻堆堆肥2.1～5.2 ℃；堆肥17 d后溫度開(kāi)始下降，堆肥達(dá)到腐熟階段，堆肥32 d時(shí)溫度降到40 ℃以下，堆肥再次回到中溫階段。造成溫度差異的原因可能是在通風(fēng)過(guò)程中，隨著空氣流動(dòng)，堆料中的部分熱量被帶走。

(2)堆肥過(guò)程中，pH值的變化在合理的范圍之內(nèi)，最適合微生物生長(zhǎng)的pH值為6.5～8.5，最終pH值呈弱堿性。

(3)堆肥過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)的含量逐漸下降，翻堆堆肥的有機(jī)質(zhì)含量由最初的69.59%降至39.46%，下降了30.13 %；通風(fēng)堆肥的有機(jī)質(zhì)含量由最初的69.59%降至50.67%，下降了18.92%。說(shuō)明翻堆堆肥過(guò)程中微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解率較高。

(4)通風(fēng)堆肥過(guò)程中水分的損失量總體大于翻堆堆肥。一般情況下水分損失主要是由于高溫蒸發(fā)，通風(fēng)會(huì)加快這個(gè)過(guò)程。在通風(fēng)堆肥過(guò)程中，水分含量由最初73.33%下降到71.93%，之后又上升到72.14%，最終的水分含量為69.38%，整個(gè)過(guò)程中水分含量的變化不大，基本保持在70%左右。在翻堆堆肥過(guò)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%，最終水分含量為77.46%?？赡苁且?yàn)閯傞_(kāi)始時(shí)，水分的蒸發(fā)量大于微生物活動(dòng)產(chǎn)生的水分量，之后，微生物活動(dòng)產(chǎn)生的水分量漸漸大于水分的蒸發(fā)量，水分含量開(kāi)始上升。翻堆堆肥水分含量變化的總趨勢(shì)是上升的，最終水分含量上升了4.13%。

2.2　堆肥過(guò)程中C/N值的變化(圖1)

圖1　堆肥過(guò)程中C/N值變化曲線

由圖1可以看出,不同堆肥方式的C/N值均呈下降趨勢(shì)：通風(fēng)堆肥過(guò)程中，C/N值先由28.76下降到23.43，然后開(kāi)始上升，到第7 d時(shí)上升到最大值28.34，之后開(kāi)始下降，最終值為14.34，較最初下降了14.42；翻堆堆肥過(guò)程中，C/N值先逐漸上升，第5 d時(shí)由最初的28.76上升到最大值31.79，之后開(kāi)始下降，最終值為8.87，較最初下降了19.89。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)堆肥中C/N值的下降程度及下降趨勢(shì)均小于翻堆堆肥。C/N值下降的原因是，堆肥過(guò)程中有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的CO2揮發(fā)造成碳損失，而氮損失主要是因?yàn)榘?、一氧化二氮和氮?dú)獾膿]發(fā)，其損失量小于碳的損失量，所以最終的C/N值會(huì)下降。

2.3　堆肥過(guò)程中氮元素的變化

2.3.1堆肥過(guò)程中氨氮含量變化曲線(圖2)

圖2　堆肥過(guò)程中氨氮含量變化曲線

由圖2可以看出：兩種堆肥方式最初的氨氮含量相差很小，通風(fēng)堆肥為1 465 mg·kg-1，翻堆堆肥為1 411 mg·kg-1；通風(fēng)堆肥過(guò)程中，氨氮含量在第3 d時(shí)上升到1 576 mg·kg-1，之后在第5 d時(shí)下降到333.8 mg·kg-1，然后又開(kāi)始上升，第9 d時(shí)上升到662.6 mg·kg-1，之后又下降到23.3 mg·kg-1，最終穩(wěn)定在20～30 mg·kg-1之間。在此過(guò)程中，氨氮含量有2個(gè)峰值，并在第13 d達(dá)到穩(wěn)定值；翻堆堆肥過(guò)程中，氨氮含量逐漸下降，第7 d時(shí)由最初的1 411 mg·kg-1下降到144.5 mg·kg-1，第9 d時(shí)又上升到373.6 mg·kg-1，在第13 d時(shí)下降到35 mg·kg-1左右，最后穩(wěn)定在30～60 mg·kg-1之間。高溫階段的氨氮含量較低溫階段高得多。相對(duì)于通風(fēng)堆肥來(lái)說(shuō)，翻堆堆肥的氨氮含量最初是下降的，且在1～13 d時(shí)始終低于通風(fēng)堆肥的氨氮含量，之后開(kāi)始高于通風(fēng)堆肥，但最終含量相差很小，只有10～30 mg·kg-1左右。通風(fēng)堆肥過(guò)程中氨氮含量高于翻堆堆肥的原因可能是其氧氣量比較充足。兩種堆肥過(guò)程中氨氮含量的變化趨勢(shì)與常勤學(xué)等[11]的測(cè)定結(jié)果一致。

2.3.2堆肥過(guò)程中亞硝態(tài)氮含量變化曲線(圖3)

由圖3可以看出：通風(fēng)堆肥過(guò)程中，最初亞硝態(tài)氮含量為320 mg·kg-1，第3 d時(shí)下降到297 mg·kg-1，第9 d時(shí)上升到497 mg·kg-1，之后保持下降趨勢(shì)，最終亞硝態(tài)氮含量為279 mg·kg-1；翻堆堆肥過(guò)程中，最初亞硝態(tài)氮含量為606 mg·kg-1，第3 d上升到722.9 mg·kg-1，第7 d時(shí)達(dá)到最大值770 mg·kg-1，之后開(kāi)始下降，最終亞硝態(tài)氮含量為313 mg·kg-1。兩種堆肥方式的亞硝態(tài)氮初始含量差別較大，可能是由于堆肥發(fā)酵樣品混合不均所致。在堆肥過(guò)程的前7 d，通風(fēng)堆肥的亞硝態(tài)氮含量低于翻堆堆肥約300 mg·kg-1，之后反而高于翻堆堆肥，最終的亞硝態(tài)氮含量相差約34 mg·kg-1。

圖3　堆肥過(guò)程中亞硝態(tài)氮含量變化曲線

2.3.3堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量變化曲線(圖4)

圖4　堆肥過(guò)程中硝態(tài)氮含量變化曲線

由圖4可以看出：堆肥初始階段的硝態(tài)氮含量為170 mg·kg-1。通風(fēng)堆肥過(guò)程中，硝態(tài)氮含量在第3 d時(shí)上升到285 mg·kg-1，第5 d時(shí)下降到236 mg·kg-1，之后開(kāi)始上升，第13 d時(shí)又下降，此時(shí)硝態(tài)氮含量為315 mg·kg-1，之后又逐漸上升，最終硝態(tài)氮含量為493 mg·kg-1，為最大值；翻堆堆肥過(guò)程中，硝態(tài)氮含量在第3 d時(shí)達(dá)到一個(gè)小峰值205 mg·kg-1，第9 d時(shí)降至最小值165 mg·kg-1，之后開(kāi)始上升，第17 d時(shí)又降至245 mg·kg-1，之后又逐漸上升，最終硝態(tài)氮含量為453 mg·kg-1。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)堆肥過(guò)程中，硝態(tài)氮含量總體呈上升趨勢(shì)，通風(fēng)堆肥的硝態(tài)氮含量始終高于翻堆堆肥的硝態(tài)氮含量，兩者分別有2次含量下降階段，但是下降的時(shí)間不同。硝態(tài)氮含量總的變化趨勢(shì)是上升的。

2.4　討論

堆肥是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不同的堆肥條件和堆肥方式會(huì)導(dǎo)致堆肥過(guò)程中物理化學(xué)變化的不同[12]，堆肥過(guò)程中的微生物有成千上萬(wàn)種，堆肥不同階段的微生物的種類和數(shù)量不同，同時(shí)由于發(fā)酵條件不同，微生物的活動(dòng)狀況也有很大差異[13-14]，微生物的活動(dòng)直接決定了堆肥過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化狀態(tài)[15-16]，而微生物的活動(dòng)受到堆肥方式的影響，所以通過(guò)控制堆肥方式可以控制堆肥過(guò)程中的氮素轉(zhuǎn)化狀態(tài)。

隨著堆肥的進(jìn)行，堆料中的有機(jī)氮會(huì)被微生物轉(zhuǎn)化成氨氮，一部分揮發(fā)掉，一部分轉(zhuǎn)化為其它形式的氮。與翻堆堆肥相比，通風(fēng)堆肥前期，氨氮和硝態(tài)氮的含量較高、亞硝態(tài)氮含量較低，說(shuō)明在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氨氮較多，在轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氮之后迅速轉(zhuǎn)化成為硝態(tài)氮的原因可能是，通風(fēng)堆肥過(guò)程中的氧氣含量比較充足，促進(jìn)了堆料中的蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生氨以及氨的氧化轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。翻堆堆肥過(guò)程中的溫度較高，不利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)氧氣含量較少，不利于蛋白質(zhì)或氨基酸的分解氧化，因此亞硝態(tài)氮含量較高。后續(xù)可以通過(guò)檢測(cè)溶氧量深入研究。翻堆堆肥的C/N值和有機(jī)質(zhì)含量下降幅度都大于通風(fēng)堆肥，說(shuō)明翻堆堆肥過(guò)程中總氮的減少量較多，而硝化作用的強(qiáng)弱與氨氮的排放呈正相關(guān)[17]可解釋這一現(xiàn)象。

3　結(jié)論

(1)通風(fēng)堆肥和翻堆堆肥相比，通風(fēng)堆肥溫度較低，pH值變化差異不大，翻堆堆肥的最終水分含量比最初高4%左右，通風(fēng)堆肥的最終水分含量較最初下降4%左右。說(shuō)明堆肥方式不同，堆肥過(guò)程中物理特性變化規(guī)律不同。

(2)兩種堆肥方式的C/N值都呈下降趨勢(shì)，翻堆堆肥過(guò)程中C/N值的下降較大，同時(shí)有機(jī)質(zhì)含量下降也較大，說(shuō)明翻堆堆肥過(guò)程中氮的損失較大。

(3)在32 d的堆肥過(guò)程中，前13 d通風(fēng)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翻堆堆肥的亞硝態(tài)氮含量高于通風(fēng)堆肥，之后相反；整個(gè)堆肥過(guò)程中通風(fēng)堆肥的硝態(tài)氮含量均高于翻堆堆肥，說(shuō)明不同的堆肥方式對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化有顯著影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]白烏云,張寶林,塔娜,等.有機(jī)固體廢棄物資源化利用探究[J].北方環(huán)境,2013,29(3):76-77.

[2]RASHAD F M,SALEH W D,MOSELHY M A.Bioconversion of rice straw and certain agro-industrial wastes to amendments for organic farming systems:Composting,quality,stability and maturity indices[J].Bioresource Technology,2010,101(15):5952-5960.

[3]侯云鵬,秦裕波,尹彩俠,等.生物有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用及發(fā)展趨勢(shì)[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,34(3):28-29,64.

[4]TANG J C,SHIBATA A,ZHOU Q,et al.Effect of temperature on reaction rate and microbial community in composting of cattle manure with rice straw[J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2007,104(4):321-328.

[5]ZENG Y,de GUARDIA A,ZIEBAL C,et al.Impact of biodegradation of organic matters on ammonia oxidation in compost[J].Bioresource Technology,2013,136:49-57.

[6]BERNAL M P,KIRCHMAN H.Carbon and nitrogen mineralization and ammonia volatilization from fresh,aerobically and anaerobically treated pig manure during incubation with soil[J].Biology and Fertility of Soils,1992,13(1):135-141.

[7]MAHIMAIRAJA S,BOLAN N S,HEDLEY M J,et al.Losses and transformation of nitrogen during composting of poultry manure with different amendments:An incubation experiment[J].Bioresource Technology,1994,47(3):265-273.

[8] 魏源送,李承強(qiáng),樊耀波,等.不同通風(fēng)方式對(duì)污泥堆肥的影響[J].環(huán)境科學(xué),2001,22(3):54-59.

[9] 沈玉君,李國(guó)學(xué),任麗梅,等.通風(fēng)對(duì)堆肥供氧的影響及堆高優(yōu)化研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(11):171-175.

[10]EKINCI K,KEENER H M,AKBOLAT D.Effects of feedstock,airflow rate,and recirculation ratio on performance of composting systems with air recirculation[J].Bioresource Technology,2006,97(7):922-932.

[11]常勤學(xué),魏源送,劉俊新.通風(fēng)控制方式對(duì)動(dòng)物糞便堆肥過(guò)程中氮、磷變化的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(5):732-738.

[12]DIAZ M J,MADEJON E,LOPEZ F,et al.Composting of vinasse and cotton gin waste by using two different systems[J].Resources Conservation and Recycling,2002,34(4):235-248.

[13]向燕,李建光,關(guān)梅,等.好氧氨氧化微生物生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(9):115-120.

[14]ZENG G M,ZHANG J C,CHEN Y N,et al.Relative contributions of archaea and bacteria to microbial ammonia oxidation differ under different conditions during agricultural waste composting[J].Bioresource Technology,2011,102(19):9026-9032.

[15]MAEDA K,HANAJIMA D,TOYODA S,et al.Microbiology of nitrogen cycle in animal manure compost[J].Microbial Biotechnology,2011,4(6):700-709.

[16]HIMANEN M,HANNINEN K.Composting of bio-waste,aerobic and anaerobic sludges-effect of feedstock on the process and quality of compost[J].Bioresource Technology,2011,102(3):2842-2852.

[17]ZENG Y,de GUARDIA A,DAUMOIN M,et al.Characterizing the transformation and transfer of nitrogen during the aerobic treatment of organic wastes and digestates[J].Waste Management,2012,32(12):2239-2247.