碳氮比對雞糞堆肥腐熟度和臭氣排放的影響

馬若男，李丹陽，亓傳仁，李國學(xué)，王國英，劉 燕，孫少澤，袁 京

碳氮比對雞糞堆肥腐熟度和臭氣排放的影響

馬若男，李丹陽，亓傳仁，李國學(xué)，王國英，劉 燕，孫少澤，袁 京※

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點實驗室，北京 100193）

為確定雞糞堆肥最優(yōu)碳氮比（C/N比），該研究以新鮮雞糞為堆肥原料，添加玉米秸稈調(diào)節(jié)初始C/N比為14、18和22進行好氧堆肥，研究不同C/N比對雞糞堆肥腐熟度和臭氣排放（NH3和H2S）的影響。結(jié)果表明：C/N比為14的處理堆肥產(chǎn)品未腐熟，C/N比為18和22的處理均達到腐熟。C/N比為18的處理NH3累積排放量和總氮（TN）損失率最高；C/N比為18～22時，C/N比越高，NH3累積排放量和TN損失率越低。C/N比為14的處理H2S累積排放量和總硫（TS）損失率最高；C/N比為18和22的2個處理，H2S累積排放量顯著降低，且無顯著差異。此外，C/N比為18處理的微生物群落多樣性在整個堆肥過程中顯著高于C/N比為14和22處理。堆肥的理化指標、臭氣排放與微生物群落之間的相關(guān)性分析表明，高溫、高pH值和缺氧環(huán)境會增加豐度，進而促進NH3和H2S的排放，相反地，低溫、低pH和氧氣充足的環(huán)境更有利于增殖，有利于減少NH3和H2S的排放。綜合考慮堆肥產(chǎn)品腐熟度和臭氣減排效果，建議低C/N比雞糞堆肥的初始C/N比為18～22。當秸稈資源不足時，建議初始C/N比為18；秸稈資源充足時，建議初始C/N比為22。

糞；堆肥；揮發(fā)性物質(zhì) ；C/N比；腐熟度；臭氣排放；微生物群落

0 引 言

近年來，中國居民生活水平不斷提高，對肉、蛋類食品的需求也迅速增加。截至2018年，中國禽類肉和蛋類的人均消費量分別達9.0和9.7 kg，與2013年相比，分別增加了25.0%和18.3%[1]。因此，畜禽養(yǎng)殖糞污的排放量也顯著增加。2017年中國畜禽糞污產(chǎn)生量約38億t，其中家禽糞污產(chǎn)生量約6億t，占總量的16%[2]。畜禽糞污的不合理處理不僅會對環(huán)境造成污染，而且會對人類和動物健康形成潛在的風(fēng)險[3]。然而，畜禽糞便中含有豐富的氮磷鉀、有機物、微量元素等營養(yǎng)成分，是一個巨大的資源庫，尤其是雞的消化系統(tǒng)決定了雞飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)約有40%～70%隨糞便排出體外[4]。而高溫好氧堆肥技術(shù)可以實現(xiàn)畜禽糞便的無害化、減量化和資源化，將畜禽糞便轉(zhuǎn)化為富含腐殖酸、有益根際微生物的有機肥[5]。

影響堆肥過程的主要因素包括環(huán)境條件（溫度、含水率、pH值、通風(fēng)等）和物料特性（C/N比、顆粒大小、養(yǎng)分含量、孔隙度等）[6]。其中，堆肥物料C/N比會影響微生物代謝，是影響堆肥有效進行和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素[7]。傳統(tǒng)理論認為微生物生長發(fā)育和繁殖最適C/N比為20～35。C/N比太高使得氮素不足，限制微生物生命活動，減緩堆肥反應(yīng)進程[8]；C/N比太低會造成碳素不足，多余氮素以NH3或者滲濾液的形式損失[9]。畜禽糞便自身氮素含量較高，其堆肥中通常添加輔料來提高C/N比，最優(yōu)C/N比因原始物料性質(zhì)不同而并不完全一致[10-11]。

目前，關(guān)于C/N比對堆肥腐熟度和堆肥品質(zhì)的影響已有較多研究。Zhou等[12]以豬糞和食用菌渣、米糠為原料，探究C/N比對氮素損失和堆肥品質(zhì)的影響，建議最優(yōu)C/N比為20～25。張紅玉等[13]研究了C/N比對廚余垃圾堆肥腐熟度的影響，建議采用C/N比為17的方案，若秸稈資源豐富可采用C/N比為19的方案。趙建榮等[14]發(fā)現(xiàn)，以雞糞和小麥秸稈為原料，C/N為25的堆肥腐熟度和養(yǎng)分含量較高。陳雅娟等[15]研究了不同C/N比對雞糞堆肥中碳素和氮素轉(zhuǎn)化的影響，建議最適C/N比為25。此外，關(guān)于堆肥物料對堆肥過程中臭氣排放影響的研究大多集中在最優(yōu)輔料的篩選方面[16-17]，還有少量研究關(guān)注物料C/N比對廚余垃圾以及其它高C/N比畜禽糞便堆肥中NH3或H2S單一臭氣排放的影響。楊帆[18]認為，在廚余垃圾與玉米秸稈的堆肥中，C/N比越低，NH3排放越多。Jiang等[19]在豬糞堆肥中發(fā)現(xiàn)，較低的C/N會造成較高的NH3排放。郝利峰[20]對園林廢棄物堆肥的研究表明，C/N比越低，H2S排放越多。

但是，目前關(guān)于初始物料C/N比對低C/N比雞糞堆肥的腐熟度以及NH3和H2S排放影響的綜合研究仍較少。因此，本試驗以雞糞和玉米秸稈為堆肥原料，分析不同初始C/N比（14、18、22）對雞糞堆肥的基本理化性質(zhì)、腐熟度以及臭氣排放的影響，并且通過微生物群落結(jié)構(gòu)、堆肥理化指標和臭氣排放的相關(guān)性分析，明確影響臭氣排放的主要理化因素和微生物，進而篩選雞糞堆肥最優(yōu)C/N比，達到提高堆肥產(chǎn)品腐熟度以及減少堆肥過程臭氣排放的目的。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗方法

堆肥主要原料為新鮮雞糞和玉米秸稈。雞糞取自北京市延慶縣康莊雞場，秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站大田，自然風(fēng)干后粉碎成2～3 cm的小段備用。雞糞和玉米秸稈基本理化性質(zhì)見表1。堆肥試驗在60 L的密閉發(fā)酵罐中進行，如圖1所示。

注：a為基于干基質(zhì)量，b為基于濕基質(zhì)量。

Note:ais based on the dry weight,bis based on the wet weight.

試驗共設(shè)置3個處理，分別添加初始混合物料濕基質(zhì)量5%、10%、15%的玉米秸稈，控制堆肥初始物料C/N比分別為14（低）、18（中）、22（高），待物料充分混合后置于密閉發(fā)酵罐中進行堆肥。通風(fēng)方式為間歇式通風(fēng)，通風(fēng)30 min，停止30 min，通風(fēng)速率為0.2 m3/h。本次堆肥共進行35 d。每天同一時間進行溫度數(shù)據(jù)的讀取與氣體樣品的采集。除堆肥起始和結(jié)束日外，在第3、7、14、21、28和35天進行人工翻堆和取樣。樣品一式4份，一份于采樣當天測定含水率；一份于-80 ℃保存測定微生物群落，一份于4 ℃冰箱中冷藏，堆肥結(jié)束后測定腐熟度指標（NH4+-N，NO3–-N，pH值，EC（Electrical Conductivity），GI（Germination Index））；另一份自然風(fēng)干14 d以上，粉碎后用于測定TC（總碳）、TN（總氮）以及TS（總硫）含量。

圖1 堆肥反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1.2 測定項目與分析方法

溫度由溫度傳感器測定，自動測溫儀（175-T3，Testo，德國）通過紅外裝置接收讀取數(shù)據(jù)。含水率于105 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定測定。O2和H2S由便攜式沼氣分析儀（Biogas 5000，Geotech，英國）于每天同一時間直接讀數(shù)測定。NH4+-N、NO3–-N的測定將堆肥鮮樣與2 mol/L的KCl溶液按照1∶10（質(zhì)量∶體積）混合，震蕩30 min，靜置10 min，過濾后取濾液經(jīng)流動分析儀（Auto Analyzer 3，Seal，德國）進行測定。pH值、EC的測定將堆肥鮮樣與去離子水按照1∶10（質(zhì)量∶體積）混合，震蕩30 min，靜置10 min，過濾后取濾液用多參數(shù)分析儀（DZS-706-A，雷磁，上海）進行測定。GI值的測定是取上述水浸提液5 mL于盛有10粒心里美蘿卜種子的鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，置于（20±1）℃的培養(yǎng)箱（SHP-250，精宏，上海）中避光培養(yǎng)48 h，測定種子根長和種子發(fā)芽率。NH3以質(zhì)量分數(shù)2%的硼酸為吸收液，甲基紅-溴甲酚綠為指示劑，于發(fā)酵罐出氣口吸收NH3至吸收液由紅色變?yōu)樗{色，記錄吸收時間，然后用0.01 mol/L的稀硫酸滴定至吸收液由藍色變?yōu)榧t色，記錄稀硫酸消耗體積。TC、TN和TS含量使用105 ℃烘干樣上元素分析儀（vario MACRO cube，Hananu，德國）測定。

采用高通量測序法測定細菌群落組成。簡而言之，使用土壤基因組快速提取試劑盒（MP Biomedicals，Santa Ana，CA）提取基因組DNA，然后將提取的基因組DNA保存在-20 ℃冰箱中，以備后續(xù)測定?；蚪MDNA測序以及細菌群落結(jié)構(gòu)分析由北京奧維森基因科技有限公司（Allwegene，北京）完成。測序方法為Illumina MiSeq，細菌V3～V4區(qū)的擴增引物為338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT），測序結(jié)果使用Qiime 1.8.0分析，微生物分類參考NCBI數(shù)據(jù)庫。

作圖使用Origin 2018完成，顯著性差異分析使用SAS 8.1完成，理化指標相關(guān)性分析使用SPSS 20完成，微生物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析（典范對應(yīng)分析，Canonical correspondence analysis，CCA）使用Canoco 5.0完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本理化性質(zhì)

2.1.1 溫度和氧氣

溫度可以反應(yīng)堆肥過程中有機物的降解情況，是堆肥成功與否的重要指標。本試驗中溫度變化如圖2a所示。低、中、高C/N比處理的溫度均符合典型堆肥的特征，經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期4個階段。它們均在堆肥第2天進入高溫期（>55 ℃），高溫期持續(xù)時間分別為10、21和17 d，整個堆肥過程有效累積積溫分別為22 277、31 344、27 336 ℃·h。值得注意的是，第2周環(huán)境溫度驟降并逐漸恢復(fù)，低C/N比和高C/N比處理的溫度也發(fā)生驟降，而中C/N比處理的溫度一直保持高溫狀態(tài)，這表明C/N比為14和22的堆肥受環(huán)境溫度影響較大，而C/N比為18的堆肥基本不受環(huán)境溫度的影響。這可能是由于C/N比為18的處理物種多樣性較高，微生物活動和有機物降解劇烈，釋放大量的熱造成的。隨后，低C/N比處理的溫度在第14天翻堆以后出現(xiàn)短暫峰值，隨后第18天開始緩慢降低并逐漸接近室溫，高C/N比處理在第14和21天翻堆后，又持續(xù)了6 d的高溫期，從第24天開始溫度緩慢降低并逐漸接近室溫。這是因為高C/N比堆肥的氮源相對不足，微生物生命活動較弱，減緩了堆肥反應(yīng)進程，這與前人的研究結(jié)果一致[8]。中C/N比處理的溫度從第21天開始逐漸降低并接近室溫。堆肥結(jié)束時，3個處理均達到了《糞便無害化衛(wèi)生要求》[21]。中C/N比處理的高溫期持續(xù)時間最長（21 d），且不會發(fā)生溫度驟降，出現(xiàn)了本次堆肥的最高溫（72.3 ℃），有效累積積溫最高（31 344 ℃·h），這與韓相龍等[5]對不同C/N比下牛糞堆肥的研究結(jié)果相一致。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，不同C/N比處理的日溫差異顯著（<0.05）。

圖2b為不同C/N比處理中O2含量的變化。3個處理的O2含量在堆肥第1～2天均急劇下降，分別降為5.6%、8.0%和3.2%，隨后緩慢升高并逐漸接近環(huán)境水平。整個堆肥過程中，翻堆后O2含量會出現(xiàn)短暫的降低。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，溫度和O2含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系（=-0.789，<0.01），這是因為有機物降解的同時消耗大量的O2，釋放大量的熱量，這一結(jié)果與以往研究相一致[16,22]。堆肥第3～7天，C/N比越高，O2含量越高；堆肥后期，高C/N比處理的O2含量有所降低，證明了高C/N比會減緩堆肥反應(yīng)進程[8]。整個堆肥過程中，中C/N比處理的O2含量保持較低水平，說明中C/N比最有利于有機物的降解。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，3個處理的O2含量具有顯著性差異（=0.042）。

2.1.2 無機態(tài)氮

不同C/N比處理中NH4+-N含量變化如圖3a所示。3個處理的NH4+-N濃度均呈先上升后下降最后趨于平穩(wěn)的趨勢，且均在堆肥第3天達到峰值。原始物料中，C/N比越高，NH4+-N濃度越低，這是因為膨松劑的添加會稀釋NH4+-N的濃度[23]。低C/N比處理的NH4+-N濃度在整個堆肥過程均顯著高于其他2個處理（<0.01）。主要是因為低C/N比處理初始物料中雞糞含量較高導(dǎo)致NH4+-N濃度較高，同時低C/N比處理有機物降解較少且物料致密，不利于NH4+-N轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)。堆肥第3～14天，3個處理的NH4+-N濃度均大幅降低，這是由于高溫和高pH值促使NH4+-N轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)。堆肥第14～21天，高C/N比處理溫度快速升高，有機物快速降解，NH4+-N生成速率高于轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)的速率，因此NH4+-N濃度增加。堆肥后期，有機物大部分被降解，NH4+-N濃度基本保持不變。堆肥結(jié)束時，3個處理的NH4+-N濃度分別降低了14.41%、58.66%和52.93%。低C/N比處理的NH4+-N損失明顯低于中、高C/N比處理，這是因為低C/N比處理物料致密且有機物降解較少，較少的NH4+-N以NH3的形式揮發(fā)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，中、高C/N比處理的NH4+-N含量差異不顯著（=0.085），低C/N比處理的NH4+-N含量顯著高于中、高C/N比處理（<0.01）。

3個處理的NO3--N濃度變化如圖3b所示。本研究中，低C/N比處理的NO3--N濃度在整個堆肥過程中無明顯變化（5.56～8.89 mg/kg）。中C/N比處理的NO3--N濃度在堆肥前7天大幅降低（50.93～9.41 mg/kg），第7～14天略有降低（9.41～4.92 mg/kg），第14～35天基本保持不變（4.92～4.17 mg/kg）。高C/N比處理的NO3--N濃度在堆肥前14天急劇降低（60.81～7.14 mg/kg），第14～35天略有降低（7.14～3.73 mg/kg）。中、高C/N比處理在堆肥前期NO3--N濃度降低是因為NO3--N通過反硝化作用轉(zhuǎn)化為N2O揮發(fā)。以往研究認為，堆肥后腐熟期，溫度降低，硝化細菌活性增強，NO3--N濃度顯著增加[14]。本研究在堆肥后期基本無NO3--N生成，這主要是因為第35天堆肥溫度剛剛恢復(fù)室溫，硝化細菌仍處于被抑制狀態(tài)，NH4+-N還未通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，NH4+-N和NO3--N濃度均保持不變也說明了這一點。NO3--N濃度變化也表明，雞糞有機質(zhì)含量高，需要較長的周期腐熟和腐殖化，后腐熟期隨著溫度的徹底降低，硝化細菌的活性增強，NH4+-N會通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N。Liu等[24]以豬糞和玉米秸稈進行35 d的好氧堆肥，其NO3--N濃度變化趨勢與本研究相近。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，高C/N比處理的NO3--N含量顯著高于低C/N比處理（=0.031）。

圖3 不同C/N比處理無機態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)變化

2.2 腐熟度指標

堆肥過程中pH值的變化如圖4a所示。初始物料的pH值均呈堿性，且C/N比越大，pH值越小，這是因為玉米秸稈呈弱酸性，高C/N比處理含有較多的玉米秸稈所致[25]。堆肥第0～3天，各處理的pH值急劇上升，這主要是由于含氮有機物的礦化和氨化作用生成NH3所致[13]。第3～7天，堆肥進入高溫期，高溫促使較多的NH3揮發(fā)，有機物降解生成有機、無機酸，以及CO2的大量釋放等[13]，都導(dǎo)致pH值升高速率減緩。堆肥第7～21天，低、中C/N比處理的pH值基本保持平穩(wěn)，而高C/N比處理發(fā)生明顯波動。從溫度和NH4+-N變化曲線可以看出，在第7～14天，高C/N比處理有機物降解較少，NH4+-N生成速率低于轉(zhuǎn)化速率，因此pH值顯著降低；隨后，翻堆使得大量未降解有機物分解，NH4+-N濃度明顯增加，pH值顯著上升。在堆肥后腐熟期，3個處理的pH值均出現(xiàn)了緩慢下降的趨勢，這主要是由于硝化細菌活性增強，促進少量NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-[26]。堆肥結(jié)束時，各處理的pH值在8.28～8.73之間，符合堆肥產(chǎn)品呈弱堿性的要求[27]。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，3個處理的pH值無顯著性差異（=0.568）。

EC值是反應(yīng)堆肥水浸提液中可溶性鹽濃度的指標，EC值過高會對作物造成毒害作用。一般認為，腐熟堆肥的標準為EC<3 mS/cm[28]。不同C/N比堆肥中EC值的變化如圖4b所示。3個處理的初始EC值分別為4.23、4.30、3.79 mS/cm。堆肥前3天，有機物快速降解并生成小分子有機酸和多種離子（NH4+、HCO3-、H+）[13]，因此，3個處理的EC值迅速上升并達到峰值，分別為5.61、5.17、3.85 mS/cm。第3～14 天，堆肥處于高溫期，NH3和CO2大量揮發(fā)，同時小分子有機酸和部分鹽基離子被合成大分子腐殖質(zhì)（胡敏酸）[29]，EC值顯著下降。從第14天開始，EC值無明顯變化，基本趨于平緩。堆肥結(jié)束時，3個處理的EC值分別為3.91、2.95、2.98 mS/cm，低C/N比處理未達到堆肥無害化要求。3個處理的EC值與初始相比分別降低了7.72%、31.47%、21.28%，說明C/N比為18最有利于堆肥的腐熟。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，中、高C/N比處理的EC值沒有顯著性差異（=0.065），但均顯著低于低C/N比處理（<0.01）。

堆肥過程中3個處理的C/N比變化如圖4c所示。吳銀寶等[30]在豬糞堆肥腐熟指標的研究中認為，固相C/N比低于20時，可判定堆肥腐熟。而本研究中，3個處理的初始C/N比分別為14.00、17.81、21.78。依據(jù)以往研究，堆肥結(jié)束時的C/N比均低于初始C/N比[15,30-32]，因此，上述腐熟標準不適用于本研究。Morel等[33]建議采用值（結(jié)束C/N比與初始C/N比的比值）評價堆肥腐熟度，且認為<0.6時堆肥達到腐熟。本研究中，堆肥物料配比不同，C/N比的變化趨勢不同。低C/N比處理的C/N比呈先增加后降低的趨勢，中、高C/N比處理的C/N比呈逐漸降低的趨勢。張鶴等[32]在C/N比對牛糞堆肥腐熟的研究中和程亞娟等[15]在C/N比對雞糞堆肥腐熟指標的研究中均得出相似的結(jié)論。這是因為在堆肥前期，低C/N比處理的有機物降解少，碳素損失低于氮素損失，因此該處理的C/N比增加。在整個堆肥過程中，中、高C/N比處理的有機物均發(fā)生顯著降解，碳素損失均高于氮素損失，因此C/N比逐漸降低。堆肥結(jié)束時，3個處理的值分別為0.74、0.60、0.64，因此，中C/N比處理達到了腐熟標準。

堆肥水浸提液對植物種子的毒性試驗是檢驗堆肥腐熟度最有效、最精確的方法。圖4d反應(yīng)了不同C/N比處理中GI值的變化。堆肥第1周，低、中C/N比處理的GI值略有降低，高C/N比處理上升至11.72%，這是由于堆肥升溫期和高溫期初始階段生成大量小分子有機酸和鹽基離子所致[13]，而高C/N比處理添加了較多的秸稈，對鹽基離子有稀釋作用，降低了對作物的毒性。第7～21天，高溫和高pH值促使大量的NH3和CO2揮發(fā)，降低了堆體中鹽基離子的濃度，3個處理的GI值分別增加至21.32%、85.48%、79.81%。堆肥結(jié)束時，3個處理的GI值分別為6.23%、84.46%、108%。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，GI值分別與EC值（=-0.764，<0.01）和NH4+-N濃度（=-0.759，<0.01）呈顯著性負相關(guān)，進一步證明了高鹽分特別是NH4+會對種子發(fā)芽率產(chǎn)生抑制作用。一般認為，GI<50%，堆肥未達到腐熟；50%80%，堆肥達到完全腐熟[34]。因此，低C/N比處理未達到腐熟，中、高C/N比處理達到完全腐熟。

圖4 不同C/N比處理腐熟度指標的變化

2.3 臭氣排放以及元素平衡

2.3.1 氨氣和硫化氫排放規(guī)律

有研究表明，堆肥過程中的NH3排放是堆肥氮素損失的主要途徑，NH3-N損失占初始TN的19%～42%[35]，同時它還是一種有刺激性氣味的臭氣。本研究中，NH3排放速率先快速增加后逐漸降低最后基本接近于零（如圖5a），NH3累積排放量呈先增加后基本保持穩(wěn)定的趨勢（如圖5b）。堆肥第0～3天，堆肥處于升溫期，有機物降解生成較多NH4+-N，少量NH4+-N轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)，NH3揮發(fā)量占總排放量的5%～13%。第4～21天，堆肥處于高溫期，在高溫和高pH值條件下，有機物降解生成的大量NH4+-N轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)，NH3排放量占總排放量的75%～85%。3個處理的NH3排放峰值分別出現(xiàn)在堆肥第7、第5和第5天，分別為0.35、0.76、0.81 g/(d·kg)。第22～35天，堆肥進入后腐熟期，大部分有機物已完全降解，NH3排放速率顯著下降，NH3排放量占總排放量的6%～12%。以上結(jié)果表明，NH3的排放主要發(fā)生在堆肥高溫期。統(tǒng)計分析結(jié)果也表明，溫度與NH3排放速率呈顯著性正相關(guān)（=0.723，<0.01），溫度越高，NH3排放速率越大。這與Pagans等[36]的研究相一致，他們認為溫度是決定NH3排放最重要的因子。在整個堆肥過程中，伴隨著翻堆的進行，還會出現(xiàn)NH3排放的小高峰。此外，低C/N比處理有機物降解較少，其溫度顯著低于其他兩個處理（<0.01），且該處理物料致密，不利于NH3的揮發(fā)，因此其NH3排放最少。對比中、高C/N比處理，C/N比越低，NH3排放越多。這與以往的研究相似，C/N比升高，NH3排放會減少[3,10,37]。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，低、高C/N比處理的NH3排放速率（=0.122）無顯著性差異，中C/N比處理的NH3排放速率顯著高于其他兩個處理（<0.01），3個處理的NH3累積排放量具有顯著性差異（<0.01）。

H2S排放規(guī)律如圖5c和5d所示。3個處理的H2S排放速率均為先增加后下降最后基本接近于零，其均在堆肥第2天達到最大值，分別為121.06、32.77、53.16 mg/(d·kg)，隨后快速降低，從第10天開始基本接近于零。整個堆肥過程中H2S的排放主要發(fā)生在堆肥前10天，占總排放量的84%～95%。這與沈玉君等[38]的研究基本一致，他們發(fā)現(xiàn)豬糞和秸稈聯(lián)合堆肥前7天的H2S排放量占整個堆肥過程排放總量的90%以上。第11～35天，H2S有少量排放，占總排放量的5%～16%。堆肥結(jié)束時，3個處理的H2S累積排放量分別為408.74、119.85、120.25 mg/kg。低C/N比處理，H2S累積排放量最大。這是因為C/N比越低，堆體的容重越大（3個處理的容重分別為812、599、427 kg/m3），物料致密會造成厭氧環(huán)境，促進H2S的生成。此外，翻堆后會出現(xiàn)H2S排放峰值，這與Zang等[39]研究一致。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，中、高C/N比處理的H2S排放速率（=0.997）和累積排放量（=0.919）無顯著性差異，低C/N比處理的H2S排放速率和累積排放量顯著高于其他兩個處理（<0.01）。因此，在雞糞堆肥過程，增加C/N比可以顯著降低H2S的排放，但當C/N比為18～22時，H2S的累積排放量無明顯變化。

圖5 不同C/N比處理NH3和H2S排放規(guī)律

2.3.2 碳、氮、硫元素平衡分析

不同C/N比處理的碳、氮、硫元素平衡分析如表2所示。堆肥持續(xù)35 d，3個處理的TC損失率分別為51.24%、63.30%、56.88%。有效累積積溫是一個可以綜合反映溫度強度和持續(xù)時間的指標[30]。低C/N比處理有機碳源含量低，且有效累積積溫最低，堆肥產(chǎn)品未達到腐熟，因此其TC損失率最小。中C/N比處理有效累積積溫最高，因此其有機物降解最多，TC損失率最高。

整個堆肥過程中，TN損失32.57%～38.62%，其中13.10%～33.21%的初始TN以NH3-N的形式損失，占TN損失的38.43%～85.99%?？梢?，堆肥過程中大部分氮素以NH3的形式損失，這與已報道的相關(guān)結(jié)果一致[35]。3個不同C/N比處理的TN含量均增加。這是因為堆肥過程中有機物降解造成的碳素損失遠大于氮素損失，氮元素相對含量增加[30,40]。中C/N比處理的TN損失率和NH3-N損失率均最高。當C/N為18～22時，C/N比越高，TN損失率和NH3-N損失率越少。張鶴等[32]的研究也表明，高C/N比處理的氮素損失遠低于低C/N比處理。

整個堆肥過程中，TS損失17.83%～27.28%，其中3.04%～9.89%的初始TS以H2S-S的形式損失，占TS損失的16.64%～36.25%。3個不同C/N比處理的TS含量均增加。因為堆肥過程中有機物降解造成的碳素損失遠高于硫素損失，硫元素發(fā)生相對濃縮。低C/N比處理的TS損失率和H2S-S損失率均最高。中C/N比和高C/N比處理的H2S-S損失率和TS損失率均較低，且二者無顯著差異。

表2 不同C/N處理的元素平衡分析

注：a為碳、氮、硫損失分別占初始總碳、總氮、總硫的百分比，b為NH3-N損失占初始總氮百分比，c為H2S-S損失占初始總硫百分比。

Note:ais the percentage of carbon、nitrogen and sulfur loss in the initial total carbon、total nitrogen and total sulfur,bis the percentage of NH3-N loss in the initial total nitrogen,cis the percentage of H2S-S loss in the initial total sulfur.

2.4 微生物與理化因子的相關(guān)性分析

堆肥原始物料、堆肥高溫期物料和堆肥產(chǎn)品中微生物群落的Alpha多樣性指數(shù)如表3所示。Alpha多樣性指數(shù)越大，則對應(yīng)的堆肥物料中微生物物種多樣性越高。從表中可以發(fā)現(xiàn)，各處理的物種多樣性均呈先降低后升高的趨勢，說明高溫使得大部分細菌滅活，因此高溫期物料物種多樣性減少。此外，C/N18處理在堆肥過程中的物種多樣性明顯高于其他處理，說明C/N18處理的微生物具有耐高溫的特性，有利于高溫期有機物的降解和堆肥的腐熟，這也是該處理溫度保持較高水平且NH3排放最多的原因。微生物與理化因子的相關(guān)性分析（典范對應(yīng)分析，Canonical Correspondence Analysis，CCA）表明，pH值、EC、O2、T、GI、NH3和H2S解釋了98.3%的微生物群落變化，其中，pH值、GI和EC解釋了65.8%（<0.05）的微生物群落變化，說明微生物群落受酸堿度和離子濃度的影響較大。在門水平上，原始物料中的優(yōu)勢細菌為（52.07%）和（25.31%）（在屬水平上為、、），且與EC值和O2含量呈正相關(guān)關(guān)系。堆肥第14天，C/N14和C/N18處理的物種組成相近，以為主（86.46%和89.83%）（在屬水平上為、、、），與O2含量呈負相關(guān)關(guān)系，與pH值、T、NH3和H2S呈正相關(guān)關(guān)系，而C/N 22處理的優(yōu)勢菌為（52.02%）和（47.24%）（在屬水平上為、），與O2含量呈正相關(guān)關(guān)系，與pH值、T、NH3和H2S呈負相關(guān)關(guān)系，說明高溫、高pH值和缺氧環(huán)境會增加豐度，進而促進NH3和H2S的排放，相反地，低溫、低pH值和氧氣充足的環(huán)境會增加豐度，有利于減少NH3和H2S的排放。堆肥結(jié)束時，（27.29%～64.69%）的相對豐度明顯降低，且C/N越低，降幅較小，（19.53%～34.28%）和（11.01%～20.14%）的相對豐度有所上升，且C/N越低，升幅越小，說明低C/N處理需要更長的時間才能達到腐熟。此外，C/N18和C/N22處理與GI呈正相關(guān)，但C/N14處理與GI呈負相關(guān)，這也表明低C/N比處理未達到腐熟。

注：CM0代表原始物料。

注：C/Nndm代表C/N比n處理在第m天的樣本。

表3 微生物群落的Alpha多樣性指數(shù)

3 結(jié) 論

1）雞糞堆肥初始C/N比為18時更有利于有機物的降解，C/N比為14處理未達到腐熟，C/N比為18和22處理達到腐熟。

2）C/N為18的處理NH3累積排放和總氮損失率最高；C/N比為14處理的H2S累積排放和總硫S損失率最高。

3）微生物群落多樣性分析表明C/N比為18處理的微生物多樣性最高。高溫、高pH和缺氧環(huán)境會增加豐度，進而促進NH3和H2S的排放，相反地，低溫、低pH和氧氣充足的環(huán)境會增加豐度，有利于減少NH3和H2S的排放。

綜合考慮堆肥產(chǎn)品腐熟度和堆肥過程中臭氣排放，建議低C/N比雞糞堆肥初始C/N比為18～22。

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Effects of C/N ratio on maturity and odor emissions during chicken manure composting

Ma Ruonan, Li Danyang, Qi Chuanren, Li Guoxue, Wang Guoying, Liu Yan, Sun Shaoze, Yuan Jing※

(,,,100193,)

A dramatic increase in the amount of chicken manure is posing a great challenge on the social community, ecological environment, and human health, as the growing demand of chicken meat and eggs in China. Fortunately, composting process is an effective, sustainable, economic and natural way to recycle the decomposed organic materials, with an emphasis on the manure treatment prior to land application. Nevertheless, there are usually lots of odor emissions during the composting of nitrogen-rich chicken manure. The C/N ratio of raw materials markedly determines the compost maturity and the odor emissions during composting. At present, lots of previous studies focused on the effect of C/N ratio on the compost maturity and quality. However, only a few reports paid attention to the odor (NH3or H2S) emissions during chicken manure composting. In this study, three C/N ratios, including 14, 18 and 22, were selected from the co-composted chicken manure and cornstalks as the bulking agent, to improve the compost quality, while decrease the odor emissions. An attempt was made to explore the comprehensive effect of C/N ratio on maturity and odor emissions (NH3and H2S) during chicken manure composting. The aeration was in an intermittent mode (Sated 30 min, stopped 30 min), and the rate was 0.2 m3/h. The composting lasted 35 days, where the sampled on the day of 0, 3, 7, 14, 21, 28, 35, respectively. The basic physicochemical and maturity indexes were measured, including temperature (T), oxygen (O2), inorganic nitrogen content (NH4+-N, NO3--N), pH value (pH), Electrical Conductivity (EC), C/N ratio, Germination Index (GI), and the element content (C, N and S). Odor emissions (NH3and H2S) were continuously monitored daily. A canonical correspondence analysis (CCA) was also used to analyze the microbial community composition, as well as their correlation with physicochemical indexes and odor emissions. The results showed that the final compost with the C/N ratio of 14 was not mature, while both the treatment with the C/N ratios of 18 and 22 reached the maturity standard. In terms of odor emissions, the C/N ratio of 18 treatment had the highest NH3emission, because of the higher degradation of organic matter. When the C/N ratio ranged from 18 to 22, the NH3emission and total nitrogen (TN) loss decreased with the C/N ratio increased. In addition, the cumulative H2S emission and the total sulfur (TS) loss were the highest in the C/N ratio of 14 treatment, while those in the C/N ratio of 18 and 22 treatments greatly decreased, indicating no significant difference. Moreover, the C/N ratio of 18 treatment had the highest microbial diversity, compared with other two treatments during the whole composting period. Furthermore, the microbial community compositions in the C/N ratios of 14 and 18 treatments () were significantly different from those in the C/N ratio of 22 treatment (and). More importantly, the CCA showed high temperature, high pH, and hypoxic environment can be beneficial to the proliferation of, and thereby to promote the emission of H2S and NH3. In an opposite case, high abundance ofcan decrease the H2S and NH3emission. As such, the recommended C/N ratio was 18~22 during co-composting of chicken manure and cornstalk. Specifically, the appropriate ratio can also be determined according to the number of cornstalks.

manure; composting; volatile subsnces; C/N ratio; maturity; odors emission; microbial community

馬若男，李丹陽，亓傳仁，等. 碳氮比對雞糞堆肥腐熟度和臭氣排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(24)：194-202.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.023 http://www.tcsae.org

Ma Ruonan, Li Danyang, Qi Chuanren, et al. Effects of C/N ratio on maturity and odor emissions during chicken manure composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 194-202. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.023 http://www.tcsae.org

2020-08-11

2020-10-12

海南省重大科技計劃項目（ZDKJ2017002）；海南省農(nóng)業(yè)環(huán)境污染治理項目（NWZL2017001）

馬若男，博士生，研究方向為廢棄物處理與資源化。Email：b20193030239@cau.edu.cn

袁京，副教授，研究方向為廢棄物處理與資源化。Email：jingyuan@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.023

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1002-6819(2020)-24-0194-09