畜禽廢棄物堆肥氨氣與溫室氣體協(xié)同減排研究

曹玉博，張 陸，王 選，馬 林*

（1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學重點實驗室/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室，石家莊050021；2.中國科學院大學，北京100049）

好氧堆肥是畜禽廢棄物無害化和資源化的有效途徑之一，但因堆肥過程高溫、高pH 以及好氧/厭氧微域共存的特性，氨（NH3）揮發(fā)和溫室氣體（氧化亞氮N2O、甲烷CH4）排放量較高。氨揮發(fā)是堆肥過程氮損失的主要途徑，占初始總氮的16.1%～22.6%[1]；N2O和CH4排放也是重要的碳氮損失途徑，其中N2O 排放量占初始總氮的0.1%～4.2%[1-2]，CH4排放量占初始總碳的0.2%～3.2%[1]。已有大量試驗分析了堆肥過程氨氣和溫室氣體的排放特征，也有很多研究報道了氨氣減排技術，但這些技術對N2O 和CH4排放的影響尚不清楚，且目前也缺乏氨氣和溫室氣體產(chǎn)排機理和協(xié)同減排的系統(tǒng)分析。因此，本文通過對國內(nèi)外研究結果的綜述和分析：闡述堆肥過程中氨氣和溫室氣體產(chǎn)排的影響因素和協(xié)同關系；梳理堆肥過程中氨氣和溫室氣體排放的調控策略，并探討協(xié)同減排的技術途徑；分析和展望今后氨氣和溫室氣體協(xié)同減排研究的重點和方向，旨在為畜禽廢棄物堆肥過程中氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排提供理論依據(jù)。

1 堆肥過程中氨氣與溫室氣體的產(chǎn)排機理

好氧堆肥又稱高溫堆肥，是微生物在有氧條件下降解有機質，代謝產(chǎn)生CO2、水和熱的過程。堆肥過程分為四個階段，即升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期，每個階段理化環(huán)境、微生物代謝強度和群落結構不同[3]，因此氨氣和溫室氣體的排放在不同階段呈現(xiàn)不同特征。

堆肥過程氨揮發(fā)受物料NH+4含量和pH 的影響（圖1）。由于具有高溫和高pH 的特性，高溫期是堆肥過程中氨揮發(fā)的主要時期。進入腐熟期后，由于NH3的揮發(fā)以及NH+4的同化和硝化，物料NH+4含量降低，氨揮發(fā)也顯著降低[4]。

堆體內(nèi)氧氣分布不均[5]，堆肥過程產(chǎn)生的N2O 同時來源于硝化途徑和反硝化途徑。Maeda 等[6-8]結合優(yōu)先點位值（SP）和生物抑制劑法追溯堆肥過程N2O的來源，發(fā)現(xiàn)N2O 主要產(chǎn)生于堆體表面的反硝化細菌，且nirK比nirS起著更加重要的作用。同時也有研究指出，硝化作用是堆肥中溫期N2O 產(chǎn)生的主要途徑，且氨氧化細菌比氨氧化古菌起著更加重要的作用[9]。由于堆肥物料由復雜的團聚體組成，顆粒內(nèi)部厭氧區(qū)和表層好氧區(qū)的組成[10]決定了N2O 的產(chǎn)排機制。Ge 等[11]借助熒光原位雜交和激光掃描共聚焦顯微鏡技術，從顆粒尺度解析了堆肥過程N2O 的產(chǎn)生機制，結果表明N2O 的產(chǎn)生與堆肥顆粒內(nèi)部氨氧化細菌的反硝化有關。目前，堆肥過程N2O 產(chǎn)生途徑的研究已有一些定性結論，然而缺乏定量分析，且尚存在未知的產(chǎn)生途徑，還需在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)和證實。

堆肥過程產(chǎn)生的CH4是堆體內(nèi)產(chǎn)甲烷菌在厭氧環(huán)境下的代謝產(chǎn)物。產(chǎn)甲烷菌主要聚集于堆肥顆粒的內(nèi)部厭氧區(qū)[12]。堆肥過程CH4的排放不僅取決于CH4的產(chǎn)生，還取決于甲烷氧化菌對CH4的氧化（圖1）。因此，今后CH4產(chǎn)排機理研究應同時關注堆體結構以及顆粒的粒度粒形、孔隙結構和厭氧半徑。堆肥升溫期和高溫期是CH4排放的主要時期，主要因為：①有機質降解劇烈，可利用底物充足；②O2消耗形成利于產(chǎn)甲烷菌生存的厭氧環(huán)境；③產(chǎn)生大量的熱，CH4和O2的溶解性隨溫度的升高而降低，進而抑制甲烷氧化菌的生長。隨著堆肥的進行，可利用碳底物被耗盡，堆肥過程CH4排放量顯著降低[4]。

圖1 堆肥過程中氨氣與溫室氣體產(chǎn)生關聯(lián)過程及影響因素Figure 1 Correlation between ammonia and greenhouse gas emissions and influencing factors during composting

堆肥過程中氨揮發(fā)與N2O 和CH4排放并不是獨立發(fā)生，而是相互關聯(lián)的，與碳氮轉化過程及其影響因素密切相關。如圖1 所示：①有機質降解時消耗堆體內(nèi)O2，改變堆體內(nèi)O2分布和厭氧/好氧微域組成，同時影響CH4的產(chǎn)生和氧化、有機氮的礦化、硝化反硝化過程以及N2O 的產(chǎn)生和還原；②隨著堆肥的進行，pH 和含水率等物料性質發(fā)生變化，從而影響氨氣和溫室氣體的產(chǎn)生和排放；③碳底物的可利用性影響CH4的產(chǎn)生，同時碳作為微生物的能源物質，也影響氮的礦化、同化以及硝化反硝化，進而影響氨氣和N2O 的產(chǎn)生；④NH+4與CH4皆可被甲烷氧化菌利用，因此存在底物競爭關系，NH+4的存在一定程度上抑制CH4氧化[13]。

2 堆肥過程中氨氣和溫室氣體排放的影響因素及協(xié)同調控策略

目前的堆肥過程氣體減排策略主要針對氨揮發(fā)。堆肥過程氨揮發(fā)主要受物料NH+4含量和pH 的影響，基于此，堆肥過程氨氣減排和調控主要圍繞以下機制：①促進NH+4的微生物同化或硝化；②增強NH+4和NH3的物理吸附；③增加NH+4的化學固定；④抑制氨氣向空氣擴散。本文系統(tǒng)梳理以往氨氣減排文獻，將氨氣減排策略歸類為：物料性質調節(jié)、供氣策略優(yōu)化和添加劑減排，并進一步分析了這些策略對N2O 和CH4排放的協(xié)同影響。

2.1 物料性質調節(jié)

2.1.1 碳氮比

一般認為，堆肥碳氮比越低，氨揮發(fā)越嚴重[14]。畜禽糞便的碳氮比通常較低，如：牛糞為15 左右，豬糞和雞糞更低。因此，堆肥時加入秸稈等高碳物質，可以提高物料碳氮比，促進微生物對NH+4的同化，降低本底NH+4含量，是減少堆肥氨揮發(fā)的有效措施[1]。氨氣減排效果因碳組分和結構的不同存在差異[15]。Liang 等[16]選用不同高碳物質調節(jié)碳氮比，結果表明蔗糖顯著減少氨揮發(fā)（50%），而鋸末和報紙等高纖維素類物質沒有減排效果。Sun等[17]調節(jié)堆肥碳氮比至18，與鋸末相比，秸稈和菌渣均可顯著減少氨揮發(fā)。由此可見，通過易降解高碳物質調節(jié)碳氮比有助于減少堆肥過程中的氨揮發(fā)；對于難降解的高碳物質，通過水熱化處理將其轉化成小分子糖類，可提高氨氣減排效果[18]。調控時期是影響氨氣減排的關鍵，為保證減排效果，應避免易降解高碳物質在氨揮發(fā)高峰期前完全降解[15]。

目前，堆肥碳氮比與N2O 排放量的關系尚不明確，主要是因為N2O 的產(chǎn)生途徑不明晰。如果異養(yǎng)反硝化是N2O 產(chǎn)生的主要途徑，堆體內(nèi)存在充足的可利用碳時，異養(yǎng)反硝化增強，N2O 排放量增加[2]；如果硝化是N2O 產(chǎn)生的主要途徑，堆體內(nèi)可利用碳降解過程消耗O2，抑制氨氧化細菌活性，N2O排放量減少[9]。

堆肥碳氮比與堆肥過程CH4排放量呈正相關[19]。實際上，堆肥過程CH4排放量與可利用碳的量成正比[3]。堆體內(nèi)存在大量的可利用碳，產(chǎn)甲烷菌以此為底物產(chǎn)生CH4，可利用碳降解同時消耗O2，形成更有利于產(chǎn)甲烷菌生存的厭氧環(huán)境，促進CH4產(chǎn)生。Sun等[17]通過秸稈、菌渣和鋸末調節(jié)物料至相同的碳氮比，與秸稈和菌渣相比，鋸末顯著減少CH4排放，表明選用可利用碳含量低的高碳物質有助于CH4減排。

綜上所述，選用可利用碳含量高的高碳物質調節(jié)碳氮比可實現(xiàn)氨氣減排，卻易增加CH4排放，因此僅調節(jié)碳氮比難以實現(xiàn)協(xié)同減排（表1）。當前堆肥研究中，在選用秸稈等高碳物質調節(jié)碳氮比的同時影響了pH 和容重等因子[20]，故今后研究中應基于碳組分和結構，考慮多重因素的交互效應。

2.1.2 含水率

因堆肥方式和原料不同，目前尚不能從不同研究中得出含水率與氨揮發(fā)量間存在明確關系，主要表現(xiàn)在：①提高物料含水率，導致更多的水進入堆體內(nèi)部微孔中，減少氧氣在團聚體間的擴散，減弱有機氮的礦化，進而減少堆肥過程氨揮發(fā)。如El Kader 等[21]將物料含水率從45%提高至66%時，自由空域減少20%～60%，氨揮發(fā)減少30%～70%；②提高物料含水率，促進有機質降解，提高堆肥溫度，延長高溫期，增加了堆肥過程氨揮發(fā)[22-23]；③在強制通風堆肥時，通風速率而非含水率主導O2擴散，在此條件下未發(fā)現(xiàn)含水率對氨揮發(fā)有影響[24]。有研究指出，氨揮發(fā)發(fā)生于含水率接近持水能力最大值時[25]。對于低于適宜含水率的原料，可通過添加水或糞水來調節(jié)[26]；含水率高的原料，可添加秸稈、鋸末等輔料[27]。

堆肥含水率對N2O 排放量的影響目前尚不明確。含水率高時，O2難以滲入，堆體內(nèi)部的厭氧區(qū)域擴大，反硝化細菌的活性增強，N2O 排放增加[28]。當含水率過高時，N2O 向大氣中的擴散能力減弱，且易被N2O還原酶還原為N2，從而減少N2O 的排放[29]。El Kader等[21]將含水率從45% 提高到66%，N2O 排放減少49%～60%。吳偉祥等[2]指出，物料含水率在60%～70%時有利于N2O減排。

堆肥初始物料含水率一般為50%～70%，含水率較高限制O2的供應，為產(chǎn)甲烷菌提供了更好的厭氧環(huán)境，同時降低甲烷氧化菌的活性，增加了CH4排放。因此，當堆肥物料含水率在50%～60%時，既不影響堆肥的進行，同時又有助于CH4減排。陳輝等[30]比較初始含水率對堆肥過程CH4排放的影響，表明與含水率60%相比，55%時CH4排放量減少24%。

綜上所述，含水率主要通過影響O2在堆體內(nèi)的擴散，間接影響堆肥過程氨氣和溫室氣體的產(chǎn)生和排放。N2O 和CH4的適宜含水率不同，故難以通過調節(jié)含水率實現(xiàn)N2O 和CH4的協(xié)同減排（表1）。值得注意的是，不同堆肥原料因結構不同而對含水率的要求也各不相同，今后應基于原料制定物料含水率調控參數(shù)。

2.1.3 容重

堆肥物料容重一般為0.2～0.8 Mg·m-3，氨揮發(fā)量隨容重的增加而降低[31]。容重影響氣體在堆體內(nèi)的擴散，物料容重高時，氣體在堆體內(nèi)擴散能力較弱，更有利于氨氣減排[32]。El Kader 等[21]發(fā)現(xiàn)物料壓實后自由空域減少20%～60%，氨揮發(fā)減少30%～70%。自由空域過低，將阻礙O2在堆體內(nèi)的擴散，供氧不足會抑制物料降解，故調節(jié)容重時應保證自由空域水平值在30%以上[33]。添加填充劑降低容重并不一定增加堆肥氨揮發(fā)[31]，因為填充劑的添加不僅影響堆肥容重，還影響碳氮比、含水率、pH 等諸多因素。填充劑顆粒大小是調節(jié)容重、影響減排效果的關鍵參數(shù)[34]。付麗麗等[35]通過不同粒徑的玉米芯調節(jié)堆肥容重，結果發(fā)現(xiàn)，5～10 cm 顆粒具有最佳的氨氣減排效果。

堆肥容重越低，堆體內(nèi)孔隙度越高，氣體擴散能力也越強，堆體內(nèi)越不易形成厭氧環(huán)境，反硝化作用受到抑制，從而減少N2O 排放。研究表明，容重為0.2～0.8 Mg·m-3時，容重越低，N2O 排放就越低[31]。Tamura 等[27]發(fā)現(xiàn)奶牛糞堆肥物料容重從0.80 Mg·m-3降到0.54 Mg·m-3時，N2O 排放量降低26.5%。盡管如此，El Kader 等[21]通過壓實物料發(fā)現(xiàn)，容重從0.36 Mg·m-3增加到0.54 Mg·m-3時，N2O 排放減少了48%，原因在于壓實阻礙N2O向空氣擴散。

堆肥容重越高，堆體內(nèi)厭氧區(qū)域越大，CH4排放量也越大。Sommer[36]發(fā)現(xiàn)，壓實后物料容重從0.42 Mg·m-3增加到0.50 Mg·m-3，堆體內(nèi)O2濃度顯著下降，CH4排放量增加84%。Tamura 等[27]通過添加麥秸降低物料容重，顯著減少了CH4排放。

綜上所述，增加物料容重可減少氨揮發(fā)，但通常會增加溫室氣體排放，因此僅調節(jié)容重也難以實現(xiàn)協(xié)同減排（表1）。綜合考慮氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排，堆肥物料初始容重建議為0.5 Mg·m-3。

表1 畜禽廢棄物堆肥過程氨氣和溫室氣體調控策略、減排技術、影響機制、調控途徑及技術參數(shù)和減排潛力Table 1 Regulation strategy，mitigation technology，influencing mechanism，regulation pathway and technology parameter，mitigation potential of ammonia and greenhouse gas emissions from livestock waste composting

2.2 供氣策略優(yōu)化

2.2.1 翻堆

翻堆提高堆體內(nèi)O2濃度，促進有機氮的礦化，易增加氨揮發(fā)[31]。一般認為，氨揮發(fā)量隨翻堆頻率的增加而增加[37]。翻堆使物料均一化，堆體內(nèi)部NO-x被翻至表面，經(jīng)反硝化生成N2O[8]，從而增加N2O 排放[6]。趙晨陽等[38]發(fā)現(xiàn)，提高翻堆頻率，導致N2O 排放增加。因此，在保證堆肥物料降解的同時適當降低翻堆頻率（每周1次）有助于減少NH3和N2O排放。O2供應不足是導致CH4產(chǎn)生的主要原因，通過翻堆為堆體提供充足的O2，避免厭氧區(qū)域的形成，降低產(chǎn)甲烷菌活性，增強甲烷氧化菌活性，可顯著減少CH4排放。因此，翻堆頻率越高，CH4排放量越低。賈興永[39]每隔1、3、7 d 翻堆一次，發(fā)現(xiàn)提高翻堆頻率可減少CH4排放。江滔等[40-41]將翻堆頻率由每周1 次提高到每周2 次，發(fā)現(xiàn)CH4減排50%。綜上所述，降低翻堆頻率在減少NH3和N2O排放的同時會增加CH4排放（表1），因此通過改變翻堆頻率也難以實現(xiàn)協(xié)同減排。

2.2.2 強制通風

強制通風條件下的氨揮發(fā)量要高于翻堆[4]，且氨揮發(fā)量隨通風速率的增加而增加[37]。因此，在保證O2供應、保持溫度和去除水分的條件下，適當降低通氣速率可減少氨揮發(fā)。Li等[22]進行牛糞堆肥試驗時，設置 了4 個 通 風 速 率：0.095、0.192、0.384、0.768 L·min-1·kg-1DM，結果表明，0.192 L·min-1·kg-1DM 處理效果最佳。Jiang 等[41]在豬糞堆肥時采用3 個通風速率：0.18、0.36、0.54 L·min-1·kg-1DM，發(fā)現(xiàn)NH3和N2O排放量隨通風速率的增加而增加。通風速率越高，堆體內(nèi)部的厭氧區(qū)域越小，反硝化越弱，N2O 排放量也越低[42]。然而也有研究并未發(fā)現(xiàn)通風速率對N2O 排放有影響[43]。由此可知，堆肥過程通風速率與N2O 排放量的關系并不明確，原因在于：①隨著通風速率增加，堆肥過程反硝化與硝化呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，表現(xiàn)為N2O排放無顯著差異；②不同研究間物料和O2有效性存在差異，若物料的孔隙度不均，即使增加通風速率，堆體內(nèi)也易形成優(yōu)先的O2流動路徑，產(chǎn)生大量的厭氧區(qū)域[31]。強制通風為堆體源源不斷地提供O2，可避免形成有利于CH4產(chǎn)生的厭氧區(qū)域。江滔等[40-41]發(fā)現(xiàn)，通風速率從0.18 L·min-1·kg-1DM 提高到0.54 L·min-1·kg-1DM 時，CH4減排90%。綜上所述，降低通風速率可減少氨揮發(fā)，一般建議為0.2 L·min-1·kg-1DM，同時易增加CH4排放（表1），因此調節(jié)通風速率也難以實現(xiàn)協(xié)同減排。

2.2.3 通風方式

與連續(xù)通風相比，間歇通風可減少總的通氣量，提高O2利用效率，顯著減少堆肥過程氨揮發(fā)[44]。張紅玉等[45]發(fā)現(xiàn)，每通氣40 min 停20 min 的間歇通風方式具有最佳的氨揮發(fā)減排效果；而徐鵬翔[46]指出，每通氣10 min 停10 min 的間歇通風處理氨揮發(fā)量最低。就氨氣減排而言，不同研究因堆肥原料和規(guī)模不同，得出的間歇時間并不一致，今后應針對性地制定通氣間歇時間。與連續(xù)通風相比，間歇通風時硝化與反硝化交替進行促進N2O 排放[41]。江滔等[40-41]發(fā)現(xiàn)，與連續(xù)通風相比，間歇通風導致CH4排放增加8.9 倍。Wang 等[47]研究表明，與正壓堆肥相比，從頂部向底部供氣的負壓堆肥方式顯著減少氨揮發(fā)（55%），同時增加CH4和N2O 排放。綜上所述，改變通風方式難以實現(xiàn)氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排。

2.3 添加劑減排

2.3.1 生物添加劑

添加高溫耐氨微生物或氨氧化微生物促進NH+4的同化或硝化，降低物料本底NH+4含量，可減少10.2%～42.8%的氨揮發(fā)[1]。堆肥中N2O 的產(chǎn)生與NO-2含量正相關，氨氧化細菌與亞硝酸鹽氧化菌的不平衡導致NO-2的累積，進而增加N2O 排放[48]。Fukumoto等[48-49]通過添加亞硝酸鹽氧化菌和富含亞硝酸鹽氧化菌的腐熟堆肥，顯著減少了堆肥過程N2O 排放。陳耀寧等[50]通過添加硝化抑制劑雙氰胺（DCD），發(fā)現(xiàn)其對nirK 基因的抑制效果最顯著。Jiang 等[51]添加0%～10%的DCD，結果發(fā)現(xiàn)添加量高于2.5%時，硝化過程被顯著抑制，堆肥過程N2O 排放減少77%。微生物菌劑成本低、易施用，但在堆體內(nèi)適應性較差，效果不穩(wěn)定。此外，目前的菌劑功能單一且缺乏針對CH4減排的菌劑，因此研發(fā)適應性強、效果穩(wěn)定且能實現(xiàn)氨氣和溫室氣體協(xié)同減排的多功能復合菌劑應是未來研究的重點。

2.3.2 物理添加劑

物理添加劑主要包括生物炭、沸石、膨潤土、麥飯石等吸附劑，其具有豐富的孔隙結構和帶負電荷的吸附位點，有利于NH3和NH+4的吸附。此外，生物炭等表面的酸性含氧官能團與NH+4發(fā)生陽離子交換，也能吸附和固定NH+4[50]。研究表明，即使在低濃度和高溫等條件下，物理吸附劑仍具有吸附作用[52]，但物料性質可能影響吸附效果，如在高含水率（＞65%）條件下，因水和NH+4競爭吸附位點易弱化吸附效果[1]。生物炭和沸石是目前應用最廣泛的物理添加劑，添加劑量一般在初始干質量的20%以下，且氨氣減排效果隨添加量的增加而增強[53]。Wang等[54]和Li等[55]添加3%的生物炭，結果發(fā)現(xiàn)，與N2O 產(chǎn)生相關的基因（narG 和nirK）豐度降低，與N2O還原相關的基因（nosZ）豐度增加，顯著減少了N2O 排放。添加生物炭和沸石可改善堆體好氧狀況，降低產(chǎn)甲烷菌豐度，增加甲烷氧化菌豐度[56-57]。一般認為，生物炭添加量越高，CH4減排效果越好[58]。Sánchez-García 等[59]指出，添加3%的生物炭不足以改變堆體好氧狀況，難以減少CH4排放。Chen 等[60]添加10%由不同原料制備的生物炭，包括秸稈、竹子、木頭、糞便、果殼燒制的生物炭，發(fā)現(xiàn)所有的生物炭均可減少NH3和CH4排放，其中秸稈生物炭具有最佳的減排效果，歸因于其更大的比表面積和孔隙結構。此外，生物炭和沸石改性后孔隙結構更豐富，比表面積更大，含有的表面官能團更多[61-62]，減排效果更好。綜上所述，添加生物炭等物理吸附劑是實現(xiàn)堆肥過程氨氣和溫室氣體協(xié)同減排的有效措施（表1），然而由于制備工藝的不同，導致其表面性質和減排效果存在差異，在未來研究中需進一步明確其相關關系。

2.3.3 化學添加劑

化學添加劑可降低物料pH，增加NH+4的化學固定，對氨揮發(fā)的減排效果優(yōu)于生物添加劑和物理添加劑[1]。目前，常用的化學添加劑包括磷鎂鹽、過磷酸鈣、磷石膏等。對氨氣減排效果為磷鎂鹽＞過磷酸鈣＞磷石膏，因為鎂或鈣等離子可通過H2PO4-與NH+4結合，形成磷酸銨鎂等穩(wěn)定化合物，降低本底NH+4含量，進而減少氨揮發(fā)，而磷石膏與NH+4的結合不如鎂和鈣離子穩(wěn)定，導致磷石膏的氨氣減排效果較差。此外，F(xiàn)e3+和Al3+等離子可通過水解形成酸，降低物料pH，有效減少堆肥過程氨揮發(fā)[1]。物料pH 是影響堆肥過程氨揮發(fā)的直接因素，物料酸化可減少堆肥過程40%以上的氨揮發(fā)[1]。由于有機酸易降解，無機酸的氨氣減排效果優(yōu)于有機酸?；瘜W添加劑對堆肥N2O 的排放并無顯著影響，其中磷石膏甚至增加N2O排放[1]，可能由于化學添加劑降低堆肥pH，抑制N2O 還原酶活性，提高N2O/N2產(chǎn)物比[63]。已有文獻表明，物料酸化并不一定增加堆肥過程N2O排放[64]：Wu等[65]添加磷酸和硫酸，顯著增加N2O排放；Mao等[66]添加蘋果渣和檸檬酸，卻顯著降低N2O排放。

綜上所述，酸的類型是影響堆肥過程NH3和N2O減排的關鍵因子，無機酸的氨氣減排效果優(yōu)于有機酸，但同時增加N2O 排放，需注意的是無機酸的添加可能導致堆肥產(chǎn)品EC 值增加和腐熟度降低[64]，酸化過度（pH＜6）亦可抑制堆肥微生物活性[45]。目前常用的化學添加劑都可顯著減少堆肥過程CH4排放，其中磷鎂鹽、過磷酸鈣和磷石膏可分別減少45.5%、51.0%和89.7%的CH4排放[1]，主要因為這些添加劑降低物料pH，增加堆肥SO2-4含量，從而抑制產(chǎn)甲烷菌活性，減少CH4排放[67]。需要注意的是，如選用磷酸作為磷鎂鹽中的磷源，應避免物料pH 值過低[68]；過磷酸鈣的添加量應控制在初始物料的10%以下，否則會影響堆肥進程[51]。楊巖等[69]添加0%～25%的過磷酸鈣，研究表明10%的添加量可獲得最佳減排效果。Hao等[67]添加10%、20%和30%的磷石膏，研究表明添加量越高，CH4減排效果越好，但應避免酸化過度。

3 堆肥過程中氨氣和溫室氣體協(xié)同減排

由圖2 可知，堆肥過程中調節(jié)物料性質和優(yōu)化供氣策略，導致氣體排放此消彼長。因此，應在調節(jié)物料性質和優(yōu)化供氣策略的基礎上，結合添加劑減排以實現(xiàn)氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排?；谝陨衔墨I綜述，本文提出以下協(xié)同減排策略：

（1）根據(jù)減排的優(yōu)先序，調節(jié)堆肥物料性質。氨氣是堆肥過程氮素最主要的損失途徑，首先考慮氨氣減排，建議：①調節(jié)碳氮比至25～30，且應考慮碳組分尤其是易降解碳，而不僅是傳統(tǒng)的全碳；②通過壓實或選用合適粒徑的填充劑，調節(jié)容重至0.5～0.8 Mg·m-3。其次考慮N2O 減排，建議：①含水率調節(jié)至60%～70%；②容重調節(jié)至0.5 Mg·m-3。最后考慮CH4減排，建議：①調節(jié)碳氮比至20～25，且選用易降解碳含量低的高碳物質；②含水率調節(jié)至50%～60%；③容重調節(jié)至0.2～0.5 Mg·m-3。此外，還需要綜合考慮堆肥方式、原料，制定物料性質調節(jié)的參數(shù)。

（2）根據(jù)減排目標氣體，優(yōu)化供氣策略。如以氨氣減排為主，建議：①翻堆頻率每周1 次；②通風速率0.2 L·min-1·kg-1DM；③間歇通風，間歇通風在減少氨揮發(fā)的同時會增加溫室氣體的排放，可通過調節(jié)間歇時間減少溫室氣體的排放[70]；④負壓堆肥。如以N2O減排為主，建議：①翻堆頻率每周1 次；②連續(xù)通風；③正壓堆肥。如以CH4減排為主，建議：①翻堆頻率每1～2 d 1次；②連續(xù)通風；③正壓堆肥。

（3）多功能復合菌劑精準調控，實現(xiàn)協(xié)同減排?；瘜W添加劑（如磷鎂鹽）的氨氣減排效果優(yōu)于物理添加劑，而對溫室氣體的減排效果不如物理添加劑，故在今后的研究中可探索化學添加劑和物理添加劑的聯(lián)合調控途徑。此外，生物炭等物理添加劑可實現(xiàn)氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排，但是應明確生物炭的“制備工藝-表面性質-氣體排放”三者的定量關系。

4 結論與展望

堆肥過程中碳氮轉化與氨氣和溫室氣體排放相互關聯(lián)，本研究系統(tǒng)梳理了已發(fā)表的文獻，分析了畜禽廢棄物堆肥過程氨氣和溫室氣體的排放機制；闡明了影響因素、調控途徑和減排潛力。研究表明：畜禽廢棄物堆肥過程氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排機理和調控途徑尚不清楚，應在調節(jié)物料性質和優(yōu)化供氣策略的基礎上，開展堆肥過程化學、物理和生物聯(lián)合添加劑的精準調控以實現(xiàn)協(xié)同減排的基礎和技術研究。

未來的研究重點和方向：

（1）氨氣和溫室氣體的產(chǎn)生和排放相互關聯(lián)，目前堆肥過程碳氮轉化機制尚不清楚，阻礙協(xié)同減排策略的制定和優(yōu)化，故應借助同位素技術明確碳氮氣體產(chǎn)生途徑，利用分子生物學技術解析微生物驅動機制，基于掃描電鏡分析法和光譜法等技術剖析顆粒尺度碳氮轉化動力學。

（2）目前堆肥過程氣體減排機理尚不夠明晰，主要因為調控措施會同時影響多個因素，從而引發(fā)多重效應甚至掩蓋真實現(xiàn)象，今后研究應注重氣體排放的交互影響機理的基礎研究。

（3）為實現(xiàn)氨氣和溫室氣體的協(xié)同減排，應在調節(jié)物料性質和優(yōu)化供氣策略的基礎上，研發(fā)物理和化學復合添加劑與多功能菌劑以實現(xiàn)堆肥過程氣體精準協(xié)同減排。

圖2 畜禽廢棄物堆肥過程NH3、N2O和CH4等氣體的協(xié)同關系對調控策略的響應Figure 2 Synergetic relationship between gases（i.e.NH3，N2O，CH4etc.）emissions responding to regulation strategy during manure composting