C/N比對好氧堆肥中NH 3揮發損失和含氮有機物轉化的影響

周海瑛，邱慧珍，楊慧珍，李孟嬋，王友玲，張春紅

(1.甘肅農業大學資源與環境學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州730070;2.甘肅省畜禽廢棄物資源化利用工程研究中心，甘肅蘭州730070)

隨著農業產業結構的不斷調整，我國畜牧業和種植業在規模和質量上都得到快速發展，總產值逐年增加，但畜禽排泄物和農作物秸稈等農業廢棄物隨之增加［1］。我國畜禽養殖糞污產生量為每年3.834×109t，而利用率卻不到 60%［2］。農作物每年秸稈資源量達到1.04×109t，可收集量達到9.0×108t，未充分利用的有 2×108t左右［3］。我國農業廢棄物的利用率較低，不僅造成了巨大的資源浪費，且由于亂堆亂放及隨意焚燒也會嚴重破壞生態環境。

好氧堆肥因其可就地處理、成本低、無害化程度高以及生物風險小等優點成為應用最廣的農業廢棄物資源化利用途徑［4］。但是堆肥過程中因為C/N比等工藝參數的不合理調配會導致NH3大量揮發，不僅會造成嚴重的二次污染，也會引起氮素的大量損失。有研究表明，NH3揮發導致的氮素損失可達總氮損失的32.3%～50.0%［5-7］。

目前，關于NH3揮發的產生機制以及阻控研究主要集中在引入外援添加劑進行原位控制方面［8-10］。對好氧堆肥過程中氮素轉化的研究則多集中在探究無機氮組分的變化規律［11-13］，鮮有學者系統性研究各形態氮素間的轉化，特別是對好氧堆肥過程中有機氮及其組分含量的變化規律與NH3揮發之間關系的研究，且以不同C/N比為處理的堆肥試驗多集中在堆肥腐熟進程的研究［14-17］，同時已有的試驗多在靜態通風堆肥系統或發酵倉堆肥系統中進行。鑒于此，本試驗采用有機肥生產中最普遍應用的條垛式堆肥，以牛糞和玉米秸稈為原材料，設置5個不同C/N比處理，研究好氧堆肥過程中總氮、NH3揮發、銨態氮、pH、有機氮及其組分含量的變化規律，旨在探明不同C/N比好氧堆肥過程中的NH3揮發損失及其與含氮有機物轉化之間的關系，以期為減少堆肥過程中產生的二次污染、優化堆肥參數提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

堆肥試驗設在甘肅省白銀市白銀區四龍鎮鑫昊有機肥廠，試驗區年平均氣溫約9℃，7—9月平均氣溫23℃，年均降雨量181 mm，全年多風，屬典型的大陸性氣候。堆肥采用戶外條垛式堆置方式，于2018年7月25日至2018年9月14日進行堆肥。供試新鮮牛糞采自白銀市白銀區四龍鎮鑫昊奶牛場，所需玉米秸稈購自白銀市白銀區四龍鎮昌達養殖合作社，使用前用切碎機將秸稈切成2～5 cm的碎料。堆肥原料的理化性質見表1。

1.2 試驗設計

如表2所示，堆肥原料為牛糞+玉米秸稈，堆肥試驗共設置5個 C/N 比處理，分別為15、20、25、30、35，記為 T1、T2、T3、T4、T5，每個處理設置 3 次重復。T1處理添加一定量的尿素，T2～T5處理添加不同量的玉米秸稈調節堆料C/N比。堆體初始含水率65(±1)%，混勻后堆成高1.2 m、寬1.8 m條堆。堆肥前28 d每2 d翻堆一次，之后視水分狀況翻堆。

表1 堆肥原料的理化性質Table 1 The characteristics of materials

表2 不同C/N比處理原料配比Table 2 Different C/N ratios of raw material

1.3 試驗樣品采集

1.3.1 固體樣品采集 本試驗堆肥期間每3 d采集1次樣品，采樣時間為上午9∶30～10∶30。采樣時將每個堆體按照長度分為3等分，按離地面40、70 cm和100 cm分為上、中、下3層，按照5點采樣法在每層采集300 g樣品，將采集的3層樣品充分混勻并分為3份:1份鮮樣用于銨態氮測定;1份自然風干后粉碎過1 mm篩，四分法縮份取出裝入自封袋中，用于測定總氮和pH值;1份粉碎過0.149 mm篩，四分法縮份取出裝入自封袋中，用于測定有機氮組分。每次采樣均在翻堆前進行。

1.3.2 氣體樣品采集 堆肥期間NH3收集時間為每天早上 9 ∶00～11 ∶00。采用靜態箱［18］，箱體和底座材料為不銹鋼，箱體為正方體，邊長為50 cm，體積為0.125 L。底座高為20 cm，邊長為50 cm，并設置深度為2 cm的水槽。采樣前將靜態箱底座固定在肥堆上(每個堆體同時放置3個靜態箱)，把靜態箱放置在底座上，將靜態箱底座凹槽灌水密封，防止外界氣體進入箱內，將盛有2%硼酸的燒杯置于靜態箱內吸收氨氣(吸收10 min)。吸收結束后，將燒杯用保鮮膜立即封口。每天采集1次氣體，每次采樣均為翻堆前采樣。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 溫度 堆肥期間用100℃水銀溫度計于每天8∶00、14∶00、20∶00進行測量，并取 3次溫度的平均值作為當天堆體的溫度。每次測溫時測溫深度與取樣深度保持一致，同時進行環境溫度的測量;

1.4.2 pH值 pH計法。稱過1 mm篩的風干樣品5.0 g，放入250 mL三角瓶中，加蒸餾水 50 mL，在180 r·min-1的搖床上搖 20 min，取出后靜置30 min，然后用 pH 計測定［19］。

1.4.3 總氮含量 H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法［19］測定。

1.4.4 銨態氮含量 KCl浸提-靛酚藍比色法［20］測定。

1.4.5 NH3滴定 吸收了氨氣的硼酸用0.005 mol·L-1的硫酸滴定，滴定終點為:溶液由藍色變為淡紫紅色。

(1)NH3揮發速率計算公式如下:

式中，F為NH3揮發速率(mg·m-2·h-1);C為標定過的硫酸濃度(mol·L-1);V為消耗的硫酸體積(mL);V0為空白消耗的硫酸體積(mL);M為NH3的分子量為17.03(g·mol-1);a2為采氣箱與肥堆接觸面積0.5×0.5=0.25(m2);t為吸收時間。

(2)NH3累計揮發量計算公式如下:

式中，D為NH3累計揮發量(g·m2);F為NH3揮發速率(mg·m-2·h-1);B為NH3揮發面積(m2);n為NH31測定天數(d)。

1.4.6 有機態氮及其組分含量測定 Bremner酸解法［21］。 堆肥過程中總氮損失率采用質量法計算［22］:

式中，X為總氮損失率(%);C0為初始時總氮質量分數(g·kg-1);C1為結束時總氮質量分數(g·kg-1);M0為初始時物料干重(kg);M1為結束時物料干重(kg)。

1.5 數據處理與分析

利用SPSS 25.0軟件對所測數據統計分析，用平均值和標準偏差表示測定結果，對同一時間、不同處理的測定結果進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，并用Duncan法對各測定數據進行多重比較;采用WPS 2016制圖。

2 結果與分析

2.1 不同C/N比對好氧堆肥過程中總氮含量的影響

堆肥過程中不同處理總氮含量如圖1所示，可以看出，在堆肥前24 d，各處理的總氮含量均迅速下降，T1～T5處理的總氮含量分別下降了23.1%、17.5%、15.9%、14.2%和11.1%，C/N比越低，下降幅度越大。經過高溫期的降解，堆肥的堆體體積在進入降溫期后迅速減小，重量急劇下降，各處理總氮含量因濃縮效應而增加。堆肥結束時(51d)，與初始狀態相比，除T1處理總氮含量略有降低外，T2～T5處理的總氮含量分別增加了4.7%、8.9%、8.8%和15.0%，其中T3處理總氮含量為16.38 g·kg-1，且顯著高于其他處理(P＜0.05)。

各處理在堆肥過程中的總氮損失率如圖2所示。由圖2可看出，T1處理總氮損失率最高，為24.1%，T5處理最低，僅為10.1%，這是由于T1處理C/N比最低，氮素含量豐富，在堆肥升溫和高溫階段，高溫和高pH條件下銨態氮大量轉化為NH3并揮發，造成了大量的氮素損失。C/N比越低，總氮損失率越高，堆體C/N比為25～35時，總氮損失率顯著低于C/N比為15～20的處理。由此可見，為減少堆肥過程中氮素的損失，堆肥的初始C/N比不能低于25。

圖1 堆肥過程中總氮含量變化Fig.1 Total nitrogen content during composting

圖2 不同處理總氮損失率Fig.2 Total nitrogen loss rate under different treatments

2.2 不同C/N比對好氧堆肥過程中NH3揮發的影響

從圖3中可以看出，NH3揮發主要發生在升溫期和高溫期，此時期內NH3揮發量占總揮發量的95%以上。本試驗條件下的NH3揮發峰值出現在堆肥第9天，T1～T5處理的峰值分別為19.8、11.2、8.0、7.7 mg·h-1·m-2和 2.5 mg·h-1·m-2，T1 處理為T3處理的2.5倍，為T5處理的8倍。當堆肥進行到33 d時，各處理NH3揮發速率均在0.5 mg·h-1·m-2以下。至堆肥結束時，T1～T5處理NH3累計揮發量分別為 141.5、97.2、71.7、71.6 g 和 54.8 g，說明堆體初始C/N比越低，NH3揮發速率越高，持續揮發時間越長，NH3累積揮發量越大。

圖3 堆肥過程中NH 3揮發速率變化Fig.3 NH3 volatilization rate during composting

NH3揮發是堆肥過程總氮損失的主要途徑，表3結果可以看出，T1～T5處理由NH3揮發造成的氮損失占總氮損失比例依次為40.5%、39.5%、38.6%、34.1%和30.9%。說明堆體初始 C/N比越低，由NH3揮發造成的氮損失占總氮損失比例越高。

2.3 不同C/N比對好氧堆肥過程中銨態氮含量的影響

如圖4所示，T1處理在堆肥開始時銨態氮達到最大值，為1.56 g·kg-1，而T2～T5處理在堆肥第6天達到最大值，處理之間差異顯著(P＜0.05)，分別為 1.26、1.20、1.10 g·kg-1和 0.82 g·kg-1，之后隨著NH3揮發的進行銨態氮含量隨之降低，降低的程度隨C/N比的增大而降低，堆肥結束時(51 d)，T1～T5 處理銨態氮含量分別為 0.42、0.36、0.37、0.36 g·kg-1和0.34 g·kg-1，損失率分別為 72.9%、61.2%、54.8%、51.8%和43.3%，堆體初始C/N比越低，銨態氮損失率越大。

2.4 好氧堆肥過程中堆體pH值和溫度的變化

由圖5可知，隨堆肥的進行pH值迅速升高，這主要是因為銨態氮的積累所致。至堆肥第3天時低C/N比的T1和T2處理pH高達8.5和8.0，遠高于T3～T5處理的7.5～7.8，各處理間pH值出現差異，堆肥進入第6天時低C/N比處理和高C/N比處理間差異達最大，而堆肥進入第12天時處理間差異不斷減小。堆肥進入降溫腐熟期后，銨態氮和氨氣被轉化為硝態氮，各處理pH值開始下降。堆肥結束時(51 d)，5 個處理分別降為 8.59、8.58、8.55、8.51和8.53，各處理間無顯著性差異(P＜0.05)。低C/N比處理過高的pH值是導致堆肥NH3大量揮發的主要因素。

不同C/N比堆體溫度變化如圖6所示。在堆肥初期，易分解的有機物質迅速分解，微生物活動釋放出大量的熱，使堆體溫度迅速上升。T1處理于第6天進入高溫期(55℃)，T2處理于第3天進入高溫期，T3～T5處理均在堆肥第2天進入高溫期，堆料含氮量越高，進入高溫期所需要的時間越長。5個處理高溫期達到的最高溫度依次為58.8℃、59.3℃、61.8℃、63.0℃和 65.3℃，高溫期持續時間依次為 20、21、24、27 d 和 31 d，在堆肥過程中低 C/N比的T1和T2處理高溫期持續時間和所達到的最高溫度都低于高C/N比T3～T5處理。進入降溫腐熟階段，堆體溫度逐漸降低，堆肥結束時(51 d)T1～T4降到40℃以下，T5處理略高于40℃。

表3 NH3累計揮發與損失Table 3 NH3 cumulative volatilization and loss

圖4 堆肥過程中銨態氮含量變化Fig.4 Ammonium content during composting

圖5 堆肥過程中pH值的變化Fig.5 pH value during composting

2.5 不同C/N比對好氧堆肥過程中有機氮及其組分含量的影響

本試驗中各處理有機氮含量均達到總氮含量的90%以上。由圖7可見，堆肥第0天，T5處理有機氮含量顯著低于其他處理(P＜0.05)。隨著堆肥的進行，各處理有機氮含量不斷減少，有機氮的損失主要發生在堆肥前24 d，T1～T5處理有機氮含量分別損失了31.8%、24.3%、14.4%、14.0%和7.0%，說明堆體初始C/N比越低，有機氮損失越嚴重。堆肥結束時，5個處理有機氮含量分別增加至14.83、15.63、15.82、15.80 g·kg-1和 14.82 g·kg-1，T3 和T4處理有機氮含量顯著高于T1和T5處理(P＜0.05)。

本試驗中酸解有機氮占有機氮的比例為50%～60%。由圖8可見，在整個堆肥過程中酸解有機氮含量呈下降趨勢。堆肥結束時，C/N比最高的T5處理顯著低于其他處理(P＜0.05)。T1～T5處理酸解有機氮損失率分別為 61.2%、60.2%、57.9%、53.6%和55.4%，說明堆體初始C/N比越低，酸解有機氮損失率越高，氮素損失率越大。堆肥成品中C/N=30的T4處理酸解有機氮含量最高，且在整個堆肥過程中的損失率也最低。

本試驗中氨基酸態氮占酸解有機氮比例約為30%～40%，從圖9中可以看出，氨基酸態氮的損失主要發生在堆肥前9 d，5個處理均在堆肥第9天達到最低值，較初始狀態分別損失了52.1%、38.3%、31.8%、36.6%和42.7%。表明堆體初始C/N比越低，氨基酸態氮損失率越高。堆肥結束時，各處理氨基酸態氮含量分別為 1.98、2.21、2.22、2.15 g·kg-1和2.04 g·kg-1，損失率分別為 37.8%、18.4%、6.6%、4.2%和3.6%。堆肥成品中C/N=25的T3處理氨基酸態氮含量最高，在整個堆肥過程中損失率也相對較小。

圖6 堆肥過程中堆體溫度變化Fig.6 Change of stack temperature during composting

圖7 堆肥過程中有機氮含量變化Fig.7 Organic nitrogen content during composting

本試驗中酰胺態氮在酸解有機氮中所占比例為30%～40%。從圖10可以看出，堆肥前6 d各處理酰胺態氮含量不斷增加，并于第6天達到最高值，分別為 5.28、4.93、4.74、4.75 g·kg-1和 4.20 g·kg-1。堆體進入高溫期后酰胺態氮轉化為銨態氮，并以NH3的形式揮發損失。酰胺態氮含量的損失主要發生在第6～18 d，此期間T1～T5處理損失率分別為42.2%、35.4%、32.7%、38.4%和 28.4%，堆體C/N比越低，酰胺態氮含量損失率越高。至堆肥結束時(51 d)，T1～T5處理酰胺態氮含量增加到5.29、5.31、5.36、5.35 g·kg-1和 5.08 g·kg-1。T3 處理酰胺態氮含量最高，且顯著高于T 1和T5處理(P＜0.05)。

本試驗中各處理氨基糖態氮在酸解有機氮中所占的比例不到2%。如圖11所示，在堆肥前24 d，T1～T5處理氨基糖態氮含量均呈現不同程度的增加，T1和T2處理于第21天達到最高值，而T3～T5處理于第24天達到最高值，與堆肥初始狀態相比，T3處理增加最多，為91%，T1處理增加最少，為77%。堆肥結束時(51 d)，各處理氨基糖態氮含量分別為 0.12、0.13、0.13、0.12 g·kg-1和 0.11 g·kg-1，差異不顯著(P＜0.05)。堆體初始 C/N比過低，不利于氨基糖態氮積累。

圖8 堆肥過程中酸解有機氮含量變化Fig.8 Organic nitrogen content in acid hydrolysis during composting

圖9 堆肥過程中氨基酸態氮含量變化Fig.9 Amino acid nitrogen content during composting

圖10 堆肥過程中酰胺態氮含量變化Fig.10 Amide nitrogen content during composting

圖11 堆肥過程中氨基糖態氮含量變化Fig.11 Amino sugar nitrogen content during composting

3 討論

各形態氮素相互轉化過程中伴隨著一定量的氮素損失，在好氧堆肥中氮素損失途徑包括NH3揮發、硝化和反硝化過程產生的含氮氣體揮發以及徑流，研究顯示NH3揮發是堆肥過程中氮素損失最主要的途徑［23］。在本試驗中，總氮大量損失主要發生在堆肥升溫期和高溫期，其中約有30.9%～40.5%的氮素損失是由NH3揮發造成的，此階段NH3累計揮發量均達到整個堆肥過程總揮發量的95%以上，這與黃兆林、黃國鋒等［6-7］的研究結果一致，主要是因為堆肥前期堆體溫度高，微生物對含氮有機化合物的礦化更劇烈，銨態氮大量生成并積累，導致堆體pH值升高，進而導致大量的NH3揮發。雖然NH3揮發會造成總氮損失，但在本試驗中堆肥結束時的各處理總氮含量高于初始值，一方面是因為銨態氮與碳源代謝的中間產物α-酮戊二酸在谷氨酸合成酶的作用下合成有機氮［24］，同時本試驗證明好氧堆肥中有機氮占總氮的90%以上;另一方面是因為隨著堆肥進程的推進，肥堆體積不斷減小，同時肥堆的重量也急劇下降，氮素的相對含量被濃縮，這與張雪辰和趙建榮等［25-26］的研究結果一致。C/N比是最關鍵的影響因素［27］，C/N比過低會導致堆體溫度上升緩慢，不能有效降解肥堆中的有機物，且過量的氮素無法被微生物利用，將以NH3的形式溢散，既降低了產品肥效又造成了嚴重的環境污染［28-29］;本試驗中T1處理總氮和銨態氮損失率最高，由NH3揮發造成的氮素損失占總氮損失的比例最大，主要原因是T1處理C/N比過低，氮素含量本底值較高，銨態氮含量豐富，且堆體的pH值隨銨態氮的積累迅速升高，高溫和高pH值條件促進了銨態氮向NH3的轉化，T1處理NH3累計揮發量最大，因此造成的氮素損失也最大。而當堆體C/N比過高時，則氮源不足，使得菌體繁殖量減少，進而降低微生物工作效率，延長肥堆發酵時間［30］。

堆肥中氮素的形態主要以有機氮為主。有機氮及其組分是礦化氮的源和庫，在氮素轉化與固定中起到至關重要的作用［31］。整個好氧堆肥過程中T1～T5處理有機氮損失率為8.5%～19.0%，同時研究結果顯示堆體初始C/N比越低，有機氮的損失率越高，隨著堆肥進入降溫腐熟期，有機氮含量不斷上升，這可能是因為氨同化細菌將一些可溶性有機氮如氨基酸、氨基糖、核苷酸以及氨化作用產生的銨態氮同化成細胞的組成成分，氨被轉化為生物氮［32］。但T5處理酸解有機氮含量始終處于最低，這是由于該處理本身有機氮含量就低，而且含氮有機物的礦化速率較慢，此結果與賀琪［13］和單德鑫［33］等人的研究結果一致。

肥堆中氨基酸態氮可以在微生物和相關酶的作用下大量轉化為酰胺態氮和銨態氮，酰胺態氮也可進一步轉化為銨態氮，在一定環境條件下，銨態氮又以NH3形式揮發［34］。氨基酸態氮在堆肥前9 d大幅減少，主要有兩個原因，一是堆肥前期堆體溫度迅速升高，微生物首先利用堆肥原料中小分子的氨基酸作為氮源，使得氨基酸態氮的分解速率大于產生速率;二是由于肥堆中氨基酸態氮存在一定的轉化，其在酰胺酶和脫氨酶的作用下分別轉化為酰胺態氮和銨態氮［35］。試驗結果顯示整個好氧堆肥過程中T1～T5處理氨基酸態氮損失率20.6%～50.8%，并且堆體初始C/N比越低，其損失率越高，這是由于C/N比越低的處理，NH3揮發越嚴重，銨態氮損失率越高。本試驗中各處理酰胺態氮在堆肥前6 d呈增加趨勢，主要是因為堆體中由水解或脫氨基產生的氨基酸和氨基糖在一定條件下可以合成酰胺態氮;6 d后肥堆酰胺態氮含量有所降低，這主要是因為酰胺態氮向銨態氮轉化導致的，并且以NH3揮發形式損失。本試驗發現氨基酸態氮和酰胺態氮為主要的礦化源，整個堆肥過程中氨基酸態氮的減少量大于酰胺態氮的減少量，因此氨基酸態氮對礦化氮的貢獻率大于酰胺態氮。

4 結論

1)總氮損失主要發生在堆肥前24 d，至堆肥結束時，總氮損失率達10.1%～24.1%，且堆體初始C/N比越低，總氮損失率越高。

2)NH3揮發是總氮損失的主要途徑，由NH3揮發造成的氮損失占總氮損失的30.9%～40.5%;堆肥升溫期和高溫期的NH3揮發量占總揮發量的95%以上，且堆體初始 C/N比越低，NH3累計揮發量越高。

3)堆體初始C/N比越低，銨態氮積累越多，導致pH越高，銨態氮損失越嚴重，堆肥結束時銨態氮的損失率高達43.3%～72.9%。

4)堆肥材料總氮的90%以上為有機氮，其礦化主要發生在堆肥前24 d，礦化率為7.0%～31.8%，堆體初始C/N比越低，有機氮的礦化越快，且以氨基酸態氮和酰胺態氮的礦化為主。