糞便對食用菌渣堆肥中碳氮轉化的影響*

王定美 麥力文 楊 霞 林 蕊 陳新富 李勤奮#

(1.中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所，海南 ?？?571101；2.海南省熱帶生態循環農業重點實驗室，海南 ?？?571101；3.海南醫學院熱帶醫學與檢驗醫學院，海南 海口 571199)

中國是世界食用菌生產與出口大國，2018年我國食用菌總產量已突破3 800萬t，占世界總產量70%以上[1]。食用菌生產的同時也伴隨著大量食用菌渣(以下簡稱菌渣)廢棄物的產生，菌渣資源化綜合利用已受到廣泛關注[2-4]。在眾多的資源化利用方式中，堆肥化處理被研究者普遍認可[5-6]，該處理在使有機質穩定化的同時，可降低物料中重金屬、病原菌、鹽分等有害物質的毒性。為提高菌渣堆肥效率，堆肥物料的合理混配不可或缺。

堆肥化本質上是微生物驅動下的碳氮物質礦化分解和分解后產物的腐殖化過程[7]，碳和氮對微生物的生長和繁殖十分必要，碳氮質量比(C/N)是堆肥的關鍵因素[8]。為了使微生物生長營養物質平衡，堆肥適宜C/N為20～35[9]。關于物料初始C/N的研究，主要集中在全碳(TC)和全氮(TN)上[10]，但這忽視了原料中非生物有效碳氮組分的影響，也導致了不同類別原料即便是同一C/N下，其堆肥進程也差別較大[11],[12]233,[13]。因此，研究原料類別對堆肥進程的影響，對于通過物料混配方法優化堆肥化進程有重要意義。

研究表明，優化菌渣與糞便配比可提高堆肥效率[14-15]，此類研究的主要目的是研究菌渣與糞便的最優質量配比，并未能進一步闡釋糞便種類對菌渣堆肥的影響。劉超等[16]比較了典型畜禽糞便與菌渣的堆肥效果，但該文忽視了堆肥化是微生物利用碳氮進行代謝作用的本質，難以明確這種差異是由糞便本身碳氮源有效性等性質引起的還是初始C/N不同造成的。本研究按堆積過程中發熱量的不同，將糞便劃分為冷性糞肥、溫性糞肥、熱性糞肥，并進一步選取相應的3 種典型糞便(牛糞、豬糞、雞糞)，與菌渣在同一C/N下進行共堆肥，以明確糞便性質對堆肥中碳氮轉化的影響規律，為選擇高效的菌渣堆肥糞源調理劑提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

菌渣取自海南省定安縣某食用菌公司，該菌渣為秀珍菇栽培菌渣，制備原料為木屑、棉籽殼、麥麩。菌渣經破袋打碎在陰涼通風處攤開放置3 d，含水率降至約60%即為供試堆肥原料。糞便原料為新鮮的牛糞、豬糞和雞糞，采自定安縣龍湖鎮周邊畜禽養殖場。供試堆肥原料的基本性質見表1。

1.2 堆肥實驗設計

實驗設置3個處理：菌渣+雞糞(記為HM)、菌渣+牛糞(記為CM)、菌渣+豬糞(記為WM)，每個處理4個重復，并以純菌渣堆肥(記為CK)作為對照。在發酵前，參考李季等[17]推薦的堆肥初始條件，并結合堆肥原料的C/N及含水率等性質(見表1)，將雞糞、豬糞、牛糞分別按一定比例與菌渣混合均勻，調節物料初始C/N=32.00，初始含水率為65.00%，使其處于堆肥適宜的初始條件，放入自制堆肥實驗裝置中進行堆肥化處理。該堆肥裝置采用1211型塑料桶，容積為240 L，四周和底部有保溫層，裝置底部設有空氣壓縮機帶動的曝氣管，并連接一套曝氣系統。堆肥自第2天開始，每天上、下午在測定堆肥溫度后各曝氣1次，每次30 min。取樣時間為上午，每次翻料后取樣，取樣當天上午不曝氣。

1.3 取樣與分析測定方法

堆肥時間控制為63 d，分別在堆肥的0、3、7、12、18、25、33、42、52、63 d 時取樣，取樣方法為多點取樣混合。每次取樣400 g，一部分鮮樣存于-20 ℃冰箱中待用，另一部分風干后待測。主要測定指標及方法：溫度，每天9：00、16:00用水銀溫度計各測定1次溫度，每個堆體測定4點取平均值，同時測定環境溫度；總有機碳(TOC)，采用重鉻酸鉀外加熱法測定；TN，采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定；硝態氮、銨態氮測定參照《肥料 硝態氮、銨態氮、酰胺態氮含量的測定》(NY/T 1116—2014)進行；灰分測定參照《有機肥料粗灰分的測定》(NY/T 303—1995)進行。腐殖質、富里酸和胡敏酸含量以有機碳含量計，參照文獻[18]進行測定。

1.4 數據計算及處理

堆肥過程總積溫為實驗過程中，各處理每天16:00測定堆溫數據平均值的加和。

氮損失率(Nloss，%)、氮固定率(Ns，%)的計算方法依次如式(1)[19]226、式(2)[20]所示。腐殖化率(HR，%)為腐殖質占TOC的比例，腐殖化指數(HI，%)為胡敏酸占TOC的比例，胡富比(DP)為胡敏酸與富里酸的比值。

(1)

(2)

式中：A1、A2分別為初始、采樣時的灰分質量分數，%；N1、N2分別為初始、采樣時的TN質量分數，%；NCK、NT分別為對照、處理的氮損失率，%。

2 結果與分析

2.1 溫度變化

堆體溫度變化是評價堆肥過程中微生物活動強度的關鍵參數，能很好反映堆體的狀態。如圖1所示，無論是否添加糞便，堆肥開始后，微生物不斷分解有機質釋放出熱量，4個處理溫度的變化呈升溫、高溫、降溫和穩定4個階段。進一步分析堆體溫度(見表2)，發現各處理均在堆肥的第1天迅速升至50 ℃以上，進入高溫期，各處理最高溫度表現為WM(65.41 ℃)>HM(65.03 ℃)>CM(62.88 ℃)>CK(61.06 ℃)，添加雞糞、豬糞和牛糞的處理高于純菌渣處理，說明在菌渣中添加糞便可顯著提高微生物的活性，堆體代謝強度顯著提高，添加雞糞和豬糞對促進堆體升溫的效果最好，且兩者相差不大。其可能的原因是：雞糞和豬糞中易降解有機質含量高，更有利于微生物利用，代謝強度高，進而使堆體能達到的最高溫度更高[12]233,[21]。各處理堆體高溫期時間由長至短依次為CM(39 d)、HM(27 d)、WM(19 d)、CK(16 d)，持續時間16～39 d，均達到了《糞便無害化衛生標準》(GB 7959—2012)好氧堆肥的衛生要求(堆溫≥50 ℃，至少持續10 d)，CM高溫期最長，說明牛糞中纖維等難降解有機質含量較高，微生物難以快速降解，代謝強度低。從堆肥過程總積溫來看，HM(3 095.42 ℃)>CM(3 050.75 ℃)>WM(2 623.88 ℃)>CK(2 556.19 ℃)，說明添加糞便提升了微生物代謝活性的持久性，雞糞、牛糞、豬糞提升效果依次降低。由上可知，雞糞對堆肥過程微生物代謝活性的提升效果最優，雞糞和豬糞對微生物代謝活動的強度提升效果相當，牛糞對微生物代謝活動的持久性提升效果明顯差于雞糞，可能由于雞糞與菌渣間的降解性能差異大于牛糞和菌渣間的差異，據文獻[13]研究指出，物料間降解性能差別越大越有利于堆肥進程。本實驗中，添加糞便后，堆體溫度更高，維持更久，是由于糞便作為氮源，可將菌渣C/N(C/N=43.28)調節為適宜的C/N(C/N=32.00)，更符合堆肥微生物對碳氮營養的需求，進而促進堆肥進程。各糞便處理在提升微生物代謝活性中表現出的差異性，是由于物料中有機質的組成和降解特點造成的。

表1 原料的基本性質

圖1 不同菌渣堆肥化處理中溫度的變化

2.2 堆肥過程有機質與C/N的變化

有機質是微生物生長代謝的營養基質，直接影響堆肥進程。有機質含量過低，將影響堆肥發酵過程熱量的產生，有機質含量過高又不利于供氧、產生厭氧情況。如圖2(a)所示，堆肥開始后，各處理堆肥有機質含量呈總體下降趨勢，隨著堆肥的進行，微生物不斷分解和利用碳，使得碳以二氧化碳和易揮發有機酸等形式釋放，有機質消耗加快[22]，有機質含量快速下降，至堆肥結束時，各處理有機質質量分數為85.4%(CK)、69.7%(CM)、72.0%(WM)、72.3%(HM)，與堆肥初始相比，分別下降了4.3%、17.8%、14.1%、20.8%。添加糞便后，微生物代謝增強，有機質降解效率大于純菌渣堆肥；添加糞便的各處理有機質含量趨于一致，有機質降解效率按雞糞、牛糞、豬糞依次減小。這與不同處理下堆肥過程總積溫大小一致。

碳氮是微生物生長代謝所必須的營養物質，堆肥的C/N可直接影響到微生物的生長繁殖，進而影響到有機質的降解速率。C/N作為衡量堆料腐熟程度的重要指標，一般認為C/N低于20表示堆肥達到腐熟[23]。如圖2(b)所示，隨著堆肥進行，C/N不斷下降，堆肥結束時，分別為31.20(CK)、20.40(CM)、21.90(WM)、16.50(HM)，除CK外，C/N均降至接近20或小于20，說明添加糞便后有利于有機質的降解轉化，可促進堆肥腐熟。相比初始，各處理C/N的下降比例分別是27.6%(CK)、37.2%(CM)、31.4%(WM)、48.8%(HM)，添加糞便的各處理C/N的降低程度不同，下降比例表現為雞糞>牛糞>豬糞。

2.3 氮轉化進程

氮轉化直接影響堆肥效率，同時氮在堆肥中尤其是高溫期會以氨氣的形式逸散損失，不但散發臭氣，污染環境，而且會降低堆肥的農用價值。氨化作用是堆肥前期和中期氮轉化和氮損失的重要途徑之一。堆肥過程中銨態氮的變化如圖3所示。堆肥開始后，由于有機氮的礦化及氨化作用，各處理銨態氮質量濃度快速升高，峰值分別是CK 5.50 g/kg、CM 4.88 g/kg、WM 6.98 g/kg、HM 10.73 g/kg。由于曝氣翻堆使銨態氮流失、可降解的有機氮不斷減少和溫度下降使硝化細菌活動增強，銨態氮在硝化細菌的作用下不斷轉化為硝態氮，導致銨態氮含量下降，堆肥結束時，各處理銨態氮分別為CK 4.54 g/kg、CM 3.64 g/kg、WM 3.58g/kg、HM 3.21g/kg，與堆肥初始相比，CK上升了36.6%，CM、WM、HM 分別下降了14.9%、22.2%、37.3%，HM處理的銨態氮下降比例顯著高于CM、WM，CM、WM間差異不顯著。銨態氮作為反映堆肥效果和反應進程的重要指標之一，銨態氮含量減少被認為是堆肥腐熟的標志，說明添加糞便可降低銨態氮的積累，可促進菌渣堆肥進程，其促進程度為雞糞>豬糞>牛糞。

表2 不同菌渣堆肥化處理溫度分析1)

圖2 不同菌渣堆肥化處理中有機質質量分數與C/N的變化

圖3 不同菌渣堆肥化處理中銨態氮的變化

如圖4所示，堆肥前期由于堆體溫度較高，硝化細菌活性受抑制及微生物利用硝態氮合成細胞物質，硝態氮含量緩慢上升；堆肥后期溫度下降，硝化細菌活性增加，硝態氮含量呈上升趨勢，但各處理差別較大：CK在第7天達到最大值4.62 g/kg后略有下降，CM在第25天達到最大值 4.15 g/kg后基本保持不變，WM則緩慢上升，HM從第42天起快速升高，結束時CK、CM、WM、HM的硝態氮分別為3.70、4.12、4.89、9.37 g/kg，相比初始增長了13.5%、49.5%、88.3%、114.4%，但CM、HM、WM之間，CM與CK之間硝態氮增加率差異不顯著，HM與WM的硝態氮增加率顯著高于CK，說明添加不同糞便、添加牛糞與否，硝態氮積累效果差異不顯著，添加雞糞、豬糞可顯著提高硝態氮積累，促進硝化進程。

圖4 不同菌渣堆肥化處理中硝態氮的變化

如圖5所示，隨著堆肥進行，各處理初期TN先快速升高，后期除CM在第33天達到最大值2.05%后略有下降外，其余基本呈升高的變化規律，其中，HM的快速升高階段最長(52 d)，其次為WM(42 d)、CK(25 d)。堆肥結束后，CK、CM、WM、HM的TN分別是1.59%、1.99%、1.90%、2.53%，添加糞便處理的TN均顯著高于純菌渣處理，并且HM顯著高于CM和WM，CM和WM差異不明顯。添加糞便可延長TN含量提升時間，顯著提高TN含量，提升菌渣堆肥的品質，其中添加雞糞的效果最好。相比初始，結束時HM、CK、CM、WM的TN分別增長了54.5%、32.2%、30.5%、25.2%，說明添加雞糞可顯著提高TN含量，添加牛糞、豬糞不能提高菌渣堆肥的TN含量。這與文獻[16]的研究結果一致。

圖5 不同菌渣堆肥化處理中TN的變化

根據有機物料堆制腐熟過程中灰分無損失的原理[19]226，計算氮損失率，結果見表3。CK、CM、HM、WM的氮損失率分別為13.2%、14.6%、0.6%、7.3%，CM、WM、HM的氮損失率依次顯著減小，但CM與CK差異不顯著。與CK相比，CM、HM、WM的氮固定率分別為-11.4%、95.7%、44.3%。這說明添加豬糞、雞糞可顯著降低氮損失，提高氮固定率，其中添加雞糞效果最佳；添加牛糞不能降低氮損失，不能實現氮固定。因此，菌渣堆肥在選擇糞便時，應優先選擇雞糞。

綜合2.2節、2.3節研究結果可以推斷出，添加糞便明顯改變了堆肥中含碳氮物質的礦化降解進程，各處理中，添加雞糞的處理有機質降解效率最高，促進前期氮的氨化與后期氮的硝化進程、提高TN含量、降低氮損失、提高氮固定率效果均最佳，促進含碳氮物質礦化進程效果最佳；添加豬糞的處理有機質降解效率最低，含碳物質礦化效率最低，硝化進程與HM差異不顯著，其余效果僅次雞糞，含氮物質礦化效率居中；添加牛糞的處理有機質降解效率居中，抑制純菌渣的氨化進程，且不能促進硝化進程、降低氮素損失和提升氮固定效果，含氮物質礦化效率最低。

2.4 腐殖化進程與腐殖質品質

腐殖質是有機質腐殖化進程的最終產物，堆肥中腐殖質的變化特征對判斷堆肥化腐熟程度及堆肥產品品質等亦有著重要作用[24]。腐殖化率是評價堆肥腐殖化程度的重要指標。由圖6可以看出，4個處理腐殖化率變化差異明顯：CK中腐殖化率隨堆肥進行，先升后降，在第25天達到最小值后逐步上升趨于穩定；WM先降后升，在第18天達到最大值后不斷下降。在整個堆肥過程中合成和分解同時進行，腐殖化率后期的變化比前期更平穩，說明前期腐殖質不穩定，腐殖質在合成和分解中不斷轉化，后期合成大于分解，腐殖質逐漸積累使腐殖化率逐漸增大[25]。堆肥結束時，各處理的腐殖化率分別為CK 27.6%、CM 31.6%、WM 27.7%、HM 32.6%，分別是初始的1.23、1.35、0.94、1.32倍，純菌渣及添加牛糞、雞糞后，堆肥產物腐殖化程度提升，添加豬糞的處理腐殖化程度則下降，添加豬糞不能促進菌渣堆肥腐殖化進程。CK、CM、HM在堆肥前后的腐殖化率變化差異不顯著，但顯著高于WM，說明在促進菌渣堆肥腐殖化進程效果方面，牛糞和雞糞相當，優于豬糞。

胡敏酸是腐殖質中分子量較大、分子結構穩定性較高的組分，腐殖化指數是評價堆肥腐殖質穩定性及堆肥質量的重要指標。由圖7可以看出，隨著堆肥的進行，HM的腐殖化指數穩定保持在12%左右；CK、CM、WM的腐殖化指數呈上升趨勢，分別在第33、42、52天達到峰值15.89%、20.73%、19.28%后下降，最終，CK、CM、WM、HM的腐殖化指數分別為14.55%、20.56%、18.36%、11.90%，分別是初始的1.35、1.76、1.62、0.96倍，純菌渣及添加牛糞、豬糞后，堆肥產物腐殖質穩定化程度明顯提升，添加雞糞后腐殖質穩定化程度則有所下降，添加雞糞不能提升菌渣堆肥腐殖質的穩定化水平。CM、WM堆肥前后的腐殖化指數變化間差異不顯著，但顯著高于HM，說明在促進菌渣堆肥腐殖質的穩定化進程效果方面，牛糞和豬糞相當，并優于雞糞。

表3 堆肥前后各形態氮的變化率及保氮效果

圖6 不同菌渣堆肥化處理中腐殖化率的變化

圖7 不同菌渣堆肥化處理中腐殖化指數的變化

富里酸與胡敏酸同為腐殖質的重要組成成分，相比之下，富里酸分子量較小、結構較簡單，易被微生物降解。在堆肥腐殖化進程中，富里酸與胡敏酸之間的轉化存在關聯性。胡富比可反映堆肥過程中胡敏酸、富里酸相互消長和轉化的過程，從聚合度反映腐殖質的品質[26]。由圖8可以看出，隨著堆肥的進行，CK的胡富比呈先降后升再降的波動變化，添加不同類型糞便后，胡富比呈現出不同的變化規律。堆肥結束時，CK、CM、WM、HM的胡富比分別為1.13、1.87、1.96、0.61，是初始值的1.23、1.86、3.16、0.59倍(見表4)，純菌渣及添加牛糞、豬糞后，胡敏酸向富里酸轉化，腐殖質聚合度提高，明顯提升腐殖質品質，并以豬糞提升效果最好；添加雞糞的腐殖質聚合程度則明顯下降，不能提升腐殖質的品質。豬糞、牛糞、雞糞對促進菌渣堆肥腐殖質聚合進程的效果依次減弱。

圖8 不同菌渣堆肥化處理中胡富比的變化

表4 堆肥后各腐殖化進程指標相對初始值的倍數

以上分析表明，牛糞、豬糞、雞糞促進菌渣堆肥腐殖質形成的效果差別較大。豬糞降低腐殖化程度，雞糞降低腐殖質穩定性和聚合度，均對腐殖化進程有不利的影響；只有牛糞可提高菌渣堆肥的腐殖化進程，并且在提高腐殖化程度、腐殖質穩定性方面均最優，這與文獻[27]的研究結果“牛糞比豬糞更能促進腐殖質形成”一致。李吉進等[28]將蘑菇渣與雞糞、牛糞混合堆肥后，腐殖化率、腐殖化指數、胡富比均顯著提高，與本研究中添加雞糞后胡富比下降不一致，說明同時添加雞糞和牛糞，可克服雞糞對腐殖化進程的不利影響，提高腐殖化水平。這與牛糞中纖維素類物質含量高于雞糞、豬糞有關，雞糞與牛糞、糠醛渣混合后，堆體中纖維素類物質含量提高，可能導致堆肥中微生物結構發生改變，從而促進腐殖化進程。結合前面雞糞促進有機物礦化進程的效果最優的結論，建議進一步研究菌渣與雞糞、牛糞共堆肥的效果，以達到菌渣高效堆肥的目的。

3 結 論

熱性糞肥雞糞提高菌渣堆體溫度、促進碳礦化、氮前期氨化與后期硝化作用、氮固定效果最好，物質礦化程度最大。添加雞糞后堆肥過程中最高溫度、總積溫、銨態氮最高值依次為65.03 ℃、3 095.42 ℃、10.73 g/kg；堆肥后，有機質和C/N分別降低20.8%、48.8%，硝態氮、TN、氮固定率分別為9.37 g/kg、2.53%、95.7%。

冷性糞肥牛糞提高了菌渣堆肥的腐殖化程度、腐殖質的穩定性與聚合度，促進腐殖化進程效果最優。牛糞菌渣堆肥后，腐殖化率、腐殖化指數、胡富比分別為31.6%、20.56%、1.87，分別是初始值的1.35、1.76、1.86倍。