自發熱好氧堆肥養分變化特征研究

白紅梅　姜偉　陳淑慧　李亞杰　薛國萍　杜金偉　索全義

摘要［目的］ 研究羊糞自發熱好氧堆肥中不同腐熟階段的養分變化特征。［方法］通過堆肥的升溫期（初始羊糞）、高溫期、降溫期和腐熟期為研究對象，探討羊糞自發熱好養堆肥4個不同腐熟階段的溫度、含水率、碳氮比（C/N）、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、pH、電導率的變化特征。［結果］羊糞自發熱好氧堆肥時長43 d，升溫期6 d，55 ℃以上高溫期18 d，降溫期13 d，腐熟期6 d。隨著堆肥的進程有機質分解，堆體的碳氮比（C/N）逐漸減少；碳氮比總降幅40.69%，升溫期和降溫期占比70.15%，腐熟期碳氮比19.49可以認為基本腐熟；有機質含量從80.45%減少到60.14%，降溫時有機質含量下降速率最快為18.57%，腐熟期最慢為3.76%。全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、pH隨著堆肥的進程呈顯著遞增，其中降溫期速效養分占全磷、全鉀百分比最高。電導率隨著堆肥的進程先降低后升高，電導率從大到小為腐熟期有機肥＞降溫期有機肥＞未腐熟羊糞＞高溫期有機肥。［結論］自發熱好氧堆肥能夠使有機物進行生物降解和生物合成，趨于穩定；通過自發熱好氧堆肥了解不同腐熟階段的有機肥養分特征，旨在為不同腐熟階段有機肥資源高效利用和土壤培肥提供基礎參數。

關鍵詞羊糞；自發熱好氧堆肥；養分

中圖分類號S141.4文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）08-0162-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.038開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Nutrient Variation Characteristics of Self-heating Aerobic Composting

BAI? Hong-mei JIANG? Wei CHEN? Shu-hui et al（1.Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences， Hohhot，Inner Mongolia? ?010031;2. College of Grassland，Resources and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia? ?010011）

Abstract［Objective］To study the nutrient changes of sheep manure self-heating aerobic composting at different maturity stages. ［Method］ Taking the heating period （initial sheep manure）， high temperature period， cooling period and maturity period of compost as the research object， to investigate the characteristics of temperature， water content， C/N ratio， organic matter， total nitrogen， total phosphorus， total potassium， available phosphorus， available potassium， pH and electrical conductivity of sheep manure self-heating aerobic compost at four different maturity stages. ［Result］Sheep manure self-heating aerobic composting lasted 43 days， 6 days of heating period， 18 days of high temperature period above 55 ℃， 13 days of cooling period and 6 days of decomposing period. With the composting process， the organic matter decomposed and the C/N ratio decreased gradually;the total decrease of C/N ratio was 40.69%， and the proportion of heating period and cooling period was 70.15%;the C/N ratio of 19.49 in the cooling stage could be considered as basically mature. The organic matter content decreased from 80.45% to 60.14%， the decrease rate of organic matter content was the fastest 18.57% at cooling stage， and the slowest 3.76% at maturity stage. Total nitrogen， total phosphorus， total potassium， available phosphorus， available potassium and pH increased significantly with the progress of composting， and the percentage of available nutrients in total phosphorus and total potassium was the highest in cooling stage. The electrical conductivity decreased first and then increased with the composting process， and the order of electrical conductivity from large to small was： decomposing period>cooling period>undecomposed period>high temperature period. ［Conclusion］Self-heating aerobic composting can stabilize organic matter through biodegradation and biosynthesis;through self-heating aerobic composting to understand the nutrient characteristics of organic fertilizers at different stages of maturity， it aims to provide basic parameters for the efficient utilization of organic fertilizer resources at different stages of maturity and soil fertility.

Key wordsSheep manure;Self-heating aerobic composting;Nutrient

有機肥是畜禽糞便資源化利用、提高土壤肥力和供給作物養分的重要途徑之一［1］，對實現有機肥替代化肥、發展綠色可持續農業具有重要意義［2］。目前我國已經發展成為一個畜禽養殖大國［3］，截至2020年，我國養殖業畜禽糞便和廢棄物達42.44億t；相比2000年的27億t增加了57.19%［4］，但其利用率尚未達60%；每年約有15.2億t畜禽糞便和廢棄物已成為我國農業面源污染的主要來源［5］。而好氧堆肥是畜禽糞便處理和資源再生于一體的生物處理方法，也是國內外一種經濟且環保的固體有機廢物資源化技術，能將有機固體廢棄物減量化、無害化和資源化［6］。不同腐熟水平的有機肥所含的碳源和養分有很大差別，完全腐熟有機肥中養分及碳素損失嚴重，“快速分解階段”基本在堆肥過程中完成，從而施入土壤后，降低肥效，影響作物生長，而未完全腐熟有機肥，在土壤中是“快速分解階段”，能夠緩慢分解可持續幾年的時間，能夠大量繁殖微生物和增加土壤酶活性，促進土壤的生物化學作用，形成較大數量的新生腐殖質［3］。但為了減少未腐熟有機肥的病原菌帶入土壤，農田基本加大使用完全腐熟有機肥來替代化肥。目前腐熟有機肥“快速分解階段”的產物及未腐熟有機肥腐解過程對土壤的培肥和改良的影響尚未見深入系統的研究，筆者通過自發熱好氧堆肥了解不同腐熟階段有機肥養分特征，旨在為不同腐熟階段有機肥資源高效利用和土壤培肥提供基礎參數。

1材料與方法

1.1試驗材料堆肥原料采用農家新鮮羊糞，供試羊糞取自內蒙古呼和浩特駿偉農業貿易有限公司。堆肥試驗為收集的新鮮純羊糞用干凈自來水調節初始含水率在55%左右，然后將混勻的羊糞堆成長1.5 m、高0.6 m、寬1.5 m的堆垛進行堆肥，堆肥原料的理化性質：含水率12.42%，有機質80.45%，全氮1.42%，全磷1.20%，全鉀2.57%，pH 8.49。

1.2試驗設計堆肥試驗在內蒙古自治區農牧業科學院蔬菜花卉研究所試驗基地進行，試驗時間為7月15日至8月26日，周期為43 d，采用人工翻堆方式通風供氧，根據CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥處理技術規范，堆肥溫度達55 ℃為進入高溫階段［7］。試驗分4個階段取樣，分別為未腐熟羊糞（S）、高溫期有機肥（≥55 ℃）（G）、降溫期有機肥（J）、腐熟期有機肥（F），堆肥過程中的溫度和水分含量均在09：00取樣測定，同時根據堆體溫度變化情況，升溫和高溫階段每2 d翻堆一次，降溫階段每4 d翻堆一次。未腐熟羊糞取自原材料，高溫期、降溫期和腐熟期均在每個階段第5天取樣（500 g），取樣則采用“多點混合法”，分別在堆體的上層、中層、下層采集相同量的樣品，混合均勻［8］。4個階段取出的樣品進行風干滅菌保存，用于測定不同腐熟階段有機肥養分變化。

1.3測定項目與方法堆制的第0、11 、30 、40天采樣，共計4次。取樣后放置陰涼處自然風干。堆肥溫度采用插入式土壤溫度計測定。含水率在105 ℃下烘干至恒重測定。測定pH、電導率時，粉碎過篩2 mm的風干樣與蒸餾水按體積比1∶10混合，連續振蕩30 min，再靜置30 min，取上層清液過濾后用pH計和電導率儀S230-K測定。有機質用粉碎過篩0.149 mm 的風干樣采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，其他各項養分指標用粉碎過篩1 mm風干樣測定，測定全氮、全磷、全鉀需將風干樣準確稱取0.2～0.5 g（精準到0.001 g），用硫酸和過氧化氫進行消解，全氮凱式定氮法分析，全磷采用釩鉬酸銨比色法測定，全鉀采用分光光度計比色法分析 （按照中華人民共和國農業行業標準. NY525—2012有機肥料行業標準），速效磷按照NY/T300－1995測定，速效鉀按照NH4OAC浸提-火焰光度法測定，全碳采用元素分析儀測定，隨后求出C/N。

1.4數據處理與統計分析試驗數據采用Microsoft Excel 2010進行處理，單因子方差分析采用SPSS 19.0進行處理。圖表中的數據均為平均值±標準差。

2結果與分析

2.1堆肥過程中溫度與含水率的變化初始羊糞調節含水率為57.8%，充分混勻后放入發酵池中進行發酵。羊糞自發熱好氧堆肥溫度和含水率變化見圖1。羊糞好氧堆肥時長43 d，經歷了升溫期、高溫期、降溫期和腐熟期的溫度變化。堆體溫度第9天達到峰值68.2 ℃。堆肥過程中65 ℃以上溫度維持4 d，55 ℃以上溫度維持18 d，滿足靜態通風堆肥要求［7］，并達到無害化要求。其中堆肥升溫期共6 d；起始堆肥4 d內溫度均在50 ℃以下，第5天開始升溫較快達到53.53 ℃。第7天溫度進入高溫期，堆肥高溫期共持續18 d，65.2～68.2 ℃持續4 d，55～65 ℃持續14 d。第25天溫度開始進入降溫期，共持續13 d，溫度均在39.21～49.55 ℃。第38天溫度開始進入腐熟期，翻堆后堆肥中溫度不再上升。

堆體初始含水率為57.80%，隨著堆肥的進行含水率不斷下降，第43天含水率為35.73%，含水率在50%以上時反應速度較快，之后逐漸下降，含水率下降到38.4%時，反應基本停止。堆肥第32天時溫度已經45 ℃以下，此時易分解有機物分解完畢，微生物代謝減弱［9］，堆肥中溫度下降，水分下降速率也會減緩，因為水分和微生物代謝是相輔相成的供給關系。按照溫度劃分：未腐熟初始有機肥含水率57.8%，高溫期含水率53.0%，降溫期含水率38.4%，腐熟期含水率34.1%，4個階段堆肥含水率存在顯著差異（P＜0.05）（圖1）。

2.2不同腐熟階段有機肥C/N的變化碳氮比（C/N）是影響好氧堆肥過程的重要工藝參數之一，也是用來判斷堆肥腐熟程度的重要化學指標之一［10-11］。研究認為，堆肥初始的碳氮比（C/N）20～30比較適宜［12-13］。當堆肥的碳氮比（C/N）小于20時認為其基本腐熟［14-15］。羊糞自發熱好氧堆肥過程中C/N變化見圖2。由圖2可知，隨著堆肥的進程C/N逐漸降低，未腐熟羊糞C/N 32.86，高溫期28.00，降溫期24.01，腐熟期19.49，4種不同腐熟階段有機肥C/N存在顯著差異（P＜0.05）。C/N總降幅為40.69%，高溫期、降溫期和腐熟期C/N降幅分別占總C/N降幅的36.35%、29.84%、33.81%；說明從堆肥到高溫期和降溫期到腐熟期C/N下降幅度最大。從C/N評價腐熟程度看，溫度穩定期的C/N小于20，因此穩定期有機肥屬于腐熟有機肥。從溫度對堆肥腐熟度的評價來看，堆肥溫度接近環境溫度，溫度不會再發生明顯變化，此時堆肥基本腐熟，該堆肥試驗腐熟期溫度接近常溫，可視為腐熟有機肥。

2.3不同腐熟階段有機肥養分含量的變化羊糞堆肥腐熟是在適宜的水分含量和通氣良好的環境下，通過微生物分解和轉化有機肥中易分解的有機物，產生二氧化碳的過程［16］。微生物降解有機物并釋放CO是堆肥中碳元素損失的主要原因［17］。從表1可以看出，羊糞堆體隨發酵進程有機質含量呈持續下降的趨勢。未腐熟羊糞有機質含量為80.45%，達到高溫時，有機質含量下降幅度為7.51%；發酵持續到降溫時，堆體有機質含量下降速率最快，有機質含量下降幅度為16.02%；當堆體溫度穩定不再上升時，由于大部分能被降解的有機物質被分解，產生穩定的有機殘基轉換合成腐殖酸物質［16］，進而有機質下降速率較慢，降幅為3.76%。在自發熱好氧堆肥中高溫中期至降溫中期有機質降幅最大，占整個降幅的58.69%；此外降溫期有機肥和腐熟階段有機肥之間無顯著差異，與其他處理有機質均存在顯著差異（P＜0.05）。

羊糞自發熱好氧堆肥過程中全氮、全磷、全鉀含量和有機質的變化趨勢不同，在整個堆肥腐熟過程中，隨著堆肥物料中有機物質的活化分解，全氮、全磷、全鉀含量隨著堆肥進程逐漸增加。未腐熟羊糞全氮含量為1.42%，堆體達到高溫時，堆體中全氮含量的增加幅度為11.97%。發酵持續到降溫時，堆體中全氮含量有所減少，但仍高于未腐熟羊糞全氮含量，全氮含量下降可能是由于在高溫期微生物活動旺盛，消耗氮的速率明顯大于總干物質的下降速率［18］，隨著發酵的進行，堆肥逐漸腐熟，溫度降低，當大量有機物被消耗殆盡，堆肥中剩下的物質多數為較穩定的纖維和木質素［8］，此時NH3的揮發損失較小，因此，堆肥進入腐熟期時發酵堆體中全氮含量達到最高。4種不同腐熟階段高溫期有機肥和降溫期有機肥之間全氮含量無顯著差異，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）。

全磷含量隨著堆肥進程逐漸增加（表1），全磷含量增加可能由于磷在堆肥過程中不易揮發，隨著堆肥進程，堆體總質量下降，全磷含量發生濃縮。高溫期和降溫期有機肥全磷含量無顯著差異，與其他階段全磷含量均存在顯著差異（P＜0.05），未腐熟羊糞全磷含量為1.21%，高溫期、降溫期和腐熟期增加幅度分別為26.45%、3.27%、9.49%，堆肥全磷含量的增加主要在高溫中期前的階段，占整個堆肥增加量的61.54%。

堆體中速效磷含量呈增加趨勢（圖3），由于有機物的分解，微生物活化磷素使速效磷含量上升。速效磷在堆肥進程中總增幅為40%，而高溫中期到降溫中期增幅占比最高62.5%。自發熱好氧堆肥過程中堆肥物料的速效磷含量很少，速效磷占全磷的百分比整體呈降—升—降的趨勢，未腐熟羊糞速效磷占比為1.22%，堆肥升溫到高溫初期速效磷占比下降至1.04%，這是因為溫度逐漸升高，水分適宜，使微生物活躍分解有機物，消耗大量速效磷，而總磷含量升高，從而使速效磷占總磷的百分比下降；隨后隨著高溫的持續占比增加，速效磷占比至1.26%，這是因為微生物自身分解以及速效磷發生濃縮現象，速效磷含量呈遞增趨勢且速效磷增加幅度大于全磷增加幅度，呈現出速效磷占全磷的百分比上升的趨勢；堆肥進入溫度恒定的腐熟期時速效磷占比為1.20%，微生物活動微弱，速效磷和全磷含量趨于穩定狀態，此時全磷增加幅度為10.16%，速效鉀增加幅度為0.05%并趨于穩定，速效磷增加幅度小于全磷增加幅度，速效磷占全磷的百分比表現為下降趨勢。堆肥結束時，有機肥達到腐熟，腐熟期速效磷占全磷的百分比與未腐熟羊糞相比總體變小。

堆體中全鉀和速效鉀含量整體呈增加趨勢（圖4），且全鉀在4種不同腐熟階段有機肥中存在顯著差異（P＜0.05）（表2）。全鉀和速效鉀含量變化趨勢與磷變化趨勢類似，羊糞在堆肥過程中，有機物質中固有的養分得到了充分的活化，加之速效鉀和全鉀含量在堆肥中不易揮發，堆體總質量下降，未腐熟羊糞全鉀含量為2.57%，高溫期、降溫期和腐熟期增加幅度分別為5.84%、7.35%、15.41%，堆肥全鉀含量的增加主要在降溫中期后，占整個堆肥增加量的49.50%。

堆體中速效鉀含量呈增加趨勢，與全鉀變化趨勢相同。速效鉀在堆肥進程中總增幅為40.51%，而高溫中期到降溫中期增幅占比最高為62.5%。隨著堆肥速效鉀和全鉀含量發生濃縮，速效鉀占全鉀比例發生變化。速效鉀在全鉀中的百分比在堆肥過程中出現波動，但總體呈增加趨勢，降溫中期速效鉀占全鉀比例最高為68.20%，其百分比降低時，堆肥溫度下降正處于溫度恒定的腐熟期，大量有機物被消耗殆盡，此時堆肥中所剩下的物質多數為較穩定的纖維和木質素，活化的速效鉀增速減慢，致使速效鉀在全鉀中的百分比減少。

2.4不同腐熟階段有機肥pＨ和陽離子交換量（ＣＥＣ）的變化堆肥過程中pH是影響微生物生長的重要因素，pH通過影響微生物活動強度，從而影響有機物分解和生化反應速率［19］。從圖5可以看出，隨著堆肥進程pH逐漸增加，但均處于堿性范圍；pH上升是由于溫度的升高促使微生物大量活動，有機酸被分解，形成腐殖質，同時含氮化合物分解產生NH3。4種不同腐熟階段降溫期有機肥和腐熟階段有機肥之間無顯著差異，與其他處理均存在顯著差異（P＜0.05）。

在一定濃度范圍內電導率與堆肥樣品中的鹽濃度呈正相關，EC過高會抑制植物的生長，對植物產生毒害作用［20］。隨著堆肥的進程，堆肥電導率呈先降低后升高的趨勢，堆肥初期電導率下降可能因為溫度的快速升高提高了微生物活性強度，導致腐殖質形成絡合陰陽離子和CO、NH揮發有關，之后隨著高溫的持續堆肥有機物料分解產生大量小分子物質，如各種陰、陽離子（ HCO、HSO、H、NH等），使電導率上升［19］。電導率從大到小為腐熟期有機肥＞降溫期有機肥＞未腐熟羊糞＞高溫期有機肥，4個階段有機肥電導率均存在顯著差異（P＜0.05）。

3討論與結論

自發熱好氧堆肥是指在人為控制的條件下，經過各種微生物代謝活動，將糞肥中的部分有機物分解轉化成一些簡單的無機物，從中獲得微生物自身新陳代謝所需的能量，同時也將部分有機物通過轉化合成新的細胞物質以及無害且穩定的有機質的過程［8，21-23］。而農家肥腐熟程度常使用溫度、顏色、味道、C/N、T值進行判定［24］。根據農戶常用的溫度和顏色變化判定方法，該研究中，羊糞自發熱好氧堆肥時長43 d，經歷了升溫期、高溫期、降溫期和穩定期的溫度變化。顏色從深黃色逐漸變為褐色最后呈深褐色。隨著堆肥的進程碳氮比逐漸降低，碳氮比總降幅為40.69%，從堆肥到高溫期和降溫期到腐熟期碳氮比下降幅度最大，占比為70.15%；這可能是發酵高溫的持續，部分有機碳被利用轉化為CO加之NH積累，致使堆肥中碳不斷減少氮含量逐漸增加，碳氮比迅速下降；而堆肥到高溫期和降溫期到腐熟期碳氮比下降幅度最大，是因為高溫階段，微生物活性強，微生物開始大量分解有機物來進行自身代謝，腐殖質形成絡合陰陽離子與CO和NH揮發有關，這與李孟嬋［5］、李紅霞［13］、尹曉明等［22］的研究結果相同。而堆肥進入溫度穩定期碳氮比19.46，這與我國農業行業標準NY525—2012有機肥料行業標準和婁義晟等［14］研究標準一致，碳氮比小于20可基本認為腐熟有機肥。從堆制物的養分含量變化來看，氮磷鉀隨著腐熟發酵進程，含量均逐漸增加，速效磷和速效鉀與氮磷鉀變化相同，其中降溫期速效養分占全磷、全鉀的百分比最高。堆肥腐熟期有機物分解進入尾聲，溫度和含水率減少，減緩有機物的分解，致使速效養分的含量上升減緩。這與康?。?］、胡雨彤等［18］的研究結果相同。

參考文獻

［1］ 逄娜，程松，張水梅，等.化肥配施有機肥對黑土肥力與春玉米產量的影響［J］.華北農學報，2021，36（4）：124-131.

［2］ 楊威，狄彩霞，李季，等. 我國有機肥原料及商品有機肥中四環素類抗生素的檢出率及含量［J］. 植物營養與肥料學報 2021，27（9）：1487-1495.

［3］ 姚武，顧燕青，巫陽，等.畜糞堆肥過程中腐殖質形成特征研究進展［J］.杭州師范大學學報（自然科學版），2014，13（5）：517-522.

［4］ 朱云芬，李蓉，向極釬，等.羊糞資源化利用的研究進展［J］.湖北農業科學，2021，60（11）：12-15.

［5］ 李孟嬋.不同原料組合堆肥過程中碳轉化特征及腐殖質含量與組分的變化規律研究［D］.蘭州：甘肅農業大學，2018.

［6］ 陳志宇，蘇繼影，欒冬梅.畜禽糞便堆肥技術研究進展［J］.當代畜牧，2004（10）：41-43.

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.生活垃圾堆肥處理技術規范：CJJ 52—2014［S］.北京：中國建筑工業出版社，2015.

［8］ 康健.畜禽糞便堆肥過程中物質轉化和微生物種群演變規律及酶活性機理研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2019.

［9］ 薛兆駿，彭永臻，王鵬鷂，等.自發熱持續高溫好氧堆肥碳、氮、腐殖酸變化過程［J］.中國環境科學，2018，38（11）：4094-4098.

［10］ KUMAR M，OU Y L，LIN J G. Co-composting of green waste and food waste at low C/N ratio［J］. Waste management，2010，30（4）：602-609.

［11］ 徐智，張琴，張隴利，等.強制好氧堆肥不同階段氧氣濃度變化及其與腐熟指標關系［J］. 農業環境科學學報，2009，28（1）：189-193.

［12］ 李昂，陸引罡.有機肥碳氮比對土壤有機質組分及煙葉香氣量的影響［J］.湖南農業科學，2021（1）：45-49.

［13］ 李紅霞.羊糞好氧堆肥工藝參數的優化研究［D］.包頭：內蒙古科技大學，2019.

［14］ 婁義晟，王宇蘊，吳昊，等.堆肥過程中水溶性有機物的 SUVA254、SUVA280值的變化及其與腐熟度進程的關系［J］.土壤通報，2020，51（3）： 641-646.

［15］ 朱磊，關文義，程謙勛，等.不同碳氮比下豬糞高溫堆肥腐熟進程研究［J］.安徽農業科學，2022，50（22）：62-65.

［16］ 李志鵬.農家肥發酵、礦化過程養分變化及其對土壤理化性質和煙葉品質的影響［D］.鄭州：河南農業大學，2017.

［17］ 黃穎穎，黃燕翔，吳志鋒，等.棚槽式靜態發酵法生產有機肥技術研究初報［J］.福建農業學報，2014，29（11）：1109-1113.

［18］ 胡雨彤，時連輝，劉登民，等.添加硫酸對牛糞堆肥過程及其養分變化的影響［J］.植物營養與肥料學報，2014，20（3）：718-725.

［19］ 楊玉欣.蔬菜殘體堆肥化過程中理化性質和酶活性的動態變化［D］.楊凌：西北農林科技大學，2019.

［20］ 鮑士旦.土壤農化分析［M］.3版.北京：中國農業出版社，2000.

［21］ 吳娟.過磷酸鈣對豬糞堆肥碳、氮轉化及減緩有機質降解技術機制研究［D］.北京：中國農業大學，2017.

［22］ 尹曉明，王榮江，徐瀟瀟，等.豬糞堆肥過程中養分和重金屬含量的動態變化［J］.植物營養與肥料學報，2019，25（2）：254-263.

［23］ 唐璐.不同堆肥條件對堆肥過程中碳素損失及腐殖質形成的影響研究［D］.杭州：杭州師范大學，2016.

［24］ 李季，彭生平.堆肥工程實用手冊［M］.北京：化學工業出版社，2005：68-71.