不同氮源添加對糖渣堆肥處理牡蠣殼的影響

王德瑞，吳佳俐，張洪霞，宋宛霖，汪 輝，馮大偉

(1.中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東煙臺 264003；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；3.煙臺大學生命科學學院，山東煙臺 264003；4.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東青島 266101)

我國是水產養殖大國，2020 年全國海水養殖牡蠣產量達542.46×104t，占海水貝類養殖產量的36.65%[1]。然而，我國對貝類資源的利用通常局限于貝肉，對于質量占比超過80%的貝殼利用措施并不系統、完善[2]。大量被丟棄的牡蠣殼不僅占用大面積土地，造成嚴重環境污染，同時也浪費了大量碳酸鈣資源[3]。近年來，將經過處理的牡蠣殼粉作為土壤改良劑的研究越來越多。趙麗芳等[4]研究表明牡蠣殼粉經過高溫煅燒后堿性增強，可以有效中和土壤中的H+，改良酸性土壤，提高土壤磷酸酶活性，增加土壤有效磷含量，改善作物生長狀況。姬佳旗[5]發現將牡蠣殼粉施入酸性土壤可以有效改善土壤酸化狀況，提高微生物豐富度，實現對煙草青枯病的有效防控。黃玉珍等[6]將牡蠣殼粉做成土壤調理劑后應用到晚秈稻栽培中，發現牡蠣殼粉可以顯著提高作物的抗倒伏能力。

堆肥是對廢棄物進行資源化利用最常用的方法，具有成本較低、操作簡單、周期短等特點[7]。LEE,et al[8]發現將牡蠣殼粉與有機廢棄物共同進行堆肥處理，通過堆肥過程中的高溫以及微生物的作用，可以改變牡蠣殼粉的結構，促進鈣的活化。LU Mingyi,et al[9]研究表明牡蠣殼的添加也可以減少堆肥中氨氣的排放，提高堆肥質量。氮源是發酵的核心因素，其來源不同將對發酵結果產生重要影響[10]。牡蠣殼中氮含量極少，為了達到較好的發酵條件需要額外添加氮源，而目前對堆肥處理牡蠣殼的氮源選擇方面研究較少。因此，本研究利用堆肥技術對牡蠣殼進行處理，選擇豆粕和尿素2 種氮源，探究不同氮源對糖渣堆肥處理牡蠣殼過程和堆肥產品腐熟度的影響，研究堆肥處理牡蠣殼的可行性，為牡蠣殼的資源化利用提供更多理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發酵試驗原料包括：牡蠣殼粉(由山東地寶土壤修復科技有限公司提供)、糖渣(購自濱州市京陽生物肥業有限公司)、豆粕(購自煙臺寶聚海藻有限公司)和尿素(由眾德肥料有限公司提供)。各物料的基本理化性質見表1。

表1 試驗材料理化性質Tab.1 Physicochemical properties of materials

1.2 堆肥裝置

堆肥試驗裝置見圖1，堆肥試驗在55 ℃恒溫培養箱中進行，反應器為帶橡膠塞的5 L 玻璃瓶。將玻璃瓶放于培養箱底部架子上，防止底部過熱。反應器蓋子上分別設有進氣口、出氣口以及電子溫度計孔，進氣口與氣泵進行連接，對反應器進行連續強制通風，以保證整個堆肥過程處于好氧狀態，每個反應器通風量由轉子流量計控制，調節進氣量為0.2 L·min-1。出氣口連接裝有100 mL 濃度為2%硼酸溶液吸收瓶，以吸收堆肥過程中產生的氨氣。另在反應器的塞子上插有一支電子溫度計，以便于每天記錄堆體溫度。

圖1 堆肥裝置示意圖Fig.1 Sketch map of composting reactor

1.3 試驗設計

試驗在中國科學院煙臺海岸帶研究所植物化學與產品工程試驗室進行。對照組(CK)將糖渣與豆粕按照一定比例混合，不添加牡蠣殼；DP 組在對照組的基礎上添加20%牡蠣殼粉(以干重計)；NS 組將糖渣與尿素按照一定比例混合，并添加20%牡蠣殼粉(以干重計)。調節所有處理的C/N=25，初始含水率在65%左右。將物料充分混合后，裝入反應器，發酵時間持續35 d，所有處理組的通風條件相同。在第0、3、6、9、14、21、28、35 天將物料取出進行翻堆，充分混合后用多點取樣法收集樣品。樣品分2 份保存，一份鮮樣存于4 ℃冰箱，用于測定pH、電導率(electrical conductivity,EC)和發芽指數(germination index,GI)等指標，另一份風干后用于測定有機物含量(OM)、腐殖酸、不同形態鈣含量及紅外光譜分析。

1.4 指標測定

每天用電子溫度計測定堆體溫度。NH3采用2%硼酸溶液吸收，標準稀硫酸溶液滴定的方法測定。鮮樣的浸提液(w：v=1：10)用于測定pH、EC 和GI。GI 測定在培養皿中進行。每個培養皿中加入5 mL 浸提液，放入10 粒小麥種子，室溫下避光培養48 h 后測定。總腐殖酸(humus acid,HS)、胡敏酸(humic acid,HA)和富里酸(fulvic acid,FA)用0.1 mol·L-1Na4P2O7·10H2O 和0.1 mol·L-1NaOH 混合液萃取，然后利用TOC 分析儀進行測定。用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet iS50，Thermo Fisher Scientific，美國)分析樣品中的官能團變化。水溶態和交換態Ca2+分別利用蒸餾水和1 mol·L-1乙酸銨提取，用電感耦合等離子體質譜儀(ELAN DRC II，PerkinElmer(Hong Kong)Ltd.)進行測定。

2 結果與分析

2.1 理化指標變化

2.1.1 堆體溫度變化溫度是反映好氧發酵過程中微生物活性和有機物降解的重要指標[11]。由于微生物的代謝和繁殖使得大量有機物在堆肥初期被降解并釋放了能量[12]，溫度迅速上升。如圖2 所示，所有處理在第1 天進入高溫期(＞55.0 ℃)，CK 組在第1 天達到最高溫度69.1 ℃，DP 組和NS 組在第3 天達到最高溫度66.1 ℃和61.4 ℃。CK、DP 和NS 處理溫度高于60.0 ℃的天數分別為16、10 和3 d。此后隨著易降解有機物逐漸被分解，各處理的溫度逐漸下降，22 d 后各處理逐漸穩定在53.0 ℃左右。DP 組和NS 組溫度在堆肥過程中低于對照組，可能是因為牡蠣殼的添加降低了堆體有機物的占比，使產生的熱量相對較少。

圖2 堆肥過程中的溫度變化Fig.2 Changes in Temperature of piles during composting

2.1.2 pH 和電導率

所有處理的pH 變化見圖3(a)。CK、DP 和NS 組的初始pH 分別為6.10、7.23 和7.15。由于牡蠣殼粉呈堿性，所以DP 組和NS 組初始pH 高于CK 組。CK 組和NS 組pH 在第3 天達到第一個峰值，分別為8.92和9.34；在第9 天達到第二個峰值，分別為8.98 和9.28。DP 組在第6 天達到峰值9.47，此后各處理pH 均呈現下降趨勢。堆肥結束后所有處理的pH 降低，在6.79～7.94 之間，符合有機肥料標準NY/T525-2021 規定(5.5～8.5)，這說明牡蠣殼粉對pH 沒有不良影響，最終發酵產品也達到成熟要求[13]。

圖3 堆肥過程中的pH(a)和EC(b)變化Fig.3 Changes in pH (a) and EC (b) of piles during composting

電導率(EC)表示發酵體系中可溶性鹽離子的含量，可以反映發酵成熟度和植物生長受到毒害程度[14]。各處理的EC 值變化見圖3(b)。各處理初始EC 值在0.91～1.33 mS·cm-1之間，第3 天各處理的EC 值有所增加，此后呈現先降低后升高的趨勢。堆肥過程中DP組EC 最小值為1.14 mS·cm-1出現在第9天，CK 組和NS 組最小值分別為0.79 和1.13 mS·cm-1，出現在第14 天。堆肥結束后所有處理的EC 值處于1.86～2.53 mS·cm-1之間。

2.1.3 堆肥過程中的NH3變化

在好氧發酵過程中，NH3的排放是造成氮素損失的最主要原因，同時，由于發酵過程中有機氮的礦化而導致的NH3排放可能會造成最終發酵產物的質量下降以及臭氣問題[15-16]。堆肥過程中的NH3日變化見圖4(a)，所有處理的NH3排放主要集中在前期高溫階段。CK、DP 和NS 組的NH3日排放量均在第6 天達到峰值，分別為0.30、0.24和0.57 g·kg-1DM。到第14 天，各處理組基本無NH3產生。從圖4(b)可以看出，各處理NH3累計排放量在前7 天內迅速增加，此后增速降低并逐漸趨于平緩。堆肥結束時，CK、DP 和NS 組的NH3累計排放量分別為0.85、0.55 和1.61 g·kg-1DM。與CK 組相比，DP 組NH3累計排放量減少了34.55%，與NS 組相比減少了65.54%。

圖4 堆肥過程中的NH3 日排放量(a)和累計排放量(b)變化Fig.4 Changes in (a) daily NH3 evolution and (b) cumulative NH3 evolution during composting

2.2 腐熟度

2.2.1 腐殖酸變化

圖5(a)為堆肥前后總腐殖酸含量變化。由圖可知，堆肥后各處理的總腐殖酸含量顯著增加，說明堆肥過程促進了物料的腐熟與穩定[17]。堆肥結束后CK、DP 和NS 處理的總腐殖酸含量從最初的148.28、116.39 和102.08 g·kg-1DM 分別增加到了240.53、282.95 和262.50 g·kg-1DM。在初始總腐殖酸含量低于CK 組的情況下，DP 組和NS 組總腐殖酸含量在堆肥結束時分別比CK 組提高了17.64%和9.13%，說明添加牡蠣殼有利于促進腐殖酸的形成。

圖5 堆肥前后總腐殖酸(a)、HA(b)、FA(c)和HA/FA(d)變化Fig.5 Changes in (a) total humic acid,(b)HA,(c)FA and (d) HA/FA after composting

堆肥前后富里酸(FA)和胡敏酸(HA)含量變化見圖5(b)和(c)，所有處理組的FA 含量都呈現下降趨勢，而HA 含量則顯著增加(P＜0.05)。這是因為FA 具有一定活性，在堆肥過程中容易被微生物利用，或者向胡敏酸(HA) 轉化[18]。堆肥結束后，CK、DP 和NS 處理的富里酸和胡敏酸含量分別為41.43、18.94、15.78 g·kg-1DM 和199.10、264.01、246.73 g·kg-1DM。如圖5(d)所示，堆肥前后各組的HA/FA比值均呈現增加的趨勢。CK、DP 和NS 處理組的初始HA/FA 分別為2.24、2.35 和1.50，而最終產品中的比值分別為4.81、13.94 和15.64，說明牡蠣殼粉有利于促進堆肥腐殖化程度。從總腐殖酸和胡敏酸含量變化來看，以豆粕為氮源進行糖渣堆肥處理牡蠣殼優于以尿素為氮源。

2.2.2 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

FTIR 光譜被廣泛用于檢測堆肥樣品中化學鍵和官能團的變化和多樣性[19]。各處理堆肥前后的FTIR 見圖6。與CK 不同，DP 和NS 處理在1 430，875 和713 cm-1三處均有明顯的吸收峰，此為碳酸鹽的特征峰[20]。3 400 cm-1附近有一個強烈的吸收帶，通常可歸因于羥基、醇、酚和有機酸的O-H 拉伸[21]。2 923 cm-1附近的吸收峰與脂肪族碳相關，堆肥結束后各處理在此處的峰值均變緩，可能是由于微生物介導的脂肪族亞甲基的礦化、揮發或轉化，表明堆肥逐漸變得成熟穩定[22]。1 030 cm-1附近的峰，通常與多糖有關[23]。此處峰值在堆肥后也有所變緩，說明經過堆肥后，微生物活動對多糖進行了降解，特別是在DP 和NS 兩組處理中較為明顯，說明添加牡蠣殼粉有利于促進堆肥的腐熟。

圖6 堆肥前后傅里葉紅外光譜變化Fig.6 Changes in FTIR after composting

2.2.3 發芽指數

種子發芽指數(GI)是常用的評估堆肥產品成熟度和植物毒性的指標[21]。堆肥前后發芽指數變化見表2。CK、DP 和NS 組第0 天的GI 分別為92%、98%和64%，經過35 d 發酵后GI 分別為100%、104%和91%，所有處理的GI 均大于80%，說明堆肥產品沒有植物毒性，是安全的。堆肥結束后，DP 組GI 最高，說明以豆粕為氮源進行堆肥更為合適。

表2 堆肥前后發芽指數變化Tab.2 Changes in GI of piles after composting

2.3 堆肥前后有效態鈣變化

從表3 堆肥前后有效態鈣含量變化中可以看出，發酵后各處理的水溶態鈣含量均呈現下降趨勢，而交換態鈣則呈現增加趨勢。堆肥結束后，CK 組和DP 組的交換態鈣含量分別從2.70 和7.82 g·kg-1增加到了7.90 和12.56 g·kg-1。牡蠣殼的加入增加了混合物的初始有效態鈣含量，堆肥結束后，有效態鈣含量進一步增加，特別是DP 組，堆肥后有效態鈣含量從9.32 g·kg-1升高到13.40 g·kg-1，增加了43.78%。堆肥結束時，DP 組有效態鈣含量較CK 組高出37.39%。從數據表中可以看出，以豆粕為氮源進行堆肥更有利于增加有效態鈣含量。

表3 堆肥前后有效態鈣含量變化Tab.3 Changes in effective state calcium content of piles after composting

3 討論

牡蠣殼作為一種天然生物材料，含有大量碳酸鈣及多種微量元素，同時具有多孔結構，能有效改善土壤酸化問題，減少養分損失，增加土壤微生物豐富度，顯著降低土壤中重金屬的生物有效性，是良好的土壤調理劑[24-26]。本試驗以豆粕和尿素為不同氮源，通過好氧堆肥工藝對牡蠣殼進行處理，以期豐富牡蠣殼的資源化利用途徑，同時提高最終堆肥產品的品質。

試驗過程中DP 組和NS 組溫度略低于CK 組，可能是因為牡蠣殼的添加使得有機物料占比較少，進而導致產生的熱量較少，但兩處理組的溫度下降幅度較小，未對堆肥過程產生負面影響，說明通過堆肥處理牡蠣殼是可行的。NS 組在堆肥過程中溫度最低，高于60 ℃的時間也最短，這可能是因為尿素的添加使得堆體內微生物的豐富度和活性相對較低[27]。pH 和EC 是反映堆肥質量的重要指標[28]。堆肥初期各處理的pH 在6.10～7.23 之間，雖然在堆肥過程中有所升高，但最終堆肥結束時各處理的pH 都回落在6.79～7.94之間。pH 值的升高可能是高溫條件下有機氮的氨化和礦化導致的，而堆肥過程中微生物活動產生的有機酸則會導致pH 的降低[29-30]。EC 值過高會影響堆肥體系中的微生物活性，不利于腐殖化過程的進行[31]。本試驗各處理初始EC 值在0.91～1.33 mS·cm-1之間。堆肥初期各處理EC 值略有增加，這可能是易降解有機物被微生物分解導致的，而在3～14 d 各處理EC 值有所下降，可能是CO2和NH3的排放，以及腐殖酸的增加等原因導致的[18]。此后由于有機物的礦化以及“濃縮效應”，EC 值在整個堆肥過程中逐漸增加[32]。堆肥結束后所有處理的EC 值均＜4 mS·cm-1，不會對植物產生毒害作用[33]。

堆肥過程中NH3的排放不僅會造成氮素損失，對堆肥品質造成負面影響，而且還會對周邊環境造成污染[34]。本試驗中氨氣大量排放主要集中在前7 d，此后逐漸減少，到堆肥結束時CK、DP 和NS 組的NH3累計排放量分別為0.85、0.55 和1.61 g·kg-1DM。NS 處理的NH3累計排放量最大，這可能是由于尿素在高溫環境下快速氨化導致的[35]。與CK 組相比，DP 組NH3累計排放量減少了34.55%，說明牡蠣殼的加入能減少堆肥過程中的NH3排放，這可能是因為牡蠣殼孔隙度較高，具有一定的吸附作用[36]。與NS 組相比，DP組NH3累計排放量減少了65.54%。因此，以豆粕為氮源進行堆肥可以有效減少NH3排放，減少氮損失。

腐殖酸含量變化與堆肥過程中的有機質轉化和堆肥成熟度有關[37]。本試驗中，在初始總腐殖酸含量低于CK 組的情況下，DP 組和NS 組總腐殖酸含量在堆肥結束時分別比CK 組高出了17.64%和9.13%，說明添加牡蠣殼有利于促進腐殖酸的形成。HA/FA 常用來反映腐殖化水平和堆肥成熟度，特別是胡敏酸和富里酸之間的轉換[38]。堆肥結束后，所有處理的HA/FA 均大于1.7，說明堆肥已經成熟[39]。堆肥結束時，DP 和NS 組的HA/FA 遠高于CK 組，說明牡蠣殼粉可以促進堆肥腐殖化程度，有利于堆肥的成熟，這一點從堆肥前后的FTIR 光譜變化中也可以得到證明。通常認為GI 高于80%時，堆肥達到成熟階段，即不會對植物產生毒害[40]。由于本試驗所用原料自身特點，所以第0 天發芽指數高于常見的畜禽糞便堆肥[41]。NS 組的GI在第0 天遠低于其他組，可能是因為堆肥初期尿素含量較高，產生了抑制作用。

水溶態鈣和交換態鈣均屬于可以被植物吸收利用的有效態鈣[42]。向堆肥中添加牡蠣殼可以直接增加有效態鈣含量。從堆肥前后鈣形態的變化可以看出，經過堆肥后，有效態鈣含量呈現增加的趨勢。以DP 組為例，堆肥后有效態鈣含量從9.32 g·kg-1變為13.40 g·kg-1，增加了43.78%。從數據表中可以看出，以豆粕為氮源進行堆肥更有利于增加最終產品中的有效態鈣含量。

4 結論

在糖渣堆肥處理牡蠣殼過程中，雖然溫度略低于CK 組，但各處理的最高溫度均高于60 ℃，pH 在6.79～7.94 之間，EC 值＜4 mS·cm-1。說明牡蠣殼的添加不會對堆肥的理化性質產生負面影響。

堆肥結束時，各處理GI 均高于80%，最終產品沒有植物毒性。DP 組的GI 最高為104%，并且總腐殖酸含量也較CK 組增加了17.64%，說明牡蠣殼可以促進堆肥的腐熟。

DP 組最終氨氣累計排放量比CK 組降低了34.55%，有效態鈣含量增加了37.39%，說明以豆粕為氮源，將牡蠣殼與糖渣共堆肥可以促進氮保留并增加有效態鈣含量，提高最終堆肥產品的質量。