不同熱解溫度稻殼生物炭對羊糞堆肥腐熟度及溫室氣體排放的影響

關鍵詞：生物炭；熱解溫度；羊糞；堆肥；腐熟度；溫室氣體

高溫好氧堆肥是實現農業農村有機廢棄物無害化、減量化、資源化處理最經濟有效的技術方法之一，但堆肥過程中微生物降解作用產生大量揮發性氣體，如：C02、CH4、N20、NH3等，導致碳氮養分損失嚴重，不僅降低了堆肥產品的農用價值，還顯著增加了全球溫室效應。如何有效提高堆肥產品的穩定性和農用價值并減少肥料化過程的溫室氣體排放，對我國落實“碳達峰碳中和”戰略、實現農業全產業鏈高質量發展具有十分重要的意義。

生物炭是生物質在高溫及限氧條件下熱解制取的一類高度芳香化的難熔性固態物質，因具有良好的物理及化學吸附性和穩定的多孔結構以及來源廣泛、成本低廉、制備技術成熟等特點，被作為添加劑廣泛用于控制堆肥過程中的氣體排放。楊佳等將玉米秸稈生物炭應用于羊糞微好氧堆肥并發現其既可加速羊糞腐熟進程，又能有效減少堆肥體的溫室氣體總排放量；Chowdhury等在雞糞與稻草堆肥中添加生物炭，發現總溫室氣體排放減少27%～32%；王義祥等將花生殼生物炭應用于豬糞堆肥，認為隨著花生殼生物炭添加比例的增加（質量比3%～9%），溫室氣體減排效應增大。上述已有研究主要報道了不同制備原料生物炭及其添加量對堆肥溫室氣體排放的影響及減排效果，而有關不同熱解溫度制備的生物炭對堆肥腐熟度及溫室氣體排放的作用效果還缺乏深入研究，并且生物炭理化性質與其熱解溫度關系十分密切，提高生物炭熱解溫度會顯著改變生物炭孔隙結構、增大比表面積、增加孔隙度等，進而增強生物炭的吸附能力；另外，常規商品購買性生物炭的熱解溫度主要在300～500℃，若提高生物炭熱解溫度，是否可以提高生物炭在堆肥工程中促腐及固碳作用潛力？為此，本研究采用模擬堆肥的方法，以450、650℃熱解的稻殼生物炭為供試材料，研究2種不同熱解溫度稻殼生物炭對羊糞堆肥的腐熟度及溫室氣體排放的影響，以期為稻殼生物炭在農業農村有機廢棄物肥料化工程中綠色高效化應用提供理論依據與技術支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

堆肥材料主要包括：羊糞、食用菌渣及輔料，其中輔料為試驗不同處理分別添加的堆肥輔助性材料，主要為2種熱解溫度制備的稻殼生物炭、未熱解炭化的稻殼。羊糞由太倉市城廂鎮東林村生態羊場提供，食用菌渣從太倉市城廂鎮當地食用菌公司購買，稻殼由太倉城廂鎮東林村生態米廠提供，2種不同熱解溫度制備的生物質炭制備方法為：以稻殼為原料，參考生物炭常規生產的炭化溫度為300～500℃左右，為獲得不同理化性質的生物炭材料，設計熱裂解炭化溫度分別為450、650℃，厭氧條件下保持10h，自然冷卻，0.38mm孔徑過篩。堆肥原料基本性狀見表1。

1.2試驗設計與堆肥方法

試驗共設3個處理，首先準備預備混合物料，按肥料廠常規操作方式，將羊糞與食用菌渣按質量比9：1混合均勻，參照課題組前期研究，在預備物料上添加450、650℃熱解溫度制備的稻殼生物炭（占預備物料質量百分比15%）為處理，分別用B450、B650表示；為保障堆肥試驗各項條件的相對一致性，在預備物料上添加未經炭化處理的稻殼（添加量與B450、B650處理中稻殼生物炭同等體積）為對照，用CK表示。每個處理重復3次。

試驗采用靜態高溫好氧發酵的方法，在堆肥模擬反應器內進行。堆肥反應器呈立方體箱形，箱體長、寬、高均為0.8m，反應器底部有4個高度為25cm的活動輪，底面均勻分布直徑為2cm的通氣孔，通氣孔總面積為底部面積的1/3。每個處理先將羊糞、食用菌渣、輔料按比例集中混合均勻，混合堆肥體質量600kg、含水率65%～70%，再平均分為3份，分別裝入3個堆肥模擬反應器內，即3次重復。當堆肥體溫度≥70℃時或每隔7d左右翻堆1次，人工翻堆時將物料全部取出，充分混合后再次裝箱并記錄每箱堆肥物料的質量，3個處理統一開展翻堆作業，整個堆肥過程翻堆4～5次；堆肥過程不調節堆肥體含水率，直至堆肥結束。堆肥時間共計43d。

1.3測定指標與分析方法

（1）堆肥溫度與積溫：堆肥反應器上中下位置布設3個測溫點，深度30～40cm，于每日9：00-10： 00或16：00-17：00測定并記錄堆肥溫度，同步測定氣溫，直至結束并計算堆肥積溫。以堆肥溫度在50℃以上保持5～7d或者55℃以上保持3d作為堆肥衛生合格指標和堆肥腐熟條件的標準，以堆肥積溫達到10000℃．h以上作為堆肥穩定化的要求。

（2）NH;-N、N03-N、TN、TC質量分數：于堆肥后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、34、37、40、43天，每個堆肥體取混合樣品2kg，混合均勻并分為3份，一份用于堆肥樣品的浸提處理、一份用于含水率測定、一份用于陰涼處風干處理。浸提處理先將鮮樣與去離子水按1：10質量比混合，再以150r·min-1振蕩浸提30min，最后以4000r·min-1離心10min并收集上清液，采用電導率儀測定EC值，采用SKALA流動分析儀測定NH;-N、N03-N質量分數，風干樣品采用Element元素分析儀測定TC與TN質量分數。分別以NH;-N/N03-N．T值（終點C/N與初始C/N的比值）作為堆肥腐熟度的評價標準，NH4N/N03-N為0.16、T值為0.7分別作為本試驗羊糞堆肥腐熟推薦值。

（3）種子發芽指數：GI=（堆肥浸提液處理的種子發芽率×根長）／（對照種子發芽指數×根長）×100%。以種子發芽指數達80%為堆肥完全腐熟推薦值。

（4）CH4、C02、N20排放速率及排放累積量：采用靜態氣體采集箱一氣相色譜法測定。于堆肥后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、34、37、40、43天，進行氣體樣品采集與測定，直至堆肥結束。每次采樣于9：00-11：00，在堆肥反應器中物料表面上方中間位置，先安裝氣樣采集箱底座（長25cmx寬25cm），之后蓋上氣體采集箱，水密封，分別于蓋上采集箱后第0、5、10、15分鐘在采氣箱側面2/3高度且居中位置，用針筒抽氣100mL，轉移至100mL鋁箔氣樣袋，待分析。利用氣相色譜儀（安捷倫7890B）測定氣樣中CH4、C02、N20濃度并計算3種氣體的排放速率。CH4、C02、N20排放累積量：將相鄰2次的氣體排放速率均值乘以相鄰2次的天數，即某一時間段的氣體排放累積量，再依次相加各時間段的氣體排放累積量。

（5）溫室氣體排放當量：以C02作為參考氣體，根據CH4、N20在100a尺度上相對C02的增溫潛勢：C02為1，CH4為25，N20為298，轉換成C02的等效量，以CO2e／干物質質量計算，g·kg-1。

1.4數據處理與統計分析

采用SPSS26.0分析軟件進行方差分析[One-wayANOVA，Dunnett'S t-test（2-sided）]，LSD法檢驗處理組間的均值差異顯著性。應用Excel 2021進行制圖。

2結果與分析

2.1不同熱解溫度生物炭對羊糞堆肥高溫累計時間與積溫的影響

由表2可知，羊糞堆肥CK處理堆溫初次達55℃的時間為8.33d、BC450處理為6.67d、BC650處理為3.66d，CK處理堆溫55℃以上的累計時間為31.00d、BC450處理為15.33d、BC650處理為21.33d，3個處理的堆溫均達到了衛生合格標準與腐熟條件要求，并且不同處理堆溫初次達55℃時間及55℃以上累計時間的差異均達顯著水平（Plt;0.05）。另外，3個處理在堆制后7～15d，堆肥積溫已接近10000℃·h，滿足堆肥穩定化要求。

2.2不同熱解溫度生物炭對堆肥腐熟指標變化的影響

2.2.1對NH4-N/N03-N與T值的影響

圖1結果表明，CK處理的NH4-N/N03-N比值在堆肥第37天達腐熟度推薦值0.16，BC450處理在堆肥第27天、BC650處理在堆肥第21天就達到了腐熟度推薦值（圖1a）；由圖1b可知，CK、BC450、BC650處理的T值分別在堆肥第40、34、27天達到腐熟度推薦值0.7。

2.2.2對EC值與種子發芽指數的影響

EC值越小，表示堆肥體越趨于腐熟與穩定。圖2a結果表明，CK處理的EC值最高、BC450處理其次、BC650處理的EC值最小。由圖2b可知，堆肥第21天，BC650處理的種子發芽指數已符合完全腐熟度推薦值80%，而BC450、CK處理尚低于80%，BC450、CK處理的種子發芽指數分別在堆肥第34、37天達到腐熟度推薦值。

2.3不同熱解溫度生物炭對堆肥過程溫室氣體排放的影響

2.3.1對CH4排放速率及排放累積量的影響

由圖3a可知，羊糞堆肥過程中不同處理的CH4排放速率在堆肥1～15d差異較小，堆肥16～43d，不同處理之間的CH4排放速率由大到小依次為CK、BC450、BC650處理，從而表現為堆肥43d后，3個處理的CH4排放累積量由高到低依次為CK、BC450、BC650（圖3b），且差異達顯著水平（Plt;0.05），與CK處理相比，BC450、BC650處理的CH4排放累積量分別降低了23.35%、59.11%。

2.3.2對C02排放速率及排放累積量的影響

圖4a結果表明，3個處理在堆肥1～15d，C02排放速率由大到小依次為BC650、BC450、CK處理，在堆肥16～43d，C02排放速率由大到小依次為CK、BC450、BC650。由圖4b可知，堆肥43d后，BC450與BC650處理的C02排放累積量顯著小于CK處理（Plt;0.05），但BC450、BC650處理之間無顯著差異，與CK處理相比，BC450、BC650處理C02排放累積量分別顯著降低了17.41%、27.99%（ Plt;0.05）.

2.3.3對N20排放速率及排放累積量的影響

羊糞堆肥過程中N20排放速率動態變化特征見圖5a，綜合整個堆肥過程的N20排放速率，與CK處理相比，添加生物炭處理提高了堆肥過程N20排放速率，因此BC450、BC650處理的N20排放累積量大于CK處理（圖Sb）；堆肥43 d時，3個處理的N20排放累積量由高到低依次分別為：BC450、BC650、CK，與CK處理相比，BC450、BC650處理的N20排放累積量分別提高了89.38%．69.41%，BC450、BC650處理之間差異不顯著（Pgt;0.05）。

2.4羊糞堆肥過程溫室氣體排放的綜合溫室效應及減排潛力分析

由表3可知，與CK處理相比，BC450、BC650處理的綜合溫室效應分別降低了6.56%、24.36%，不同處理之間差異達顯著水平（Plt;0.05）；BC650處理各溫室氣體排放等同CO：當量均小于BC450處理，其中CH4、C02排放等同當量的差異性達顯著水平（Plt;0.05），而N20排放等同當量的差異性不顯著（Pgt;0.05）。3個處理的C02排放對綜合溫室效應的貢獻均表現為最大，CK處理CH4排放產生的溫室效應占綜合溫室效應比例高于N20，而BC450、BC650處理CH4排放產生的溫室效應占比則低于N20。

進一步探討堆肥過程溫室氣體減排潛力，根據不同處理達到腐熟度標準所需時間周期及其對應的溫室氣體綜合溫室效應分析結果（圖6），CK處理第40d的綜合溫室效應為34.90g·kg-1、BC450處理第34d的綜合溫室效應為29.65g·kg-1、BC650處理第27d的綜合溫室效應為21.84g·kg-1；BC450、BC650處理達到腐熟度推薦值所需的時間周期內產生的綜合溫室效應分別較CK處理降低了15.04%、37.42%?？梢?，若堆肥體達到腐熟度標準立即終止堆肥進程，即通過縮短堆肥周期可有效促進堆肥體溫室氣體減排。

3討論

眾多研究表明，生物炭具有豐富的孔隙結構及比表面積，可為堆肥體中的微生物的擴繁與增殖提供良好的場所并增強微生物活性，通過吸附作用不僅可以降低堆肥中NH;-N含量、減少堆肥氨揮發的產生，還能促進NH 4-N向N03-N轉化，加速有機物料好氧發酵的無害化與穩定化進程。本試驗結果表明，與CK處理（不添加稻殼生物炭）相比，羊糞堆肥過程添加450、650℃熱解的稻殼生物炭，促進了堆肥快速進入高溫階段（gt;55℃），縮短了堆肥體NH4-N/N03-N、T值、EC值及種子發芽指數達到腐熟度推薦值所需的時間，與前人相關研究結論一致；另外，650℃熱解的稻殼生物炭比450℃熱解的稻殼生物炭具有更豐富的孔隙結構、更發達的比表面積及更強的吸附能力，從而表現為堆肥過程中添加650℃熱解的稻殼生物炭對羊糞腐熟的正向促進作用優于450℃熱解的稻殼生物炭處理。

CH4、C02、N20等氣體是堆肥過程不可避免的外排產物，目前，對于有機廢棄物自然生物降解產生C02的溫室效應計算方法尚存在爭議，有學者認為堆肥中C02產生于微生物的呼吸，可不計人對溫室效應的貢獻。作者認為，本試驗研究對象為堆肥系統，對于一定體量的物料在堆肥作用下產生的氣體排放都是“固態碳匯”向“氣態碳源”的轉化，并且導致堆肥產品品質的下降；并且本試驗結果表明不同處理各溫室氣體排放量等同C02當量及綜合溫室效應的差異均達顯著水平，說明與CK處理相比，添加稻殼生物炭對堆肥系統不同溫室氣體的排放具有顯著的影響，為此，本研究將C02納入了溫室氣體排放綜合效應的計算范圍。表3結果顯示，BC450、BC650處理的綜合溫室效應分別較CK處理顯著降低了6.56%、24.36% （Plt;0.05），并且BC650處理各溫室氣體排放等同C02當量均小于BC450處理；羊糞堆肥中添加稻殼生物炭，產生CH4、C02及N20排放的易降解含碳或含氮底物被稻殼生物炭吸附固定，因BC650生物炭具有更發達且豐富的孔隙結構與比表面積，其對易降解碳氮養分的附吸作用強于BC450生物炭，從而表現為BC650處理的綜合溫室效應顯著低于BC450處理（Plt;0.05）。另外，表3結果還顯示，羊糞堆肥過程添加稻殼生物炭顯著降低了堆肥體CH4與C0：排放、提高了N20的排放（Plt;0.05），由于稻殼生物炭對羊糞堆肥中C02與CH4氣體的減排幅度大于N20氣體的增排幅度，所以堆肥綜合溫室效應表現為減排的趨勢。一般認為堆肥過程中N20的排放與氮素礦化、硝化與反硝化作用密切相關，堆肥體中添加生物炭可以改變堆肥溫度、pH值、含氧量及易降解氮素含量，進而影響與N20產生相關的功能微生物。本試驗結果表明，羊糞堆肥體N20排放主要在堆肥后第12天開始，此時CK處理的堆溫高于BC450、BC650處理，并且維持在60℃以上，而添加稻殼生物炭處理的堆肥溫度卻逐漸下降且低于60℃。CK處理的高溫環境抑制了硝化細菌的生長繁殖，易降解氮素養分主要以NH3形式損失，N20產生量較低；而添加稻殼生物炭處理的堆肥不僅溫度適宜硝化作用，稻殼生物炭豐富的孔隙結構還為硝化細菌的擴增提供了一個相對適宜的環境，并且提高了堆肥體氧氣的相對含量，因此提高了BC450、BC650處理的硝化作用，從而增加了N20排放。

4結論

（1）添加450℃（BC450）、650℃（BC650）熱解的稻殼生物炭，促進了羊糞堆肥快速進入高溫階段（gt;55℃），縮短了堆肥體NH4-N/N03-N、T值、EC值及種子發芽指數達到腐熟度推薦值所需的時間，與CK處理（不添加稻殼生物炭）相比，BC450、BC650處理的堆肥腐熟周期分別縮短了15.0%、32.5%。

（2）羊糞堆置43d后，BC450、BC650處理的綜合溫室效應較CK處理分別顯著降低了6.56%、24.36%，且BC650處理綜合溫室效應比BC450處理顯著降低了19.05% （Plt;0.05）；綜合不同處理達到腐熟度推薦值所需時間，通過縮短羊糞堆肥周期，BC450、BC650處理的綜合溫室效應減排潛力分別可達15.04%、37.42%。

（3）羊糞堆肥工程中添加稻殼生物炭有利于促進羊糞堆肥腐熟及溫室氣體減排，建議優選650℃制備的稻殼生物炭。