-
随着我国农业集约化快速发展，每年产生大量的废弃物，其中畜禽粪便约 38 亿 t，秸秆 8.05 亿 t [1-2]。堆肥技术是资源化利用农业废弃物主要手段，在堆肥过程中由于有机氮被分解、堆体高温及翻堆等原因，会导致大量的氨气挥发，相关研究表明初始总氮比例 16%～74% 以氨挥发形式损失[3]，是最主要的氮素损失途径[4-6]。大量的氨挥发不仅会造成氮肥损失，更会引起空气污染和人体健康损害[3]。
-
针对这一情况，学者已经开展了大量的研究，在发酵工艺确定的情况下，通过添加剂对氨气进行吸收吸附是目前最常用的堆肥氨气减排和固氮技术，常用的添加剂包括沸石、生物炭、膨润土[7-9]。氨气作为一种碱性气体，对酸碱度的敏感性极强，通过添加酸性物质降低堆体 pH 减少氨气挥发是一个较好的选择，Cao 等[10]通过对大量文献进行 Meta 分析后认为，酸性添加剂氨气减排效果优于其他添加剂，常用的酸性添加剂包括酸性盐[11-12]、无机酸[13-14]等。从经济性和氨减排效率方面看，添加硫酸等强酸无疑是最优的选择[15]。但由于购买较难及使用过程中存在一定的安全性问题，国内无法实现大规模应用。
-
有机酸性物质由于具有一定的酸性及安全性和环境友好性，近些年已有学者在堆肥中添加应用，潘君廷[16]在堆肥中添加柠檬酸可降低 51% 的氨挥发，薛文涛等[17]研究添加 5% 的草酸即可减少堆肥过程中 69.57% 的氨排放。但是目前有机酸性物质添加量较大，添加方式简单造成了成本相对较高和减排效率较低的问题，仍缺少高效添加方式的研究。因此，本研究基于提升有机酸添加堆肥氨减排效率和氮素保留效果的目的，以草酸为添加剂，开展初始一次性添加及堆肥过程多次添加两种不同的方式研究，为堆肥氨气高效减排和氮素保留提供可选方案。
-
1 材料与方法
-
1.1 试验材料
-
试验于 2021 年 6 月 18 日至 7 月 13 日，在北京市某有机肥生产企业进行。发酵原料为鸡粪、秸秆、尾菜，秸秆发酵前将粒径粉碎为 5～10 mm，尾菜粉碎到 5～10 cm，通过初始原料调整初始 C/N 20，含水率 60%，草酸为市场购买的工业级原料，各发酵原料初始理化指标见表1。
-
1.2 试验方法与设计
-
采用条垛式堆肥方式，整个堆肥垛长 46 m，宽 2.5 m，高约 1.2 m。每个处理长设置 12 m，中间设置 5 m 缓冲区。试验设置 3 组处理，处理 1 为 CK，即不添加任何物质；处理 2（EA1）为草酸一次性添加，添加量为 0.15 mol·kg-1（堆体鲜重），将草酸均匀添加在堆体表面后，通过翻抛机混合均匀； 处理 3（EA2）为草酸多次添加，初始添加草酸总量的 2/3，即 0.10 mol·kg-1（堆体鲜重），同样将草酸均匀添加在堆体表面后，通过翻抛机混合均匀，1/3 草酸在堆肥翻堆过程中多次喷淋添加，共计 10 次，每次喷淋草酸溶液 80 L。处理 1、2 在每次翻抛过程中同样喷淋 80 L 水。
-
堆肥过程采用精创 RE-4 型温度记录仪对堆体的温度进行连续监测，探头监测深度为堆体内 50 cm，监测间隔为 5 min，取 24 h 监测均值作为当天平均温度。
-
1.3 样品采集与分析
-
1.3.1 样品采集
-
在堆肥第 0、2、4、6、8、10、13、16、20、 25 d 进行翻堆，第 0、2、6、10、16、20、25 d 翻堆前采样，共计 7 次。将采集的新鲜样品用于测定含水量、有机碳、粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率； 部分放于室内风干，取部分测 pH 值，其余粉碎，过 1 mm 筛贮存，用于全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）的测定。
-
堆肥期间氨气采用静态箱法收集测定，测定时间为翻堆后 4 h 及 18 h，连续监测 1 h。箱体和底座材料为不锈钢，箱体为正方体，边长为 50 cm，体积为 0.125 m3，底座高为 20 cm，边长为 50 cm，并设置深度为 2 cm 的水槽。采样前将静态箱底座固定在肥堆上，把静态箱体放底座凹槽上，将静态箱底座凹槽灌水密封，防止外界气体进入箱内。将盛有 500 mL 质量浓度为 2% 硼酸的烧杯放于静态箱内吸收氨气，吸收结束后，将烧杯用保鲜膜立即封口。通过测定铵态氮浓度，计算出氨气挥发量。
-
1.3.2 分析方法
-
TN 含量采用 H2SO4-H2O2 消煮-凯氏定氮法测定；TP 含量采用钼锑抗比色法测定；TK 含量采用火焰原子吸收光度计（英国 Sherwood 公司，型号： M410）测定；有机质（TM）含量采用重铬酸钾法测定，有机碳（TOC）按照有机质 /1.724 计算；pH 值采用 pH 计（上海雷磁 PHS-3C，中国）测定； NH4 +-N 含量用 A3 连续流动分析仪测定；粪大肠菌群数按照《肥料中粪大肠菌群》（GB/T19524.1— 2004）的方法测定，蛔虫卵死亡率按照《肥料中蛔虫卵死亡率的测定》（GB/T19524.2—2004）的方法测定。
-
种子发芽指数：称取堆肥第 25 d 的新鲜样品 30 g 于 250 mL 容积的三角瓶，再加 90 mL 去离子水，震荡 2 h，单层滤纸过滤，取滤液待检测，将上述滤液吸 5 mL 至垫有双层滤纸的 9 mm 培养皿中，然后放入 20 粒小白菜籽粒，盖上培养皿上盖，放入培养箱中，25℃培养 48 h。每个样品 4 个平行，测量小白菜种子的根长和发芽率，同时用去离子水做空白对照。
-
1.3.3 计算方法
-
（1）氨气挥发计算方法
-
氨气挥发计算公式如下：
-
氨气挥发速率 NH3-N（g·d−1 ·m−2）=（C1+ C2）·V·24/2·（1000·a）
-
式中，C1、C2——第 1、2 次测定硼酸溶液铵态氮浓度含量（mg·L-1）；
-
V——硼酸溶液体积，V 取 0.5；
-
a——静态箱面积（m2），a 取 0.25；
-
24 ——换算成 24 h 的氨气挥发量换算系数。
-
（2）种子发芽指数
-
种子发芽指数（%）=（浸提液处理的种子发芽率 × 根长）/（对照的种子发芽率 × 根长）× 100
-
1.3.4 试验数据分析
-
试验数据通过 Excel2007 软件进行分析。
-
2 结果与分析
-
2.1 堆肥过程中堆体温度变化
-
由图1 可知，各处理温度变化趋势基本相同，均经历了 4 个阶段，即升温阶段、高温阶段、降温阶段以及腐熟阶段，符合堆肥过程温度变化规律[18]。添加草酸延缓了堆肥初期温度上升，CK 在堆肥第 2 d 即达到 50℃以上，第 4 d 即达到 60℃以上，EA1、EA2 分别在堆肥第 4、3 d 达到 50℃以上，第 5、7 d 达到 60℃以上。
-
整个堆肥周期，CK、EA1、EA2 50℃以上维持天数分别为 11、13、13 d；60℃以上维持天数分别为 7、4、4 d。添加草酸能够增加堆肥 50℃高温时间，减少 60℃以上高温时间。从高温时间看，各处理均达到《畜禽粪便无害化处理技术规范》（GB/T36195—2018）好氧堆肥技术 50℃以上 7 d 的规定。
-
添加草酸后降低了堆肥物料 pH 值，对堆体微生物活性有一定的抑制[19]，导致堆体初始温度上升慢于 CK。本试验得出有机酸能够增加堆肥高温时间，这与前人研究结论一致[16-17]，随着有机酸消耗和含氮物质分解引起的 pH 值上升，对微生物抑制作用降低，充足的有机底物为微生物繁殖提供了能量，延长了微生物分解时间，使得堆体高温时间延长。
-
图1 堆肥过程中温度变化
-
2.2 堆肥过程中堆体 pH 变化趋势
-
大量研究表明，堆肥过程中控制物料 pH 值可以起到很好的氨减排和氮素保留效果[13-14，20]。CK、 EA1、EA2 初始 pH 值分别为 6.90、6.00、6.32，与 CK 相比，两种草酸添加方式均有效降低了物料初始 pH 值，分别降低了 0.90 和 0.58 个单位（图2）。
-
堆肥前 16 d，堆体物料中的有机质在高温环境下被微生物快速分解，产生了大量的铵态氮和氨气，导致 pH 值上升[9，17]，随着铵态氮的降低以及腐殖酸逐渐生成[21-22]，各处理 pH 值开始逐渐下降，堆肥结束时 CK、EA1、EA2 分别为 7.78、 7.55、7.39。与 CK 相比，两种草酸添加方式均降低了堆肥结束后 pH 值，EA2 更有利于维持堆肥中后期 pH 相对稳定。
-
图2 堆肥过程中堆体 pH 值的变化趋势
-
2.3 堆肥氨气挥发速率及累积排放量变化趋势
-
3 组处理氨气挥发速率均呈现先升后降的变化趋势，并在堆肥结束前达到较低的挥发水平。堆肥初期，CK 氨挥发速率明显高于其他两组处理，并在第 5 d 达到挥发峰值 21.49 g·d-1·m-2，随后开始下降，20 d 后降到 1.0 g·d-1·m-2 以下（图3）。
-
堆肥过程中，EA1、EA2 氨气挥发速率明显低于 CK，堆肥初期均维持较低挥发水平，随着温度逐渐升高及 pH 值升高，氨气挥发速率逐渐升高， EA1、EA2 分别在第 6、5 d 达到挥发峰值 10.58、 10.75 g·d-1·m-2，随后开始下降，第 19、17 d 后降到 1.0 g·d-1·m-2 以下。
-
EA1 初始 pH 值低于 EA2，是堆肥前期 EA1 氨气挥发速率低于 EA2 的主要原因。随着草酸溶液逐步喷淋添加，降低了 EA2 pH 值上升速率，特别是对堆体表层物料 pH 值的控制，使得 EA2 中后期氨气挥发速率低于 EA1，这与 Wang 等[23]在堆肥过程中多次喷淋硫酸得出的结论一致。
-
各组处理氨气累积挥发量表现出初始缓慢增加，随后开始快速上升，最后缓慢增加到稳定的过程。CK、EA1、EA2 整个堆肥周期氨气累积挥发量分别为 173.93、87.29、64.38 g·d-1·m-2，与 CK 相比，EA1、EA2 氨气累积挥发量均有效降低，降幅分别为 49.81% 和 62.99%。本研究与前人通过降低堆体 pH 值从而实现氨气挥发减排结论一致[9-11，16-17]，证明在大规模生产过程中草酸添加氨气减排的有效性，而 EA2 比 EA1 降低氨气累积挥发量 26.25%。
-
图3 堆肥过程中氨气挥发速率和累积挥发量的变化
-
2.4 堆肥过程中堆体 TN 变化趋势
-
由图4 可知，各处理 TN 总体呈现逐渐上升的变化趋势，堆肥初期氨挥发量氮素损失小于堆体干物质损失[24]，是各处理 0～6 d TN 含量上升的原因。6～16 d，CK 由于氨挥发损失较大，TN 含量呈现下降的趋势，堆肥中后期随着氨挥发量快速下降，TN 含量逐渐升高。0～10 d，EA1、EA2 TN 含量均逐渐升高，在这一时期 EA1 TN 含量高于 EA2，随着 pH 值快速上升和持续的高温，EA1 中后期 TN 含量低于 EA2。堆肥结束后 CK、EA1、 EA2 TN 含量分别为 2.47%、2.79%、2.92%。与CK 相比，EA1、EA2 TN 含量分别提高了 12.96%、 18.22%，两种草酸添加方式均提高了堆肥结束后 TN 含量，草酸多次添加更有利于堆肥氮素保全。
-
2.5 堆肥过程中堆体有机碳和 C/N 变化趋势
-
堆肥过程中堆体有机碳变化趋势如图5a 所示，各处理整个堆肥过程中有机碳均呈现逐渐下降的趋势，CK、EA1、EA2 初始有机碳含量分别为 422.16、 435.41、425.23 mg·kg-1，结束时为 285.71、302.98、 317.95 g·kg-1。与 CK 相比，堆肥结束后 EA1、EA2 有机碳含量分别提高了 6.04%、11.28%，添加草酸降低了有机碳的损失，草酸多次添加更有利于有机碳的保留。2～10 d 是堆肥的高温期，各处理有机碳均大幅度下降，占其总降幅的 61.86%、66.47%、 65.32%，这与高温期是有机质降解的主要时期结论一致[17，25]。
-
图4 堆肥过程中堆体全氮变化趋势
-
堆肥过程中堆体 C/N 变化趋势如图5b 所示，堆肥过程中由于有机碳的消耗高于氮素，所以堆肥过程中 C/N 一般为下降趋势[26]，这与本试验得出的 3 组处理在整个堆肥周期内 C/N 呈现逐渐下降趋势一致。CK、EA1、EA2 初始 C/N 分别为 19.62、 19.97、19.96，结束时为 11.57、10.86、10.89，降幅分别为 41.09%、45.62%、45.44%。
-
图5 堆肥过程中堆体的有机碳和 C/N 的变化趋势
-
2.6 堆肥结束后物料理化性质
-
3 组处理粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率均达到了《有机肥料》（NY/T525—2021）标准，通常认为种子发芽指数达到 70% 堆肥产品达到完全腐熟， 本试验 3 组处理均达到了完全腐熟的标准。EA1、 EA2 总养分含量分别提高了 0.24、0.38，提升幅度分别为 3.80%、6.01%。
-
3 结论
-
（1）添加草酸在堆肥初期会抑制温度上升，但是增加了 50℃以上高温天数。堆肥结束后各处理粪大肠菌群数、蛔虫卵死亡率、发芽指数等均达到《有机肥料》（NY/T525—2021）无害化和腐熟度的要求。
-
（2）EA1、EA2 均有效降低了堆肥过程中氨气排放，EA1 前期减排效果优于 EA2，但是中后期氨挥发量高于 EA2。与 CK 相比，EA1、EA2 氨气累积挥发量分别减少 49.81% 和 62.99%。
-
（3）堆肥过程中各处理全氮含量均呈现逐渐上升的变化趋势，有机碳含量均呈现逐渐下降的变化趋势。两种草酸添加方式均提高了堆体 TN 和有机碳含量，EA1、EA2 TN、有机碳含量分别提高了 12.96%、18.22% 和 6.04%、11.28%。 （4）从堆肥氨气减排效果、氮和有
-
（4）从堆肥氨气减排效果、氮和有机碳保留效果综合分析，草酸多次喷淋添加优于初始一次性添加。
-
参考文献
-
[1] 全国每年38亿吨畜禽废弃物综合利用率只有6成［J］．家禽科学，2018（3）：5.
-
[2] 第二次全国污染源普查公报［J］．环境保护，2020，48（18）：8-10．
-
[3] Nie E，Gao D，Zheng G．Effects of Lactic Acid on Modulating the ammonia emissions in co-composts of poultry litter with slaughter sludge［J］．Bioresource Technology，2020，315：123812.
-
[4] Parkinson R，Gibbs P，Burchett S，et al．Effect of turning regime and seasonal weather conditions on nitrogen and phosphorus losses during aerobic composting of cattle manure ［J］．Bioresource Technology，2004，91（2）：171-178.
-
[5] Paillat J M，Robin P，Hassouna M，et al.Predicting ammoniaand carbon dioxide emissions from carbon and nitrogen biodegradability during animal waste composting.Atmospheric Environ，2005，39（36）：6833-6842.
-
[6] Shan G，Li W，Gao Y，et al．Additives for reducing nitrogen loss during composting：A review［J］．Journal of Cleaner Production，2021，307（10）：127308.
-
[7] 徐荣，朱凌宇，王守红，等．添加剂对好氧堆肥过程氮素固持和重金属钝化过程的影响［J］．中国土壤与肥料，2021（3）：308-317.
-
[8] 吴晓东，邢泽炳，何远灵，等．添加生物炭对鸡粪好氧堆肥过程中养分转化的研究［J］．中国土壤与肥料，2019（5）：141-146．
-
[9] 郜斌斌，王选，常瑞雪，等．黏土矿物和化学添加剂对牛粪堆肥过程氮素固持的影响［J］．农业工程学报，2018，34（20）：250-257.
-
[10] Cao Y B，Wang X，Bai Z H，et al．Mitigation of ammonia，nitrous oxide and methane emissions during solid waste composting with different additives：A meta-analysis［J］．Journal of Cleaner Production，2019．235（2019）：626-635.
-
[11] 唐尙柱，赵晓海，斯鑫鑫，等．不同镁/磷盐添加剂对蓝藻堆肥的氮素损失控制效果［J］．农业环境科学学报，2021，40（2）：428-435.
-
[12] 雷平，刘标，尹红梅．过磷酸钙在病死猪堆肥中保氮效果研究［J］．农业资源与环境学报，2017，34（3）：6.
-
[13] Wu J，He S，Liang Y，et al．Effect of phosphate additive on the nitrogen transformation during pig manure composting［J］． Environmental Science & Pollution Research，2017．24（21）：17760-17768．
-
[14] Li R，Xu K，Ali A，et al．Sulfur-aided composting facilitates ammonia release mitigation，endocrine disrupting chemicals degradation and biosolids stabilization［J］．Bioresource Technology，2020，312：123653.
-
[15] Kai P，Pedersen P，Jensen J E，et al．A whole-farm assessment of the efficacy of slurry acidification in reducing ammonia emissions ［J］．European Journal of Agronomy，2008，28（2）：148-154.
-
[16] 潘君廷．不同添加剂对可生物降解固体废弃物厌氧好氧过程影响研究［D］．北京：中国农业科学院，2019.
-
[17] 薛文涛，孙昊，孙钦平，等．有机酸添加剂对低碳氮比条件堆肥氮素损失控制效果研究［J］．农业环境科学学报，2022，41（5）：1086-1096.
-
[18] 黄向东，韩志英，石德智，等．畜禽粪便堆肥过程中氮素的损失与控制［J］．应用生态学报，2010，21（1）：247-254.
-
[19] 蔡海森．鸡粪与稻壳堆肥影响因素的研究［D］．哈尔滨：东北农业大学，2015.
-
[20] Yang Y，Awasthi M K，Du W，et al．Compost supplementation with nitrogen loss and greenhouse gas emissions during pig manure composting［J］．Bioresource Technology，2019，297：122435.
-
[21] Wei Y，Zhao Y，Shi M，et al．Effect of organic acids production and bacterial community on the possible mechanism of phosphorus solubilization during composting with enriched phosphatesolubilizing bacteria inoculation［J］．Bioresource Technology，2017，247：190-199.
-
[22] Zhang J，Zeng G，Chen Y，et al．Effects of physico-chemical parameters on the bacterial and fungal communities during agricultural waste composting［J］．Bioresource Technology，2011，102（3）：2950-2956.
-
[23] Wang K Y，Wei B，Huang D D，et al．A case study of effects of sulfuric acid sprayon ammonia and odor emissions from swine manure composting［J］．Applied Engineering in Agriculture，2014．Vol．30（2）：267-276.
-
[24] 杨燕，尹子铭，袁京，等．双氰胺和氢醌添加对堆肥温室气体排放的影响［J］．农业环境科学学报，2021，40（11）：2439-2447．
-
[25] 陶勇，湛含辉，唐铄松．添加苹果渣对猪粪好氧堆肥理化性状的影响［J］．中国土壤与肥料，2019（5）：135-140.
-
[26] 马迪，赵兰坡．禽畜粪便堆肥化过程中碳氮比的变化研究 ［J］．中国农学通报，2010（14）：5.
-
摘要
为探索草酸不同添加方式对堆肥过程氨气减排和氮素保留效果，以鸡粪、玉米秸秆和尾菜为发酵原料，采用条垛式堆肥进行 25 d 的发酵试验。草酸添加方式为初始一次性添加（EA1）和堆肥过程多次喷淋添加 （EA2），添加量为 0.15 mol·kg-1（堆体鲜重）。结果表明：添加草酸在堆肥初期抑制了温度上升，但是增加了 50℃以上高温天数。各处理氨气挥发速率均呈现先升后降的变化趋势，CK（不添加草酸）、EA1、EA2 氨气累积挥发量分别为 173.93、87.29、64.38 g·d−1 ·m−2 ，与 CK 相比，EA1 和 EA2 处理氨气累积挥发量减少 49.81% 和 62.99%。堆肥过程中各处理全氮含量均呈现逐渐上升的变化趋势，有机碳含量均呈现逐渐下降的变化趋势；添加草酸提高了堆肥结束后全氮和有机碳含量，EA1 和 EA2 处理的全氮含量比 CK 分别提高了 12.96% 和 18.22%；有机碳含量比 CK 分别提高了 6.04% 和 11.28%。堆肥结束后各处理粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率均达到《有机肥料》（NY/T 525—2021）相关要求。从堆肥氨气减排效率、氮和有机碳保留效果综合分析，草酸多次喷淋添加优于初始一次性添加。本结论可为堆肥高效氨减排技术提供参考。
Abstract
In order to explore the effects of ethanedioic acid supplementation on ammonia emission reduction and nitrogen retention in composting process，a 25-day fermentation experiment with strip composting was conducted，chicken manure， corn straw and vegetable waste were used as fermentation materials．Ethanedioic acid was added in the form of initial onetime addition（EA1）and multiple spraying additions（EA2）during the composting process，and the addition amount was 0.15 mol·kg−1 （fresh weight）．The results showed that the addition of ethanedioic acid suppressed the temperature rise in the early stage of composting，but increased the number of days with high temperature above 50℃．The ammonia volatilization rate showed a trend of increasing first and then decreasing in all treatments．The ammonia volatilization rate was 173.93， 87.29 and 64.38 g·d−1 ·m−2 in CK，EA1 and EA2 treatment，respectively．Compared with the CK treatment，EA1 and EA2 treatments reduced the cumulative ammonia volatilization by 49.81% and 62.99%，respectively．During the composting process，the total nitrogen content showed a gradually increasing trend，and the organic carbon content showed a gradually decreasing trend in all treatments．The addition of ethanedioic acid increased the content of total nitrogen and organic carbon at the end of composting．Compare to CK treatment，the total nitrogen was raised by 12.96% and 18.22% in EA1 and EA2 treatments，and organic carbon was raised by 6.04% and 11.28%，respectively．All treatments have met the relevant requirements of composting maturity，in the aspects of fecal coliform number，and ascaris egg mortality．Through the comprehensive analysis of ammonia emission reduction efficiency，nitrogen and organic carbon retention of composting，the multiple spraying addition of oxalic acid is better than the initial one-time addition．The experimental conclusion can provide a reference for the efficient technology of ammonia emission reduction in compost.
Keywords
ethanedioic acid ； composting ； adding method ； ammonia volatilization