添加硫酸對羊糞堆肥進程及氮素損失的影響

趙 旭，車宗賢，李 娟，盧秉林

（甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國羊產業的快速發展，羊養殖場產生的羊糞、污水造成的環境污染問題也越來越嚴重。羊糞中有機質、氮、磷含量高，是生產優質有機肥的最佳原料［1］。利用好氧堆肥技術可有效減少畜禽糞便污染，使畜禽糞便、秸稈等農業廢棄物無害化、減量化和資源化，消除多種微生物病菌及其他有害物質對土壤環境的污染，是目前應用效果最好、最廣泛的畜禽糞污資源化處理途徑［2-3］。然而在畜禽糞污堆肥過程中，銨態氮會轉變為氨氣揮發，造成65%以上的氮素損失［4］。堆肥過程中氮素損失不僅降低了有機肥的肥效，而且污染了環境。為有效控制畜禽糞便堆肥過程中氨氣、硫化氫等臭氣產生量，學者們通過調節堆肥物料的碳氮比（C/N）、pH值和EC值等物理化學參數，控制堆肥過程中臭氣的釋放量和氮素損失率［5］。堆料的pH值是影響堆肥微生物生長繁殖的重要因素之一，控制堆料pH值在合理的范圍內不僅能加快堆料腐熟速率，而且還可以有效降低堆肥過程中臭氣的釋放量和氮素損失［6］。國內養殖場羊糞的pH值較高，高pH值會抑制微生物活性，增加堆肥過程中氨氣的釋放量，降低養分元素活化速率，減緩有機質降解速率［7-8］。有研究報道，可以添加一些酸性物質降低堆料的pH值，減少氨氣的揮發量。堆料中添加硫酸、硫酸亞鐵、硫酸鋁、磷酸、過磷酸鈣等物質不僅可以降低氨氣的揮發量，而且可以減少堆料中氮素的損失量［9］。姜新有等［10］以過磷酸鈣和石灰作為pH調節劑，研究堆肥初始pH值與堆肥腐熟進程及理化性狀的關系，發現堆肥初始pH值在6.42～6.83之間有利于減少氮素損失和提高堆肥效率。胡雨彤等［11］的研究結果顯示，在初始物料中添加硫酸可以縮短堆肥高溫上升期，降低堆肥pH值和促進有機質分解，提高堆肥中全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀含量。李冰等［12］研究表明，添加硫酸可以顯著促進堆肥過程中氮的固定，并降低豬糞堆肥產品的pH值。硫酸廣泛使用在工業生產中，廢硫酸排放量巨大，據估算每年排放的廢硫酸超過1億t。廢硫酸具有處理成本高、行業分散、成分復雜和總量大的特點，資源化處理困難［13］。我國環保要求日益嚴格，頻發的廢硫酸非法傾倒和掩埋事故已成為突發環境事件的重要誘因。廢酸不僅污染環境、浪費硫資源，還會造成極大的安全隱患，杜絕廢酸安全隱患最好的辦法是將廢硫酸資源回收再利用［14］。利用廢棄硫酸調節畜禽糞污酸堿度，提高堆肥腐熟效率，降低堆肥過程中氨氣的損失，提高堆肥產品的質量，具有一定的理論可行性。而目前針對硫酸對羊糞條垛式堆肥腐熟進程及氮素損失的研究較少。本研究以肉羊養殖場廠的鮮羊糞和小麥秸稈為堆肥原料，以硫酸為外源添加劑，針對堆肥溫度、含水率、pH值、EC值、有機碳、全氮、發芽指數（GI）和氮素損失率等多項指標在堆肥過程中的動態變化進行系統研究，以探明添加不同濃度硫酸對羊糞條垛式堆肥進程及氮素損失率的影響為目的，將為畜禽糞污堆肥生產優質有機肥和廢棄硫酸的資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

選用新鮮羊糞和小麥秸稈為堆肥材料。試驗所用羊糞取自武威市涼州區某大型肉羊養殖場；小麥秸稈取自肉羊養殖場附近的農場，用粉碎機將小麥秸稈粉碎過2 cm篩，以2%（m/m）的量加入到羊糞中，與羊糞混合均勻。

表1 羊糞和小麥秸稈的主要理化性狀

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，分別為：處理1（CK），羊糞+小麥秸稈+蒸餾水6 L/m3；處理2，羊糞+小麥秸稈+1 mol/L硫酸6 L/m3；處理3，羊糞+小麥秸稈+2 mol/L硫酸6 L/m3；處理4，羊糞+小麥秸稈+3 mol/L硫酸6 L/m3；硫酸和蒸餾水在堆肥第0、10、20 d翻堆時分3次加入，每次添加2 L/m3，每個試驗處理設3次重復。堆置長10 m、寬2.5 m、高1.3 m的條垛，堆料調節含水量在65%左右。

1.3 采樣及檢測指標

1.3.1 采樣

分別在堆肥第0、10、20、30、40、50 d采集樣品，每個處理一次采集3個平行樣品，每個樣品平均分為2份，一份鮮樣于4℃保存，測定水分、pH值、EC值和浸提液的硝態氮、銨態氮含量；另一份自然風干，測定有機碳、全氮含量。

1.3.2 理化指標的測定

堆肥期間每天10：00分別在堆體25、50 cm深度多點測定溫度，取不同深度測定溫度的平均值作為堆體溫度。pH值、含水率、有機碳、全氮的檢測參考NY 525-2012《有機肥料》中的方法；EC值、GI值的檢測參照朱新夢等［15］的方法；硝態氮、銨態氮檢測參照林煥嘉等［16］的方法。

1.3.3 氨氣的檢測及計算

氨揮發的檢測采用通氣法，氨揮發捕獲裝置的主要組件包括1個圓柱形氣室（高20 cm，內徑16 cm，白色，PVC材質）、2層圓片形吸收海綿（直徑16 cm，厚3 cm，白色，聚氨基甲酸乙酯材質），在測定前灌注20 mL磷酸甘油混合液（50 mL磷酸+ 40 mL丙三醇，定容至1000 mL）以吸收堆料揮發的氨。下層海綿距柱底5 cm處，上層海綿與柱頂端齊平。揮發氨的捕獲于堆肥當天開始，在堆體的不同位置，分別放置3個氨捕獲裝置，吸收1 h后將通氣裝置下層的海綿取出，按堆體號裝入自封袋中，密封。海綿帶回實驗室后，裝入1000 mL的廣口瓶中，加300 mL 1.0 mol/L的KCl溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩1 h后，浸提液中的銨態氮用流動注射分析儀測定［17］。氨氣揮發量計算公式如下：

式中，f為氨氣排放量，［mg/（m2·h）］；C為浸提液中氨氮的含量（mg/L）；V為浸提液的體積（mL）；A為吸收氨氣的海綿的有效面積（m2）；t為采樣時間（h）。

氨氣平均釋放速率為整個堆肥過程中每次檢測氨氣釋放量的平均值。

1.3.4 氮素損失率與損失減少率的計算方法

參照李寧等［18］的方法，總氮損失率（T）和總氮損失減少率（L）的計算公式分別如式（2）和（3）所示。

式中，M0為初始物料的質量（kg），Mi為結束時物料的質量（kg），N0為初始物料全氮量（g/kg），Ni為結束時物料全氮量（g/kg），i為不同試驗處理編號，TCK為對照組總氮損失率。

1.4 數據統計分析

使用Excel 2010進行數據統計及作圖，采用SPSS 21.0進行單因素方差分析和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 硫酸濃度對堆料理化性質的影響

2.1.1 硫酸濃度對堆體溫度的影響

堆料溫度變化代表了堆料內微生物的代謝活動強度以及堆體物料有機物質的轉化進程［19］。由圖1可知，不同處理的堆體溫度變化趨勢相同，主要有升溫階段、高溫階段和降溫階段。處理1、2、3和4的堆肥溫度達到50℃需要的時間分別為6、3、2和2 d，最高溫度分別為65、66、67和69℃，堆溫高于50℃的時間分別為32、36、38和37 d。各處理堆體溫度升到50℃需要的時間隨加入硫酸濃度的升高而縮短，堆體溫度的高溫保持時間隨加入硫酸濃度的升高而延長。由此可知，適當的添加硫酸，降低堆料的酸堿度，可以促進堆肥的升溫，加快堆肥腐熟進程。

圖1 不同處理的堆體溫度動態變化

2.1.2 硫酸濃度對堆料pH值、EC值的影響

堆料適宜的酸堿度可使微生物有效地發揮作用，促進堆肥進程［20］。堆肥過程中pH值的變化如圖2所示，各處理的pH值呈現先上升后緩慢下降的趨勢。在堆肥初期，處理1、2、3、4的pH值分別為9.071、8.861、8.724、8.545，堆料的pH值隨加入硫酸濃度的升高而降低，添加硫酸處理的pH值顯著低于對照處理。隨著堆肥的進行，CK處理pH值的升高速度明顯大于添加硫酸的處理。堆肥過程中各處理的pH值隨添加硫酸濃度的升高而降低，堆肥結束時，處 理1、2、3、4的pH值 分 別 為9.27、9.07、8.54、8.46，添加硫酸處理的pH值顯著低于CK處理。

圖2 不同處理的堆料pH值動態變化

堆肥過程中，由于部分有機物被微生物轉化為二氧化碳和水，堆料有機質的組成發生變化，二氧化碳的揮發和氮素的轉化，導致EC值發生變化［21］。由圖3可知，各處理的EC值在堆肥過程中的變化趨勢基本一致，呈現先升高后降低再升高再降低的趨勢。堆肥過程中CK處理的EC值始終最低，其余3個處理由于添加了硫酸，增加了堆料中可溶性鹽的含量，促進了EC值的升高。堆肥過程各處理EC值最高為4.825 mS/cm，堆肥結束時處理1、2、3、4的EC值分別為2.13、2.34、2.84、3.29 mS/cm，堆肥產品的EC值隨添加硫酸濃度的升高而升高。

圖3 不同處理的堆料EC值動態變化

2.2 硫酸濃度對堆料腐熟度的影響

2.2.1 硫酸濃度對種子發芽指數的影響

種子GI值是評判堆肥腐熟效果的重要指標之一［22］。Wong等［23］認為，堆料的種子GI值＞50%，可以判定堆料基本腐熟；如果種子GI值＞80%，可以判定堆料完全腐熟。由圖4可知，各處理的種子GI值呈先下降后升高的趨勢。堆肥0～10 d，種子GI值有所下降，處理2、3、4下降幅度顯著小于處理1；堆肥10～50 d，各處理種子GI值隨著堆肥時間的延長而升高，添加硫酸的處理2、3、4升高幅度顯著大于處理1。堆肥結束時，處理1和2的種子GI值低于80%，分別為76.4%和79.4%；處理3和4的種子GI值大于80%，分別為83.0%和84.2%；由此可知，硫酸的加入提高了堆料的種子GI值和腐熟程度。

圖4 不同處理堆料種子發芽指數動態變化

2.2.2 硫酸濃度對碳氮化的影響

堆肥過程中，碳素的消耗速度遠大于氮素，C/N整體呈下降的趨勢，與堆肥產品的腐熟程度密切相關［24］。Zahrim等［25］指出，如果堆肥產品的C/N小于20，就可以判定堆肥產品腐熟。由圖5可知，隨著堆肥的進行，添加硫酸的3個處理C/N均呈下降的趨勢，下降速度最快的是硫酸濃度為2 mol/L的處理3，下降速度最慢的是硫酸濃度為1 mol/L的處理2。堆肥結束時，各處理C/N分別為23.43、21.44、18.71、19.49。本試驗在堆肥結束時，處理3和4的C/N小于20，處理1和2的C/N大于20，說明硫酸降低了氮素損失，進而降低了C/N，提高了堆肥產品的品質。

圖5 不同處理堆料碳氮比動態變化

2.3 硫酸濃度對堆料氮素組分的影響

2.3.1 硫酸濃度對堆料全氮含量、氨氣釋放速率的影響

由圖6可知，堆肥0～10 d，各處理全氮含量逐漸下降，10 d以后處理3（2 mol/L硫酸）和4（3 mol/L硫酸）的全氮含量開始升高，處理1（CK）和2（1 mol/L硫酸）的全氮含量在堆肥20 d后開始升高，添加硫酸的處理全氮含量升高速度顯著大于未加硫酸的處理1。硫酸的添加促進了含碳有機物的降解，加快了堆肥進程，使含碳有機物的降解率大于氮素的損失率。堆肥20 d后，隨著含碳化合物不斷降解，各處理的全氮含量持續上升。堆肥結束后，處理2、3、4的全氮含量分別為19.7、22.1、21.5 g/kg，分別比CK處理的全氮含量提高3.68%、16.32%、13.16%，可以判定，堆肥時添加硫酸，可以提高堆肥產品的全氮含量，且硫酸濃度為2 mol/L時，全氮含量最高。

圖6 不同處理堆料全氮含量動態變化

如圖7所示，堆肥過程中各處理氨氣的平均釋放速率隨硫酸濃度的升高呈逐步下降的趨勢。添加硫酸處理氨氣的平均釋放速率小于CK處理。堆肥過程中，處理1、2、3、4的氨氣平均釋放速率分別為164.39、137.57、126.29、117.08 mg/（m2·h）。以上說明，硫酸的加入抑制了氨氣的揮發，降低了氨氣的釋放量，并且隨著加入硫酸濃度的升高而降低。

圖7 不同處理氨氣平均釋放速率比較

2.3.2 硫酸濃度對堆料銨態氮、硝態氮的影響

如圖8所示，堆肥過程中各處理銨態氮含量呈先升高后下降的趨勢。堆肥的0～10 d，添加硫酸的處理銨態氮含量均大于CK處理，升高速度隨硫酸濃度的升高而加快。硫酸濃度為3 mol/L的處理4，在堆肥第10 d 銨態氮含量達到最大值，之后銨態氮含量開始逐漸下降，堆肥結束時最低。硫酸濃度分別為1、2 mol/L的處理2、3及處理1，在堆肥第20d時銨態氮含量達到最大值，之后銨態氮含量開始逐漸下降，堆肥結束時最低。由此可見，羊糞堆肥初期加入硫酸的促進了的腐熟進程，加快了有機物質的轉化；在堆肥高溫期加入硫酸，降低了堆料的酸堿度，促進了硝化作用，降低了銨態氮的含量。

圖8 不同處理銨態氮動態變化

如圖9所示，堆肥過程各處理硝態氮含量呈逐步升高的趨勢。添加硫酸的處理硝態氮含量均大于CK處理，硝態氮含量隨硫酸濃度的升高而升高。堆肥結束時，處理1、2、3、4的硝態氮含量分別為0.78、0.86、0.94、1.04 g/kg。說明硫酸的加入促進了硝化細菌的繁殖生長，提高了銨態氮向硝態氮轉化的效率，并且隨著加入硫酸濃度的升高而升高。

圖9 不同處理硝態氮動態變化

2.4 硫酸濃度對總氮損失率的影響

總氮損失率變化如圖10所示，添加硫酸的處理總氮損失率明顯低于未加硫酸的CK處理。當硫酸濃度≥2 mol/L時，總氮損失率隨著硫酸濃度的升高而升高；當硫酸濃度≤1 mol/L時，硫酸濃度對總氮損失率的影響較??；硫酸濃度在2 mol/L時，總氮損失率最低為24.03%，保氮效果最好。

圖10 不同處理總氮損失率變化

3 討論

氮素在堆肥過程中的轉化主要包括有機氮的礦化、硝化和反硝化、氨氣揮發以及有機氮的合成［26］。堆肥高溫期硝化作用受到抑制，銨態氮無法及時轉化為硝態氮，堆體中銨態氮含量及pH值隨堆肥溫度的升高不斷上升，最終導致累積的銨態氮以氨氣的形式揮發；氨氣的大量揮發不僅造成堆肥產品質量降低，而且污染堆肥廠區的環境［27］。原位控制在堆肥氮素損失控制研究中得到了成功應用，通過加入一定量的控制材料可將堆肥中氮素損失減少90%以上，提高堆肥品質的同時降低了氨氣的濃度，減少了污染排放［28］。pH值既是衡量堆肥過程中微生物生長環境的參數，又對氨氣排放有重要影響，堆肥過程中由于氨氣揮發造成的氮素損失量，占總氮損失量的44%～99%［29］。適宜的pH值對堆肥過程中保氮和防止NH4+的減少有著重要作用，也能使堆肥中的微生物更高效地發揮作用［30］。堆肥的溫度變化是微生物活動的重要指標，能夠反映堆肥的腐熟進程［31］。研究表明，只用C/N來評價堆料是否腐熟是不科學的，利用堆料種子GI值來表征腐熟度已被廣大學者所認同［32］。本研究中添加硫酸處理的堆體溫度升到50℃需要的時間比CK處理縮短4～6 d，堆體溫度的高溫保持時間隨加入硫酸濃度的升高而延長，種子GI值隨硫酸濃度的升高而增大，處理3和4的GI值分別為83.0%和84.2%。表明在堆料中添加硫酸可以加快堆肥的啟動速度，提高堆體溫度，縮短堆肥進入高溫期和堆料腐熟的時間。這與胡雨彤［11］、程豐等［33］的研究結果相似。說明添加適宜濃度的硫酸能為堆肥微生物的生存和繁殖提供良好的環境，使微生物在堆肥初期大量繁殖，提高代謝速度，促進有機物的降解，加快堆肥腐熟進程［34］。

添加化學物質控制堆料pH值不僅操作簡單、成本低，而且具有較為重要的理論和實用價值。適宜的堆體pH值有利于微生物活性的提高及有機物的降解轉化［35］。堆料的EC值與可溶性鹽含量成正比，反映了堆肥產品中總鹽的含量，可用作有機物分解動力學的判定指標［36］。堆肥產品的EC值不宜過大，否則會影響作物的正常生長［37］。一般認為堆料的EC值小于4.0 mS/cm時可以施用［38］。本研究中，堆肥結束時處理1、2、3、4的EC值分別為2.13、2.34、2.84、3.29 mS/cm，均可達到施用標準，但是添加硫酸的處理2、3、4的EC值均高于未加硫酸的CK處理，并且升高程度隨硫酸濃度的升高而增加，說明添加硫酸提高了堆料的EC值，增加了可溶性鹽含量。硫酸是一種酸性添加劑，水解產生的H+可與氨氣結合，使NH4+?NH3平衡朝向質子化形態，進而將氨氣以銨態氮的形式固定在堆料中，在微生物作用下促使NH4+向其他更復雜的腐殖質態氮素形式轉變，從而減少堆肥過程中氨氣的揮發，在一定的添加量范圍內，硫酸的添加量越大，固定的銨態氮越多，氮素損失越?。?3，39］。本研究中添加硫酸的處理總氮損失率明顯低于未加硫酸的CK處理，硫酸濃度在2 mol/L時，總氮損失率最低，保氮效果最好。

雖然堆料中添加稀硫酸可以調節堆料的pH值，但也增加了堆料的含水量和EC值。硫酸的濃度越低，調節堆料酸堿度的用量就越大，增加了堆料的含水量。堆料的含水量過高，將降低堆料的通氣性，抑制堆肥的腐熟進程；硫酸的濃度越高，雖然調節堆料酸堿度時的用量有所減少，但堆料的EC值就會升高，降低堆肥產品的質量，因此選擇合適的硫酸濃度是硫酸調節堆料pH值、促進堆肥腐熟和降低氮損失技術的關鍵。在堆肥過程中，分次加入稀硫酸不僅可以調節堆料的酸堿度，促進堆肥腐熟進程，而且將因加入稀硫酸而帶入堆料的水量降到最低。堆肥高溫期是氨氣釋放量最大的時期［40］，在此時期，加入硫酸可以最大限度的降低氨氣釋放量，提高保氮效率。本研究系統探討了不同濃度的硫酸對堆肥腐熟進程及氮損失量的影響，將稀硫酸分3次加入堆料避免了一次加入硫酸對堆肥進程產生過大的影響。本研究發現，在堆料加入適量的硫酸，將大大降低氮素的損失量，提高堆肥產品的氮含量。探明不同堆料堆肥適宜的pH值，提高堆肥微生物的活性，加快堆肥腐熟速度，降低堆肥過程中的氮損失，將對畜禽糞污生產優質有機肥具有重要意義。

4 結論

（1）含水率在65%～70%之間的養殖場鮮羊糞，按2%（m/m）的量加入小麥秸稈混合堆肥時，堆肥初期按2 L/m3量加入濃度為1～3 mol/L的硫酸，可以縮短堆體溫度升到50℃需要的時間4～6 d。

（2）按6 L/m3的量添加濃度分別為1、2、3 mol/L的硫酸后，堆體溫度的高溫保持時間隨加入硫酸濃度的升高而延長，種子GI值隨硫酸濃度的升高而增大，硫酸濃度為2和3 mol/L處理的種子GI值分別為83.0%和84.2%，堆肥產品的全氮含量分別比CK處理提高16.32%和13.16%。硫酸為2 mol/L時，總氮損失率最低，為24.03%，保氮效果最好。

（3）在羊糞條垛堆肥過程中，按6 L/m3的量添加濃度為2 mol/L的硫酸，不僅可以加快堆肥腐熟進程，降低氨氣釋放量，而且可以提高堆肥產品的全氮含量，保氮效果顯著。

（4）在堆肥第0、10、20 d分次加入2 mol/L的硫酸，不僅可以大大降低堆肥過程氨氣的釋放量，提高堆肥產品的全氮含量，而且促進堆肥腐熟進程，提高堆肥腐熟效率。