摘要：为探索秸秆和脱硫石膏对草食性家畜粪便堆肥过程中氨排放量的影响。以草食性家畜牛粪为主料，将农作物秸秆和脱硫石膏按不同比例组成添加剂，添入调节水分的锯末后混合进行堆肥，按添加剂比例不同分为4组连续排气和4组间歇性排气，每组测试3次取平均值。分析堆肥的理化特性、成熟度和氨的排放量等指标。在牛粪便堆肥过程中添加剂秸秆和脱硫石膏可使氨排放减少，硝酸盐积累增加。草食性家畜粪便堆肥中添加秸秆和脱硫石膏使粪便堆肥过程中NH3排放显著降低，锯末、玉米秸秆秸秆和脱硫石膏分别添加41.6%、5%、5%结合间歇性排气方式，对氨的减排效果最好。

　　关键词：粪便；堆肥；秸秆饲料；脱硫石膏；氨气

　　0引言

　　据报道，畜禽业粪便年排放量约38亿t，是制约我国农村人居环境的主要因素，一定程度影响着乡村振兴的发展。堆肥是处理畜禽粪便和农业废弃物的有效手段，可以转化为有机肥，实现资源再利用。堆肥过程杀死了大多数寄生虫、病原体和病毒，但有氧堆肥的过程也会产生三甲胺、氨和硫化物等有害物。氨排放污染大气，同时氮元素的流失会降低肥料价值。研究表明，碳利用率、膨胀剂、粒径、含水率和排气状态是决定堆肥氮排放的主要因素，利用化学和生物添加剂可一定程度上减轻堆肥过程中氨排放，添加剂包括煤灰、石灰、磷石膏、聚乙二醇、石膏和微生物接种剂等[1]。在这些添加剂中，农作物秸秆易于在堆肥混合物中分解，脱硫石膏是燃煤电站烟气脱硫的副产品，在堆肥中添加脱硫石膏可以减轻氮的损失[2]。石膏被认为是修复土壤的有效产品，它大大降低了土壤中可交换的钠、钾等阳离子浓度。如果在堆肥过程中，将富氮有机粪便与脱硫石膏结合，是否能降低氨的排放和氮损失一直没有定论，且国内此方面研究甚少。本文旨在研究脱硫石膏和秸秆结合2种排气方式，对草食性家畜粪便堆肥发酵过程中氨排放量的影响，以及堆肥理化特性的变化规律，为堆肥发酵氨气减排提供技术支持。

　　1材料与方法

　　1.1试验材料

　　1.1.1草食性家畜粪便

　　本试验草食性家畜粪便选用国内养殖数量最多的西门塔尔牛粪展开研究，牛粪由甘肃宝鼎农业科技有限责任公司养殖场提供。人工采集新鲜牛粪（牛排便3 h内采集），对粪污进行固液分离，牛粪浆储存于带盖塑料桶，干粪装入尼龙袋密封。

　　1.1.2秸秆

　　以低于20%含水量的锯末和玉米秸秆为原料，玉米秸秆使用RC500型揉丝机除尘、揉搓、压扁等精细加工，长度控制在5 cm以内，锯末压扁后截为3 cm左右。堆放在干燥阴凉处备用。

　　1.1.3脱硫石膏

　　由厦门华夏国际电力发展有限公司提供。

　　1.2方法

　　1.2.1堆肥处理方法

　　分为8组不同的堆肥混合物，采用不同添加剂组合和2种排气方案，分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ（表1），其中Ⅰ、Ⅴ不加石膏和玉米秸秆，分别为连续性排气对照组和间歇性排气对照组。将5 kg的混合原料装入15 L圆柱形堆肥箱（自制）中堆肥发酵，加入适量锯末初始含水量控制在55%～60%，搅拌均匀后覆盖聚氨酯绝缘材料，前4组为连续性排气，后4组为间歇性排气。

　　试验共28 d，在第7、14、21天搅拌堆肥。在搅拌材料后，收集约150 g样品，置于4℃保存，用于后期理化分析。将排气率设置为0.75 L/min·kg，使氧浓度保持在15%以上，对于间歇性排气，定时器控制气泵关闭135 min后，打开高流量空气泵15 min，同时进气阀提供约0.75 L/min·kg的空气，循环往复。对于连续性排气组，始终打开打开进出气阀。

　　1.2.2理化指标测定

　　检测堆肥堆温度、酸碱度、导电率、微量元素、氨排放量和种子发芽率，含水率参照GB/T 7959—2012测定；有机质、氮、磷、钾按NY/T 525—2021测定；钙、镁、铁、锰、铜、锌按GB/T 24875—2010要求测量；氨气检测按照DB37/T 2142—2012标准监测；发芽率按NY/T 3442—2019测定，其余指标按GB/T 25169—2022要求测量。

　　1.3试验仪器

　　机械分离机器、100 L带盖塑料桶、尼龙袋、RC500型揉丝机由佛山市顺德区银佳机械有限公司提供。EC214电导率仪（北京时代新维测控设备有限公司），DR5000-紫外-可见分光光度计（HACH公司，USA），电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）（北京华科天成有限公司）。按GB/T 28740—2012要求自制高30 cm×内径25 cm的15 L圆柱形塑料有盖堆肥箱，见图1。

　　2统计分析

　　采用SPSS 21统计软件进行方差分析，采用Tukey法比较定量因子的平均值。

　　3结果

　　共采集鲜牛粪2 t，分离出1.2 t干粪，0.8 t牛粪浆。

　　3.1堆肥原料的基本性质

　　试验前对堆肥的各原料基本性质监测，结果见表2。

　　3.2堆肥中温度变化

　　堆肥温度如图2、图3所示，最初温度为23℃,堆肥第1天，8个处理组均迅速升温，且连续排气试验组的堆肥温度高于间歇排气方案的堆肥温度；连续排气堆肥温度连续2 d达到55～60℃,而间歇性排气堆肥温度连续3 d才达到50～55℃,间歇排气堆肥温度低于连续排气堆肥温度；堆肥温度保持在50℃以上3 d，足以消灭堆肥中的细菌；第4天之后温度走向平缓，符合典型堆肥温度分布。连续排气试验组(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)之间和间歇性排气试验组(Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)之间，温度变化趋势相似，表明添加脱硫石膏添加剂没有干扰堆肥过程；第2、3天玉米秸秆添加剂试验组Ⅱ的温度最高，证明玉米秸秆的加入有利于堆肥过程微生物激活升温。

　　3.3堆肥中pH值变化

　　堆肥过程中pH值的变化如图4A、C所示，与对照组(Ⅰ、Ⅴ)相比连续性排气试验组Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和间歇性排气试验组Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ的pH值均逐渐明显下降（P<0.05），表明脱硫石膏和玉米秸秆的添加剂能显著抑制堆肥pH值升高；在堆肥28 d内，pH值从8.10～8.60下降到5.45～6.93，仅添加了玉米秸秆堆肥(Ⅱ、Ⅵ)pH值仍然较高，且氨化引起的氨释放率较高，证明pH值的增加是堆肥过程中氨化和矿化的结果；连续性排气试验组Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对比间歇性排气试验组pH值无显著性差异（P＞0.05），说明不同排气方案对堆肥pH值无影响。堆肥第28天时，Ⅶ的pH值最低（5.50），而Ⅵ的pH值最高（8.69），这些差异与对照组Ⅰ（7.05）和Ⅴ（6.64）有显著性差异（P＜0.05），Ⅶ的pH值（5.5）略偏向酸性，而Ⅵ的pH值（8.69）略偏向于碱性。

　　3.4堆肥中导电率变化

　　整个堆肥过程中的导电率值如图4B、D所示，仅用脱硫石膏试验组(Ⅲ、Ⅶ)初始导电率较高（P<0.05），所有试验组导电率值都随着堆肥时间增加而降低，表明添加脱硫石膏显著增加了堆肥基底的初始导电率；堆肥28 d后，8个堆肥试验组导电率存在差异，Ⅲ、Ⅳ、Ⅶ和Ⅷ试验组导电率较高，表明脱硫石膏和玉米秸秆改变了堆肥导电率。

　　3.5堆肥中氨排放量的变化

　　堆肥过程中的氨排放结果如图5所示。在连续排气的堆肥中，90%的氨在堆肥开始后的前10 d内排放，而在间歇性排气中，氨的排放在堆肥开始后的20 d内都有分布。脱硫石膏堆肥组Ⅲ、Ⅶ累积氨排放量显著减少（P＜0.05），添加玉米秸秆试验组Ⅱ氨排放量明显高于Ⅲ、Ⅳ和Ⅶ、Ⅷ（P＜0.05），表明堆肥中添加玉米秸秆使氨排放增加，添加脱硫石膏可降低氨排放量；间歇性排气试验组(Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)对比连续排气试验组(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)氨排放量明显降低（P＜0.05），表明间歇性排气方式可降低累积氨的排放量。

　　3.6堆肥过程中TOC、TKN、NH的影响

　　堆肥过程各处理中TOC含量（有机物所含碳的总量）均略有下降，排气方案对堆肥过程中TOC的下降没有显著影响；在堆肥的第7天以后，TKN（水中总氮）含量逐渐增加，NH含量逐渐降低，见图6。

　　3.7堆肥过程中元素变化

　　由表3、表4可知，与对照组(Ⅰ)相比，脱硫石膏试验组Ⅲ倾向于增加堆肥中Ca、Mg和S的浓度（P＜0.05），降低堆肥中P的浓度（P＜0.05），而玉米秸秆堆肥Ⅱ、Ⅵ的Fe和Mn含量升高（P＜0.05）；连续排气试验组(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)营养元素略高于间歇性排气试验组(Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)但差异不显著（P＞0.05）。

　　4结论

　　在草食性家畜牛粪便28 d的堆肥试验中添加秸秆和脱硫石膏不会产生不良影响，添加脱硫石膏比玉米秸秆更能减少氨的排放，玉米秸秆可提升堆肥生物降解速率；添加脱硫石膏和玉米秸秆的家畜粪便堆肥可减少氨损失，提高微量营养物质养分；两者组成的添加剂使氨的排放明显减少，间歇性排气方式的氨排放总量低于连续排气方式。草食性家畜粪便堆肥过程中混合秸秆和脱硫石膏添加剂是减少氨排放和诱导生物降解行之有效的一种方法。

　　5讨论

　　本试验堆肥温度保持在50℃以上3 d，这足以提供堆肥的标准杀菌。这个相之后是一个中温相，符合实验室规模上的典型堆肥温度分布。根据温度分布图，添加脱硫石膏添加剂没有干扰堆肥过程，这一结果与王聪等[3]的研究结果一致，添加膨润土的堆肥对堆肥温度没有任何刺激或抑制作用，玉米秸秆和玉米秸秆与灰分混合具有提高底物pH值的潜力。本试验堆肥中加入玉米秸秆氨排放减少，增加硝化，这一结果可能的解释是，堆肥底物的高初始pH值和温度导致了氨的高排放。间歇性排气处理即使在堆肥14 d仍出现许多氨排放峰值，可能是3种原因引起：①部分有机氮首先被降解为一些简单的含氮化合物，并储存在堆肥中，这些化合物在生物降解减慢后被矿化；②缓慢降解的部分生物降解氮含量矿化；③NH3在开始时由氨化释放出来，首先经处理固定在生物质中，然后生物质的再矿化导致了氨排放的下一个峰值[4]。

　　在本试验中，排气方案对堆肥过程中TOC的下降没有显著影响，这可能是由于脱硫石膏和玉米秸秆有能力增加堆肥基质的孔隙率。玉米秸秆的大比表面积更有利于微生物的附着。此外，玉米秸秆的孔隙度使堆肥材料可获得空气和水分，有利于堆肥的分解过程。另一方面，脱硫石膏为微生物的生长提供了更多的矿质营养来源，加速了有机质的分解。

　　对照组和玉米秸秆处理的碳氮比在堆肥后的第1周略有增加，然后随着堆肥过程的进行而逐渐降低。堆肥过程第1周碳氮比略有增加可能是由于氨排放[5]。在堆肥过程中，有机物的降解和氮复合矿化响应碳氮比的降低。

　　张頔等[6]报道称，应用具有高吸收能力的碱性玉米秸秆可以维持土壤pH值，增强了对NH/NH3的吸附，从而降低了氨排放。玉米秸秆添加剂的氨排放较高可能是由于pH值和温度较高。NH3值较低排放速率主要与底物pH值的降低有关，这些结果与早期的研究结果相对比，表明与玉米秸秆堆肥可能减少氨排放，增加硝化。

　　[1]顾沈怡，戴海洋，郭凡婧，等．微生物和化学添加剂对畜禽粪便堆肥过程活性氮气体的减排研究[J]．生态与农村环境学报，2022，38（8）：1 010-1 018.

　　[2]李升林．玉米秸秆堆肥对盐碱土壤理化特性和微生物多样性以及水稻生长的影响[D]．哈尔滨：东北林业大学，2023.

　　[3]王聪，尹苗，易浩楠，等．畜禽粪便堆肥添加剂及其应用效果的研究进展[J]．现代畜牧兽医，2024（3）：77-81.

　　[4]石建新．禽畜粪便堆肥温室气体排放及其控制研究进展[J].农业与技术，2023，43（3）：30-33.

　　[5]张浩然，魏晶晶，王慧春．畜禽粪便堆肥过程中碳氮保蓄效果的影响因素研究进展[J]．生态科学，2023，42（4）：225-230.

　　[6]张頔，李龙威，王鑫，等．生物炭对畜禽粪便好氧堆肥的影响研究进展[J]．玉米科学，2022，30（6）：138-148.