自发热好氧堆肥养分变化特征研究

白红梅　姜伟　陈淑慧　李亚杰　薛国萍　杜金伟　索全义

摘要［目的］ 研究羊糞自发热好氧堆肥中不同腐熟阶段的养分变化特征。［方法］通过堆肥的升温期（初始羊粪）、高温期、降温期和腐熟期为研究对象，探讨羊粪自发热好养堆肥4个不同腐熟阶段的温度、含水率、碳氮比（C/N）、有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、pH、电导率的变化特征。［结果］羊粪自发热好氧堆肥时长43 d，升温期6 d，55 ℃以上高温期18 d，降温期13 d，腐熟期6 d。随着堆肥的进程有机质分解，堆体的碳氮比（C/N）逐渐减少；碳氮比总降幅40.69%，升温期和降温期占比70.15%，腐熟期碳氮比19.49可以认为基本腐熟；有机质含量从80.45%减少到60.14%，降温时有机质含量下降速率最快为18.57%，腐熟期最慢为3.76%。全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、pH随着堆肥的进程呈显著递增，其中降温期速效养分占全磷、全钾百分比最高。电导率随着堆肥的进程先降低后升高，电导率从大到小为腐熟期有机肥＞降温期有机肥＞未腐熟羊粪＞高温期有机肥。［结论］自发热好氧堆肥能够使有机物进行生物降解和生物合成，趋于稳定；通过自发热好氧堆肥了解不同腐熟阶段的有机肥养分特征，旨在为不同腐熟阶段有机肥资源高效利用和土壤培肥提供基础参数。

关键词羊粪；自发热好氧堆肥；养分

中图分类号S141.4文献标识码A

文章编号0517-6611（2023）08-0162-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.038开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Nutrient Variation Characteristics of Self-heating Aerobic Composting

BAI  Hong-mei JIANG  Wei CHEN  Shu-hui et al（1.Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences， Hohhot，Inner Mongolia   010031;2. College of Grassland，Resources and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia   010011）

Abstract［Objective］To study the nutrient changes of sheep manure self-heating aerobic composting at different maturity stages. ［Method］ Taking the heating period （initial sheep manure）， high temperature period， cooling period and maturity period of compost as the research object， to investigate the characteristics of temperature， water content， C/N ratio， organic matter， total nitrogen， total phosphorus， total potassium， available phosphorus， available potassium， pH and electrical conductivity of sheep manure self-heating aerobic compost at four different maturity stages. ［Result］Sheep manure self-heating aerobic composting lasted 43 days， 6 days of heating period， 18 days of high temperature period above 55 ℃， 13 days of cooling period and 6 days of decomposing period. With the composting process， the organic matter decomposed and the C/N ratio decreased gradually;the total decrease of C/N ratio was 40.69%， and the proportion of heating period and cooling period was 70.15%;the C/N ratio of 19.49 in the cooling stage could be considered as basically mature. The organic matter content decreased from 80.45% to 60.14%， the decrease rate of organic matter content was the fastest 18.57% at cooling stage， and the slowest 3.76% at maturity stage. Total nitrogen， total phosphorus， total potassium， available phosphorus， available potassium and pH increased significantly with the progress of composting， and the percentage of available nutrients in total phosphorus and total potassium was the highest in cooling stage. The electrical conductivity decreased first and then increased with the composting process， and the order of electrical conductivity from large to small was： decomposing period>cooling period>undecomposed period>high temperature period. ［Conclusion］Self-heating aerobic composting can stabilize organic matter through biodegradation and biosynthesis;through self-heating aerobic composting to understand the nutrient characteristics of organic fertilizers at different stages of maturity， it aims to provide basic parameters for the efficient utilization of organic fertilizer resources at different stages of maturity and soil fertility.

Key wordsSheep manure;Self-heating aerobic composting;Nutrient

有机肥是畜禽粪便资源化利用、提高土壤肥力和供给作物养分的重要途径之一［1］，对实现有机肥替代化肥、发展绿色可持续农业具有重要意义［2］。目前我国已经发展成为一个畜禽养殖大国［3］，截至2020年，我国养殖业畜禽粪便和废弃物达42.44亿t；相比2000年的27亿t增加了57.19%［4］，但其利用率尚未达60%；每年约有15.2亿t畜禽粪便和废弃物已成为我国农业面源污染的主要来源［5］。而好氧堆肥是畜禽粪便处理和资源再生于一体的生物处理方法，也是国内外一种经济且环保的固体有机废物资源化技术，能将有机固体废弃物减量化、无害化和资源化［6］。不同腐熟水平的有机肥所含的碳源和养分有很大差别，完全腐熟有机肥中养分及碳素损失严重，“快速分解阶段”基本在堆肥过程中完成，从而施入土壤后，降低肥效，影响作物生长，而未完全腐熟有机肥，在土壤中是“快速分解阶段”，能够缓慢分解可持续几年的时间，能够大量繁殖微生物和增加土壤酶活性，促进土壤的生物化学作用，形成较大数量的新生腐殖质［3］。但为了减少未腐熟有机肥的病原菌带入土壤，农田基本加大使用完全腐熟有机肥来替代化肥。目前腐熟有机肥“快速分解阶段”的产物及未腐熟有机肥腐解过程对土壤的培肥和改良的影响尚未见深入系统的研究，笔者通过自发热好氧堆肥了解不同腐熟阶段有机肥养分特征，旨在为不同腐熟阶段有机肥资源高效利用和土壤培肥提供基础参数。

1材料与方法

1.1试验材料堆肥原料采用农家新鲜羊粪，供试羊粪取自内蒙古呼和浩特骏伟农业贸易有限公司。堆肥试验为收集的新鲜纯羊粪用干净自来水调节初始含水率在55%左右，然后将混匀的羊粪堆成长1.5 m、高0.6 m、宽1.5 m的堆垛进行堆肥，堆肥原料的理化性质：含水率12.42%，有机质80.45%，全氮1.42%，全磷1.20%，全钾2.57%，pH 8.49。

1.2试验设计堆肥试验在内蒙古自治区农牧业科学院蔬菜花卉研究所试验基地进行，试验时间为7月15日至8月26日，周期为43 d，采用人工翻堆方式通风供氧，根据CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥处理技术规范，堆肥温度达55 ℃为进入高温阶段［7］。试验分4个阶段取样，分别为未腐熟羊粪（S）、高温期有机肥（≥55 ℃）（G）、降温期有机肥（J）、腐熟期有机肥（F），堆肥过程中的温度和水分含量均在09：00取样测定，同时根据堆体温度变化情况，升温和高温阶段每2 d翻堆一次，降温阶段每4 d翻堆一次。未腐熟羊粪取自原材料，高温期、降温期和腐熟期均在每个阶段第5天取样（500 g），取样则采用“多点混合法”，分别在堆体的上层、中层、下层采集相同量的样品，混合均匀［8］。4个阶段取出的样品进行风干灭菌保存，用于测定不同腐熟阶段有机肥养分变化。

1.3测定项目与方法堆制的第0、11 、30 、40天采样，共计4次。取样后放置阴凉处自然风干。堆肥温度采用插入式土壤温度计测定。含水率在105 ℃下烘干至恒重测定。测定pH、电导率时，粉碎过筛2 mm的风干样与蒸馏水按体积比1∶10混合，连续振荡30 min，再静置30 min，取上层清液过滤后用pH计和电导率仪S230-K测定。有机质用粉碎过筛0.149 mm 的风干样采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，其他各项养分指标用粉碎过筛1 mm风干样测定，测定全氮、全磷、全钾需将风干样准确称取0.2～0.5 g（精准到0.001 g），用硫酸和过氧化氢进行消解，全氮凯式定氮法分析，全磷采用钒钼酸铵比色法测定，全钾采用分光光度计比色法分析 （按照中华人民共和国农业行业标准. NY525—2012有机肥料行业标准），速效磷按照NY/T300－1995测定，速效钾按照NH4OAC浸提-火焰光度法测定，全碳采用元素分析仪测定，随后求出C/N。

1.4数据处理与统计分析试验数据采用Microsoft Excel 2010进行处理，单因子方差分析采用SPSS 19.0进行处理。图表中的数据均为平均值±标准差。

2结果与分析

2.1堆肥过程中温度与含水率的变化初始羊粪调节含水率为57.8%，充分混匀后放入发酵池中进行发酵。羊粪自发热好氧堆肥温度和含水率变化见图1。羊粪好氧堆肥时长43 d，经历了升温期、高温期、降温期和腐熟期的温度变化。堆体温度第9天达到峰值68.2 ℃。堆肥过程中65 ℃以上温度维持4 d，55 ℃以上温度维持18 d，满足静态通风堆肥要求［7］，并达到无害化要求。其中堆肥升温期共6 d；起始堆肥4 d内温度均在50 ℃以下，第5天开始升温较快达到53.53 ℃。第7天温度进入高温期，堆肥高温期共持续18 d，65.2～68.2 ℃持续4 d，55～65 ℃持续14 d。第25天温度开始进入降温期，共持续13 d，温度均在39.21～49.55 ℃。第38天温度开始进入腐熟期，翻堆后堆肥中温度不再上升。

堆体初始含水率为57.80%，随着堆肥的进行含水率不断下降，第43天含水率为35.73%，含水率在50%以上时反应速度较快，之后逐渐下降，含水率下降到38.4%时，反应基本停止。堆肥第32天时温度已经45 ℃以下，此时易分解有机物分解完毕，微生物代谢减弱［9］，堆肥中溫度下降，水分下降速率也会减缓，因为水分和微生物代谢是相辅相成的供给关系。按照温度划分：未腐熟初始有机肥含水率57.8%，高温期含水率53.0%，降温期含水率38.4%，腐熟期含水率34.1%，4个阶段堆肥含水率存在显著差异（P＜0.05）（图1）。

2.2不同腐熟阶段有机肥C/N的变化碳氮比（C/N）是影响好氧堆肥过程的重要工艺参数之一，也是用来判断堆肥腐熟程度的重要化学指标之一［10-11］。研究认为，堆肥初始的碳氮比（C/N）20～30比较适宜［12-13］。当堆肥的碳氮比（C/N）小于20时认为其基本腐熟［14-15］。羊粪自发热好氧堆肥过程中C/N变化见图2。由图2可知，随着堆肥的进程C/N逐渐降低，未腐熟羊粪C/N 32.86，高温期28.00，降温期24.01，腐熟期19.49，4种不同腐熟阶段有机肥C/N存在显著差异（P＜0.05）。C/N总降幅为40.69%，高温期、降温期和腐熟期C/N降幅分别占总C/N降幅的36.35%、29.84%、33.81%；说明从堆肥到高温期和降温期到腐熟期C/N下降幅度最大。从C/N评价腐熟程度看，温度稳定期的C/N小于20，因此稳定期有机肥属于腐熟有机肥。从温度对堆肥腐熟度的评价来看，堆肥温度接近环境温度，温度不会再发生明显变化，此时堆肥基本腐熟，该堆肥试验腐熟期温度接近常温，可视为腐熟有机肥。

2.3不同腐熟阶段有机肥养分含量的变化羊粪堆肥腐熟是在适宜的水分含量和通气良好的环境下，通过微生物分解和转化有机肥中易分解的有机物，产生二氧化碳的过程［16］。微生物降解有机物并释放CO是堆肥中碳元素损失的主要原因［17］。从表1可以看出，羊粪堆体随发酵进程有机质含量呈持续下降的趋势。未腐熟羊粪有机质含量为80.45%，达到高温时，有机质含量下降幅度为7.51%；发酵持续到降温时，堆体有机质含量下降速率最快，有机质含量下降幅度为16.02%；当堆体温度稳定不再上升时，由于大部分能被降解的有机物质被分解，产生稳定的有机残基转换合成腐殖酸物质［16］，进而有机质下降速率较慢，降幅为3.76%。在自发热好氧堆肥中高温中期至降温中期有机质降幅最大，占整个降幅的58.69%；此外降温期有机肥和腐熟阶段有机肥之间无显著差异，与其他处理有机质均存在显著差异（P＜0.05）。

羊粪自发热好氧堆肥过程中全氮、全磷、全钾含量和有机质的变化趋势不同，在整个堆肥腐熟过程中，随着堆肥物料中有机物质的活化分解，全氮、全磷、全钾含量随着堆肥进程逐渐增加。未腐熟羊粪全氮含量为1.42%，堆体达到高温时，堆体中全氮含量的增加幅度为11.97%。发酵持续到降温时，堆体中全氮含量有所减少，但仍高于未腐熟羊粪全氮含量，全氮含量下降可能是由于在高温期微生物活动旺盛，消耗氮的速率明显大于总干物质的下降速率［18］，随着发酵的进行，堆肥逐渐腐熟，温度降低，当大量有机物被消耗殆尽，堆肥中剩下的物质多数为较稳定的纤维和木质素［8］，此时NH3的挥发损失较小，因此，堆肥进入腐熟期时发酵堆体中全氮含量达到最高。4种不同腐熟阶段高温期有机肥和降温期有机肥之间全氮含量无显著差异，与其他处理均存在显著差异（P＜0.05）。

全磷含量随着堆肥进程逐渐增加（表1），全磷含量增加可能由于磷在堆肥过程中不易挥发，随着堆肥进程，堆体总质量下降，全磷含量发生浓缩。高温期和降温期有机肥全磷含量无显著差异，与其他阶段全磷含量均存在显著差异（P＜0.05），未腐熟羊粪全磷含量为1.21%，高温期、降温期和腐熟期增加幅度分别为26.45%、3.27%、9.49%，堆肥全磷含量的增加主要在高温中期前的阶段，占整个堆肥增加量的61.54%。

堆体中速效磷含量呈增加趋势（图3），由于有机物的分解，微生物活化磷素使速效磷含量上升。速效磷在堆肥进程中总增幅为40%，而高温中期到降温中期增幅占比最高62.5%。自发热好氧堆肥过程中堆肥物料的速效磷含量很少，速效磷占全磷的百分比整体呈降—升—降的趋势，未腐熟羊粪速效磷占比为1.22%，堆肥升温到高温初期速效磷占比下降至1.04%，这是因为温度逐渐升高，水分适宜，使微生物活跃分解有机物，消耗大量速效磷，而总磷含量升高，从而使速效磷占总磷的百分比下降；随后随着高温的持续占比增加，速效磷占比至1.26%，这是因为微生物自身分解以及速效磷发生浓缩现象，速效磷含量呈递增趋势且速效磷增加幅度大于全磷增加幅度，呈现出速效磷占全磷的百分比上升的趋势；堆肥进入温度恒定的腐熟期时速效磷占比为1.20%，微生物活动微弱，速效磷和全磷含量趋于稳定状态，此时全磷增加幅度为10.16%，速效钾增加幅度为0.05%并趋于稳定，速效磷增加幅度小于全磷增加幅度，速效磷占全磷的百分比表现为下降趋势。堆肥结束时，有机肥达到腐熟，腐熟期速效磷占全磷的百分比与未腐熟羊粪相比总体变小。

堆体中全钾和速效钾含量整体呈增加趋势（图4），且全钾在4种不同腐熟阶段有机肥中存在显著差异（P＜0.05）（表2）。全钾和速效钾含量变化趋势与磷变化趋势类似，羊粪在堆肥过程中，有机物质中固有的养分得到了充分的活化，加之速效钾和全钾含量在堆肥中不易挥发，堆体总质量下降，未腐熟羊粪全钾含量为2.57%，高温期、降温期和腐熟期增加幅度分别为5.84%、7.35%、15.41%，堆肥全钾含量的增加主要在降温中期后，占整个堆肥增加量的49.50%。

堆体中速效钾含量呈增加趋势，与全钾变化趋势相同。速效钾在堆肥进程中总增幅为40.51%，而高温中期到降温中期增幅占比最高为62.5%。随着堆肥速效钾和全钾含量发生浓缩，速效钾占全钾比例发生变化。速效钾在全钾中的百分比在堆肥过程中出现波动，但总体呈增加趋势，降温中期速效钾占全钾比例最高为68.20%，其百分比降低时，堆肥温度下降正处于温度恒定的腐熟期，大量有机物被消耗殆尽，此时堆肥中所剩下的物质多数为较稳定的纤维和木质素，活化的速效钾增速减慢，致使速效钾在全钾中的百分比减少。

2.4不同腐熟阶段有机肥pＨ和阳离子交换量（ＣＥＣ）的变化堆肥过程中pH是影响微生物生长的重要因素，pH通过影响微生物活动强度，从而影响有机物分解和生化反应速率［19］。从图5可以看出，随着堆肥进程pH逐渐增加，但均处于碱性范围；pH上升是由于温度的升高促使微生物大量活动，有机酸被分解，形成腐殖质，同时含氮化合物分解产生NH3。4种不同腐熟阶段降温期有机肥和腐熟阶段有机肥之间无显著差异，与其他处理均存在显著差异（P＜0.05）。

在一定浓度范围内电导率与堆肥样品中的盐浓度呈正相关，EC过高会抑制植物的生长，对植物产生毒害作用［20］。随着堆肥的进程，堆肥电导率呈先降低后升高的趋势，堆肥初期电导率下降可能因为温度的快速升高提高了微生物活性强度，导致腐殖质形成络合阴阳离子和CO、NH挥发有关，之后随着高温的持续堆肥有机物料分解产生大量小分子物质，如各种阴、阳离子（ HCO、HSO、H、NH等），使電导率上升［19］。电导率从大到小为腐熟期有机肥＞降温期有机肥＞未腐熟羊粪＞高温期有机肥，4个阶段有机肥电导率均存在显著差异（P＜0.05）。

3讨论与结论

自发热好氧堆肥是指在人为控制的条件下，经过各种微生物代谢活动，将粪肥中的部分有机物分解转化成一些简单的无机物，从中获得微生物自身新陈代谢所需的能量，同时也将部分有机物通过转化合成新的细胞物质以及无害且稳定的有机质的过程［8，21-23］。而农家肥腐熟程度常使用温度、颜色、味道、C/N、T值进行判定［24］。根据农户常用的温度和颜色变化判定方法，该研究中，羊粪自发热好氧堆肥时长43 d，经历了升温期、高温期、降温期和稳定期的温度变化。颜色从深黄色逐渐变为褐色最后呈深褐色。随着堆肥的进程碳氮比逐渐降低，碳氮比总降幅为40.69%，从堆肥到高温期和降温期到腐熟期碳氮比下降幅度最大，占比为70.15%；这可能是发酵高温的持续，部分有机碳被利用转化为CO加之NH积累，致使堆肥中碳不断减少氮含量逐渐增加，碳氮比迅速下降；而堆肥到高温期和降温期到腐熟期碳氮比下降幅度最大，是因为高温阶段，微生物活性强，微生物开始大量分解有机物来进行自身代谢，腐殖质形成络合阴阳离子与CO和NH挥发有关，这与李孟婵［5］、李红霞［13］、尹晓明等［22］的研究结果相同。而堆肥进入温度稳定期碳氮比19.46，这与我国农业行业标准NY525—2012有机肥料行业标准和娄义晟等［14］研究标准一致，碳氮比小于20可基本认为腐熟有机肥。从堆制物的养分含量变化来看，氮磷钾随着腐熟发酵进程，含量均逐渐增加，速效磷和速效钾与氮磷钾变化相同，其中降温期速效养分占全磷、全钾的百分比最高。堆肥腐熟期有机物分解进入尾声，温度和含水率减少，减缓有机物的分解，致使速效养分的含量上升减缓。这与康健［8］、胡雨彤等［18］的研究结果相同。

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