1 引言(Introduction)

随着我国养殖技术的不断提高, 规模化和集约化畜禽养殖业迅速发展, 畜禽粪便等养殖废弃物排放量逐年增加, 已成为我国新的污染源(仇焕广等, 2013).研究发现, 我国生猪猪粪年产生量已超7亿t, 随着生产需要和人口数量的增加, 这种趋势还在逐年递增(周江明等, 2014).好氧堆肥技术作为将农业废弃污染物转化成可利用有机肥的重要途径, 被认为是固体废弃物资源化、无害化、减量化的有效手段之一, 其产物可用作有机肥或土壤改良剂, 具有良好的生态利益、经济利益和社会效益(姜继韶等, 2011).但好氧堆肥在利用自然界中的细菌、真菌等微生物对有机污染物进行生物降解的同时, 堆体中的碳素会分解转化为CO₂和CH₄等温室气体, 加剧温室效应(Luo et al., 2014).

生物炭是一种难溶的、稳定的、高度芳香化的、含碳量在70%以上的黑色蓬松状固体物质, 属黑炭范畴(林雪原等, 2014), 具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积, 吸附能力强(Yuan et al., 2010).作为一种高效且廉价的添加剂, 生物炭被广泛用于改善堆肥条件及提高堆肥产品的质量(李荣华等, 2014).目前研究生物炭对堆肥氮素转化(徐路魏等, 2016)、腐殖化(Dias et al., 2010)、微生物增长(Hua et al., 2012)等影响的较多, 有关生物炭添加对堆肥中碳素转化影响的研究少见报道.堆肥中的碳素损失量直接影响温室气体的排放量与堆肥的品质.因此, 本文以猪粪、菌渣为原料, 研究不同比例生物炭添加对堆肥过程中碳素转化的影响, 以期为农业废弃物堆肥化处理过程中减少温室气体排放与防控碳素损失提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试材料

生猪新鲜粪便和菌渣源自福清星源农牧科技股份有限公司, 花生壳生物黑炭购自河南商丘三利新能源有限公司, 不同物料的基本性质见表 1.

2.2 试验设计

堆肥利用自制的强制通风静态反应箱进行好氧发酵, 该反应箱主要由主体发酵箱、通风口、进料口、排水管、筛板、鼓风机等组成(图 1).反应箱用PVC板制成, 箱高120 cm、长100 cm、宽100 cm, 总体积1200 L.试验共设4个不同堆肥处理, 即生物黑炭的添加量(按质量百分比)分别为0(T1)、3%(T2)、6%(T3)、9%(T4), 4个处理中猪粪与菌渣混匀后C/N比相同, 然后按各处理堆肥总质量(以干重计)添加不同比例生物炭并将不同物料混匀, 各处理初始含水率保持在50%~55%, 重复3次.在前期预备试验的基础上, 根据堆体内氧气浓度变化确定了堆肥通风控制条件.通风采用时间控制法, 800 L·min^-1的鼓风量从箱体底部透过筛板向箱内通风.堆肥前1~7 d, 风机每隔30 min启动鼓风30 min；第8~25 d, 鼓风机每隔1 h鼓风30 min；第26~40 d, 鼓风机每隔75 min鼓风15 min.每天利用数显温度计测定并记录空气环境和料堆温度的变化, 测定3次取平均值.

试验前, 分别称取不同处理(表 1)的混合物料(相当于干重200 g)装入网孔为200目、大小为20 cm×20 cm的分解袋中, 然后按对角线均匀埋于相应的堆肥反应箱内, 每个箱内3个, 用于堆肥物料干物质失重率的测定.

2.3 取样方法

在堆肥过程的第0、5、10、15、20、25、30、35、40 d采集堆肥样品.每个箱子用采样器沿堆体对角线位置取5个点, 每个采样点取样200 g(鲜重), 在箱外充分混匀后四分法取样.混合样品分为2份, 一份样品于65 ℃烘干、研磨备用；另一份保留鲜样带回于-20 ℃条件下存贮、备用.在堆肥过程的第0、10、20、30、40 d, 取出堆肥反应箱内所有的分解袋, 用电子天平(精度0.001 g)测定其质量, 然后再埋回箱内.同时, 采集箱内样品用于物料含水率测定.

2.4 测定内容与方法

总有机碳参照重铬酸钾容量法(鲍士旦等, 1999)测定；腐殖质碳及组分含量参照《土壤腐殖质组成的测定》方法(NY/T 1867—2010) 测定；可溶性有机碳按1:10料水比(质量比)混匀用总有机碳分析仪(TOC-VCPH, 岛津公司)进行测定(石坤等, 2016).

干物质失重率与碳素降解率的计算参照凋落物失重率的差量法(邓长春等, 2015), 计算公式如下：

(1)

(2)

式中, L_i为第i天堆肥物料干物质失重率；w₀为分解袋中物料初始干物质量(g)；w_i为第i天分解袋中物料干物质量(g)；D_i为第i天堆肥物料碳素降解率；c_i为第i天物料总有机碳含量(g·kg^-1)；c₀为物料初始总有机碳含量(g·kg^-1).

2.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行试验数据分析；采用SPSS19.0进行单因素方差分析、差异显著性和相关性分析.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 温度的变化

堆肥时间为40 d, 整个堆肥过程由升温期、高温持续期、降温期、低温持续期4个阶段组成.由图 2可知, 以周围环境温度作为对照(CK), 各处理堆温均呈升高后降低的变化趋势.整个堆肥阶段, 1~3 d为堆肥升温期, 4个处理堆温急剧上升；到第3 d时, 各处理堆温升至最高, 均达到60 ℃以上, 最高温度分别为69.3、65.1、62.4、60.1 ℃.4~18 d为高温持续期, 随着生物炭添加比例增加, 4个处理堆温高于50 ℃的天数分别为9、10、15、12 d, 均达到无害化标准(姜继韶等, 2016), 其中, T2、T3和T4处理的高温期比T1处理明显延长；19~23 d为降温期, 堆温从50 ℃下降到40 ℃以下, 说明整个堆肥过程已基本完成；24~40 d为低温持续期, 在此阶段各处理堆温均在40 ℃以下波动, 最终基本与环境温度持平.

3.2 总有机碳含量变化

不同堆肥处理总有机碳含量变化如图 3所示.随着堆肥时间的延长, 各堆肥处理总有机碳含量总体呈下降趋势.与堆肥初始值相比, T1、T3处理至堆肥第10 d时, 总有机碳含量显著下降(p < 0.05)；T2处理至堆肥第20 d时, 总有机碳含量显著下降(p < 0.05)；T4处理至堆肥第30 d时, 总有机碳含量显著下降(p < 0.05).堆肥初期, 各处理总有机碳含量随生物炭添加量的增加而增加, 其中, T4处理总有机碳含量最高, 显著高于其它处理(p < 0.05).在整个堆肥过程中, 添加生物炭的T2、T3和T4处理总有机碳含量比T1处理平均高6.69%、7.88%和20.60%, 其中, T2与T3处理间无显著差异, T4与T1处理达到极显著差异(p<0.01).至堆肥第40 d时, T1、T2、T3和T4处理总有机碳含量分别降低了11.17%、14.33%、15.36%、10.79%, 堆肥前后各处理总有机碳含量差异均达到显著(p < 0.05).

3.3 可溶性有机碳的变化

不同堆肥处理的可溶性有机碳变化如图 4所示.T1~T4堆肥处理的可溶性有机碳含量随堆肥时间总体呈下降趋势.与堆肥初始值相比, 4个处理至堆肥第5 d时, 可溶性有机碳含量显著下降(p < 0.05).堆肥初期, 不同堆肥处理可溶性有机碳含量随生物炭添加量的增加而减小；T1处理可溶性有机碳的含量比T2、T3和T4处理分别高出1.40%、9.05%、16.79%；其中, T1与T3、T4处理间的差异达到显著性水平(p < 0.05).至堆肥结束时, 各处理可溶性有机碳含量分别降低了29.77%、28.79%、20.50%、22.60%, 但各处理之间无显著性差异.但与堆肥前相比, 各处理可溶性有机碳含量均存在显著性差异(p < 0.05).

3.4 腐殖质碳及组分含量的变化 3.4.1 腐殖质碳含量变化

图 5a显示, 随着堆肥时间的延长, T1~T4处理腐殖质碳含量呈现下降后上升的变化趋势.堆肥初期, 各处理的腐殖质碳含量与生物炭添加量呈反比, 未添加生物炭的T1处理显著高于其它处理(p < 0.05).在堆肥第10 d时, 各处理的腐殖质碳含量达到最低值, 其中, T1处理腐殖质碳含量的降幅比T2、T3和T4处理分别高5.4%、2.16%、0.11%.在堆肥10~40 d, 各处理的腐殖质碳含量逐渐上升；到第40 d时, 相对于最低值分别增加了6.39%、3.82%、7.73%、7.23%.到堆肥结束, T1处理与T2、T3处理间无显著差异, T1处理与T4处理间差异显著(p < 0.05).

3.4.2 胡敏酸碳(C_HA)含量变化

胡敏酸是堆肥过程中形成的一次性产物, 只溶于碱不溶于酸, 相比富里酸在堆肥中更能反映腐殖化过程, 是评价腐熟度的一个重要指标(Senesi et al., 2007).不同堆肥处理胡敏酸碳(C_HA)含量变化见图 5b.各堆肥处理胡敏酸碳含量随堆肥时间延长呈先下降后上升的变化趋势.堆肥初期, 各处理胡敏酸碳含量与生物炭含量呈反比, T1处理与T2处理间无显著性差异, 与T3、T4处理存在显著性差异(p < 0.05).在整个堆肥过程中, T1处理胡敏酸碳含量比T2、T3和T4处理平均高2.77%、7.64%和11.89%.至堆肥达20 d时, T1~T4处理胡敏酸含量较堆肥初期显著提高(p < 0.05).至堆肥结束时, T1~T4处理比堆肥初始值分别提高了31.16%、26.98%、37.88%、39.97%, 其中, T1处理与T4处理差异达到显著性水平(p < 0.05).

3.4.3 富里酸碳(C_FA)含量变化

不同堆肥处理富里酸碳(C_FA)含量变化见图 5c.整个堆肥过程中, T1~T4处理富里酸碳含量随着堆肥时间延长呈下降趋势.与堆肥初始值相比, T1~T4处理均至堆肥第20 d时富里酸碳含量显著下降.堆肥初期, 未添加生物炭的T1处理富里酸碳含量分别比T2、T3、T4处理高5.07%、14.25%、16.60%, 各处理间差异均达到显著水平(p < 0.05).至堆肥结束时, 与初期相比, 各处理的富里酸碳含量分别下降了35.10%、26.40%、38.37%、41.65%, 且各处理间的差异均达到显著性水平(p < 0.05).

3.4.4 腐殖化系数变化

腐殖化系数(HI=HA/FA, 即胡敏酸/富里酸)是评价腐殖化程度和腐熟程度之间关系的一个重要指标, 能较好地反映出堆肥过程中腐殖质组分与性质的变化(Tumela et al., 2000；王义祥等, 2016).不同堆肥处理HI值的变化见图 5d.堆肥初期, 各处理间HI值无显著性差异(p>0.05), 随着堆肥时间的延长, 各处理HI值呈逐渐上升趋势.当堆肥达到20 d时, 各处理HI较初期显著升高(p < 0.05).堆肥处理至堆肥结束, T1~T4处理的HI值增幅分别达102.17%、72.16%、122.68%、140.43%；其中, T4处理增幅最大, T2处理增幅最小, 各处理差异显著(p < 0.05).

3.5 干物质失重率的变化

不同堆肥处理干物质失重率的变化见图 6.4个堆肥处理干物质失重率均随堆肥时间延长呈增加的趋势.堆肥0~10 d, 各处理堆肥干物质失重率迅速升高；到堆肥第10 d, T1~T4处理干物质失重率达到总损失率的39.06%~46.94%.堆肥20~40 d, 干物质失重率继续升高但增幅变缓.就干重失重率随时间的变化而言, 4个处理的堆肥第10 d与第20 d间均存在显著性差异(p < 0.05)；T1和T3处理的堆肥第30 d和40 d间存在显著性差异(p < 0.05).至堆肥结束时, T1~T4处理干物质失重率分别达到了15.75%、16.94%、13.53%、11.12%, 其中, T2处理失重率最大, T4处理最小；T1处理与T3、T4处理差异显著(p < 0.05), 与T2处理无显著差异.

3.6 碳素降解率的变化

不同堆肥处理碳素降解率的变化见图 7.T1~T4处理碳素降解率的变化规律与干物质失重率相似.堆肥0~20 d, 各处理碳素降解率迅速升高；至堆肥第20 d时, 4个处理的碳素降解损失占总碳素损失的29.39%~43.71%, 其中, T1处理碳素降解率最高, T4处理最低；第20~40 d, 各处理碳素降解率升高变缓.堆肥期间, 4个处理平均碳素降解率的大小顺序为T2>T3>T1>T4, 各处理间的差异达到显著水平(p < 0.05).表 3显示, 至堆肥结束时, T1~T4处理堆肥碳素损失率分别达到了25.16%、28.85%、26.81%、20.71%, 各处理之间差异显著(p < 0.05).

4 讨论(Discussion)

在堆肥过程中, 堆体中不稳定的含碳有机物在微生物的作用下会发生降解、转化并合成新的化合物等一系列变化过程, 因此, 堆料中总有机碳含量的变化在一定程度上可以反映碳素物质的变化规律(王义祥等, 2016).生物炭本身特有的孔隙度可改善堆肥的通气状况, 且其表面附着的微生物可以强化代谢, 促进有机质的降解(张继宁等, 2014).此外, 生物炭呈碱性, 添加生物炭可提高堆肥pH值, 从而影响堆料内微生物的生长繁殖, 在一定程度上影响堆肥的进程(Steiner et al., 2010).本研究结果显示, 在整个堆肥过程中, 堆料中含碳有机物不断被矿化分解, 总有机碳含量逐渐下降；其中, 堆肥在升温期与高温持续期总有机碳含量下降迅速, 这可能是由于前期高温有利于微生物种群的扩增繁殖, 从而提高了微生物分解利用含碳有机物的能力；堆肥中后期随着易降解物质含量的减少, 难分解的有机物质成为微生物利用主体, 且随着微生物活性降低, 有机质降解速率逐渐降低, 这与鲍艳宇等(2010)的研究结果相一致.添加生物炭处理堆温高温天数高于未添加生物炭处理, 随着生物炭添加量的增加, 堆肥中总有机碳降低幅度呈先增后减的趋势, 这可能是因为生物炭添加改善了堆体的通气性, 加速了有机物的矿化分解；但随着生物炭添加量增加, 堆肥中源于生物炭的固定碳含量增加, 因其具有较好的热稳定性和不易被微生物利用分解, 导致堆肥中有机碳的降幅变小(林雪原等, 2014).可溶性有机碳作为总有机碳中最活跃的组分, 又是微生物所依赖的主要能量和物质来源(Zmora-Nahuma et al., 2005).本研究发现, 堆肥初期添加生物炭处理的可溶性有机碳含量低于不添加生物炭处理, 这可能是由于生物质炭具有高度的芳香化特点, 在分解过程中不易生成水溶性有机物(Dias et al., 2010).

堆肥也是有机物稳定化和腐殖化的过程(熊雄等, 2008).在堆肥前10 d, 由于堆料中有机质迅速分解, 腐殖质碳含量降低.之后堆肥开始进入腐殖化阶段, 堆料中的有机质向稳定化和腐殖化方向转化, 腐殖质碳含量逐渐上升.堆肥中生物炭添加量与腐殖质碳及组分含量呈反比, 与未添加生物炭处理相比, 添加生物炭堆肥中腐殖质碳含量下降了0.39%~14.97%, 且随生物炭添加量增加腐殖质碳含量越低, 而Wang等(2014)研究发现, 生物质炭添加可以促进堆肥中胡敏酸的产生, 可见本研究中生物炭添加降低了堆肥中腐殖质的绝对含量.黄红丽等(2009)研究认为堆肥原料的差异导致腐殖酸的变化有升有降, 但腐殖化指数均呈上升趋势.Zhang等(2014)研究发现, 木炭含有羧基、酚羟基等含氧基团和富里酸物质, 这些基团会与腐殖质表面的化学基团发生反应, 提高堆肥的腐殖化程度, 促进堆肥的腐熟.本研究至堆肥结束, 各堆肥处理腐殖化指数达到最大, 其中, 添加生物炭处理的腐殖质化指数高于未添加生物炭处理, 说明添加生物炭有利于堆肥的腐熟.

减量化是固体废弃物堆肥处理的主要目的之一, 但为保证堆肥能够保持较好的品质, 并非减的越多越好(张阅等, 2015).常瑞雪等(2016)研究发现, 堆肥前期富碳物质的添加会加快物料的减量化, 但到堆肥结束碳源物质的添加可减少干物质损失.吕潇等(2015)通过研究炭基材料对蔬菜废物堆肥进程和腐熟程度的影响发现, 各处理物料损失率随着堆肥时间的增加而不断上升, 且处理间无显著差异, 堆肥结束后, 各处理物料损失均高于20%.本研究也表明, 堆肥前期添加生物炭处理的干物质失重率均高于未添加生物炭处理, 到堆肥结束时, 干物质失重率达到了11.12%~16.94%, 其中, 6%和9%生物炭添加处理的干物质失重率显著低于未添加堆肥处理.Hellmann等(1997)研究表明, 经好氧堆肥并达到腐熟后堆料中10%~40%的碳素被降解损失, 占堆料总碳素含量的30%~75%, 其中以温室气体的形式损失的碳占碳素总损失量的70%以上.而当前有关生物炭添加对堆肥碳素损失的影响还少见报道.有研究认为生物炭添加增加了堆肥中CO₂排放(Steiner et al., 2010), 但也有研究认为生物炭添加可减少堆肥过程中CO₂和CH₄排放(Vandecasteele et al., 2016；陶金沙等, 2014).Vandecasteele等(2016)研究发现, 添加10%的生物炭减少了堆肥过程中CO₂和CH₄排放.本试验条件下, 堆肥过程中碳素损失率达20.71%~28.85%, 3%和6%的生物炭添加处理碳素损失高于未添加生物炭处理, 而添加9%生物炭处理碳素损失显著低于未添加生物炭处理, 其原因除了与堆肥初始物料成分和堆肥工艺有关外, 还与生物炭的用量有一定关系(王海候等, 2016).

5 结论(Conclusions)

1) 随着堆肥时间的增加, 堆肥中总有机碳含量不断下降, 生物炭添加量与总有机碳初始含量呈正比, 添加生物炭处理的总有机碳降解率高于未添加生物炭处理；可溶性有机碳作为有机碳中最活跃的部分, 其变化趋势与总有机碳相似, 均呈下降趋势, 至堆肥结束, 不同处理之间无显著差异；腐殖质碳含量呈先下降后上升的变化趋势, 生物炭添加量与腐殖质碳及组分含量呈反比, 与腐殖化指数呈正比, 且在整个堆肥过程中, 腐殖化指数呈递增趋势.

2) 随着堆肥的进行, 堆料中干物质失重率与碳素降解率均呈递增趋势；至堆肥结束时, 干物质失重率分别达到23.51%~30.91%, 碳素损失达到20.71%~28.85%.相对未添加生物炭堆肥, 3%和6%的生物炭添加量增加了堆肥过程14.67%和6.56%的碳素损失, 而9%的生物炭添加量减少了堆肥过程17.69%的碳素损失.