不同添加剂对好氧堆肥中氮素转化的影响

武美华; 律凤霞; 王德汉; 张胜男; 孙广辉; 付弘婷; 李苹; 黄建凤; 逄玉万

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0269

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中国农学通报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (36) : 77-86. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0269

资源·环境·生态·土壤

不同添加剂对好氧堆肥中氮素转化的影响

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Effects of Different Additives on Nitrogen Transformation in Aerobic Composting

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摘要

好氧堆肥是畜禽粪便资源化利用的重要手段，氮素的流失不仅造成环境污染还降低了堆肥产品质量，化学添加剂和生物菌剂是解决该问题的主要技术手段。本研究旨在探讨猪粪、蘑菇渣和过磷酸钙通过添加自研复合菌剂和改性生物炭进行好氧堆肥过程中氮素封存的效果及其机制。试验共设置3组处理：T₁：猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙，T₂：猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙+0.5%自研复合菌剂，T₃：猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙+0.5%自研复合菌剂+8%改性生物炭。结果表明：堆肥24 d结束后，3组处理的相关指标均满足有机肥腐熟标准。与T₁相比，T₂氨气排放量减少31.0%，有机质增加1.36%；T₃氨气排放量减少56.0%，有机质增加5.34%。在微生物群落演替过程中，T₂和T₃的群落丰度均高于T₁，且增加了放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)及大洋芽孢杆菌属(Oceanicbacillus)等丰度，其中大洋芽孢杆菌属具有较强的固氮作用。0.5%自研复合菌剂与8.0%改性生物炭联用在促进堆肥腐熟、减少氨气挥发、提高保氮能力和改善有机肥品质等方面效果最佳。

Abstract

Aerobic composting is an important means of livestock and poultry manure resource utilization, the loss of nitrogen not only causes environmental pollution but also reduces the quality of compost products, and chemical additives and biological fungicides are the main technical means to solve the problem. In this study, pig manure, mushroom slag and calcium superphosphate were used as raw materials, and self-developed composite fungicides and modified biochar were added to investigate the effect and mechanism of ammonium nitrogen sequestration in composting, with a view to reducing the loss of nitrogen. Three groups of treatments were set up in the experiment, including pig manure + mushroom slag + calcium superphosphate (T₁), pig manure + mushroom slag + calcium superphosphate + 0.5% self-researched composite fungicide (T₂), pig manure + mushroom slag + calcium superphosphate + 0.5% self-researched composite fungicide + 8% modified biochar (T₃). The results showed that at the end of 24 d of composting, the relevant indexes of the three groups of treatments met the standard of organic fertilizer decomposition. Compared with T₁, T₂ ammonia emission decreased by 31.0% and organic matter increased by 1.36%; T₃ ammonia emission decreased by 56.0% and organic matter increased by 5.34%. During the microbial community succession, the community abundance of T₂ and T₃ was higher than that of T₁, and the abundance of Actinobacteria, Proteobacteria and Oceanicbacillus was increased, among which Oceanicbacillus had strong nitrogen fixation. The combination of 0.5% self-developed composite bacillus and 8.0% modified biochar had the best effect in promoting compost maturation, reducing ammonia volatilization, improving nitrogen retention capacity and improving the quality of organic fertilizer.

导出引用

武美华 , 律凤霞 , 王德汉 , 张胜男 , 孙广辉 , 付弘婷 , 李苹 , 黄建凤 , 逄玉万. 不同添加剂对好氧堆肥中氮素转化的影响. 中国农学通报. 2024, 40(36): 77-86 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0269

WU Meihua , LV Fengxia , WANG Dehan , ZHANG Shengnan , Sun Guanghui , FU Hongting , LI Ping , HUANG Jianfeng , PANG Yuwan. Effects of Different Additives on Nitrogen Transformation in Aerobic Composting. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2024, 40(36): 77-86 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0269

0 引言

近年来，随着中国畜禽养殖业的集约化发展，畜禽养殖量和畜禽粪便不断增加^[1]。畜禽粪便处理不当不仅会引起氮、磷和钾等营养元素的流失，还对大气、土壤和水体等造成严重污染^[2]。好氧堆肥是畜禽粪便资源化利用的重要手段^[3]，是利用微生物的代谢作用将有机物转化为腐殖质的过程，具有无害化、减量化、资源化的特点^[4-5]。畜禽粪便堆肥中会产生大量的NH₃和N₂O排放到空气中^[6]，同时氮素也会以硝态氮、亚硝态氮、铵态氮等形态流失^[7]，氮素的流失不仅污染环境还降低了有机肥品质^[8]。有研究表明，NH₃和N₂O的排放分别是初始总氮含量的16.11%~29.3%和0.41%~1.32%，占总氮损失的73.68%~92.91%和1.23%~4.16%^[9-10]，因此，减少氮素的流失是好氧堆肥中亟待解决的关键问题^[11]，多年来一直是该领域的研究热点。

在好氧堆肥过程中，微生物占有主导地位^[12]。徐春钰等^[13]研究发现，加入微生物菌剂可以有效延长堆体高温期且总氮损失率与对照组相比减少10.9%。生物炭具有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积^[14]，吸附能力强且价格低廉，常作为添加剂应用于堆肥过程中。在堆肥过程中添加镁盐或磷盐可以与释放NH₃结合形成磷酸铵镁结晶从而减少NH₃的挥发^[15]。杨佳等^[16]在羊粪堆肥过程中发现，加入生物炭、NH₃、CH₄和N₂O排放量分别减少38.68%、14.26%和31.54%，加入菌剂NH₃排放降低18.41%，但N₂O排放量增加21.10%。将铵态氮转化为硝态氮以及有机氮封存，是好氧堆肥中氮素封存最有效的途径之一。前期有研究表明生物炭与脱硫镁渣可以提高固氮效果^[4,16]，而有关脱硫镁渣与生物炭混合使用对堆肥腐熟度及NH₃排放的效果还缺乏深入研究。本试验在其基础上将二者进行球磨改性，并以猪粪为研究对象，以自研复合菌剂耦合改性生物炭研究其改性效果，探究其对堆肥中氮素流失的影响，以期为好氧堆肥中氮素的转化提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

猪粪取自广东省农业科学院动物科学研究所，蘑菇渣取自韶关市星河食用菌公司，复合菌剂来自课题组，磷酸盐采用“云硫牌”过磷酸钙（标准品），生物炭的原料为桉树（热解温度为450^oC），脱硫镁渣来自滨州市火力发电厂。堆肥原料的主要理化性质见表1和表2。

表1 堆肥原料的主要理化性质

堆肥原料	含水率/%	pH	有机质/%	全氮/%	全磷/%	全钾/%
猪粪	66.94	7.17	47.48	2.80	3.05	4.58
蘑菇渣	26.42	8.08	57.65	1.967	2.54	1.47
生物炭	—	9.45	—	8.79	3.38	11.69

表2 脱硫镁渣的理化性质

	含水率/%	pH	MgSO₃/%	MgSO₄/%	Hg/(mg/kg)	As/(mg/kg)	Cd/(mg/kg)	Pb/(mg/kg)	Cr/(mg/kg)
脱硫镁渣	17.59	8.63	35.82	8.59	0.019	1.17	—	4.76	7.08

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验于2023年4—5月在广东省农业科学院堆肥实验室进行，采用密闭式堆肥反应器DFQ80（图1），容积60 L。设置3个处理（表3），分别为T₁：猪粪(12.5 kg)+蘑菇渣(25 kg)+过磷酸钙(500 g)（猪粪:蘑菇渣=1:2），T₂：猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙+0.5%自研复合菌剂，T₃：猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙+0.5%自研复合菌剂+8.0 %改性生物炭（生物炭与脱硫镁渣1:1球磨，其pH 8.62），调节初始含水率为60%（发酵期间未补充水分），C/N约为25~30:1，设置发酵罐1 h自动曝气5 min（排气量为120 L/min），堆体总质量为40 kg，进行好氧堆肥发酵，每次采样前打开发酵罐将堆体混合均匀后分别在第3、6、10、17、24天进行采样，将堆肥第3天和第24天样品进行了16sRNA测序，根据测序结果对堆肥中微生物群落多样性和丰富度进行分析。

图1 密闭式堆肥反应器DFQ80

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表3 不同处理的物料比

不同处理	物料比
T₁	猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙
T₂	猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙+0.5%自研复合菌剂
T₃	猪粪+蘑菇渣+过磷酸钙+0.5%自研复合菌剂+8.0%改性生物炭

1.2.2 采样与测定方法

采样方法：打开发酵罐，将堆体搅拌混匀后，在任一点取样，每取一次样后将堆体再次混匀，每个重复采集500 g。温度测定：发酵罐中自带温度传感器检测堆体温度，每天上午9:00左右记录堆体温度。pH测定：使用pH计(sartorius，PB-10)测定。EC值测定：使用电导率仪(Five Easy)测定。有机质测定、全氮测定：有机质采用重铬酸钾容量法、全氮采用H₂SO₄-H₂O₂消煮—凯式定氮法，具体操作按照NY525—2021^[17]进行测定。铵态氮测定：使用流动注射分析仪Futura，San⁺⁺测定。可溶性有机碳测定：使用elementar，enviroTOC测定。氨气测定：使用硼酸吸收法。16S rRNA基因检测：根据堆肥温度变化，每个处理挑选第3天和第24天的堆肥样品，委托百迈客生物科技（青岛）有限公司进行检测。

1.3 数据分析

试验数据使用Microsoft Excel 2019软件对数据进行处理，每组数据3个重复，并计算每组数据的平均值和标准误差(SE)，采用Microsoft Excel 2003绘图。

2 结果与分析

2.1 不同添加剂对堆肥发酵条件和腐熟程度的影响

2.1.1 不同添加剂对温度的影响

温度是评价堆肥腐熟程度的重要指标之一^[18]。在堆肥过程中，各处理温度变化均呈现为3个阶段：升温期、高温期以及降温期。如图2所示，各处理温度≥50℃累积时间为10~13 d，均满足腐熟要求^[19]。其中T₃升温速度最快，第2天就达到65℃，在50℃以上累计13 d；堆肥前期T₂温度略低于T₁，堆体温度在50℃以上维持12 d，较T₁多2 d。表明加入自研复合菌剂、自研复合菌剂与改性生物炭联用都能有效提高堆体温度，并延长高温期以利于腐熟。

图2 堆肥过程中温度的变化

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2.1.2 不同添加剂对pH的影响

堆肥过程中pH不仅影响微生物活动，还会影响温室气体的排放^[20]。如图3所示，对照组及添加复合菌剂和改性生物炭的2个处理，pH先升高后趋于稳定。堆肥前期，T₁、T₂的pH较低，随着堆肥反应的进行，pH逐渐升高，第17天时pH略有降低，随后又小幅度增加。T₃的初始pH显著高于T₁、T₂，应是改性生物炭提高了堆体的初始pH。第17天时，T₂、T₃的pH略有降低可能是加入的微生物菌剂促进了微生物的代谢活动使有机酸大量分解，致使pH降低；随着反应的进行pH变化趋于平缓，第24天时pH略有增加。堆肥结束时，各处理分别为pH 7.80、7.75、7.62。说明加入的复合菌剂和改性生物炭能在一定程度上降低pH。

图3 堆肥过程中pH的变化

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2.1.3 不同添加剂对EC值的影响

EC值是表征堆肥盐度的重要指标，盐分含量较高会影响植物生长^[21]。如图4所示，堆肥初期各处理的EC值分别为4.50、4.71、4.34 mS/cm。T₁、T₂的变化趋势一致均逐渐下降，在17 d时变化趋于平稳。T₃整体呈现上升—下降—上升的趋势，堆肥前期EC值增加可能是由于微生物分解大量的有机物促使无机盐类物质含量增加，导致EC值升高。随着反应的不断进行，矿物盐沉淀^[22]导致EC值含量下降；堆肥结束时，EC值含量增加可能是有机物矿化和NH₄⁺等离子释放导致的^[23]。

图4 堆肥过程中EC的变化

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2.1.4 不同添加剂对水溶性有机碳(DOC)的影响

DOC主要成分是糖类、氨基酸等低分子量物质^[24]，作为碳源极易被微生物分解利用。如图5所示，3组处理的DOC均呈现先升后降趋势，且在第6天时DOC含量最高，含量分别为25.12、30.83、18.50 g/kg；堆肥前期，由于嗜热微生物大量繁殖，使固体聚合物分解导致DOC含量增加。随着反应进行，大部分DOC被微生物作为碳源分解利用导致其含量降低；堆肥结束时DOC含量分别为11.85、11.86、10.24 g/kg，其中自研复合菌剂与改性生物炭联用处理的DOC含量减少，可能是微生物菌剂与改性生物炭提高了微生物的代谢速率，促进了DOC的分解。

图5 堆肥过程中可溶性有机碳的变化

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2.1.5 不同添加剂对有机质(OM)的影响

有机质质量分数的高低是评价堆肥效果的重要指标^[25]。研究表明，有机质可以作为碳源被微生物利用的同时产生CO₂、CH₄等气体^[26]，其分解速率及堆体温度与微生物的生命活动息息相关^[27-28]。如图6所示，有机质整体呈现先升后降的趋势，第6天时有机质含量最高分别为56.35%、57.50%、60.40%。堆肥前期由于T₁、T₂温度较低，微生物代谢不活跃所以有机质含量增加，T₃可能是加入的改性生物炭减少了有机酸等分解和CO₂挥发，使有机质含量增加^[29]。随着堆肥反应的进行，大分子物质如纤维素、木质素等被嗜热微生物分解利用导致有机质含量降低。堆肥结束时，3个处理的有机质含量分别为49.09%、49.76%、51.71%。与T₁相比，T₂、T₃分别增加了1.36%和5.34%，表明加入自研复合菌剂和改性生物炭可以增加堆体中有机质含量，提高堆肥成品质量。

图6 堆肥过程中有机质的变化

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2.1.6 不同添加剂对NH₃排放的影响

堆肥过程中温度、pH等指标变化会影响NH₃等气体排放，通常在高温期NH₃的排放量最高，若堆体偏酸会促进NH₃-N向NH₄⁺-N转化，从而减少NH₃的释放^[30-31]。如图7所示，各处理NH₃排放呈现下降—上升—下降—上升趋势。堆肥前期，T₂和T₃的NH₃含量降低，可能是堆体初始pH偏酸性，NH₃的排放量降低，由于T₃的初始pH较高，其NH₃的排放量显著高于其他2个处理；随着反应的进行pH不断升高，第10天时NH₃的排放量达到最高。中温条件下有利于硝化细菌的生长，硝化作用增强^[32]，在有氧条件下，能够使更多的铵态氮转化为硝态氮，使NH₃含量降低。在第17天经过翻堆采样后，堆体的温度升高，导致NH₃的释放量增加。堆肥结束时，3个处理第24天的NH₃排放量分别为125.27、86.79、54.58 mg/m³，与T₁相比，T₂、T₃的NH₃排放量分别减少31.0%、56.0%。

图7 堆肥过程中氨气排放量的变化

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2.1.7 不同添加剂对铵态氮(NH₄⁺-N)的影响

铵态氮和硝态氮是评价堆肥腐熟度指标之一^[33]，温度、微生物活性以及发酵条件等对铵态氮和硝态氮的变化均有一定影响^[34]，而铵态氮含量也会进一步影响NH₃等气体的排放。由图8可知，各处理铵态氮含量均呈现先升后降趋势，第6天时铵态氮含量最高，分别为1.88、1.56、2.68 g/kg。由于高温期氨化细菌活跃，氨化作用增强导致铵态氮含量升高，随着反应的进行铵态氮含量逐渐降低，硝化细菌的代谢活动较旺盛，促进了硝化反应有关，从而导致铵态氮含量降低^[35]。堆肥结束时，铵态氮含量分别为0.56、0.60、0.62 g/kg。与T₁相比，T₂、T₃分别增加了7.22%和11.56%。

图8 堆肥过程中铵态氮的变化

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2.1.8 不同添加剂对总氮(TN)的影响

在堆肥过程中有机氮是固相中总氮的主要形式，NH₃的挥发是氮素损失的主要原因^[36]。如图9所示，各处理的总氮整体呈现降低—升高—降低趋势。堆肥前期温度升高，NH₃释放量增加，导致总氮含量降低。T₃的NH₃挥发量最大，因此其总氮含量下降最多。随着堆肥反应的进行，NH₃的释放量减少，总氮含量升高。T₃中加入了改性生物炭，增加了对挥发性气体的吸附能力所以总氮上升的速度最快。在第17 d进行翻堆采样，导致NH₃释放量增大、总氮含量再次降低。堆肥结束时，3组处理的总氮含量分别为2.59%、2.63%、2.71%，与T₁相比，T₂、T₃分别增加了1.54%、4.63%，说明加入自研复合菌剂与改性生物炭能够有效减少氨气挥发，总氮含量增加。本研究中总氮的增加量与铵态氮的增加量和氨气释放量稍有差异，可能是在堆肥过程中，氮素以其它含氮气体形式挥发进而导致总氮的增加量较低，该方面有待进一步研究。

图9 堆肥过程中总氮含量的变化

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2.2 不同添加剂对堆肥微生物群落变化的影响

2.2.1 不同添加剂在不同水平下对微生物群落的影响

好氧堆肥是在微生物群落的驱动下发生的一系列复杂的生化反应^[37]。如图10所示，堆肥初期各处理在门水平上，厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Protebacteria)为优势菌门分别占比为95.20%、69.50%、89.10%和2.78%、17.50%、7.11%，其中T₂拟杆菌门(Bacteroidota)和放线菌门(Actinobacteria)丰富度较高分别占17.5%和6.27%，T₃放线菌门所占比例为3.11%；有研究表明，放线菌门在降解纤维素和半纤维素等过程中发挥重要作用^[38]。厚壁菌门与NH₃、CH₄等变化呈正相关且可降解纤维素和蛋白质等物质^[39-40]；堆肥初期厚壁菌门丰富度较高，分解大量的纤维素的蛋白质，导致总氮等含量降低，氨气的释放量增加；随着堆肥反应的进行，厚壁菌门丰富度降低，而变形菌门和拟杆菌门丰富度增加成为主要的优势菌门。变形菌门对有机质的降解有着重要作用^[41]，所以有机质含量降低。说明加入自研复合菌剂与自研复合菌剂与改性生物炭联用会提高微生物群落丰度，使变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)、盐厌氧菌门(Halanaerobiaeota)、黏菌门(Myxococcota)等丰度增加，厚壁菌门丰度降低，对减少氨气挥发有重要作用。

图10 堆肥过程中细菌在门水平的变化

AT₁、AT₂、AT₃分别代表堆肥第1次采样的T₁、T₂、T₃，LT₁、LT₂、LT₃分别代表堆肥第5次采样的T₁、T₂、T₃。下同

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微生物群落在属水平的演变情况如图11所示，在堆肥初期，T₁的优势菌属为嗜冷芽孢杆菌属(Psychrobacillus，54.40%)、芽孢八叠球菌属(Sporosarcina，11.81%)；T₂的优势菌属为嗜冷芽孢杆菌属(48.18%)、大洋芽孢杆菌属(Oceanobacillus，4.62%)；T₃的优势菌属为嗜冷芽孢杆菌属(17.07%)、大洋芽孢杆菌属(18.46%)、芽孢八叠球菌属(13.71%)、芽孢杆菌属(Bacillus，9.99%)。随着堆肥反应的进行，T₁的优势菌属为莫黑杆菌(Moheibacter，27.48%)、极小单胞菌属(Pusillimonas，13.16%)；T₂的优势菌属为莫黑杆菌属(28.06%)、极小单胞菌属(10.24%)、德库菌属(Desemzia，14.12%)；T₃的优势菌属为黄杆菌属(Flavobacterium，18.95%)、极小单胞菌属(8.50%)、莫黑杆菌属(6.59%)、unclassified_Fodinicurvataceae(7.71%)。可能是自研复合菌剂与改性生物炭的加入对大洋芽孢杆菌属和极小单胞菌属等丰度产生了影响。

图11 堆肥过程中细菌在属水平的变化

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2.2.2 微生物群落结构与环境因子的相关性

为进一步探究堆肥过程中微生物群落结构与环境因子（Tem、pH、EC、OM、DOC、NH₃、NH₄⁺-N和TN）的相关性，选取相对丰度前20的细菌属，进行Spearman相关热图分析。如图12所示，德库菌属、unclassified-Methylococcaceae、unclassified-Fodinicurvataceae与pH和NH₃浓度呈显著正相关，马杜拉放线菌属(Actinomadura)、黄杆菌属、unclassified-Longimicrobiaceae、类香味菌(Myroides)、莫黑杆菌、极小单胞菌属与pH呈显著正相关，与OM、DOC、Tem和NH₄⁺-N呈显著负相关。棒杆菌属(Corynebacterium)、嗜冷芽孢杆菌属与NH₄⁺-N和TN呈显著正相关，而嗜冷芽孢杆菌属与NH₃呈显著负相关。芽孢八叠球菌属、大洋芽孢杆菌属与OM、DOC、Tem和NH₄⁺-N呈显著正相关，与pH呈显著负相关。

图12 Spearman相关热图

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3 结论

（1）自研复合菌剂及与改性生物炭联用与对照组相比均可有效延长堆体高温期2~3 d，三组处理均满足堆体腐熟标准。

（2）自研复合菌剂及与改性生物炭联用与对照组相比能在一定程度上降低堆体pH，有机质含量分别提高了1.36%和5.34%。

（3）堆肥结束时，自研复合菌剂及与改性生物炭联用与对照组相比，氨气释放量分别减少了31%和56%，铵态氮含量分别增加了7.22%、11.56%，总氮含量分别增加了1.54%、4.63%。说明添加剂的使用可减少氨气挥发，增加总氮含量，在氮素封存过程中发挥着重要作用。

（4）在全堆肥周期，厚壁菌门、极小单胞菌属丰度降低，放线菌门、变形菌门、大洋芽孢杆菌属以及芽孢杆菌属的丰度升高，说明自研复合菌剂及与改性生物炭联用能够提高微生物群落丰度，促进芽孢杆菌属、大洋芽孢杆菌属、极小单胞菌属和黄杆菌属等有益微生物生长繁殖，在氮素的转化过程中发挥重要作用。

4 讨论

4.1 不同添加剂对堆肥发酵条件和腐熟程度的影响

堆肥发酵过程中温度、pH和EC值等是影响发酵和堆肥腐熟的重要参数。本研究结果表明，与T₁相比，T₂、T₃均可有效延长堆肥高温期时间，且均已达到腐熟标准，其中T₃延长堆肥高温期效果最佳。白志高等^[42]研究表明，在堆肥中加入EM菌剂可延长高温时间，促进堆肥腐熟。可能是加入的自研复合菌剂与改性生物炭使堆体中微生物代谢活跃，分解有机质的同时释放热量导致高温时间延长。pH不仅影响堆肥腐熟还对氮素转化等有着重要影响^[35]。本研究结果表明，堆肥结束后T₂、T₃的pH显著低于T₁，其中T₃效果最佳。堆肥前期T₃的pH较高可能是因为加入了改性生物炭提高了堆体初始pH，但由于自研复合菌剂的加入促进了微生物的活动，使有机酸被分解利用，所以pH逐渐升高。有机质的变化在一定程度上反映了堆肥反应的进程^[43]。本研究表明，有机质和DOC均呈现先升后降的趋势，有机质含量T₃>T₂>T₁，DOC含量T₂>T₁>T₃。研究发现，加入微生物菌剂和生物炭能促进微生物的代谢，加快堆肥反应进程^[29,44]，本研究与前人相似。

4.2 不同添加剂对堆肥氮素转化的影响

堆肥过程中氮转化是一系列生化反应的结果，其包括氨挥发、氨化、硝化和反硝化等^[45]。氮素的损失主要是有机氮的矿化、氨挥发和硝态氮的反硝化引起的^[46]。影响NH₃排放的主要原因有温度、pH和铵态氮浓度等。本研究结果表明，堆肥结束时，与T₁相比，T₂、T₃的NH₃排放量分别减少31.0%、56.0%。于静等^[47]研究发现，微生物菌剂的施用可以降低pH，减缓氨化反应，进而减少NH₃的释放。KHAN等^[48]研究发现，生物炭丰富的孔隙结构对NH₄⁺以及NH₃有较强的吸附作用，可有效减少NH₃的释放。总氮是评价堆肥养分含量的重要指标，氮素转化主要包括氮素的固定和释放^[49]。堆肥结束时，与T₁相比，T₂、T₃的总氮含量分别增加了了1.54%、4.63%。有研究表明，生物炭在吸收NH₃和NH₄⁺的同时，还能够调节微生物活性，提高氮素的固定率，从而达到保氮效果^[50]，本研究与前人相似。张晟国等^[51]研究发现，在堆肥过程中，复合菌剂参与调节氮的代谢，可以促进铵态氮向硝态氮转化或吸附铵态氮，减少NH₃的产生，增加氮的固定和储存。说明加入复合菌剂与改性生物炭，能够降低pH、减少NH₃的释放使总氮含量增加。

4.3 不同添加剂对堆肥微生物群落的影响

微生物群落是影响堆肥腐熟的重要因素^[52]，氮素的转化主要由变形菌门、厚壁菌门和放线菌门等微生物驱动^[53]。本研究结果表明，堆肥初期厚壁菌门和放线菌门为主要的优势菌门，堆肥结束后，厚壁菌门丰富度降低，变形菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门等丰度增加，成为主要的优势菌门，与欧蓓等^[54]研究结果相似；在属水平下，堆肥初期嗜冷芽孢杆菌属、芽孢八叠球菌属，大洋芽孢杆菌属、芽孢杆菌属为主要的优势菌属，堆肥结束后，莫黑杆菌属、极小单胞菌属、黄杆菌属、德库菌属等丰度增加；有研究表明，拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门对纤维素、木质素等有较强的降解作用^[55]，芽孢杆菌可以促进木质素的降解，大洋芽孢杆菌属具有固氮能力，极小单胞菌属、黄杆菌属可以促进堆体的反硝化作用^{[56⇓⇓-59]}。说明加入自研复合菌剂与改性生物炭可以提高大洋芽孢杆菌属丰度，增强了对堆体中氮素的固定能力，所以在堆肥前期有机质和总氮等含量增加，而随着反应的进行，芽孢杆菌属和大洋芽孢杆菌属活性减弱，导致有机质含量降低，氨气释放量减弱。

综上所述，加入自研复合菌剂和自研复合菌剂与改性生物炭联用能够有效地增加微生物群落多样性，延长高温期促进堆体腐熟，可以有效减少堆肥过程中氨气的挥发，增加有机质、DOC和总氮含量，说明加入微生物菌剂与改性生物炭能够更好的减少堆肥中氮素损失，起到较好的保氮效果，对提高有机肥品质以及减少环境污染有着至关重要的作用。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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王孝芳, 万金鑫, 韦中, 等. 畜禽粪便堆肥过程中微生物群落演替[J]. 生物技术通报, 2022, 38(5):13-21.

https://doi.org/10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2022-0138

本文引用 [1] 摘要

为了满足日常肉蛋奶的需求,畜禽养殖业快速发展,与此同时产生的大量畜禽粪便亟需处理。堆肥作为一种高效、无害化、资源化的处理方式,被广泛应用于畜禽粪便的处理。畜禽粪便堆肥是通过微生物活动,将不稳定的有机物质分解转化合成为稳定的腐殖质的过程。了解微生物群落演替的基本规律,是发展堆肥新方法与理论的重要基础。论文梳理了畜禽粪便堆肥不同阶段中微生物群落结构和功能演替规律,总结了堆肥起始物料的特性（含水量、pH、C/N等）和人为活动（翻堆曝气、菌剂接种）对堆肥微生物群落演替的影响,比较了当前堆肥微生物群落的研究方法。提出了未来畜禽粪便堆肥研究值得重视的科学问题和研究方向,为指导未来的工作提供支持。

[2]	AWASTHI S K, KUMAR M, SARSAIYA S, et al. Multi-criteria research lines on livestock manure biorefinery development towards a circular economy: from the perspective of a life cycle assessment and business models strategies[J]. Clean. prod., 2022,341:130862. 本文引用 [1]

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[4]	逄玉万. 生物炭与功能微生物及镁渣在猪粪堆肥中除臭效果与机制研究[D]. 武汉: 华南农业大学, 2019. 本文引用 [2]

[5]	董丽艳, 朱军保, 虎海波. 碳氮比对芒果树剪枝堆肥的影响[J]. 南方农业学报, 2022, 53(10):2963-2970. 本文引用 [1]

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徐春钰, 张仕颖, 夏运生, 等. 2种微生物菌剂对蔬菜花卉秸秆高温堆肥过程中氮变化的影响[J]. 中国农学通报, 2016, 32(24):136-140.

https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb16030152

本文引用 [1] 摘要

为寻求蔬菜花卉秸秆简单、有效的利用方法，减少滇池流域农业面源污染。通过堆肥试验研究了蔬菜花卉秸秆接种微生物菌剂农冠和微元后，在翻堆和不翻堆2种处理方式下，高温堆肥过程中温度、全氮(T-N)、水溶性NH4-N和水溶性NO3--N含量随时间的变化规律。结果表明：不翻堆的3个处理由于缺氧，发酵速率低，短期内不易腐熟。翻堆处理中，纯物料对照样品升温过程缓慢，高温分解阶段持续时间短， T-N损失大，堆肥品质差；添加微生物菌剂农冠后，与纯物料对照相比，提前3天进入高温分解阶段，高温分解持续时间延长4天，T-N含量损失比对照低10.9%，水溶性NH4-N比对照降低24.7%，水溶性NO3--N则比对照增加14.0%；添加微生物菌剂微元后，与纯物料对照相比，提前5天进入高温分解阶段，高温分解持续时间延长6天，T-N含量损失比对照低24.1%，水溶性NH4-N比对照降低29.3%，水溶性NO3--N则比对照增加24.2%。接种微生物菌剂可促进水溶性NH4-N向水溶性NO3--N转化，降低堆肥容重，其中添加微元综合效果更理想。在翻堆条件下接种微生物菌剂微元可加快蔬菜花卉秸秆堆肥化进程，提高堆肥产品品质，且方法简单易行，适合在全流域进行广泛推广。

[14]

刘金灵, 张亚茹, 王宇光, 等. 生物炭对土壤微生物影响的研究进展[J]. 中国农学通报, 2023, 39(26):60-66.

https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0204

本文引用 [1] 摘要

生物炭的施用改变了土壤的理化性质，刺激了土壤微生物的活动，从而影响土壤质量和植物生长。通过研究生物炭对土壤微生物的影响，可以更好地理解生物炭与土壤以及植物之间的相互作用具有重要的意义。然而，生物炭对土壤特性的研究比较多，但对土壤微生物的研究比较少。本文主要从以下几个方面进行相关介绍：（1）生物炭施用对土壤理化性质的影响；（2）生物炭施用对土壤微生物生长的影响；（3）生物炭施用对土壤微生物群落多样性的影响；（4）生物炭施用对土壤微生物酶活性、微生物活性和生态功能的影响。主要论述了生物炭对土壤微生物的研究进展，并对其应用前景进行了预测，为中国农田生态系统的建设和发展奠定了基础。

[15]	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. 本文引用 [1]

[16]	杨佳, 王国英, 唐若兰, 等. 生物炭和菌剂对羊粪微好氧堆肥腐熟度和温室气体排放的影响[J]. 农业工程学报, 2022, 38(10):224-231. 本文引用 [2]

[17]	黄晓红, 顾黄辉, 许福涛. 浅析NY525-2012《有机肥料》技术指标标识方法的修订[J]. 上海蔬菜, 2015(5):21-23. 本文引用 [1]

[18]

时小可, 颉建明, 冯致, 等. 三种微生物菌剂对羊粪高温好氧堆肥的影响[J]. 中国农学通报, 2015, 31(2):45-48.

https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.2014-1614

本文引用 [1] 摘要

试验以羊粪为单一原料，添加三种不同类型的微生物菌剂，采用堆体高温好氧堆肥技术对羊粪堆体在腐熟过程中的温度、pH、EC值、种子发芽指数（GI）、全氮含量进行了研究。结果表明：添加微生物菌剂堆肥效果均优于对照（未添加任何菌剂），其中以甘肃省科学院生物所提供的微生物菌剂效果最佳；堆料升温快，堆肥1天后进入高温期，高温持续34天；堆肥结束时，堆料pH 7.56，种子发芽指数（GI）94.32%，EC值最小，全氮含量上升幅度最大，达到了堆肥质量安全标准。

[19]	王海候, 金梅娟, 徐军, 等. 生物质炭添加量对伊乐藻堆肥过程氮素损失的影响[J]. 农业工程学报, 2016, 32(19):234-240. 本文引用 [1]

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, JARVIS

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https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2006.03271.x

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17650210

本文引用 [1] 摘要

This study investigates changes in microbiological and physicochemical parameters during large-scale, thermophilic composting of a single batch of municipal organic waste. The inter-relationships between the microbial biomass and community structure as well as several physicochemical parameters and estimates of maturation were evaluated.Analyses of signature fatty acids with the phospholipid fatty acid and ester-linked methods showed that the total microbial biomass was highest during the early thermophilic phase. The contribution of signature 10Me fatty acids from Actinobacteria indicated a relatively constant proportion around 10% of the microbial community. However, analyses of the Actinobacteria species composition with a PCR-denaturing gradient gel electrophoresis approach targeting 16S rRNA genes demonstrated clear shifts in the community structure.This study demonstrates that compost quality, particularly maturity, is linked to the composition of the microbial community structure, but further studies in other full-scale systems are needed to validate the generality of these findings.The combination of signature lipid and nucleic acid-based analyses greatly expands the specificity and the scope for assessing the microbial community composition in composts. The results presented in this study give new information on how the development of the compost microbial community is connected to curing and maturation in the later stages of composting, and emphasizes the role of Actinobacteria in this respect.

[39]	ZHU P, LI Y, GAO Y, et al. Insight into the effect of nitrogen-rich substrates on the community structure and the co-occurrence network of thermophiles during lignocellulose-based composting[J]. Bioresour technol., 2021,319:124111. 本文引用 [1]

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基金

国家重点研发计划项目“功能菌耦合添加剂联调的堆肥促腐提质技术研究”(2023YFD1702200)

广东省乡村振兴战略专项资金“生猪粪污多元化处置及区域中央循环模式构建”(2023TS-3-3)

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摘要
Abstract
关键词
Key words
引用本文
0 引言
1 材料与方法
1.1 试验材料
表1 堆肥原料的主要理化性质
表2 脱硫镁渣的理化性质
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计
图1 密闭式堆肥反应器DFQ80
表3 不同处理的物料比
1.2.2 采样与测定方法
1.3 数据分析
2 结果与分析
2.1 不同添加剂对堆肥发酵条件和腐熟程度的影响
2.1.1 不同添加剂对温度的影响
图2 堆肥过程中温度的变化
2.1.2 不同添加剂对pH的影响
图3 堆肥过程中pH的变化
2.1.3 不同添加剂对EC值的影响
图4 堆肥过程中EC的变化
2.1.4 不同添加剂对水溶性有机碳(DOC)的影响
图5 堆肥过程中可溶性有机碳的变化
2.1.5 不同添加剂对有机质(OM)的影响
图6 堆肥过程中有机质的变化
2.1.6 不同添加剂对NH3排放的影响
图7 堆肥过程中氨气排放量的变化
2.1.7 不同添加剂对铵态氮(NH4+-N)的影响
图8 堆肥过程中铵态氮的变化
2.1.8 不同添加剂对总氮(TN)的影响
图9 堆肥过程中总氮含量的变化
2.2 不同添加剂对堆肥微生物群落变化的影响
2.2.1 不同添加剂在不同水平下对微生物群落的影响
图10 堆肥过程中细菌在门水平的变化
图11 堆肥过程中细菌在属水平的变化
2.2.2 微生物群落结构与环境因子的相关性
图12 Spearman相关热图
3 结论
4 讨论
4.1 不同添加剂对堆肥发酵条件和腐熟程度的影响
4.2 不同添加剂对堆肥氮素转化的影响
4.3 不同添加剂对堆肥微生物群落的影响
参考文献
基金

Received	Revised	Published
2024-04-16	2024-10-21	2024-12-25
Issue Date
2024-12-23

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摘要

Abstract

关键词

Key words

引用本文

0 引言

1 材料与方法

1.1 试验材料

表1 堆肥原料的主要理化性质

表2 脱硫镁渣的理化性质

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

图1 密闭式堆肥反应器DFQ80

表3 不同处理的物料比

1.2.2 采样与测定方法

1.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 不同添加剂对堆肥发酵条件和腐熟程度的影响

2.1.1 不同添加剂对温度的影响

图2 堆肥过程中温度的变化

2.1.2 不同添加剂对pH的影响

图3 堆肥过程中pH的变化

2.1.3 不同添加剂对EC值的影响

图4 堆肥过程中EC的变化

2.1.4 不同添加剂对水溶性有机碳(DOC)的影响

图5 堆肥过程中可溶性有机碳的变化

2.1.5 不同添加剂对有机质(OM)的影响

图6 堆肥过程中有机质的变化

2.1.6 不同添加剂对NH3排放的影响

图7 堆肥过程中氨气排放量的变化

2.1.7 不同添加剂对铵态氮(NH4+-N)的影响

图8 堆肥过程中铵态氮的变化

2.1.8 不同添加剂对总氮(TN)的影响

图9 堆肥过程中总氮含量的变化

2.2 不同添加剂对堆肥微生物群落变化的影响

2.2.1 不同添加剂在不同水平下对微生物群落的影响

图10 堆肥过程中细菌在门水平的变化

图11 堆肥过程中细菌在属水平的变化

2.2.2 微生物群落结构与环境因子的相关性

图12 Spearman相关热图

3 结论

4 讨论

4.1 不同添加剂对堆肥发酵条件和腐熟程度的影响

4.2 不同添加剂对堆肥氮素转化的影响

4.3 不同添加剂对堆肥微生物群落的影响

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参考文献

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脚注

基金

2.1.6 不同添加剂对NH₃排放的影响

2.1.7 不同添加剂对铵态氮(NH₄⁺-N)的影响