堆肥技术由于其相对简单的工艺和较低的成本被广泛应用于处理农业有机废弃物和市政有机垃圾。堆肥化处理后，有机废弃物被转化为稳定的、富含腐殖质的有机肥，实现了有机废弃物的循环利用^[1].但是堆肥化过程中排放的氨气（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）、甲烷（CH₄）等气体，不但造成氮等营养物质的流失，还产生二次污染，影响堆肥技术更广泛的应用。研究表明堆肥化过程中9.6%~46%的初始总氮以NH₃形式挥发，占堆肥过程中总氮损失的79%~94%^{[2, 3, 4]}.由于硝化和反硝化作用，堆肥初始总氮的0.1%~9.9%将以N₂O损失^{[2, 4, 5]}.CH₄的产生在堆肥化过程中不可避免，在良好的生产工艺条件下，CH₄损失占堆肥总有机碳的0.01%~0.02%^[6],而当厌氧严重时CH₄的排放可达总有机碳的12.4%^[5].CH₄和N₂O均是重要的温室气体（GHG）,其100年的增温潜势分别是等摩尔量二氧化碳的25倍和298倍^[7].此外，N₂O还是重要的臭氧层破坏气体^[8].NH₃也可在大气中部分转化为N₂O,造成间接温室效应，转化后NH₃的100年增温潜势分别是等摩尔量二氧化碳的3.86倍^[9].目前针对堆肥化过程中NH₃和GHG减排的研究很多，例如物理吸附、化学沉淀、添加微生物等^{[9, 10]},但普遍存在成本高、生产操作繁琐等缺点，因此在我国并没有被大量推广。

腐熟堆肥在国内外被广泛地作为生物滤池填料和填埋场覆盖材料使用^{[11, 12]}.Barlaz 等利用庭院垃圾堆肥作为填埋场覆盖层材料时发现，该覆盖层的CH₄氧化率约为55%,高于土壤覆盖层的21%^[13].有研究表明，向堆肥中添加亚硝酸盐硝化菌后堆肥的N₂O排放率显着降低，堆肥中的硝酸盐含量迅速增加^[14].堆肥腐熟后将进行筛分，筛下细颗粒作为商品有机肥进入市场销售，而筛上物往往被作为废弃物进行填埋或者焚烧。腐熟堆肥的筛上粗颗粒质地松软、结构疏松、有较强的吸附能力，在含水量变化较大时仍能保持一定的孔隙度，利于覆盖层的气体扩散，同时含有大量微生物如甲烷氧化菌、硝化细菌等。因此，利用腐熟堆肥筛上粗颗粒减少堆肥化过程NH₃和GHG排放不但理论可行，而且成本低，充分实现了废弃物的再利用，具有重要意义。本文以猪粪和玉米秸秆为原料，研究条垛式堆肥过程中添加腐熟堆肥筛上粗颗粒（以下简称粗颗粒）对GHG排放及腐熟度的影响，为减轻堆肥化过程中的二次污染提供理论支持。 1 材料与方法 1.1 材料与设备 试验所用猪粪取自北京市海淀区苏家坨养猪场，该养猪场采用干清粪模式。玉米秸秆取自中国农业大学上庄试验站，玉米秸秆自然风干后被粉碎为3 cm左右的小段，其基本性状见表 1.腐熟堆肥粗颗粒的生产工艺与本研究相同，翻堆频率为每周1次，发酵70 d.本次选用的粗颗粒粒径>1 cm,亚硝酸盐氧化菌的含量为1×10⁶ MPN·g^-1 湿物质，其他性质见表 1。

表 1 初始物料性质 Table 1 Characters of raw materials for composting

表选项

堆肥在模拟发酵池中进行，其尺寸为1.04 m×0.8 m×1.4 m（长×宽×高）,体积为1.2 m³.发酵池整体为砖混结构，顶部为开放式。底部有带有通风小孔的强化塑胶板用于自然通风，小孔直径3 mm,其底部的孔面积为总面积的5%.发酵仓前部由7块可装卸木板组成，便于进出料和翻堆^[10].发酵池用于模拟条垛式堆肥氧气最为缺乏的中央部分。 1.2 试验设计与堆肥方法

试验共设计对照、混匀、覆盖以及先覆盖后混匀（简称覆混，下同）等4个处理，每个处理3个重复，如表 2所示。对照处理：直接使用堆肥原料堆肥。覆盖处理：在堆肥表层添加一层粗颗粒，每次翻堆时表层粗颗粒单独翻堆，翻堆后粗颗粒继续覆盖在堆肥表面。混匀处理：试验开始时将粗颗粒与堆肥原料即混合。覆混处理：在堆肥开始时添加一层粗颗粒（同覆盖处理）,但是在第一次翻堆时，将粗颗粒与堆肥物料混合均匀，覆混处理实际为覆盖处理和混匀处理的结合。研究表明，垃圾填埋场的CH₄氧化主要发生在覆盖材料表层的0~30 cm的范围内^{[15, 16]}.因此，各处理添加的粗颗粒厚度为30 cm,其重量约为初始堆肥物料总重的15%。

表 2 试验设计及处理方式 Table 2 Experimental design

表选项

堆肥采用自然通风方式，分别在第9、15、22、29、36、43、51、58 d翻堆，每次翻堆时取样200 g左右用于测量，堆肥周期为70 d. 1.3 测定和分析方法

在堆肥的前10 d,GHG、NH₃排放率，氧气（O₂）浓度每天测定1次，随后每周测定2~3次，并确保在翻堆前后均有测定。GHG和NH₃的排放率测定采用静态箱法^[17].试验时，用透明塑料箱（30 cm×20 cm×15 cm,长×宽×高）盖于堆肥表面，四周覆盖严实，分别在第0、5、10、20、30 min取样测定。气体浓度和时间之间服从二次多项式C=a+bx+cx²（C:温室气体浓度；x:时间）.每日测定分别在早晨（7:00-8:00）和傍晚（15:00-16:00）进行，二者取均值为该日的平均排放率。总排放量为每日排放量相加，未测定天的值为相邻两天的均值。CH₄和N₂O浓度用安装有火焰电离检测器（Flame ionization detector,FID）和电子捕获检测器（Electron capture detector,ECD）的气相色谱（北分，3420A）测定。NH₃浓度含量采用硼酸吸收法测定^[10].O₂含量由氧气测定仪（Umwelt Electronic CM-37,德国）直接测定，测定点位于堆体中心。温度由Testo温度自动记录仪在每天的23:00测定。总有机碳（TOC）和总氮（TN）由元素分析仪测定。氨氮（NH⁺₄-N）、硝态氮（NO^-₃-N）、pH值、发芽率指数（GI）的测定参见文献^[18].亚硝酸盐氧化菌的测定方法参见文献^[14].数据采用单因素方差分析（ANOVA）进行LSD-t检验，分析软件为SPSS 17。 2 试验结果与讨论 2.1 温度和氧气含量变化

如图 1所示，试验开始后由于堆肥物料的迅速分解产生大量热量导致所有处理的温度均迅速上升。各处理在60 ℃以上高温期均大于20 d,确保堆肥取得良好的无害化效果。第28 d以后，随着有机碳源的逐渐耗尽，温度开始下降。第50 d后，所有处理的温度均下降到室温，堆肥反应基本停滞。对照处理在第5周后温度又重新上升，其主要原因是，在本次翻堆后向堆体添加了适量的水分，堆体内的微生物在水分合适的条件下继续分解未被完全降解的原料。

图 1 堆肥温度和氧气变化曲线 Figure 1 Dynamics of temperature and oxygen concentrations of organic wastes during composting

图选项

同堆肥温度变化趋势相反，堆肥中心的O₂浓度在堆肥开始后迅速下降，到第3 d时，所有处理的O₂浓度均下降到3%以下。易降解物质的快速降解导致在前14 d所有处理的O₂浓度均保持在5%以下。第2次翻堆结束后，随着易降解物质逐渐耗尽，堆肥反应速率下降，O₂浓度开始逐渐上升，并在第3次翻堆后上升到10%以上。第一次翻堆结束后，混匀处理的氧气含量显着高于覆盖（P=0.000）和对照处理（P=0.016）.粗颗粒的添加有效地提高了堆肥的孔隙度，改善了堆体的供气条件，进而提高了堆体的氧气含量。 2.2 堆肥生物化学性质变化

虽然随着NH₃的大量挥发，堆肥氮素的总质量逐渐降低，但由于堆肥有机质降解的速率高于堆肥氮素损失的速率，各处理的TKN含量在整个堆肥过程中逐渐升高。覆盖降低了堆肥表面的气体挥发速率，降低氮素损失，因此到堆肥结束时覆盖处理的TKN含量高于对照处理。各处理的NH⁺₄-N含量动态变化规律基本一致（图 2）.堆肥开始后，由于尿素等易降解氮源的迅速分解，堆体中的NH⁺₄-N含量逐渐增加，并在第15~21 d时达到最大值。混匀处理的NH⁺₄-N含量最高峰出现比对照处理早6 d,其主要原因是粗颗粒混入堆肥后，提高了堆体的通气性能，加快了堆肥的降解速率。第21 d 后，随着尿素等易降解氮源的逐渐耗尽和NH₃的持续快速挥发，各处理的NH⁺₄-N开始逐渐下降，并在42 d后基本稳定。堆肥结束后，覆盖处理的氨氮含量显着高于对照处理（P=0.019）.该结果与使用土工布作为覆盖材料相类似，覆盖层不但降低了氨气的挥发速率，也延长了堆肥的氨化反应期，最终提高了覆盖处理的氨氮含量^[19]。

图 2 堆肥生物化学性质变化 Figure 2 Changes in chemical characteristics of organic wastes during composting

图选项

试验开始后，粗颗粒中含有大量的NO^-₃-N,导致混匀处理的初始NO^-₃-N含量比对照处理高。由于反硝化作用，所有处理的NO^-₃-N含量在堆肥开始后下降到非常低的水平（0.03~0.07 g·kg^-1干物质）.在第21 d以后，由于温度的下降，硝化反应开始逐渐增强；到堆肥第35 d以后，随着堆肥通气性能的逐渐改善，各处理的NO^-₃-N含量均逐渐上升。到堆肥结束时，混匀处理和覆混处理的NO^-₃-N含量显着高于对照处理（P=0.006）.粗颗粒与堆肥原料混匀后，将提高堆体的通气能力，进而促进堆肥的硝化反应。同时，粗颗粒中含有的亚硝酸盐氧化细菌也能减少NO^-₂-N含量，增加NO^-₃-N含量^[14].覆盖处理在堆肥初期，由于粗颗粒对堆体顶部气体交换的影响，导致堆体内氧气供应受阻，其NO^-₃-N含量较对照处理更低。

如图 2所示，堆肥开始后，堆肥的GI略有下降。其主要原因是堆肥初期厌氧条件下产生大量的低分子挥发性有机酸（主要是乙酸）^[1].研究表明，氨氮含量是影响GI的重要因素，两者显着负相关（R=-0.556,P =0.037）,NH⁺₄-N含量越高则GI越低。第22 d后，由于脂肪酸的分解和NH₃的大量挥发，GI开始迅速上升。到第42 d时，所有处理的GI均高于80%,堆肥基本腐熟。混匀处理的GI在第28 d时已超过80%.粗颗粒相对干燥的物理结构提高了堆体的通风性能，减少了其中厌氧区域，提高了NH₃的挥发率，堆体内的NH⁺₄-N含量降低，这些作用提高了混匀处理的GI。 2.3 氨气排放动态变化

如图 3所示，各处理的NH₃排放的动态变化基本一致：在堆肥开始后随着易降解有机物的迅速分解和温度的上升，NH₃排放也逐渐升高。在第14~28 d,所有处理的NH₃排放达到最大值，第28 d后随着可降解氮源的逐渐耗尽及温度的下降，NH₃排放迅速回落。覆盖处理的NH₃排放率显着低于对照处理（P=0.000）,其主要原因是粗颗粒对NH₃的吸附作用。有研究表明，在堆肥表层添加腐熟堆肥作为覆盖物后，堆肥系统出口空气的NH₃浓度由196 mg·m^-3下降至62 mg·m^{-3 [21]}.堆肥结束后，物料平衡分析结果显示（表 3）,覆盖处理的总氮损失显着高于NH₃排放量，其主要原因是堆肥产生的NH₃在表层被粗颗粒吸收。

图 3 氨气排放动态变化曲线 Figure 3 Dynamics of NH3 emissions in organic wastes during composting

图选项

表 3 碳氮平衡和总温室气体效应分析 Table 3 Nitrogen and carbon balance and total greenhouse gas emissions

表选项

同对照处理相比，混匀处理由于腐熟粗颗粒的混入，显着改善了堆肥通气条件，堆肥降解速率提高，因此在堆肥的前21 d,混匀处理的NH₃挥发率高于对照处理，并且其NH₃排放高峰也较对照处理提前1周。覆混处理的NH₃挥发在第一次翻堆前与覆盖处理相同，翻堆后与混匀处理相似，粗颗粒改善堆体的供氧条件，NH₃挥发迅速增加。覆混处理在堆肥腐熟期（第42 d后）仍有明显NH₃排放，其原因可能是粗颗粒及其吸附的氮素在堆肥腐熟期被解析、分解。 2.4 氧化亚氮排放动态变化

如图 4所示，各处理的N₂O排放在堆肥开始后逐步上升，在第8~10 d达到顶峰，并在第一次翻堆后迅速下降。这种排放规律同Yamulki^[6]的研究结论一致。在堆肥早期，由于表层的氧气含量较高、温度相对较低，为硝化反应提供了有利条件，堆肥表层的硝化反应是这一时期N₂O产生的主要因素^{[5, 17]}.在第一次翻堆前，覆混和覆盖处理的N₂O排放均低于对照处理。30 cm厚的粗颗粒覆盖层阻碍了堆肥表层的氧气交换，导致硝化反应速率减慢，是这一阶段覆混与覆盖处理N₂O排放降低的主要原因。混匀处理的N₂O排放第一次翻堆前，由于粗颗粒的添加改善了堆体的供氧条件，促进硝化反应并增加N₂O排放。

图 4 氧化亚氮排放动态变化曲线 Figure 4 Dynamics of N2O emissions in organic wastes during composting

图选项

第一次翻堆后，各处理N₂O的排放量迅速下降。其主要原因是表层的硝化细菌，翻堆后转移至堆肥内部，被高温和大量自由氨所抑制^[20].覆混和混匀处理在第一次翻堆后，N₂O排放迅速下降至非常低的水平，并且持续到试验结束，同Fukumoto等^[14]的研究结论一致。在该研究中，经过驯化处理的腐熟堆肥（亚硝酸盐氧化菌含量=1×107 MPN·g-1湿物质）在N₂O排放的高峰期被添加混入堆肥。结果表明，添加入腐熟堆肥后，堆肥的硝酸盐含量迅速增加、亚硝酸盐含量则迅速下降。亚硝酸盐氧化细菌降低了通过反硝化途径产生N₂O.到堆肥结束时，N₂O的总排放率由对照处理的88.5 g N-N₂O·kg^-1 TNinitial,下降到20.2 g N-N₂O·kg^-1 TN_initial.

与混匀处理不同的是，第一次翻堆后，覆盖处理的N₂O仍然维持在较高水平。这一时期由于高温和高氨氮含量，硝化反应被抑制；同时，硝酸盐含量也很低，反硝化反应也不能进行。但是有报道表明，由于氨气分子与CH₄分子结构类似，在高温条件下CH₄氧化菌能够实现对NH₃的氧化^[5].因此，这一时期的N₂O排放可能是由于甲烷氧化菌对NH₃的氧化形成的。该时期覆盖处理的CH₄排放显着低于对照处理（图 5）,也间接证明甲烷氧化菌的活跃。

图 5 甲烷排放动态变化曲线 Figure 5 Dynamics of CH4 emissions in organic wastes during composting

图选项

对照处理和覆盖处理在堆肥的后期，在翻堆后分别出现了2次排放的小高峰。这些小高峰出现的原因是氧化产生的硝酸盐和亚硝酸盐，翻堆后被转移至堆肥中央缺氧区域，反硝化产生N₂O^{[19, 22]}.数据分析结果显示覆混处理的N₂O排放显着低于对照处理（P=0.001）. 2.5 甲烷排放动态变化

如图 5所示，堆肥开始后各处理的CH₄排放随着堆肥温度的升高和堆体内O₂的缺乏而逐渐上升，并在第10~20 d时达到排放最大值。各处理的CH₄排放主要产生在堆肥高温期，与Jiang等^[3]和Szanto等^[5]的研究结论类似。在堆肥高温期氧气的消耗速率高于氧气的补充速率造成堆体内氧气缺乏，加上CO2的产生使堆体内迅速出现厌氧区域。这些条件不仅有利于CH₄的产生，也有利于CH₄的稳定^[17],因而该时期CH₄产生量较大。之后，随着易降解物质的逐渐耗尽，堆体内的O₂含量逐步升高，同时堆肥物料含水率逐渐下降，堆体内的厌氧情况得到极大改善，第28 d后CH₄的排放基本消失。

在堆肥第一次翻堆前，同对照处理相比，覆盖和覆混处理的CH₄排放率没有显着降低。其主要原因是覆盖材料的含水率偏高（35.1%）.Whalen 等的研究结果表明，CH₄氧化的最佳环境湿度为10%~20%,过高的湿度将降低CH₄的氧化速率，当湿度达到35%时，CH₄氧化速率极低^[23].岳波等的研究结果也表明，填埋场覆盖层的最佳含水率在25%左右^[16].土壤含水量的提高制约了空气在土壤中的传输，从而制约了CH₄的氧化，同时也抑制了其他各种微量气体的降解^[16].王云龙等认为在高湿度条件下，CH₄和氧气的扩散限制了CH₄的氧化，同时这种高湿度环境NH+4的积累也抑制了CH₄的氧化。随着堆肥的逐渐进行，在高温条件下，水分不断损失，腐熟堆肥的含水率逐渐下降，其氧化能力也逐渐增强^[24].

在第一次翻堆后，覆盖处理的CH₄排放率显着低于对照处理。尤其是在第15~21 d,覆盖处理的CH₄排放率仅为对照处理的20%.这表明覆盖层能够对排放的CH₄产生氧化作用。随着堆肥反应的进行，覆盖层的水分不断降低是CH₄氧化作用增强的主要原因。张相锋等的研究表明，纯堆肥几乎无CH₄氧化作用，而按1∶1与陶粒混合后其氧化能力显着增强^[25].该研究认为陶粒的添加改善了覆盖材料层内的气体传输性能，进而提高CH₄氧化效率。在该研究中，堆肥粒径偏小是造成纯堆肥材料CH₄氧化性能偏低的主要原因。数据分析结果显示，覆盖处理能显着降低CH₄排放（P=0.008）。

混匀和覆混处理的CH₄排放率在翻堆后也比对照处理低。其主要原因是混匀后堆肥物料的孔隙度提高，堆肥体内含水率下降，供氧条件得到提高，厌氧区域减少，进而导致CH₄排放降低。杨帆等向厨余垃圾堆肥中添加菌糠（15%~35%）也取得了类似的效果，CH₄排放率下降27%~65%^[26]. 2.6 总温室效应分析与讨论

堆肥化过程产生温室气体排放中CO₂排放的绝对量最大，但由于堆肥原料均为植物源，通过光合作用利用CO₂形成。从光合作用形成到堆肥过程排放，这是个闭合的周期，大气中的温室气体量没有变化，因此不予以计算^[27].

如表 3所示，试验结束后覆盖处理的总温室气体排放下降30.6%,其中CH₄和N₂O排放量分别下降67.4%和37.3%.与混匀处理不同的是，覆盖处理的N₂O减排主要发生在堆肥的升温期。覆盖材料阻碍了堆肥表层的O2供给速率进而减少了硝化反应产生的N₂O.混匀处理在试验结束后，总温室气体排放率降低了35.2%,其中减排效率最高的为CH₄（41.8%）.覆混的总温室气体排放量与对照相比下降58.1%,覆混处理的减排主要来源于N₂O,与对照处理相比其N₂O排放总量下降74%.粗颗粒中含有的亚硝酸盐氧化菌在翻堆后与堆肥物料混合后，堆肥物料中的亚硝酸盐被进一步氧化，最终导致腐熟期反硝化产生N₂O的途径受抑制^[14].罗一鸣等研究表明，添加5%的过磷酸钙可降低总温室气体31.3%,其中CH₄和N₂O排放量分别下降62.5%和22.2%^[10].与该研究相比，覆混处理的CH₄减排率较低，而N₂O的减排率更高，总温室气体减排率提高26.8%.因此，堆肥化过程中利用腐熟堆肥粗颗粒可以替代过磷酸钙进行温室气体减排，且成本更低。

在实际生产中，腐熟堆肥中的粗颗粒由于在后续的造粒或者包装过程不便，会被筛分出来，不会被直接作为商品销售，将这部分粗颗粒物作为腐熟材料添加到堆肥中其成本极低。同时，大颗粒腐熟堆肥对CH₄氧化效果比细颗粒效果更好^[25].因此，利用腐熟堆肥粗颗粒，通过覆混方式处理，既能在堆肥初期发挥覆盖材料的吸附能力，又能在堆肥腐熟期抑制N₂O的产生，温室气体减排效果最佳。覆混处理方式操作方便，还能提高最终堆肥产品的腐熟度，可以在现实生产中推广应用。 3 结论

（1）腐熟堆肥大颗粒覆盖在堆肥表面，能显着降低堆肥化过程中氨气的排放。同时，也能在堆肥的中后期，在温度和湿度均适合时，氧化CH₄,降低CH₄排放率。

（2）粗颗粒中含有大量亚硝酸盐氧化菌，混匀后能促使亚硝酸盐向硝酸盐的转化，降低反硝化途径产生N₂O。

（3）粗颗粒肥同堆肥原料混匀后能够有效地改善堆肥的物理结构，提高堆体的通气性能，并最终提高堆肥产品的腐熟度。

（4）粗颗粒（粒径≥10 mm）在堆肥开始时覆盖在堆肥表面，翻堆后与堆肥原始物料混合的处理方式可以显着降低堆肥化过程中GHG的排放，减少氮素损失。该方式操作简单，成本低廉，可以在实际生产中推广。