近年来，随着畜牧养殖业集约化的迅速发展，产生了大量的畜禽粪便，据估算，2009年中国畜禽养殖业粪便排放总量为32.64亿t^[1]。畜禽粪便经堆肥处理既可达到减量化、无害化、稳定化，也可使其中的速效养分更利于植物吸收，提高作物的产量、改善作物的品质，是一种优质的有机肥^[2]。然而堆肥过程中常会释放出大量NH₃、H₂S等恶臭气体，同时造成堆肥中氮素养分的大量损失，从而使堆肥的农用价值降低^[3]。研究表明，由于堆肥过程中NH₃排放导致的氮素损失可达总氮损失的32.3%~50.0%^[4-5]。此外，堆肥过程中还会产生大量的温室气体（CH₄、N₂O），对环境造成污染^[6]。

生物质炭是生物质经低温限氧热裂解制成，因其具有丰富的孔隙度和比表面积等特性^[7]，作为一种新的添加剂在好氧堆肥中的应用也逐渐引起人们的关注。研究表明，猪粪堆肥过程中添加3%竹炭可显著加快堆体腐熟进程，显著降低NH₃的挥发，减少10%氮素损失，有利于氮素的保持^[8]。Chowdhury等^[9]研究发现，在鸡粪堆肥过程中通风和添加生物质炭均能减少NH₃的排放，与对照相比温室气体排放能够显著减少27%~32%。但目前有关添加生物质炭对猪粪堆肥腐熟过程中氮素转化、氨挥发以及温室气体排放等方面综合影响的研究还较少。因此，本研究通过在猪粪堆肥中添加生物质炭，研究生物质炭对猪粪堆肥腐熟过程中氮素保持及温室气体排放的影响，以期探讨降低堆肥过程中氨挥发损失及温室气体排放的有效途径。

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试猪粪采自南京市六合区农户散养猪舍。南京市六合区勤丰秸杆科技有限公司生产的水稻秸秆生物质炭，经炭化炉在450 ℃低温限氧条件下制备。水稻秸秆取自六合区当地农户，粉碎成5 cm左右备用。堆肥物料基本性质如表 1。

1.2 试验设计

试验设置4个处理：猪粪400 kg +秸秆50 kg（对照，B0），猪粪400 kg +秸秆50 kg +5%（质量比，下同）生物质炭（B1），猪粪400 kg +秸秆50 kg +10%生物质炭（B2），猪粪400 kg +秸秆50 kg+15%生物质炭（B3）。将各处理堆肥物料混合均匀，调节含水率为65%。

堆肥试验于2016年3月至4月在室外常温下进行。每个处理设置三个堆体，随机排列，堆体长宽高分别为1.5 m×1.0 m×0.8 m，相邻堆体间距离为0.5 m。堆肥期间采用人工翻堆，每3~4 d翻堆一次。翻堆时加入适量的水，使堆体的含水量维持在65%。

1.3 堆肥样品采集及指标测定

堆肥样品在每次翻堆后采集，每堆体各选取三个平行点进行混合样品采集^[8]。每个样品分两份：一份装入无菌塑料袋中储存在4 ℃冰箱中，用于pH、电导率（EC）、可溶性有机碳（DOC）、铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）等指标的测定；另一份自然风干，粉碎并过80目筛，用于全碳（TC）、全氮（TN）和粗灰分等指标的测定。

温度：采用0~100 ℃的玻璃棒式温度计，将温度计从堆体侧面高40 cm处中间水平插入堆体中部，插入深度为30 cm，测定堆体中部温度。温度测定固定在上午10：00。

pH值和电导率：固液比1:10（鲜质量:体积），用蒸馏水浸提鲜样，静置0.5 h，然后分别用S-3C型pH计测悬液pH值，用DDS-11A型电导率仪测定EC值。

NH₄⁺-N和NO₃^--N：固液比1:10（鲜质量:体积），新鲜堆肥样品加入2 mol·L^-1 KCl，振荡1 h后过滤，用流动分析仪测定滤液中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量。

1.4 堆肥气体监测

氨挥发采用李冰的方法^[10]进行测定，将装有20 mL硼酸吸收液（浓度为20 g·L^-1）的100 mL小烧杯放在堆体表面，用已知截面积的2000 mL烧杯将硼酸吸收瓶盖住，烧杯口周围用堆肥密封，收集烧杯覆盖范围挥发的NH₃，待硼酸变蓝，取出用0.2 mol·L^-1硫酸滴定，并记录吸收时间，计算氨挥发速率。

堆肥过程中温室气体（CH₄、N₂O、CO₂）的排放采用静态暗箱-气相色谱法^[11]测定。采样箱的规格为35 cm×35 cm×23 cm。每隔3 d采集一次，温室气体采样在翻堆前进行，采气时间在上午8：00—10：00，在采集气样的同时记录采集箱内的温度。气体样品带回实验室，用安捷伦气相色谱仪（Agilent7890A）测定。

1.5 数据处理与统计分析

试验数据的整理和图表的制作采用Microsoft Excel 2013进行。不同处理间差异及相关性分析采用SPSS 18.0进行，以LSD法进行显著性检验（P＜0.05）。测定结果均以平均值±标准差的形式表示。

2 结果与分析 2.1 生物质炭对堆肥堆体特性的影响 2.1.1 生物质炭对堆体温度的影响

堆肥过程中堆体温度变化如图 1所示。B1和B2处理的升温期、高温期和降温期分别为第1~6 d、7~13 d和14~25 d，B3处理在第5 d进入高温期，而B0处理的三个时期依次为第1~9 d、10~15 d和16~25 d。生物质炭处理的堆体温度在第7~13 d内均保持在50~54 ℃，其中B3处理的堆体温度在升温期升温速度较快，在第7 d时升到50 ℃，且在第11 d达到最高温度55 ℃，B1、B2处理的堆体在第10 d时达到50 ℃，最高温度均达到52 ℃。而B0处理在第5 d时升到41 ℃，第11 d时升到最高温度49 ℃。生物质炭处理与对照相比，提前3~5 d进入高温期，显著加快了堆肥进程。

2.1.2 生物质炭对堆肥理化性质的影响

堆体pH、EC、DOC、TC、TN的变化见表 2。与堆肥初期相比，B0、B1、B2、B3的pH分别增加12.3%、5.7%、8.1%、6.3%。添加生物质炭能够相对降低堆体pH值增幅。试验后期，所有处理的pH值均保持在9.0以下，符合腐熟堆肥pH值应在8.0~9.0之间的标准，达到堆肥腐熟要求^[12]。在堆肥初期，堆体中可溶性盐分含量较高，经过高温腐熟后各堆体的EC值均大幅下降，添加生物质炭处理的堆体与对照相比差异不显著。

堆肥初期，与对照相比添加生物质炭堆体中DOC含量显著降低23.3%~52.0%，而且随添加比例的提高，DOC含量逐渐降低。在堆肥结束后添加生物质炭的堆体DOC比对照显著降低16.9%~21.3%，而各生物质炭处理间没有显著差异。添加生物质炭后，堆体的TN含量也有所降低，但差异不显著，与初始值相比，B0、B1、B2、B3分别减少13.6%、12.6%、9.9%、13.3%。

2.2 生物质炭对堆肥过程中氮素转化的影响 2.2.1 生物质炭对堆肥NH₄⁺-N、NO₃^--N含量的影响

堆肥过程中堆体NH₄⁺-N含量的动态变化见图 2。B1、B2、B3处理堆体的NH₄⁺-N含量呈上升趋势并在第3 d达到最高，分别为1 226.2、1 396.5、996.0 mg·kg^-1，随后迅速下降，最终趋于稳定。而B0处理NH₄⁺-N含量在堆肥的前一周内持续上升，在第7~11 d保持在1 546.8~1 610.0 mg·kg^-1范围内，随后逐渐下降并趋于稳定。在达到最高点时B0、B1、B2、B3处理的NH₄⁺-N含量分别比初始值提高48.6%、41.8%、51.9%、6.6%，生物质炭能够促进堆体NH₄⁺-N在堆肥中期的转化。

在堆体升温期，堆体的NO₃^--N含量没有显著变化。添加生物质炭处理在第7 d后堆体NO₃^--N含量开始迅速上升，在第20 d后到达最高点，而对照处理的堆体在第10 d以后才开始升高，同样在第20 d后达到最高点，添加生物质炭能够显著增加高温期堆体NO₃^--N含量。

2.2.2 生物质炭对堆肥过程中氨挥发的影响

图 3为堆肥过程中各处理堆体的氨挥发速率动态变化，堆肥前期氨挥发速率较小，随着堆体温度的升高，氨挥发速率逐渐加快，在高温期氨挥发速率达到最大，在腐熟阶段氨挥发速率逐渐降低。从表 3可看出，与对照相比，B2、B3能够显著降低升温期和高温期的氨挥发量，而B1处理影响不显著。与对照相比，B1、B2、B3处理氨挥发累计量分别减少23.1%、68.6%、78.4%，三个生物质炭处理的氨挥发累计量占全氮的比例分别比对照减少19.3%、72.5%、79.6%（表 3）。

2.3 生物质炭对堆肥过程中温室气体排放的影响

堆肥过程中堆体CH₄、N₂O、CO₂排放量的动态变化见图 4。在堆肥前10 d，B0堆体CH₄排放速率显著高于生物质炭处理，生物质炭处理呈现先下降后上升的趋势，所有处理均在第15 d到达最高。从表 4可看出，在升温期和高温期生物质炭处理的CH₄排放量平均较对照显著降低60.4%和27.9%。堆体的N₂O排放速率均呈现先上升后下降的趋势，生物质炭处理N₂O的排放量在升温期、中温期和高温期分别较对照显著降低84.3%~90.3%、47.6%~66.3%和28.9%~64.0%，但加炭处理间无差异。添加生物质炭在升温期能够显著降低堆肥CO₂排放量，在高温期与腐熟期B2处理能够显著降低CO₂排放量，B1、B3处理效果不显著。从温室气体排放总量来看，添加生物质炭可显著降低CH₄和N₂O排放总量的16.3%~23.5%和50.2%~70.7%，而CO₂的排放总量仅在B2处理中显著降低。

3 讨论 3.1 生物质炭对堆肥腐熟过程的影响

对好氧堆肥而言，堆体温度是判定堆肥腐熟程度的重要因素^[13]。本研究结果表明，生物质炭处理能够显著增加堆体的温度，加快堆体升温，与对照相比提前3~5 d进入高温期，缩短了堆肥周期（图 1）。李丽劼等^[8]研究发现，在猪粪堆肥过程中添加适量的竹炭有利于提高堆体温度，加快堆肥腐熟进程。pH值是堆肥腐熟的重要指标之一，能够影响堆体内微生物的生长繁殖，在一定程度上反映堆肥腐熟进程。本试验结果表明，在猪粪堆肥过程中堆体的pH值会显著增加，而生物质炭能够降低堆置过程中pH值的增加幅度。这可能是添加生物质炭后因其具有较强的吸附能力，能够有效地吸附堆体中的NH₄⁺-N，抑制NH₄⁺-N的溶解，阻止氢氧根离子的形成，从而有效地降低堆体pH值增加幅度^[14]。堆体的EC值作为植物生长的限制因素，是衡量堆肥能否农用的重要指标，添加生物质炭对堆体EC值没有显著影响，腐熟后堆体EC值均低于3 mS·cm^-1，一般地，堆体EC值不高于4.0 mS·cm^-1时，均不会对植物生长造成毒害或抑制效应^[15]。

3.2 生物质炭对堆肥过程中氮素转化的影响

畜禽粪便堆肥过程中氮素转化的作用主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和生物吸收固持作用^[16]。在堆肥过程中氮素有一定的损失，主要是由于有机氮的矿化和持续性氨的挥发以及硝态氮的反硝化，造成堆体氮素50%~68%的损失^[17]。本试验结果表明，添加15%生物质炭处理能够显著提高NH₄⁺-N在堆肥初期的积累，同时促进NH₄⁺-N在中后期的转化，显著增加高温期及腐熟期堆体NO₃^--N含量（图 2），与陶金沙等^[18]研究结果一致。生物质炭能够调节堆体的C/N、改善堆体的通气供氧能力，有利于促进堆体中的NH₄⁺-N转化为NO₃^--N；生物质炭的多孔性和巨大的比表面积能够为微生物的生长繁殖提供附着点，提高微生物活性，促进堆肥前期微生物分解有机碳、氮化合物^[19]。黄向东等^[20]在猪粪堆肥过程中添加竹炭增加了堆肥NH₄⁺-N、NO₃^--N及TN含量，使氮素固定率提高28.3%~65.4%。Hua等^[21]和Prost等^[22]研究发现，生物质炭表面含有丰富的羧基和酚羟基等酸性官能团，这些酸性官能团能通过离子键与堆体中的NH₄⁺紧密结合，并促使NH₄⁺-N向其他氮素形式转变。

堆肥过程中氮素损失的主要途径是NH₄⁺-N以NH₃形式挥发，氨挥发强度受堆体温度、NH₄⁺-N浓度、pH值等多因素的综合影响^[23]。本研究表明，添加生物质炭可显著降低堆体氨挥发速率及氨挥发累计量（图 3）。Steiner等^[24]发现在鸡粪堆肥过程中加入20%的生物质炭NH₃排放量显著减少64%。生物炭的特殊理化性质能直接吸附NH₄⁺-N和NH₃等氮素物质，刘宁等^[25]通过分析好氧堆肥过程第1、7、14、28 d的代表性生物炭扫描电镜图像发现，随着堆肥的进行，其内部吸附的小颗粒逐渐增多并凝聚成较大的颗粒单元。这可能是生物质炭能够减少堆肥中氮素损失的原因之一。此外，徐路魏等^[26]研究发现，生物质炭能够增加后期堆肥产品中非酸水解有机氮的含量，减少有机氮的矿化，从而降低了堆体的氨挥发损失。

3.3 生物质炭对堆肥过程中温室气体减排的影响

研究表明，堆肥过程中0.02%~9.9%的初始氮会以N₂O的形式挥发^[27-29]。本试验结果表明，添加生物质炭处理能够显著降低堆体N₂O的排放，N₂O排放总量仅占TN的0.4%~1.4%（表 4）。Wang^[30]等运用定量PCR研究了猪粪堆肥过程中N₂O的产生作用机理，结果显示，生物质炭的输入可减少N₂O氧化菌的数量，同时增加N₂O还原菌的数量，从而达到N₂O减排的效果。程效义等^[31]研究表明，生物质炭降低堆肥过程中N₂O排放的机理可能与其影响堆体中硝化与反硝化作用密切相关，生物质炭的添加可通过改变堆体温度、含氧量、pH、含水率和氮素含量等环境因子影响氮素循环相关的功能微生物，进而影响堆体中硝化与反硝化作用^[32]。

堆肥物料局部厌氧导致CH₄产生，CH₄挥发量可达总有机碳（TOC）的0.1%~12.6%^[24]。本研究表明，添加生物质炭显著降低堆体CH₄的排放量（表 4）。这可能是因为甲烷菌主要以活性有机碳为底物，添加生物质炭能够显著减低堆体中可溶性有机碳的含量，从而减少了微生物可利用性碳。贾永兴^[33]的研究认为由于生物质炭具有极高的孔隙度使得堆体充分通气，从而优化堆体氧气供应和分配，导致产甲院菌的活动受限制。畜禽粪便堆肥过程中的CO₂排放是有机物被微生物分解而产生的，生物质炭能够通过影响堆体内微生物的群落结构^[34]和活性而影响堆体CO₂的排放。本研究中添加10%生物质炭显著降低堆体CO₂的排放，而5%、15%添加量没有明显的影响。这方面的影响机制有待于进一步深入研究。

4 结论

（1）生物质炭能够显著增加堆体的温度，缩短堆肥周期，其中添加15%生物质炭处理的堆体比其他处理提前3 d到达高温期。

（2）生物质炭能减少堆肥过程中NH₄⁺-N和NO₃^--N的损失，尤其是在高温期，生物质炭能够显著增加堆体的NH₄⁺-N和NO₃^--N含量。添加10%、15%生物质炭能显著减少堆肥过程中的氨挥发。生物质炭能够显著降低堆肥过程中氮素损失。

（3）对于堆肥过程中温室气体排放的影响，添加生物质炭能够显著减低CH₄与N₂O排放量，添加10%生物质炭可显著减少CO₂排放总量，而5%、15%添加量效果不显著。由此可见，添加15%的生物质炭是降低堆肥过程中的氮素损失、减少温室气体排放的有效措施。