人类活动引起的CO₂、CH₄、N₂O等温室气体的排放，是导致全球气候改变的重要原因之一^[1]。农业温室气体是重要的温室气体排放源之一，其中畜禽养殖又是农业生产中的重要组成部分。联合国粮农组织(FAO)发布的调查报告指出，畜牧业温室气体排放已占到全球人类活动所产生的温室气体排放总量的18%^[2]。随着畜牧产业的规模化、集约化高速发展，畜牧业生产所导致的温室气体排放已经引起各国的高度关注。

微生物发酵床养殖技术是利用微生物对畜禽粪便进行原位降解的养殖模式，是一种无污染、零排放的新型环保养猪技术，近年来在国内得到了快速推广应用^[3]。国内外对发酵床养殖过程中的温室气体排放情况非常关注，进行了大量研究，如Jeppsson^[4]测定了发酵床养殖育肥猪阶段的CO₂、NH₃以及水蒸气的日排放情况；Philippe等^[5]研究了发酵床模式与水泥漏缝地板模式猪舍的温室气体与NH₃排放；郭海宁等^[6]以及朱志平等^[7]都对发酵床模式与水泥地面养殖猪舍的温室气体含量与排放情况进行了比较研究。

发酵床在使用过程中其垫料有一定的使用寿命，废弃的陈化垫料需通过高温堆肥进行无害化处理后作为有机肥使用，实现资源化利用，而此过程中的温室气体排放情况尚未见报道。本文研究了陈化垫料常用的堆肥无害化处理工艺过程中的温室气体排放，并考查添加微生物菌剂对温室气体排放的影响，为陈化垫料资源化过程中的温室气体排放控制提供参考。

发酵床陈化垫料由福建省农业科学院渔溪微生物发酵床大栏养猪试验基地提供，椰壳粉由厦门江平生物基质技术有限公司提供，经福建省农业科学院分析测试中心测定，其基本理化性状见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 堆肥原料的理化性状Table 1 Physical and chemical characters of composting material 材料 总碳/% 总氮/% 碳氮比 含水率/% 陈化垫料 32.1 1.9 16.9∶1 58.3 椰壳粉 48.2 0.6 80.3∶1 27.1

表 1 堆肥原料的理化性状 Table 1 Physical and chemical characters of composting material

由课题组自行研制的堆肥菌剂FC-1与市售的粪便腐熟菌剂Bio(江苏新地生物肥料工程中心有限公司)。

试验地点设在福建省农业科学院生物基质生产性工程化实验室厂房内，垫料堆肥在自制的堆肥发酵仓中进行，发酵仓为4 m×3 m×3 m(长×宽×高)的长方形砖混结构，堆垛高度1.5 m，发酵仓顶部为开放式，前部开口便于进出料，底部设有通气管进行被动通风。堆置时将陈化垫料与椰壳粉按2.14∶1的比例混匀(C/N为25∶1)，并调节含水率为60%~65%。试验设3个处理，处理1添加FC-1菌剂，处理2添加Bio菌剂，菌剂均按0.5%的添加量加在原料中并搅拌均匀，处理3为不添加菌剂的对照处理。试验时间为2014年7月20日至9月7日，共计49 d。

每日上午9:00~10:00时记录堆体表面下60 cm处温度与室温，每3 d采用静态箱法采集气体样本^[8]，测定其中二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)及氧化亚氮(N₂O)含量。选取堆体前、中、后3个部分，每部分选取上、中、下3个点(深度分别为40、80、120 cm)，共计9个采样点，分别在堆肥的第0 d和第49 d采集固体样品，样品均匀混合后测定pH值、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、C/N及发芽率指数(GI)。

采用Agilent 6890型气相色谱测定CO₂、CH₄与N₂O的含量，仪器参数按参考文献^[9]设置。测定过程中使用的标准气体、载气与燃烧气均购自福州新航工业气体有限公司，纯度达99.9%。

温室气体的浓度均换算为排放通量进行分析。固体样品的TOC与TN采用元素分析仪测定，含水率采用烘箱干燥法测定，pH值、发芽率指数(GI)参考文献^[10]的方法进行测定。

不同处理的陈化垫料堆肥过程中温度随时间的变化见图 1。

图 1(Fig.1)

图 1 堆肥过程中温度变化曲线 Fig.1 Changes of temperature during composting

从图 1中可以看出随着微生物对物料的分解利用而释放出大量热量，堆肥开始后各处理的温度均迅速上升。添加微生物菌剂的处理超过55℃所需的时间均明显少于对照处理，但各处理55℃以上持续天数比较接近。处理1堆体温度上升速度最快，堆肥第5 d温度即超过55℃，持续13 d，最高温度可达73℃(表 2)。处理1的温度也是最早降至稳定期的，堆肥32 d后温度基本维持在38℃左右。对照处理在39 d后温度进入稳定期，是所有处理中最晚的，且温度高于其他处理。

表 2(Table 2)

表 2 堆肥过程中温度变化Table 2 Changes of temperature during composting 项目 到达55℃所需天数/d 55℃以上持续天数/d 最高温度/℃ 处理1 5 14 73.20 处理2 6 14 63.33 对照 10 13 61.47

表 2 堆肥过程中温度变化 Table 2 Changes of temperature during composting

如表 3所示，在堆肥过程中有机物被不断分解，导致堆肥的总有机碳(TOC)含量下降。而尽管氮元素同样也在堆肥过程中转化损失，但因为堆体干物质总量减少幅度更大，以及后期的固氮作用^[10]，总氮的相对含量反而有所上升，因此最终堆肥的碳氮比(C/N)降低。通常，堆肥的碳氮比为16~20时可认为堆肥已经完全腐熟^[11]。处理1总碳的下降幅度(9.83%)明显高于其他处理，其最终碳氮比也较低，各处理均已经达到腐熟标准。

表 3(Table 3)

表 3 堆肥的理化性质Table 3 Physical and chemical characters of the compost 项目 pH 总碳/% 总氮/% 碳氮比 发芽率/% 初始值 最终值 初始值 最终值 初始值 最终值 初始值 最终值 初始值 最终值 处理1 7.5 8.2 38.16 28.33 1.49 1.68 25.61 16.82 38.2 84.1 处理2 7.4 8.3 38.35 30.04 1.52 1.66 25.23 18.11 37.4 81.7 对照 7.4 8.3 37.28 31.17 1.47 1.65 25.36 18.83 37.9 82.5

表 3 堆肥的理化性质 Table 3 Physical and chemical characters of the compost

有机氮的矿化以及堆肥过程中温度上升导致有机酸挥发，堆体的pH值逐渐上升，最终呈弱碱性。分析结果表明，各处理间的pH变化较为一致。

种子发芽率指标作为综合反映堆肥产品植物毒性的一个生物指标，也被认为是可靠的堆肥腐熟度评价指标之一^[12]，当发芽率指数GI大于50%时可以认为堆肥中的毒素已经降低至植物可以耐受的水平，即堆肥已经腐熟。从表 4可以看出，各处理最终均已达到腐熟标准。

表 4(Table 4)

表 4 CO2、CH4与N2O的增温潜势当量系数Table 4 Characterization factors of global warming potential for CO2, CH4 and N2O 温室气体 当量系数GWP CO2 1 CH4 21 N2O 310

表 4 CO2、CH4与N2O的增温潜势当量系数 Table 4 Characterization factors of global warming potential for CO2, CH4 and N2O

从图 2中可以看出，各处理CO₂排放变化趋势类似，均呈现出先增加后减少的趋势，但CO₂排放峰值比温度峰值出现的时间相对滞后。堆肥初期排放通量增长最快，第6 d处理1、2以及对照处理的CO₂排放通量分别为119.68、112.87、73.32 mg·m^-2·min^-1，为初始值的4倍左右，随后缓慢增加。处理1的CO₂排放通量在堆肥的第30 d达到峰值204.13 mg·m^-2·min^-1，而处理2的峰值出现在第33 d，为180.53 mg·m^-2·min^-1。对照处理的CO₂排放通量在前期明显低于添加微生物菌剂处理，其排放峰值为176.52 mg·m^-2·min^-1。

图 2(Fig.2)

图 2 堆肥过程中CO2的排放变化 Fig.2 Changes of CO2 emission rate during the composting

各处理CH₄排放情况见图 3，与CO₂的情况相似，CH₄排放同样呈现先增加后减少的趋势，但初期增加较为缓慢，随着堆体温度上升，CH₄排放通量急剧升高。处理1与处理2的CH₄排放量均在第27 d达到峰值，处理1为1.83 mg·m^-2·min^-1，处理2为1.58 mg·m^-2·min^-1。对照组CH₄排放量增速较慢，其峰值1.34 mg·m^-2·min^-1出现在堆肥的第39 d。

图 3(Fig.3)

图 3 堆肥过程中CH4的排放变化 Fig.3 Changes of CH4 emission rate during the composting

图 4显示的是堆肥过程中各处理N₂O排放情况。从图中可以看出，在升温期和高温期内，堆体表面的N₂O排放通量缓慢增加，进入降温期后，N₂O的排放急剧增加，随后迅速降低并保持稳定。处理1于堆肥27 d后达到N₂O的排放峰值，为1.22 mg·m^-2·min^-1，对照处理达到峰值时间最晚，其排放通量1.73 mg·m^-2·min^-1，排放量最大。整个堆肥过程期间，处理1、2与对照处理平均N₂O排放通量分别为0.68、0.77、0.81 mg·m^-2·min^-1，高温堆肥能显著降低垫料堆肥过程中的N₂O排放。

图 4(Fig.4)

图 4 堆肥过程中N2O的排放变化 Fig.4 Changes of N2O emission rate during the composting

CO₂、CH₄与N₂O是大气中最主要的3种温室气体，其增温潜势各不相同(表 4)，为了综合评价陈化垫料堆肥过程中微生物菌剂的影响，将各处理的温室气体排放通量乘上其当量系数后再相加，换算成单位时间单位面积的温室气体总排放通量，结果得到处理1、处理2与对照处理的温室气体总排放通量分别为351.12、390.82、386.37 mg·m^-2·min^-1，高温堆肥菌剂能明显降低陈化垫料堆肥过程中的温室气体排放，而普通的粪便堆肥腐熟剂与空白对照差别不大。

微生物发酵床养殖过程中产生的废弃陈化垫料具有有机肥料的基本性质，重金属与抗生素含量均居于安全范围^[13]，具备资源化再利用的潜力。陈化垫料通常需再次堆肥进行无害化处理，以避免其中的大肠杆菌菌群以及肠道寄生虫卵带来的安全隐患，陈化垫料中依然含有大量的活性微生物^[14]。本试验结果表明，调整堆肥原料的碳氮比与初始含水率后，无论是否外加堆肥微生物菌剂，均能成功堆肥达到腐熟标准。添加项目组自制的高温堆肥菌剂FC-1可以提前7 d达到室温，有利于实际生产中缩短堆肥周期。

在畜禽废弃物的处置过程中伴随着碳素与氮素的转换，会形成大量温室气体排放到环境中。处置过程中，以CO₂形式损失的碳元素约占总碳的40%~62%，堆肥处理可以有效减少有机废弃物处理中的CO₂^[15]。在堆肥初期，堆料中的有机物含量丰富，温度与水分适宜，微生物迅速繁殖产生大量的CO₂释放，随着温度进一步升高，中温微生物进入休眠或死亡，有机物的分解速度降低，CO₂释放也随之降低。堆肥进入降温期，残留的中温微生物恢复活性，继续分解物料释放CO₂，因此排放量也持续上升。本试验中，添加微生物菌剂的处理比空白对照中的微生物繁殖更活跃，升温速率更快，因此前期CO₂排放量大，达到峰值的时间比空白对照短，但均滞后于堆体温度峰值，与通过其他手段促进粪便堆肥升温所产生的CO₂排放结果一致^{[16, 17]}。

随着堆肥过程中堆体表面好氧微生物的生长，堆体内部氧气逐渐消耗，大量厌氧菌生长并释放出CH₄。在厌氧条件下，有机物先被分解为单糖，单糖分解为酸和CO₂，然后酸再被分解为CH₄与CO₂^[18]。因此，CH₄的排放量少于CO₂排放量，约占后者的8%，并且时间相对滞后^[19]。在本试验中，添加微生物菌剂促进了堆肥进程，导致堆体内的氧消耗更多，因此厌氧发酵程度也要高于空白对照，CH₄释放量更大。

堆肥过程中的N₂O产生与氮元素转化密切相关，其产生的主要途径包括较高氧浓度条件下的不完全硝化途径与缺氧条件下的不完全反硝化途径^[20]。好氧堆肥的堆体中氧浓度分布不均，因此产生的N₂O同时来源于堆体表面与内部，但以内部的反硝化途径为主导因素^[21]。堆肥进入高温期后，大量微生物进入休眠或死亡，N₂O释放速率变缓，而当堆体温度下降至50℃以下时，好氧硝化与厌氧反硝化作用伴随着中温微生物的复苏同时恢复，N₂O大量产生。本试验的高温发酵菌剂处理在进入降温期后，N₂O释放量少于其他2个处理的原因可能是发酵温度高，在高温阶段中温菌死亡较多，导致后期厌氧菌群落数量较少所引起的。

影响堆肥温室气体排放的因素很多，通常可通过改善堆肥工艺和设备或添加特殊物质如膨松剂与菌剂等来达到减少温室气体排放的效果。从本研究结果来看，综合考虑CO₂、CH₄与N₂O等3种温室气体，添加高温发酵菌剂后的陈化垫料堆肥温室气体总排放率明显低于普通发酵菌剂与空白对照，与空白对照相比，减排率为9.1%，其减排形式主要是降温期的N₂O释放降低。普通发酵菌剂对温室气体减排贡献不大，但在缩短堆肥周期上有优势，因此依然具有应用价值。