有机肥生产过程中氮素的损失与控制

堆肥过程中，会发生大量氮素损失。如何在堆肥中保持尽可能多的氮素是获得堆肥产品很重要的一个目标。因为高含氮量就意味着堆肥价值的增加，同时也可减少氨的挥发。
    在堆肥过程中几乎所有氮的损失都是由于有机氮化合物分解导致氨释放所致。微生物分解含氮的有机源，使之转化为简单的化合物来为新细胞物质获取氮素。一些氮被转化为氨（NH3）。如果氮素的可得到量比其使用量要快，氨就积累起来。由于它是比空气轻的气体，就会从条垛/堆体中逸出。
    高温堆肥过程中普遍存在氮素损失的现象，不仅污染环境，而且降低肥料中的养分含量。据研究表明，城市垃圾堆肥化处理过程中N损失量为50%-60%，污泥约为68％，粪便最高达77％。因此在堆肥中进行氮素损失控制成为关键问题，而高温堆肥中的氮素运动规律研究是进行氮素损失控制的基础。
 
一、影响堆肥氮素损失的因素
    堆肥过程中的氮素损失受堆肥物料组成、物料C/N比、pH值、通风/温度、湿度和堆肥添加剂等的共同影响。
1）堆肥物料的组成：堆肥的氮损失与初始物料的组成和含氮量密切相关，原料含氮量高损失的比例相应就高。
    研究表明，厨余垃圾与树叶等混合堆肥的净氮损失是43%～62%，鸡舍废物(鸡粪、锯末混合物)在强制通风堆制过程中的氮损失为初始氮的59%，单独的牛粪堆制比牛粪与生活垃圾堆肥以1∶1体积联合堆制的氮损失高4～10倍。
2）堆肥物料C/N比：堆肥物料C/N比越低，氮素损失越严重。对鸡粪和锯末高温堆肥研究：C/N比越低，氮素损失越严重，堆肥合适的C/N比范围为25～35。杨毓峰等以畜禽饲养场排放的鸡粪、牛粪为底物,以玉米糠和玉米秸秆作调理剂和膨胀剂进行堆制，堆肥化过程中的氮素损失随起始堆料的C/N比升高而降低。
3）不同通风方式和pH值：翻堆、强制通风以及鼓风能加快氨从条垛/堆体中逸出的速度。但适当通风是堆肥的关键，因此，不能由于保氮而减少翻堆或通风，只有当保存氮素很重要的时候，才可减少对原料的不必要的翻动。
    高pH值增加了氨的损失，特别是像家禽粪便等含氮量高的原材料。在堆肥原料中有两种氨的存在形态：气态氨（NH3）和溶解在堆肥中的氨离子（NH4+）。这两种形态都会出现并能从一种形态转化为另一种，转化比例由堆体条件所决定。较高的pH值能帮助气态氨从堆体中逸出。
二、氮素转变规律及影响因素
    堆肥过程中氮素转化很复杂，主要包括氮素固定和氮素释放。其中氮素的释放主要指有机氮的矿化、氨的挥发以及硝态氮的反硝化。
    堆肥原料中氮以有机形态为主，通常主要以蛋白质和肽的形式存在，分布在不同的微生物群落和腐殖质库中。有机氮作为堆肥的全氮的主要组成部分与全氮一样，在堆肥过程中，始终呈降低趋势。一次发酵初期，氮损失速率较快，主要由于NH3高温挥发所致，另外易挥发含氮有机物的直接挥发也是造成氮素大量损失的另一个主要原因；二次发酵阶段基本无氮损失。
堆肥过程氮的转化是一个复杂的微生物活动过程。
    一次发酵初期(前10ｄ)，在微生物作用下，易降解有机物迅速分解，由于物料的含水率较高,生成的氨主要以NH+4的形式存在于物料中，NH+4-N的含量不断增加，至第10ｄ左右增至最高点。随后，由于高温作用，水汽蒸发加强，引起大量NH3挥发，NH+4-N含量不断降低。
    二次发酵(20～50ｄ)过程中，NH+4-N含量的变化规律与一次发酵类似，但其作用机制与一次发酵完全不同。发酵初期，因微生物作用，NH+4-N含量呈不断增加的趋势，但随着硝化作用的加强，NH+4-N在硝化细菌的作用下，被进一步氧化为NO3--N。这一过程一直持续至堆肥结束。
    硝态氮（NO3－—N）含量主要取决于硝化和反硝化速率之差，物料所处环境为好氧状态时，硝化作用占绝对优势。另外硝化过程还受温度及基质等参数影响。硝化细菌属于嗜温菌，对高温尤其敏感，一般认为，温度高于40℃时，硝化作用将受到严重抑制。一次发酵中，因堆料温度高，硝化作用受到严重抑制，NO3--N含量一直很低。故一次发酵的硝化反应表现为温度控制。二次发酵中，由于条件合适，硝化作用强烈，NO3--N含量迅速上升。
三、堆肥氮损失控制的方法
    目前，国内外堆肥过程中的氮损失控制方法主要有2大类：1)改变工艺条件：如保障适量的通风/控温、适当的湿度等。2)在堆肥过程中加入添加剂：加入的物质主要有4大类：①富含碳的物质，如秸杆、泥炭等，目的是使物料C/N比升高，减少氮损失；②金属盐类及硫元素，如过磷酸钙，CaCl2，CaSO4，MgCl2，MgSO4，MnSO4，CuSO4，Al2(SO4)3和S0；③吸附剂，如沸石、黏土、椰壳纤维等；④添加微生物，通过固氮、锁氨减少氮损失。
    适宜的堆肥工艺条件：研究表明在条垛堆肥过程中，在腐熟期足够长的前提下，加水和翻堆有利于确保氮素价值。张相峰等提出，通过控制物料初始水分和采用温度反馈的通气量控制工艺可以快速去除水分，使堆体内的氧含量始终保持在较高水平，可以减少堆体内的局部厌氧，抑制反硝化的进行，减少硝态氮的损失。
    不同通风方式对猪粪高温堆肥氮素和碳素变化的也有影响。单一强制通风由于缺乏对混合物料的翻动，物料之间互相粘结成块，造成堆体较为坚实且分布不均匀，另外，由于堆体孔隙度较小，气体交换受阻，不利于好氧堆肥的进行。多次翻动可以破碎结块的物料，并通过多次混合使物料分布均匀，从而减少或消除物料结块及不均匀的现象，增加堆体孔隙度，有利于气体交换及好氧堆肥化的进行。强制通风与机械翻堆相结合能促进堆肥温度的升高和腐熟，加快有机碳的降解和硝态氮的升高，是相对最好的一种通风方式。
    堆肥添加剂的使用：添加剂是指为了加快堆肥进程或提高堆肥产品质量，在堆肥物料中加入的微生物、有机或无机物质。在控制堆肥氮损失时，加入的物质主要有四大类：
1）富碳物质：保氮的最好方法是使利用氮的速率和氮被微生物吸收速度相配合。微生物利用氮素的量和可利用的碳素总量是有一定比例的。因此，高碳氮比可明显减少氨的损失。
在堆肥过程中添加高C/N比的混合物可降低氮损失。在禽粪堆制时,通过加入富C物质(秸杆和泥炭)可使NH3损失分别降低33.5%和25.8%；通过添加C/N大且吸附性能好的原料(如泥炭、锯末等)提高混合物料的C/N比与吸附特性，可以减少NH+4-N在堆体内的累积及吸附较多的NH+4-N，从而减少NH3的挥发。
2）金属盐类及硫元素：金属盐类的添加可降低堆肥过程中的NH3损失。考虑到金属铜、锰的作物安全性和各种抑制剂价格，选择沸石、过磷酸钙和少量MnSO4作为氮素损失抑制剂是切实可行的。
在堆肥中加入过磷酸钙，可形成磷酸—铵的配合物从而减少氨挥发的损失，同时NH4+与交换复合体上的Ca2+，减少NH4+的损失。添加过磷酸钙的推荐用量是粪便干重的2～5％。
3）吸附剂和调理剂：吸附剂和调理剂的添加也可使氨损失降低。研究表明，泥炭、沸石和玄武岩可在粪便好氧堆制过程中降低氨损失。
4）外源微生物：外源微生物的添加可调控堆肥过程中氮、碳的代谢，调控氮素物质分解为NH+4-N后的气态挥发损失，保留更多的氮养分。
    实验证明：在固氮菌的作用下，堆肥的含氮量有一定提高，纤维素分解菌对固氮菌的生长有一定协同效应。
    利用鸡粪和锯末在自动化高温堆肥装置中进行堆肥试验，并引入2种外源微生物FM菌和EM菌。结果表明：2种外源菌对水溶性氨态氮的转化和水溶性有机氮的形成都有明显的促进作用，对氮素保存有较好的效果。其中FM菌对促进有机碳的分解、有机氮的形成和缩短堆肥时间更为有利。
其他保氮措施：在静态的和被动的堆体外面铺一层堆肥或泥炭，能帮助减少氮素的损失。外层的颗粒在当氨气通过堆体的时候将其截留。更冷、更稳定的外层环境能减轻氨转化为流动态的氮素。
    近年来，国内筛选出10种有机无机脲酶抑制剂如：醌氢醌、1，4-对苯二酚、邻苯二酚、对苯醌、硫酸铜等。无机脲酶抑制剂对堆肥脲酶活性具有很强的抑制能力，从而抑制尿素在脲酶的作用下分解为NH4+，后又挥发损失掉，从而抑制尿素的转化率。
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