2017, Vol. 23 
doi: 
2. 安徽养分循环与资源环境省级实验室，安徽合肥 230031;
3. 安徽省农业科学院畜牧兽医研究所，安徽合肥 230031
2. Anhui Provincial Key Laboratory of Nutrient Recycling, Resources and Environment, Hefei 230031, China;
3. Husbandry and Veterinary Medicine Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China
磷是植物生长所必需的三大营养元素之一，畜禽粪便有机肥是土壤中磷素的重要来源。在堆肥高温好氧发酵的过程中加入过磷酸钙不仅可以提高堆肥中磷含量，还可以抑制氨挥发而减少氮素损失率[1–2]，提高堆肥品质，在生产中得到了广泛的应用。此外, 过磷酸钙作为添加剂在控制温室气体排放[3–4]方面国内外也开展了大量的研究，而堆肥过程对磷的有效性和形态转化方面尚缺乏系统深入的研究。研究表明，畜禽粪便中可以被 H2O 和 NaHCO3 浸提的磷占总磷的 48%～87%，这部分磷活性高而且容易流失而造成环境污染[5]。有研究认为畜禽粪便堆肥过程可以促进无机磷向有机磷的转化，从而提高磷的有效性及对植株的利用率[6]，也有学者认为有机废弃物堆肥过程中有效态磷的含量有所下降[7]。研究和探讨堆肥过程中磷的含量及形态变化不仅对有机肥的科学合理施用有着指导意义，还有助于正确评价有机物料中磷素的生物有效性及其农田流失风险[8–9]。本研究选取新鲜猪粪为研究对象，添加不同比例的过磷酸钙进行堆肥发酵，研究无机磷肥的加入对堆肥过程的影响及磷含量变化和形态之间的相互转化规律，以期为畜禽粪便堆肥中磷素的转化及合理施用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计试验地点位于安徽省农科院畜牧兽医研究所凤阳示范基地，取基地养猪场的新鲜猪粪作为研究对象，取周边木材加工厂的锯末作为调理剂，市售过磷酸钙 (P2O5 ≥ 12.0%) 作为添加剂。堆肥主要原材料的初始性质见表 1。
| 表1 堆肥原料的初始性质 Table 1 Initial properties of composting materials |
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堆肥试验装置如图 1 所示，为自制加工的塑料桶，桶底部和桶壁上开有直径 2.5 cm 的通气孔若干，有效容积 50 L。将猪粪和锯末以质量比 (鲜重) 4∶1 的比例混合，然后按照猪粪和锯末干物质量的 5%、10% 和 15% 添加过磷酸钙，以不添加过磷酸钙作为对照 (CK)，调节混合物料含水率约为 60%，每一处理 3 次重复。将物料充分混合均匀后装入塑料桶中，然后将塑料桶放置在长 × 宽 × 高为 1.2 m × 1.2 m × 1.2 m 的堆肥池内，桶四周和底部填充小麦秸秆进行保温，顶部覆盖石棉瓦遮挡降雨。堆肥开始后，每 3 天进行一次翻堆并取样，分别从堆肥不同部位采集并混合均匀样品约 800 g，其中一部分鲜样用于测定含水率，其余样品风干粉碎过 1 mm 孔径尼龙筛，用于测定 pH 值、全氮、有机碳、全磷、有效磷、有机磷等指标。
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| 图1 堆肥试验装置照片 Fig. 1 Pictures of composting reactors |
每天上午 9:00 和下午 15:00 左右用水银温度计于堆肥上、中、下层各测定 3 个点的温度，取平均值代表堆肥内部温度，同时测定环境温度；含水率测定采用鲜样 105℃ 烘干法；pH 值采用样水比 1∶10 (m/v) 浸提电极法测定；全氮测定采用 H2SO4–H2O2 消煮，半微量凯氏定氮法；有机碳测定采用重铬酸钾容量法；全磷测定采用钒钼黄比色法[10]；有效磷测定采用 0.5 mol/L NaHCO3 浸提，钼锑抗比色法；有机磷测定采用灼烧法[11]。
氮素损失率的计算参照 Paredes 等[12]的方法，即假定堆肥过程中灰分总量无损失，推导得出氮素损失率的计算公式：
| ${N_L} = \frac{{{N_0} - \left( {{H_0}/{H_n}} \right) \times {H_n}}}{{{N_0}}} \times 100\% $ |
式中：NL 为氮素损失率 (%)；N0 为堆肥 0 天时全氮含量 (%)；H0 为堆肥 0 天时灰分含量 (%)；Nn 为堆肥 n 天时全氮含量 (%)；Hn 为堆肥 n 天时灰分含量 (%)。
试验数据采用 Excel 2007 和 SPSS 18.0 软件进行处理和分析。
2 结果与分析 2.1 堆肥过程中温度、含水率和 pH 变化堆肥过程中各处理都经历了快速升温、高温持续和降温三个阶段 (图 2)。堆肥初期，物料中的微生物快速增殖，易分解有机物迅速消耗产生大量的热，使得堆体温度迅速升高，CK、添加 5%、10% 和 15% 过磷酸钙的处理达到的最高温度分别为 69.5、72.0、71.7 和 69.0℃，达到最高温度所需的时间分别为 5、4、7 和 7 d。可以看出，随着过磷酸钙用量的增加，堆肥的升温过程变慢，CK 和 5% 的处理升温速度要明显快于 10% 和 15% 的处理。各处理保持在 55℃ 以上的高温持续时间分别为 15、17、25 和 11 d，均符合无害化[13]处理的要求。与 CK 相比，5% 和 10% 处理可以显著提高堆肥高温持续阶段的温度并延长高温持续时间，而 15% 的处理有可能因为过磷酸钙的用量过大，其中的酸性物质对微生物的活性产生了一定的抑制作用，使得前期升温速度和高温期持续时间均低于 CK。
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| 图2 堆肥过程中温度、含水率和 pH 变化 Fig. 2 Changes of temperature, moisture content and pH value during the composting |
由堆肥过程中含水率的变化 (图 2) 可知，各堆肥处理的含水率随着高温蒸发和微生物活动消耗不断减少，到第 42 d，CK、5%、10% 和 15% 的处理含水率分别较堆肥初减少了 35.4%、31.3%、29.6% 和 24.1%。堆肥中水分的快速蒸发主要集中在前 24 d，水分的损失量约占到堆肥全过程水分损失量的 65.0%～95.6%，从第 24 d 开始，随着堆肥进入降温阶段和微生物活性减弱，含水率降低并逐渐趋于稳定。总体来看，堆肥含水率的下降随着过磷酸钙用量的增大而减小，这主要是由于过磷酸钙对水蒸气的吸附从而抑制了水分的蒸发[14]，堆肥物料的持水能力提高，有利于减少高温堆肥过程中水分的过量散失。
堆肥过程中各处理的 pH 值总体表现为先下降再升高，然后缓慢下降并趋于稳定 (图 2)。堆肥的初始 pH 值随着过磷酸钙用量增加而降低，与 CK 相比，添加 5%、10% 和 15% 的过磷酸钙使得堆肥初始 pH 值分别下降了 0.33、0.57 和 0.68 个单位。堆肥初期细菌和真菌分解有机物而释放出有机酸并不断累积导致 pH 值下降，随着有机酸的进一步降解，pH 值逐渐升高。其中 CK 处理初期 pH 值下降到第 3 d 开始回升，于第 12 d 升高到 7.71 后便开始缓慢降低，直至堆肥结束；而添加过磷酸钙 5%、10%、15% 的处理初期 pH 下降阶段一直持续到 24 d，随后上升到第 30 d 后再次缓慢下降。至堆肥结束添加过磷酸钙的处理 pH 范围在 6.16～6.47，显著低于 CK 处理，总体上各处理均能满足商品有机肥标准 pH 值为 5.5～8.5 的要求[10]。
2.2 堆肥过程中全氮、有机碳和 C/N 变化堆肥过程中全氮含量变化总体呈现出先下降后上升的趋势 (图 3)。堆肥前期 (0～6 d) 猪粪中的氮被微生物分解转化为铵态氮并在高温条件下以 NH3 的形式挥发，导致堆肥中总氮含量的下降[15]并于第 6 d 达到最低；从第 6 d 开始随着堆肥中有机物质的分解和 NH3 挥发的减弱使堆肥中的氮得到“浓缩”，总氮含量不断增加。到第 42 d，各处理的全氮含量分别较堆肥初增加 34.2%、17.3%、24.0% 和 26.4%。
由堆肥过程中有机碳含量的变化 (图 3) 可知。随着堆肥中的有机质不断分解，有机碳含量逐渐降低。经过 42 d 的堆肥发酵，CK、5%、10% 和 15% 的处理有机碳含量分别比堆肥初下降了 8.1%、10.2%、17.0% 和 11.0%，表明添加过磷酸钙可以加快堆肥中有机质的降解过程，10% 的添加量对有机质的降解作用最大，5% 和 15% 的处理差别不大。
堆肥过程中各处理的 C/N 总体呈现出先升高后降低的趋势 (图 3)。堆肥前期易分解有机物大量消耗使得堆肥中的碳以 CO2 的形式损失，同时 65℃ 以上的高温环境加剧了堆肥中的氮以 NH3 的形式挥发，0～6 d 堆肥中氮的损失速率超过碳的损失速率，C/N 表现出上升趋势。从第 6 d 开始，随着堆肥温度缓慢下降，铵态氮挥发的持续减弱和硝态氮合成的不断加强，堆肥总氮含量不断升高，而有机质的分解持续加强，C/N 呈现出逐渐降低的趋势。至堆肥结束，CK、5%、10% 和 15% 的处理 C/N 分别为 21.5、17.5、16.0 和 17.0。作为检验堆肥产品腐熟度的常用指标，一般认为堆肥产品 C/N 下降到 15～20 即可认为堆肥达到腐熟[16]。
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| 图3 堆肥过程中全氮、有机碳和 C/N 比变化 Fig. 3 Changes of total N, organic carbon and C/N ratio during the composting |
通过计算各堆肥处理的起始和结束 (42 d) 时的全氮和灰分数据 (表 2) 可知，CK、5%、10% 和 15% 的处理在堆肥结束时的氮素损失率分别为 29.4%、26.6%、18.5% 和 8.0%，可以看出随着堆肥中过磷酸钙用量的增加，氮素损失率明显降低，这与其他学者的研究结果[17]基本一致。由于过磷酸钙的加入，铵离子与磷酸根、硫酸根结合生成较稳定的磷酸铵或硫酸铵，同时物料 pH 值变为弱酸性抑制了碱性条件下铵离子以 NH3 形式挥发而造成的氮损失，从而有效地降低了堆肥过程中的氮素损失率。
| 表2 堆肥初始和 42 d 时全氮及灰分含量 (%) Table 2 Total N and ash contents in the compost at the beginning and 42nd day |
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堆肥过程中的磷不易挥发，无论形态如何变化其滞留在堆肥中的总量不变，随着有机物质的分解，堆肥中养分出现浓缩效应[18]，总磷的浓度不断升高 (图 4)。CK、5%、10% 和 15% 的处理全磷含量随着过磷酸钙用量的增大依次梯度增加，至 42 d 分别较堆肥初增加了 123.1%、60.6%、57.0% 和 37.0%。
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| 图4 堆肥过程中全磷、有效磷、有机磷含量变化 Fig. 4 Changes of total P, available P and organic P content during the composting |
堆肥中有效磷含量的变化不同处理之间差异较大 (图 4)。CK 处理呈现持续增加的趋势，至 42 d 有效磷含量较堆肥初增加了 73.0%；5% 处理前 33 d 有效磷含量缓慢增加，随后持续下降，至 42 d 含量略低于堆肥初，降幅 4.0%；10% 和 15% 的处理变化规律较为一致，呈现出 0～3 d 升高，3～21 d 快速降低，从 21 d 开始基本趋于稳定，42 d 时有效磷含量降幅比较明显，分别较堆肥初下降了 23.2% 和 41.8%。
随着总磷含量的不断上升和有效磷含量的缓慢上升或者下降，各处理有效磷占全磷的比例总体呈现出不断下降的趋势 (图 4)。其中 CK 处理有效磷占全磷的比例要明显高于添加过磷酸钙的处理，仅比堆肥初下降了 22.4%；5%、10% 和 15% 的处理由于难降解过磷酸钙的加入，对堆肥中的有效磷起到稀释作用，随着过磷酸钙用量的增加有效磷占全磷的比例依次降低，分别较堆肥初下降了 40.3%、51.1% 和 57.5%。
堆肥前期猪粪中的有机磷在微生物分泌的磷酸酶作用下水解矿化导致有机磷的含量不断降低[19]，到第 9 d 各个处理的有机磷含量几乎检测不出；之后随着堆肥腐殖化过程和微生物对无机磷的吸收固定而将其转化为有机磷，堆肥中的有机磷含量不断“浓缩”而出现缓慢回升，到第 42 d，CK、5%、10% 和 15% 的有机磷含量分别较堆肥初增加了 42.2%、24.3%、34.5% 和 41.4% (图 4)。
堆肥过程中有机磷占全磷的比例变化规律与有机磷含量变化类似，表现为前期 (0～9 d) 的快速下降和后期的缓慢升高 (图 4)。CK 处理有机磷的比例整体高于 5%、10% 和 15% 的处理，而且随着过磷酸钙用量的增加，各处理中有机磷占全磷的比例依次降低，这主要是过磷酸钙中无机磷的加入对堆肥中的有机磷产生稀释效应所引起的。
3 讨论 3.1 过磷酸钙对堆肥过程的影响从堆肥中有机碳降解的程度来看，过磷酸钙这类酸性物质的加入促进了有机物的降解，这与胡雨彤等[18]的研究结果相似。以 10% 过磷酸钙的处理有机质降解最大，进一步增大过磷酸钙用量，有机质降解反而减少，同时 15% 过磷酸钙的处理还明显地造成了堆肥升温速度缓慢，高温持续时间缩短等不利于堆肥腐熟的影响，再加上成本因素综合考量，猪粪堆肥中过磷酸钙的添加量不宜超过干物质量的 10%。
3.2 过磷酸钙对堆肥中氮的影响过磷酸钙作为添加剂对全氮含量的影响十分显著。初始堆肥中的全氮来源于猪粪和锯末，其含量随着过磷酸钙用量的增加而递减，同时 CK 处理由于没有添加过磷酸钙，堆肥中的氮以 NH3 的形式挥发而含量降低，所以初始堆肥中全氮含量 5% > 10% > 15% > CK。堆肥过程中全氮含量主要受两个因素的共同影响：1) 铵态氮在高温条件下转变为 NH3 挥发造成的含量减少；2) 有机质分解产生的浓缩效应引起的含量增加。猪粪堆肥的前期 (0～6 d) 全氮含量下降说明铵态氮的挥发起到主要作用，后期全氮含量稳步升高则主要以浓缩效应为主。猪粪堆肥的氮素挥发损失主要发生在堆肥的 0～6 d，这与前人的研究结果[17–18]基本一致。随着过磷酸钙用量增加，猪粪堆肥的氮素损失率降低，氮素固定率升高，15% 过磷酸钙的处理氮素固定率达到 72.9%，略低于林小凤等[20]向鸡粪中添加 15% 过磷酸钙时氮素固定率为 85% 的结果，这与堆肥原料有关，更重要的是受到堆肥初始 C/N 比的影响。本试验中添加过磷酸钙的 3 个处理堆肥初始 C/N 比约为 23，高于林小凤等初始 C/N 为 15 的设定，低 C/N 比条件下氨态氮的挥发损失更为严重[21]，使得过磷酸钙对氨态氮挥发的抑制效果更为明显。整个堆肥过程中添加过磷酸钙的处理全氮含量均高于 CK 处理，说明添加过磷酸钙可以减少氮素损失，提高堆肥中全氮含量。
3.3 过磷酸钙对堆肥中磷的影响堆肥初期有效磷含量表现为 15% > 10% > 5% > CK，这与堆肥初过磷酸钙的用量相关，说明初期堆肥中的有效磷主要来源于过磷酸钙中有效态的无机磷，至 42 d 堆肥结束，有效磷含量则变为 CK > 5% > 10% > 15%，与堆肥初期规律刚好相反。CK 处理有效磷含量的增加是因为在没有外源磷素添加条件下，堆肥过程对养分的浓缩效应产生的结果。添加过磷酸钙的处理在升温阶段 (0～3 d)，易分解有机物转变为小分子有机酸，活化了过磷酸钙中部分矿物态的无机磷，使得堆肥中有效磷活性升高；在高温持续阶段 (3～21 d)，堆肥中有效磷含量降低可能有两方面的原因，一是有效态的磷与堆肥中的铁、铝等离子结合，形成难溶性的磷酸铁、铝化合物，二是堆肥中的 Ca2+ 和磷通过堆肥反应生成磷酸二钙、磷酸八钙和羟基磷酸钙等难溶解态的化合物[22]，使得堆肥中磷的有效性显著降低，而且随着过磷酸钙用量的增大，有效磷降低的程度加剧。邓佳等[23]对 7 种有机肥中磷形态采用 DOU 法进行分级，结果表明不易被植物吸收利用的 HCl 提取态磷占全磷比例达 47.8%～85.0%，而植物可吸收的 H2O 提取态磷和 NaHCO3 提取态磷的比例仅为 3.4%～16.4% 和 0.6%～13.3%，其结论与本试验结果堆肥中有效磷含量占全磷的比例逐渐降低相符合。虽然 CK 处理有效磷的含量有所增加，但其所占总磷的比例却不断降低，而且添加过磷酸钙的各处理中，有效磷在全磷中所占的比例均不断降低，说明猪粪堆肥过程降低了磷的有效性，使其向不易于被植物直接吸收利用的形态转化。该过程与磷肥施入土壤后被吸附固定，有效性逐渐降低的过程相类似[24]。堆肥中磷的有效性降低，从另一个角度表明速效态的磷转化为缓效态，降低了其堆放或施入土壤后迁移流失的风险。
堆肥过程中同时存在着有机磷的矿化和合成两种作用，有机磷的含量则取决于二者共同作用的结果。堆肥初期有机磷主要来源于易分解的猪粪，0～9 d 为有机质快速矿化阶段，有机碳降解量占到整个堆肥周期的 40.8%～60.9%。随着有机物的快速分解，猪粪中磷脂、核酸等易分解的活性有机磷矿化为无机磷[25]，使得堆肥中有机磷含量显著下降，直至第 9 d 猪粪中的有机磷分解消耗殆尽，各处理中有机磷含量接近于零。随后堆肥中腐殖化过程和微生物对无机磷的吸收转化持续进行，与腐殖酸络合的磷酸盐和微生物量磷不断增加，堆肥中有机磷含量缓慢上升，这与赵晶晶等[26]对不同有机物料中有机磷矿化进程的研究结果相类似。本试验中，第 42 d 各堆肥处理中有机磷占全磷的比例仅为 8.7%～22.1%。Gagnon 等[27]对 7 种有机堆肥测定发现无机磷占全磷的 73%～96%；王旭东等[28]研究结果也表明粪肥中无机磷占全磷的 54.6%～63.2%，与本研究的结果相一致。这表明猪粪堆肥中的磷主要以无机态磷为主。堆肥中有机磷占全磷的比例不仅取决于浓缩效应，还必须考虑到过磷酸钙中无机磷的加入而带来的稀释效应。整个堆肥过程中，5%、10% 和 15% 过磷酸钙的处理有机磷占全磷的比例均低于不添加过磷酸钙的 CK 处理，即是由稀释效应所主导的。
4 结论1) 猪粪堆肥中添加过磷酸钙，可以有效减少氮素损失，提高堆肥产品中氮、磷的含量，加快有机物料的降解，以 10% 的添加量效果最佳。
2) 猪粪堆肥过程降低了磷的有效性，有效磷占全磷的比例随堆肥时间下降，且随过磷酸钙用量的增加而降低。
3) 腐熟后堆肥中的磷以无机态为主，过磷酸钙的加入稀释了堆肥中有机磷的比例，随过磷酸钙用量增加，有机磷占全磷的比例递减。
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