全 文 ：猪粪堆肥化处理过程中的氮素转变及腐熟度研究 3
黄国锋1 ,2 3 3 　钟流举1 　张振钿1 　吴启堂2
(1 广东省环境科学研究所 ,广州 510045 ;2 华南农业大学资源与环境学院 ,广州 510642)
【摘要】　经过 63d 堆肥化处理后 ,猪粪与木屑混合堆肥及猪粪、木屑与树叶混合堆肥的 T2N 分别从开始
的 1. 57 %和 1. 78 %增加到 2. 0 %和 2. 11 % ;水溶性 NO32N/ 水溶性 T2N 均从接近于 0 的水平增加到 3 %
左右 ;水溶性有机 N/ 水溶性 T2N 分别增加到 70 %和 76 % ;水溶性 NH42N/ 水溶性 T2N 则分别从开始的
52 %和 61 %下降至堆肥结束时的 30 %和 24 %. 种子发芽系数的测定结果表明 ,加入树叶有利于猪粪的腐
熟化 ,可使猪粪堆肥化处理所需的时间从 42d 缩短至 35d. 化学指标与种子发芽系数的相关分析结果表
明 ,水溶性 NH42N/ 水溶性 T2N、水溶性 NO32N/ 水溶性 T2N 和水溶性有机 N/ 水溶性 T2N 均与种子发芽系
数呈显著相关 ,可作为堆肥的腐熟度评价指标.
关键词 　猪粪 　堆肥化 　N 　腐熟度
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 11 - 1459 - 04 　中图分类号 　S141. 4 　文献标识码 　A
On nitrogen transformations and maturity during composting of pig manure. HUAN G Guofeng1 ,ZHON G Liu2
ju1 ,ZHAN G Zhentian1 , WU Qitang2 (1 Institute of Envi ronmental Science Guongdong Province , Guangz hou
510045 ;2College of Natural Resources and Environment , South China Agricultural University , Guangzhou
510642) .2Chin. J . Appl. Ecol. ,2002 ,13 (11) :1459～1462.
The contents of T2N , the ratios of soluble NO32N/ soluble T2N and soluble organic2N/ soluble T2N increased after
co2composting for 63 days of pig manure and sawdust with or without additional leaves , while the ratios of solu2
ble NH42N/ soluble T2N decreased. In this study , addition of leaves was beneficial for maturation of pig manure
composting , and it could shorten the composting time from 42d to 35d. The ratios of soluble NH42N/ soluble T2
N ,soluble NO32N/ soluble T2N and soluble organic N/ soluble T2N correlated with seed germination index ( GI)
significantly , and it could be used for maturity evaluation.
Key words 　Pig manure , Composting , Nitrogen , Maturity.
3 美国洛克菲勒基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2001 - 04 - 28 收稿 ,2001 - 09 - 07 接受.
1 　引 　　言
随着禽畜业集约化生产的快速发展 ,禽畜粪便
的产生量与日俱增 ,这些固体废弃物含有大量的病
原菌 ,易腐烂 ,还会产生强烈的恶臭 ,因而引发一系
列的环境问题. 堆肥化是资源化、减量化和无害化处
理有机固体废弃物的有效方法之一. 成熟的堆肥不
仅可以提高作物的产量 ,改善农产品的品质 ,还能改
善土壤的物理化学性质 ,是一种优良的土壤改良
剂[11 ,15 ] . 但是 ,不成熟的堆肥施入土壤后 ,由于新鲜
有机质的强烈分解而产生大量具有植物毒性的物
质 ,如有机酸和 N H3 等 ;另外 ,微生物的强烈活动与
作物竞争土壤中的 N ,并在根际形成厌氧环境而抑
制了作物的正常生长[10 ] ,所以堆肥腐熟度是衡量堆
肥产品质量的一个重要指标 ,同时也是堆肥产品安
全施用的保证.
N 是有机固体废弃物堆肥化处理过程中影响堆
肥质量的一个重要因素. 由于微生物的分解 ,部分 N
素在堆肥过程中转化成 N H3 的形式挥发而损失. 据
研究表明 ,城市垃圾堆肥化处理过程中 N 的损失量
为 50 %～60 %[4 ,7 ] ,污泥约为 68 %[13 ] ,粪便最高 ,达
77 %[9 ] . 堆肥的 p H、温度、供氧水平、调理剂对 N H3
的吸咐性能以及微生物的种类等 ,都会影响堆肥过
程中 N H3 的转化和挥发[14 ] . 研究表明 ,木屑在猪粪
堆肥过程中对 N H3 有很强的吸持能力[2 ] . N H3 的挥
发不仅损失了大量的 N 素营养 ,还会引起周围环境
的污染 ,因而有必要对堆肥过程中 N 的转变进行研
究.
2 　材料与方法
211 　堆肥
堆肥实验在香港嘉道理农场进行 . 猪粪采自香港大埔猪
场 ,木屑购自深圳一个木材加工厂. 为使起始 C/ N 比达到
30 ,需在猪粪中添加一定量高 C/ N 比的调理剂. 处理 1 中猪
粪与木屑的鲜重比为 3∶2 ,而处理 2 中猪粪、木屑与树叶的
鲜重比为 3∶1∶1. 垛堆的体积为 8m3 ,并加入 10 % (体积比)
的木块作膨胀剂 ,以增加堆内的空隙. 堆肥开始时 ,调节混合
物料的水分含量至 60 %～70 %. 为增加堆内的氧气量 ,堆肥
应 用 生 态 学 报 　2002 年 11 月 　第 13 卷 　第 11 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Nov. 2002 ,13 (11)∶1459～1462
前 6 周每 3d 机械翻动 1 次 ,之后每 5d 翻 1 次. 通过插入堆
体的温度计记录每天早晚的温度 ,并取其算术平均值描述堆
肥过程中的温度变化. 在 0、3、7、14、21、35、49 和 63d 分别采
集 3 个约 1 kg 的重复样品 ,每个样品由垛形堆前后两侧随
机各取 3 点混合而成 ,各点的采样深度约为 80cm. 样品在现
场保存于 4 ℃冰箱中 ,部分样品风干后研磨 ,过 0. 25mm 筛 ,
于干燥器中保存备测. 堆肥物料的部分物理化学性质见表 1.
表 1 　堆肥物料的物理化学性质
Table 1 Physical and chemical properties of ra w materials
指标
Index
猪粪
Pig manure
木屑
Sawdust
树叶
Leaves
p H 8. 12 5. 55 6. 68
EC (dS·m - 1) 2. 90 0. 02 0. 83
水分 Moisture content ( %) 68. 3 8. 12 61. 5
T2C ( %) 36. 6 46. 5 23. 2
T2N ( %) 3. 24 0. 07 1. 15
C/ N 比 C/ N ratio 11. 3 664 20. 2
212 　测定方法
　　新鲜堆肥样品用去离子水按土水比 1∶10 (以干重计) 浸
提 1 h 后 ,用 Orion920 ISE p H 计测定悬浮液的 p H 值. 然后 ,
在 4 ℃低温条件下 ,以 12000r·min - 1的速度离心 15min , 过
0. 45μm 纤维树脂滤膜 ,收集滤液用作以下项目的分析. 水溶
性 NH42N 用靛酚蓝比色法直接测定 ,水溶性 NO32N 以镉柱
还原法测定 ,水溶性 T2N 用以上滤液经消化后用靛酚蓝比
色法测定. 其中 ,水溶性有机 N = 水溶性 T2N - 水溶性 NH42
N - 水溶性 NO32N. 堆肥样品的 T2C 以风干样用重铬酸钾外
加热法测定 , T2N 用凯氏定氮法测定.
213 　种子发芽系数的测定
　　培养皿内垫上一张滤纸 ,均匀放入 10 颗水芹 (cress) 种
子 ,加入以上浸提滤液 5. 0ml ,在 25 ℃黑暗的培养箱中培养
48h 后 ,计算发芽率 ,并测定根长 ,每个样品作 3 次重复 ,同
时用去离子水工作空白试验 ,然后用以下公式计算种子的发
芽系数[16 ] :
　　发芽系数 ( %) = 处理的发芽率 ×处理的根长空白的发芽率 ×空白的根长 ×100
3 　结果与分析
311 　温度与 p H 的变化
　　堆肥开始后 (图 1a) ,两个处理的温度都迅速升
高并于第 3d 进入高温分解阶段 ( > 50 ℃) . 在这个过
程中 ,微生物消耗部分水溶性有机物和环境的养分 ,
而活动强烈并大量繁殖 ,有机质在氧气充足的条件
下强烈分解 ,由此产生大量的热量及 CO2 . 处理 1 的
高温阶段持续到 40d ,之后温度快速下降 ,45d 时已
下降至 37 ℃,处理 2 的温度在 38d 时急剧下降至
43d 的 38 ℃,至此 ,堆肥开始进入冷却和后熟阶段.
有些研究表明 ,堆肥的最适温度为 50～60 ℃,但也
有人认为城市固体废物堆肥化处理的最佳温度为
65～70 ℃[1 ] . 堆肥温度过低会导致有机物的分解缓
慢 ,堆肥温度过高则会抑制并杀死部分有益的微生
物 ,均不利于有机固体废物的堆肥化处理. 本研究的
最高温度在 65～69 ℃之间 ,根据温度的指示 ,在高
温阶段通过翻堆的方式将堆肥温度控制在 60 ℃左
右 ,图 1a 中温度的波动由翻堆引起.
　　两个处理的 p H 均在堆肥开始时快速上升 ,而
在堆肥结束时显著下降 (图 1b) . 随着堆肥温度的升
高 ,两个处理的 p H 值均迅速提高 ,并在 14d 时到达
最大值. 处理 1 的 p H 值从 0d 的 7. 89 迅速上升至
14d 的 8. 40 ,而处理 2 则从 6. 94 上升至 8. 22. p H
值的升高是由于有机质在微生物的强烈作用下分解
产生大量 N H3 引起[3 ] . 经过 35 d 的堆肥后 ,两个处
理的 p H 值逐步下降 ,至 63d 堆肥结束时 ,处理 1 和
2 的 p H 值分别为 7. 69 和 7. 24. 堆肥后阶段 p H 值
的下降是由于 N H3 挥发速率降低以及 NO32N 形成
并不断增多造成的[5 ] ,另外微生物活动产生的大量
有机酸也会引起堆肥后阶段 p H 值的降低[10 ] .
图 1 　堆肥过程中温度和 p H 的变化
Fig. 1 Changes of temperature and p H during composting.
Ⅰ. 处理 1 Treatment 1 , Ⅱ. 处理 2 Treatment 2 , Ⅲ. 环境温度 Ambi2
ent temperature. 下同 The same below.
312 　T2N 的变化
　　堆肥前 14d , T2N 略有减少 ,这是由于此过程中
有机 N 强烈分解产生大量的 N H3 ,并在碱性环境中
挥发而损失 (图 2) . 但总体上 , T2N 在经过 63d 堆肥
化处理后有所升高 (图 2) . 处理 1 的 T2N 从开始的
1. 57 %上升到结束时的 2. 0 % ,处理 2 则从 1. 78 %
上升到 2. 11 %. 这是由于有机质不断分解成 CO2和
H2O 而散失 ,垛形堆的体积随之减小 , T2N 因此被浓
缩而含量略有增加[6 ] . 在整个堆肥过程中 ,处理 2 的
T2N 浓度比处理 1 高 ,这可能是由于处理 2 中加入
的树叶含有较高的 N 所致.
0641 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
图 2 　堆肥过程中 T2N 的变化
Fig. 2 Changes of T2N during composting.
313 　水溶性 N H42N 的变化
　　在堆肥开始的前 14d ,处理 1 和 2 的水溶性
N H42N/ 水溶性 T2N 分别从 0d 的 52 %和 61 %上升
到最高点 67 %和 69 %(图 3) ,这是由于微生物的生
长和繁殖加剧了有机 N 的分解 ,从而产生了大量
N H3 而引起的[8 ] . 随着硝化作用的增强 ,N H42N 转
化成NO32N的量不断增加 ,水溶性N H42N / 水溶
图 3 　堆肥过程中水溶性 NH42N/ 水溶性 T2N 的变化
Fig. 3 Changes of soluble NH42N/ soluble T2N during composting.
性 T2N 在堆肥的最后阶段急剧下降 ,至堆肥 63d 结
束时分别为 30 %和 24 %.
314 　水溶性 NO32N 的变化
　　水溶性 NO32N 在堆肥最初阶段的含量很低 ,高
温阶段之后才迅速增加 (图 4) . 在堆肥前 21d ,两个
处理的水溶性水溶性NO32N / 水溶性 T2N几乎为
0 ,63d 时均迅速上升至 3 %左右. 在高温和高浓度
N H3 的条件下 ,硝化细菌的生长活动受到强烈抑
图 4 　堆肥过程中水溶性 NO32N/ 水溶性 T2N 的变化
Fig. 4 Changes of soluble NO32N/ soluble T2N during composting.
制 ,因而水溶性 NO32N 在堆肥初始和高温阶段含量
很低. 堆肥 21d 后 ,由于硝化细菌的快速生长和大量
繁殖 ,NO32N 的含量也开始不断升高[12 ] .
315 　水溶性有机 N 的变化
　　水溶性有机 N/ 水溶性 T2N 在堆肥开始的前 7d
有所减少 ,之后逐渐升高 (图 5) . 处理 1 和 2 分别从
0d 的 48 %和 38 %下降至 7d 的 33 %和 31 %. 这可能
是在堆肥开始阶段 ,为满足微生物生长活动的需要 ,
水溶性有机 N 在微生物的作用下被分解成无机养
分而减少[8 ] . 堆肥 7d 之后 ,水溶性有机 N 的含量逐
渐升高 ,到堆肥结束时分别达到 70 %和 76 % ,这可
能是由于在堆肥的后阶段部分无机 N 转变成有机
N ,而被同化固定下来的缘故.
316 　种子发芽系数的变化
　　处理 1 的种子发芽系数从 0d 的 14 %下降到
14d 的 3 % ,处理 2 从 2 %下降到 0 (图 6) ,可能是由
于前 14d 产生的高浓度 N H3 抑制了种子的发芽[6 ] .
随着堆肥的进行 ,种子发芽系数不断上升 ,到堆肥结
束时处理 1 达 85 % ,处理 2 更高达 117 %. Zucconi
等[16 ]报道 ,水芹种子的发芽系数能有效地反映堆肥
的植物毒性大小 ,可用于堆肥腐熟度的评价 ,它不仅
考虑了种子的发芽率 ,还考虑了植物毒性物质对种
图 5 　堆肥过程中水溶性有机 N/ 水溶性 T2N 的变化
Fig. 5 Changes of soluble organic N/ soluble T2N during composting.
图 6 　堆肥过程中种子发芽系数的变化
Fig. 6 Changes of seed germination index during composting.
164111 期 　　　　　　　　　　　黄国锋等 :猪粪堆肥化处理过程中的氮素转变及腐熟度研究 　　　　　　　　
子生根的影响. 他同时指出 ,当水芹种子的发芽系数
大于 50 %时 ,表示堆肥已腐熟 ,这是一个使用比较
普遍的评价指标. 意大利政府已将该标准用作有机
固体废弃物堆肥产品的腐熟标准. 根据这一标准 ,处
理 1 需要堆沤 42d 左右才达到腐熟 ,而处理 2 仅需
35d 便可达到腐熟的要求 ,表明加入一定量的树叶
有助于缩短猪粪堆肥化处理所需的时间.
317 　化学指标与种子发芽率的相关分析
　　由于堆肥产品最终都要作为有机肥用于农业生
产中 ,因而种子发芽系数被认为是最有效、最能反映
堆肥产品植物毒性大小的腐熟度评价指标[16 ] . 由表
2 可见 ,水溶性 N H42N/ 水溶性 T2N 与种子发芽系
数呈显著负相关 ,水溶性 NO32N/ 水溶性 T2N 和水
溶性有机 N/ 水溶性 T2N 均与种子发芽系数呈显著
正相关. 因而 ,它们可作为猪粪堆肥化处理的腐熟度
评价指标. 但是 ,不同来源不同性质的堆肥原料会直
接影响堆肥产品中水溶性 N H42N、NO32N 和有机 N
的含量 ,因而 , 其腐熟度评价标准还有待进一步研
究.
表 2 　化学指标与种子发芽系数的相关分析
Table 2 Correlative analysis bet ween chemical parameters and seed ger2
mination index
处理 Treatment A B C
1
- 0. 9266 3 3 0. 9673 3 3 0. 9266 3 3
2
- 0. 9417 3 3 0. 9499 3 3 0. 9417 3 33 3 P < 0. 05. A :水溶性 NH42N/ 水溶性 T2N Soluble NH42N/ soluble
T2N ; B :水溶性 NO32N/ 水溶性 T2N Soluble NO32N/ soluble T2N ; C :
水溶性有机 N/ 水溶性 T2N Soluble organic N/ soluble T2N.
4 　结 　　论
　　经过 63d 堆肥化处理后 ,猪粪与木屑以及猪粪、
木屑与树叶混合堆肥中的 T2N 含量、水溶性 NO32
N/ 水溶性 T2N 与水溶性有机 N/ 水溶性 T2N 均有
不同程度的提高. 水溶性 N H42N/ 水溶性 T2N 在堆
肥第 14d 达到最大值 ,之后迅速下降 ,并在堆肥结束
时达到一个较低的水平. 种子发芽系数的测定结果
表明 ,加入树叶有助于缩短猪粪混合堆肥处理所需
的时间. 相关分析结果表明 ,水溶性 N H42N/ 水溶性
T2N ,水溶性 NO32N/ 水溶性 T2N 和水溶性有机 N/
水溶性 T2N 均与种子发芽系数呈显著相关 ,可作为
堆肥腐熟度的评价指标 ,但其评价标准还有待进一
步研究.
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作者简介 　黄国锋 ,男 ,1974 年生 ,博士 ,工程师 ,主要从事
固体废弃物的农业资源化处理与利用、环境质量评价和重金
属污染与防治方面的研究. E2mail : naphonehuang @yahoo.
com
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