關(guān)鍵詞：蠅蛆預(yù)處理；好氧堆肥；廚余垃圾；溫室氣體減排；氨揮發(fā)

我國是蛋雞和肉雞養(yǎng)殖大國，雞糞的可持續(xù)利用是社會所面臨的一個重大問題。我國每年約產(chǎn)生1.7億t的雞糞，且其資源化利用率不高，導(dǎo)致養(yǎng)分大量流失并造成嚴重的環(huán)境污染。堆肥是處理雞糞的有效手段之一，堆肥產(chǎn)品可以作為土壤調(diào)理劑和作物長期的營養(yǎng)供應(yīng)來源。但無論哪種堆肥方式均會在一定程度上產(chǎn)生有害氣體，并直接對大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。氨（NH3）作為主要的污染物是一種具有刺激性氣味的氣體，也是形成酸雨的主要氣體，對大氣及土壤造成很大的危害，氧化亞氮（N20）、二氧化碳（C02）、甲烷（CH4）是引起全球變暖的主要溫室氣體，因此在堆肥期間對NH3和溫室氣體的減排至關(guān)重要。

一般情況下，新鮮雞糞具有高含水量、高pH、高黏性和低C/N等特征，這些特征不利于雞糞堆肥升溫發(fā)酵而且堆肥過程中會產(chǎn)生大量溫室氣體。針對該問題，研究人員通過將稻草、木屑、生物炭等物料與雞糞混合堆肥在不同程度上優(yōu)化堆體，降低NH3和溫室氣體排放，但這也存在堆肥周期長、儲存壓力大和增加成本等缺點。除此之外，可以通過添加腐食性昆蟲——蠅蛆對畜禽糞便進行快速預(yù)處理，該技術(shù)可調(diào)節(jié)雞糞理化性狀、優(yōu)化C/N、改善雞糞黏性結(jié)構(gòu)使其變松散進而縮短堆肥周期，同時還可將雞糞中多余的氮轉(zhuǎn)化為高蛋白幼蟲生物質(zhì)，大幅度降低雞糞堆體質(zhì)量。有研究表明，該方式處理畜禽糞便過程中NH3排放少，溫室氣體排放量低，不僅能減少碳素的損失，獲得優(yōu)質(zhì)蛋白及有機肥，而且不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

雞糞理化性質(zhì)并不適宜蠅蛆生長，而添加輔料是改善物料理化性質(zhì)、提高蠅蛆產(chǎn)量、提升后期堆肥效果的有效途徑。通過添加輔料提高蠅蛆在預(yù)處理階段活性，是否可在一定程度上降低堆肥階段NH3揮發(fā)和溫室氣體排放并不明確，因此本文針對蠅蛆預(yù)處理階段及堆肥階段的NH3和溫室氣體排放進行系統(tǒng)性研究，并在此基礎(chǔ)上進一步探究不同輔料添加對蠅蛆預(yù)處理階段及堆肥階段NH3和溫室氣體排放的影響，旨在為雞糞資源化利用提供科學參考。

1材料與方法

1.1供試材料

本試驗所用雞糞取自福建省創(chuàng)輝生物科技有限公司，輔料分別為風化褐煤、菇渣、廚余垃圾，廚余垃圾取自當?shù)厥程?，?jīng)粉碎機粉碎為勻漿狀。試驗在該公司發(fā)酵車間進行，堆肥初始理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計

試驗采用雙因素完全隨機區(qū)組設(shè)計，底物在堆肥前部分進行蠅蛆預(yù)處理，部分不進行預(yù)處理。試驗共設(shè)置8個處理（具體處理及編號見表2），每個處理設(shè)3組平行，以純雞糞堆肥為原始對照（CK1）。將輔料與雞糞的含水量分別調(diào)至65%，以3：7比例進行混合，各處理底物總質(zhì)量為100kg，底物混合均勻后將其平鋪成10cm厚度的長方形。試驗組將新鮮的蠅卵接種至底物上面，蠅卵的接種量為底物總質(zhì)量的2%。試驗組蠅蛆預(yù)處理為期4d，對照組靜置4d。試驗第4天分離蟲體后，將所有處理的含水量調(diào)至60%左右，稱取25kg底物轉(zhuǎn)入約50L（37cmx37cmx37cm）泡沫箱中進行為期30d的堆肥試驗。堆肥期間采用強制間歇式通風設(shè)施，通風速率為0.15L·kg-1·min-1，每間隔50min鼓風10min。分別于第7、14、22天翻堆。為區(qū)分試驗階段，蠅蛆預(yù)處理天數(shù)用羅馬數(shù)字表示。

1.3樣品采集與測定

分別于蠅蛆預(yù)處理階段第1、Ⅲ天和堆肥階段第1、3、5、7、10、13、16、20、26天采集NH3和溫室氣體進行測定。

NH3采用吸收法測定，用質(zhì)量分數(shù)為2%的硼酸溶液吸收，然后用稀硫酸進行滴定。溫室氣體采集前關(guān)閉鼓風機，打開泡沫箱頂部蓋子，使箱內(nèi)與外界空氣充分接觸交換（約30min），取周邊空氣作為對照，再將取樣器連接于頂部，30min后用醫(yī)用針筒從取樣器頂部預(yù)留的取氣口采集60mL箱內(nèi)氣體，存放在100mL的密閉氣袋內(nèi)。溫室氣體濃度采用安捷倫氣相色譜儀（7890A，美國）測定。CH4和C02氣體樣品分析色譜柱采用填充60/80目porapak Q的填充柱，鎳觸媒轉(zhuǎn)化器溫度為375℃，F(xiàn)ID溫度為200℃，助燃氣為空氣，流速300mL·min-1。N20氣體樣品分析色譜柱采用填充80/100目porapak Q的填充柱，ECD溫度為330℃。3種氣體同時測定，色譜柱的溫度均為55℃，定量六通閥進樣，進樣量1mL，載氣為N2，流速30mL·min-1，總測定時間為5min。

試驗期間測定雞糞pH、銨態(tài)氮（NH;-N）和硝態(tài)氮（N03-N）的樣品為鮮樣，pH采用pH計[水土比（質(zhì)量比）2.5：1]浸提測定，NH;-N和N03-N采用戴氏合金蒸餾法測定。有機碳（TOC）采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮（TN）采用H2S04-H202聯(lián)合消煮，消煮至無色或者淡黃色的澄清液后使用凱氏定氮儀測定。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

NH3排放通量計算公式：

文中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，采用Excel 2021進行數(shù)據(jù)分析，利用SPSS 27.0軟件在Duncan（SSR）方法下分析確定顯著性差異，利用Origin Pr0 2022制圖。

2結(jié)果與分析

2.1試驗過程中溫度的變化規(guī)律

好氧堆肥過程中各溫度變化如圖1所示，在蠅蛆養(yǎng)殖階段各處理溫度均保持在40.0℃左右。堆肥階段第2天各處理迅速進入高溫期（≥50.0℃），溫度均達到60℃以上，其中CK4、T3和T4的溫度分別為72.6、71.0℃和78.3℃，隨即各處理溫度整體上呈現(xiàn)出下降趨勢。在第8天翻堆以后各處理的溫度均出現(xiàn)不同程度的上升，第10天時各處理溫度均達到50.0℃以上的高溫。在第15天的第二次翻堆后只有T1、T2進入高溫期，其余處理溫度并未發(fā)生明顯變化。在整個堆肥過程中，各處理的高溫時間表現(xiàn)為T3gt;CK4gt;T1=T2gt;T4gt;CK3=CK2gt;CK1，高溫時間依次為14、13、12、12、10、7、7、5dn T3、CK4、T1、T2和T4的高溫期均超過10d，達到《糞便無害化衛(wèi)生標準》（GB 7959-2012）中好氧堆肥溫度≥50.0℃至少10d的要求。

2.2試驗過程中基本理化性質(zhì)的變化

如表3所示，經(jīng)過4d的蠅蛆預(yù)處理及陳化（堆肥第0天），各處理pH迅速上升至8.8左右，試驗組pH、C/N均略高于對照組，NH4-N和TN含量均低于對照組。純雞糞處理中，T1的N03-N含量高于CK1。試驗組（T1、T2、T4） TOC含量均低于對照組（CK1、CK2．CK4）。堆肥結(jié)束時（堆肥第28天），C/N、TOC和NH4-N也出現(xiàn)不同程度下降，試驗組TOC低于對照組。各處理NH4-N含量降幅為31.2%-82.3%，其中CK4和T4仍有較高的含量，分別為821.91mg·kg-1和762.95mg·kg-1。由于濃縮效應(yīng)，堆肥后各處理TN含量上升。

2.3試驗過程中NH3排放規(guī)律

蠅蛆預(yù)處理及堆肥過程中NH3排放通量和累積排放量如圖2所示，T2和T3的NH3排放峰值在蠅蛆預(yù)處理第Ⅲ天，其余處理排放峰值均出現(xiàn)在好氧堆肥第2天。試驗組NH3排放通量峰值要低于對照組。在好氧堆肥8d后，NH3排放通量處于較低水平，在翻堆后并無發(fā)生明顯變化。圖2e顯示，蠅蛆預(yù)處理能夠大幅度降低NH3累積排放量，T1比CK1降低47%且處理間達到極顯著差異水平（Plt;0.01），試驗組T2、T3和T4的NH3累積排放量分別比對照組CK2、CK3和CK4下降52.7%、61.1%和42.7%，且處理間也達到極顯著差異水平（Plt;0.01）。CK2和CK4比CK1降低21.8%、42.5%，處理間達到顯著差異水平（Plt;0.05）。T2、T3和T4處理比T1處理降低30.2%、15 .4%和37.8%，且T2和T4與T1處理間的差異達到顯著性水平（Plt;0.05）。雙因素方差分析表明，預(yù)處理、輔料及兩者交互作用對NH3累積排放量均有極顯著影響（Plt;0.01）。

2.4試驗過程中溫室氣體排放規(guī)律

2.4.1溫室氣體排放通量的變化

如圖3顯示，試驗第1天除CK3外其余處理均有較高水平的C02排放通量，且試驗組各處理C0：排放通量均高于對照組。在好氧堆肥期間，菇渣處理C02排放主要發(fā)生在第2-6天，而在其余T處理主要在第14-21天，各處理C02排放通量隨著堆肥時間和翻堆時間呈現(xiàn)出先上升后下降的循環(huán)變化趨勢，在堆肥第21天后趨于穩(wěn)定。此外，堆肥期間試驗組C02排放通量也均高于對照組。在整個試驗中N20排放通量一直處于較低水平（圖4），CK4和T4在試驗第1天就達到排放峰值，分別為7.7mg·m-2·d-1和12.9mg·m-2．d-1，其余處理在堆肥第4、11、17天出現(xiàn)短暫的排放高峰。純雞糞處理中，蠅蛆預(yù)處理提高了N20排放通量。本試驗中各處理CH4排放通量峰值均出現(xiàn)在蠅蛆預(yù)處理階段第1天（圖5），好氧堆肥期間各處理CH4排放通量均低于1mg·m-2·d-1，在腐熟后期呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢。除T4處理在堆肥期間有小幅度波動外，其余處理均在0.2mg·m·2-d-1上下波動。

2.4.2溫室氣體累積排放量

由圖6a可知，蠅蛆預(yù)處理使得C02累積排放量得到大幅度提高，T1、T2和T3分別比CK1、CK2和CK3增加39.2%、57.3%和48.9%，且處理間均達到極顯著差異水平（Plt;0.01）。CK4比CK1增加35.3%，且處理間達到顯著差異水平（Plt;0.05）。CK2處理C02累積排放量最低。在N20累積排放量方面（圖6b），除T1外試驗組其他處理N20累積排放量均低于對照組，其中T3、T4相比于CK3、CK4分別降低28.3%和30.4%，均達到顯著差異水平（Plt;0.05）。在輔料添加方面，風化褐煤的添加能夠顯著降低N20累積排放量，CK2比CK1下降52.7%，而CK3比CKI增加37.7%。試驗組中T2、T3和T4分別比T1下降84.7%、47.8%和68.8%，各處理與T1間均達到顯著差異水平（Plt;0.05）。T1的CH4累積排放量顯著低于CKI．降幅達到37.6%。與T1相比，T4下降67.4%，而T3增加29.1%。對照組中輔料的添加在不同程度上均降低了CH4排放量，CK2、CK3和CK4相比于CK1降幅分別達到33.1%、61.9%和87.1%，各處理均與CK1達到顯著差異水平（Plt;0.05）。菇渣添加處理相比其他處理CH4累積排放量最低（圖6c）。

2.4.3溫室氣體累積排放效應(yīng)

依據(jù)IPCC 2014年第五次會議報告中的溫室氣體折算方法，并參照《畜禽糞便腐殖化堆肥項目溫室氣體減排量核算技術(shù)規(guī)范》T/ZGCERIS 0006－2019溫室氣體核算邊界，動物糞便有機質(zhì)屬于生物源，堆肥過程中分解產(chǎn)生的C02排放不計算在溫室氣體排放中。結(jié)果表明（表4），蠅蛆預(yù)處理、輔料添加及其交互作用均能顯著降低EC02e各處理表現(xiàn)為CKIgt;CK3gt;CK2gt;T3gt;TIgt;T2gt;CK4gt;T4。T4具有最低的E，為66.90g·m-2，相比CK1下降71.8%。

2.4.4不同輔料及堆體預(yù)處理方式對堆肥過程中溫室氣體排放的雙因素分析

通過預(yù)處理和輔料之間的雙因素方差分析可知（表5），蠅蛆預(yù)處理僅對C02排放和E有顯著影響，輔料和輔料及預(yù)處理的交互作用顯著影響N20排放、CH4排放、C02排放和E。

2.4.5氣體排放與堆體理化因子間的相關(guān)性

相關(guān)分析表明（表6）：NH3排放通量與堆體pH和NH4-N呈顯著正相關(guān)，與TN呈顯著負相關(guān)，與N03-N呈極顯著負相關(guān)。CO2排放通量與pH呈極顯著負相關(guān)，與TN、TOC呈極顯著正相關(guān)。N20排放通量與N03-N呈顯著正相關(guān)。CH4排放通量與pH呈極顯著負相關(guān)，與TOC呈極顯著正相關(guān)。

3討論

3.1輔料添加顯著降低堆體NH3排放

NH3是導(dǎo)致堆肥過程中氮素大量損失的主要活性氮氣體之一，其揮發(fā)也是導(dǎo)致最終有機肥品質(zhì)降低的重要原因。在對照處理中30%蘑菇渣引入相對于其他對照處理減排效果最佳，比純雞糞處理下降44.1%。蘑菇渣具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，以及豐富的酶含量（如纖維素酶、酯酶），可通過優(yōu)化堆體條件提高微生物數(shù)量，以微生物同化作用來減少氮素損失，同時疏松結(jié)構(gòu)也能夠提高堆肥過程中的供氧效率，而堆體含氧量的增加可以增強NH3向N03-N的硝化過程并提高硝化細菌的活性，從而顯著降低氣態(tài)氮的損失來達到NH3減排的目的。其次胡偉桐等的研究還表明添加的輔料的比表面積也會影響氣體排放，蘑菇渣的比表面積最大且具有極性，更易于吸附NH3。因此蘑菇渣與雞糞堆肥，有無蠅蛆預(yù)處理時，其NH3和E。排放均最低。風化褐煤的添加也能夠顯著降低NH3排放量，這與Mei等的研究一致，由于風化褐煤偏酸性，經(jīng)風化褐煤添加改良后的雞糞pH降低，從而降低了NH3排放量，本研究結(jié)果也顯示NH3排放通量與pH呈顯著正相關(guān)。此外，風化褐煤具有的較多的裂縫和孔隙可在一定程度上吸收NH4和NH3以達到減排效果。

3.2蠅蛆預(yù)處理進一步降低堆體NH3排放

在本試驗中，蠅蛆預(yù)處理相比對照處理降低初始底物中NH4-N和TN含量，相關(guān)性分析表明NH4-N與NH3排放通量呈顯著正相關(guān)，試驗組NH3累積排放量也顯著低于對照組（圖2），這一結(jié)果與Chen等的研究一致。相比于傳統(tǒng)堆肥，黑水虻在不同含水率下生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便可大幅度降低NH3排放，而在此過程中只有1.47%-2.75%的氮轉(zhuǎn)化為NH3和溫室氣體。在整個試驗初期引入蠅蛆進行預(yù)處理，能在短期內(nèi)快速消耗大量氮源。Alejandro等的研究也表明黑水虻的添加使得轉(zhuǎn)化后的豬糞中氮減少25%，這可能是此次試驗中試驗組NH3排放量降低的主要原因之一。此外，預(yù)處理后的蟲沙黏度降低、疏松多孔，氧氣的大量進入能夠促進堆體中微生物繁殖及代謝活動，從而對NH3排放量起到有效的抑制作用。

3.3蠅蛆預(yù)處理與輔料添加及其交互處理具有不同的溫室氣體排放規(guī)律

堆肥過程中N20排放是由微生物活動、堆肥表面硝化作用和堆肥內(nèi)部反硝化作用產(chǎn)生的。在本試驗中，試驗組中T2、T3和T4的N20累積排放量顯著低于CK2、CK3和CK4，說明蠅蛆預(yù)處理能夠有效降低N20排放，這與Boakye等的研究一致，黑水虻蠕動會引起底物內(nèi)的曝氣，通過減少反硝化細菌數(shù)量來抑制反硝化，從而降低N20排放。在蠅蛆預(yù)處理階段第1天中CK4和T4均處于N20排放通量峰值，其余處理都維持在很低的水平。由此可見，蘑菇渣的加入對堆肥過程中N20排放有著較大的影響。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，雞糞與適量的蘑菇渣共堆肥時，N20的排放主要發(fā)生在堆肥初期，各處理在第1天時排放通量達到峰值。NH4-N和N03-N是微生物硝化和反硝化的基質(zhì)，N20的產(chǎn)生在很大程度上受這兩種基質(zhì)影響，堆肥前期NO2-N含量高是導(dǎo)致N20排放的重要原因，同時活性反硝化細菌也有著較高的貢獻。除添加蘑菇渣處理的CK4、T4，其余處理均表現(xiàn)出前期N20的排放量維持在很低的水平，隨著堆肥時間的增加N20的排放通量也小幅度增加，這與Miguel等和Ji-ang等的研究相似，在堆肥過程早期，高溫和高濃度的游離銨（300-1650mg·L-1）可能對硝化細菌產(chǎn)生抑制作用，有效碳源的缺乏也會在一定程上抑制異養(yǎng)反硝化細菌活性。也有研究表明N20排放的關(guān)鍵因素是堆體氮素的供應(yīng)水平，反硝化細菌在消耗盡有機碳后才會產(chǎn)生N20。CK2和T2處理相比于其他處理N20累積排放量均處于較低水平，且處理間并沒有顯著的差異（Pgt;0.05）。有研究表明風化褐煤表面有較多的孔隙及裂隙，而風化褐煤的添加能延長堆肥高溫階段及堆體通風量，促進硝化作用，導(dǎo)致N20排放量降低。

好氧堆肥過程中C02的排放主要是微生物降解有機質(zhì)引起的，C02的排放通量可以直接反映堆肥過程中微生物的活性及有機質(zhì)的降解礦化速率。在生物轉(zhuǎn)化階段C02排放通量也可以間接表明底物的生物降解率。試驗初期，C07主要來源于底物中微生物活動代謝和蠅蛆幼蟲呼吸，在生物轉(zhuǎn)化第1天T2和T4的C02排放通量明顯低于對照組，這可能是風化褐煤及蘑菇渣的加入對蠅蛆活性具有抑制作用或者輔料與蠅蛆的協(xié)同作用在一定程度上抑制了C02排放。在堆肥階段試驗組C02排放均來自于微生物代謝，而在此階段C02的排放通量明顯高于對照組，說明蠅蛆引入能夠改善底物性狀，提高微生物活性。菇渣添加使得堆體C02排放通量在堆肥前期就達到峰值，這是因為菇渣疏松多孔的結(jié)構(gòu)使堆體氧氣較為充裕，再加上堆肥初期堆體養(yǎng)分含量較高，好氧微生物快速繁殖，使部分容易分解的可溶性物質(zhì)氧化分解生成C02和H20。試驗組其余處理C02排放通量峰值均出現(xiàn)在堆肥第17天，由于試驗初期大量的有機物料被生物轉(zhuǎn)化，所以導(dǎo)致堆肥初期C02排放較少。隨著堆肥天數(shù)的增加，不易分解的有機物料被轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致堆肥中期大量的C02排出。對照組在前期也具有較低的C02排放通量，其主要原因在于物料性狀，雞糞的黏性結(jié)構(gòu)不同程度地抑制了微生物活性。此外，隨著含水率的降低，雞糞抱團為小球狀阻隔了氧氣的進入，使其內(nèi)部的氧氣含量降低，進而導(dǎo)致C02排放較低。

試驗過程中氧氣濃度是影響CH4產(chǎn)生的重要因子，堆體內(nèi)部的易降解有機物質(zhì)及水分含量在一定程度上能夠加速CH4的釋放。各處理CH4排放主要集中在整個試驗的第1天，早期階段底物水分含量大、孔隙度低和微生物活動較為劇烈，當完成有氧代謝后堆體中出現(xiàn)部分小分子有機酸（甲酸、乙酸和丙酸），在厭氧條件下甲烷菌利用C02和乙酸產(chǎn)生CH4，這可能是導(dǎo)致第1天CH4排放通量高的主要原因。本試驗中T1處理CH4排放通量峰值和累積排放量均低于CK1，說明蠅蛆預(yù)處理在一定程度上能夠降低CH4排放，有機物降解過程中的厭氧條件會產(chǎn)生大量的CH4排放，而蠅蛆的飼養(yǎng)在半好氧條件下，因此導(dǎo)致較低的CH4排放。此外，蠅蛆通過生物轉(zhuǎn)化和蠕動改善底物空氣循環(huán)并減少CH4產(chǎn)生。本研究發(fā)現(xiàn)，翻堆后CH4排放通量會出現(xiàn)小幅度下降。Jiang等的研究也發(fā)現(xiàn)不翻堆處理CH4排放量顯著高于翻堆處理。分析表明，底層環(huán)境條件包括厭氧環(huán)境、低于200 mV的氧化還原電位和較高的溫度均有利于CH4的排放。Szanto等也有類似發(fā)現(xiàn)，翻堆以CH4的形式損失0.4%的初始有機碳，而靜態(tài)堆肥損失12.9%。翻動堆體能使物料混合均勻并能改善堆體通風，而且能使有厭氧條件的大顆粒破碎。

4結(jié)論

（1）蠅蛆預(yù)處理可以延長堆肥高溫期，使其各處理高溫期均超過10d，相比無蠅蛆預(yù)處理的純雞糞堆肥增加了5～9d，符合《糞便無害化衛(wèi)生標準》（GB7959-2012）。

（2）NH3排放通量與pH、NH4-N、N03-N和總氮間具有顯著相關(guān)性。蠅蛆預(yù)處理相比于無預(yù)處理對照組能夠顯著降低NH3排放，在純雞糞條件下蠅蛆預(yù)處理降低47%的NH3排放，菇渣和蠅蛆預(yù)處理組合達到最佳減排效果，比純雞糞處理降低67.1%。

（3）蠅蛆預(yù)處理能夠顯著降低C02排放當量（E），但同時提高各處理C02排放量。其中，菇渣和蠅蛆預(yù)處理組合有最低的EC02e其相比CK1下降73.2%。