生物炭对放牧绒山羊羊粪堆肥腐熟度及臭气排放的影响

Effects of biochar on the maturity, degradation of lignocellulose, and odor emissions of aerobic composting of grazing cashmere goat manure

摘要

为研究添加生物炭对放牧绒山羊羊粪堆肥腐熟过程的影响，以羊粪和玉米秸秆为堆肥原料，生物炭为添加剂，进行好氧堆肥试验，对照组（CK）不作处理，处理组1、2、3（T1、T2、T3）分别添加堆体干重的5%、10%和15%生物炭，分析生物炭对堆肥基本理化性质、腐熟度、臭气和木质纤维素组成的影响。结果表明：1）添加生物炭可以显著提高堆肥最高温（64.8 ℃）和延长高温期持续时间，并提高堆肥结束时的pH（P<0.01），降低电导率。2）堆肥结束时CK、T1、T2和T3的总氮含量分别为19.69、19.92、21.30和20.30 g/kg，种子发芽指数分别为149%、154%、189%和186%。与CK相比，T2和T3显著提高堆肥结束时总氮含量（P<0.05），降低堆肥氮素损失33.53%和23.71%，并显著提高堆肥种子发芽指数27%和 25%（P<0.05）。3）与CK相比，T1、T2和T3可分别减少NH₃累积排放量25.25%、40.50%和28.89%，减少H₂S 累积排放量26.33%、29.50%和30.09%。4）堆肥结束时4个组的纤维素、半纤维素和木质素降解率分别为48.76%~56.29%、37.60%~48.13%和6.65%~14.20%。处理组纤维素降解率（T1（52.90%）、T2（53.81%）和T3（56.29%））均高于CK（48.76%）（P<0.05），提高8.48%~15.44%；T2（48.13%）和T3（47.8%）的半纤维素降解率显著高于CK（38.43%）（P<0.05），分别提高24.37%和25.22%；T2的木质素降解率（14.2%）显著高于T1（11.20%）和T3（10.37%）（P<0.05），又极显著高于CK（6.65%）（P<0.01），处理组木质素降解率较CK提高56.08%~113.04%。综上，在本研究条件下，在羊粪堆肥中添加生物炭可有效减少放牧条件下羊粪堆肥中氮素损失和臭气排放，促进木质纤维素降解，提高堆肥种子发芽指数和腐熟度，提升堆肥产品品质，因此推荐生物炭添加量为干重10%。

Abstract

To study the effect of adding biochar on the composting process of goat manure， an aerobic composting experiment was conducted using goat manure and corn straw as composting materials and corn straw biochar as additives. The control group （CK） was not treated， while treatment groups 1， 2， and 3 （T1， T2， T3） were added in 5%， 10% and 15% biochar on a dry matter basis， respectively. The effects of biochar on the basic physicochemical properties， maturity， gas emission， and lignocellulose fractions of the compost were analyzed. The results showed that：1）Adding biochar could significantly increase the maximum temperature of compost （64.8 ℃） and prolong the duration of high temperature （7 days）， and increase the pH （P<0.01） at the end of composting， and reduce electrical conductivity.2）At the end of composting， the total nitrogen （TN） contents of CK， T1， T2 and T3 were 19.69， 19.92， 21.30 and 20.30 g/kg， respectively， and the seed germination indices were 149%， 154%， 189% and 186%， respectively. Compared with CK， T2 and T3 significantly increased the total nitrogen content at the end of composting （P<0.05）， reduced nitrogen loss in composting by 33.53% and 23.71%， and significantly improved the seed germination index of compost by 27% and 25% （P<0.05）. 3）Compared with CK， T1， T2， and T3 can reduce NH₃ cumulative emissions by 25.25%， 40.50% and 28.89%， respectively， and reduce H₂S cumulative emissions by 26.33%， 29.50% and 30.09%， respectively. 4）At the end of composting， the degradation rates of cellulose， hemicellulose and lignin in the four groups were in the range of 48.76%-56.29%， 37.60%-48.13%， and 6.65%-14.20%， respectively. The cellulose degradation rates in the treatment groups （T1（52.90%），T2（53.81%）， T3（56.29%）） were all higher than that in the control group （48.76%） （P<0.05）， with an improvement of 8.48% to 15.44%.The hemicellulose degradation rates of T2 （48.13%） and T3 （47.8%） were significantly higher than that of CK （38.43%） （P<0.05）， with an increase of 24.37% and 25.22%， respectively. The lignin degradation rate of T2 （14.2%） was significantly higher than that of T1 （11.20%） and T3 （10.37%） （P<0.05）， and was also significantly higher than that of CK （6.65%） （P<0.05）. Compared with CK， the lignin degradation rates of treatment groups increased by 56.08% to 113.04%. In conclusion， under the experimental conditions of this study， the addition of biochar to goat manure compost can effectively reduce nitrogen loss and odor emissions during composting of goat manure under grazing conditions. promote lignocellulose degradation， and increase the germination index and maturity of the compost， and enhance the quality of the compost product. Therefore， it is recommended that the amount of biochar added be 10% of the dry weight.

Graphical abstract

关键词

羊粪 / 生物炭 / 好氧堆肥 / 碳氮比 / 木质纤维素

Key words

goat manure / biochar / aerobic composting / carbon nitrogen ratio / lignocellulose

我国是养殖业和种植业生产消费大国，2019年我国畜禽废弃物年产量高达38亿t^［1］。此外也有报道在2021年我国畜禽粪污年产量约为30亿t，在各类畜禽粪污中羊粪污总产量超过2.9亿t^［2］。内蒙古草原辽阔，利于羊群放牧养殖，拥有全国第一的羊养殖规模，2021年羊粪污年产量也较高（5764万t）、达到其畜禽粪便总量的39.72%^［3］，同时各种农作物秸秆产生量也高达8.6亿t^［4］。因此我国一直面临巨大的农业废弃物处理压力。

目前，农业废弃物常用处理方法有焚烧、填埋和堆肥发酵。其中，好氧堆肥是实现畜禽粪污肥料化利用最常用的处理方式，具有腐熟速度快、周期短、有机物降解充分、病原菌杀灭彻底等优点，是畜禽粪污处理的首选，但通常需要添加高碳源物质如各种作物秸秆来调节 C/N 比和孔隙度，进而提高堆肥效率和有机肥品质。

通常堆肥过程会产生大量氨气（NH₃）、硫化氢（H₂S）等臭气（OC），不仅降低堆肥产品的品质，还造成二次污染。因此，有必要对堆肥发酵过程进行调控，如添加一些外源添加剂，以减少养分损失和臭气排放。在堆肥中常用的添加剂主要有沸石、粘土、生物炭、活性炭等物质，它们通常具有高比表面积、多孔多羟基结构、热稳定性好、吸附能力强等特点^［5］，对堆肥过程中排放的臭气（如H₂S）有很强的吸附减排作用^［6］。研究显示，添加生物炭可以减少畜禽粪污堆肥过程中NH₃、氧化亚氮（N₂O）、甲烷（CH₄）等气体的排放，提高堆肥腐熟后铵态氮（\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N）和硝态氮（\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N）含量，有效保留畜禽粪污养分^［7］。张邦喜等^［8］研究发现，鸡粪堆肥中添加10%生物炭使以NH₃-N形式损失总氮（TN）降低了28.83%。李太魁等^［9］研究发现，添加10%秸秆生物炭后，堆肥中固氮类细菌显著增加，反硝化细菌显著减少，氨累积排放量降低了25.35%，总氮增加28.6%。

目前，生物炭在猪、鸡、牛等粪便堆肥中的效果已被证实，但不同畜禽粪便的理化特性存在较大差异。羊粪的水分含量远低于猪粪、鸡粪和牛粪，碳氮比远高于猪粪、鸡粪和牛粪^［3］。同时羊为典型的食草动物，其粪便中木质纤维素含量相对较高，不易降解^［10］。也有研究发现山羊粪与绵羊粪堆肥存在较大差异^［11］。此外，放牧条件下的山羊由于饲料来源单一，缺乏玉米等精料，产生粪便的理化特性与舍饲养殖的山羊也有较大区别。目前针对放牧条件下，生物炭对于山羊粪堆肥的效果还鲜有报道，对其臭气排放规律认识尚不清晰。因此，本研究以放牧绒山羊羊粪与玉米秸秆为堆肥原料，以生物炭为添加剂，分析不同生物炭添加量对放牧条件下山羊粪堆肥基本理化性质、腐熟度、产气和纤维素含量的影响，为牧区放牧条件下羊粪的资源化利用提供技术和理论支撑。

1　材料与方法

1.1　堆肥装置

试验装置为参考李丹阳^［11］改装的30 L法兰铁箍桶（图1），材料为耐高温、耐强酸强碱的高密度聚乙烯HDPE材料，口径26 cm，桶体直径32 cm，桶体高度51 cm，在完整法兰桶的基础上，底部开孔连接进气管，桶内底部加装一带直径0.35 cm孔径不锈钢筛板，桶体外部覆盖2 cm保温棉，桶盖上方开两孔，一孔连接排气管，一口用橡胶塞封住，用于待测温度。

1.2　供试材料

生物炭：购自河南立泽环保科技有限公司

堆肥原料：羊粪为主材料，取自内蒙古亿维白绒山羊有限责任公司的2022年7—9月份放牧的绒山羊（白天放牧，自由饮水，晚上圈养不补饲，收集圈内一周左右产生的羊粪），玉米秸秆购自晋州市亮洁商贸有限公司，经粉碎至长度为1~4 cm后作为堆肥辅料。堆肥原料的基本理化性质见表1。

1.3　试验设计与方法

试验在内蒙古亿维白绒山羊有限责任公司三北羊场进行。每个堆肥装置保持初始物料总重相同（10 kg），加入羊粪和总重10%的玉米秸秆，使碳氮比（C/N）为23左右，加水调节含水率为55%左右，采用连续通风方式，通风率设为 0.37 L/（kg·min）。

试验设置不同的生物炭添加量（物料总干重的5%、10%和15%）处理组（T1、T2、T3），试验开始前将生物炭与堆肥原料混合均匀，再转入堆肥装置，对照组（CK）不添加生物炭，每个组设置3个重复，通过摇晃、按压等操作保持每个处理体积相同。分别于第0、3、7、14、21、28和35天进行翻堆并采集样品，样品分为3份，一份（约60 g）用于水分测定，一份（约100 g）于-20 ℃冷冻保存，用于测定pH、电导率（EC）、E₄/E₆、种子发芽指数（GI）等，一份（约100 g）经自然风干、粉碎、过100目筛后用于测定挥发性固体（VS）、总碳（TC）、总氮（TN）、有机质组分（纤维素、半纤维素和木质素）。

1.4　测定项目与方法

每天上午10∶00用60 cm 数显探针式温度计测定堆体上、中、下层的平均温度，有效积温计算方法同陈同斌等^［12］；含水率通过将新鲜样品在105 ℃烘干至恒重测定；将风干样置于马弗炉中灼烧（600 ℃）3 h至恒重，根据差量法计算VS；依照农业行业标准《NY/T525-2021 有机肥料》中的测定方法，取新鲜湿样10.0 g，用100 mL蒸馏水振荡浸提30 min后过滤，用pH计测定滤液pH，用电导率仪测定滤液EC，用722型可见光分光光度计测定465和665 nm处吸光度，比值为E₄/E₆^［13］，取浸提液5 mL于垫有滤纸的直径9 cm培养皿中，放入10粒饱满萝卜种子，置于（25±1）℃的培养箱中培养48 h，测量根长及GI，GI由下式公式确定：

\mathrm{G}\mathrm{I}/\%=\frac{A_{\mathrm{1}}\times A_{\mathrm{2}}}{B_{\mathrm{1}}\times B_{\mathrm{2}}}\times \mathrm{100}

式中：A₁为堆肥浸提液培养的种子发芽率，%；A₂为堆肥浸提液培养种子的平均根长，mm；B₁为蒸馏水培养的种子发芽率，%； B₂为蒸馏水培养种子的平均根长，mm。

氧气（O₂）和H₂S采用便携式气体检测仪（SKY2000-M，深圳）测定；在发酵罐顶部排气管连接装有2%硼酸溶液的吸收瓶，用0.01 mol/L标准盐酸滴定，根据盐酸的消耗量计算NH₃产量。NH₃和H₂S的气体排放速率与累积排放量根据前人公式计算^［14］。堆肥气体在每天下午14∶00测定一次。

TC和TN的测定参照《土壤农化分析》^［15］。

木质纤维素（半纤维素、纤维素及木质素）采用范式洗涤法^［16］测定。

1.5　数据处理与分析

数据利用Microsoft Excel 2019进行基本运算、作图利用origin 2018制图，采用软件SPSS Statistics 26进行统计分析。

2　结果与分析

2.1　生物炭对堆肥理化性质的影响

图2（a）可知，各处理温度变化趋势大致分为升温期、高温期、降温期和腐熟期。各处理均在第1天即达到50 ℃，CK、T1、T2、T3分别是51.0、54.4、53.7和56.1 ℃，处理组显著高于对照组（P<0.05）；均在第3 天达到最高温，分别是60.3、61.7、64.1和64.8 ℃，其中T2和T3显著高于CK和T1（P<0.05），在第4 天温度开始下降，在第7 天翻堆后温度有短暂上升。堆肥期间高温期持续时间分别为6、7、7和7 d，有效积温分别是12 715、13 962、14 129和14 370 ℃·h。堆肥过程中的O₂浓度变化如图2（b）所示，在堆肥第1天，O₂浓度迅速降低，到第5天降至最低点，CK、T1、T2、T3分别是10.75%、9.42%、10.03%和11.13%；随后迅速上升，在第7天翻堆后有所降低，随后逐渐回升。各处理O₂浓度无显著差异（P>0.05）。图2（c）中，堆肥开始时，CK、T1、T2、T3的pH 值分别为7.69、8.09、7.94和8.12，差异显著（P<0.05）；结束时分别为8.15、8.26、8.20和8.38，无显著差异（P>0.05），整体呈现先降低后上升，最后逐渐趋于平稳的趋势。由图2（d）知，堆肥过程中，各处理的EC值变化呈现先降低后升高再下降的趋势。0~7 d，EC值下降，第7 天时，CK、T1、T2和T3的EC值分别为1.47、1.23、1.65和1.73 mS/cm，存在显著差异（P<0.05）。第7~35 天，EC值缓慢上升后下降，结束时各处理组的EC值分别为1.50、1.46、1.45和1.61 mS/cm，T3显著高于其他处理（P<0.05）。堆肥结束时各处理的 EC 值与初始值相比均降低，且EC 值均小于 4 mS/cm，符合堆肥产品要求。

2.2　生物炭对堆肥碳氮含量及腐熟度指标的影响

由图3（a）（b）（c）可知，堆肥开始后 TC含量逐渐降低，除CK的TN含量在堆肥初期快速下降外，其他处理TN含量逐渐上升并趋于平稳，C/N逐渐减小。结束时CK、T1、T2和T3的TC和TN含量分别为288、283、278、269和19.69 、19.92、21.30和20.31 g/kg，C/N分别为15.34、14.75、13.51和13.32。堆肥结束时T2的TN含量显著高于其他处理（P<0.05）。与CK相比，处理组都显著减少了氮素损失（P<0.05），CK、T1、T2和T3的氮素损失率分别为17.55%、16.41%、11.66%和13.38%，其中T2的保氮效果较好，较CK减少氮素损失33.53%。

由图3（d）可知 ， 随着堆肥的进行，GI值先逐渐上升。在堆肥0~14 d，各处理组无显著差异（P>0.05）。GI值在第21天出现下降后又迅速回升。堆肥结束时CK、T1、T2、T3的GI值分别为149%、154%、189%和186%，T1、T2、T3的GI值较CK分别提高3%、27%和25%，且T2和T3显著高于T1 和CK（P<0.05）。

由图3（e）可知，E₄/E₆值在堆肥初期迅速下降后，在第14天小幅上升，随后继续下降趋于平缓。在堆肥高温期，处理组E₄/E₆值显著高于CK（P<0.05）。堆肥结束时，CK、T1、T2和T3的E₄/E₆值分别为2.89、2.84、2.86和2.67，结束时T3的E₄/E₆值显著低于其他处理组（P<0.05）。

2.3　生物炭对堆肥臭气排放的影响

2.3.1　NH₃

由图4（a）（b）可知，各处理组NH₃排放速率呈现先快速上升后迅速下降，最后趋于平稳的趋势。各处理组NH₃的排放速率均在堆肥第3 天达到最大值，CK、T1、T2和T3分别为227.37、150.79、144.81和184.31 mg/（kg·d）。7 d后堆体温度逐渐降低，NH₃的排放速率逐渐降为0，累积排放量不再增加。由图4（b）可知，结束时CK、T1、T2和T3的 NH₃累积排放量为574.76、429.65、341.98和408.70 mg/kg，T1、T2和T3较CK分别减少了25.25%、40.50%和28.89%，累积排放量均显著低于CK（P<0.05）。

2.3.2　H₂S

由图5（a）可知，各处理的H₂S排放速率呈现先快速上升后迅速下降的趋势。H₂S排放主要发生在堆肥高温期，且均在第1 天即达到排放速率峰值，分别为1.20、0.93、0.86和0.74 mg/（kg ·d），与CK相比，生物炭处理显著降低H₂S最大排放速率（P<0.05）。图5（b）可知，堆肥结束时，CK、T1、T2、T3的H₂S累积排放分别为5.05、3.72、3.56和3.53 mg/kg，T1、T2和T3可分别减少H₂S累积排放量26.33%、29.50%和30.09%，表明生物炭可显著减少H₂S排放总量（P<0.05）。

2.4　生物炭对堆肥木质纤维素降解的影响

由图6（a）可知，堆肥前14 d，纤维素和半纤维素降解较快，含量快速下降。而木质素相对于纤维素和半纤维素结构复杂，降解速度较慢。CK中木质素含量略有上升，从63.58 g/kg上升到66.12 g/kg，其他处理均略有下降。在14~35 d，木质纤维素降解速度均变慢，堆肥结束时各组纤维素、半纤维素和木质素含量分别为74.14~91.76、98.41~114.90和68.52~69.83 g/kg。

由图6（b）可知，T1（纤维素含量85.15 g/kg，降解率为52.90%）和T3（纤维素含量74.14 g/kg，降解率为53.81%）中纤维素降解率显著高于CK（纤维素含量91.76 g/kg，降解率为48.76%）（P<0.05），且T2（纤维素含量73.56 g/kg，降解率为56.29%）极显著高于CK（P<0.01），表明添加生物炭可提高纤维素降解率8.48%~15.44%。T2（半纤维素含量98.41 g/kg，降解率为48.13%）和T3（半纤维素含量105.00 g/kg，降解率为47.80%）中半纤维素降解率显著高于T1（半纤维素量113.98 g/kg，降解率为37.60%）和CK（半纤维素含量114.9 g/kg，降解率为38.43%）（P<0.05），表明添加10%~15%生物炭提高半纤维素降解率24.37%~25.22%。T1（木质素含量69.10 g/k，降解率为11.21%）和T3（木质素含量68.54 g/kg，降解率为10.37%）中木质素降解率显著高于CK（木质素含量69.83 g/kg，降解率为6.65%）（P<0.05），且T2（木质素含量68.52 g/kg，降解率为14.20%）极显著高于CK（P<0.01），添加生物炭提高木质素降解率56.08%~113.04%。

3　讨　论

温度是好氧堆肥启动发酵的关键因素，影响微生物的生长，代表了微生物的代谢强度。巨大的比表面积，疏松多孔的结构以及热稳定性^［5］，让生物炭在堆肥中应用广泛。本试验中，生物炭的添加延长了堆肥高温持续时间，提高了堆肥有效积温。生物炭的热稳定性有助于减少堆肥热损失，延长高温期^［18］。Awasthi等^［17］研究竹炭在羊粪堆肥中的效果，发现6%~10%的竹炭能够显著加快堆肥的升温，提升堆肥最高温并延长高温持续时间。在堆肥初期微生物消耗O₂快速繁殖，O₂浓度快速下降，到第3 天，CK、T1、T2和T3的O₂浓度分别为13.89%、12.29%、12.20%和11.59%，添加生物炭的处理组O₂浓度下降速度明显高于CK。第1~5天，CK、T1、T2和T3的O₂浓度分别保持在10.75%~15.26%、9.42%~14.10%、10.03%~14.10%和11.10%~13.33%区间。在第7天翻堆后，O₂浓度并没有继续上升，而是逐渐下降。这可能是因为翻堆使堆体中有机质和微生物重新分配，且微生物在充足O₂下继续利用O₂分解有机物，使补充的O₂被消耗，因此，O₂浓度下降。在堆肥第14~35 天，处理组（17.40%~19.21%）的O₂浓度一直略低于CK（18.45%~20.18%），这可能是生物炭的添加增强了微生物活性，使O₂持续缓慢被微生物利用，分解有机物。

堆肥高温期微生物代谢旺盛，分解有机质产生小分子有机酸，使堆肥pH值迅速降低，同时微生物快速繁殖产热使大量NH₃逸出，进一步降低了堆体pH^［19］。在堆肥中后期由于堆体含氮有机物被转化为铵态氮，有机酸逐渐被分解，因此，堆体pH值上升，本试验处理组的pH值高于CK，这与前人研究结果一致^［20］。EC值与有机物矿化和可溶性盐的浓度有关，有机酸盐类和无机盐是堆肥中可溶性盐的主要组分，一定程度上反映堆肥产品对植物生长的潜在危害^［11］。舍饲养殖的羊通常会补充玉米等精料，粪便中有一定的饲料残渣等，其产生的羊粪可溶性盐分含量通常较高，因此在堆肥初始即具有较高的EC值，通常在4.0 mS/cm以上^{［17， 21］}。而本试验中放牧养殖的羊粪与舍饲养殖产生的羊粪相比，具有更低的初始EC值（2.1 mS/cm以下），可能是由于放牧方式，使得粪便成分以草类残渣为主，因此也具有更低的植物毒性^［11］。堆肥结束时各处理的EC值与初始值相比有所降低，且EC值均远小于4 mS/cm，满足堆肥无害化要求。

在堆肥前期，微生物分解有机质，TC和TN的含量减少。而有机质的消耗速度高于总干物质的消耗速度，氮素的消耗速度低于总干物质的消耗速度，同时生物炭的多孔结构和吸附性^［5］可以吸收挥发性氮素，因此TC含量减少，但TN含量相对升高，C/N减小。Li等^［22］认为造成堆体TN含量相对升高的原因可能是有机化合物的降解和“浓缩效应”。这与Awasthi等^［17］研究结果一致，添加10%竹炭即可使羊粪快速矿化，在TC含量不断下降的同时，TN含量先下降后不断上升，从而保存了氮，降低氮损失；张邦喜等^［8］通过在鸡粪中添加生物炭也取得了近似的效果。研究发现，堆肥前期产生的有机酸和酚类等物质会抑制种子发芽^［23］。GI值是反映堆肥腐熟度和对植物毒性的常用参数^［24］，GI大于50%时可说明堆肥产品对植物生长无害^［25］，GI大于80%则说明堆肥达到腐熟^［26］。舍饲养殖产生的羊粪，通常需要20 d以上的堆肥才能达到腐熟标准，同时山羊粪便和绵羊粪便由于其粪便成分的差异，其达到腐熟标准的所需要的堆肥时间也有较大不同^［11］。本研究中，放牧山羊的羊粪经过14 d的堆肥，各处理GI即能达到100%以上，腐熟周期更短。其次相较于CK，10%~15%的生物炭可提高堆肥后GI值，降低堆肥的植物毒性。E₄/E₆值是堆肥中胡敏酸在465和665 nm波长特征吸收强度之比，反映堆肥芳构化和腐熟程度，并且E₄/E₆值越小，腐熟度越高^［27］。在堆肥高温期，有机质逐渐被分解，芳香族物质大量生成，E₄/E₆值下降。堆肥结束时T3的E₄/E₆值显著低于其他处理，腐熟度也更高。

堆肥过程中氮素的存在形态主要为有机氮、\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N、\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N、NH₃等。Liu等^［28］研究发现，生物炭可以通过调节硝化作用来减少氮素损失。NH₃挥发大多数时间发生在堆肥的高温期，主要来源于含氮有机物的氨化作用^［29］。在堆肥高温期，微生物快速分解有机质，产生\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N，随后转化为NH₃。NH₃的产生主要集中在升温和高温阶段，通氧量越大，NH₃排放越多，氮素损失就越多，但通氧不足时堆肥中微生物会产生缺氧反应，氮氧化合物气体（NO_X）排放量会上升^［30］。同时，堆肥原料中的可溶性\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}含量和pH值变化对NH₃ 挥发也产生影响。本研究中，NH₃ 排放集中在前3 d，此时含氮有机物多，氧气充足，微生物活性高，NH₃排放速率快。NH₃ 的排放速率在第3天翻堆后迅速下降，在第7天翻堆后有小幅上升，可能是因为翻堆促进了微生物对有机质的分解利用，并且使堆体内部NH₃得到释放，提高了NH₃的排放^［31］。添加生物炭后，NH₃ 累积排放量均有不同程度的减少，可能是由于生物炭的内部结构和酸性官能团对NH₃ 和NH₄⁺的吸附作用，同时促进了某些微生物对氮素的固定^［32］。Janczak等^［33］在鸡粪与小麦秸秆联合堆肥中添加木炭，发现NH₃排放集中在堆肥前3 d，添加5%和10%的木炭分别减少了30%和44%的NH₃排放。Awasthi等^［17］发现10%的竹炭显著降低了羊粪堆肥中65.17%的NH₃生成。本研究中NH₃排放速率和累积排放量低于舍饲养殖羊粪的产生量^{［17， 33］}，可能是由于放牧羊粪的成分跟舍饲养殖羊粪差异较大，其含氮量更低^{［11， 34］}。粪便中的硫元素主要来源于畜禽粪便中未消化完全的蛋白质，存在形式包括无机硫和有机硫形态^［35］。在厌氧条件下，硫酸盐还原菌将一部分硫酸盐还原为硫化物并产生H₂S。还有一部分硫酸盐被转化为有机硫形态，继而被催化降解发生去甲基化反应，产生H₂S^［36］。堆肥初期氧气消耗快，造成局部厌氧环境，因此本研究中H₂S主要产生在堆肥前期，而生物炭的多孔结构增加了堆体内部的氧气含量，不利于厌氧环境的形成，减少了H₂S排放量。

大量研究表明，好氧堆肥通常能够降解50%左右的纤维素和60%左右的半纤维素^［37］。Yin等^［38］研究发现，生物炭通过增强纤维素酶和真菌群落的作用提高了纤维素的分解。本试验中，各处理组的木质纤维素含量随着堆肥进行逐渐降低，降解率逐渐增加，并且添加生物炭提高了其降解率。在堆肥初期，纤维素和半纤维素在堆肥中快速降解，相对含量逐渐下降并趋于稳定。这是由于可溶性糖、半纤维素和纤维素等易降解，且微生物群落的协同作用更容易降解这些有机质^［39］。而木质素的相对含量在堆肥初期缓慢上升，这是因为尽管木质素的绝对含量在减少，但其降解速率低于同一堆肥阶段存在的其他有机物的降解，导致木质素的相对含量逐渐增加。木质素是一种大量存在于植物维管组织中的芳香族聚合物，通过C-O-C和C-C相互连接^［40］，是堆肥过程中最难以降解的化合物之一。同时可能由于木质素降解菌在前期高温条件下活性较低^［41］，因此堆肥初期堆体的木质素降解缓慢。随着堆肥温度降低，以子囊菌门为主的真菌代谢逐渐增强，使木质素的降解速率加快^［42］。因此在嗜热阶段之外木质素降解相对加快。

4　结　论

1）本研究条件下，增加生物炭添加量可提高羊粪堆肥最高温并延长高温期持续时间，提高堆肥后pH和GI值，提高堆肥产品腐熟度。

2）添加10%生物炭可减少氮素损失33.53%，并减少40.50%的NH₃累积排放量和29.50%的H₂S累积排放量。

3）添加生物炭促进了木质纤维素降解，以10%的添加量效果最好。生物炭是一种以获取且廉价的物料，因此在羊粪堆肥中推荐添加干基质量比10%的生物炭可以实现堆肥产品质量提升和污染减排，促进粪污资源化。

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基金资助

内蒙古自治区科技重大专项(2021ZD0019)