不同碳氮比对园林废弃物堆肥中氨气和温室气体排放的影响

李霞 孔祥奕 张雪茹 王淼淼 张河 石冬冬 曾赞青

摘要［目的］针对园林废弃物堆肥过程中温室气体（CO2、CH4、N2O）及氨气（NH3）排放量大的问题，研究不同碳氮比对园林废弃物堆肥过程中温室气体和NH3排放的影响，以期为降低堆肥产生的温室效应和NH3污染提供技术支撑。［方法］在园林废弃物中添加不同质量的鸡粪，调节堆料碳氮比至 25、30和35，利用傅里叶变换红外吸收光谱仪对堆肥过程中的NH3和温室气体排放进行监测；采用标准方法对堆料的pH、有机碳、全氮含量进行检测。［结果］堆肥后所有处理组堆料均达到腐熟标准；园林废弃物堆肥所产生的温室效应以CO2排放引起的温室效应为主，堆肥过程中 CO2排放量存在明显差异，碳氮比分别为25、30、35的处理组CO2平均排放量分别为5.47、9.32、19.19 g/（kg·d），可见堆肥的温室效应随着碳氮比的增加而升高；NH3排放量随着碳氮比的增加而明显降低，碳氮比分别为25、30、35的处理组NH3平均排放量分别为680.03、442.69、193.54 mg/（kg·d）。［结论］在园林废弃物好氧堆肥时，碳氮比可以明显影响温室气体和NH3的排放，温室气体的排放量随着碳氮比的增加而升高，NH3的排放量随着碳氮比的增加而明显降低，所以在堆肥时要根據需求综合考虑这2项指标来确定碳氮比。

关键词园林废弃物；氨气；温室气体；碳氮比

中图分类号X712  文献标识码A  文章编号05176611（2024）07019604

doi：10.3969/j.issn.05176611.2024.07.046

Effects of Different Carbon-nitrogen Ratio on the Emission of Ammonia and Greenhouse Gases During the Composting of Garden Waste

LI Xia1，2，KONG Xiang-yi1，2，ZHANG Xue-ru2 et al

（1.Beijing Jicheng Shanshui Investment Management Group Co.， Ltd.，Beijing  100054；2.Beijing Jicheng Intelligence Technology Co.，Ltd.， Beijing 100037）

Abstract［Objective］ During the process of garden waste composting， there was the problem of a lot of greenhouse gas（CO2，CH4，N2O） and ammonia （NH3） emission. In order to provide technical supports for reducing the greenhouse effect and NH3 pollution， an experiment was conducted to study the influences of different C/N ratio on the emission of greenhouse gas and NH3 in the process of garden waste composting. ［Method］ The chicken manure were added to the garden waste to adjust the C/N ratio of 25， 30 and 35. Fourier transform infrared absorption spectrometer was used to monitor the emission of NH3 and greenhouse gas in the composting process. pH， the content of organic carbon and total nitrogen were tested by standard method. ［Result］ After composting， the compost in the all treatments reached the decay standards. CO2 emission in the composting process of garden waste accounted for the largest proportion of greenhouse effect. There were significant differences in CO2 emission during the composting process among the treatments. The average CO2 emission amount in the treatments of C/N ratio=25， 30 and 35 were 5.47， 9.32 and 19.19 g/（kg·d）. It could be concluded that the greenhouse effect of composting was increased with the increase of C/N ratio. The emission amount of NH3 significantly decreased with the increase of C/N ratio， the average emission amount of NH3 in the treatments of C/N ratio=25， 30， and 35 were 680.03， 442.69 and 193.54 mg/（kg·d） ， respectively. ［Conclusion］ During the composting of garden waste， different C/N ratio could significantly affect the emission of greenhouse gas and ammonia， the greenhouse effect increased with the increase of C/N ratio. But the emission of NH3  significantly decreased with the increase of C/N ratio. Therefore， two indicators should be taken into comprehensive consideration according to the demands， to determine the C/N ratio during composting.

Key wordsGarden waste;Ammonia;Greenhouse gas;C/N ratio

随着我国对生态环境的日益重视，城市园林绿化面积不断增加。2021年，北京新增造林绿化面积1.07万hm2、城市绿地面积400 hm2。园林绿化面积的持续扩大使得城市绿地养护和管理产生的园林绿化废弃物规模巨大［1］。园林绿化废弃物（urban green waste）泛指城镇绿化景观管理和养护过程中产生的植被凋落物、花木和草坪修剪物以及废弃花草等植物源生物质废弃物［2］ 。当前我国园林废弃物资源化处理与利用的主要途径是好氧堆肥及热解炭化制作生物炭［34］，在处理过程中普遍存在资源化利用总体程度偏低［5］，且处理过程中会产生温室气体排放的问题。

园林废弃物堆肥是通过好氧微生物对有机物降解的固态发酵过程。堆肥过程中有氧情况下会产生大量的 CO2，氧气不足时会产生CO和CH4，同时有机态氮的降解及其硝化、反硝化作用会产生N2O和NH3［6］。其中CO2是最重要的温室气体，CH4和N2O也都是温室气体，温室效应分别为CO2的21～23倍、296～310倍，而NH3是有刺激性恶臭的气味。这些气体的大量排放不仅会造成环境污染，而且会造成堆肥的碳、氮损失，从而降低堆肥的肥力［79］。堆肥过程中气体的排放受到多种因素的影响，其中碳氮比是影响园林废弃物堆肥质量的一个重要因素。近年来，已有对蔬菜、生活垃圾和园林废弃物堆肥过程和生物炭制备过程中温室气体排放的相关研究［1，1012］，然而关于不同碳氮比对园林废弃物堆肥过程中温室气体和NH3排放规律的研究尚未见报道。

傅里叶变换红外吸收光谱法具有光通量大、测量组分多等优点，利用该方法可同时测量CO2、CH4、N2O和NH3 等气体［1314］。为了探讨园林废弃物堆肥过程中碳氮比对NH3和温室气体排放的影响，该研究设置不同碳氮比的处理组，使用自制定时强制通风反应器进行堆肥，利用傅里叶变换红外吸收光谱方法监测园林废弃物堆肥过程中CO2、CH4、N2O和NH3的排放，分析这些气体的排放规律，旨在为园林废弃物堆肥过程中有害气体的减排提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

园林废弃物取自北京市西城区，由枯枝和落叶组成，主要来源树木为国槐、杨树和银杏。该研究中用于调节碳氮比的畜禽粪便为鸡粪，由大型养殖场提供。堆肥前，园林废弃物使用筛孔直径2 cm的粉碎机进行粉碎处理，并进行组分分析。原料基本性质见表 1。供试催腐菌剂由中国农业科学院饲料研究所提供。

1.2试验设计

根据原料组分分析结果，通过在园林废弃物中添加不同质量的鸡粪，调节堆料碳氮比至 25、30和35，每个处理组3个重复。根据测定出的原料含水率，通过加水来调节园林废弃物发酵料的含水率至65 %，同时加入催腐菌剂100 g；混合均匀后，放入容量10 L的发酵桶中进行好氧堆肥。堆肥过程中通风供氧方式为定期机械强制通风1 h；发酵24 h后开始采集气体。每天在强制通风之前将桶盖密闭1 h，开始通风时测定发酵罐中排出气体的成分和含量，直至桶内气体与环境气体一致时停止检测，3个重复的平均值作为该处理组的检测结果。堆肥样品每3 d收集1次，每次在发酵桶上、中、下3个位置取样，共收集固体混合样品30 g，测定其pH。堆肥结束后，将得到的堆肥产品烘干并测定含水率，粉碎后测定pH、有机碳和全氮含量，3次重复测定的平均值作为该处理组的检测结果。

1.3数据统计分析

开展常规理化指标检测时主要参照现有国家标准，其中pH、有机碳含量、全氮含量的测定参照NY/T 525—2021《有机肥料》；含水率测定参照GB/T 8576—2010。

开展温室气体（CO2、CH4、N2O）和NH3的含量检测时，利用傅里叶变换红外吸收光谱仪进行实时检测，每秒钟检测1次。具体操作方法如下：进行气体测量前，先进行环境空气检测，然后进行发酵排放气体检测，检测时将发酵桶的下通风口打开作为进风口，桶盖盖紧后将与傅里叶变换红外吸收光谱仪气体检测池相连的进气管接到桶盖上的上通风口处，气体经过滤后被检测池后端连接的蠕动泵泵入检测池进行检测，当气体检测结果相对偏差小于5%时停止检测。

2结果与分析

2.1堆肥过程中堆料理化性质的变化

2.1.1堆肥过程中堆料碳氮比的变化。

碳氮比是堆肥腐熟度评价指标中较为直观的一个指标。随着堆肥的进行，有机物在微生物作用下被分解，堆料中有机碳和全氮的含量均因部分转化成气体挥发出去而降低，但全氮含量相对于有机碳含量降低得较少［15］，因而在整个堆肥过程中碳氮比不断下降直至接近微生物菌体的碳氮比，即16左右［16］。该研究堆肥发酵前后全氮、有机碳含量以及碳氮比的變化如表2所示。

堆肥过程中挥发性气体和水分的挥发导致堆料总干重持续降低，特别是CO2和水分的大量挥发使堆料中有机碳含量明显下降，碳氮比分别为25、30、35的处理组有机碳含量分别较发酵前降低了20.77%、22.88%、24.09%；含氮气体挥发性较低，发酵后全氮含量较发酵前有所增加，分别较发酵前增加了36.60%、54.07%、58.59%。堆肥结束时，3个处理组堆料的碳氮比都在16左右，都达到了腐熟的标准。牛俊玲等［17］提出用T=终点碳氮比/初始碳氮比的公式来评价腐熟度，认为当T值<0.6时堆肥达到腐熟。该研究中C/N=25、30、35的处理组T值分别为0.58、0.50和0.48，均小于0.6，符合腐熟标准。

2.1.2堆肥过程中堆料pH的变化。

pH不仅是影响堆肥过程中微生物繁殖的主要因素，而且是反映堆肥进程的重要参数。pH的变化主要是由于堆料中有机酸的生成和含氮化合物的释放而引起的。不同堆肥处理中堆料的pH变化见图1。

从图1可以看出，3个处理组pH的变化规律基本一致，pH在堆肥初期逐步上升，在堆肥中期（第13天）达到峰值，堆肥中后期呈下降趋势，在堆肥末期趋于平稳。碳氮比分别为25、30、35的处理组pH最高值分别为8.24、8.61、8.39。堆肥结束时3个处理组堆料的pH与发酵初期pH基本一致，且第19天和第22天测定的pH无明显差异，均为7.4～8.0，说明堆肥已经基本达到腐熟。

安徽农业科学2024年

2.2堆肥过程中温室气体的排放规律

2.2.1堆肥过程中CO2的排放规律。

CO2是大气中最重要的温室气体，在有氧条件下有机物降解后，碳元素主要以CO2的形式排放到大气中。堆肥过程中各处理组CO2排放量呈现波动的变化趋势，具体如图2所示。

CO2在堆肥过程中的排放量远高于其他气体，它能够反映堆肥过程中的微生物代谢活性和有机物降解速率［18］。从图2可以看出，堆肥初期各处理组CO2 的排放量先快速下降又迅速升高，表明此阶段微生物代谢活动较为剧烈，分别在堆肥第1、4、7天出现排放高峰，堆肥中期（第7～15天）各处理组CO2排放量都出现明显降低，且CO2排放量存在明显差异，碳氮比越大，CO2排放量越大。在整个堆肥过程中，碳氮比分别为25、30、35的处理组CO2平均排放量分别为5.47、932和19.19 g/（kg·d）。

2.2.2堆肥过程中CH4的排放规律。

CH4 是有机质厌氧降解的产物，虽然该研究在整个堆肥过程中每天强制通风1 h，但堆料局部出现厌氧环境是不可避免的。在堆肥过程中，3个处理组CH4的排放量总体均呈现先升高后降低的趋势，具体如图3所示。

从图3可以看出，不同处理组CH4排放规律基本一致，在堆肥初期（第1～5天）只产生微量的CH4，这与其他学者对堆肥碳氮比对温室气体排放的影响研究结果［1819］相一致。整个堆肥过程中，不同处理组的CH4排放量都较低且差异不明显，最高日排放量为2.88 mg/（kg·d），碳氮比分别为25、30、35的处理组CH4平均排放量分别为1.05、0.71和0.98 mg/（kg·d）。

2.2.3堆肥过程中N2O的排放规律。

N2O消耗臭氧，从而会破坏臭氧层，是一种强温室气体。堆肥中N2O的形成机制比较复杂，硝化反应与硝态氮的反硝化反应均会产生N2O，因此各处理组N2O排放量呈现明显的波动变化，具体如图4所示。

从图4可以看出，不同处理组N2O的排放规律基本一致，在堆肥前期呈现反复波动的趋势，堆肥中后期呈明显先上升后下降的趋势，排放高峰分别出现在第20、16、16天。整个堆肥过程中，不同处理组的N2O排放量都较低且没有明显差异，碳氮比分别为25、30、35的处理组N2O的平均排放量分别为3.52、3.41和3.39 mg/（kg·d）。

2.2.4堆肥过程中NH3的排放规律。

NH3是一种无色且具有强烈刺激性臭味的气体。堆肥期间物料中的有机氮迅速降解，使得堆料中的 NH4+容易以NH3的形式逸出，从而产生恶臭、污染环境，并导致堆肥中氮素损失、肥力下降。各处理组NH3排放量呈现先上升后下降再上升的变化趋势，具体如图5所示。

从图5可以看出，在堆肥初期NH3的排放量迅速升高，3个处理组均在堆肥第4天出现排放高峰，然后又迅速下降，在堆肥中期保持较低的排放量，堆肥末期略有回升。在整个堆肥过程中，碳氮比分别为25、30、35的处理组NH3平均排放量分别为680.03、442.69和193.54 mg/（kg·d）。

3结论与讨论

园林废弃物堆肥的碳氮比为25～35时，堆肥过程中CO2的排放量较大，CH4和N2O的排放量较小，所以虽然CH4和N2O温室效应分别是CO2的21～23倍、296～310倍，但是园林废弃物堆肥所产生的温室效应还是以CO2排放引起的温室效应为主，堆肥的温室效应随着碳氮比的增加而升高。由于该研究堆肥过程中没有渗滤液产生，有机碳主要以气体形式损失，该研究中碳氮比分别为25、30、35的处理组有机碳损失率分别为20.77%、22.88%和2409%，堆肥前后有机碳含量下降的趋势与CO2的排放规律相同，可为温室效应的变化规律研究提供佐证。因此，在园林废弃物好氧堆肥时，较低的碳氮比有利于减少温室气体的排放。

在园林废弃物堆肥过程中，NH3的排放量随着碳氮比的增加而明显降低，碳氮比分别为25、30、35的处理组NH3平均排放量分别为680.03、442.69和193.54 mg/（kg·d）。研究表明，氨挥发是堆肥过程氮损失的主要途径［2021］。该研究中碳氮比分别为25、30、35的处理组发酵后全氮含量分别较发酵前增加了36.60%、54.07%和58.59%，堆肥前后全氮含量增加的趋势与NH3排放规律相同，为NH3排放規律的研究提供了佐证。因此，在园林废弃物好氧堆肥时，较高的碳氮比有利于减少NH3的排放。但是，由于NH3的排放规律与温室气体的排放规律相反，而碳氮比对温室气体的影响较大，因此在园林废弃物好氧发酵中应控制好碳氮比，从而降低其对环境的影响。

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基金项目西城区财政科技专项（可持续发展类）；环境昆虫和微生物联合高效处理园林废弃物及餐余垃圾技术示范项目（XCSTSSD202108）。

作者简介李霞（1978—），女，北京人，工程师，从事园林废弃物、园林花卉及肥料研究。

通信作者，工程师，从事园林市政、园林废弃物及肥料方面的研究。