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随着经济发展与人民生活水平提高，肉蛋奶需求量日趋增加，促使奶牛养殖业规模不断扩大。据统计，2020年底中国奶牛存栏规模已达1 043×104头，奶牛粪产生量高达1.3×108 t[1]。奶牛粪便中含有丰富的有机质和氮磷钾等营养元素，若得不到有效资源化处理，将会引起资源浪费和环境污染问题[2]。堆肥化处理是实现奶牛粪便减量化和资源化利用最有效的方法之一[3]，能够通过物料自身及体系演化微生物的驱动作用，将有机废弃物转化为富含腐殖质及作物可利用养分的有机肥料。
根据氧气的供给和利用情况，堆肥可以分为好氧堆肥和兼性堆肥。好氧堆肥具有升温启动快、无害化周期短、腐熟性能高的特点，但运行成本较高，且容易排放大量污染气体。相比之下，兼性堆肥是一种人为调控的自然堆沤，将物料进行一定性质和结构调控后，以自然堆存、无动力通风的方式发酵无害化[4]。兼性堆肥因具有投资运行成本低、操作简单、场地限制小等优点，已成为绝大多数中小规模畜禽养殖场主要的固体粪便处理方式。已有统计表明，我国采用堆沤处理的畜禽规模养殖场占比达到89.4%，其中采用堆沤的奶牛养殖场占相应畜种养殖场总数的73.7%[5]。
由于奶牛粪含水率高（>80%），兼性堆肥发酵过程中易存在氧气扩散效率低、有机质降解慢、腐熟效果差的问题，导致奶牛粪难以实现有效肥料化利用。此外，兼性堆肥多用于养殖场就地就近处理，臭气（如硫化氢（H2S）和氨气（NH3））排放严重限制了其大规模推广应用。因此，如何提高兼性堆肥腐熟效果，同时降低臭气排放，是实现奶牛粪高效资源化亟需解决的痛点。兼性堆肥与好氧堆肥发酵原理相似，可借鉴好氧堆肥研究中的策略，通过添加一定比例的辅料进行物料混匀调配，调节堆体含水率和堆体物理结构，促进畜禽粪便有效发酵。卢秉林等[6]发现与纯牛粪好氧堆肥相比，添加40%小麦秸秆（体积比）能够使堆体更快进入高温期，提前12 d腐熟，并且有效减少NH3挥发和氮素损失。GHANNEY等[7]发现牛粪与秸秆混合进行好氧堆肥，在初始含水率为65%时，能够有效促进木质纤维素降解，腐殖化率可增加13%以上。刘凯等[8]研究表明，牛粪与玉米秸秆以3∶7混配（体积比）进行好氧堆肥，在第2 d可升温至55 ℃，并维持高温16 d，堆肥结束时体积减量率达到56.0%，全氮含量上升1.0%。与好氧堆肥相比，畜禽粪便兼性堆肥的性能调控研究较少，且主要关注腐熟度或污染气体排放等单一方面的影响。例如，尹子铭等[9]发现与纯猪粪堆沤相比，添加20%玉米秸秆可显著提升物料孔隙率19.4%和碳氮比（C/N），加快有机质转化，最终种子发芽指数（GI）可提高73.8%。吴海程[10]发现与纯猪粪堆沤相比，添加25%秸秆能够降低8.9%的NH3排放。然而，目前却鲜有研究聚焦于秸秆复配对奶牛粪兼性堆肥过程减量化、气体减排及腐熟提升的协同调控。此外，兼性堆肥通过自然堆存、无动力通风的方式，在兼氧条件下对有机物进行降解转化。由于堆体结构较为致密，空气扩散距离有限，致使堆体不同区域多存在好氧、兼氧和厌氧环境交织区域，由好氧、兼性、厌氧微生物共同作用，驱动物质分解转化，同一体系下存在较大的异质性，但目前缺乏相关研究。
相比于常用的堆肥辅料（如农作物秸秆等），芦苇秸秆产量高、易获取，不会与粮食作物产生种植竞争，使其在可再生资源市场上具备一定优势。此外，芦苇秸秆中木质素含量较高，堆肥过程中不易被彻底降解而矿化为二氧化碳（CO2），堆肥产物还田后将会有更多的有机碳以土壤腐殖质的形式保留在土壤中[11]。朱鹏程[12]研究发现，芦苇秸秆与牛粪堆肥（体积比为2∶1）高温期超过40 d，符合无害化要求，且堆肥结束时有机质及总养分含量均符合《有机肥料》（NY/T 525-2021）要求[13]，明确了芦苇秸秆用于大规模堆肥资源化利用的可行性。因此，本研究选取芦苇秸秆为辅料，设置不同芦苇秸秆添加比例与奶牛粪进行兼性堆肥试验，分析不同堆肥时期堆体温度和氧气等理化特性的垂直和水平变化特征，进而评价堆肥过程中气体排放、腐熟度、减量化和产品养分等指标，综合筛选奶牛粪兼性堆肥的适宜秸秆复配方案。本研究结果能够为我国奶牛粪就地高效处理与利用提供理论依据和技术支撑。
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本试验以奶牛粪便为堆肥主料，选用芦苇秸秆作为辅料进行兼性堆肥试验。试验所用的奶牛粪便、芦苇秸秆均取自云南顺丰洱海环保科技股份有限公司，其中芦苇秸秆经加工厂统一粉碎至粒径约3 cm后使用。堆肥物料的初始理化特性如表1所示。
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实验地点位于云南省大理白族自治州洱源县旧州村粪污收集站棚内（99°55'E，26°06'N）。试验过程以奶牛粪便为主料，分别添加7.5%、15%、22.5%、30%（基于湿重）芦苇秸秆作为辅料进行堆肥，混合物料C/N为19~29，物料总重为4.3~8.8 t，设置成约长9 m、宽3 m、高1.5 m的条垛式堆体（图1），试验于2023年4月14日开始，至6月13日结束，历时60 d，于第25天翻堆。堆肥期间每天上午约10:00进行温度、氧气（O2）、CO2和NH3等指标测定。在第0、10、25、40、60 天采集固体样品并测量堆体长宽高。一部分新鲜样品用于测定含水率、pH值、电导率（EC）以及GI等基本理化指标；另一部分固体样品经自然风干、粉碎后过1 mm筛，测定可挥发性固体（VS）、腐殖质、总养分等指标。其中，为分析堆体的异质性，每个处理共设置12个点位进行测温、测气和取样，分别位于距离堆体一端1.5、3、4.5、6 m处取4个剖面，每个剖面选择距离地面90、60、30 cm的位置为上、中、下点位。
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1）常规指标测定。堆肥温度采用插入式手持工业数显温度计（LCD-150型，仪度，河北）测定。O2和CO2含量使用泵吸式复合气体分析仪（GT-2000，科尔诺，深圳）测定。起堆时使用软管插入堆体各个点位，测气时将软管连接气体分析仪采气头，待空气排完、读数稳定后记录数据得到O2、CO2体积分数（%）。NH3采用吸收瓶法测定，使用小型抽气泵抽取管内气体，出气头与吸收瓶连接，瓶中2%稀硼酸吸收饱和后由红色变成蓝色，记录气泵抽气流量及变色时间，同时将吸收瓶带回实验室，用0.01 mg·L−1的稀硫酸滴定至红色，记录消耗的稀硫酸体积。含水率使用烘干重量法测定，取一定量鲜样于烘箱（101型，永光明，北京）中在105 ℃下烘干8 h至恒重后进行测定。VS测定采用灼烧法，取一定量过筛的样品烘干后，放在电炉上烧至黑色无烟，转置于马弗炉（101型，永光明，北京）中在550 ℃下灼烧4 h[14]。堆体自由空域（free air space，FAS）利用容重和VS计算[15]。有机质含量及总养分测定参照《有机肥料》（NY/T 525-2021）[13]，总有机碳含量根据有机质含量和转化系数1.724得到，总氮（TN）采用硫酸-过氧化氢消煮-凯氏定氮法，五氧化二磷（P2O5）采用钒钼酸铵比色法测定，氧化钾（K2O）用火焰光度计法测定，总养分为TN、P2O5、K2O这3者加和。
pH、EC、GI值测定：将新鲜样品与蒸馏水按1∶10（m∶v）混合，固定于往复式水平震荡机上，调节频率100次·min−1，在常温下连续振荡30 min，静置30 min后过滤得到浸提液。用精密pH计（PHS-2C型，雷磁，杭州）、电导率仪（DDS-307型，雷磁，上海）分别测定浸提液的pH、EC值。此外，吸取5 mL浸提液加入铺有滤纸的9 cm培养皿中，随后在皿中均匀放置10粒大小基本一致、饱满的萝卜种子（未包衣），同时用蒸馏水作空白对照；在（25±2） ℃培养箱中避光培养48 h，逐一测定根长，并根据《有机肥料》（NY/T 525-2021）[13]计算GI值。
2）腐殖质指标测定。腐殖质（HS）、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）提取和测定：取1 g过筛的风干样于50 mL离心管中，加入20 mL混合提取液（0.1 mol·L−1 氢氧化钠（NaOH）与0.1 mol·L−1焦磷酸钠（Na4P2O7）（V/V=1∶1）），在常温下振荡30 min，随后在4 000 r·min−1条件下离心20 min，收集上清液，重复上述操作4次（至浸提液近乎无色），混合4次上清液得到HS溶液。此后，用6 mol·L−1的盐酸溶液将pH调节至1（可用精密pH试纸检测），在室温下静置12 h，随后以4 000 r·min−1离心15 min，上清液为FA，沉淀物为HA。使用总有机碳（TOC）分析仪（SHIMADZU，岛津，日本）测定HS、FA含量，HA含量使用差减法计算，HA含量与FA含量之比为HA/FA。
紫外-可见光光谱特征参数测定：将HS溶液稀释至TOC浓度为20 mg·L−1作为待测液，以纯水作为空白对照，用紫外-可见光分光光度计（DR6000™，哈希，美国）扫描全谱，扫描波长范围为200~900 nm。SUVA254为测定样品在波长254 nm处吸光度（A）利用公式（SUVA=A×100/TOC）进行计算，代表含有不饱和C=C键的芳香族化合物，用于表征腐殖质类物质[16]；A240-400代表波长240~400 nm的积分面积，其值越大，表明水溶性有机物（DOM）分子缩合度越大，腐殖化程度越高[17]；E280/E472表示波长280和472 nm处对应吸光度之比，该值与木质素物质相对含量成正比[18]；E253/E203表示在波长253和203 nm处对应吸光度之比，与有机物分子苯环上的取代基种类密切相关，当苯环取代基上羟基、羧基、羰基等官能团增加时，该值升高[19-20]。
3）减量化指标测定。体积减量率使用卷尺测定堆体长宽高以计算体积，以体积差值除以初始体积求得体积减量率。减重率用体积和容重计算得出堆体的重量，不同时期的重量差值除以初始重量求得堆体减重率。
4）气体指标测定。CO2质量浓度根据公式(1)[21]计算，通过复合气体分析仪得到CO2体积分数，使用公式(1)将CO2体积分数转为质量浓度。
式中：F为质量浓度，g·m−3；φ为体积分数,%；M为气体的摩尔质量，g·mol−1；P为气体压力，kPa；Vm为气体标准摩尔体积常数22.4，L·mol−1；T为环境温度， ℃；RC为还原系数0.1。
NH3质量浓度根据公式(2)计算，根据气泵流量及吸收瓶变色时间计算得气体体积，再转换为标准状况下体积，而后根据质量、体积求得质量浓度。CO2和NH3日排放量和累积排放量根据公式计算[22]。
式中：F为质量浓度，mg·m−3；C为标定的硫酸标准溶液浓度，mol·L−1；V为样品滴定硫酸体积，mL；M为气体的摩尔质量，g·mol−1；T为环境温度， ℃；P为气体压力，kPa；S为气泵流量，L·s−1；t为吸收瓶中变色的时间，s。
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取每个堆体12个点位数据的均值，采用Microsoft Excel 2022进行数据统计分析；使用SPSS 26.0根据单因素方差分析（ANOVA）、多重比较（LSD-t）方法确定各处理间显著性差异，以P<0.05表示差异显著；采用Origin 2019进行绘图。使用箱型图绘制各典型时期（升温、高温、降温期）和不同点位（上、中、下）的温度、氧气含量。绘制雷达图综合分析不同处理对堆肥促腐减排、提质减量的效果影响。
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添加15%及以上秸秆的处理能够在4 d内达到50 ℃以上，并维持高温期9~16 d（图2(a)），满足《畜禽粪便无害化处理技术规范》（GB/T 36195-2018）要求[23]。升温速度随秸秆添加比例增大而加快，主要是由于添加高比例秸秆提高了堆体的自由孔隙，改善了堆体通气性，营造了较好的微生物生境[24]。第25天翻堆后，添加15%及以下秸秆的处理仍能持续高温8 d以上，而其他处理仅能维持2 d，表明添加高比例秸秆（>15%）能够有效加快有机质分解，更早进入降温期。15%处理达到50 ℃以上的时间比其他处理长4~7 d，可能是较为适宜的堆体孔隙度和较高的可降解有机质含量有利于微生物持续代谢产热。由于堆肥过程好氧微生物主要利用O2作为终端电子受体进行有机物分解放热[25]，好氧微生物消耗大量O2不断进行放热反应，使得O2含量与温度呈相反变化趋势（图2(b)）。所有处理的O2含量在整个堆肥过程中均大于10%，说明添加秸秆可有效改善牛粪致密结构，促进O2扩散，尹子铭等[9]同样发现在猪粪堆沤过程中，秸秆添加可提升堆体自由孔隙率19.4%。在堆肥高温期，O2含量和嗜热微生物产热活动均随秸秆添加比例的增大而增加，说明添加秸秆对氧气扩散的影响高于微生物耗氧反应。
兼性堆肥主要依靠无动力通风，即空气的自由扩散进行供氧，发酵过程中可能会由于空气扩散效率不同，引起堆体异质性[24]。本研究中堆体不同剖面的温度和O2含量无明显差异（P>0.05），但各堆肥时期的堆体上层温度均高于中下层，主要是由于上层物料与空气接触面积大，利于氧气扩散进入堆体，加快有机质降解产热。此外，在重力的作用下，上层有机质降解产生的牛粪细颗粒和水逐渐沉降至底层，造成了底层的高含水率和高密度环境，进而阻碍了物料的发酵[26]。考虑到耗氧产热作用，不同高度点位的O2含量与温度变化趋势相反，但30%处理由上至下呈现递减的趋势，一方面是由于上层物料对氧气扩散的阻碍作用，另一方面可能是堆体内部产热过多，热量的向上扩散阻碍了氧气向下流动。相比于7.5%和15%处理（P<0.05），22.5%和30%处理堆体温度和O2含量分层不明显，表明当秸秆添加≥22.5%时，相比于耗氧活动，堆体结构的改善对氧气扩散的影响占主导地位。
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1）含水率和FAS值。各处理物料中的含水率随着堆肥进行逐渐降低，尤其是15%处理的含水率降幅在10 d内可达14.4%（图3(a)）。由于7.5%、15%处理在翻堆后出现2次升温且维持高温8 d以上，致使其含水率在25 d后仍出现较为明显的降低趋势。堆肥40 d后，除7.5%处理外，其他处理的含水率持续下降，主要是较强的透气性促进物料被持续风干。堆肥结束时，添加15%及以上秸秆处理的含水率均降至45%以下，满足《畜禽粪便堆肥技术规范》（NY/T 3422-2019）要求[27]。相较于含水率，各处理的FAS在堆肥过程中整体呈现相反变化趋势，且随着秸秆添加比例增大而逐渐增加（图3(b)）。堆肥过程中FAS增长主要发生在兼性堆肥前10 d，主要是因为有机质降解加速升温，促进了水分持续散失（图3(a)）。相较于其他处理，添加15%秸秆处理在堆肥前10 d的FAS增幅最大（19.7%），可能与含水率大幅降低有关。在第25天后，除7.5%处理的FAS仍持续增长外，其余处理均趋于平缓，可能是由于较低的秸秆比例延迟了高温期，从而导致后期剧烈的有机质降解和水分蒸发。
2）VS值。在兼性堆肥过程中，各处理VS含量整体呈现下降趋势（图3(c)），特别是在高温期最显著，表明了有机质的持续降解。堆肥原料中大量易降解有机质（如糖类、蛋白质、氨基酸等）在适宜的氧气、温度条件下可被微生物迅速氧化分解并产生热量，导致堆肥前期VS迅速下降。在第25天翻堆后，7.5%处理VS降低速率更快，主要是由于其较高的易降解有机质含量和较慢的有机质降解速率，使其在翻堆后重新调整了堆体微生物和有机质分配布局，进而改善了好氧微生物代谢。堆肥结束时，VS的降幅随秸秆添加比例增加而减小，7.5%、15%、22.5%和30%秸秆处理分别为15.6%、10.7%、9.0%、7.5%，主要是由于秸秆比例增加提高了堆肥体系中木质素等难降解有机质含量，进而影响了分解速率。
3）pH和EC值。各处理pH整体呈现先上升后逐渐稳定的趋势（图3(d)）。堆肥前期pH升高主要是因为蛋白质、氨基酸等大量有机氮化合物被持续矿化为铵态氮（NH4+），随后在高温下以NH3形式挥发，中和了物料中的有机酸[28]。pH值的上升速率与秸秆添加比例成反比，可能是由于低比例秸秆堆体中粪便含量高，蛋白质含量高，其降解生成的NH4+较多，同时，低比例秸秆处理孔隙率低且含水率高，导致堆体内留存的NH4+含量高[29]。各处理的EC值整体呈现先上升后下降的趋势（图3(e)）。堆肥初期，由于有机质的矿化及有机酸的溶解作用，NH4+、碳酸氢根（HCO3−）、硫酸氢根（HSO4−）等可溶性盐大量产生，并且堆肥前10 d含水率下降迅速（图3(a)），堆体中水溶性离子浓度升高，导致各处理EC值迅速上升[30]。随着大量无机盐被HA结合和小分子有机酸降解，所有处理的EC值在第40天后下降。堆肥结束时，各处理产物的pH和EC值分别为7.8~8.1和2.7~3.5 mS·cm−1，符合《有机肥料》（NY/T 525-2021）的要求[13]。
4）GI值。各处理GI值在前25 d呈现先上升后下降的趋势（图3(f)）。各处理GI值初期升高主要与有机酸不断减少以及NH4+等离子以气体形式挥发有关[31]。各处理GI值在第10天后显著下降，可能是由于物料分解过程中产生了小分子有机醛、多环芳烃等不完全降解产物，不利于种子萌发。随着物料中毒性成分（如低分子量有机酸、多酚等）被微生物逐渐分解并合成腐殖质，各处理GI值持续增加[32]。然而，7.5%处理GI值在40 d后再次出现下降，主要是因为物料持续分解，且较高的含水率（图3(a)）造成物料内部游离孔隙被水膜填充，影响微生物活性[33]。堆肥结束时，7.5%、15%、22.5%和30%处理的GI值分别为96.0%、129.1%、116.5%、118.3%，全部达到《有机肥料》（NY/T 525-2021）的腐熟度要求（GI≥70%）[13]。其中，添加15%秸秆处理的GI值最高，表明辅料配比适宜时，更利于有机质腐殖化进行以及毒性因子消减，从而加速堆体腐熟[34]。
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1）HS、FA、HA和HA/FA值。各处理HS含量整体呈先下降后上升的趋势（图4(a)）。HS含量在前10 d的降幅随秸秆添加比例增加而增大，主要是由于秸秆添加改善了堆体的自由空域（图3(b)），推动了好氧嗜热微生物的氧化代谢作用，致使分子量小且结构简单的FA在高温期易被微生物作为碳源利用[35]。并且部分FA可能会进一步转化生成结构更稳定的HA[36]。此外，高温期大分子物质降解，在堆肥后期进一步聚合形成HA，也是HA增加的原因。这与林嘉聪等[37]研究结果一致，木质素等具有芳香结构的化学物在高温期分解形成大量醛类、酮类物质，在温度下降后快速聚合形成HA。因此，各处理HA含量和HA/FA在堆肥过程中基本呈现上升趋势（图4(c)、(d)），而FA含量则逐渐下降（图4(b)）。在堆肥10~40 d，7.5%处理含有更多蛋白质，促进了氨基酸生成，进而与还原糖发生美拉德反应[38]，经历了更快的HA和HS合成。相比之下，15%、22.5%和30%处理中不稳定腐殖质不断被利用，HA和HS含量在10~25 d迅速下降；但随着木质纤维素的持续分解，可溶性多糖、还原糖、多酚等前体物不断产生[39]，驱动腐殖质含量在降温期开始逐渐升高。然而，30%处理的HA含量在堆肥40 d后出现明显降低现象，可能是秸秆添加比例过多，加快堆体中氧气扩散，提高了微生物代谢活性，促进了前体物质矿化[40]。相较于其他处理，15%处理最终的HA含量最高可提升47.1%，主要是适宜的高温时间促进木质素的降解及中间体和氨基酸的缩合效率，进而增加堆肥产物的腐殖化程度。
2）E280/E472和SUVA254值。E280/E472值在堆肥过程中整体呈现下降的趋势（图4(e)），表明了木质素类化合物的逐渐降解[41]。7.5%处理由于升温缓慢抑制了木质素类等难降解化合物的分解，而30%处理中木质素含量较高，使得这两个处理在初期具有较高的E280/E472值。15%、22.5%和30%处理的E280/E472值在25~40 d更低，表明降温期木质素大量分解，进而促进了腐殖质合成（图4(a)、(c)）。在堆肥过程中，所有处理的SUVA254值呈现先上升后下降趋势（图4(f)）。堆肥高温期微生物活性增强，促进了木质素酚等有机质降解转化为醌类物质，使得SUVA254值逐渐增大[42]。堆肥25 d后，各处理的SUVA254显著降低，这可能是由于有机物降解速率减缓，并且有部分不饱和化合物被微生物分解[43]。在堆肥结束时，15%处理具有相对较高的SUVA254，主要是由于其高温持续时间较长，加快了木质素降解为酚类和醌类化合物[44]。
3）A240-400和E253/E203值。在堆肥过程中，所有处理的A240-400表现为先增加后下降的趋势（图4(g)）。堆肥高温期A240-400的增加可能是由于剧烈的生化反应使得酚类、芳香族羧酸等苯环化合物不断增多，有机分子的缩合程度不断增强[45]。30%处理在堆肥降温期具有较低的A240-400，可能与腐殖质大量分解有关（图4(a)、(c)）。所有处理中E253/E203均呈现了与A240-400相反的变化趋势（图4(h)）。堆肥初期，E253/E203显著降低可能是由于部分含氧官能团（如羧基）转化为CO2[46]。E253/E203在堆肥降温期显著升高，可能是由于有机物分子苯环上的脂肪链发生氧化分解，转化为羟基、羰基等官能团[47]。与其他处理相比，15%处理的E253/E203值在40~60 d较高，可能是由于HA大量合成（图4(c)），其较高的吸附性促进了羰基、羧基、酯基等官能团聚集[48]。
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1）CO2排放量。各处理CO2排放主要集中在堆肥前20 d（图5(a)），主要是由于糖类、蛋白质等易降解有机物被微生物优先降解转化。在堆肥第25天后，7.5%、15%处理的CO2排放量再次升高，主要是翻堆促使有机质均匀分配，且二次升温促使微生物活性增加[49]。CO2排放峰值和累积排放量均随着秸秆添加比例增加而减少，可能是因为较低的秸秆添加比例处理具有更高的含水率和更多的易降解有机质，促进了CO2排放[50]。
2）NH3排放量。与CO2排放相似，各处理NH3排放主要发生在高温期（图5(c)）。堆肥启动后，易降解的含氮化合物（如蛋白质、氨基酸、多肽等）在微生物氨化作用下逐渐被分解为NH4+[51]，随后在高温碱性环境下不断被转化为NH3[52]。在高温作用下，22.5%处理在前25 d具有较高的NH3排放峰值，而随着秸秆比例进一步加大，对NH4+和NH3的吸附作用增强[53]，同时，堆体疏松的结构也提高了供氧效率，促进NH3向NO3−-N的转化过程并提高硝化细菌的活性，从而降低气态氮的损失实现NH3减排的效果[54]，故30%处理的NH3排放量始终保持较低水平。吴海程[10]研究表明NH3排放主要受温度和pH值相互影响，7.5%和15%处理具有更高的pH和更丰富的蛋白质等有机氮化合物，并在翻堆后经历了更显著的升温，NH3在25~30 d剧烈排放，进而导致其最高的累积排放量（图5(d)）。此外，低比例秸秆处理的含水率较高（图3(a)），大量水溶性铵根离子溶解于水中，随着水蒸气的挥发更容易以NH3的形式排出[55]。因此，NH3累积排放量随着秸秆添加比例增加而减少。
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各处理体积减量率和物料减重率呈现逐渐上升趋势（图6(a)、(b)）。堆体体积减量率在前10 d增幅较大，而且随秸秆添加比例增大而逐渐增加，可能是由于更为蓬松的堆体在重力作用下更容易被压缩。此外，由于水分蒸发和气体散失作用，导致减重效果在堆肥前期较为明显。与体积减量率相反，7.5%和15%处理在前10 d减重率最大（23.9%~31.3%），可能是因为较多的牛粪使堆体中含有更多的易降解有机物（如蛋白质、糖类）。随着难降解有机物（如木质纤维素）的持续分解，22.5%和30%处理的减重率在堆肥40 d后显著上升。堆肥结束时，各处理减重率在57.0%~63.7%之间。
为分析水分散失在减重中的作用，进一步计算各处理堆肥过程中的水分和干物质重量变化（图6(c)、(d)）。同减重率结果一致，7.5%和15%处理前25 d干物质和水分质量下降较快，主要是受易降解有机质含量和高温状况影响。堆肥结束时，各处理水分损失率为67.2%~79.6%，水分损失量占物料总损失量（湿基）72.7%~90.5%，表明物料损失主要以水分散失为主。特别是7.5%、15%处理水分损失量占比较大（85%以上），主要是由于堆体含水率高和高温持续时间长。
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堆肥结束时，各处理的TN含量由1.2%~1.8%增加至1.5%~2.5%（图7(a)）。这主要是由于堆肥过程中有机碳和有机氮均被微生物同化和分解，且微生物对有机碳的需求高于对有机氮的需求[56-57]。7.5%和22.5%处理分别具有更长时期的有机碳剧烈降解和较少的NH3排放量，堆肥结束时TN增长率（27.8%、34.5%）相较其他处理（16.4%、25.9%）更大。
由于堆肥中磷和钾元素较为稳定不易挥发，仅存在不同形态间的转化。因此，在堆体的“浓缩效应”作用下，P2O5和K2O含量逐渐增加至0.8%~0.9%、2.0%~2.2%（图7(b)、(c)）[58]。由于秸秆中总养分含量远低于奶牛粪便，总养分含量随着秸秆添加比例增加而减少。堆肥结束时，以15%处理K2O增加率最大（53.1%），进而导致最大的总养分增长率，可能是15%处理水分质量下降最多（图6(d)），其K2O相对质量增加率高于其他处理。堆肥结束时，各处理养分含量在4.6%~5.5%（图7(d)），达到《有机肥料》（NY/T 525-2021）总养分≥4%的要求[13]。
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通过雷达图（图8）综合展示了不同比例秸秆与牛粪混合兼性堆肥对其气体排放（CO2、NH3累积排放量）、腐熟度（GI、HS含量）及堆肥质量（总养分、含水率、减重率）3个维度的协同调控作用。结果表明，30%处理的气体累积排放量最低，气体减排效果较好，但在促进堆体减量、提高总养分含量及腐熟度方面的效果一般。相比之下，15%处理的综合效果最优，能够提升堆体腐熟度（GI、HS含量最高），促进堆体减量，堆体浓缩促使其总养分含量较高，并且其气体排放量也位于各处理中间。因此，在牛粪兼性堆肥中添加15%秸秆对于协同调控堆体促腐减排、提质减量方面有较好改善效果。
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1）随着芦苇秸秆添加比例的升高，明显改善牛粪高含水率和致密结构特性，加快氧气扩散和堆体升温，同时减少CO2和NH3累积排放量。堆肥结束时，各处理体积和质量分别降低42.9%~48.8%和57.0%~63.7%，水分损失量占物料总损失量（湿基）72.7%~90.5%，总养分达到4.6%~5.5%。
2）15%芦苇秸秆添加比例下的效果最好。较其他添加比例，堆肥结束时，15%秸秆处理种子发芽指数最高（129.1%），最高可提升47.1%的HA含量，保障了堆肥过程的芳构化和腐殖质的不饱和官能团生成，并且能够实现快速减量，提升堆肥产品总养分含量。
秸秆复配对奶牛粪便兼性堆肥过程促腐减排与减量化的影响
Effect of straw on maturity, gaseous emission, and weight reduction during anoxic composting of cow manure
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摘要: 辅料调理是实现奶牛粪便等高湿物料兼性堆肥高效进行的有效技术，但不同辅料比例对奶牛粪便兼性堆肥过程气体排放、腐殖化与减量化的调控效果仍有待进一步评价。本研究选用芦苇秸秆以改善奶牛粪堆体结构和碳氮比，分别添加7.5%、15%、22.5%、30%（湿重）的芦苇秸秆与奶牛粪便进行60 d的兼性堆肥试验，探究其促腐减排与减量化的效果。结果表明：随着芦苇秸秆添加比例的升高，体系含水率和自由空域分别呈现逐渐降低和升高的变化趋势，进而促进氧气高效扩散，加快堆体升温和水分蒸发，但减少了CO2和NH3排放以及总养分含量；腐殖质含量、体积减量率和减重率均呈现先升高后下降的变化趋势。相较于其他添加比例，添加15%芦苇秸秆可延长高温持续时间4~7 d；在堆肥结束时，发酵产物种子发芽指数可达129.1%，腐熟度和有机质腐殖化可分别提升9.2%~34.5%和3.2%~47.1%，物料减重率可达63.7%，水分散失占损失总量的85.8%，产物总养分（5.0%）与初期相比增加34.6%。Abstract: Addition of bulking agents is an effective strategy to enhance the efficiency of anoxic composting of high-moisture materials, such as cow manure. However, the regulatory effects of different bulking agent ratios on gaseous emissions, humification, and weight reduction during anoxic composting of cow manure still require further evaluation. In this study, reed straw was selected to improve the structure and C/N ratio of cow manure. Reed straw was mixed with cow manure at the wet ratio of 7.5%, 15%, 22.5%, and 30% and then composted for 60 days. Results showed that moisture content and free air space gradually decreased and increased, respectively, with the increased ratio of reed straw to facilitate oxygen diffusion, temperature increase, and water evaporation as well as reduce carbon dioxide, ammonia emissions and total nutrient content. Humus content, volume reduction rate, and weight reduction rate exhibited an increase and then decrease profile during anoxic composting. By contrast, 15% of reed straw extended thermophilic duration by 4~7 days and enhanced germination index to 129.1% by the end of composting to improve maturity and humification by 9.2%~34.5% and 3.2%~47.1%, respectively. In addition, the 15% addition ratio could achieve 63.7% of material weight reduction rate, 85.8% of water loss, and the increase in total nutrient content by 34.6% in comparison with feedstocks (5.0%).
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Key words:
- cow manure /
- anoxic composting /
- maturity /
- gaseous emissions /
- weight reduction
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图 2 堆肥过程温度和氧气含量变化
Figure 2. Changes in temperature and oxygen content during composting
图 3 堆肥过程中含水率、FAS、VS、pH值、EC、GI变化
Figure 3. Changes of moisture content, FAS, VS, pH value, EC, and GI during composting
图 5 堆肥过程CO2、NH3的日排放量和累积排放量
Figure 5. Daily and cumulative emissions of CO2 and NH3 during composting
图 6 堆肥过程体积减量率、减重率、干物质质量和水分质量的变化
Figure 6. Changes of volume reduction rate, weight reduction rate, dry mass and water mass during composting
图 7 初始和结束的TN、P2O5、K2O和总养分含量变化
Figure 7. Changes of TN, P2O5, K2O, and total nutrients content at the beginning and end of composting
图 8 不同处理综合效应的雷达图
Figure 8. Radar chart of the comprehensive effects of different treatments
表 1 堆肥物料基本理化性质
Table 1. Physicochemical properties of composting materials
堆肥原料 含水率a 容重a/（kg·m−3） pH值a 电导率a /（mS·cm−1） 总有机碳含量b 总氮含量b 五氧化二磷b 氧化钾b 奶牛粪便 73.6%±0.0% 401.7±10.3 7.0±0.0 2.1±0.1 23.8%±0.3% 1.9%±0.0% 1.5%±0.0% 1.3%±0.0% 芦苇秸秆 16.8%±0.0% 149.7±4.5 7.5±0.1 2.9±0.5 37.4%±0.6% 1.2%±0.1% 0.6%±0.2% 1.7%±0.1% 注：a基于湿基质量，b基于干基质量。 
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