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

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，所以在堆肥时要根据需求综合考虑这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变化如表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。