基于氮素损失原位控制的堆肥中GHG形成机理及减排研究

畜禽粪便在全球温室气体（GHG）排放中占有重要地位，减少畜禽粪便在贮存和使用过程中GHG的排放，成为应对全球温室效应的重要新途径。项目以自然科学基金"堆肥化过程氮素损失原位控制及机理研究"为基础，研究堆肥化过程中GHG产生的机理、途径和主要影响因素，明确氮素损失原位控制技术对GHG排放的影响。采用δ13C同位素比值法研究不同条件下（好氧、缺氧）甲烷（CH4）的形成途径。采用15N标记技术，研究在好氧和缺氧条件下氧化亚氮（N2O）形成机理和主要途径。综合运行条件控制、添加抑制剂和外源微生物等方法对堆肥化过程中GHG排放进行控制，确定最优减排方法，计算最大减排量，并进一步优化氮素损失原位控制技术。最后，检验在最优减排条件下生产的堆肥产品品质。通过项目的研究可以指导现有堆肥企业优化堆肥技术，减少堆肥化过程中的氮素损失和GHG排放，这对减轻温室效应，应对全球气候变化有着重要意义。

项目通过正交试验研究了强制通风系统中通风率、C/N、含水率对温室气体排放的影响，并在此基础上进行了中试验证；研究了条垛翻堆系统中翻堆频率、覆盖条件以及季节对温室气体、氨气排放规律的影响，并通过一系列试验明确了N2O产生的主要途径和主要氮源；项目还对温室气体及氨气的减排展开了广泛研究，筛选了一批具有较强经济性能的温室气体减排材料。主要结果如下：.在强制通风系统中通风率对温室气体和氨气排放有显著影响。通风率越高则氨气排放率越高、N2O排放率越高、甲烷排放率越高。C/N越低则氨气和甲烷排放率越高，C/N对N2O排放率无显著影响。初始含水率对温室气体和氨气的排放无显著影响，主要是在堆肥初期由于高温和强制通风，水分散失过大，初始含水率并不能保持在设定水平。.中试条件下，强制通风不能有效提高堆肥降解率和堆肥产品品质却显著增加N2O和甲烷的排放率和堆肥成本。因此不建议在畜禽粪便的堆肥化过程中使用强制通风。.条垛翻堆系统中，翻堆频率、覆盖和季节会对温室气体的排放产生影响。不翻堆处理的总温室气体排放率远高于翻堆处理。覆盖会降低氨气的排放率，但增加甲烷排放，进而导致总温室气体排放率升高。冬季温室气体排放率更高。.强制通风系统中，早期的N2O排放主要来源于原料中硝酸盐的反硝化；中后期的N2O主要来源于硝化反应产生的硝酸盐翻堆后转移至厌氧区域而被反硝化。猪粪原料中含有的大颗粒是温室气体尤其是甲烷产生的重要原因。条垛翻堆体系中，高温期的N2O排放同甲烷和氨气排放同步，由甲烷氧化菌对氨气的不完全氧化作用产生。腐熟期N2O产生机理同强制通风系统一致。NO3-和NO2-是N2O产生的重要氮源。.以初始总氮20%等摩尔添加的条件下，相对于H3PO4+Mg(OH)2处理，KH2PO4+MgCl2和Ca(H2PO4)2+MgCl2两处理也能取得良好的氮素控制效果，且不对堆肥反应产生抑制。过磷酸钙处理能取得良好的氮素控制效果，但对堆肥产生显著抑制作用。.堆肥初期使用腐熟堆肥覆盖，能有效降低堆肥温室气体和氨气排放。充分混匀到堆肥后，腐熟堆肥中含有的大量亚硝酸盐氧化菌能抑制翻堆后的反硝化，从而减少堆肥后期N2O排放。.添加量为总氮质量的5%以上时，DCD能够显著抑制堆肥中N2O的产生。DCD（7.5%）+HQ（0.75%）+MAP（15%）能够分别降低甲烷、N2O和氨气排放61.1%、73.2%、65.2%。