青藏高原高寒牧区具有丰富的有机肥料资源，目 前还没有一种高效的利用方式。未经处理的牛羊粪便 不仅肥效低，而且会污染草场，进而随着降水进入水 体产生严重的面源污染^{[1, 2]}。由于特殊的自然地理条件 与社会发展现状，高寒牧区家畜粪便堆肥化处理存在 一定的技术难题：青藏高原海拔高、温度低、昼夜温差 大，堆肥腐熟困难；地形复杂、牧户分散限制了原料收 集；少数民族地区劳动力资源短缺，不适宜采取大规 模人力作业的方式^{[3, 4, 5, 6, 7]}。因此，研究适合于小牧户使用 的快速堆腐、节约劳动力成本的堆肥模式对高寒牧区 家畜粪便进行有效利用具有积极意义。

通气是好氧堆肥的关键影响因素^{[8, 9, 10, 11]}。传统通气 方式如人为翻堆需要消耗一定量的劳动力成本而且 腐熟程度偏低^[9]；强制通气和机械翻堆对设备要求较 高不适宜分散居住的牧民^[10]。于是我们针对性地设计 了PVC管静态通气这种方式，旨在不需要机械和能源的情况下，通过埋插一定数量的通气管来实现堆体的 有效通气、供氧。高效的保温装置可以提高堆体温度、 提高腐熟程度^[12]。堆肥最为常见的保温方式就是覆盖 保温材料。露天堆肥传统的保温材料有单层塑料膜、 草帘、已经腐熟的堆肥料等^[13]。但是单层塑料膜保温 效果差，而草帘体积大，搬运使用与保存困难，而且容 易腐烂霉变。用已经腐熟的堆肥料需要消耗大量已有 的堆肥产品，消耗人力成本高。于是我们设计了双层 保温膜作为一种提升保温效果的新型装置。文献表明 添加磷有利于提高堆腐效果，降低氮素损失^{[14, 15, 16, 17]}。本实 验中加入了过磷酸钙作为堆肥添加剂，旨在不添加外 源微生物的条件下通过添加磷肥促进堆腐。 1 材料与方法 1.1 实验地点与材料

堆肥场地选在甘南州夏河县桑科乡羊吉畜牧业 专业合作社。该地海拔3 001 m，年降水量539.7 mm， 年均温1.59 ℃，7月平均气温12.1 ℃，属于典型高寒 牧区。实验时间为2013 年6 月—10 月，实验前先将 场地扫除杂物，平整夯实，铺双层1.2 mm 防雨布进行 隔水处理，防止堆肥浸出液下渗。整个场地用尼龙绳 和木桩进行隔离，防止人畜干扰。

有机肥原料为藏羊羊粪，收集自桑科乡牧户圈舍 中，其含水量14.8%，有机质含量63.7%，全氮1.46%。 覆盖塑料膜选用0.08 mm 优质聚乙烯棚膜，通气管原 料选用直径5 cm的优质PVC 管。 1.2 实验方法

本实验采取L₉（3⁴）正交试验设计^[18]，共设置不同 通气处理、不同保温处理、不同添加剂处理3 个因素， 每个因素3 个水平共9 组实验分别为T1~T9，如表 1 所示。

表 1 实验处理水平设置 Table 1 Experimental treatment

表选项

设置不翻堆不插管、埋插通气管和每隔12 d翻 堆这3种处理水平。通气管采用直径5 cm 优质PVC 管，在管身上开孔实现通气。本实验开孔直径1 cm， 开孔数300 个·根^-1，每堆插入12 根，分3 层排布，自 上至下每层分别为3 根、4根、5 根。层与层之间距离 45 cm，每层管与管间距35 cm。通气管方向与常年盛 行风风向平行，长度4.5 m保证覆盖双层膜的堆体通 气管长度足以穿过双层膜与空气联通，如图 1~图 2 所示。

图 1 通气管埋插示意图（1.堆体，2.通气管） Figure 1 Ventilation tube in the pipe（1.pile,2.snorkel）

图选项

图 2 堆体双层覆膜示意图 Figure 2 Double-layer film

图选项

设置覆盖单层聚乙烯膜、覆盖间距25 cm 的双层 膜、覆盖间距35 cm 的大间距双层膜3 种保温水平处 理。铺设双层膜首先以单层膜覆盖堆体，然后堆体四周用竹竿和木棍架设支架，在支架上再覆盖第二层棚 膜。调节支架与堆体间的距离即可控制两层膜之间的 距离，外层膜拉紧后与地面用砖块压实以维持各个位 置的间距一致。 1.2.3 添加剂处理

设置不添加磷、添加颗粒过磷酸钙、添加粉末过 磷酸钙3 个水平。该含量是依据培养堆肥功能菌的 适宜磷含量选择的，该磷含量是培养基中的磷含量 的15%左右。目的是添加一部分外源磷以促进堆腐效 果而不是完全依靠添加的磷来提供整个堆腐过程所 需^{[18, 19, 20]}，颗粒和粉末过磷酸钙的添加量均为每吨风干 羊粪200 g。添加颗粒过磷酸钙的处理即直接添加肥 料过磷酸钙，添加粉末过磷酸钙即为肥料过磷酸钙粉 碎研磨过100目筛后添加。 1.2.4 堆体设置和水分

采用露天条垛式堆腐，根据当地原料现状、人工 劳动力水平结合上一阶段实验筛选出的最佳堆体尺 寸，最终选定堆体大小为2.3 m×2.3 m×1.5 m（长×宽× 高），堆体之间间隔3 m。加水后充分搅拌，然后用 WTHOT1-SM 型水分传感器测定含水量。此过程反复 1~2 次，最终使各堆体的原料初始含水量调节至 62.5%左右。 1.3 测定与分析方法 1.3.1 温度

温度测定采用福建望云山信息科技有限公司生 产的WYSTH000T20 型20 路温度传感器。该传感器 量程-40~150 ℃，分辨率0.1 ℃。温度测量采取传感器 自动记录的方式，根据不同的阶段采用不同的时间间 隔，升温阶段采取每20 min 记录1 次，到达高温阶段 后1 h记录1次。每个堆体埋放2个传感器探头，分 别测量堆体中心温度和距表层15 cm处的温度。另外 两路温度探头置于堆肥场地中央距地面0.35 m处测 定环境温度。 1.3.2 堆腐效果参数测定

堆肥堆腐过程以微生物活动强度显著下降为结 束依据，标志为堆芯温度与环境温度之差低于10 ℃ 且持续7 d以上。一方面温度能够直观反映微生物活 性^{[20, 21]}，另一方面温度也是高寒牧区野外试验条件下 最直观的监测方法。建堆和堆腐结束时分别取样测定 堆腐前后有机质、灰分和全氮含量。用土钻沿堆体对 角线分表层0~20 cm 和堆芯60~80 cm 处分别取样。 有机质含量和灰分含量测定采用干烧法（CJ/T 96— 1999）；全氮采用H₂SO₄-HClO₄消煮、开氏定氮仪蒸馏 法（NY/T 297—1995）。

由于实验地点夏河县桑科乡政府所在地没有大 型称量设备，堆腐前后堆体物质的质量难以获得，所 以我们分别用下式（1）和（2）计算堆腐过程中的物料 质量损失率和氮素损失率：

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（1）和（2）式中的ΔM%和ΔN%分别为堆腐过程 中的质量损失率和氮素损失率；Ad₁和Ad₂分别为堆 肥原料和堆肥的灰分百分含量；c₁和c₂分别为原料 和堆肥的氮百分含量。上述（1）和（2）式的推导过程如 下：

设原料质量为m₁，堆腐后形成的堆肥的质量为m₂。

堆腐过程中质量的损失率ΔM%应该为：

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因为堆体中的灰分质量守恒^[21]，所以存在如下关 系：

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将上述（4）式带入（3）式，即可得到堆腐过程中的 质量损失率计算公式（1）。

同理，对于氮素损失率：

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将上述（4）式带入（5）式，即可得到堆腐过程中的 氮素损失率计算公式（2）。 1.3.3 统计分析方法

实验数据依照文献^[22]提供的正交试验分析方法 进行极差与方差分析以评价各个因素的影响大小，进 而筛选最优堆腐条件。 2 结果与分析

建堆含水量在61.4%~65.3%之间，用表 2 和表 3 中10 组指标与建堆含水量进行方差分析和相关性分 析，发现均没有体现出显著相关，首先排除建堆含水 量对实验结果的影响。

表 2 不同处理下堆体的温度状况 Table 2 Temperature of different treatment

表选项

表 3 温度正交数据分析表 Table 3 Temperature data quadratured analysis

表选项

首先利用堆体日均温绘制了堆体温度随时间变 化图（图 3），发现不同通气处理的堆体堆腐过程存在 明显不同。埋插通风管的堆体升温快、最高温度高于 其他堆体，而且堆腐时间短。各组不同处理高温阶段持续时间从36 d至78 d 不等，均大于14 d，结合表 2 的堆体均温数据等可见在无害化处理方面，符合国家 禽畜粪便处理标准（NY/T 1168—2006）。

图 3 不同通气方式处理下堆腐过程温度图 Figure 3 Temperature variation of different treatment

图选项

进而分别对堆芯45 ℃以上时间等10 项温度指 标进行正交极差和方差分析，极差R和显著性水平如 表 3。除表层45 ℃以上温度维持时间主要受添加剂 影响以外，其他所有温度指标均主要受通气影响，而 且除堆芯最高温度外均表现出显著性差异。而且这种 差异主要表现在埋插通气管与其他2 种处理之间，翻 堆和不翻堆不埋插通气管之间没有显著性差异。埋插 通气管对堆腐过程的影响均为有利影响，即正交水平 平均值f均呈现向有利于堆腐过程的方向移动：45 ℃以上时间缩短，65 ℃以上时间延长；堆芯和表层最高 温均有提高，整体堆腐时间缩短，积温增加。进而可以 初步认定，通气是影响堆腐过程的一个最重要参数， 埋插通气管也是优化整个堆腐过程的最重要手段。

添加剂和保温措施虽然不构成显著影响，但是仍 存在一定的作用。覆盖处理的影响主要表现在堆芯 45 ℃以上时间、堆芯最高温度、堆体升温速度3 个方 面，覆盖双层膜与覆盖单层膜相比有利于缩短堆体升 温时间、维持45 ℃以上的高温时间；覆盖大间距双层 膜与覆盖小间距双层膜之间没有明显差异。证明双层 膜之间厚度25 cm足以达到较高的保温能力。磷肥添 加缩短了堆腐时间，延长了堆芯、表层65 ℃以上天数 以及提高堆芯45 ℃以上积温、均温。表明添加磷肥的 作用是可以缩短整体堆腐时间、促进堆体平均温度的 升高，对整个堆腐过程而言其作用是积极的。 2.2 不同处理对堆肥有机质和氮素含量的影响

堆肥产品品质方面（表 4），堆肥有机质含量变化 在46.1%~55.9%之间，全氮含量1.18%~1.47%不等， 达到国家有机肥料行业标准（NY 525—2012）。堆肥 有机质损失率变化在29.8%~48.6%之间，全氮损失率 在17.3%~42.3%之间。f 为该因素在某一水平下的实 验结果的均值。由表 5 可以看出，有机质含量主要受 添加剂影响，添加磷的处理有机质含量低于未添加磷的（f_空=54.19，f_颗粒=50.17，f_粉末=50.55），所以磷会加剧 有机质损失。相反，插入通气管（f_空=50.55，f_插管= 52.73，f_翻堆=50.63）和覆盖小间距双层膜（f_单= 51.04，f_双=52.88，f_大双=51.00）有利于降低有机质 损失。

表 4 不同处理下堆体有机质和氮素损失率 Table 4 Organic matter and nitrogen loss rates under different treatment

表选项

全氮与有机质呈现相似的规律，通气对全氮含量 表现出显著影响（表 5），但差异主要表现在不翻堆不 插管的处理与翻堆处理之间，插入通气管的处理居于 两者之间（f_空=14.32，f_插管=13.213，f_翻堆=12.52）。这是由 于不翻堆不插管的处理物质分解不彻底，全氮含量偏 高；翻堆的处理，多次重复升温阶段物质损失严重，所 以有机质与氮素普遍偏低。磷的添加对全氮含量有一 定不利影响，但不显著（f_空=13.73，f_颗粒=13.12，f_粉末= 13.21）。差距主要表现在添加磷与不添加之间，2种不 同添加形式之间差距很小。覆盖的影响居第三位，总 体影响很小（Δf<0.5）。

表 5 养分指标正交数据分析表 Table 5 Nutrient data quadratured analysis

表选项

最终堆腐效果好坏的评价标准以堆腐时间短、养 分含量高、堆体均温高为优。综合上述分析可以看出， 通气方式对整个堆腐过程和最终的肥效具有支配性 影响。埋插通气管的处理在提高堆腐温度、缩短堆腐 周期方面优于翻堆处理，而且有机质含量和全氮含量 亦明显高于翻堆处理，这表明插管处理（T4、T5、T6） 整体优于翻堆处理（T7、T8、T9）。覆盖虽然在个别指 标中表现出显著的有利影响，但不能决定最关键的堆 体温度，所以只能作为提高堆腐程度的一种有效辅助 手段。磷的添加会加速堆腐过程，但是这种提升效果 不及埋插通气管，而且存在养分损失加剧的不利影 响。所以根据正交试验最优水平的选择最后选出的最 优组合为：埋插通气管、覆盖小间距双层膜、添加颗粒 过磷酸钙。 3 讨论 3.1 通气管显著提高堆腐温度的原因

埋插通气管能够显著提高堆腐效果的原因可能 是由于高寒牧区的空气特点和风干羊粪原料的结构 特性。高寒牧区一般地处高原地带，氧气含量低（本实 验所在地海拔3 001 m，大气的氧气含量为17.05%， 是海拔200 m处平原地区的80.3%，氧气含量相比降 低19.7%）。但由于本实验选用的羊粪在圈舍中已经 风干，颗粒非常明显，所以建堆后的堆体内孔隙率非 常大，这就导致不翻堆不插管的堆体在一段时间内不 会完全缺氧。非埋插通气管的处理之所以无法达到高温，是因为氧浓度而不是氧气总量的限制。虽然多孔 的羊粪提供了很高的氧气总量，但不能解决氧气浓度 随消耗而下降的致命缺陷。通气管的优势就在于能 够持续的提供氧气。非埋插通气管处理的堆体间隙中 的氧气在堆腐过程中浓度不断降低导致升温阶段完 成后不足以继续供给65 ℃以上高温好氧菌的生长所 需^[12]，所以翻堆处理亦不能产生高温。同样是由于堆 体孔隙度大的原因，插入的通气管不仅仅在管身开孔 处发生气体交换，而是相当于整个管身附近10~15 cm的羊粪孔隙都在发生气体交换，这就使得大部分 堆料都获得了充分的氧气供给。

不翻堆不插通气管的堆体在33 d 左右出现温度 下降，之后再次升温并长时间持续的过程可能是一个 兼性厌氧过程^[9]，这就是虽然45 ℃以上时间长但始终 微生物没能进行充分的有机物氧化无法使堆体达到 65 ℃高温进而堆腐效果不及埋插通气管处理的主要 原因。堆肥静态通气方式近年来主要的研究方向是研 究反应器或者工厂化处理中的通气量问题^{[11, 23, 24]}，这种 利用空气自然对流静态被动通气方式在文献中研究 的较少，由于静态被动通气量低，而且通气量测量、控 制较难，这种方式不适用于大规模的养殖场但适用于 甘南牧区的野外使用条件。本实验虽然发现埋插通气 管具有明显优势，但是插入通气管的数量、埋放间距 的最优化还需要进一步研究。 3.2 双层膜对堆体温度的影响

就双层膜保温能力的优势而言，双层膜是成功 的。但外层温度主要是受太阳辐射影响而波动的。当 堆芯本身温度很高时，良好的外部保温措施能够整体 提高堆体的平均温度，缩短堆腐时间提高堆腐程度。 但是当堆芯本身温度较低的时候，双层保温膜虽然能 够有效提高堆体表层的温度，但由于堆肥根本的热量 来源是堆体内部微生物活动，单纯保温无法提高堆芯 的温度。这就说明了为什么双层膜对各项温度指标的 影响大都居于次要地位，不能起到决定性作用。不同 间距的2 个双层膜处理水平之间没有表现出显著差 异，这表明25 cm 以上的间距足以达到所需的保温效 果，再增大膜间距没有意义；是否能够进一步缩小膜 间距需要进一步的研究。近年来保温或者调温装置的 研究更多地集中在工厂化处理与反应器设计上，露天 条垛堆肥覆盖方面的研究主要针对降低氮素损失、减 少气体排放等方面^{[25, 26, 27, 28, 29]}。通过与一些冬季或北方寒冷 地区堆肥保温研究的文献相比，发现双层膜在使用效 果与便利程度上都具有一定优势^{[12, 13]}。 3.3 磷肥作为添加剂的效果分析

设计添加磷肥的目的旨在通过少量磷肥达到调 节、加速升温阶段堆肥微生物代谢，进而促进堆腐。而 不是利用磷肥去降低氮素损失，所以添加量选择是按 照培养堆肥初期的功能微生物的适宜磷含量选定的。 文献中磷肥的添加量从堆肥总干物料量的1%~15% 不等，大部分属于作为固定剂大量添加，所以普遍的 效果是磷肥的加入降低了氮素损失，并提高了腐熟速 度^{[30, 31, 32]}。也有文献报道了磷的加入导致有机质损失加 剧的实例^[33]。就本实验而言，磷肥添加表现出加快堆 体升温速度和提高堆腐温度的作用，与实验设计的预 期是一致的，达到了当初设计时的目的。但是磷添加 减少有机质和氮素损失的效果没有达到显著水平。可 能的原因有以下两点：首先，磷对微生物代谢过程的 影响是复杂的，大量磷加入与微量磷加入的影响是不 同的；其次，微生物群落演替是复杂的，不一定促进了 升温过程就会对堆腐结果中氮素含量产生定向影响。 而且，升温速度增加、表层温度提高与堆体养分消耗 加剧逻辑上相符。所以，磷在本实验中的作用和不足 之处是明确的，但磷的作用机理与如何减轻有机质和 氮素的损失需要进一步深入研究。 4 结论

通过实验发现，埋插通气管、覆盖双层膜对高寒 牧区牲畜粪便堆肥化处理具有显著作用。埋插通气管 可以有效加速堆腐速度提高腐熟效果、节约劳动力， 可以完全取代翻堆作为高寒牧区家畜粪便堆肥化处 理的通气手段。双层保温膜与通气管配合使用可以达 到更好地促进堆腐、替代翻堆的作用。微量磷肥的添 加表现出促进堆腐的优点和加剧有机质和氮素损失 的不足，需要进一步深入研究。本实验的最优工艺参 数为埋插通气管、采用小间距双层膜、添加颗粒过磷 酸钙。