牛粪堆肥化中氮素形态与微生物生理群的动态变化和耦合关系

摘要：在强制通风静态垛装置中研究了牛粪堆肥化中氮素形态和微生物生理群的动态变化。在堆制的56 d 里，根据堆温变化分阶段采集堆肥样品，测定各种氮素组分的含量和氮素微生物生理群的数量。结果表明，堆肥过程中，总氮减少了21.6%；有机氮是堆肥中的主要氮素形态，其含量降低了19.1%；氨基酸态氮和氨态氮的含量分别降低了20.9%和86.4%，在有机氮和总氮中的比例分别降低了2.2%和5.2%；氨基糖态氮和硝态氮含量分别增加了147%和79%，在有机氮和总氮中的比例分别增加了2 倍和1.3 倍。氨气的挥发占总损失的63%，高温期的释放量占总挥发量的69%。堆肥中氨化细菌数量较高，在高温期大幅度增加，其数量变化与堆肥中氨气和氨态氮含量都呈极显著正相关关系。在堆肥过程中，硝化细菌数量总体较小，在降温期增加幅度较大；反硝化细菌数量逐渐增加，堆制结束时达到堆肥初期的2.45 倍；固氮菌数量总体增加1.8 倍，其中降温期数量较多。堆肥过程中存在的反硝化作用，是氮素损失的另一个重要原因。

    堆肥中的氮素形态将影响到植物吸收、土壤性质和大气与地下水的质量，从而影响到堆肥的质量，因此一直是堆肥研究的热点[1-4]。堆肥中氮的形态包括总氮（TN凯氏氮加上硝态氮）、有机氮（Org-N 凯氏氮减去铵态氮）、铵态氮（NH4-N）、硝态氮（NO3-N）[1]。有机氮又分为氨基酸态氮、氨基糖态氮、酸解未知部分氮和非酸解态氮等组分，其中：铵态氮和硝态氮可被植物或微生物直接吸收利用，也是最易变化和损失的形态；氨基酸态氮、氨基糖态氮及酰胺态氮在土壤中可以通过矿化形成无机氮而被植物利用[2]；非酸解态氮与腐殖物质的形成有关，可以稳定存在，在适宜的时候又可被植物利用，对改善土壤性质很有帮助[3]。而粪便中的尿囊氮（Allantoin-
N）是一种重要的植物生长调节剂[4]。堆肥化过程伴随着有机氮的矿化（NH3 的挥发）、硝化及反硝化作用（释放N2O），同时也进行着无机氮的生物固定作用。各种作用相互转化相互依存，都是复杂的微生物活动过程。有机氮的矿化主要由产生蛋白酶的微生物控制，氨化细菌就是其中的一个类群。硝化过程包括由氨氧化细菌（亚硝酸细菌）将氨气转化为亚硝酸盐和由硝酸细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐两个过程，通常测定的硝化细菌主要是氨氧化细菌；反硝化过程是将硝酸盐转化为氮气的过程，通常分为四个阶段：NO-3→NO-2→NO→N2O→N2。每个阶段都由来源复杂的酶（一般主要产生于厌氧环境）控制，而这些酶主要来自于细菌、特殊的真菌和古细菌（archaea）[5]，通常测定反硝化细菌。可见，不同的微生物控制着堆肥中氮素转化过程的各个环节和氮素形态，且有研究发现堆肥中有机氮主要分布在不同的微生物群落和腐殖质库中（Tate，1995）[6]。研究堆肥中的氮素微生物生理群的变化对于了解氮素转化过程、控制氮素形态和损失具有较大的帮助，而国内外对此方面的研究不多。因此，本试验以牛粪为原料，进行强制通风堆肥化试验，对高温堆肥过程中氮素形态和氮素微生物生理群（氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌和固氮菌）的动态分布及其相互关系进行了研究，旨在为探讨控制牛粪堆肥过程中氮素形态和氮素损失提供理论依据。