转频对青藏高原大规模羊粪堆肥过程中营养元素和重金属转化及生物利用度的影响

《Environmental Technology & Innovation》：Impact of turning frequency on the transformation and bioavailability of nutrient elements and heavy metals in large-scale sheep manure composting on the Qinghai-Tibet Plateau

羊粪堆肥过程中翻料频率（T1:2天/次，T2:4天/次，T3:6天/次）显著影响温度、有机碳分解及氮磷形态转化。T1组达到最高温度（65.7℃），促进有机酸生成和微生物活性，使可利用氮（+12.1%）和磷（+12.8%）含量提升，同时降低交换态Pb（-13.7%）、Cr（-11.8%）和Mn（-17.1%）的生物有效性。功能基因分析显示频繁翻料抑制硝酸盐还原（narG, narH）和硝氧化（norB, norC），促进硝酰胺铵化（nirD, nirB），减少氮损失。微生物群落中假单胞菌（Pseudomonas）、黄杆菌（Flavobacterium）等与有机磷矿化相关菌丰度提高。植物实验表明T1组玉米根系氮（+8.2%）、磷（+9.5%）含量最高，而Cu（-22.3%）、Pb（-18.6%）、Mn（-24.1%）积累量最低。环境因子中HI（+15.1%）、HA/FA（+13.7%）和MC（维持45%）对养分转化及重金属形态有显著调控作用。

　　
本文聚焦于青海-西藏高原（QTP）工业规模羊粪堆肥过程中不同翻料频率对养分转化与重金属形态的影响机制。研究通过三组不同翻料频率（T1：2天/次；T2：4天/次；T3：6天/次）的对比实验，结合多组指标分析揭示以下核心发现：

### 一、堆肥成熟度与养分转化
1. **温度与腐殖化进程**
T1组在初始阶段（第4天）达到峰值温度65.7℃，较T3组高6.6℃，显著提升腐殖化指数（HI）至18.3%。该现象与频繁翻料促进氧循环密切相关：T1组在高温期（第2-10天）持续保持50℃以上温度达8天，较T3组延长3天。通过比较腐殖酸（HA）与富里酸（FA）的动态变化发现，T1组HA/FA比值达2.31，较T3组（1.62）提升42.3%，表明其腐殖化程度更高。碳氮比（C/N）从初始的23.1降至18.5（T1），显示有机质降解更彻底。

2. **氮素转化特征**
T1组通过抑制硝酸盐还原（narG/narH基因丰度降低18.2%）和促进硝酰胺铵化（nirD/nirB基因丰度提升32.7%），使可利用氮含量达6229 mg/kg，较T3组提升12.1%。值得注意的是，T3组在后期（第30-36天）硝氧化物还原基因（norB/norC）丰度激增3.4倍，导致N?O排放量显著高于其他组，这与氧气供应不足导致的反硝化作用增强直接相关。

3. **磷素转化机制**
频繁翻料通过促进有机磷矿化（phoA基因丰度提升27.8%）和铁铝氧化物磷活化（phnG/phnJ基因协同作用），使可溶性磷（H?O-P + NaHCO?-P）在T1组达到579.3+1083.7=1663 mg/kg，较T3组提高18.5%。特别在后期阶段，T1组聚磷酸盐降解基因（relA）丰度达0.89拷贝/g，较T3组高41.7%，有效抑制了聚磷酸盐的过度积累。

### 二、重金属形态转化规律
1. **生物有效性抑制效应**
T1组通过形成稳定复合物的机制，将Pb、Cr、Mn的交换态比例分别从初始的18.7%、21.3%、15.4%降至13.2%、11.8%、14.3%（较T3组低13.7%、11.8%、17.1%）。显微分析显示，Cu2?与腐殖酸结合形成的络合物占比达68.5%，显著高于其他形态。

2. **环境因子调控作用**
- **水分调控**：T1组通过维持45%恒定水分（波动±2%），使Mn的交换态比例降低至14.3%（P<0.05），这与其促进有机酸合成（柠檬酸、苹果酸浓度提升2.1倍）直接相关。
- **成熟度指标**：腐殖化率（HR）达32.1%（T1）时，Cr的残留态比例提升至79.2%，较T3组提高24.6个百分点。通过建立主成分分析模型发现，HA含量每增加1%，Pb的残留态比例提升0.87%。
- **微生物群落效应**：功能菌属如解氧化假单胞菌（Pseudomonas）丰度提升至4.2×10? CFU/g（T1），通过分泌有机酸（如草酸浓度达28.6 mg/kg）与重金属形成螯合物，同时其丰度与Cr残留态呈显著正相关（r=0.73，P<0.01）。

### 三、植物表型响应与安全阈值
1. **作物生长促进效应**
T1处理下玉米株高（32.7 cm）和根生物量（1.85 g）较CK提升28.6%和41.2%，且根系发达度（根长/根数）达0.78 cm/株，较T3组（0.62 cm/株）显著提高。这种促进效应源于腐殖化产物（HA/FA比值2.31）与磷有效性（H?O-P+NaHCO?-P达1663 mg/kg）的协同作用。

2. **重金属累积特征**
虽然T1-T3均使土壤重金属含量提高（Cu 12.3-15.6 mg/kg；Pb 8.7-11.2 mg/kg），但植物吸收量呈现梯度递减：T1组玉米籽粒Cu含量（3.2 mg/kg）较T3组（4.7 mg/kg）降低31.5%，且未超过国家有机肥重金属限量标准（Cu≤50 mg/kg，Pb≤20 mg/kg）。这种差异源于：
- 重金属形态转化：T1组Pb残留态占比达82.3%，其生物有效性仅为交换态的1/17
- 微生物屏障效应：解硫弧菌（Thiobacillus）丰度达2.1×10? CFU/g，通过硫酸盐还原途径固定重金属

### 四、技术经济性平衡
研究提出"双频策略"：在初始阶段（0-12天）采用T1（2天/次）确保高温快速启动（峰值温度达65.7℃），后期转为T2（4天/次）维持成熟度（HI≥17.0%）同时降低能耗。经成本核算，该模式较单一T1操作节省人力成本37%，而养分有效性（TN 25.3 g/kg，有效磷1663 mg/kg）仍保持最优。

### 五、生态安全启示
通过建立重金属形态-微生物群落-环境因子三维模型，发现：
1. 腐殖化指数（HI）每提升1%，可降低Pb生物有效性0.38%
2. 微生物网络拓扑分析显示，功能菌属（如微球菌属）的模块化程度与重金属固定效率呈正相关（r=0.81，P<0.001）
3. 磷素养分与重金属固定存在拮抗效应，需通过T1-T2组合调控实现平衡

该研究为高原地区畜禽粪污资源化提供了关键技术参数：推荐采用2-4天/次的翻料频率，既保证养分有效性（氮磷利用率提升19-23%），又使重金属生物有效性控制在安全阈值内（Cu<5 mg/kg，Pb<10 mg/kg）。特别在青藏高原特殊气候条件下，微生物功能群落的动态调控比单纯依赖物理翻料更具生态效益。