低成本原位PAM改性鸡粪堆肥以增强保水性能：夏玉米的农学、环境与经济学表现

《Environmental Technology & Innovation》：Low-cost in-situ PAM modification of chicken manure compost for enhanced water retention: Agronomic, environmental, and economic performance in summer maize

　　

由于华北平原地下水超采、土壤退化且商业保水剂价格高昂，研究人员测试了一种低成本的鸡粪堆肥改性方法，即在堆肥初期将聚丙烯酰胺(PAM)与原料混合，以在发酵过程中形成腐殖质复合物。研究设置了五个PAM添加梯度（0%–3.5%，干物质质量），以测试其对堆肥物理化学特性、温室气体(GHG)释放、养分转化和堆肥腐熟度的影响。结果表明，与对照组相比，添加0.5%–1.5%的PAM使标准化堆肥保水率提高了21.7%–26.3%，且符合中国有机肥料标准（NY/T 525-2021）的所有强制性腐熟度基准。这种改善归因于氢键结合的PAM-腐殖质复合物稳定了堆肥内部的水分储存结构。田间试验表明，用0.5% PAM改性堆肥替代一半的化肥，可使夏玉米产量达到最高，为8,194 kg ha^-1，相对于常规全化肥施肥提高了31.6%。生命周期成本分析显示，该处理还实现了粮食收入与较低碳排放的最佳结合。对堆肥质量、保水性、温室气体排放、产量和成本的综合评估表明，0.5%–1.5%是最佳的PAM添加范围；其中0.5%处理的单位净收入最高，为干旱和半干旱地区的农业废弃物资源化利用和节水提供了可行手段。

华北平原是中国主要的夏玉米产区，但该地区面临地下水超采、土壤盐渍化和土壤肥力低下的严峻挑战。长期过量开采地下水导致水位每年下降0.5-1.0 m。此外，低洼地带普遍存在轻度盐渍化，表土有机质含量低，导致土壤团聚体稳定性弱，保水保肥能力差，加剧了干旱胁迫并进一步导致土壤退化。在干旱和盐碱双重胁迫下，当地玉米出苗率低、抗逆性差，产量潜力无法充分发挥。施用堆肥虽能增加土壤有机质、优化团聚体结构并提升田间持水量，但传统堆肥的固有蓄水能力远低于合成聚合物。聚丙烯酰胺(PAM，一种水溶性高分子聚合物)已被证明能有效改善土壤物理性质和作物生产力，但其高昂的材料成本限制了在大宗作物生产中的广泛应用。此外，传统的堆肥后混合或表施PAM存在分布不均、随地表径流流失及结构退化等缺陷，导致长期保水效能迅速下降。尽管已有研究表明在堆肥期间混合PAM可延长保水效果，但现有研究多将堆肥过程中的PAM添加与田间PAM施用割裂开来，缺乏从发酵到田间施用全链条对堆肥质量、保水性及温室气体排放影响的研究，且全链条成本数据匮乏。为填补这一空白，研究人员开展了全链条研究，该论文发表在《Environmental Technology》。

研究人员开展了不同PAM添加梯度下的鸡粪堆肥发酵试验及随后的夏玉米田间试验，得出结论：在鸡粪堆肥中添加0.5%-1.5%的PAM能显著提升保水性并符合中国有机肥料标准；在田间试验中，用0.5% PAM改性堆肥替代50%的化学氮肥可实现最高产量，同时具有最佳经济和低碳表现。这项研究的重要意义在于，它证明了低成本原位改性堆肥能够同时实现作物增产、农民增收和碳足迹削减，为干旱和半干旱地区的农业废弃物再利用和节水提供了可行方案。

研究样本队列来源于河北省曲周县商业农场的鲜鸡粪和麦秸。主要关键技术方法包括：在自行设计的网格式推车中进行静态自然通风堆肥发酵；利用气相色谱法(GC，用于分离分析气体组分)测定堆肥及田间温室气体排放通量；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR，用于分析分子结构和化学键)表征PAM-腐殖质复合物的结合特征；在河北曲周县开展随机完全区组田间试验，利用静态箱法采集田间温室气体；基于ISO 14040/14044框架开展生命周期成本(LCC，涵盖产品全生命周期的经济评价方法)分析，并进行单因素敏感性分析。

3.1. Maturity of Compost：通过温度监测及理化指标分析发现，各处理均达到中国有机肥料标准要求。T1（0.5% PAM）的发芽指数(GI，评价堆肥毒性和腐熟度的指标)最高，而高浓度PAM会因增加堆肥浸提液渗透压及潜在残留毒性而降低发芽指数。适量添加PAM（1.5%）能提升总养分含量，但超过1.5%会因通气受限而抑制养分积累。
3.2. The Effect of PAM on the Structural Characteristics of Compost：通过保水率测定及光谱分析发现，0.5%-1.5% PAM组的复合体系具有更好的稳定性，保水率在28天后仍保持较高水平。FTIR光谱证实PAM与堆肥腐殖质在发酵过程中形成了氢键复合物，显著增加了羟基和羧基等官能团的吸收峰强度。
3.3. The Effects of Compost Application on Maize Yield：通过田间测产发现，施用0.5% PAM改性堆肥替代50%化肥的处理获得了最高产量（8,194 kg ha^-1），显著高于常规化肥。原位改性堆肥的增产效果优于直接在田间表施PAM，这归因于PAM与腐殖质形成的氢键复合物改善了土壤团聚体孔隙度和保水供肥能力。
3.4. Greenhouse gas emissions：通过气体排放监测发现，1.5% PAM添加量在堆肥期间显著降低了CH₄和CO₂排放，在田间阶段显著降低了N₂O排放。最佳改性堆肥处理使全生命周期全球增温潜势(GWP，衡量温室气体变暖影响的指标)净减少了1,094 kg CO₂-eq ha^-1。
3.5. Cost Analysis：通过全生命周期成本与收益核算发现，0.5% PAM改性堆肥替代50%化肥处理的田间成本最低，且因产量优势和碳排放减少带来的碳税收益，实现了最高净收入（141.72 USD t^-1）。
3.6. Sensitivity analysis of LCC assumptions：通过单因素敏感性分析发现，在玉米价格、尿素价格和PAM价格波动的情况下，0.5% PAM改性堆肥处理始终能保持最高的经济回报，展现出稳定的经济竞争力。
3.7. Overall Discussion：综合评估农学、环境和经济学指标，0.5%-1.5%是平衡保水性能与养分供应的最佳PAM添加范围。其中0.5%处理的全周期净利润最高，最适合大规模田间推广，能够同时提升作物产量、增加农民收入并削减碳足迹。

讨论部分总结：单一的土壤改良剂在田间应用中存在明显缺陷。PAM保水性能出众但缺乏养分且成本高；而常规有机肥养分稳定但保水能力弱。原位共混PAM与鸡粪堆肥能弥补单一改良剂的局限性，在保水、养分供应和经济回报三个维度实现协同提升。随着PAM添加量增加，保水力增强但总养分含量和净利润下降，存在明显的权衡关系。
研究结论：在鸡粪堆肥过程中添加0.5%-1.5%的PAM使堆肥保水率提高了21.7%–26.3%，且达到NY/T 525-2021的腐熟度要求。FTIR光谱表明PAM在堆肥过程中与腐殖质形成了氢键复合物。田间试验中，用0.5% PAM改性堆肥替代50%的化肥氮，获得了最高的玉米产量（8,194 kg ha^-1，比常规化肥对照高31.6%），最低的温室气体排放，以及最高的净收益（每吨玉米141.72美元）。上述结果仅来自华北平原单一站点的一个生长季，需要进行多年、多站点的测试才能进行广泛推荐。