畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的含量分析

石 奧，劉 巖，李 鵬

（北京市畜牧業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，北京 102200）

畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的含量分析

石 奧，劉 巖，李 鵬

（北京市畜牧業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，北京 102200）

優(yōu)化了畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的檢測(cè)方法，利用該方法分析了北京地區(qū)16家規(guī)?；笄輬?chǎng)的糞便樣品。結(jié)果表明，各類(lèi)畜禽糞便中的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量差異較大：有機(jī)碳含量最高值為35.15%（豬糞），最低值為15.14%（牛糞），有機(jī)質(zhì)含量最高值為70.76%（雞糞），最低值為32.58%（牛糞）；畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的校正方程為w（有機(jī)碳）=0.5129w（有機(jī)質(zhì)）-2.3377，R2=0.9255。

畜禽糞便；有機(jī)碳；有機(jī)質(zhì)；碳系數(shù)

近年來(lái)，隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?、集約化程度的不斷提高，畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生了大量的畜禽糞便，截至2010年，我國(guó)畜禽糞便排放量已達(dá)45億t［1］。畜禽糞便富含有機(jī)質(zhì)，用于還田不僅可以增加土壤肥力，而且可以促進(jìn)微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性，因此，了解畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)的含量對(duì)于減輕畜禽糞便污染造成的危害、加強(qiáng)畜禽糞便的資源化開(kāi)發(fā)和利用、促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。但是，畜禽糞便作為生肥直接施用于農(nóng)田會(huì)帶來(lái)許多危害［2］，其中刺激性氣體會(huì)污染周邊的大氣環(huán)境，大量的病原微生物和寄生蟲(chóng)蟲(chóng)卵會(huì)導(dǎo)致疾病的傳播。此外，還會(huì)導(dǎo)致硝酸鹽、磷及重金屬在土壤中的沉積，對(duì)地表水和地下水造成污染。因此，將畜禽糞便作為肥料利用之前需經(jīng)過(guò)堆肥處理［3］，一方面使之脫水、減量、無(wú)害化；另一方面將其中不穩(wěn)定的、復(fù)雜的有機(jī)成分加以分解轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的、簡(jiǎn)單的有機(jī)質(zhì)成分，從而便于使用。碳氮比（有機(jī)碳/總氮）是畜禽糞便堆肥重要的參考指標(biāo)，了解畜禽糞便中的有機(jī)碳含量對(duì)于其用于堆肥具有重要意義。

有機(jī)碳的測(cè)定常用的方法有儀器法［4］和化學(xué)氧化法［5］，儀器法成本高，化學(xué)氧化法應(yīng)用更多。有機(jī)質(zhì)的測(cè)定常伴隨有機(jī)碳的測(cè)定進(jìn)行，常用的方法有CO2測(cè)定法、化學(xué)氧化法、灼燒法、土壤光譜法［6］。其中CO2測(cè)定法、土壤光譜法儀器成本高，不適用于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室使用；化學(xué)氧化法容易帶來(lái)試劑污染，特別是重鉻酸鉀的污染問(wèn)題；灼燒法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需添加化學(xué)試劑，效率高，適用于大量采樣測(cè)定，有更廣泛的應(yīng)用前景。有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳存在一定的關(guān)聯(lián)性，用碳系數(shù)（有機(jī)質(zhì)/有機(jī)碳）表示，其在土壤中約為1.724。筆者旨在通過(guò)測(cè)定不同種類(lèi)畜禽糞便中的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量，并確定畜禽糞便中的碳系數(shù)，為畜禽糞便的資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品 采集北京周邊地區(qū)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)新鮮糞便樣品16份，其中豬糞8份，雞糞5份，牛糞3份，采集時(shí)間為2015年春季和夏季。多點(diǎn)采樣混合［7］，制成約500 g代表性樣品，現(xiàn)場(chǎng)4℃以下冷藏保存，盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，冷凍儲(chǔ)存。將樣品進(jìn)行冷凍干燥處理，處理后的樣品用研缽研磨，過(guò)粒徑0.5 mm篩，以制備檢測(cè)樣品。樣品避光保存并測(cè)定含水率。

1.2 儀器和試劑 坩堝、移液器、棕色滴定管；電子分析天平（0.1 mg）；箱式電爐（0～1 000℃）；電熱恒溫水浴鍋；濃硫酸、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵、鄰菲羅啉；二級(jí)水。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及測(cè)定方法

1.3.1 有機(jī)碳：參考有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2012）［8］中有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定方法，并作調(diào)整。稱(chēng)取0.01～0.20 g（精確至0.000 1 g）樣品，置于500 mL的三角燒瓶中，準(zhǔn)確加入0.8 mol/L重鉻酸鉀溶液50.0 mL，再加入50.0 mL濃硫酸，加一彎頸小漏斗，置于沸水中保持30 min。取出冷卻至室溫，用水沖洗小漏斗，洗液承接于三角瓶中。取下三角瓶，將反應(yīng)物無(wú)損失轉(zhuǎn)入250 mL容量瓶中，冷卻至室溫，定容，吸取50.0mL溶液于250mL三角瓶?jī)?nèi)，加水約100mL，加2～3滴鄰菲羅啉指示劑，用0.2 mol/L硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液由綠色→暗綠色→磚紅色為止。同時(shí)稱(chēng)取0.20 g（精確至0.001 g）二氧化硅代替樣品，按照相同步驟分析，進(jìn)行空白試驗(yàn)。如果滴定試樣所用的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液用量小于空白試驗(yàn)所用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液用量的1/3，則應(yīng)減少稱(chēng)樣量，重新測(cè)定。

1.3.2 有機(jī)質(zhì)：稱(chēng)取1～2 g（精確至0.000 1 g）樣品，首先在電熱板上進(jìn)行炭化，然后移入箱式電爐中500℃灼燒2 h，取出置干燥器中冷卻30 min，稱(chēng)重。

2 結(jié)果與分析

不同種類(lèi)畜禽糞便中的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，不同種類(lèi)畜禽糞便中的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量差異較大，沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)范圍，有機(jī)碳含量最高時(shí)可達(dá)35.15%（豬糞），最低時(shí)只有15.14%（牛糞），有機(jī)質(zhì)含量最高時(shí)可達(dá)70.76%（雞糞），最低時(shí)只有32.58%（牛糞），這可能與飼料的選用、動(dòng)物種類(lèi)及生長(zhǎng)周期有關(guān)，也可能與樣品的采集和制備方法有關(guān)。在使用畜禽糞便作為堆肥原料或是還田使用時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)算其中的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量，以便于科學(xué)合理使用畜禽糞便。該研究中確定的不同種類(lèi)的畜禽糞便碳系數(shù)［w（有機(jī)質(zhì)）/w（有機(jī)碳）］見(jiàn)表1。由表1可知，該研究中確定的畜禽糞便碳系數(shù)在1.844～2.453，與有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2012）［8］中給定的1.724偏差較大，均高于1.724，可見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)測(cè)定有機(jī)碳估算有機(jī)質(zhì)含量的方法并不能真實(shí)地反映畜禽糞便中的有機(jī)質(zhì)含量。根據(jù)畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定結(jié)果，該研究建立了畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的校正方程：w（有機(jī)碳）=0.5129w（有機(jī)質(zhì)）-2.3377，R2=0.9255（見(jiàn)圖1）。

表1 16份畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞便樣品中有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)含量及碳系數(shù)（n=3）

圖1 16份畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的校正方程

3 討論

3.1 畜禽糞便有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)檢測(cè)方法 在該研究中，有機(jī)質(zhì)的檢測(cè)方法參考了城市生活垃圾中有機(jī)質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法（灼燒法，CJ/T96-1999）［9］，同時(shí)根據(jù)畜禽糞便樣本的特點(diǎn)進(jìn)行了一定優(yōu)化。對(duì)于灼燒溫度的確定，既需要將樣品中的有機(jī)質(zhì)灼燒減重完全，又要盡量減少樣品中無(wú)機(jī)鹽高溫分解而產(chǎn)生減重。畜禽糞便中的無(wú)機(jī)鹽分含量范圍為1.8～24.2g/kg（以干重計(jì)），平均為9.7g/kg（以干重計(jì)）［10］，其主要成分為含K+、Na+的硫酸鹽和氯化物［11］，SO42-、Cl-約占鹽分離子組成的45%。硫酸鹽的分解溫度一般高于1200℃［12］，氯化物的分解溫度約850℃［13］，大部分碳酸鹽的分解溫度在500℃以上［14］，而邱靈佳等［4］的研究結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)的完全分解溫度在480℃以上，再考慮箱式電爐爐內(nèi)溫度存在均勻性等問(wèn)題［15］，故該研究將灼燒溫度設(shè)為500℃。通過(guò)多次試驗(yàn)表明，對(duì)于1 g試樣而言，將電爐溫度設(shè)為500℃和600℃，樣品質(zhì)量偏差不超過(guò)0.1%，因此，500℃是合適的灼燒溫度。對(duì)于灼燒時(shí)間，將炭化后的樣品分別灼燒1、2、3 h，灼燒1 h和2 h的樣品質(zhì)量偏差小于0.8%，灼燒2 h和3 h的樣品質(zhì)量偏差小于0.1%，因此，為保證樣品灼燒完全，該研究將灼燒時(shí)間設(shè)為2 h。而參考標(biāo)準(zhǔn)（CJ/T 96-1999）［9］中將樣品在600℃下灼燒6～8 h，無(wú)論從灼燒溫度還是灼燒時(shí)間上看，對(duì)于畜禽糞便都有過(guò)多的余量，通過(guò)降低溫度并縮短時(shí)間，既提高了分析速度又節(jié)省了資源。

此外，研究過(guò)程中筆者發(fā)現(xiàn)，在利用過(guò)粒徑1 mm篩的樣品測(cè)定有機(jī)碳時(shí)，重復(fù)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)15%，原因是由稱(chēng)樣量較?。ㄐ∮?.1 g）而樣品顆粒大小不均而造成的取樣代表性不強(qiáng)，利用過(guò)粒徑0.5 mm篩的樣品測(cè)定有機(jī)碳時(shí)，重復(fù)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯下降，最高只有8.1%，過(guò)不同粒徑篩子的樣品中有機(jī)質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化較有機(jī)碳的小，這與有機(jī)質(zhì)稱(chēng)樣量較大有關(guān)。因此，在測(cè)定有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量時(shí)，樣品應(yīng)盡量過(guò)粒徑較小的篩并確保盡可能多的樣品過(guò)篩，以保證樣品的代表性及檢測(cè)的穩(wěn)定性。

3.2 畜禽糞便的碳系數(shù) 有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2012）［8］中給定的碳系數(shù)引用了20世紀(jì)50年代分析土壤有機(jī)質(zhì)含量的丘林法 （Tyurin）［16］中的碳系數(shù)，而丘林法是根據(jù)不同地區(qū)、不同種類(lèi)的土壤有機(jī)質(zhì)中碳含量所取的平均值，同時(shí)假定土壤中沒(méi)有尿素和其他非天然有機(jī)物。采用該種方法測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)含量也僅僅是近似值，而采用該方法測(cè)算畜禽糞便中的有機(jī)質(zhì)含量則偏差更大。因?yàn)橥寥篮托笄菁S便的基質(zhì)組成完全不同，土壤中主要是硅酸鹽、硅鋁酸鹽等礦物質(zhì)，而畜禽糞便主要是有機(jī)碳、氮、磷、鉀、鹽分、重金屬等。如果需要估算畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)之間的校正系數(shù)，必須經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)確證。Navarro等［17］對(duì)38種有機(jī)廢物的有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量進(jìn)行了分析，給出了有機(jī)廢物中的有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的校正方程。

4 結(jié)論

該研究?jī)?yōu)化了畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定方法，并利用該方法分析了北京地區(qū)16家規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)的新鮮糞便樣品，發(fā)現(xiàn)各類(lèi)畜禽糞便中的有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)區(qū)間，具體使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)分析；并且畜禽糞便中的碳系數(shù)往往高于有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)中給出的1.724，通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的有機(jī)質(zhì)含量并不能真實(shí)反映畜禽糞便中的有機(jī)質(zhì)含量。根據(jù)畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定結(jié)果，該研究進(jìn)一步建立了畜禽糞便中有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)的校正方程：w（有機(jī)碳）=0.5129w（有機(jī)質(zhì)）-2.3377，R2=0.9255，可為畜禽糞便的科學(xué)合理利用提供參考。

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（責(zé)任編輯：趙俊利）

Determination of Organic Carbon and Organic Matter in Animal Manure

SHI Ao，LIU Yan，LI Peng
（Beijing Monitoring Station for Animal Husbandry Environment，Beijing 102200，China）

A method for determination of organic carbon and organic matter in animal manure was established in this study,which was subsequently used to assess the content of organic carbon and organic matter in animal manure samples collected from 16 intensive livestock and poultry farms in Beijing.We found that the content of organic carbon and organic matter varied in manure samples from different animal species.The highest （35.15%）and lowest（15.14%）content of organic carbon were found in porcine manure sample and bovine manure sample,respectively.Whilst,the highest（70.76%）and lowest（32.58%）content of organic matter were observed in chicken manure sample and bovine manure sample,respectively.The correction equation for determination of organic carbon and organic matter in animal manure established in this study was:w (OC)=0.5129w (OM)-2.3377,and R2was 0.9255.

animal manure；organic carbon；organic matter；carbon ratio

X713；S14-33

A文章順序編號(hào)：1672-5190（2016）02-0014-03

2016－01－15

項(xiàng)目來(lái)源：北京市農(nóng)委基金項(xiàng)目（PXM2014 036240 000012）。

石奧（1975—），男，中級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樾笄蒺B(yǎng)殖產(chǎn)地環(huán)境。