黏土礦物和化學(xué)添加劑對(duì)牛糞堆肥過(guò)程氮素固持的影響

郜斌斌，王 選，常瑞雪，陳 清

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黏土礦物和化學(xué)添加劑對(duì)牛糞堆肥過(guò)程氮素固持的影響

郜斌斌1，王 選2，常瑞雪1，陳 清1※

（1. 農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050021）

為對(duì)比分析在等質(zhì)量添加下，不同化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)氮素保存能力的差異，以鮮牛糞為主料，玉米秸稈為輔料，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的化學(xué)物質(zhì)（氧化鈣、氧化鎂、硫酸亞鐵、明礬）或黏土礦物（蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土）作為添加劑進(jìn)行為期35 d的堆肥試驗(yàn)，研究其對(duì)堆肥過(guò)程氮素?fù)p失和理化特性的影響。結(jié)果顯示：各處理在50 ℃以上的高溫期持續(xù)了10 d以上，達(dá)到糞便無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)（GB 7959-2012）。和對(duì)照相比，添加氧化鈣和氧化鎂未對(duì)氨揮發(fā)和總氮損失產(chǎn)生明顯影響，添加硫酸亞鐵和明礬分別降低氨揮發(fā)43.7%、30.0%和總氮損失33.8%、26.5%；添加蛭石、沸石、麥飯石和膨潤(rùn)土分別降低氨揮發(fā)24.4%、29.9%、7.1%和20.1%，降低總氮損失15.4%、22.9%、2.2%和13.4%。所有添加劑均未對(duì)堆肥過(guò)程EC值變化產(chǎn)生明顯影響，添加氧化鎂明顯提高了堆體pH值，堆肥結(jié)束時(shí)pH值為9.36，使堆肥未達(dá)到基本腐熟水平（發(fā)芽率指數(shù)GI>50%），其他處理對(duì)pH值影響較小，且可以達(dá)到基本腐熟。綜上，硫酸亞鐵和明礬對(duì)氮素保存的效果優(yōu)于黏土礦物，但黏土礦物價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需求選擇添加劑類別。

糞；堆肥；氮素?fù)p失；化學(xué)物質(zhì)；黏土礦物

0 引 言

近年來(lái)中國(guó)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，集約化程度不斷提高，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，中國(guó)2013年主要畜禽糞便產(chǎn)生量達(dá)6.23億t，所含氮、磷、鉀養(yǎng)分分別達(dá)當(dāng)年農(nóng)業(yè)氮、磷、鉀肥施用量的48.3%、37.5%、123.4%，其中牛糞占畜禽糞便總量的25%，肥料化利用潛力巨大。好氧堆肥技術(shù)是在微生物作用下通過(guò)高溫發(fā)酵使畜禽糞便轉(zhuǎn)化為含有大量可被植物吸收利用的有效態(tài)氮、磷、鉀養(yǎng)分和腐殖質(zhì)的腐熟肥料，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的無(wú)害化和安全化處理過(guò)程[2]。堆肥農(nóng)用可以在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。但是畜禽糞便堆肥過(guò)程中較高的氮素?fù)p失會(huì)降低肥料的養(yǎng)分含量，研究表明，畜禽糞便與秸桿、鋸屑等聯(lián)合堆肥時(shí)氮素?fù)p失量可以達(dá)到進(jìn)料總氮的16%～76%[3]。好氧高溫堆肥過(guò)程中氮素的損失問(wèn)題限制著堆肥技術(shù)的發(fā)展，也是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

堆肥過(guò)程氮素?fù)p失受堆肥過(guò)程溫度、含水量、pH值和物料性質(zhì)等因素影響[1]。近年來(lái)，大量研究嘗試通過(guò)添加化學(xué)和黏土礦物添加劑來(lái)達(dá)到減少堆肥過(guò)程氮素?fù)p失的目的。李冰等[4]在豬糞稻草堆肥過(guò)程中添加化學(xué)物質(zhì)硫酸鋁、氯化鈣、磷酸和過(guò)磷酸鈣處理，能相對(duì)減少氨揮發(fā)40%以上，而硫酸鈣和硫酸處理減排效果相對(duì)較小，只能減少氨揮發(fā)15%～25%左右。江滔等[5]綜合比較了磷酸+氧化鎂、過(guò)磷酸鈣和磷酸3種氮素原位固定劑在豬糞玉米秸稈堆肥過(guò)程中對(duì)氮素?fù)p失的控制，結(jié)果表明氨揮發(fā)減排分別為55.4%、37.5%和12.4%，磷酸處理效果較差，而且堆肥也未能徹底腐熟。羅一鳴等[6]在室外試驗(yàn)條件下研究得出，一定比例的沸石添加劑可減少雞糞高溫堆肥氨揮發(fā)損失達(dá)26.9%，特別是在堆肥高溫期降低氨揮發(fā)速率效果明顯，起到良好的除臭保氮效果。Turan等[7]研究結(jié)果顯示珍珠巖、蛭石、浮石和沸石可分別降低家禽糞便堆肥過(guò)程氨揮發(fā)26.4%、41.7%、63.9%和77.8%?；瘜W(xué)鹽類物質(zhì)和吸附類黏土礦物是研究較為廣泛的保氮添加劑，然而不同試驗(yàn)堆肥原料和堆肥反應(yīng)條件差異較大，無(wú)法準(zhǔn)確綜合比較2類添加劑的保氮能力和系統(tǒng)分析不同添加劑的保氮機(jī)制差異。

本文選用化學(xué)物質(zhì)氧化鈣、氧化鎂、硫酸亞鐵、明礬，以及黏土礦物蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土，研究其對(duì)堆肥過(guò)程氮素?fù)p失和氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化，以及堆肥進(jìn)程和理化性質(zhì)的影響，對(duì)比分析在等質(zhì)量添加下，不同化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)氮素保存能力以及機(jī)制的差異，以期為中國(guó)畜禽糞便的低氮損失肥料化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

堆肥試驗(yàn)所用物料為鮮牛糞和青貯玉米秸稈，取自石家莊市欒城區(qū)鼎源牧業(yè)奶牛場(chǎng)，玉米秸稈切成1～5 cm左右的小段。所用化學(xué)添加劑：氧化鈣（CaO）、輕質(zhì)氧化鎂（MgO）、明礬（KAl(SO4)2·12H2O）、硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）買自國(guó)藥分析純?cè)噭?；所用黏土礦物：蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土均為市售。文中共進(jìn)行添加化學(xué)物質(zhì)或黏土礦物的2批堆肥試驗(yàn)，添加化學(xué)物質(zhì)的堆肥原料理化性質(zhì)為：牛糞pH值7.80、EC值985S/cm、總氮（TN）11.91 g/kg、總有機(jī)碳（TOC）288 g/kg、含水率69.78%；秸稈pH值4.18、EC值939S/cm、TN 12.05 g/kg、TOC 574 g/kg、含水率45.3%。添加黏土礦物的堆肥原料理化性質(zhì)為：牛糞pH值7.48、EC值1023S/cm、TN 8.79 g/kg、TOC 181 g/kg、含水率73.06%；秸稈pH值5.66、EC值2 203S/cm、TN 13.35 g/kg、TOC 572 g/kg、含水率40.38%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每批堆肥試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，堆肥原料按牛糞15 kg、秸稈10 kg，即鮮質(zhì)量比3:2混合；添加劑風(fēng)干粉碎過(guò)60目篩，添加量是物料干質(zhì)量的2.5%，即0.25 kg。以不加添加劑的堆肥為對(duì)照組（CK），試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 堆肥方法

本試驗(yàn)在石家莊中科院農(nóng)業(yè)資源研究中心欒城試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。采用50 L不銹鋼、密閉反應(yīng)器堆肥（如圖1）；通氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)按照0.5 L/min每千克干物料質(zhì)量控制；每天10:00和16:00在出氣口處用2%硼酸溶液吸收氨氣，吸收持續(xù)時(shí)間為堆肥前期0.5～1 h，后期2～10 h，通過(guò)平均值計(jì)算氨氣每天產(chǎn)生量。

本文堆肥周期為35 d，在第0、3、7、10、14、21、28、35天時(shí)翻堆并取樣，一份存放于零下20 ℃的冰箱中，用于pH值、EC值、含水率、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、種子發(fā)芽率指數(shù)（germination index，GI）的測(cè)定；一份自然風(fēng)干后粉碎過(guò)1 mm篩，用于TOC、TN的測(cè)定。

1.空氣泵 2.流量計(jì) 3.保溫層 4.堆肥物料 5.溫度傳感器 6.洗氣瓶 7.數(shù)據(jù)采集電腦

1.2.3 分析方法

堆肥過(guò)程中堆體溫度由連接至電腦的溫度傳感器監(jiān)測(cè)，傳感器位于堆體正中央，每1 h自動(dòng)記錄1次。氨氣在出氣口處用2%硼酸溶液吸收、標(biāo)準(zhǔn)酸滴定的方法測(cè)定。GI的測(cè)定采用10 g堆肥鮮樣加100 mL去離子水，在搖床上（25 ℃、200 r/min）震蕩30 min，過(guò)濾得到提取液后，取5 mL于墊有濾紙的9cm培養(yǎng)皿中，均勻撒10個(gè)水蘿卜種子，在25 ℃下恒溫培養(yǎng)48 h后測(cè)定，以加去離子水的培養(yǎng)為對(duì)照，參照文獻(xiàn)中公式計(jì)算[8]，GI（%）=（處理發(fā)芽種子數(shù)×處理種子總根長(zhǎng)）/（對(duì)照發(fā)芽種子數(shù)×對(duì)照種子總根長(zhǎng)）×100%。

取上述提取液用校準(zhǔn)過(guò)的pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定pH值和EC值。物料含水率在105 ℃下烘干至質(zhì)量不變后計(jì)算得到。TOC和TN參照有機(jī)肥料農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2012）測(cè)定。NO3--N和NH4+-N用2 mol/L氯化鉀以固液比1∶10浸提后，采用德國(guó)SEAL流動(dòng)分析儀（AA3型）測(cè)定。氮素?fù)p失參照文獻(xiàn)中的方法計(jì)算[9]。每個(gè)樣品指標(biāo)均進(jìn)行3次重復(fù)性分析，采用Microsoft Excel2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度的變化

堆肥過(guò)程中不同處理堆體溫度變化曲線如圖2a、2b所示，堆體中的有機(jī)物被微生物降解并產(chǎn)生高溫，所有處理的溫度均在第1天內(nèi)升溫到了50 ℃以上。各處理溫度的變化趨勢(shì)基本相同，均經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期以及腐熟期4個(gè)階段。整個(gè)堆肥期間，各處理在50 ℃以上的高溫期均持續(xù)了10 d以上，達(dá)到了糞便無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)（GB 7959-2012）。

在堆肥第1周期間，CaO處理的堆體溫度略高于其他處理，研究表明CaO在低量添加時(shí)能通過(guò)防止pH值降低并提供適量的鈣離子提高堆肥過(guò)程微生物的代謝活性，加快了有機(jī)物的分解和熱能的產(chǎn)生[10]，另外CaO遇水發(fā)生放熱反應(yīng)也可能使堆體溫度升高[11]；MgO處理堆體溫度低于對(duì)照3～8 ℃，尤其是在第3天翻堆后溫度下降較快，一般認(rèn)為堆肥過(guò)程最適的pH值范圍為7～8[12]，添加MgO明顯提高了堆體pH值，抑制了堆體微生物活性，造成堆體有機(jī)物的分解減緩、熱能產(chǎn)生減少。其他化學(xué)物質(zhì)或黏土礦物處理均對(duì)溫度沒(méi)有明顯的提高或降低作用。

圖2　化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程溫度的影響

2.2 堆體pH值、EC值的變化

pH值是堆體微生物活性和氨氣揮發(fā)的主要影響因素，不同處理堆體pH值的變化見(jiàn)圖3a、b，隨著堆肥進(jìn)行，MgO處理堆體pH值先略微下降后逐漸升高，其他處理堆體pH值整體呈現(xiàn)先下降后升高，然后再下降并趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。堆肥反應(yīng)第1周，堆體物料中的有機(jī)質(zhì)在高溫環(huán)境下被微生物快速分解，產(chǎn)生了銨態(tài)氮，導(dǎo)致pH值上升，之后由于氨氣的揮發(fā)以及有機(jī)酸的產(chǎn)生，堆體pH值開(kāi)始逐漸下降[9]。

和對(duì)照相比，添加CaO在堆肥前期提高了堆體0.5～0.7個(gè)pH值單位，但是在堆肥結(jié)束時(shí)并未對(duì)pH值產(chǎn)生影響；添加MgO顯著提高了堆體pH值，在堆肥前期比對(duì)照提高了2.1個(gè)pH值單位，在堆肥結(jié)束時(shí)提高了1.4個(gè)pH值單位；添加FeSO4在堆肥第1周未對(duì)pH值產(chǎn)生影響，在堆肥第2周結(jié)束時(shí)開(kāi)始降低堆體pH值，最終降低了0.63個(gè)pH值單位；添加AlK(SO4)2在堆肥開(kāi)始時(shí)降低堆體1個(gè)pH值單位，在堆肥結(jié)束時(shí)降低了堆體0.75個(gè)pH值單位。

CaO和水反應(yīng)生成氫氧化鈣，在堆肥第1周提高了pH值，隨后氫氧化鈣與堆體二氧化碳反應(yīng)生成了碳酸鈣使堆體pH值下降，最終與對(duì)照保持了一致。MgO為堿性氧化物，其水溶液呈強(qiáng)堿性使堆體的pH值升高。FeSO4中的二價(jià)鐵離子在堆肥第1周被氧化為三價(jià)鐵之后，三價(jià)鐵離子水解產(chǎn)生氫離子使堆體pH值降低。KAl(SO4)2處理的變化是三價(jià)鋁離子水解的結(jié)果，鋁離子可能被磷酸根離子沉淀形成磷酸鋁[13]，隨著鋁離子被消耗其對(duì)pH值的影響也逐漸減弱。

圖3 化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程pH值的影響

添加黏土礦物對(duì)堆體pH值的影響較小，這和前人的研究結(jié)果基本一致[7,14-16]。

電導(dǎo)率（EC值）反映堆體離子總濃度的大小，是判斷堆肥是否腐熟的必要條件[17]。不同添加劑對(duì)堆肥過(guò)程中EC值的影響見(jiàn)圖4a、4b，整體呈現(xiàn)出先下降后上升，然后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；在堆肥前兩周氨氣大量逸出、各種礦物鹽離子沉淀引起EC值下降[18]，之后隨著微生物對(duì)有機(jī)物的降解，堆體質(zhì)量下降、濃縮，而且各種有機(jī)酸的產(chǎn)生導(dǎo)致堆體EC值升高。

堆肥結(jié)束時(shí)，和對(duì)照相比，添加MgO、FeSO4、KAl(SO4)2分別提高堆體EC值257、357、339S/cm，這可能是因?yàn)槎洋w的濃縮和金屬陽(yáng)離子的溶出；添加CaO在堆肥中期降低了堆體EC值約300～500S/cm，但堆肥最后一周EC值開(kāi)始上升，至堆肥結(jié)束時(shí)只比對(duì)照低93S/cm，這可能是鈣離子將各種鹽離子沉淀，腐熟期又有部分離子溶出的結(jié)果。

添加沸石在第14～28天期間降低了堆體EC值，在堆肥結(jié)束時(shí)，各處理CK、蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土的EC值分別為：948，1135，907，932，1 040S/cm，添加黏土礦物對(duì)堆體EC值影響較小。

圖4 化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程EC值的影響

2.3 總有機(jī)碳的變化

如圖5a、b所示，不同處理堆體總有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）含量的變化趨勢(shì)基本相同，在第3天有所升高，隨后開(kāi)始逐漸下降。堆肥結(jié)束時(shí)添加CaO處理的TOC和初始相比減少16.5%。添加CaO可通過(guò)調(diào)節(jié)pH值并提供適量鈣離子來(lái)提高堆肥過(guò)程微生物活性，從而促進(jìn)有機(jī)碳的降解[6]；Wong等[19]在污泥堆肥過(guò)程添加石灰也觀察到了較高的有機(jī)碳降解。其他化學(xué)或黏土添加劑對(duì)堆體有機(jī)碳含量的影響較小。

圖5 化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程總有機(jī)碳的影響

2.4 氮素含量的變化

2.4.1 氨氣揮發(fā)速率及總量的變化

不同處理氨氣揮發(fā)速率以及累積揮發(fā)總量如圖6a、6b所示。從圖6a、6b中可以看出，氨氣大量揮發(fā)主要出現(xiàn)在堆肥的第1周，尤其是在堆肥升溫之后的第2天和第3天翻堆之后的第4天；在第7天翻堆之后，堆體氨氣揮發(fā)速率只出現(xiàn)了一個(gè)很小的峰值，說(shuō)明氨氣揮發(fā)已經(jīng)趨于結(jié)束；在堆肥高溫期，微生物將堆體的大量有機(jī)物分解，產(chǎn)生銨態(tài)氮，然后銨態(tài)氮在高溫和高pH值的環(huán)境下，轉(zhuǎn)化為氨氣釋放出來(lái)，隨后銨態(tài)氮逐漸耗竭，以及堆體溫度和pH值的下降，微生物活性的降低，氨氣揮發(fā)速率也相應(yīng)降低[20]。

圖6 化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程氨氣揮發(fā)速率及累積揮發(fā)量的影響

除了對(duì)照在第3天和CaO、FeSO4處理在第4天外，其他處理均在第2天檢測(cè)到了氨氣揮發(fā)速率的最高峰；這說(shuō)明添加CaO和FeSO4的堆體氨揮發(fā)具有滯后性，這可能是CaO與水反應(yīng)生成的氫氧化鈣具有腐蝕性，抑制了微生物活性的增長(zhǎng)速率；硫酸亞鐵銨復(fù)鹽的生成固定了銨態(tài)氮，延遲了氨揮發(fā)速率高峰時(shí)間的到來(lái)；對(duì)照組由于沒(méi)有添加保氮?jiǎng)?，氨氣揮發(fā)在持續(xù)上升，而不能理解為滯后。

堆肥結(jié)束時(shí)，和對(duì)照相比，F(xiàn)eSO4、KAl(SO4)2處理氨氣揮發(fā)總量分別減少43.7%、30.0%，添加CaO的處理略微促進(jìn)了氨揮發(fā)，促進(jìn)1.4%，添加MgO略微降低氨揮發(fā)，降低3.4%；添加CaO雖然在堆肥結(jié)束時(shí)，對(duì)pH值影響不大，但在堆肥第1周，提高了堆體pH值約0.6～0.7個(gè)單位，更高的溫度和pH值，促進(jìn)了氨氣揮發(fā)，但是增加量并不多，Moore等在家禽糞中添加Ca(OH)2處理也沒(méi)有觀察到氨揮發(fā)的明顯增加[21]。添加MgO雖然明顯提高了堆體pH值，但是堆體有機(jī)物降解產(chǎn)生的銨根離子，與鎂離子和磷酸根離子一起發(fā)生了鳥(niǎo)糞石結(jié)晶反應(yīng)，導(dǎo)致銨態(tài)氮被固定，并沒(méi)有明顯增加氨氣揮發(fā)[9]。FeSO4和KAl(SO4)2的添加顯著降低了堆體的pH值，因此抑制了銨態(tài)氮向氨氣的轉(zhuǎn)化，降低了氨氣揮發(fā)[20]；而且堆體中銨根離子能與FeSO4反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸亞鐵銨復(fù)鹽，這樣進(jìn)一步降低了氨氣揮發(fā)[22]。

2NH4++SO42-+FeSO4+6H2O→(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O

和對(duì)照相比，添加黏土礦物蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土分別降低氨揮發(fā)24.4%、29.9%、7.1%、20.1%。黏土礦物多為硅氧四面體或鋁（鎂）氧（氫氧）八面體結(jié)構(gòu)，是層狀硅酸鹽礦物，單元層中由于部分硅被鋁、鐵等取代而具有多余的負(fù)電荷，而且它們的比表面積很大，因此具有很強(qiáng)的離子吸附和交換能力，可以交換吸附陽(yáng)離子如銨根離子等，降低氨氣揮發(fā)[23-26]。黏土礦物儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、吸附容量大、容易再生，因而有著廣泛的應(yīng)用，已有學(xué)者用黏土礦物作為堆肥過(guò)程的保氮?jiǎng)?，并和本文取得了類似的結(jié)果[7,14-15,26]。

2.4.2 氮素?fù)p失

各處理氮素?fù)p失的情況如表2所示，不同處理總氮損失的情況和其氨揮發(fā)減排的效果基本一致，氨揮發(fā)減排高的處理，總氮損失也相應(yīng)的低。和對(duì)照相比，添加CaO和MgO對(duì)氮素保存沒(méi)有效果，而添加FeSO4和KAl(SO4)2減少總氮損失33.8%和26.5%。對(duì)于黏土礦物處理，添加蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土分別使總氮損失減少15.4%、22.9%、2.2%、13.4%?；瘜W(xué)添加劑各處理銨氮損失占總氮損失的百分比除了CSFe處理較低為56.4%外，其余處理均在61.6%～63.7%之間，這說(shuō)明添加FeSO4會(huì)導(dǎo)致其他形態(tài)氮損失的增加，如二價(jià)鐵將硝態(tài)氮還原為氧化亞氮和氮?dú)?，增加了氮素?fù)p失[27]。黏土礦物添加劑各處理銨氮損失占總氮損失的百分比在58.9%～60.1%之間，差異較小。

表2 不同處理氮素?fù)p失情況

化學(xué)物質(zhì)添加量少、保氮除臭效果快，但是成本較高，而且需要控制用量，用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致堆體呈酸性環(huán)境，影響堆肥的進(jìn)程和腐熟；雖然黏土礦物的保氮能力略低于化學(xué)物質(zhì)，但是沸石處理氮素?fù)p失減少22.9%，接近明礬處理的氮素?fù)p失減少量26.6%，考慮黏土礦物價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛，而且使用過(guò)程中無(wú)需嚴(yán)格控制用量，因此應(yīng)用潛力更大。

2.4.3 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化

如圖7a、b所示，各處理NH4+-N的含量均呈整體下降的趨勢(shì)，除添加CaO和KAl(SO4)2的處理在第3天略有上升。堆肥過(guò)程中隨著溫度和pH值的升高，物料中的NH4+-N大部分以氨氣的形式揮發(fā)，還有一部分被微生物同化和在硝化作用下轉(zhuǎn)化為NO3--N，所以NH4+-N在堆肥的第1周迅速下降。

添加FeSO4和KAl(SO4)2的堆體前期NH4+-N含量非常高，這主要是低pH值抑制了NH4+-N向氨氣的轉(zhuǎn)化，以及生成硫酸亞鐵銨復(fù)鹽機(jī)制的存在；添加CaO的堆體NH4+-N也明顯高于對(duì)照，這可能是該處理的氨氣揮發(fā)表現(xiàn)為滯后性的緣故；由于本文采用2 mol/L KCl溶液作為浸提劑，不能將磷酸銨鎂晶體中的NH4+-N浸提出來(lái)[28]，另一方面，高pH值促進(jìn)了NH4+-N以氨氣的形式揮發(fā)，因此添加MgO的堆體銨態(tài)氮NH4+-N含量略低于對(duì)照。

添加黏土礦物的堆體NH4+-N含量均高于對(duì)照，尤其是在第3天，對(duì)照NH4+-N含量降到了0.35 g/kg，而其他處理均還保持在較高水平，這是黏土礦物可以吸附NH4+-N的結(jié)果。

圖7 化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響

從圖7a、b可以看出，各處理NO3--N的含量在堆肥前期很少，幾乎沒(méi)有，在堆肥后期開(kāi)始逐漸升高，尤其是在堆肥的最后1周。這是由于高溫會(huì)抑制硝化細(xì)菌的活性，因此高溫期幾乎不會(huì)發(fā)生硝化作用，硝化作用主要發(fā)生在堆肥的腐熟期[29]。相比于化學(xué)添加劑，黏土礦物的添加顯著提高了堆體NO3--N的含量，這可能與黏土礦物的添加促進(jìn)了微生物的活性有關(guān)[30]。

綜上，化學(xué)物質(zhì)和黏土礦物均有較好的氨氣減排效果，其中添加化學(xué)物質(zhì)明顯提高了前兩周堆肥物料中NH4+-N的含量，而黏土礦物明顯提高了堆肥物料中NO3--N的含量。這說(shuō)明所選2種添加劑降低氨氣排放和氮素?fù)p失的作用機(jī)制存在差異。McCrory等[31]通過(guò)研究證實(shí)酸或酸性鹽等化學(xué)添加劑通過(guò)化學(xué)固定作用，促進(jìn)氮素更多地以銨態(tài)氮（氨或銨）形式貯存在物料中，從而降低了堆肥過(guò)程的氮素?fù)p失。

而劉寧等[30]研究得出生物炭能直接吸附銨態(tài)氮和氨氣等氮素物質(zhì)，降低堆體銨態(tài)氮濃度，進(jìn)而減緩氨氣的揮發(fā)，與此同時(shí)，生物炭能為硝化細(xì)菌等微生物群落提供適宜的庇護(hù)場(chǎng)所，有利于促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行和進(jìn)一步抑制氨氣的揮發(fā)。黏土礦物也可直接吸附銨態(tài)氮和氨氣等氮素物質(zhì)降低堆肥氮素?fù)p失，而且黏土礦物具有層狀結(jié)構(gòu)和大的比表面積，類似也可能提高了硝化細(xì)菌等微生物的活性，促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行和抑制氨氣的揮發(fā)。

2.5 種子發(fā)芽率指數(shù)的變化

堆肥產(chǎn)品的腐熟與否決定堆肥的成敗，種子發(fā)芽率指數(shù)（GI）是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度最可靠有效的指標(biāo)，當(dāng)GI>50%時(shí)，則可認(rèn)為堆肥基本腐熟[32]，當(dāng)GI>80%時(shí)，可認(rèn)為堆肥完全腐熟，沒(méi)有毒性[33]。

不同添加劑對(duì)GI的影響見(jiàn)圖8a、8b，和對(duì)照相比，化學(xué)物質(zhì)的添加均不同程度的降低了GI，堆肥結(jié)束時(shí)，各處理GI分別為：CK1：93.0%、CSCa：86.8%、CSMg：36.1%、CSFe：77.5%、CSAl：65.1%；添加MgO的堆肥始終未達(dá)到腐熟，這是MgO顯著提高了堆體pH值的原因；添加CaO降低了堆體的EC值，可能將部分營(yíng)養(yǎng)離子沉淀了，導(dǎo)致GI略低于對(duì)照；添加FeSO4和KAl(SO4)2不僅使堆體呈酸性，而且可能存在離子毒害作用，如鋁毒[34]，其GI均低于對(duì)照。

圖8 化學(xué)和黏土礦物添加劑對(duì)堆肥過(guò)程種子發(fā)芽率指數(shù)的影響

堆肥結(jié)束時(shí)各處理CK2、蛭石、沸石、麥飯石、膨潤(rùn)土的GI分別為：94.7%、131.9%、112.0%、102.5%、85.7%，和對(duì)照相比，除膨潤(rùn)土外，其他黏土礦物的添加均促進(jìn)了GI；蛭石促進(jìn)GI可能與其富含有效鉀有關(guān)[35]；已有研究結(jié)果顯示，沸石、麥飯石的添加會(huì)促進(jìn)GI[15,18]；李榮華等[36]指出，膨潤(rùn)土添加比例只有在5.0%以內(nèi)時(shí)GI能達(dá)到50%，且GI基本隨著膨潤(rùn)土比例的增加而降低，這可能與膨潤(rùn)土電解質(zhì)含量較高有關(guān)。

3 結(jié) 論

1）所有處理50 ℃以上高溫期均持續(xù)了10 d以上，達(dá)到糞便無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)（GB 7959-2012）。所有添加劑均對(duì)堆肥過(guò)程EC值變化沒(méi)有明顯影響，但是添加MgO顯著提高堆體pH值（pH值為9.36），其GI也因此非常低，始終未達(dá)到基本腐熟要求（GI<50%）；其他處理對(duì)pH值影響較小，且可以達(dá)到基本腐熟。

2）FeSO4和KAl(SO4)2處理分別降低氨揮發(fā)43.7%和30.0%，減少總氮損失33.8%和22.5%，CaO和MgO處理對(duì)氮素保存沒(méi)有效果，但也沒(méi)有明顯促進(jìn)氨氣揮發(fā)；蛭石、沸石和膨潤(rùn)土處理分別降低氨揮發(fā)24.4%、29.9%和20.1%，減少總氮損失15.4%、22.9%和13.4%，而麥飯石處理對(duì)氮素保存的效果微弱。FeSO4的氨氣減排效果雖然不錯(cuò)，但是添加FeSO4會(huì)使N2O排放量增加。雖然黏土礦物的保氮能力略低于化學(xué)物質(zhì)，但沸石處理氮素?fù)p失減少22.9%，接近明礬處理的氮素?fù)p失減少量26.5%，考慮黏土礦物價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛，而且使用過(guò)程中無(wú)需嚴(yán)格控制用量，因此應(yīng)用潛力更大。

3）化學(xué)物質(zhì)和黏土礦物添加劑對(duì)氮素的保存機(jī)制存在本質(zhì)差異，化學(xué)添加劑主要通過(guò)化學(xué)固定作用，促進(jìn)氮素更多地以銨態(tài)氮（氨和銨）形式貯存降低堆肥氮素?fù)p失。而黏土礦物添加劑主要通過(guò)直接吸附銨態(tài)氮和氨氣等氮素物質(zhì)降低堆肥氮素?fù)p失；與此同時(shí)，黏土礦物的層狀結(jié)構(gòu)和大的比表面積能提高硝化細(xì)菌等微生物活性，促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行和進(jìn)一步抑制氨氣的揮發(fā)。

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Effects of clay and chemical additives on nitrogen retention during cow manure composting

Gao Binbin1, Wang Xuan2, Chang Ruixue1, Chen Qing1※

(1.,,,100193,;2.,,,,,050021,)

Composting is an environmentally friendly technology to convert livestock manure to stable and nutritional organic fertilizer. However, significant N losses through NH3emission during composting reduce nutrient value and cause air pollution. Several studies attempt to decrease the nitrogen loss with additives addition, but a comprehensively assessment on N conservation efficiency of additives with different characters is lacking. In this study, chemical substances (calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), ferrous sulfate (FeSO4), alum (KAl(SO4)2),) and clay mineral (vermiculite, zeolite, medical stone, bentonite) were used in composting with cow manure and corn stalk as feedstock, with the purpose to study their potential effects on ammonia emission and compost maturity. The addition ratio of additives was 2.5% of compost material (dry weight base). The emissions of NH3and inorganic nitrogen were monitored during 35-day composting process, together with the pH, EC value, the total organic carbon and the maturity index (Germination Index, GI). Solid samples were taken at various stages (0, 3rd, 7th, 10th, 14th, 21st, 28th, 35thday) of composting. The results showed that the thermophilic phase (above 50 ℃) in all the treatment lasted more than 10 days during composting, suggesting that the product had met the requirements of harmless based the standard GB 7959-2012. Compared with the control treatment, the addition of chemical substances CaO and MgO had no effect on ammonia emission and nitrogen losses, while the addition of FeSO4and KAl(SO4)2decreased the ammonia emissions and nitrogen losses by 43.7%, 30.0% and 33.8%, 26.5%, respectively. The addition of vermiculite, zeolite, medical stone, and bentonite decreased the ammonia emissions and nitrogen losses by 24.4%, 29.9%, 7.1%, 20.1% and 15.4%, 22.9%, 2.2%, 13.4%, respectively. Little influences of different additives were found on EC value of compost products. The addition of MgO greatly increased the pH, which resulted in the germination index of the compost product lower than 50% at the end of process, while the other additives had little effect on pH changing and no influence on getting maturity after 35 days composting. In summary, the chemical substrates FeSO4and KAl(SO4)2had been considered as more superior additives to conserve nitrogen in composting process without influence on physiochemical characters and compost maturity, when compared than the other six additives. However, the clay minerals are normally cheaper than chemical substrates. So that clay minerals had a higher overall efficiency, but factories could choose different conditioners according to their requirement for the quality or for the cost in practice.

manures; composting; nitrogen loss; chemical additives; clay mineral additives

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032

S141.4

A

1002-6819(2018)-20-0250-08

2018-04-28

2018-08-09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“京津冀設(shè)施農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染防控技術(shù)示范”（2016YFD0801006）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“黃淮海集約化奶牛養(yǎng)殖污染防治技術(shù)模式研究與示范”（2017YFD0801404）；河北省農(nóng)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)專項(xiàng)（18226607D）；河北現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系奶牛產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（HBCT2018120206）；河北現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蛋肉雞產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（HBCT2018150209）

郜斌斌，研究方向：固體廢棄物處理與資源化利用及土壤污染修復(fù)。Email：binbgao@126.com

陳 清，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：設(shè)施土壤修復(fù)與面源污染防控及廢棄物資源肥料化利用。Email：qchen@cau.edu.cn

郜斌斌，王 選，常瑞雪，陳 清. 黏土礦物和化學(xué)添加劑對(duì)牛糞堆肥過(guò)程氮素固持的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(20)：250－257. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032 http://www.tcsae.org

Gao Binbin, Wang Xuan, Chang Ruixue, Chen Qing. Effects of clay and chemical additives on nitrogen retention during cow manure composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 250－257. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032 http://www.tcsae.org