生物炭添加對豬糞堆肥氮素形態(tài)和損失的影響

高文慧 李波 葉菁 林怡 王義祥 翁伯琦

摘要：[目的]探討生物炭添加下豬糞堆肥過程氮素形態(tài)的變化，為堆肥過程中氮素?fù)p失控制提供科學(xué)依據(jù)。[方法]本研究利用強(qiáng)制反應(yīng)箱研究在豬糞堆肥中添加0%、3%、6%和9%的生物炭（重量比，干基計(jì)）對氮素形態(tài)變化以及氮素?fù)p失的影響。[結(jié)果]各處理在堆肥過程中全氮和硝態(tài)氮含量呈上升趨勢，至堆肥結(jié)束全氮含量增加了3.68%～5.43%;可溶性總氮和銨態(tài)氮呈先上升后下降的趨勢，隨著生物炭添加量的提高堆料中銨態(tài)氮降幅減小。不同堆肥處理氮素?fù)p失率介于20.69%～28.18%，3%和6%生物炭添加處理的氨揮發(fā)量分別比未添加生物炭處理的高8.98%和46.30%，而9%生物炭添加處理的氮素?fù)p失率和氨揮發(fā)量最低。[結(jié)論]豬糞堆肥過程中添加生物炭可使堆體快速升溫，并延長高溫期，堆料中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。硝態(tài)氮含量隨生物炭添加量呈增加的趨勢，氮素?fù)p失率隨著發(fā)酵時(shí)間延長呈增加的趨勢。

關(guān)鍵詞：生物炭;豬糞堆肥;氮損失;氨揮發(fā)

中圖分類號：S 141.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0384（2019）12-1440-07

0 引言

[研究意義]近幾十年我國生豬養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，生豬糞便等廢棄物排放量日益增加。未經(jīng)處理的豬糞堆人土壤后，其中不穩(wěn)定的有機(jī)物分解后消耗土壤中的氧氣，并產(chǎn)生有機(jī)酸等有毒物質(zhì)，破壞土壤環(huán)境，抑制作物生長。為避免新鮮豬糞直接施人土壤造成的污染以及豬糞中寄生蟲等帶來的疾病蔓延，豬糞須經(jīng)過發(fā)酵或高溫腐熟處理后再使用，堆肥技術(shù)被認(rèn)為是可將豬糞進(jìn)行資源化，無害化，再利用的重要手段。腐熟后的豬糞作為肥料可以增加土壤肥力，促進(jìn)作物生長。但是在堆肥過程中由于有機(jī)物的快速分解產(chǎn)生大量氨氣，致使堆肥氮素?fù)p失，并且造成大氣污染。為實(shí)現(xiàn)畜禽糞便資源化高效利用和達(dá)到環(huán)保要求，控制和減少畜禽糞便堆肥處理過程中氮素?fù)p失備受國內(nèi)外科技工作者的關(guān)注。[前人研究進(jìn)展]堆肥過程既存在高溫帶來的氨氣揮發(fā)，又有局部厭氧條件下硝態(tài)氮的反硝化脫氮及滲濾等造成的氮素淋溶損失，其中氨揮發(fā)損失約占總損失量的44%～99%，被認(rèn)為是堆肥過程中氮素?fù)p失的主要途徑。在堆肥物料中添加化學(xué)物質(zhì)或吸附材料，如竹醋液、磷酸、明礬、過磷酸鈣或草炭、沸石、農(nóng)作物秸稈等，是減少堆肥過程中氮素?fù)p失的重要措施之。堆肥中添加明礬、過磷酸鈣等物質(zhì)可溶解產(chǎn)生H，打破NH與NH間的平衡，使氮素更多地以銨鹽狀態(tài)存在從而減少了氮素的損失。但在實(shí)際堆肥過程中，不僅僅要考慮保氮效果，同時(shí)還要考慮保氮添加材料成本以及其對堆肥產(chǎn)品質(zhì)量安全等的影響。因此，探索研究適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的保氮材料和應(yīng)用方法是今后應(yīng)加強(qiáng)的重要方向。[本研究切入點(diǎn)]生物炭是一種含碳量極其豐富，具有高度芳香化，穩(wěn)定性，巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，吸附能力較強(qiáng)的生物材料，在豬糞堆肥過程中添加生物炭會引發(fā)堆肥條件的變化，促進(jìn)堆體腐殖化進(jìn)程，提高堆肥質(zhì)量。目前生物炭對堆肥碳素轉(zhuǎn)化，重金屬鈍化，微生物活性等研究較多，對堆肥過程中添加生物炭對氮素轉(zhuǎn)化及損失影響的研究卻少見報(bào)道。（擬解決的關(guān)鍵問題）本研究以豬糞為原料，利用強(qiáng)制通風(fēng)箱探討在堆肥過程中添加不同比例的生物炭對堆體氮素形態(tài)變化和損失的影響，以期獲得生物炭在豬糞堆肥過程中的最佳添加量，為減少豬糞堆肥過程氮素?fù)p失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院樹兜試驗(yàn)場進(jìn)行，供試的新鮮豬糞和菌渣來源于福清市某豬場，花生殼生物炭（500℃下高溫裂解制備）采購于河南省商丘市三利新能源有限公司，供試材料的基本性質(zhì)如表l所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)不同堆肥處理，即生物炭添加量（以堆料干基計(jì)算）分別是O（T1）、3%（T2）、6%（T3）、9%（T4）。試驗(yàn)時(shí)各處理菌渣與豬糞均按2：5的質(zhì)量比混合均勻，并保持C/N比一致。然后按質(zhì)量百分比添加生物炭進(jìn)行充分混合，重復(fù)3次，各處理的初始含水率保持在50%-55%，各處理混合物料的基本性質(zhì)見表2。試驗(yàn)采用自制的強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)反應(yīng)箱進(jìn)行好氧發(fā)酵，箱高120cm、長100cm、寬100cm，總體積1200L。在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用時(shí)間控制法對堆體進(jìn)行通風(fēng)，通風(fēng)條件根據(jù)堆體內(nèi)氧氣濃度來確定。利用800L·min的鼓風(fēng)機(jī)從箱體底部向堆體內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)。堆肥試驗(yàn)開始前1～7d，鼓風(fēng)機(jī)隔30min鼓風(fēng)30min，第8～25d，每1h鼓風(fēng)30mm，第26～40d，每75min鼓風(fēng)30mm.。通過數(shù)顯溫度計(jì)來記錄空氣環(huán)境和堆體物料的溫度，每天3次，取均值。

1.3取樣方法

堆肥過程共40d，每5d采集1次。采樣時(shí)利用采樣器沿箱子對角線取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采集200g樣品，將樣品在箱外混合均勻。然后用四分法采樣，分成2份，一份在20℃環(huán)境條件下保留鮮樣儲存?zhèn)溆茫硪环菰?5℃環(huán)境條件下烘干，研磨備用。在發(fā)酵過程的第0、10、20、30、40d，分別稱量堆肥前期埋于發(fā)酵箱中等邊位置的3個(gè)網(wǎng)袋（網(wǎng)孔2mm，大小20cm×40cm）的重量，用于計(jì)算堆肥過程中干物質(zhì)失重與氮素?fù)p失率。同時(shí)測定箱內(nèi)樣品物料含水率。

1.4測定內(nèi)容

總氮測定采用凱氏定氮法，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用流動分析儀法，氨氣排放量采用靜態(tài)箱一硼酸吸收法測定?？扇苄钥偟?：10料水比混勻用總有機(jī)碳分析儀（TOC-VCPH，島津公司）進(jìn)行測定。

干物質(zhì)失重率與氮素?fù)p失率均參照凋落物失重率的差量法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中K為第i天堆肥物料干物質(zhì)失重率;C為網(wǎng)袋中物料初始干物質(zhì)量（g）;C為第i天網(wǎng)袋中物料干物質(zhì)量（g）;G為第i天堆肥物料氮素?fù)p失率;D為第i天物料全氮含量（g-kg）;Do為物料初始全氮含量（g-kg）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析、相關(guān)性和單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1溫度的變化

堆肥持續(xù)時(shí)間為40d，包括升溫期、高溫持續(xù)期、降溫期、低溫持續(xù)期4個(gè)發(fā)酵階段。圖1表明，以周圍空氣溫度作為空白對照CK，各處理堆體溫度均呈先升高后降低的趨勢。在發(fā)酵過程中，1～3d為發(fā)酵升溫期，各處理堆體溫度迅速升高，均達(dá)到60℃以上。4～18d為高溫持續(xù)期，19～23d為降溫期，各處理堆溫從50℃逐漸下降到40℃以下;24～40d為低溫持續(xù)期，期間4個(gè)處理堆溫均在40℃以下波動，最終基本與周圍環(huán)境溫度相當(dāng)。溫度是判斷堆肥是否正常進(jìn)行的重要指標(biāo)之一，4個(gè)處理堆溫高于50℃的天數(shù)分別為10、9、15、12d，均達(dá)到堆肥無害化標(biāo)準(zhǔn)（50℃以上的天數(shù)高于7d）。

2.2全氮的變化

由圖2可知，T1-T4各堆肥處理全氮含量隨著堆肥時(shí)間的增加呈上升趨勢。堆肥初期，T1全氮含量隨生物炭添加量的增加而減小，T1與其他各處理差異顯著（P<0.05）。至堆肥結(jié)束時(shí)，各處理全氮含量分別增加5.43%、3.99%、3.82%、3.68%，其中T1增幅最大，T4增幅最小。T3與T4無顯著差異，T1與其他各處理達(dá)極顯著差異（P<0.01）。

2.3 可溶性總氮的變化

由圖3可知，各處理堆肥中可溶性總氮含量隨發(fā)酵時(shí)間先上升后下降。堆肥初期，T1與T2無顯著差異，與T3、T4差異顯著（P<0.05）。0-5d，各處理堆肥的可溶性總氮明顯升高。5～40d各處理基本呈緩慢下降的趨勢。至堆肥結(jié)束時(shí)，T1-T3處理分別減少24.09%、18.07%、10.81%，而T4處理增加13.64%，T4與其他各處理差異顯著（P<0.05）。

2.4硝態(tài)氮的變化

由圖4可知，T1～T4各處理硝態(tài)氮均隨發(fā)酵時(shí)間的延長呈上升的趨勢。相對于堆肥初期，堆肥結(jié)束時(shí)各堆肥處理的硝態(tài)氮含量均極顯著增加。其中添加生物炭處理硝態(tài)氮增幅顯著高于未添加生物炭處理。堆肥結(jié)束時(shí)，隨著生物炭添加量的增加，堆料中硝態(tài)氮含量呈增加的趨勢，其中T4處理分別比T1、T2和T3處理增加216.08%、81.83%和79.68%，其與T1、T2和T3處理間的差異均達(dá)到顯著水平（P<0.05）.

2.5銨態(tài)氮的變化

由圖5可知，T1-T4各處理的銨態(tài)氮含量隨堆肥時(shí)間延長呈先升后降的趨勢。堆肥初期，各堆肥處理銨態(tài)氮含量與生物炭添加量成反比，T1與T2處理間無顯著差異，與T3、T4處理間達(dá)到極顯著差異（P<0.01）。在發(fā)酵過程中0-5d為銨態(tài)氮含量升高階段;5～40d為銨態(tài)氮含量逐漸降低階段。至堆肥結(jié)束時(shí)，各處理銨態(tài)氮含量分別降低了57.15%、68.34%、59.16%、32.89%，隨著生物炭增加銨態(tài)氮降低幅度減小，其中T1與T2、T3、T4之間差異顯著（P<0.05）。

2.6 千物質(zhì)失重率的變化

各堆肥處理干物質(zhì)失重率均隨堆肥時(shí)間延長呈增加趨勢;在堆肥前10d各堆肥處理干物質(zhì)失重率快速升高，10-30d干物質(zhì)失重率升高變緩，堆肥30d后各處理堆肥干物質(zhì)失重率變化趨于平緩（圖6）。在整個(gè)發(fā)酵過程中，T2處理平均失重率最高，為31.60%;T1、T3處理次之，為25.77%、29.43%;T4處理最低，為24.28%;各處理間的差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。

2.7氮損失率的變化

由圖7可知，各堆肥處理氮素?fù)p失率隨著發(fā)酵時(shí)間的增加呈遞增趨勢。在整個(gè)發(fā)酵過程中，T2失重率最高，T1、T3次之，T4最低。堆肥0～10d，各處理堆肥氮素?fù)p失率迅速升高，同干物質(zhì)失重率變化相同。10-30d各處理堆肥氮素?fù)p失開始慢慢降低，堆肥30d氮素?fù)p失率趨于平緩。至堆肥結(jié)束時(shí)，T1-T4各處理堆肥氮素?fù)p失率分別達(dá)22.26%、28.18%、24.69%、20.69%，其中T2處理損失率最大，T4處理最小，T2處理與T1、T4處理間的差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。

2.8氨氣排放量的變化

由圖8可知，T1-T4各處理堆肥氨氣排放量隨發(fā)酵的時(shí)間呈先上升后下降的變化趨勢。在整個(gè)氨氣釋放過程中，2～4d，各處理堆肥氨氣排放比較平穩(wěn);4～6d，各處理堆肥氨氣釋放量顯著增加;第6d，T1-T4氨氣排放均達(dá)到最大值，其中T4處理最低;堆肥12d以后，各堆肥處理氨氣排放量均處于較低水平，且各處理間無顯著性差異。堆肥期間，氨氣排放量以T4處理最低，分別比T1、T2和T3處理降低29.87%、35.65%和52.06%，其與T1、T3處理間的差異達(dá)顯著性水平（P<0.05）。

3討論與結(jié)論

堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化包括礦化、硝化和反硝化、氨氣的吸附以及揮發(fā)等，其中堆肥中的有機(jī)氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，部分因氨揮發(fā)而損失。生物炭多孔性結(jié)構(gòu)增大了堆肥的通氣性，增加了堆體中的氧分含量，且巨大的比表面積為微生物的生長繁殖提供附著點(diǎn)，有利于提高微生物活性，促進(jìn)堆肥前期微生物對有機(jī)氮的分解。本研究結(jié)果表明，不同堆肥處理可溶性總氮隨發(fā)酵時(shí)間呈先上升后下降的趨勢，其中添加9%處理堆肥結(jié)束時(shí)可溶性總氮含量提高了13.64%。生物炭的多孔隙度性質(zhì)以及較強(qiáng)的吸附性也會直接影響堆體中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。本研究中堆肥中添加生物炭處理銨態(tài)氮含量高于未添加生物炭的處理。李冰認(rèn)為堆肥前期，銨態(tài)氮是氨揮發(fā)的主要來源，無機(jī)氮是其主要的存在形式。隨著堆體溫度的升高，氨揮發(fā)量增加。pH值上升。在高溫期嗜熱細(xì)菌活動強(qiáng)烈，有機(jī)物加速分解，產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，銨態(tài)氮的含量開始上升。高溫期過后，堆肥溫度逐漸下降，堆體的硝化作用逐漸開始強(qiáng)烈，這時(shí)氨揮發(fā)量開始下降，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，銨態(tài)氮含量開始降低，硝態(tài)氮含量增加。本研究中與未添加生物炭的處理相比，添加生物炭處理降低了堆料中銨態(tài)氮濃度，提高了硝態(tài)氮含量，且硝態(tài)氮含量與添加量成正比，這與孫巖的研究結(jié)果相似。

堆肥中氮素的損失主要有NH3的排放、水溶性含氮物質(zhì)的淋失以及氮氧化物的揮發(fā)。本研究結(jié)果表明，各處理堆肥氮素?fù)p失率在20.69%-28.18%。整個(gè)發(fā)酵過程各堆肥處理氮素?fù)p失率隨著發(fā)酵時(shí)間的增加呈遞增趨勢，但隨著生物炭添加量的增加，堆肥中氮素?fù)p失率呈先增后減的趨勢，其中以3%的生物炭添加處理最高，以9%的生物炭添加處理氮素?fù)p失最小。生物炭具有豐度孔隙度，增加了堆體通氣性，同時(shí)為堆體中的微生物提供所需的C、0等，促進(jìn)微生物種群的代謝活動，加速了堆體的物質(zhì)損失，干物質(zhì)失重率和碳素物質(zhì)降解率增加，也引起氮素?fù)p失的增加;但隨著生物炭用量的增加，堆料中生物炭所占比例相對變大，由于生物炭的高度芳香化特質(zhì)使得微生物可利用的C、0逐漸變少，難分解的有機(jī)物質(zhì)成為微生物的利用主體，微生物活性降低，物質(zhì)損失率下降，堆肥中氮素?fù)p失率也逐漸降低。一些研究發(fā)現(xiàn)生物炭對廢棄物堆肥具有一定保氮效果，分析認(rèn)為：一是添加生物炭可調(diào)節(jié)堆料的C/N、改善堆體的通氣條件，促進(jìn)堆料中的NH-N向NON的轉(zhuǎn)化;二是生物炭表面的多孔隙結(jié)構(gòu)以及其酸性基團(tuán)能夠吸附NH和NH，減少NH的產(chǎn)生和揮發(fā)，同時(shí)可調(diào)節(jié)微生物的活性，促進(jìn)對氮素的生物固定，從而降低氮素?fù)p失。但有研究認(rèn)為，生物炭自身為偏堿性，添加生物炭提高堆料的pH值，使堆體中NH轉(zhuǎn)化為NH，增加氨氣揮發(fā)。以往研究認(rèn)為，氨揮發(fā)是堆肥過程氮損失的主要途徑。Eghball研究表明氨揮發(fā)損失通常占總氮的16%-74%。本研究中添加生物炭3%和6%處理的氨揮發(fā)量高于未添加生物炭處理，而生物炭添加量為9%的處理氨揮發(fā)量比未添加生物炭處理降低29.87%。因此，生物炭添加比例對堆肥過程氮損失尤其是氨揮發(fā)的影響作用還有待于進(jìn)一步深入研究。

豬糞堆肥過程中添加生物炭可使堆體快速升溫，并延長高溫期。添加生物炭也有利于堆料中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，并隨生物炭添加量的增加硝態(tài)氮含量呈增加的趨勢。堆肥過程中氮素?fù)p失隨著發(fā)酵時(shí)間延長呈增加的趨勢，各處理堆肥氮素?fù)p失率在20.69%-28.18%。由于生物炭的偏堿性、多孔隙結(jié)構(gòu)等特性導(dǎo)致不同生物炭添加比例會影響堆肥氮素?fù)p失率的大小，其中9%生物炭添加量處理的氮素?fù)p失率最小。