生物炭和過磷酸鈣投加對雞糞-煙末-菌糠聯(lián)合堆肥腐熟度及含氮氣體排放的影響

張邦喜，江 滔，楊仁德，柳玲玲，朱森林，李國學(xué)

（1.樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，樂山614000；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴陽550006；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193）

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民對肉類的需求日趨增加，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但畜禽糞便的累積與污染問題日趨嚴重［1］。高溫好氧堆肥是國內(nèi)外畜禽糞便處理的主要方式之一，其原理是利用好氧微生物的分解作用，將畜禽糞便和作物秸稈等生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的堆肥產(chǎn)品并施用于土壤中，為實現(xiàn)畜禽糞便減量化、無害化及資源化利用的有效途徑［2］。然而，好氧堆肥過程中會產(chǎn)生大量氨氣（NH3）和氧化亞氮（N2O）等氣體，造成嚴重的氮素流失。已有的研究表明，堆肥過程中NH3損失量可達物料初始總氮的40%～80%，N2O的損失量約占堆肥總氮的0.2%～9%［3］.有學(xué)者認為，NH3損失不僅參與大氣氣溶膠的形成，還參與二次反應(yīng)形成細顆粒物（PM2.5），部分轉(zhuǎn)化為 N2O，間接造成溫室效應(yīng)［4］；同時，N2O已取代CFC-12成為繼CO2和CH4后的第三重要輻射強迫溫室氣體，年排放量約為4.1Tg N2O-N（3.8～6.8Tg N2O-N），占全部人為總N2O-N排放量的54%～83%，對全球氣候的增溫效應(yīng)顯著［3，5］。由此可見，堆肥過程中 NH3和N2O的排放，不僅降低了成品堆肥的農(nóng)學(xué)價值，還會造成環(huán)境污染，因而在堆肥過程中如何有效的控制并減少氮素損失備受國內(nèi)外研究者關(guān)注。

目前，通過添加外源材料來減少堆肥過程中氮素損失，已成為一種有效的解決途徑。然而由于堆肥物料性狀和堆肥系統(tǒng)條件的復(fù)雜性，不同外源添加劑對堆肥過程中含氮氣體（NH3、N2O）減排效果不同。研究表明，添加1kg Ca2SO4·2H2O／噸糞便，堆肥物料氮素損失可降低0.11%［6］.DELAUNE et al［7］研究發(fā)現(xiàn)，以 Al2（SO4）3·14H2O 和 H3PO4作為氮素損失控制材料，堆肥過程中NH3排放量分別減少17%和12%.也有學(xué)者認為，鋁鹽和磷酸鹽添加量為原料初始總氮量的10%～20%較合理，添加量過高則會導(dǎo)致堆肥銨態(tài)氮含量、電導(dǎo)率偏高等問題［8］。LUO et al［9］的研究也表明，添加過磷酸鈣和雙氰胺能夠降低堆肥過程中CH4和N2O的排放，但會增加 NH3的釋放。CHOWDHURY et al［10］研究表明，添加生物炭能夠顯著降低雞糞-秸稈聯(lián)合堆肥過程中CH4、NH3的排放。CHEN et al［11］的研究表明，添加10%竹炭能夠減少9.2%的氨氣排放。也有學(xué)者認為，添加生物炭會提高堆肥過程中碳素損失的風(fēng)險［8，12］。這些研究表明，在好氧堆肥過程中添加過磷酸鈣或生物炭等外源材料均具有較好的減排效果，但不同研究間仍存在一定差異。因此，對比研究過磷酸鈣、竹炭對雞糞堆肥腐熟度及固氮效果尤為重要。本研究以雞糞、煙末、菌糠為堆肥原料，以提升堆肥腐熟度和氮減排為目標，探討竹炭和過磷酸鈣投入對雞糞-煙末-菌糠聯(lián)合堆肥過程中堆肥腐熟度、NH3、N2O排放的影響，為優(yōu)化多元物料聯(lián)合堆肥工藝參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 堆肥材料

本試驗以雞糞、菌糠和煙沫為堆肥原料，雞糞取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站，菌糠取自貴州省遵義蘑菇園，菌糠是以酒糟為主料種植蘑菇以后的廢料，為片狀，粒徑約2cm；煙末取自貴州開陽南江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，為粉末狀，粒徑約1.5mm.初始物料基本理化性質(zhì)見表1.

1.2 試驗設(shè)計

已有研究表明，分別添加5%過磷酸鈣［9］、10%竹炭［13］控氮效果明顯。本研究將雞糞、煙末、菌糠按照質(zhì)量比8∶1∶1混合，設(shè)置了3個處理（如表2）：1）雞糞＋煙末＋菌糠（CK）；2）添加10%竹炭；3）添加5%過磷酸鈣。

表1 堆肥初始物料基本性狀Table 1 Key physiochemical characteristics of raw composting materials

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experiment design

堆肥前，添加蒸餾水將雞糞、煙末和菌糠混合物料的含水率調(diào)節(jié)至60%，裝入60L（r＝0.36m，h＝0.6m）的密閉式發(fā)酵罐［14］，均勻壓實。發(fā)酵罐內(nèi)底采用多孔篩板支撐物料，雙層隔熱不銹鋼制成，并連接溫度反饋自動控制系統(tǒng)，底部連接空氣泵，頂部設(shè)置安全瓶，末端采氣口用于采集氣體樣品如圖1所示。堆置期間采取強制通風(fēng)＋人工翻堆方式進行供氧，通過調(diào)節(jié)空氣泵流量將通風(fēng)速率控制在0.4L·kg-1·min-1，通風(fēng)方式為間歇通風(fēng)，通風(fēng)30min，停止30min.

圖1 發(fā)酵裝置Fig.1 Schematic diagram of composting reactor

堆置周期為35d，分別在堆肥第0、3、7、14、21、28天進行翻堆、取樣，每次隨機選取5個點混合成一份樣品約200～300g，均分為兩份，一份于4℃條件下存儲待用；另一份自然風(fēng)干、粉碎過0.5mm篩，用于測定堆肥腐熟指標。

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

堆體溫度通過連接電腦的溫度傳感器直接讀??；堆肥鮮樣（pH、EC、NH＋4、GI）和氣體（NH3、CH4、N2O、O2）樣品參照文獻［14］方法測定；發(fā)芽率指數(shù)（GI）參照如下公式進行計算［9，15］：Spss16.0和Origin 8.5軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程中的變化特征溫度和氧氣

溫度是衡量堆肥進程中重要指標，堆體溫度的升高或降低都與微生物降解物料有機質(zhì)關(guān)系密切［16］。堆肥過程中各處理堆體溫度變化如圖2所示，所有堆肥處理溫度均呈先升高后降低的趨勢，分別經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫期三個典型階段，這與RAUT et al［17］的研究結(jié)果相似。堆肥初期，CK處理在第2d到達59.6℃，第15d上升至最高溫度（71.3℃），高溫期（＞55℃）累積達16d；添加10%竹炭處理堆體溫度迅速升高，在第1d到達64.7℃，第8d上升至最高溫度（73.5℃），高溫期（＞55℃）累積達17d；添加5%過磷酸鈣處理堆體溫度延遲至第7d才上升至50℃以上，在第17d上升至最高溫（70.1℃），整個堆肥周期內(nèi)高溫期（＞55℃）累積達16d.經(jīng)過35d堆肥，堆體溫度趨近于環(huán)境溫度，3組堆肥處理堆溫（＞55℃）均滿足無害化標準要求的8d以上（GB 7959-87），處理之間差異不顯著。從進入高溫期來看，與CK處理相比，添加10%竹炭能夠減少堆體進入高溫期的時間，縮短堆肥周期，而添加5%過磷酸鈣處理堆體升溫較緩慢，延長堆肥周期，這與前人研究結(jié)論一致［18］，主要原因可能是因為生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氧氣的傳輸，增強了微生物活性，從而促進升溫。

圖2 堆肥過程中溫度和氧氣體積分數(shù)的變化Fig.2 Temperature and Oxygen concentration during composting

整個堆肥過程中氧氣體積分數(shù)變化特征如圖2所示，各處理O2體積分數(shù)均呈先下降后回升的趨勢，最后均趨近環(huán)境的氧氣體積分數(shù)21%，O2體積分數(shù)的變化情況與溫度變化趨勢呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）.在堆肥高溫期，所有堆肥處理氧氣體積分數(shù)均維持在9%～18%左右，與MAGALHAES et al［19］提出，當堆體排出的 O2體積分數(shù)在10%～18%范圍內(nèi)時，堆肥微生物具有最佳活性，消耗大量氧氣的結(jié)果相似。在堆肥第17d氧氣體積分數(shù)逐漸上升，第21d翻堆后，氧氣體積分數(shù)短時下降后逐漸上升，最后上升至接近環(huán)境氧氣濃度，氧氣體積分數(shù)下降的時間和溫度上升期一致，但溫度對O2體積分數(shù)變化的響應(yīng)略呈現(xiàn)滯后性，主要受密閉堆肥裝置中物料自身的熱量保持作用影響，這與前人研究結(jié)果相似［20］。

2.2 堆肥腐熟度分析

由圖3可知，3組堆肥處理初始pH在8.17～8.34之間，呈堿性，至35d堆肥結(jié)束時，堆肥產(chǎn)品pH上升為8.21～8.45，偏堿性，處理之間的pH值差異不顯著（P＞0.05），符合NY525-2012《農(nóng)業(yè)部有機肥標準》對堆肥產(chǎn)品酸堿度的規(guī)定（合格堆肥產(chǎn)品pH值在5.5～8.5范圍內(nèi)）。

研究表明，堆肥產(chǎn)品EC高于4mS／cm時，會對植物產(chǎn)生抑制作用或生物毒性［21］。本研究中3個堆肥處理EC總體變化趨勢基本一致，初始EC在6.35～7.04mS／cm，至35d堆肥結(jié)束時，堆肥產(chǎn)品EC下降為3.39～4.65mS／cm，處理之間差異不顯著（P＞0.05），其中CK處理和添加5%過磷酸鈣處理的EC均高于4mS／cm，未達到無害化要求。分析原因為雞糞（7.02mS／cm）、煙末（8.99mS／cm）EC較高，且粒徑細小，造成堆體結(jié)構(gòu)致密，局部或區(qū)域厭氧嚴重。也有學(xué)者［9］認為，添加過磷酸鈣也會增加堆肥產(chǎn)品含鹽量?？梢?，添加生物炭有利于改善高EC原料堆肥產(chǎn)品鹽含量。

圖3 堆肥化學(xué)性質(zhì)和腐熟度指標變化Fig.3 Chemical characteristics and germination index during composting

堆肥過程中NH＋4-N含量變化與pH、EC有所不同，所有堆肥處理NH＋4-N含量呈現(xiàn)升高后降低的趨勢。CK、添加5%過磷酸鈣、添加10%生物炭處理的NH＋4-N含量均在第3d達到峰值，分別為10.56、11.21、13.60g／kg，這可能與堆體內(nèi)高溫或高濃度NH＋4-N抑制了硝化微生物活性，硝化作用減弱而反硝化作用造成NO-x-N消耗有關(guān)［22］。至35d堆肥結(jié)束，隨著微生物同化作用和NH3揮發(fā)，各處理NH＋4-N含量均呈下降趨勢，這與SáNCHEZ-MONEDERO et al［23］研究結(jié)果一致。此外，經(jīng)過35d的堆肥后，CK處理、添加5%過磷酸鈣、10%生物炭處理的NH＋4-N含量分別比堆肥開始時降低了74.14%、80.98%、79.33%，表明添加過磷酸鈣、生物炭有利于雞糞-煙末-菌糠多元物料堆肥過程中NH＋4-N轉(zhuǎn)化，提升堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。

發(fā)芽率指數(shù)（GI）是評價堆肥腐熟度的重要指標，也是檢測堆肥產(chǎn)品是否安全的重要指標之一［24］。一般來說，當GI＞50%時，可認為堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害作用，當GI＞80%時，則認為堆肥達到腐熟［25］。由圖3可知，經(jīng)過35d堆肥，所有堆肥處理GI均呈上升趨勢。其中，在堆肥前期（0～7d），各處理堆肥產(chǎn)品GI基本沒有變化，這可能是因為堆肥前期有機酸和銨含量過高，導(dǎo)致種子發(fā)芽受到抑制作用［22］。堆肥中期（7～21d），隨著物料中有害物質(zhì)的逐步降解，各處理堆肥產(chǎn)品GI有明顯上升趨勢。已有的研究結(jié)果表明，低C／N堆肥產(chǎn)品浸提液中高濃度的NH＋4、有機酸、鹽基離子抑制了種子發(fā)芽［26］。堆肥后期（21～35d），CK 處理至第35d堆肥產(chǎn)品GI達到80%以上，而添加5%過磷酸鈣、10%生物炭處理較CK處理分別縮短至21d和28d.可見，添加5%過磷酸鈣、10%生物炭有利用改善雞糞-煙末-菌糠混合堆肥腐熟度，縮短堆肥周期。

2.3 堆肥過程中含氮氣體排放特征

2.3.1 氨氣（NH3）排放特征

圖4 堆肥過程中NH3排放規(guī)律Fig.4 Ammonia emissions during composting

NH3排放及累積排放特征如圖4所示。在整個堆肥過程中，CK處理的NH3排放速率最大峰值在第16d，為1.68g·kg-1·d-1；添加5%過磷酸鈣、添加10%生物炭處理的NH3排放速率最大峰值則延遲至第23d，分別為1.06、1.10g·kg-1·d-1.可見，添加過磷酸鈣、生物炭處理NH3排放高峰期明顯滯后且峰值低于CK處理，這與陳是吏［13］和江濤［27］的研究結(jié)果一致。

經(jīng)過35d堆肥，添加過磷酸鈣、生物炭處理NH3累積排放量分別為6.36、5.79g／kg，處理之間差異不顯著（P＜0.05）。與CK處理相比，添加5%過磷酸鈣、10%生物炭均能夠降低堆肥過程中NH3累積排放量，分別降低了34.67%和40.52%。可見，添加過磷酸鈣、生物炭能夠增加雞糞-煙末-菌糠多元物料堆肥過程中氮素固存能力，從而降低污染氣體排放。

2.3.2 氧化亞氮（N2O）排放特征

堆肥過程中N2O產(chǎn)生主要是通過硝化和反硝化兩種途徑，圖5為3組堆肥處理N2O排放速率及累積排放量的變化情況。在整個堆肥過程中，所有堆肥處理第1d均出現(xiàn)N2O排放峰值，其中，CK處理、添加5%過磷酸鈣和10%竹炭處理N2O排放峰值分別為5.15、1.88和5.41mg·kg-1·d-1，且所有堆肥處理N2O排放主要集中在前10d，這種排放模式同以前許多的研究結(jié)果相似［28］。高溫期過后，隨著堆肥物料的降解，N2O又出現(xiàn)1～2次小的排放峰值，這種現(xiàn)象在EL KADER et al［28］和FUKUMOTO et al［29］的研究中均有出現(xiàn)，主要原因可能是翻堆活動改善堆體氧氣含量，堆體內(nèi)NO-2／NO-3通過不完全的反硝化反應(yīng)生產(chǎn)N2O.

圖5 堆肥過程中N2O排放規(guī)律Fig.5 Nitrous oxide emissions during composting

經(jīng)過35d堆肥，添加質(zhì)量比5%過磷酸鈣和添加10%生物炭處理N2O累積排放量分別為23.46 mg·kg-1和16.48mg·kg-1，處理之間差異不顯著（P＜0.05）。與CK處理相比，添加5%過磷酸鈣、10%生物炭處理的N2O累積排量分別降低了7.79%、35.21%?？梢?，添加5%過磷酸鈣、10%生物炭能夠降低雞糞-煙末-菌糠混合堆肥過程中N2O產(chǎn)生量，尤以添加10%生物炭處理減排效果最好。

2.4 氮素平衡

堆肥過程中氮素主要以NH3、N2O、N2等形式損失。由表3可知，本次堆肥過程中氮素損失水平為25.04%～34.68%，其中以NH3-N形式損失的氮素占堆肥總氮損失的19.14%～28.20%，介于黃向東等［30］的研究結(jié)果之間（13%～78%）；以 NO2-N形式損失的氮素占堆肥總氮損失的0.27%～0.41%，與 WOLTER et al［31］研究結(jié)果（0.1% ～1.9%）相似，這可能與添加過磷酸鈣、生物炭有利于提升微生物活性，發(fā)生氨化、硝化／反硝化反應(yīng)。此外，添加5%過磷酸鈣處理明顯降低了NH3的累計排放量，而NH3揮發(fā)是本研究中氮素損失的主要來源。可見，要控制雞糞-煙末-菌糠混合的多元物料堆肥過程中氮素損失，以添加質(zhì)量比5%過磷酸鈣或者添加10%生物炭是可行的，且添加質(zhì)量比5%過磷酸鈣綜合效果優(yōu)于添加10%生物炭。

表3 堆肥氮素平衡分析Table 3 Analysis of carbon and nitrogen balance during composting

3 結(jié)論

經(jīng)過35d的好氧堆肥，與CK相比，添加5%過磷酸鈣處理堆肥過程中以NH3-N、N2O-N形式損失TN分別降低了32.13%和12.20%；添加10%生物炭處理以NH3-N、N2O-N形式損失TN分別降低了28.83%和34.15%.所有堆肥處理堆體溫度均能在55℃持續(xù)8d以上，堆肥產(chǎn)品GI達80%以上，滿足堆肥產(chǎn)品對作物生長無毒害的要求。綜合堆肥腐熟度、氮損失及污染氣體減控效果來看，添加質(zhì)量比5%過磷酸鈣能夠提升雞糞-煙末-菌糠多元物料堆肥腐熟度并減少污染氣體排放。