花生殼生物炭用量對豬糞堆肥溫室氣體和NH3排放的影響

王義祥 葉 菁 林 怡 劉岑薇 李艷春

(福建省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，福州 350013)

豬糞含有較多的氮、磷、鉀及蛋白質(zhì)、脂肪、有機酸、無機鹽等，具有巨大的農(nóng)業(yè)應(yīng)用潛力。堆肥是實現(xiàn)豬糞等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用最有效的途徑之一，并以成本低廉、操作簡單等優(yōu)點得到了廣泛使用。由于豬糞質(zhì)地較細、自由空間小、碳氮質(zhì)量比較低等原因，導致豬糞好氧堆肥過程存在周期長、氮素損失大、溫室氣體排放顯著等問題[1]。在堆肥中添加一定比例的輔料如秸稈、生物炭等，不僅可以加速堆肥進程，而且可以減少氮素損失[2-3]。此外，堆肥過程中所產(chǎn)生的溫室氣體對氣候變化的影響也不容忽視。據(jù)報道，堆肥過程會排放大量的氨氣和溫室氣體(CO2、N2O、CH4)，如在硝化和反硝化作用下，約0.02%～9.9%的氮素以N2O的氣體形式損失；因供氧不足約0.1%～12.6%的碳素以CH4氣體形式排放[4]。隨著全球?qū)厥倚?yīng)的關(guān)注，如何減少溫室氣體也是堆肥行業(yè)發(fā)展亟需解決的問題。

近年來，關(guān)于堆肥過程中溫室氣體減排研究的結(jié)果表明通過調(diào)控堆料初始碳氮質(zhì)量比[5]、水分含量[6]以及控制翻堆頻率[7]和通風量[85]、添加外源添加劑如過磷酸鈣[9]等方法，可以實現(xiàn)溫室氣體減排的目的。已有研究表明不同類型添加劑可減少堆肥氣體污染：Predotova等[10]研究發(fā)現(xiàn)在畜禽糞便堆肥中添加磷礦石可顯著降低氮損失，當添加比例為33%時氮素損失減少50%；Jiang等[11]研究發(fā)現(xiàn)在豬糞秸稈堆肥添加雙氰胺能降低76.1%～77.6%的N2O排放；Yang等[12]發(fā)現(xiàn)在餐廚垃圾中添加膨松劑可明顯減少CH4、N2O的排放；但羅一鳴等[13]研究發(fā)現(xiàn)由于大多添加劑普遍成本較高或不容易獲取，難以在實際生產(chǎn)中加以應(yīng)用。生物炭是一種穩(wěn)定、高度芳香化和高含碳量的固體物質(zhì)，具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富、表面積大和吸附能力強的特點[14]，可開發(fā)為高效、廉價的外源添加劑，用于改善堆肥條件及提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量[15]。Chowdhury等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞堆肥中添加生物炭能減少NH3的排放，溫室氣體排放也減少27%～32%。但目前有關(guān)生物炭對堆肥過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化[3,17]、微生物影響[17]的研究較多，在生物炭添加對堆肥溫室氣體排放影響研究方面的結(jié)果不一致[13,18-19]，對不同生物炭用量產(chǎn)生的作用效果也缺乏進一步了解。因此，本研究擬以豬糞、菌渣為原料，研究不同生物炭添加比例對堆肥過程中溫室氣體排放的影響，以期為生物炭在農(nóng)業(yè)廢棄物堆肥中應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試豬糞采自福清某養(yǎng)殖場，其有機碳、全氮和全磷的質(zhì)量分數(shù)分別為28.92%、1.71%和1.95%，pH 7.23。菌渣為秀珍菇菌渣，其有機碳、全氮和全磷的質(zhì)量分數(shù)分別為32.01%、1.41%和1.19%，pH 7.73?；ㄉ鷼ど锾坷眠B續(xù)式炭化爐500 ℃下高溫裂解2 h下制備，其基礎(chǔ)理化性質(zhì)為有機碳、全氮和全磷的質(zhì)量分數(shù)分別為566.1、10.2和2.5 g/kg，pH 9.31，碳氮質(zhì)量比55.50，比表面積5.37 m2/g，孔徑5.87 mm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)計4 個處理，即生物炭添加比例分別占堆料總質(zhì)量(以干重計算)的0(T1，對照)、3%(T2)、6%(T3)和9%(T4)。試驗前先將豬糞與菌渣按5∶2的質(zhì)量比混合，然后根據(jù)試驗處理添加相應(yīng)量的生物炭，充分混勻，調(diào)節(jié)堆料含水率至 50%～55%，每個處理重復3 次。堆肥前后不同處理堆料的基本性質(zhì)見表1。試驗利用自制的1 200 L強制通風靜態(tài)反應(yīng)箱進行好氧發(fā)酵，箱體大小為高120 cm、長100 cm、寬100 cm。通風方式采用時間控制法，試驗用鼓風機功率為800 L/min，堆肥1～7 d，隔30 min鼓風30 min；8～25 d，隔1 h鼓風30 min；26～40 d，隔75 min鼓風30 min。試驗前將數(shù)顯溫度計的探針埋于堆體中部(深度50 cm)用于記錄堆體溫度，每天3次取均值，同時記錄環(huán)境溫度。整個堆肥期間沒有添加水分和進行翻堆處理。

1.3 取樣與測定方法

于堆肥的第0、5、10、15、20、25、30、35、40天采集樣品。每個反應(yīng)箱內(nèi)用采樣器沿堆體對角線位置取5 個點，每個采樣點取樣200 g(鮮重)，在箱外充分混勻后四分法取樣。pH采用pH計水土比(質(zhì)量比)2.5∶1浸提測定，EC值采用電導率儀水土比(質(zhì)量比)5∶1浸提測定[20]。溫室氣體CO2、CH4和N2O排放速率采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定[21]，采集溫室氣體氣樣期間關(guān)閉鼓風機。氨氣排放量采用靜態(tài)箱-硼酸吸收法測定[22]，堆肥過程中每隔5 d測定1次，同時記錄箱內(nèi)溫度和環(huán)境溫度，并采集環(huán)境空氣樣品作為空白對照。CO2、CH4和N2O排放速率計算公式如下：

P=ρ·V·(ΔC/Δt)·(273/(273+T)/m)

式中：P為被測氣體排放速率，mg/(kg·h)；ρ為被測氣體標準狀態(tài)下的密度(CO2的為1.977 kg/m3，CH4的為0.717 kg/m3，N2O的為1.978 kg/m3)；V為取樣箱頂部空間的體積，m3；ΔC為氣體濃度差，μL/L；Δt為采樣時間間隔，min；T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度，℃；m為堆料的質(zhì)量，kg。根據(jù)相鄰2次氣體排放速率平均值和間隔時間計算在間隔時間內(nèi)排放的氣體總量，進而求出試驗期間溫室氣體累積排放量[22]。

表1 堆肥前后不同處理堆料的基本性質(zhì)Table 1 Properties of the materials before and after composting

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)[23]2014年第5次報告中溫室氣體增溫潛勢的表示方法，CH4和N2O統(tǒng)一用CO2當量表示，其CO2當量折算系數(shù)分別為25和298。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0 軟件對統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

整個堆肥過程大致可以分為4 個階段，1～3 d為升溫期，在第3天時達到最高值，各處理均在60 ℃ 以上；4～18 d為高溫持續(xù)期，19～23 d為降溫期，24～40 d為低溫持續(xù)期。就不同堆肥處理而言，隨著生物炭添加比例增加，4個處理堆溫高于 50 ℃ 的天數(shù)分別為9、10、15、12 d，均達到無害化標準(圖1)。溫度變化的總體表現(xiàn)為隨生物炭添加比例增加堆肥高溫天數(shù)呈增加的趨勢，其中T3和T4處理的高溫持續(xù)天數(shù)比T1處理顯著延長(圖1)。

圖1 不同堆肥處理溫度的變化Fig.1 Temperature changes during composting of different treatments

2.2 堆肥中pH和EC的變化

圖2和圖3分別為不同堆肥處理pH和EC的變化。由圖2可知：各堆肥處理pH均隨發(fā)酵時間呈先增加后降低的趨勢，0～5 d各堆肥處理pH顯著增加；5～40 d逐漸下降。堆肥結(jié)束(40 d)時，T2、T3和T4處理pH分別比T1處理提高了0.09、0.10和0.13個單位，其中T3、T4處理與T1處理間的差異達到顯著性水平(P<0.05)。由圖3可知：T1～T4 各堆肥處理EC也隨發(fā)酵時間呈先升高后降低的變化趨勢，至堆肥結(jié)束時各處理EC分別增加了65.97%、66.98%、80.63%、54.87%；各處理之間的差異均達到顯著性水平(P<0.05)。在整個發(fā)酵過程中，4個處理EC的大小順序為T4>T3>T2>T1。

圖2 不同堆肥處理pH的變化Fig.2 pH changes during composting of different treatments

圖3 不同堆肥處理電導率的變化Fig.3 Electrical conductivity (EC) changes during composting of different treatments

2.3 堆肥過程中CO2排放的變化

由圖4可知：各堆肥處理CO2排放速率變化趨勢均隨發(fā)酵時間呈先上升后下降的變化趨勢；在堆肥第15天時達到峰值，堆肥30 d后趨于穩(wěn)定(圖4(a))。隨著生物炭添加比例的增加，堆肥過程中CO2排放速率呈現(xiàn)先增后減的趨勢；其中以T2處理最高，其平均CO2排放速率分別比T1處理增加12.9%，且與T1處理間的差異達顯著性水平(P<0.05)。T3和T4處理平均CO2排放速率分別比T1處理降低了1.1%和5.6%，但其與T1處理間的差異不顯著。就CO2累積排放量而言，堆肥前30 d的CO2排放量占整個堆肥期間CO2排放總量的93.5%～94.9%，不同堆肥處理CO2排放量的大小順序為T2>T1>T3>T4，且T2處理CO2排放量顯著高于T1、T3和T4處理(圖4(b))，這也與T2處理總有機碳含量降低幅度(14.3%)最高相一致(表1)。

圖4 不同堆肥處理CO2排放速率(a)和累積排放量(b)的變化Fig.4 CO2 emission rate (a) and cumulative emission (b) during composting of different treatments

2.4 堆肥過程中CH4排放的變化

由圖5可知：各堆肥處理CH4排放速率隨發(fā)酵時間的變化規(guī)律與CO2排放速率相似，基本呈先上升再下降的變化趨勢，在第15天時各處理均達到最大值，在第20天后基本趨于零。隨著生物炭添加比例的增加，堆肥過程中CH4排放速率呈現(xiàn)降低的趨勢；其中T2、T3和T4處理平均CH4排放速率分別比T1處理降低了18.1%、43.8% 和70.3%，且T3和T4處與T1處理間的差異達顯著性水平(圖5(a)，P<0.05)。就CH4累積排放量而言，堆肥前20 d的CH4排放量占整個堆肥期間CH4排放總量的89.7%～95.9%；CH4排放量以T1處理最高，分別比T2、T3和T4處理增加22.1%、78.0%和236.6%(圖5(b))。

2.5 堆肥過程中N2O排放的變化

由圖6可知：各堆肥處理N2O排放速率均隨發(fā)酵時間呈先升后降的變化趨勢，其中T1、T2和T3處理以第15天時最高，T4處理以第20 天時最高；堆肥第25天后各堆肥處理N2O排放速率接近零。整個堆肥過程中平均N2O排放速率和累積排放量的大小順序為T1>T2>T3>T4，其中T1處理與其他處理間的差異達顯著性水平(圖6(a)，P<0.05)，T2與T3和T4處理間的差異亦達到顯著性水平(P<0.05)。就N2O累積排放量而言，堆肥前25 d的N2O排放量占整個堆肥期間N2O排放總量的98.3%～98.7%(圖6(b))。

2.6 堆肥過程中氨氣排放的變化

由圖7可知：各堆肥處理氨氣排放速率隨發(fā)酵時間先增加，在堆肥第6天時達到最大值，而后逐漸下降，堆肥第15天后，氨氣排放速率處于較低的水平(圖7(a))。整個堆肥期間，氨氣累積排放量以T4處理最低，比T1、T2和T3處理減少了29.9%、35.7%和52.1%，且T4與T1、T4與T3處理間的差異均達顯著性水平(圖7(b)，P<0.05)。

圖5 不同堆肥處理CH4排放速率(a)和累積排放量(b)的變化Fig.5 CH4 emission rate (a) and cumulative emission (b) during composting of different treatments

2.7 溫室氣體排放的相關(guān)分析

相關(guān)分析表明(表2)：CO2排放速率與堆料的pH、EC、總有機碳(TOC)、全磷(TP)間具有顯著的正相關(guān)性，與碳氮質(zhì)量比具有極顯著的負相關(guān)性。N2O排放速率與堆料的pH、EC、總有機碳(TOC)、全磷(TP)間具有顯著的負相關(guān)性，與碳氮質(zhì)量比具有極顯著的正相關(guān)性。

2.8 溫室氣體累積排放效應(yīng)

為了更準確評價堆肥溫室氣體累積排放效應(yīng)，采用IPCC 2014年第5次會議報告的溫室氣體增溫潛勢表示方法進行溫室效應(yīng)核算，并參照《畜禽糞便腐殖化堆肥項目溫室氣體減排量核算技術(shù)規(guī)范》T/ZGCERIS0006—2019[24]溫室氣體核算邊界，堆肥過程中畜禽糞便分解產(chǎn)生的CO2排放不計入。結(jié)果表明T1、T2、T3和T4處理CO2排放當量(以干重計)分別為63.49、59.37、56.99和55.21 g/kg，表現(xiàn)為隨著生物炭添加比例的增加，堆肥溫室氣體排放量呈降低的變化趨勢。若將CO2排放量計算在內(nèi)的情景下，不同堆肥處理溫室氣體排放CO2當量的大小順序為T2>T1>T3>T4(表3)。

3 討 論

豬糞好氧堆肥初始時，堆體中氧氣和微生物活動所必需的營養(yǎng)元素比較充裕，好氧微生物快速繁殖，使較易分解的可溶性物質(zhì)氧化分解產(chǎn)生CO2和H2O[25]，在堆肥第15天時各堆肥處理CO2排放速率達到最高峰，而后隨著易降解碳源的減少，微生物活動減弱，CO2的排放速率逐漸降低。在堆肥過程中，堆肥內(nèi)部氧氣濃度是影響甲烷產(chǎn)生的重要因子，堆體內(nèi)部較低的氧氣濃度和較高的易降解有機物質(zhì)、水分含量可加速甲烷的釋放。各處理CH4排放速率在第15天達到峰值，這可能是由于堆體內(nèi)有機物質(zhì)的大量分解造成內(nèi)部氧氣不足，氧化還原電位下降，從而產(chǎn)生甲烷，這與Sun 等[26]的研究結(jié)果一致。以CO2和CH4等氣體形式的損失也是堆肥過程中碳素損失的主要途徑，一般而言，以氣體形式損失的碳素主要發(fā)生在堆肥的升溫期與高溫期，該階段微生物的數(shù)量和代謝比較旺盛[27]。本研究結(jié)果表明，豬糞堆肥過程中升溫期和高溫期CO2和CH4的排放量分別占其總排放量的78.5%～86.2%和89.7%～95.9%，表明CO2和CH4主要集中在堆肥升溫期與高溫期。整個堆肥過程中CO2-C排放是碳素損失最主要的氣體形式，占氣體形式碳素損失總量的99%以上，而CH4-C損失僅占0.04%～0.09%。

圖6 不同堆肥處理N2O累積排放量(a)和排放速率(b)的變化Fig.6 cumulative emission (a) and N2O emission rate (b) during composting of different treatments

圖7 不同堆肥處理NH3排放速率(a)和累積排放量(b)的變化Fig.7 NH3 emission rate (a) and cumulative emission (b) during composting of different treatments

表2 溫室氣體排放速率與理化因子間的相關(guān)分析Table 2 Correlation coefficient between greenhouse gas emission and environmental factors

表3 不同堆肥處理溫室氣體累積排放量Table 3 The cumulative emissions of greenhouse gases from different composting treatments

在整個堆肥過程中，添加3%～9%的花生殼生物炭處理N2O和CH4累計排放量(以CO2當量計)減少了6.5%～13.0%，且隨著生物炭用量的增加，溫室氣體減排效果越好。向秋潔等[30]對污泥堆肥溫室氣體排放綜合效應(yīng)(CO2不計入)的研究也表明，添加2.5%～10%竹炭的堆肥處理CO2當量減少了14.81%～20.41%。本研究還發(fā)現(xiàn)，若將豬糞堆肥分解產(chǎn)生的CO2的情景下，不同堆肥處理溫室氣體排放CO2當量的大小以添加3%花生殼生物炭處理最高，其原因是CO2是豬糞堆肥中主要的溫室氣體[35]，占堆肥過程中溫室氣體排放總量(CO2當量計)的51.7%～57.5%；而本研究中添加3%花生殼生物炭處理CO2排放量比未添加生物炭處理提高了15.1%。目前，有關(guān)生物炭用量對堆肥過程CO2排放影響的結(jié)果不一[36]。Wang等[37]研究發(fā)現(xiàn)在豬糞堆肥中添加10%的煙梗生物炭+10%的沸石+2%的木醋(質(zhì)量比)可減少CO2和CH4排放減少33.90%和50.39%。He等[38]也報道竹生物炭具有減少堆肥中二氧化碳排放的良好潛力。而Chen等[18]研究表明2%～10%雞糞生物炭+雞糞堆肥處理CO2排放速率和累積排放量顯著高于未添加生物炭處理。Steiner等[19]研究也發(fā)現(xiàn)生物炭堆肥中的CO2排放峰值顯著高于無生物炭的堆肥處理，并認為可能是由于生物炭可以增加堆肥中的通氣量和氧氣含量。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加3%生物炭CO2排放量比未添加生物炭處理顯著提高15.1%，但6%和9%生物炭處理CO2排放量與未添加生物炭處理間無顯著差異，這可能是因為生物炭本身特有的孔隙度改善了堆肥的通氣狀況，適量添加可促進有機質(zhì)的降解和CO2產(chǎn)生，但隨著生物炭添加比例的增加，單位重量堆料的碳氮質(zhì)量比和其含生物炭的比重增加，由于生物炭所含的碳具有高穩(wěn)定性，難以被微生物分解利用，且生物炭具有較強的吸附性，能吸附某些微生物或酶，導致其失活或鈍化或使部分有機物包被于生物炭內(nèi)以抑制其分解，從而減少CO2產(chǎn)生[39]。

4 結(jié) 論

1)堆肥過程中CO2、CH4和N2O排放速率均隨發(fā)酵時間呈先升高后降低的趨勢，其排放速率均與堆料pH間具有顯著的相關(guān)性。各堆肥處理CO2、CH4和N2O的排放量主要集中于堆肥前20 d，分別占整個堆肥期間排放總量的78.5%～86.2%、89.7%～95.9%和78.7%～82.9%。

2)生物炭添加降低了豬糞堆肥過程中溫室氣體的排放，3%～9%生物炭處理CO2排放當量(CO2排放不計入其內(nèi))為55.21～59.37 g/kg，比對照降低了6.5%～12.6%，且隨著生物炭添加比例的增加，溫室氣體減排效應(yīng)越大。