過磷酸鈣與雙氰胺對(duì)豬糞便的堆肥效果研究

孫穩(wěn)平,王 智，牛統(tǒng)娟，劉 濤，趙夢(mèng)潔，劉偉東，史新娥，寧小敏，張巨亭，胡建宏*

(1.陜西省畜牧技術(shù)推廣總站,陜西 西安 710016;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4.西安市畜牧技術(shù)推廣中心，陜西 西安 710061；5.西安市清涼山牧業(yè)有限公司，陜西 西安 710308)

隨著養(yǎng)殖行業(yè)規(guī)?；潭仍絹碓礁撸B(yǎng)殖糞污已經(jīng)成為中國(guó)環(huán)境污染的重要排放源[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)的生豬、家禽養(yǎng)殖年產(chǎn)糞便總量高達(dá)5.8×108t[2]。部分養(yǎng)殖場(chǎng)由于糞污處理成本較高、養(yǎng)殖糞污配套消納用地不足、環(huán)保設(shè)施不完善、政府部門監(jiān)管力度不夠等問題[3]，往往會(huì)將部分未經(jīng)無害化處理的糞污排至地表和水體，糞污往往含有重金屬元素、抗生素以及飼料添加劑殘留等，可直接對(duì)周邊環(huán)境的土壤及水源造成污染，糞污內(nèi)有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下分解可產(chǎn)生有毒有害氣體如氨氣、硫化氫等，對(duì)家畜和人的健康造成威脅[4]。但是，糞污中含有豐富的N、P、微量元素等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過加工處理后可成為優(yōu)質(zhì)肥料。糞便高溫堆肥是將糞污轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥的有效措施。在高溫堆肥過程中，N素向銨態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，存在以NH3和N2O揮發(fā)為主的N素?fù)p失；在傳統(tǒng)的好氧堆肥過程中，氮素?fù)p失最高可達(dá)到76%[5]。堆肥過程中碳以CH4的形式揮發(fā)造成碳損失，損失量約占初始總碳的0.8%。糞便中有效磷的含量約占總磷的50%～80%，但其活性較高且易于流失[6]。趙素芬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，糞便經(jīng)過堆肥可促進(jìn)磷從無機(jī)磷向有機(jī)磷轉(zhuǎn)變，提高了磷的有效性和利用率。

添加固氮?jiǎng)┰诙逊蔬^程中可有效減少NH3的揮發(fā)從而減少N素?fù)p失。吳娟等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程中以過磷酸鈣(SSP)為固氮?jiǎng)┛捎行Ы档蚇2O和CH4的排放，但SSP的固氮效果受含水率及通風(fēng)量等工藝參數(shù)的影響較大。翁俊基等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在糞便堆肥中添加1%SSP可降低33.56%的氮素?fù)p失率。李慧杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥中添加SSP可有效降低雞糞在高溫堆肥中CH4的排放，總減排量達(dá)到54%，減排效果顯著。姜繼韶等[11]報(bào)道，在豬糞堆肥中添加SSP降低了8%的碳素?fù)p失，但是抑制了有機(jī)質(zhì)的降解。SSP降低氮素?fù)p失的途徑可能是其含有的游離酸可與NH3反應(yīng)，作為NH3回收固定的吸附劑[12]。

雙氰胺(DCD)作為一種硝化抑制劑，在硝化過程中抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，延長(zhǎng)銨態(tài)氮在土壤內(nèi)的停留時(shí)間[13]，減少硝化過程中產(chǎn)生的N2O和NO向空氣排放[14]，降低硝態(tài)氮由于淋洗和徑流對(duì)于土壤及水體造成的污染，減少氮素?fù)p失[15]。倪紅等[16]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)紫花苜蓿栽培草地添加DCD處理后草地的N2O的平均排放速率下降50.7%，N2O的累積排放量降低61.6%。李杰等[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加硝化抑制劑DCD和3, 4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)均能降低土壤氮素周轉(zhuǎn)中N2O的排放峰值以及累積排放量，其中DCD減排率達(dá)到21.6%。阿力木·阿布來提等[18]發(fā)現(xiàn)，使用DCD雖然能顯著減少淹水土壤反硝化效率，但是會(huì)增加氨揮發(fā)損失。本試驗(yàn)在糞便中分別添加0.1%DCD、0.1%SSP，研究在堆肥0、45 d后固體糞便各成分的變化，以期比較固氮?jiǎng)㏒SP及硝化抑制劑DCD對(duì)于糞便堆肥的效果，為固體糞便堆肥添加劑的選擇提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用固體糞便取自陜西省西安市清涼山牧業(yè)有限公司使用糞污固液分離機(jī)分離后的固體糞便；過磷酸鈣(SSP)購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司，分析純標(biāo)準(zhǔn)。雙氰胺(DCD)購(gòu)于廣東省光華科技股份有限公司，分析純標(biāo)準(zhǔn)。固體糞便初始性質(zhì)如下：含水率68.1%，全N 40.81 g/kg，總P 33.95 g/kg，有機(jī)碳443.15 g/kg， C/N 10.85，pH 7.56。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地在西北農(nóng)林科技大學(xué)，試驗(yàn)時(shí)間為2019年8-10月。試驗(yàn)共分為3個(gè)處理組：對(duì)照組無添加劑；SSP處理組添加1%SSP；DCD處理組添加1%DCD。每組取固液分離后的固體糞便4 kg于保溫發(fā)酵箱中進(jìn)行堆肥發(fā)酵，初始保溫溫度為35 ℃。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 取樣 在試驗(yàn)進(jìn)行第0、45天對(duì)于各處理組進(jìn)行隨機(jī)采樣，每次取樣約50 g，將樣品放置于自封袋，于-20 ℃冰箱中保存待測(cè)。

1.3.2 各理化指標(biāo)測(cè)定方法 檢測(cè)樣品中有機(jī)碳、全N、總P的含量，方法參照有機(jī)肥料農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012規(guī)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007整理，SPSS 18.0軟件的ANOVA程序進(jìn)行單因子方差分析，用Duncan氏法進(jìn)行多重比較分析，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬糞堆肥前后有機(jī)碳的含量

豬糞堆肥前后有機(jī)碳的含量如圖1所示?？傮w上看，與堆肥前相比，堆肥后有機(jī)碳的含量顯著降低(P<0.05)，與堆肥前相比SSP處理組、DCD處理組和對(duì)照組分別降低了12.64%、15.79%、8.38%。DCD處理組有機(jī)碳降解量顯著高于SSP處理組和對(duì)照組(P<0.05)，處理后的有機(jī)碳含量為375.55 g/kg。SSP處理組降解量顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，堆肥后的有機(jī)碳含量為390.48 g/kg。

圖1 堆肥前后有機(jī)碳的含量柱上標(biāo)相同字母或無字母表示差異不顯著(P>0.05)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同F(xiàn)ig.1 Organic carbon content before and after compostingThe same or absent letters above the columns indicate insignificantdifference(P>0.05)，different lowercase letters indicatesignificant difference (P<0.05)．The same below

2.2 豬糞堆肥前后全氮的含量

堆肥前后全N的含量如圖2所示。堆肥過程中隨著NH3的排出，導(dǎo)致堆肥中N素的量降低，但隨著有機(jī)質(zhì)的分解會(huì)出現(xiàn)全N的濃縮效應(yīng)，使全N的含量升高。與堆肥前相比，堆肥后各組全N含量均顯著提升(P<0.05)。SSP處理組全N含量顯著高于DCD處理組和對(duì)照組(P<0.05)，處理后全N的含量為23.56 g/kg。DCD處理組全N含量顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，SSP和DCD均可以起到固氮的效果。

圖2 堆肥前后全N的含量Fig.2 Total nitrogen before and after composting

2.3 豬糞堆肥前后總磷的含量

堆肥前后總P的含量如圖3所示。在堆肥前SSP處理組的總P含量高于DCD處理組和對(duì)照組(P<0.05)。堆肥后的總P含量SSP處理組顯著高于DCD處理組和對(duì)照組(P<0.05)，SSP處理組總P含量達(dá)到15.43 g/kg。DCD處理組的總P含量顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。

圖3 堆肥前后總P的含量Fig.3 Total phosphorus content before and after composting

3 討 論

3.1 過磷酸鈣和雙氰胺對(duì)堆肥中有機(jī)碳的影響

從堆肥效果來看，SSP與DCD均可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解。糞便中的有機(jī)質(zhì)主要成分為未被消化的粗纖維、粗蛋白以及粗脂肪等，其中粗纖維是碳素的主要來源[20]。在堆肥過程中，碳水化合物、脂肪、氨基酸可被快速降解，而纖維素、半纖維素等則只會(huì)被部分降解且降解速率較低。堆肥中只有部分有機(jī)質(zhì)被降解礦化，其余則以穩(wěn)定的形態(tài)繼續(xù)保存[21]。有機(jī)碳的損失主要集中在堆肥高溫時(shí)期，主要為細(xì)菌和真菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，大約可損失60%，而在堆肥后期的腐殖化過程會(huì)保持碳的穩(wěn)定[22]。根據(jù)本試驗(yàn)中堆肥后有機(jī)碳的含量對(duì)比，加入SSP、DCD均可以加快有機(jī)質(zhì)的降解，與姜繼韶等[11]關(guān)于SSP促進(jìn)有機(jī)碳降解的研究結(jié)果一致，其作用可能與在高溫堆肥中細(xì)菌的活動(dòng)有關(guān)，斯木吉德等[23]在牛糞堆肥中已經(jīng)驗(yàn)證DCD的添加可以影響有機(jī)物分解菌的代謝活動(dòng)。李慧杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞堆肥中添加沸石和SSP降低了堆肥過程中甲烷古菌的絕對(duì)數(shù)量，達(dá)到了降低CH4排放總量的目的。在堆肥過程中，有機(jī)碳在微生物的代謝活動(dòng)下降解為CO2、CH4等溫室氣體并排放，降低了堆體內(nèi)有機(jī)碳的含量[24]，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。SSP有顯著的固定NH4+作用，DCD可抑制硝化反應(yīng)，使NH4+濃度增加，堆肥過程中高濃度的NH4+可抑制微生物的代謝活動(dòng)，從而降低了有機(jī)碳的降解量。

3.2 過磷酸鈣和雙氰胺對(duì)堆肥中氮的影響

以SSP和DCD作為外源添加劑對(duì)于堆肥中全氮含量的影響效果顯著。豬糞中的氮源主要為蛋白質(zhì)、游離氨基酸、尿素、氨、含氨脂類等物質(zhì)，其中部分氨基酸在氨基氧化酶的作用下發(fā)生氧化脫氨作用產(chǎn)生酸、NH3和水，在堆肥的高溫高pH環(huán)境下會(huì)釋放出NH3[25]，堆肥中的N素因此損失造成氮素含量降低。SSP具有良好的固定NH4+的效果，可減少NH3的產(chǎn)生和揮發(fā)。DCD作為硝化抑制劑可抑制硝化反應(yīng)的進(jìn)行，抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。硝態(tài)氮在制作為有機(jī)肥后易于在土壤中流失，造成N素?fù)p失。在堆肥過程中，由于有機(jī)質(zhì)的分解造成全N的濃縮效應(yīng)，導(dǎo)致全N含量增加。本研究使用SSP和DCD均可使豬糞堆肥的N素?fù)p失降低，與李帆等[26]的研究結(jié)果一致。一般認(rèn)為C/N在15～20即達(dá)到了腐熟，本試驗(yàn)堆肥的初始C/N約為22.7，C/N大于20接近于25，與秦莉等[27]C/N比在25時(shí)全碳降解率率最大、低C/N條件下銨態(tài)氮的揮發(fā)損失更嚴(yán)重的研究結(jié)果一致，堆肥結(jié)束后對(duì)照組、SSP處理組、DCD處理組的C/N分別為21.65、16.40、16.74，SSP處理組與DCD處理組均達(dá)到了腐熟標(biāo)準(zhǔn)。在堆肥后，與市場(chǎng)上已有的氮肥(尿素)相比，堆肥后的總氮含量是尿素的50%左右，但是其試劑處理成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于尿素，且腐熟后的有機(jī)肥與尿素相比，含有有機(jī)碳、磷、礦物質(zhì)等其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。作為肥料，其成本、功效都比市場(chǎng)上的單一補(bǔ)充肥料更有優(yōu)勢(shì)。

3.3 過磷酸鈣和雙氰胺對(duì)堆肥中總磷的影響

在堆肥前，SSP處理組的P含量高于其它2組，這是由于以SSP為添加劑自身帶來的外源性磷補(bǔ)充使初始成分中總P含量更高。在堆肥過程中，磷雖然會(huì)發(fā)生形態(tài)的變化，但是其不同形態(tài)均不易揮發(fā)，因此在堆肥過程中總量保持不變。隨著堆肥過程的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)不斷降解，磷發(fā)生濃縮效應(yīng)，總P的濃度升高。在本試驗(yàn)中，堆肥后總P均與對(duì)照組相比有顯著增加，這與Garcia等[28]研究結(jié)果一致。SSP處理組總P顯著高于DCD處理組，由于外源性磷的補(bǔ)充導(dǎo)致在堆肥中總量始終比DCD處理組要高。李帆等[26]研究發(fā)現(xiàn)，堆肥中添加SSP會(huì)對(duì)堆肥中有效P起到稀釋作用，從而導(dǎo)致有效P的濃度降低，使其不利于植物的直接吸收，但同時(shí)降低了速效P直接在土壤中發(fā)生遷移流失的風(fēng)險(xiǎn)[29]，延長(zhǎng)了在土壤中的保存時(shí)間。

4 結(jié) 論

在豬糞堆肥中添加SSP和DCD可加快有機(jī)質(zhì)的降解，提高堆肥產(chǎn)品中全N及總P的含量，其中添加SSP的堆肥效果較好，堆肥后可以作為氮肥有機(jī)肥進(jìn)行施用，且與市場(chǎng)上的單一氮肥、磷肥相比，其成本更低，且其補(bǔ)充的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更加全面。