好氧堆肥對牛糞中重金屬鋅形態(tài)變化的影響

王 振

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

近年來，城鄉(xiāng)居民對畜牧業(yè)產(chǎn)品的需求逐漸上升、畜牧業(yè)的規(guī)?；B(yǎng)殖占比越來越高，導(dǎo)致畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的占比逐漸上升，2021 年畜牧業(yè)總產(chǎn)值達(dá)3.99 萬億元，占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的50.96%。與此同時，畜牧業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的糞污對環(huán)保影響越發(fā)嚴(yán)重，尤其是飼料中的大量添加劑導(dǎo)致畜禽糞便中重金屬含量較高，越是大規(guī)模的養(yǎng)殖場，糞污堆放或還田利用的量越大，污染風(fēng)險也越大。重金屬鋅（Zn）是一種常用的飼料添加劑，可以促進(jìn)動物快速增重、改善肉質(zhì)，但飼料生產(chǎn)工藝水平的差異易導(dǎo)致重金屬Zn 的含量遠(yuǎn)超動物的需求量，大部分隨畜禽糞便進(jìn)入養(yǎng)殖場周邊土壤，造成環(huán)境污染。

牛糞與豬糞、雞糞相比，重金屬Zn 的含量較少，但牛糞的排放量大、質(zhì)地細(xì)密、含水率低等，使得牛糞經(jīng)發(fā)酵腐熟作為有機(jī)肥還田利用得到廣泛關(guān)注。但牛糞中的重金屬Zn 經(jīng)長期還田施用會在土壤富集，甚至危害人體健康。好氧堆肥是牛糞發(fā)酵腐熟常用的工藝之一，具有成本低、流程簡單的特點，本文將以好氧堆肥為試驗工藝，檢測牛糞在好氧堆肥過程中重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，探究牛糞中重金屬Zn 在好氧堆肥過程中不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，為降低牛糞有機(jī)肥還田利用過程中對土壤環(huán)境的潛在危害提供理論依據(jù)。

1 試驗與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計 試驗于2021 年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院富拉爾基科研基地進(jìn)行，試驗材料取自科研基地附近養(yǎng)殖場。新鮮牛糞經(jīng)固液分離后平鋪晾曬至水分降至55%～65%，為降低自然環(huán)境對堆體溫度的影響，使用鏟車將牛糞建成3 個平行條剁形堆體（3 m×2 m×1.5 m），中間條剁用于試驗，兩側(cè)條剁用于對照。試驗期間監(jiān)測堆體溫度，當(dāng)堆體溫度達(dá)65 ℃以上時進(jìn)行翻堆，試驗共進(jìn)行60 d。

1.2 測定項目與分析方法 試驗于0、3、7、13、20、30、45、60 d 采用四分法篩選牛糞樣品，樣品分兩份，一份自然風(fēng)干用于測定牛糞中重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)含量；另一份鮮樣用于測量牛糞pH 值。風(fēng)干樣品參考改進(jìn)BCR 提取法進(jìn)行重金屬Zn 的形態(tài)提取，即可交換態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)和殘渣態(tài)，并采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)實驗結(jié)果計算不同形態(tài)分配率，鮮樣以固液比1∶10的比例加入到蒸餾水中震蕩1 h，靜置1 h 后測定牛糞的pH 值?；炈脭?shù)據(jù)通過WPS 進(jìn)行錄入整理，并通過SPSS 22.0 和OriginPro 2021 等軟件進(jìn)行圖表繪制和統(tǒng)計分析。

不同形態(tài)重金屬Zn 的分配率計算公式如下：

分配率（%）=不同形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 好氧堆肥對重金屬Zn 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

重金屬Zn 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時間的動態(tài)變化情況（如圖1 所示）。

圖1 好氧堆肥過程中重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖1 可知，好氧堆肥過程中牛糞中重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從初始牛糞的153.98 mg/kg 隨堆肥時間呈上升趨勢，堆肥60 d 后質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到226.22 mg/kg，提高了46.92%。好氧堆肥前期質(zhì)量分?jǐn)?shù)增速較快，堆肥13 d 質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到191.71 mg/kg，提高了24.50%，占總增重的51.53%，堆肥30 d 質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到211.63 mg/kg，提高了37.44%，占總增重的79.15%，由此可見堆肥進(jìn)行到一半，重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升量占整個堆肥過程增量的八成，重金屬Zn 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化主要發(fā)生在堆肥前中期。

由于堆肥過程過程中未有外源重金屬Zn 的加入，結(jié)合重金屬Zn 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)增速變化的現(xiàn)象分析，造成這個現(xiàn)象的原因可能是好氧堆肥過程中牛糞中有機(jī)質(zhì)隨時間降解，堆體體積降低造成的“濃縮效應(yīng)”，好氧堆肥7 d 時堆體達(dá)到65 ℃以上，堆體進(jìn)入高溫期，而高溫期是牛糞腐殖化最活躍的時期，重量損失也最大，這與重金屬Zn 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢類似，也驗證了“濃縮效應(yīng)”是導(dǎo)致重金屬Zn 總質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升的原因，“濃縮效應(yīng)”會導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時間不斷上升，故對重金屬Zn 不同形態(tài)的變化趨勢使用分配率進(jìn)行探討。

2.2 好氧堆肥對不同形態(tài)重金屬Zn 的分配率影響

重金屬Zn 不同形態(tài)分配率動態(tài)變化情況（如圖2 所示）。

圖2 好氧堆肥過程中不同形態(tài)重金屬Zn 的分配率變化

由圖2 可知，初始牛糞可交換態(tài)重金屬Zn 分配率最高，為64.65%，隨著堆肥時間的推移先上升后下降，好氧堆肥3 d 分配率為76.05%，提高了17.63%，好氧堆肥7 d 分配率略有下降，分配率為75.87%，提高了17.35%，兩者差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥7～30 d 分配率隨堆肥時間明顯下降，好氧堆肥30 d 分配率降至42.12%，下降了34.85%，好氧堆肥30～60 d 分配率下降速度明顯放緩，好氧堆肥60 d 分配率降至38.23%，相較與好氧堆肥30 d，分配率下降了9.24%（見圖2A）。

還原態(tài)重金屬Zn 的分配率隨著堆肥時間的推移先下降后上升，初始牛糞分配率為18.03%，好氧堆肥3 d 和7 d 時分配率分別降至10.79%、11.11%，兩者差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥30 d后，分配率提升至24.61%，相較與好氧堆肥7 d，分配率上升了13.5 個百分點，堆肥中后期分配率有下降的趨勢，好氧堆肥60 d 分配率為23.03%（見圖2B）。氧化態(tài)分配率變化趨勢與還原態(tài)類似，分配率隨堆肥時間先下降后上升，初始牛糞分配率為15.12%，好氧堆肥7 d 時分配率降至11.47%，之后分配率逐漸上升，從好氧堆肥60 d 時分配率上升至35.53%，增速逐漸變慢（見圖2C）。

殘渣態(tài)重金屬Zn 的分配率集中在1.22%～3.20%，有上升的趨勢但幅度較小，好氧堆肥前中期的分配率差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥60 d 是殘渣態(tài)分配率為3.20%，可見重金屬Zn 的殘渣態(tài)分配率受好氧堆肥的影響不大（見圖2D）。

重金屬Zn 的形態(tài)變化伴隨著整個好氧堆肥的過程，升溫期和高溫期的變化更加劇烈。由于堆肥初期堆體溫度較低，缺乏翻堆通風(fēng)，積累了大量有機(jī)酸，堆體的pH 值下降，導(dǎo)致重金屬Zn 的還原態(tài)和氧化態(tài)被活化，分配率下降，轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)，隨著好氧堆肥的進(jìn)行，合理的翻堆供氧使得牛糞中的有機(jī)質(zhì)腐殖質(zhì)化，產(chǎn)生的腐殖質(zhì)中含有大量羧基、烯醇基、醌基等強(qiáng)吸附基團(tuán)，與重金屬Zn 的結(jié)合更加緊密，使得可交換態(tài)向還原態(tài)和氧化態(tài)轉(zhuǎn)化，好氧堆肥30 d 后，牛糞腐殖化變緩，重金屬Zn 的形態(tài)變化也隨之變緩。

3 結(jié) 論

本試驗以好氧堆肥為試驗工藝，探討牛糞在好氧堆肥過程中重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，為降低牛糞有機(jī)肥在還田利用過程中的潛在危害性提供理論依據(jù)。（1）好氧堆肥期間牛糞中重金屬Zn 的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從153.98 mg/kg 上升至226.22 mg/kg，上升速率隨堆肥時間逐漸下降。（2）可交換態(tài)重金屬Zn 在初始牛糞中的分配率最高，并隨著好氧堆肥的進(jìn)行先上升后下降，從64.65%上升至76.05%后降至38.23%，還原態(tài)和氧化態(tài)重金屬Zn 的分配率均隨著堆肥時間的推進(jìn)先下降后上升，殘渣態(tài)分配率的受好氧堆肥的影響不大。（3）重金屬Zn 的形態(tài)變化伴隨著整個好氧堆肥的過程，好氧堆肥前中期不同形態(tài)分配率的變化更明顯，堆肥60 d 后，可交換態(tài)重金屬Zn 的分配率降低了24.42 個百分點，氧化態(tài)重金屬Zn 的分配率上降了20.41 個百分點，好氧堆肥有效降低了牛糞中重金屬Zn 的活性。