不同熱解溫度稻殼生物炭對(duì)羊糞堆肥腐熟度及溫室氣體排放的影響

關(guān)鍵詞：生物炭；熱解溫度；羊糞；堆肥；腐熟度；溫室氣體

高溫好氧堆肥是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村有機(jī)廢棄物無(wú)害化、減量化、資源化處理最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)方法之一，但堆肥過(guò)程中微生物降解作用產(chǎn)生大量揮發(fā)性氣體，如：C02、CH4、N20、NH3等，導(dǎo)致碳氮養(yǎng)分損失嚴(yán)重，不僅降低了堆肥產(chǎn)品的農(nóng)用價(jià)值，還顯著增加了全球溫室效應(yīng)。如何有效提高堆肥產(chǎn)品的穩(wěn)定性和農(nóng)用價(jià)值并減少肥料化過(guò)程的溫室氣體排放，對(duì)我國(guó)落實(shí)“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義。

生物炭是生物質(zhì)在高溫及限氧條件下熱解制取的一類(lèi)高度芳香化的難熔性固態(tài)物質(zhì)，因具有良好的物理及化學(xué)吸附性和穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)以及來(lái)源廣泛、成本低廉、制備技術(shù)成熟等特點(diǎn)，被作為添加劑廣泛用于控制堆肥過(guò)程中的氣體排放。楊佳等將玉米秸稈生物炭應(yīng)用于羊糞微好氧堆肥并發(fā)現(xiàn)其既可加速羊糞腐熟進(jìn)程，又能有效減少堆肥體的溫室氣體總排放量；Chowdhury等在雞糞與稻草堆肥中添加生物炭，發(fā)現(xiàn)總溫室氣體排放減少27%～32%；王義祥等將花生殼生物炭應(yīng)用于豬糞堆肥，認(rèn)為隨著花生殼生物炭添加比例的增加（質(zhì)量比3%～9%），溫室氣體減排效應(yīng)增大。上述已有研究主要報(bào)道了不同制備原料生物炭及其添加量對(duì)堆肥溫室氣體排放的影響及減排效果，而有關(guān)不同熱解溫度制備的生物炭對(duì)堆肥腐熟度及溫室氣體排放的作用效果還缺乏深入研究，并且生物炭理化性質(zhì)與其熱解溫度關(guān)系十分密切，提高生物炭熱解溫度會(huì)顯著改變生物炭孔隙結(jié)構(gòu)、增大比表面積、增加孔隙度等，進(jìn)而增強(qiáng)生物炭的吸附能力；另外，常規(guī)商品購(gòu)買(mǎi)性生物炭的熱解溫度主要在300～500℃，若提高生物炭熱解溫度，是否可以提高生物炭在堆肥工程中促腐及固碳作用潛力？為此，本研究采用模擬堆肥的方法，以450、650℃熱解的稻殼生物炭為供試材料，研究2種不同熱解溫度稻殼生物炭對(duì)羊糞堆肥的腐熟度及溫室氣體排放的影響，以期為稻殼生物炭在農(nóng)業(yè)農(nóng)村有機(jī)廢棄物肥料化工程中綠色高效化應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

堆肥材料主要包括：羊糞、食用菌渣及輔料，其中輔料為試驗(yàn)不同處理分別添加的堆肥輔助性材料，主要為2種熱解溫度制備的稻殼生物炭、未熱解炭化的稻殼。羊糞由太倉(cāng)市城廂鎮(zhèn)東林村生態(tài)羊場(chǎng)提供，食用菌渣從太倉(cāng)市城廂鎮(zhèn)當(dāng)?shù)厥秤镁举?gòu)買(mǎi)，稻殼由太倉(cāng)城廂鎮(zhèn)東林村生態(tài)米廠(chǎng)提供，2種不同熱解溫度制備的生物質(zhì)炭制備方法為：以稻殼為原料，參考生物炭常規(guī)生產(chǎn)的炭化溫度為300～500℃左右，為獲得不同理化性質(zhì)的生物炭材料，設(shè)計(jì)熱裂解炭化溫度分別為450、650℃，厭氧條件下保持10h，自然冷卻，0.38mm孔徑過(guò)篩。堆肥原料基本性狀見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與堆肥方法

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，首先準(zhǔn)備預(yù)備混合物料，按肥料廠(chǎng)常規(guī)操作方式，將羊糞與食用菌渣按質(zhì)量比9：1混合均勻，參照課題組前期研究，在預(yù)備物料上添加450、650℃熱解溫度制備的稻殼生物炭（占預(yù)備物料質(zhì)量百分比15%）為處理，分別用B450、B650表示；為保障堆肥試驗(yàn)各項(xiàng)條件的相對(duì)一致性，在預(yù)備物料上添加未經(jīng)炭化處理的稻殼（添加量與B450、B650處理中稻殼生物炭同等體積）為對(duì)照，用CK表示。每個(gè)處理重復(fù)3次。

試驗(yàn)采用靜態(tài)高溫好氧發(fā)酵的方法，在堆肥模擬反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。堆肥反應(yīng)器呈立方體箱形，箱體長(zhǎng)、寬、高均為0.8m，反應(yīng)器底部有4個(gè)高度為25cm的活動(dòng)輪，底面均勻分布直徑為2cm的通氣孔，通氣孔總面積為底部面積的1/3。每個(gè)處理先將羊糞、食用菌渣、輔料按比例集中混合均勻，混合堆肥體質(zhì)量600kg、含水率65%～70%，再平均分為3份，分別裝入3個(gè)堆肥模擬反應(yīng)器內(nèi)，即3次重復(fù)。當(dāng)堆肥體溫度≥70℃時(shí)或每隔7d左右翻堆1次，人工翻堆時(shí)將物料全部取出，充分混合后再次裝箱并記錄每箱堆肥物料的質(zhì)量，3個(gè)處理統(tǒng)一開(kāi)展翻堆作業(yè)，整個(gè)堆肥過(guò)程翻堆4～5次；堆肥過(guò)程不調(diào)節(jié)堆肥體含水率，直至堆肥結(jié)束。堆肥時(shí)間共計(jì)43d。

1.3測(cè)定指標(biāo)與分析方法

（1）堆肥溫度與積溫：堆肥反應(yīng)器上中下位置布設(shè)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，深度30～40cm，于每日9：00-10： 00或16：00-17：00測(cè)定并記錄堆肥溫度，同步測(cè)定氣溫，直至結(jié)束并計(jì)算堆肥積溫。以堆肥溫度在50℃以上保持5～7d或者55℃以上保持3d作為堆肥衛(wèi)生合格指標(biāo)和堆肥腐熟條件的標(biāo)準(zhǔn)，以堆肥積溫達(dá)到10000℃．h以上作為堆肥穩(wěn)定化的要求。

（2）NH;-N、N03-N、TN、TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)：于堆肥后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、34、37、40、43天，每個(gè)堆肥體取混合樣品2kg，混合均勻并分為3份，一份用于堆肥樣品的浸提處理、一份用于含水率測(cè)定、一份用于陰涼處風(fēng)干處理。浸提處理先將鮮樣與去離子水按1：10質(zhì)量比混合，再以150r·min-1振蕩浸提30min，最后以4000r·min-1離心10min并收集上清液，采用電導(dǎo)率儀測(cè)定EC值，采用SKALA流動(dòng)分析儀測(cè)定NH;-N、N03-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)，風(fēng)干樣品采用Element元素分析儀測(cè)定TC與TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)。分別以NH;-N/N03-N．T值（終點(diǎn)C/N與初始C/N的比值）作為堆肥腐熟度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，NH4N/N03-N為0.16、T值為0.7分別作為本試驗(yàn)羊糞堆肥腐熟推薦值。

（3）種子發(fā)芽指數(shù)：GI=（堆肥浸提液處理的種子發(fā)芽率×根長(zhǎng)）／（對(duì)照種子發(fā)芽指數(shù)×根長(zhǎng)）×100%。以種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)80%為堆肥完全腐熟推薦值。

（4）CH4、C02、N20排放速率及排放累積量：采用靜態(tài)氣體采集箱一氣相色譜法測(cè)定。于堆肥后第1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、34、37、40、43天，進(jìn)行氣體樣品采集與測(cè)定，直至堆肥結(jié)束。每次采樣于9：00-11：00，在堆肥反應(yīng)器中物料表面上方中間位置，先安裝氣樣采集箱底座（長(zhǎng)25cmx寬25cm），之后蓋上氣體采集箱，水密封，分別于蓋上采集箱后第0、5、10、15分鐘在采氣箱側(cè)面2/3高度且居中位置，用針筒抽氣100mL，轉(zhuǎn)移至100mL鋁箔氣樣袋，待分析。利用氣相色譜儀（安捷倫7890B）測(cè)定氣樣中CH4、C02、N20濃度并計(jì)算3種氣體的排放速率。CH4、C02、N20排放累積量：將相鄰2次的氣體排放速率均值乘以相鄰2次的天數(shù)，即某一時(shí)間段的氣體排放累積量，再依次相加各時(shí)間段的氣體排放累積量。

（5）溫室氣體排放當(dāng)量：以C02作為參考?xì)怏w，根據(jù)CH4、N20在100a尺度上相對(duì)C02的增溫潛勢(shì)：C02為1，CH4為25，N20為298，轉(zhuǎn)換成C02的等效量，以CO2e／干物質(zhì)質(zhì)量計(jì)算，g·kg-1。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS26.0分析軟件進(jìn)行方差分析[One-wayANOVA，Dunnett'S t-test（2-sided）]，LSD法檢驗(yàn)處理組間的均值差異顯著性。應(yīng)用Excel 2021進(jìn)行制圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同熱解溫度生物炭對(duì)羊糞堆肥高溫累計(jì)時(shí)間與積溫的影響

由表2可知，羊糞堆肥CK處理堆溫初次達(dá)55℃的時(shí)間為8.33d、BC450處理為6.67d、BC650處理為3.66d，CK處理堆溫55℃以上的累計(jì)時(shí)間為31.00d、BC450處理為15.33d、BC650處理為21.33d，3個(gè)處理的堆溫均達(dá)到了衛(wèi)生合格標(biāo)準(zhǔn)與腐熟條件要求，并且不同處理堆溫初次達(dá)55℃時(shí)間及55℃以上累計(jì)時(shí)間的差異均達(dá)顯著水平（Plt;0.05）。另外，3個(gè)處理在堆制后7～15d，堆肥積溫已接近10000℃·h，滿(mǎn)足堆肥穩(wěn)定化要求。

2.2不同熱解溫度生物炭對(duì)堆肥腐熟指標(biāo)變化的影響

2.2.1對(duì)NH4-N/N03-N與T值的影響

圖1結(jié)果表明，CK處理的NH4-N/N03-N比值在堆肥第37天達(dá)腐熟度推薦值0.16，BC450處理在堆肥第27天、BC650處理在堆肥第21天就達(dá)到了腐熟度推薦值（圖1a）；由圖1b可知，CK、BC450、BC650處理的T值分別在堆肥第40、34、27天達(dá)到腐熟度推薦值0.7。

2.2.2對(duì)EC值與種子發(fā)芽指數(shù)的影響

EC值越小，表示堆肥體越趨于腐熟與穩(wěn)定。圖2a結(jié)果表明，CK處理的EC值最高、BC450處理其次、BC650處理的EC值最小。由圖2b可知，堆肥第21天，BC650處理的種子發(fā)芽指數(shù)已符合完全腐熟度推薦值80%，而B(niǎo)C450、CK處理尚低于80%，BC450、CK處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別在堆肥第34、37天達(dá)到腐熟度推薦值。

2.3不同熱解溫度生物炭對(duì)堆肥過(guò)程溫室氣體排放的影響

2.3.1對(duì)CH4排放速率及排放累積量的影響

由圖3a可知，羊糞堆肥過(guò)程中不同處理的CH4排放速率在堆肥1～15d差異較小，堆肥16～43d，不同處理之間的CH4排放速率由大到小依次為CK、BC450、BC650處理，從而表現(xiàn)為堆肥43d后，3個(gè)處理的CH4排放累積量由高到低依次為CK、BC450、BC650（圖3b），且差異達(dá)顯著水平（Plt;0.05），與CK處理相比，BC450、BC650處理的CH4排放累積量分別降低了23.35%、59.11%。

2.3.2對(duì)C02排放速率及排放累積量的影響

圖4a結(jié)果表明，3個(gè)處理在堆肥1～15d，C02排放速率由大到小依次為BC650、BC450、CK處理，在堆肥16～43d，C02排放速率由大到小依次為CK、BC450、BC650。由圖4b可知，堆肥43d后，BC450與BC650處理的C02排放累積量顯著小于CK處理（Plt;0.05），但BC450、BC650處理之間無(wú)顯著差異，與CK處理相比，BC450、BC650處理C02排放累積量分別顯著降低了17.41%、27.99%（ Plt;0.05）.

2.3.3對(duì)N20排放速率及排放累積量的影響

羊糞堆肥過(guò)程中N20排放速率動(dòng)態(tài)變化特征見(jiàn)圖5a，綜合整個(gè)堆肥過(guò)程的N20排放速率，與CK處理相比，添加生物炭處理提高了堆肥過(guò)程N(yùn)20排放速率，因此BC450、BC650處理的N20排放累積量大于CK處理（圖Sb）；堆肥43 d時(shí)，3個(gè)處理的N20排放累積量由高到低依次分別為：BC450、BC650、CK，與CK處理相比，BC450、BC650處理的N20排放累積量分別提高了89.38%．69.41%，BC450、BC650處理之間差異不顯著（Pgt;0.05）。

2.4羊糞堆肥過(guò)程溫室氣體排放的綜合溫室效應(yīng)及減排潛力分析

由表3可知，與CK處理相比，BC450、BC650處理的綜合溫室效應(yīng)分別降低了6.56%、24.36%，不同處理之間差異達(dá)顯著水平（Plt;0.05）；BC650處理各溫室氣體排放等同CO：當(dāng)量均小于BC450處理，其中CH4、C02排放等同當(dāng)量的差異性達(dá)顯著水平（Plt;0.05），而N20排放等同當(dāng)量的差異性不顯著（Pgt;0.05）。3個(gè)處理的C02排放對(duì)綜合溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)均表現(xiàn)為最大，CK處理CH4排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)占綜合溫室效應(yīng)比例高于N20，而B(niǎo)C450、BC650處理CH4排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)占比則低于N20。

進(jìn)一步探討堆肥過(guò)程溫室氣體減排潛力，根據(jù)不同處理達(dá)到腐熟度標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間周期及其對(duì)應(yīng)的溫室氣體綜合溫室效應(yīng)分析結(jié)果（圖6），CK處理第40d的綜合溫室效應(yīng)為34.90g·kg-1、BC450處理第34d的綜合溫室效應(yīng)為29.65g·kg-1、BC650處理第27d的綜合溫室效應(yīng)為21.84g·kg-1；BC450、BC650處理達(dá)到腐熟度推薦值所需的時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生的綜合溫室效應(yīng)分別較CK處理降低了15.04%、37.42%?？梢?jiàn)，若堆肥體達(dá)到腐熟度標(biāo)準(zhǔn)立即終止堆肥進(jìn)程，即通過(guò)縮短堆肥周期可有效促進(jìn)堆肥體溫室氣體減排。

3討論

眾多研究表明，生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)及比表面積，可為堆肥體中的微生物的擴(kuò)繁與增殖提供良好的場(chǎng)所并增強(qiáng)微生物活性，通過(guò)吸附作用不僅可以降低堆肥中NH;-N含量、減少堆肥氨揮發(fā)的產(chǎn)生，還能促進(jìn)NH 4-N向N03-N轉(zhuǎn)化，加速有機(jī)物料好氧發(fā)酵的無(wú)害化與穩(wěn)定化進(jìn)程。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與CK處理（不添加稻殼生物炭）相比，羊糞堆肥過(guò)程添加450、650℃熱解的稻殼生物炭，促進(jìn)了堆肥快速進(jìn)入高溫階段（gt;55℃），縮短了堆肥體NH4-N/N03-N、T值、EC值及種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到腐熟度推薦值所需的時(shí)間，與前人相關(guān)研究結(jié)論一致；另外，650℃熱解的稻殼生物炭比450℃熱解的稻殼生物炭具有更豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、更發(fā)達(dá)的比表面積及更強(qiáng)的吸附能力，從而表現(xiàn)為堆肥過(guò)程中添加650℃熱解的稻殼生物炭對(duì)羊糞腐熟的正向促進(jìn)作用優(yōu)于450℃熱解的稻殼生物炭處理。

CH4、C02、N20等氣體是堆肥過(guò)程不可避免的外排產(chǎn)物，目前，對(duì)于有機(jī)廢棄物自然生物降解產(chǎn)生C02的溫室效應(yīng)計(jì)算方法尚存在爭(zhēng)議，有學(xué)者認(rèn)為堆肥中C02產(chǎn)生于微生物的呼吸，可不計(jì)人對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。作者認(rèn)為，本試驗(yàn)研究對(duì)象為堆肥系統(tǒng)，對(duì)于一定體量的物料在堆肥作用下產(chǎn)生的氣體排放都是“固態(tài)碳匯”向“氣態(tài)碳源”的轉(zhuǎn)化，并且導(dǎo)致堆肥產(chǎn)品品質(zhì)的下降；并且本試驗(yàn)結(jié)果表明不同處理各溫室氣體排放量等同C02當(dāng)量及綜合溫室效應(yīng)的差異均達(dá)顯著水平，說(shuō)明與CK處理相比，添加稻殼生物炭對(duì)堆肥系統(tǒng)不同溫室氣體的排放具有顯著的影響，為此，本研究將C02納入了溫室氣體排放綜合效應(yīng)的計(jì)算范圍。表3結(jié)果顯示，BC450、BC650處理的綜合溫室效應(yīng)分別較CK處理顯著降低了6.56%、24.36% （Plt;0.05），并且BC650處理各溫室氣體排放等同C02當(dāng)量均小于BC450處理；羊糞堆肥中添加稻殼生物炭，產(chǎn)生CH4、C02及N20排放的易降解含碳或含氮底物被稻殼生物炭吸附固定，因BC650生物炭具有更發(fā)達(dá)且豐富的孔隙結(jié)構(gòu)與比表面積，其對(duì)易降解碳氮養(yǎng)分的附吸作用強(qiáng)于BC450生物炭，從而表現(xiàn)為BC650處理的綜合溫室效應(yīng)顯著低于BC450處理（Plt;0.05）。另外，表3結(jié)果還顯示，羊糞堆肥過(guò)程添加稻殼生物炭顯著降低了堆肥體CH4與C0：排放、提高了N20的排放（Plt;0.05），由于稻殼生物炭對(duì)羊糞堆肥中C02與CH4氣體的減排幅度大于N20氣體的增排幅度，所以堆肥綜合溫室效應(yīng)表現(xiàn)為減排的趨勢(shì)。一般認(rèn)為堆肥過(guò)程中N20的排放與氮素礦化、硝化與反硝化作用密切相關(guān)，堆肥體中添加生物炭可以改變堆肥溫度、pH值、含氧量及易降解氮素含量，進(jìn)而影響與N20產(chǎn)生相關(guān)的功能微生物。本試驗(yàn)結(jié)果表明，羊糞堆肥體N20排放主要在堆肥后第12天開(kāi)始，此時(shí)CK處理的堆溫高于BC450、BC650處理，并且維持在60℃以上，而添加稻殼生物炭處理的堆肥溫度卻逐漸下降且低于60℃。CK處理的高溫環(huán)境抑制了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，易降解氮素養(yǎng)分主要以NH3形式損失，N20產(chǎn)生量較低；而添加稻殼生物炭處理的堆肥不僅溫度適宜硝化作用，稻殼生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)還為硝化細(xì)菌的擴(kuò)增提供了一個(gè)相對(duì)適宜的環(huán)境，并且提高了堆肥體氧氣的相對(duì)含量，因此提高了BC450、BC650處理的硝化作用，從而增加了N20排放。

4結(jié)論

（1）添加450℃（BC450）、650℃（BC650）熱解的稻殼生物炭，促進(jìn)了羊糞堆肥快速進(jìn)入高溫階段（gt;55℃），縮短了堆肥體NH4-N/N03-N、T值、EC值及種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到腐熟度推薦值所需的時(shí)間，與CK處理（不添加稻殼生物炭）相比，BC450、BC650處理的堆肥腐熟周期分別縮短了15.0%、32.5%。

（2）羊糞堆置43d后，BC450、BC650處理的綜合溫室效應(yīng)較CK處理分別顯著降低了6.56%、24.36%，且BC650處理綜合溫室效應(yīng)比BC450處理顯著降低了19.05% （Plt;0.05）；綜合不同處理達(dá)到腐熟度推薦值所需時(shí)間，通過(guò)縮短羊糞堆肥周期，BC450、BC650處理的綜合溫室效應(yīng)減排潛力分別可達(dá)15.04%、37.42%。

（3）羊糞堆肥工程中添加稻殼生物炭有利于促進(jìn)羊糞堆肥腐熟及溫室氣體減排，建議優(yōu)選650℃制備的稻殼生物炭。