黏土矿物和化学添加剂对牛粪堆肥过程氮素固持的影响

郜斌斌，王 选，常瑞雪，陈 清



黏土矿物和化学添加剂对牛粪堆肥过程氮素固持的影响

郜斌斌1，王 选2，常瑞雪1，陈 清1※

（1. 农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北省节水农业重点实验室，中国科学院农业水资源重点实验室，石家庄 050021）

为对比分析在等质量添加下，不同化学和黏土矿物添加剂对氮素保存能力的差异，以鲜牛粪为主料，玉米秸秆为辅料，分别添加质量分数2.5%的化学物质（氧化钙、氧化镁、硫酸亚铁、明矾）或黏土矿物（蛭石、沸石、麦饭石、膨润土）作为添加剂进行为期35 d的堆肥试验，研究其对堆肥过程氮素损失和理化特性的影响。结果显示：各处理在50 ℃以上的高温期持续了10 d以上，达到粪便无害化标准（GB 7959-2012）。和对照相比，添加氧化钙和氧化镁未对氨挥发和总氮损失产生明显影响，添加硫酸亚铁和明矾分别降低氨挥发43.7%、30.0%和总氮损失33.8%、26.5%；添加蛭石、沸石、麦饭石和膨润土分别降低氨挥发24.4%、29.9%、7.1%和20.1%，降低总氮损失15.4%、22.9%、2.2%和13.4%。所有添加剂均未对堆肥过程EC值变化产生明显影响，添加氧化镁明显提高了堆体pH值，堆肥结束时pH值为9.36，使堆肥未达到基本腐熟水平（发芽率指数GI>50%），其他处理对pH值影响较小，且可以达到基本腐熟。综上，硫酸亚铁和明矾对氮素保存的效果优于黏土矿物，但黏土矿物价格低廉，在实际应用中可根据需求选择添加剂类别。

粪；堆肥；氮素损失；化学物质；黏土矿物

0 引 言

近年来中国畜禽养殖规模不断扩大，集约化程度不断提高，据统计[1]，中国2013年主要畜禽粪便产生量达6.23亿t，所含氮、磷、钾养分分别达当年农业氮、磷、钾肥施用量的48.3%、37.5%、123.4%，其中牛粪占畜禽粪便总量的25%，肥料化利用潜力巨大。好氧堆肥技术是在微生物作用下通过高温发酵使畜禽粪便转化为含有大量可被植物吸收利用的有效态氮、磷、钾养分和腐殖质的腐熟肥料，实现畜禽粪便的无害化和安全化处理过程[2]。堆肥农用可以在提高作物产量的同时，改善土壤物理化学性质，提高农产品品质。但是畜禽粪便堆肥过程中较高的氮素损失会降低肥料的养分含量，研究表明，畜禽粪便与秸杆、锯屑等联合堆肥时氮素损失量可以达到进料总氮的16%～76%[3]。好氧高温堆肥过程中氮素的损失问题限制着堆肥技术的发展，也是学者们研究的热点。

堆肥过程氮素损失受堆肥过程温度、含水量、pH值和物料性质等因素影响[1]。近年来，大量研究尝试通过添加化学和黏土矿物添加剂来达到减少堆肥过程氮素损失的目的。李冰等[4]在猪粪稻草堆肥过程中添加化学物质硫酸铝、氯化钙、磷酸和过磷酸钙处理，能相对减少氨挥发40%以上，而硫酸钙和硫酸处理减排效果相对较小，只能减少氨挥发15%～25%左右。江滔等[5]综合比较了磷酸+氧化镁、过磷酸钙和磷酸3种氮素原位固定剂在猪粪玉米秸秆堆肥过程中对氮素损失的控制，结果表明氨挥发减排分别为55.4%、37.5%和12.4%，磷酸处理效果较差，而且堆肥也未能彻底腐熟。罗一鸣等[6]在室外试验条件下研究得出，一定比例的沸石添加剂可减少鸡粪高温堆肥氨挥发损失达26.9%，特别是在堆肥高温期降低氨挥发速率效果明显，起到良好的除臭保氮效果。Turan等[7]研究结果显示珍珠岩、蛭石、浮石和沸石可分别降低家禽粪便堆肥过程氨挥发26.4%、41.7%、63.9%和77.8%。化学盐类物质和吸附类黏土矿物是研究较为广泛的保氮添加剂，然而不同试验堆肥原料和堆肥反应条件差异较大，无法准确综合比较2类添加剂的保氮能力和系统分析不同添加剂的保氮机制差异。

本文选用化学物质氧化钙、氧化镁、硫酸亚铁、明矾，以及黏土矿物蛭石、沸石、麦饭石、膨润土，研究其对堆肥过程氮素损失和氮素形态转化，以及堆肥进程和理化性质的影响，对比分析在等质量添加下，不同化学和黏土矿物添加剂对氮素保存能力以及机制的差异，以期为中国畜禽粪便的低氮损失肥料化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

堆肥试验所用物料为鲜牛粪和青贮玉米秸秆，取自石家庄市栾城区鼎源牧业奶牛场，玉米秸秆切成1～5 cm左右的小段。所用化学添加剂：氧化钙（CaO）、轻质氧化镁（MgO）、明矾（KAl(SO4)2·12H2O）、硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）买自国药分析纯试剂；所用黏土矿物：蛭石、沸石、麦饭石、膨润土均为市售。文中共进行添加化学物质或黏土矿物的2批堆肥试验，添加化学物质的堆肥原料理化性质为：牛粪pH值7.80、EC值985S/cm、总氮（TN）11.91 g/kg、总有机碳（TOC）288 g/kg、含水率69.78%；秸秆pH值4.18、EC值939S/cm、TN 12.05 g/kg、TOC 574 g/kg、含水率45.3%。添加黏土矿物的堆肥原料理化性质为：牛粪pH值7.48、EC值1023S/cm、TN 8.79 g/kg、TOC 181 g/kg、含水率73.06%；秸秆pH值5.66、EC值2 203S/cm、TN 13.35 g/kg、TOC 572 g/kg、含水率40.38%。

1.2 试验设计与分析方法

1.2.1 试验设计

每批堆肥试验设置5个处理，堆肥原料按牛粪15 kg、秸秆10 kg，即鲜质量比3:2混合；添加剂风干粉碎过60目筛，添加量是物料干质量的2.5%，即0.25 kg。以不加添加剂的堆肥为对照组（CK），试验设计如表1所示。

表1 试验设计

1.2.2 堆肥方法

本试验在石家庄中科院农业资源研究中心栾城试验站内进行。采用50 L不锈钢、密闭反应器堆肥（如图1）；通气量由转子流量计按照0.5 L/min每千克干物料质量控制；每天10:00和16:00在出气口处用2%硼酸溶液吸收氨气，吸收持续时间为堆肥前期0.5～1 h，后期2～10 h，通过平均值计算氨气每天产生量。

本文堆肥周期为35 d，在第0、3、7、10、14、21、28、35天时翻堆并取样，一份存放于零下20 ℃的冰箱中，用于pH值、EC值、含水率、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、种子发芽率指数（germination index，GI）的测定；一份自然风干后粉碎过1 mm筛，用于TOC、TN的测定。

1.空气泵 2.流量计 3.保温层 4.堆肥物料 5.温度传感器 6.洗气瓶 7.数据采集电脑

1.2.3 分析方法

堆肥过程中堆体温度由连接至电脑的温度传感器监测，传感器位于堆体正中央，每1 h自动记录1次。氨气在出气口处用2%硼酸溶液吸收、标准酸滴定的方法测定。GI的测定采用10 g堆肥鲜样加100 mL去离子水，在摇床上（25 ℃、200 r/min）震荡30 min，过滤得到提取液后，取5 mL于垫有滤纸的9cm培养皿中，均匀撒10个水萝卜种子，在25 ℃下恒温培养48 h后测定，以加去离子水的培养为对照，参照文献中公式计算[8]，GI（%）=（处理发芽种子数×处理种子总根长）/（对照发芽种子数×对照种子总根长）×100%。

取上述提取液用校准过的pH计和电导率仪测定pH值和EC值。物料含水率在105 ℃下烘干至质量不变后计算得到。TOC和TN参照有机肥料农业标准（NY 525-2012）测定。NO3--N和NH4+-N用2 mol/L氯化钾以固液比1∶10浸提后，采用德国SEAL流动分析仪（AA3型）测定。氮素损失参照文献中的方法计算[9]。每个样品指标均进行3次重复性分析，采用Microsoft Excel2013软件进行数据处理和图表制作。

2 结果与分析

2.1 堆体温度的变化

堆肥过程中不同处理堆体温度变化曲线如图2a、2b所示，堆体中的有机物被微生物降解并产生高温，所有处理的温度均在第1天内升温到了50 ℃以上。各处理温度的变化趋势基本相同，均经历了升温期、高温期、降温期以及腐熟期4个阶段。整个堆肥期间，各处理在50 ℃以上的高温期均持续了10 d以上，达到了粪便无害化标准（GB 7959-2012）。

在堆肥第1周期间，CaO处理的堆体温度略高于其他处理，研究表明CaO在低量添加时能通过防止pH值降低并提供适量的钙离子提高堆肥过程微生物的代谢活性，加快了有机物的分解和热能的产生[10]，另外CaO遇水发生放热反应也可能使堆体温度升高[11]；MgO处理堆体温度低于对照3～8 ℃，尤其是在第3天翻堆后温度下降较快，一般认为堆肥过程最适的pH值范围为7～8[12]，添加MgO明显提高了堆体pH值，抑制了堆体微生物活性，造成堆体有机物的分解减缓、热能产生减少。其他化学物质或黏土矿物处理均对温度没有明显的提高或降低作用。

图2　化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程温度的影响

2.2 堆体pH值、EC值的变化

pH值是堆体微生物活性和氨气挥发的主要影响因素，不同处理堆体pH值的变化见图3a、b，随着堆肥进行，MgO处理堆体pH值先略微下降后逐渐升高，其他处理堆体pH值整体呈现先下降后升高，然后再下降并趋于平稳的变化趋势。堆肥反应第1周，堆体物料中的有机质在高温环境下被微生物快速分解，产生了铵态氮，导致pH值上升，之后由于氨气的挥发以及有机酸的产生，堆体pH值开始逐渐下降[9]。

和对照相比，添加CaO在堆肥前期提高了堆体0.5～0.7个pH值单位，但是在堆肥结束时并未对pH值产生影响；添加MgO显著提高了堆体pH值，在堆肥前期比对照提高了2.1个pH值单位，在堆肥结束时提高了1.4个pH值单位；添加FeSO4在堆肥第1周未对pH值产生影响，在堆肥第2周结束时开始降低堆体pH值，最终降低了0.63个pH值单位；添加AlK(SO4)2在堆肥开始时降低堆体1个pH值单位，在堆肥结束时降低了堆体0.75个pH值单位。

CaO和水反应生成氢氧化钙，在堆肥第1周提高了pH值，随后氢氧化钙与堆体二氧化碳反应生成了碳酸钙使堆体pH值下降，最终与对照保持了一致。MgO为碱性氧化物，其水溶液呈强碱性使堆体的pH值升高。FeSO4中的二价铁离子在堆肥第1周被氧化为三价铁之后，三价铁离子水解产生氢离子使堆体pH值降低。KAl(SO4)2处理的变化是三价铝离子水解的结果，铝离子可能被磷酸根离子沉淀形成磷酸铝[13]，随着铝离子被消耗其对pH值的影响也逐渐减弱。

图3 化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程pH值的影响

添加黏土矿物对堆体pH值的影响较小，这和前人的研究结果基本一致[7,14-16]。

电导率（EC值）反映堆体离子总浓度的大小，是判断堆肥是否腐熟的必要条件[17]。不同添加剂对堆肥过程中EC值的影响见图4a、4b，整体呈现出先下降后上升，然后趋于稳定的趋势；在堆肥前两周氨气大量逸出、各种矿物盐离子沉淀引起EC值下降[18]，之后随着微生物对有机物的降解，堆体质量下降、浓缩，而且各种有机酸的产生导致堆体EC值升高。

堆肥结束时，和对照相比，添加MgO、FeSO4、KAl(SO4)2分别提高堆体EC值257、357、339S/cm，这可能是因为堆体的浓缩和金属阳离子的溶出；添加CaO在堆肥中期降低了堆体EC值约300～500S/cm，但堆肥最后一周EC值开始上升，至堆肥结束时只比对照低93S/cm，这可能是钙离子将各种盐离子沉淀，腐熟期又有部分离子溶出的结果。

添加沸石在第14～28天期间降低了堆体EC值，在堆肥结束时，各处理CK、蛭石、沸石、麦饭石、膨润土的EC值分别为：948，1135，907，932，1 040S/cm，添加黏土矿物对堆体EC值影响较小。

图4 化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程EC值的影响

2.3 总有机碳的变化

如图5a、b所示，不同处理堆体总有机碳（total organic carbon，TOC）含量的变化趋势基本相同，在第3天有所升高，随后开始逐渐下降。堆肥结束时添加CaO处理的TOC和初始相比减少16.5%。添加CaO可通过调节pH值并提供适量钙离子来提高堆肥过程微生物活性，从而促进有机碳的降解[6]；Wong等[19]在污泥堆肥过程添加石灰也观察到了较高的有机碳降解。其他化学或黏土添加剂对堆体有机碳含量的影响较小。

图5 化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程总有机碳的影响

2.4 氮素含量的变化

2.4.1 氨气挥发速率及总量的变化

不同处理氨气挥发速率以及累积挥发总量如图6a、6b所示。从图6a、6b中可以看出，氨气大量挥发主要出现在堆肥的第1周，尤其是在堆肥升温之后的第2天和第3天翻堆之后的第4天；在第7天翻堆之后，堆体氨气挥发速率只出现了一个很小的峰值，说明氨气挥发已经趋于结束；在堆肥高温期，微生物将堆体的大量有机物分解，产生铵态氮，然后铵态氮在高温和高pH值的环境下，转化为氨气释放出来，随后铵态氮逐渐耗竭，以及堆体温度和pH值的下降，微生物活性的降低，氨气挥发速率也相应降低[20]。

图6 化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程氨气挥发速率及累积挥发量的影响

除了对照在第3天和CaO、FeSO4处理在第4天外，其他处理均在第2天检测到了氨气挥发速率的最高峰；这说明添加CaO和FeSO4的堆体氨挥发具有滞后性，这可能是CaO与水反应生成的氢氧化钙具有腐蚀性，抑制了微生物活性的增长速率；硫酸亚铁铵复盐的生成固定了铵态氮，延迟了氨挥发速率高峰时间的到来；对照组由于没有添加保氮剂，氨气挥发在持续上升，而不能理解为滞后。

堆肥结束时，和对照相比，FeSO4、KAl(SO4)2处理氨气挥发总量分别减少43.7%、30.0%，添加CaO的处理略微促进了氨挥发，促进1.4%，添加MgO略微降低氨挥发，降低3.4%；添加CaO虽然在堆肥结束时，对pH值影响不大，但在堆肥第1周，提高了堆体pH值约0.6～0.7个单位，更高的温度和pH值，促进了氨气挥发，但是增加量并不多，Moore等在家禽粪中添加Ca(OH)2处理也没有观察到氨挥发的明显增加[21]。添加MgO虽然明显提高了堆体pH值，但是堆体有机物降解产生的铵根离子，与镁离子和磷酸根离子一起发生了鸟粪石结晶反应，导致铵态氮被固定，并没有明显增加氨气挥发[9]。FeSO4和KAl(SO4)2的添加显著降低了堆体的pH值，因此抑制了铵态氮向氨气的转化，降低了氨气挥发[20]；而且堆体中铵根离子能与FeSO4反应生成稳定的硫酸亚铁铵复盐，这样进一步降低了氨气挥发[22]。

2NH4++SO42-+FeSO4+6H2O→(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O

和对照相比，添加黏土矿物蛭石、沸石、麦饭石、膨润土分别降低氨挥发24.4%、29.9%、7.1%、20.1%。黏土矿物多为硅氧四面体或铝（镁）氧（氢氧）八面体结构，是层状硅酸盐矿物，单元层中由于部分硅被铝、铁等取代而具有多余的负电荷，而且它们的比表面积很大，因此具有很强的离子吸附和交换能力，可以交换吸附阳离子如铵根离子等，降低氨气挥发[23-26]。黏土矿物储量丰富、价格低廉、吸附容量大、容易再生，因而有着广泛的应用，已有学者用黏土矿物作为堆肥过程的保氮剂，并和本文取得了类似的结果[7,14-15,26]。

2.4.2 氮素损失

各处理氮素损失的情况如表2所示，不同处理总氮损失的情况和其氨挥发减排的效果基本一致，氨挥发减排高的处理，总氮损失也相应的低。和对照相比，添加CaO和MgO对氮素保存没有效果，而添加FeSO4和KAl(SO4)2减少总氮损失33.8%和26.5%。对于黏土矿物处理，添加蛭石、沸石、麦饭石、膨润土分别使总氮损失减少15.4%、22.9%、2.2%、13.4%。化学添加剂各处理铵氮损失占总氮损失的百分比除了CSFe处理较低为56.4%外，其余处理均在61.6%～63.7%之间，这说明添加FeSO4会导致其他形态氮损失的增加，如二价铁将硝态氮还原为氧化亚氮和氮气，增加了氮素损失[27]。黏土矿物添加剂各处理铵氮损失占总氮损失的百分比在58.9%～60.1%之间，差异较小。

表2 不同处理氮素损失情况

化学物质添加量少、保氮除臭效果快，但是成本较高，而且需要控制用量，用量过多会导致堆体呈酸性环境，影响堆肥的进程和腐熟；虽然黏土矿物的保氮能力略低于化学物质，但是沸石处理氮素损失减少22.9%，接近明矾处理的氮素损失减少量26.6%，考虑黏土矿物价格低廉、来源广泛，而且使用过程中无需严格控制用量，因此应用潜力更大。

2.4.3 铵态氮和硝态氮的变化

如图7a、b所示，各处理NH4+-N的含量均呈整体下降的趋势，除添加CaO和KAl(SO4)2的处理在第3天略有上升。堆肥过程中随着温度和pH值的升高，物料中的NH4+-N大部分以氨气的形式挥发，还有一部分被微生物同化和在硝化作用下转化为NO3--N，所以NH4+-N在堆肥的第1周迅速下降。

添加FeSO4和KAl(SO4)2的堆体前期NH4+-N含量非常高，这主要是低pH值抑制了NH4+-N向氨气的转化，以及生成硫酸亚铁铵复盐机制的存在；添加CaO的堆体NH4+-N也明显高于对照，这可能是该处理的氨气挥发表现为滞后性的缘故；由于本文采用2 mol/L KCl溶液作为浸提剂，不能将磷酸铵镁晶体中的NH4+-N浸提出来[28]，另一方面，高pH值促进了NH4+-N以氨气的形式挥发，因此添加MgO的堆体铵态氮NH4+-N含量略低于对照。

添加黏土矿物的堆体NH4+-N含量均高于对照，尤其是在第3天，对照NH4+-N含量降到了0.35 g/kg，而其他处理均还保持在较高水平，这是黏土矿物可以吸附NH4+-N的结果。

图7 化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程铵态氮、硝态氮的影响

从图7a、b可以看出，各处理NO3--N的含量在堆肥前期很少，几乎没有，在堆肥后期开始逐渐升高，尤其是在堆肥的最后1周。这是由于高温会抑制硝化细菌的活性，因此高温期几乎不会发生硝化作用，硝化作用主要发生在堆肥的腐熟期[29]。相比于化学添加剂，黏土矿物的添加显著提高了堆体NO3--N的含量，这可能与黏土矿物的添加促进了微生物的活性有关[30]。

综上，化学物质和黏土矿物均有较好的氨气减排效果，其中添加化学物质明显提高了前两周堆肥物料中NH4+-N的含量，而黏土矿物明显提高了堆肥物料中NO3--N的含量。这说明所选2种添加剂降低氨气排放和氮素损失的作用机制存在差异。McCrory等[31]通过研究证实酸或酸性盐等化学添加剂通过化学固定作用，促进氮素更多地以铵态氮（氨或铵）形式贮存在物料中，从而降低了堆肥过程的氮素损失。

而刘宁等[30]研究得出生物炭能直接吸附铵态氮和氨气等氮素物质，降低堆体铵态氮浓度，进而减缓氨气的挥发，与此同时，生物炭能为硝化细菌等微生物群落提供适宜的庇护场所，有利于促进硝化作用的进行和进一步抑制氨气的挥发。黏土矿物也可直接吸附铵态氮和氨气等氮素物质降低堆肥氮素损失，而且黏土矿物具有层状结构和大的比表面积，类似也可能提高了硝化细菌等微生物的活性，促进硝化作用的进行和抑制氨气的挥发。

2.5 种子发芽率指数的变化

堆肥产品的腐熟与否决定堆肥的成败，种子发芽率指数（GI）是评价堆肥腐熟度最可靠有效的指标，当GI>50%时，则可认为堆肥基本腐熟[32]，当GI>80%时，可认为堆肥完全腐熟，没有毒性[33]。

不同添加剂对GI的影响见图8a、8b，和对照相比，化学物质的添加均不同程度的降低了GI，堆肥结束时，各处理GI分别为：CK1：93.0%、CSCa：86.8%、CSMg：36.1%、CSFe：77.5%、CSAl：65.1%；添加MgO的堆肥始终未达到腐熟，这是MgO显著提高了堆体pH值的原因；添加CaO降低了堆体的EC值，可能将部分营养离子沉淀了，导致GI略低于对照；添加FeSO4和KAl(SO4)2不仅使堆体呈酸性，而且可能存在离子毒害作用，如铝毒[34]，其GI均低于对照。

图8 化学和黏土矿物添加剂对堆肥过程种子发芽率指数的影响

堆肥结束时各处理CK2、蛭石、沸石、麦饭石、膨润土的GI分别为：94.7%、131.9%、112.0%、102.5%、85.7%，和对照相比，除膨润土外，其他黏土矿物的添加均促进了GI；蛭石促进GI可能与其富含有效钾有关[35]；已有研究结果显示，沸石、麦饭石的添加会促进GI[15,18]；李荣华等[36]指出，膨润土添加比例只有在5.0%以内时GI能达到50%，且GI基本随着膨润土比例的增加而降低，这可能与膨润土电解质含量较高有关。

3 结 论

1）所有处理50 ℃以上高温期均持续了10 d以上，达到粪便无害化标准（GB 7959-2012）。所有添加剂均对堆肥过程EC值变化没有明显影响，但是添加MgO显著提高堆体pH值（pH值为9.36），其GI也因此非常低，始终未达到基本腐熟要求（GI<50%）；其他处理对pH值影响较小，且可以达到基本腐熟。

2）FeSO4和KAl(SO4)2处理分别降低氨挥发43.7%和30.0%，减少总氮损失33.8%和22.5%，CaO和MgO处理对氮素保存没有效果，但也没有明显促进氨气挥发；蛭石、沸石和膨润土处理分别降低氨挥发24.4%、29.9%和20.1%，减少总氮损失15.4%、22.9%和13.4%，而麦饭石处理对氮素保存的效果微弱。FeSO4的氨气减排效果虽然不错，但是添加FeSO4会使N2O排放量增加。虽然黏土矿物的保氮能力略低于化学物质，但沸石处理氮素损失减少22.9%，接近明矾处理的氮素损失减少量26.5%，考虑黏土矿物价格低廉、来源广泛，而且使用过程中无需严格控制用量，因此应用潜力更大。

3）化学物质和黏土矿物添加剂对氮素的保存机制存在本质差异，化学添加剂主要通过化学固定作用，促进氮素更多地以铵态氮（氨和铵）形式贮存降低堆肥氮素损失。而黏土矿物添加剂主要通过直接吸附铵态氮和氨气等氮素物质降低堆肥氮素损失；与此同时，黏土矿物的层状结构和大的比表面积能提高硝化细菌等微生物活性，促进硝化作用的进行和进一步抑制氨气的挥发。

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Effects of clay and chemical additives on nitrogen retention during cow manure composting

Gao Binbin1, Wang Xuan2, Chang Ruixue1, Chen Qing1※

(1.,,,100193,;2.,,,,,050021,)

Composting is an environmentally friendly technology to convert livestock manure to stable and nutritional organic fertilizer. However, significant N losses through NH3emission during composting reduce nutrient value and cause air pollution. Several studies attempt to decrease the nitrogen loss with additives addition, but a comprehensively assessment on N conservation efficiency of additives with different characters is lacking. In this study, chemical substances (calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), ferrous sulfate (FeSO4), alum (KAl(SO4)2),) and clay mineral (vermiculite, zeolite, medical stone, bentonite) were used in composting with cow manure and corn stalk as feedstock, with the purpose to study their potential effects on ammonia emission and compost maturity. The addition ratio of additives was 2.5% of compost material (dry weight base). The emissions of NH3and inorganic nitrogen were monitored during 35-day composting process, together with the pH, EC value, the total organic carbon and the maturity index (Germination Index, GI). Solid samples were taken at various stages (0, 3rd, 7th, 10th, 14th, 21st, 28th, 35thday) of composting. The results showed that the thermophilic phase (above 50 ℃) in all the treatment lasted more than 10 days during composting, suggesting that the product had met the requirements of harmless based the standard GB 7959-2012. Compared with the control treatment, the addition of chemical substances CaO and MgO had no effect on ammonia emission and nitrogen losses, while the addition of FeSO4and KAl(SO4)2decreased the ammonia emissions and nitrogen losses by 43.7%, 30.0% and 33.8%, 26.5%, respectively. The addition of vermiculite, zeolite, medical stone, and bentonite decreased the ammonia emissions and nitrogen losses by 24.4%, 29.9%, 7.1%, 20.1% and 15.4%, 22.9%, 2.2%, 13.4%, respectively. Little influences of different additives were found on EC value of compost products. The addition of MgO greatly increased the pH, which resulted in the germination index of the compost product lower than 50% at the end of process, while the other additives had little effect on pH changing and no influence on getting maturity after 35 days composting. In summary, the chemical substrates FeSO4and KAl(SO4)2had been considered as more superior additives to conserve nitrogen in composting process without influence on physiochemical characters and compost maturity, when compared than the other six additives. However, the clay minerals are normally cheaper than chemical substrates. So that clay minerals had a higher overall efficiency, but factories could choose different conditioners according to their requirement for the quality or for the cost in practice.

manures; composting; nitrogen loss; chemical additives; clay mineral additives

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032

S141.4

A

1002-6819(2018)-20-0250-08

2018-04-28

2018-08-09

国家重点研发计划“京津冀设施农业面源和重金属污染防控技术示范”（2016YFD0801006）；国家重点研发计划“黄淮海集约化奶牛养殖污染防治技术模式研究与示范”（2017YFD0801404）；河北省农业关键共性技术攻关专项（18226607D）；河北现代农业产业技术体系奶牛产业创新团队（HBCT2018120206）；河北现代农业产业技术体系蛋肉鸡产业创新团队（HBCT2018150209）

郜斌斌，研究方向：固体废弃物处理与资源化利用及土壤污染修复。Email：binbgao@126.com

陈 清，博士，教授，博士生导师，研究方向：设施土壤修复与面源污染防控及废弃物资源肥料化利用。Email：qchen@cau.edu.cn

郜斌斌，王 选，常瑞雪，陈 清. 黏土矿物和化学添加剂对牛粪堆肥过程氮素固持的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：250－257. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032 http://www.tcsae.org

Gao Binbin, Wang Xuan, Chang Ruixue, Chen Qing. Effects of clay and chemical additives on nitrogen retention during cow manure composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 250－257. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032 http://www.tcsae.org