生物炭对鸡粪堆肥过程中氨气排放的影响

荣荣　郑育声　杨林生　方华军　李治明　张丰松

摘要：通过鸡粪与玉米叶共堆肥试验，研究小麦秸秆生物炭、稻壳生物炭对共堆肥过程中碳氮比（C/N）、铵态氮（NH4+-N）及氨气（NH3）挥发的影响。堆肥中2种生物炭分别以干质量分数的5%、10%、15%添加，結果表明，在堆肥过程中，添加3种比例的小麦秸秆生物炭处理（B1、B2、B3）、稻壳生物炭处理（B4、B5、B6）堆体的C/N减少量比对照的C/N减少量分别多0～2、2～4;NH3排放浓度较比照分别降低了63.75%、78.44%、91.50%和70.13%、80.75%、92.63%。另外，在堆体NH3排放高峰期，添加生物炭堆体的NH4+-N含量均明显低于对照，且NH4+-N含量随生物炭添加量的增加而减少。由结果可知，生物炭的添加可以降低堆肥过程中NH3的挥发并促进保氮过程，且比表面积更大的稻壳生物炭对抑制NH3排放的效果更好。

关键词：氨气排放;堆肥;生物炭;鸡粪

中图分类号： S141.4  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）03-0236-04

近年来，我国集约畜牧养殖业迅速发展，畜禽粪便排放总量约为32.6亿t[1]。畜禽粪便处置不当会导致氮、磷及重金属添加剂的面源污染，同时畜禽粪便释放的氨气（NH3）、硫化氢（H2S）等恶臭气体会严重影响空气质量，其中NH3还可以与大气中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等酸性物质中和，生成铵盐等二次颗粒物（主要是硫酸铵和硝酸铵），成为大气细颗粒物（PM2.5）形成的重要前体物，对霾的形成有重要影响。

农用是我国利用畜禽粪便的主要方式，农用前通常经过堆肥处理。而堆肥过程中会释放出大量NH3，不仅污染空气，同时造成氮损失，添加保氮除臭的微生物菌剂以及吸附性材料等可降低NH3释放量[2-3]。生物炭是由生物质在完全或部分缺氧条件下高温热解形成的一类高度芳香化的难溶性固态物质[4]。鸡粪堆肥中添加5%、10%的柳木生物炭可分别降低30%、44%的堆体NH3挥发量[5]。Chen等在鸡粪堆肥中分别添加了10%玉米秸秆生物炭、竹炭、椰壳生物炭等，发现玉米秸秆生物炭对NH3的抑制效果最好，与对照处理（0%）相比NH3挥发量降低了（24.8±2.9）%[6]。生物炭对堆肥过程中NH3的抑制效果与原材料和表面性质有关[7-8]。

我国农作物类有机废弃物年产量在8亿t以上，但其资源化利用率却不高，如何提高有机废弃物利用率也是各方关注的热点[9]。将不同作物的有机废弃物制成生物炭作为NH3抑制剂已取得良好的效果。然而，目前针对畜禽粪便堆肥过程中生物炭对NH3排放及堆肥质量的综合影响效果的研究较少。因此，本试验通过向鸡粪和玉米叶共堆肥中添加不同质量的小麦秸秆生物炭和稻壳生物炭，研究其对碳氮比（C/N）、铵态氮（NH4+-N）及氨气挥发的影响，以期为农业有机废弃物资源化利用和抑制畜禽粪便NH3排放提供理论依据和方法参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鸡粪取自北京市昌平区养鸡场，自然风干。玉米叶取自北京市昌平区农田，晾干后破碎至长为3～5 cm左右;小麦秸秆生物炭和稻壳生物炭分别购自河南誉中奥农业科技有限公司和浙江国美园艺有限公司。堆肥所用物料的基本性质如表1所示。

1.2 堆肥试验设计

堆肥试验在北京农学院堆肥场进行。堆肥槽长50 cm，宽50 cm，高100 cm，槽底部设置隔层，隔层上均匀分布直径为2 cm的通气孔若干，孔面积约为槽底面积的1/4。每个槽内装入物料30 kg。堆肥共设7个处理，将鸡粪与玉米叶按干质量比10 kg ∶ 20 kg混合为对照组（记作B0），混合物料的 C/N 预计为15～20，该比例有利于堆体NH3排放的测定[10];在对照基础上分别添加5%、10%、15%（干质量分数）的小麦秸秆生物炭（分别记作B1、B2、B3）和稻壳生物炭（分别记作B4、B5、B6）作为其他6个处理。每个处理均设3次重复。堆肥开始后8 d进行翻堆，堆肥期间每天用鼓风机连续通风，风速为0.5 L/min;定时测定堆体中心温度（深度为30 cm）和NH3排放浓度，同时测定环境温度。堆肥期间每周监测堆体含水率2次（周一、周四），调节堆体含水率为60%左右，直至堆肥结束。

1.3 样品采集与测定

堆肥试验开始后0、2、8、16、54 d，从堆体中取混合样品 1 kg （堆体内深度约为30 cm，用五点取样法即4个角落和中心位置各取1份混合），经冷冻干燥后粉碎，过200目筛，置于-20 ℃冰箱保存，用于pH值、全碳、全氮、NH4+-N 指标的测定。通过便携式气体分析仪（GA5000，Geotech，UK）测定堆体上方10 cm处的NH3浓度，堆体每日排放浓度由监测的不同时刻（02：00、06：00、10：00、14：00、18：00、22：00）浓度的平均值计算获得;在105 ℃的恒温烘箱中烘至恒质量后测得含水率;按固液比1 g ∶ 10 mL用水浸提干样，用S-3C型pH计测定滤液pH值;使用Elementar元素分析仪通过干样的燃烧测试来测定TC、TN;NH4+-N的测定用 2 mol/L KCl溶液按固液比1 g ∶ 10 mL浸提堆肥干样品，在摇床上以200 r/min的转速振荡1 h后过滤，采用靛酚蓝比色法通过可见分光光度计于波长625 nm处测定滤液吸光度。使用ASAP 2460型微孔分析仪测定生物炭比表面积和总孔孔容。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据的整理和图表的制作采用Excel 2013和SigmaPlot 10.0进行。测定结果以平均值±标准差的形式表示。

2 结果与分析

2.1 生物炭对堆体温度的影响

如图1所示，所有堆体的温度均在堆肥后2 d达到峰值（75～80 ℃），随后逐渐降低，堆肥8 d时翻堆后温度略有上升，堆肥后54 d堆体温度基本降至环境温度。在堆肥后2 d，处理B1～B6的温度均高于B0。处理B1、B2、B3处于高温期阶段（≥50 ℃）的时间分别为堆肥后12、10、11 d;处理B4、B5、B6处于高温期阶段（≥50 ℃）的时间分别为堆肥后13、14、13 d，与添加小麦秸秆生物碳的堆体相比，添加稻壳生物碳的堆体处于高温期的时间更长。

对好氧堆肥而言，堆体温度是判断堆肥腐熟程度的重要因素[11]。本次堆肥试验结果表明，各处理的温度在堆肥开始前2 d内迅速上升，在堆肥后2 d堆体温度均达到峰值，且添加不同比例生物炭的堆体温度均高于B0，其结果符合Ning等的研究结果[12]。随着堆肥过程的进行，堆体温度逐渐降低至室温，于堆肥后54 d结束，堆肥完成时间与Wang等通过猪粪与10%烟草秸秆生物炭完成50 d的堆肥时间[13]相似。在高温期，添加稻壳生物炭的处理比添加小麦秸秆生物炭的处理温度下降得更缓慢，其原因可能与稻壳生物炭的比表面积更大、保水能力更强有关，这也为微生物的生长提供了更好的条件[14-15]。

2.2 生物炭对堆体pH值的影响

如图2所示，与堆肥初期相比，堆肥结束时各处理的pH值明显增加。在堆肥后54 d，添加生物炭的堆体的pH值均高于B0，在相同生物炭添加量下施加稻壳生物炭的处理比施加小麦秸秆生物炭的处理的pH值高。

pH值是堆肥腐熟的重要指标之一，能够影响堆体内微生物的生长繁殖，在一定程度上反映堆肥腐熟进程。本试验结果表明，堆肥后期各处理的pH值均保持在8.0～9.0之间，符合堆肥腐熟的pH值范围[16]。Agyarko-Mintah等向鸡粪堆肥中加入10%鸡粪制生物炭发现，堆肥过程使堆体的pH值由7.4增至8.1，且堆肥结束后，加入生物炭的处理比对照处理（0%）的pH值高0.4[10]，本试验结果与之相似。在堆肥不同时期，处理B1～B6的pH值均大于B0，这可能由于生物炭具有一定的酸中和能力[17]，另一方面，pH值的增加也与堆肥过程中生物炭吸附一些碱性物质（如NH3）等有关。

2.3 生物炭对堆体C/N的影响

经过堆肥，所有处理的C/N均降低，且在高温期阶段，堆体的C/N下降最快。如图3所示，堆肥期间，除B1外其他添加生物炭的堆体C/N均比B0大，堆肥过程使B1、B2、B3的 C/N 分别下降了2.85、4.94、4.67，使处理B4、B5、B6的C/N分别下降了5.22、6.28、7.25，C/N下降值均大于对照（281），且添加稻壳生物炭的处理比添加小麦秸秆生物炭的处理的C/N下降幅度更大。

Agyarko-Mintah等通过向鸡粪堆肥中加入10%（湿质量分数）园林废弃物生物炭或鸡粪生物炭发现，所有处理的 C/N 在堆肥试验开始后的2 d最高，随后C/N均呈逐渐下降的趋势[10]，本试验的C/N变化趋势与其相符。在堆肥过程中，随着堆体质量损失和微生物降解作用，堆体TC减小，导致堆体C/N降低[18]。堆肥后0～2 d和8～16 d，处理B0、B1、B3的C/N波动较大，主要原因可能是堆体水分含量的变化对微生物生长代谢产生影响[19]。在相同比例下，添加稻壳生物炭的处理较添加小麦秸秆生物炭的处理C/N下降幅度更大，而C/N的降低在一定程度上反映了堆体有机质的降解速率以及堆肥的腐熟程度[20]。生物炭加入堆体后，由于其多孔特性和较大的比表面积能够为微生物的生长繁殖提供附着点，有利于微生物分解有机物[21]，从而促进了堆肥腐熟程度的提高。

2.4 生物炭对堆体NH3排放浓度的影响

如图4所示，各处理的NH3挥发均集中发生于堆肥后1、2 d，随后堆体的NH3排放浓度低于检测限。随着2种生物炭添加量增加，NH3排放浓度呈下降趋势，即NH3排放的抑制作用均增强。与对照B0相比，处理B1、B2、B3的NH3日均排放浓度分别降低了63.75%、78.44%、91.50%，处理B4、B5、B6的NH3日均排放浓度分别降低了70.13%、80.75%、9263%。由结果可知，3种比例下添加稻壳生物炭对NH3挥发的抑制作用均大于小麦秸秆生物炭。

Janczak等发现，与对照处理相比（生物炭添加量为0%），柳木生物炭添加量占畜禽粪便堆体总质量的比例为5%和10%时，堆体的NH3挥发量分别降低了30%和44%，各处理的NH3排放均集中于堆肥后前3 d[5]。本试验结果表明，各处理在堆肥后2 d时的NH3排放浓度最大，添加2种生物炭的处理其NH3排放浓度均低于B0，且NH3排放浓度随生物炭添加比例的增大而减小，与Janczak等的研究结论[5]一致。其原因与生物炭较强的吸附能力有关，另外生物炭的多孔结构和大比表面积能够为微生物的生长繁殖提供适宜的环境，提高微生物活性、繁殖率以及种群数量，使其在堆肥过程中通过生物氧化作用显著增加生物炭表面酸性基团数量，特别是羧基团，它能与NH4+结合而避免通过挥发的形式排放NH3[22-23]。另外，Chen等通过在蛋鸡粪便堆肥中分别添加湿质量分数为10%的玉米秸秆生物炭、竹炭、木本生物炭、粪便生物炭和椰壳生物炭进行堆肥试验，发现添加玉米秸秆生物炭的处理较其他处理的NH3累积排放量明显降低，与对照处理相比降低（24.8±2.9）%，且不同生物炭的比表面积与抑制NH3排放的能力呈显著正相关关系[6]。本试验发现，在相同生物炭添加比例下，使用稻壳生物炭的处理均比使用小麦秸秆生物炭的处理抑制NH3挥发的效果好，可能是由于稻壳生物炭比小麦秸秆生物炭具有更大的比表面积（表1），较大的比表面积提高了生物炭的表面吸附能力，使其更容易捕获气体分子和利用含氧官能团结合溶液中的NH4+[24]。

2.5 生物炭对堆体NH4+-N含量的影响

堆肥中的NH4+是NH3挥发的直接来源，并且在NH3挥发强度较高时期，NH4+-N是堆肥中无机氮的主要存在形式，在堆肥初期，物料中大量易分解的有机物可为微生物的生长、繁殖提供充足的营养，有机氮快速分解而产生大量 NH4+-N，而此时硝化细菌活动程度相对较弱，无法及时将NH4+-N转化为硝态氮，从而加剧了NH4+-N的累积[25-26]。如图5所示，在堆肥后0、2 d，各处理的NH4+-N含量最高，堆肥后8 d NH4+-N含量明显降低，在高温期阶段，NH4+-N含量變化幅度最大，堆肥后期各处理的NH4+-N含量变化不明显。在堆肥后2 d，处理B1～B6的NH4+-N含量均低于B0，且NH4+-N含量随2种生物炭添加量增大而减少。在堆肥后0、2 d，在各处理中B0的NH4+-N含量最高，分别为127.88、220.90 mg/kg;而在堆肥后8、54 d，与其他处理相比，B0的NH4+-N含量最低，分别为20.88、9.49 mg/kg。

Chen等發现，向鸡粪堆肥中分别添加10%竹炭、木炭或玉米秸秆生物炭后，堆体在堆肥期间的NH4+-N含量均显著低于对照（0%），且各处理的NH4+-N含量均在堆肥后 1 d 达到最高值，随后由于NH3挥发作用和硝化作用，NH4+-N 含量逐渐降低至稳定值[6]。本试验结果表明，在堆肥后 2 d，对照处理的NH4+-N含量最高，且在相同生物炭添加量下，使用稻壳生物炭的处理其NH4+-N含量比使用小麦秸秆生物炭的低，这与稻壳生物炭具有更大的比表面积和较强的吸附能力有关，稻壳生物炭比小麦秸秆生物炭的比表面积高 61.49%（表1），生物炭表面含有丰富的羧基和酚羟基等酸性官能团，这些酸性官能团能通过离子键与堆体中的NH4+紧密结合，使堆肥中可测得的非结合状态下的 NH4+-N 含量降低，从而降低NH3的产生和排放量[27-29]。另外，生物炭的多孔特性和大比表面积能够为微生物的生长繁殖提供附着点，从而促进堆肥中微生物代谢，使微生物通过生物氧化作用在生物炭表面形成更多的酸性基团，NH4+通过与酸性基团结合可避免NH3的挥发[23]。在Meng等的研究中，向污泥堆肥加入1%、3%、5%蔗糖后，堆肥后期堆体NH4+-N含量逐渐高于对照（0%）[30]，本试验同样发现，在堆肥8 d至堆肥结束时，添加生物炭处理的NH4+-N含量均大于对照，可能与堆肥后期硝化作用加强，使堆体中生物炭吸附的NH4+逐渐被解吸出来有关。

3 结论

本试验发现，添加稻壳生物炭和小麦秸秆生物炭促进堆肥过程中C/N的下降，与对照堆体C/N减少量相比，小麦秸秆生物炭和稻壳生物炭使堆肥过程中堆体的C/N减少量分别增加0.04～1.86和2.41～4.44，添加稻壳生物炭比小麦秸秆生物炭处理的C/N下降幅度大。在堆肥前期，添加5%、10%、15%的小麦秸秆生物炭和稻壳生物质炭均能够减少堆体中的NH4+-N含量和NH3排放;与对照组B0相比，B1～B6的NH3排放浓度分别降低 63.75%、78.44%、91.50%、70.13%、80.75%、92.63%，比表面积更大的稻壳生物炭抑制NH3挥发的效果更好。

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