添加生物炭对鸡粪好氧堆肥过程中养分转化的研究

2019-10-25吴晓东邢泽炳何远灵张瑞卿谷晓霞

中国土壤与肥料 2019年5期

吴晓东，邢泽炳，何远灵，张瑞卿，谷晓霞

（山西农业大学工学院，山西太谷 030801）

随着我国畜禽养殖业呈现出区域化经营的特点［1］，造成了畜禽粪便的大量堆积，根据国家环境保护总局调查，2015年我国畜禽粪便的产出量已超过45亿t［2］，大量的粪污造成了严重的污染［3］。鸡粪中含有丰富的N、P、K等植物营养成分，是农业生产中重要的肥料资源，因此，对鸡粪的资源化利用是非常必要的。而堆肥是解决粪便无害化和资源化处理的重要途径［4］，但是在堆肥过程中不可避免会造成氮素的损失。据相关研究者统计，堆肥过程中氮素损失范围在16%～76%之间［5］，氮素的损失会造成堆肥产品肥效的降低，而且会造成环境污染。

研究表明，以生物炭为堆肥添加剂可以有效［6-7］减少氮素损失，国外有关学者［8-9］也发现生物炭能够有效降低氨气的排放，有效提高氮素固定率，进而控制氮素损失。但是，由于生物质原材料的不同，制备出的生物炭差异显著。柠条是一种广泛种植于山西、陕西北部和内蒙古的防风固沙灌丛植物，而平茬以后产生大量的废弃生物质，通过炭化可以开发这种生物质的利用价值，且用柠条制备的生物炭不但具有大量的孔结构，以微孔（5 mm以下）结构为主，比表面积大，碘吸附值高［10］，而且它对氮气的饱和吸附量可以达到350 mg·g-1。因此，柠条生物炭具备吸附材料的基本特征。在已有的报道中，竹炭、秸秆炭和木炭是堆肥中常见的生物炭添加剂［6，11-12］，柠条生物炭作为堆肥添加剂鲜有报道。因此，本试验以鸡粪和小麦秸秆粉为堆肥原材料，添加不同用量柠条生物炭进行好氧堆肥，研究生物炭对鸡粪堆肥过程中养分转化的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点及试验材料

试验在山西农业大学工学院自制大棚内进行。试验所用到的柠条生物炭是在马弗炉600℃碳化1 h所得，所用鸡粪和小麦秸秆来自山西农业大学畜牧站，柠条来自晋北定襄县王家庄人工种植3年以上枝干部分［10］。将小麦秸秆粉碎至3～5 mm作为调节剂，按照鸡粪与小麦秸秆质量比 1∶1进行堆置。调节水分为60%。堆肥原料基本性状如表1所示。

表1 堆肥原料初始性质

1.2 试验设计

本试验设对照组（CK）、A1、A2、A3、A4和A5共6个处理，各处理原料配比如表2所示。

表2 试验设计（kg）

试验采用静态堆置强制通风结合翻堆方式对鸡粪进行堆肥处理。堆肥装置如图1所示，有效容积为150 L ，并在堆肥桶上覆盖保温层。堆肥为期40 d，通风量为20 m3·h-1·t-1。分别在第 3、8、19、26、33、40 d进行翻堆取样，采样时将物料充分混匀。每天固定时间用温度计测定堆体及环境温度。

图1 堆肥装置

1.3 指标测定

水分测定采用鲜样在105℃烘干至恒重测定［13］；pH值采用PHS-3C型pH计测定，取鲜样按水样比10∶1（g·mL-1）震荡、离心后进行测定；全氮、全磷、有机质和全钾测定采用功能型土壤肥料养分检测仪（PJ-FGN）进行测定；氨气的测定采用硫酸吸收滴定法［14］。

2 结果与分析

2.1 堆体温度与含水率的变化

各处理温度变化如图2所示。各处理均经历了升温期、高温期、降温期和稳定期的温度变化。在升温阶段，微生物将堆肥物料中易降解的有机物快速分解而释放出大量的热能，使得堆体温度迅速升高［15］，对照处理和添加3%、6%、9%、12%和15%生物炭处理的升温期分别为5、4、3、3、3和4 d，随着生物炭比例的增加，各处理的升温期呈下降趋势，这说明添加生物炭能够缩短堆肥升温期，且比不添加生物炭提前了1～2 d；各处理高温期（50℃以上的天数）维持的时间分别为12、14、15、15、16和16 d，这表明各处理均达到了国家相关标准（GB 7959-87）规定的50℃以上5～7 d，且添加生物炭可以使堆肥高温期延长2～4 d；经过高温阶段后由于堆料中易分解或较易分解的有机物已大部分被分解，只剩下部分难分解的有机物（如木质素等）和新形成的腐殖质，微生物因缺乏可利用的营养物质而停止生长、活性下降，产热减少，且通风和水分蒸发会带走较多的热量，使得堆体温度下降，堆肥进入降温期。

图2 堆体温度

堆肥过程中水分变化受两方面因素影响：一方面，因有机物的氧化分解产生水分而增加，另一方面，通风和高温蒸发作用会使堆体水分下降，含水率的大小是二者综合影响的结果［6］。堆体的含水率如图3所示，一般认为，在堆肥过程中堆体水分含量在50%～70%为宜，在第8 d时，各处理的水分接近50%，而此时堆肥又处在高温期，水分蒸发加快，这会使堆体缺水，不利于物料的发酵，此时在各处理中加入适量水使堆体含水率为60%左右。由图3可知，各处理含水率总体上呈现下降的趋势，在堆肥升温期由于微生物氧化分解有机物产生水分的速率与蒸发作用损失水分的速率相差较少，因此堆体含水率下降缓慢，随着堆肥的进行易降解有机物被大量消耗，而难降解有机物（半纤维素、纤维素和木质素）又较难利用，高温及通风又蒸发掉大量水分，使堆体含水率下降加快；在堆肥结束时各处理的含水率分别为37.93%、40.95%、39.5%、41.59%、42.55%和43.47%。随着生物炭比例的增加，堆体含水率在上升，并且在整个堆肥过程中，添加生物炭处理的含水率要高于对照，其原因可能是施加柠条生物炭有利于促进有机物的降解，另一方面原因可能是生物炭具有良好的持水性。施加生物炭可以使堆体含水率下降缓慢，减少外源水分的介入，有利于堆体温度的升高。

图3 堆体含水率

2.2 堆体pH值的变化

堆体pH值的变化如图4所示，随着堆肥的进行，堆体pH值变化趋势为先上升后下降再上升最后趋于稳定。在堆肥前3 d，堆体的pH值均上升，这是由于物料降解产生的有机酸、无机酸少于氨化作用产生的氨。氨溶于水形成铵态氮，而此时硝化细菌活性低，无法将铵态氮及时转化，使得铵态氮大量累积造成的；而后随着温度的升高，积累的铵态氮以氨气的形式大量释放到空气中，造成有机物分解产生的小分子有机酸、无机酸等酸性物质相对增加，使得堆体pH值下降；随着堆肥进一步进行，小分子有机酸被分解［16］以及局部缺氧造成硝态氮的反硝化作用，堆体的pH值升高；各处理降温后期pH值有所下降，这可能是由于硝化作用的逐渐增强，硝态氮浓度不断升高造成的。当堆肥结束时，各处理的pH值在8.2～8.5之间［17］，符合我国堆肥产品腐熟的标准。

图4 堆体pH值

2.3 生物炭对堆肥过程中氨气和全氮的影响

2.3.1 生物炭对堆肥过程中氨挥发的影响

堆肥中随着氨气的挥发，氮素会大量的损失［18］。而有关研究表明，其中以NH3挥发造成的氮素损失已超过氮素损失总量的92%［19］。添加生物炭对堆肥过程中氨气挥发的影响如图5所示。由图5可知，氨气挥发呈现出先增大后减少的变化趋势，且在堆肥中添加生物炭可以降低堆肥初期的氨气释放速率，这是因为在堆肥初期堆体环境适宜，氨化细菌十分活跃，将含氮有机质分解为铵态氮并迅速积累，而后在碱性以及高温条件下铵态氮以氨气的形式挥发；到堆肥后期，由于硝化细菌活性增强，将氨态氮转化为硝态氮，氨气的挥发逐渐减少［11］。添加生物炭可以降低氨气的挥发速率，从而减少氨气的总挥发量，如添加 3%、6%、9%、12%、15%的生物炭可以分别降低氨气挥发 17.75%、31.7%、37.75%、35.19%、32.65%。

图5 堆体NH3日释放量

2.3.2 生物炭对堆肥过程全氮的影响

堆肥过程中全氮的变化如图6所示，各处理全氮质量分数呈现出先减少后增大的趋势。在堆肥初期，全氮质量分数下降是因为含氮有机物被微生物分解产生的NH3在高温以及碱性环境中大量溢出［20］，并且有机质代谢的启动相对慢，有机质分解速率低，浓缩效应还未体现造成的，随着堆肥的进行，有机质大量分解，温度升高，CO2、H2O和小分子有机酸等大量挥发，造成堆体质量降低，即使仍然伴随着大量的氮素损失，但氮素在堆体中的浓度会上升［21］，到堆肥结束时，对照和添加3%、6%、9%、12%和15%处理总氮的质量分数分别达2.65%、2.77%、2.89%、3.14%、3.11%和3.09%，各处理比堆肥前全氮质量分数增加了77.85%、83.44%、90.13%、105.23%、100.65%和98.08%，这说明在堆肥中添加生物炭可以有效减少NH3挥发引起的氮素损失。将生物炭按3%幅度递增，从堆体全氮的增加幅度发现，随着生物炭增加，生物炭添加量在 9%～12%之间的氮素损失最少。

图6 堆体全氮含量的变化

2.4 堆肥全磷和全钾的变化

磷素性质稳定，磷酸盐易被吸附，较难移动。在堆肥过程中尽管存在形态上的转化，但不会像氮素一样挥发损失掉，而随着堆肥进程的进行和总干物重的下降，各处理全磷含量总体上呈现逐步升高的趋势［22］。钾与磷一样性质稳定不易挥发，并且堆肥过程中渗滤液产生较少，因此各处理全钾变化趋势与全磷一样。如图7所示，在堆肥开始时各处理全磷含量为1.01%，到堆肥结束时，各处理全磷含量分别升高到了1.98%、1.96%、2.19%、2.26%、2.22%和1.84%；各处理全钾由堆肥初期的1.88%升高到了3.68%、3.44%、3.95%、4.12%、4.08%和3.33%。添加生物炭对鸡粪堆肥全磷、全钾的增加影响不明显，但进行堆肥处理对鸡粪中磷、钾养分具有浓缩作用。

图7 堆肥全磷和全钾含量的变化

2.5 堆肥有机质含量的变化

由图8 可知，鸡粪经过高温好氧堆肥处理后，有机质含量明显降低，且前期降解速率较快。前期由于堆体的水分及温度条件都比较适宜，微生物活动较为活跃，大量有机物主要包括可溶性糖、有机酸和淀粉被降解，生成二氧化碳和水，挥发至空气中，有机物含量迅速下降。之后，随着堆体温度的升高，微生物开始利用难降解的纤维素、半纤维素和木质素等有机物，有机质降解速度下降。生物炭在堆肥中更难降解，从而起到提高有机质含量的作用。当堆肥结束后各处理的有机质含量分别为69.98、151.12、206.53、217.11、241.36 和 263.55 g·kg-1。

图8 堆肥有机质含量的变化

3 讨论

试验结果表明，在鸡粪与小麦秸秆堆肥中，添加柠条生物炭可以促进堆肥体升温，延长高温期，其可能原因是柠条生物炭的比表面积和微孔结构一方面为微生物的繁殖提供了良好的生存环境，另一方面也有利于氧气的传输［23］，增强了微生物的活性，提高了微生物的代谢和产热能力；生物炭微孔结构能够减少热量的损失，而且生物炭是一种黑色物质［24］，能够吸收热量有利于保温和升温。此外，生物炭微孔结构对水分有较强的吸附性，减少了水分蒸发，有利于堆体温度升高。

柠条生物炭及其他生物炭对氨气都具有吸附效应［25］，其原因在于它们大量的微孔结构和巨大的比表面积［10］，这也为微生物提供了良好的生存环境，进而增加微生物的活性和数量，促进铵态氮向硝态氮和有机氮的转化［7］。相关研究表明，堆体中无机氮主要是铵态氮，而氨气挥发、被硝化细菌转化为硝态氮以及被生物固定为有机氮是造成堆体铵态氮浓度下降的主要原因［21］。铵态氮是否以氨气形式挥发主要取决于堆体温度和pH值，在堆肥高温期各处理的氨气释放速率显著增加，但由于柠条生物炭对氨气具有很好的吸附性，使得添加生物炭各处理的氨气释放速率要小于对照组。全氮是所有形态氮元素含量之和，其变化趋势为所有形态氮元素变化规律的叠加，在本研究中添加柠条生物炭各处理的全氮含量要显著高于对照组，从侧面印证了柠条生物炭在堆肥过程中有利于氨气的吸附，从而增加堆体全氮的含量。本研究表明，当生物炭添加量超过9%时，全氮质量分数的增加不显著。因此，从经济性考虑适宜的添加量为9%；生物炭对堆体中磷素和钾素影响不大，其原因是它们性质稳定，不会像氮素一样挥发掉，因此，随着堆体总干物重的减少，使得全磷、全钾含量增加；有机质是微生物赖以生存和繁殖的基础，有机质在堆肥过程中的变化可在一定程度上反映出堆肥的进程［26］。经过 40 d的堆肥过程，各处理有机质在微生物的作用下降解。而在堆肥中添加生物炭，由于生物炭的孔隙结构为微生物提供充足的氧气以及栖息环境，微生物大量利用有机质进行新陈代谢，使得堆体中的有机质含量显著下降。因此，在堆肥中添加生物炭有利于加快堆肥进程。