花生壳生物炭用量对猪粪堆肥温室气体和NH3排放的影响

2021-05-11王义祥刘岑薇李艳春

中国农业大学学报 2021年6期

王义祥叶菁林怡刘岑薇李艳春

(福建省农业科学院农业生态研究所/福建省红壤山地农业生态过程重点实验室，福州 350013)

猪粪含有较多的氮、磷、钾及蛋白质、脂肪、有机酸、无机盐等，具有巨大的农业应用潜力。堆肥是实现猪粪等农业废弃物资源化利用最有效的途径之一，并以成本低廉、操作简单等优点得到了广泛使用。由于猪粪质地较细、自由空间小、碳氮质量比较低等原因，导致猪粪好氧堆肥过程存在周期长、氮素损失大、温室气体排放显著等问题[1]。在堆肥中添加一定比例的辅料如秸秆、生物炭等，不仅可以加速堆肥进程，而且可以减少氮素损失[2-3]。此外，堆肥过程中所产生的温室气体对气候变化的影响也不容忽视。据报道，堆肥过程会排放大量的氨气和温室气体(CO2、N2O、CH4)，如在硝化和反硝化作用下，约0.02%～9.9%的氮素以N2O的气体形式损失；因供氧不足约0.1%～12.6%的碳素以CH4气体形式排放[4]。随着全球对温室效应的关注，如何减少温室气体也是堆肥行业发展亟需解决的问题。

近年来，关于堆肥过程中温室气体减排研究的结果表明通过调控堆料初始碳氮质量比[5]、水分含量[6]以及控制翻堆频率[7]和通风量[85]、添加外源添加剂如过磷酸钙[9]等方法，可以实现温室气体减排的目的。已有研究表明不同类型添加剂可减少堆肥气体污染：Predotova等[10]研究发现在畜禽粪便堆肥中添加磷矿石可显著降低氮损失，当添加比例为33%时氮素损失减少50%；Jiang等[11]研究发现在猪粪秸秆堆肥添加双氰胺能降低76.1%～77.6%的N2O排放；Yang等[12]发现在餐厨垃圾中添加膨松剂可明显减少CH4、N2O的排放；但罗一鸣等[13]研究发现由于大多添加剂普遍成本较高或不容易获取，难以在实际生产中加以应用。生物炭是一种稳定、高度芳香化和高含碳量的固体物质，具有孔隙结构丰富、表面积大和吸附能力强的特点[14]，可开发为高效、廉价的外源添加剂，用于改善堆肥条件及提高堆肥产品的质量[15]。Chowdhury等[16]研究发现，在鸡粪堆肥中添加生物炭能减少NH3的排放，温室气体排放也减少27%～32%。但目前有关生物炭对堆肥过程中物质转化[3,17]、微生物影响[17]的研究较多，在生物炭添加对堆肥温室气体排放影响研究方面的结果不一致[13,18-19]，对不同生物炭用量产生的作用效果也缺乏进一步了解。因此，本研究拟以猪粪、菌渣为原料，研究不同生物炭添加比例对堆肥过程中温室气体排放的影响，以期为生物炭在农业废弃物堆肥中应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试猪粪采自福清某养殖场，其有机碳、全氮和全磷的质量分数分别为28.92%、1.71%和1.95%，pH 7.23。菌渣为秀珍菇菌渣，其有机碳、全氮和全磷的质量分数分别为32.01%、1.41%和1.19%，pH 7.73。花生壳生物炭利用连续式炭化炉500 ℃下高温裂解2 h下制备，其基础理化性质为有机碳、全氮和全磷的质量分数分别为566.1、10.2和2.5 g/kg，pH 9.31，碳氮质量比55.50，比表面积5.37 m2/g，孔径5.87 mm。

1.2 试验设计

试验共设计4 个处理，即生物炭添加比例分别占堆料总质量(以干重计算)的0(T1，对照)、3%(T2)、6%(T3)和9%(T4)。试验前先将猪粪与菌渣按5∶2的质量比混合，然后根据试验处理添加相应量的生物炭，充分混匀，调节堆料含水率至 50%～55%，每个处理重复3 次。堆肥前后不同处理堆料的基本性质见表1。试验利用自制的1 200 L强制通风静态反应箱进行好氧发酵，箱体大小为高120 cm、长100 cm、宽100 cm。通风方式采用时间控制法，试验用鼓风机功率为800 L/min，堆肥1～7 d，隔30 min鼓风30 min；8～25 d，隔1 h鼓风30 min；26～40 d，隔75 min鼓风30 min。试验前将数显温度计的探针埋于堆体中部(深度50 cm)用于记录堆体温度，每天3次取均值，同时记录环境温度。整个堆肥期间没有添加水分和进行翻堆处理。

1.3 取样与测定方法

于堆肥的第0、5、10、15、20、25、30、35、40天采集样品。每个反应箱内用采样器沿堆体对角线位置取5 个点，每个采样点取样200 g(鲜重)，在箱外充分混匀后四分法取样。pH采用pH计水土比(质量比)2.5∶1浸提测定，EC值采用电导率仪水土比(质量比)5∶1浸提测定[20]。温室气体CO2、CH4和N2O排放速率采用静态箱-气相色谱法测定[21]，采集温室气体气样期间关闭鼓风机。氨气排放量采用静态箱-硼酸吸收法测定[22]，堆肥过程中每隔5 d测定1次，同时记录箱内温度和环境温度，并采集环境空气样品作为空白对照。CO2、CH4和N2O排放速率计算公式如下：

P=ρ·V·(ΔC/Δt)·(273/(273+T)/m)

式中：P为被测气体排放速率，mg/(kg·h)；ρ为被测气体标准状态下的密度(CO2的为1.977 kg/m3，CH4的为0.717 kg/m3，N2O的为1.978 kg/m3)；V为取样箱顶部空间的体积，m3；ΔC为气体浓度差，μL/L；Δt为采样时间间隔，min；T为采样过程中采样箱内的平均温度，℃；m为堆料的质量，kg。根据相邻2次气体排放速率平均值和间隔时间计算在间隔时间内排放的气体总量，进而求出试验期间温室气体累积排放量[22]。

表1 堆肥前后不同处理堆料的基本性质Table 1 Properties of the materials before and after composting

1.4 数据处理

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)[23]2014年第5次报告中温室气体增温潜势的表示方法，CH4和N2O统一用CO2当量表示，其CO2当量折算系数分别为25和298。数据处理采用SPSS 19.0 软件对统计分析。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度的变化

整个堆肥过程大致可以分为4 个阶段，1～3 d为升温期，在第3天时达到最高值，各处理均在60 ℃ 以上；4～18 d为高温持续期，19～23 d为降温期，24～40 d为低温持续期。就不同堆肥处理而言，随着生物炭添加比例增加，4个处理堆温高于 50 ℃ 的天数分别为9、10、15、12 d，均达到无害化标准(图1)。温度变化的总体表现为随生物炭添加比例增加堆肥高温天数呈增加的趋势，其中T3和T4处理的高温持续天数比T1处理显著延长(图1)。

图1 不同堆肥处理温度的变化Fig.1 Temperature changes during composting of different treatments

2.2 堆肥中pH和EC的变化

图2和图3分别为不同堆肥处理pH和EC的变化。由图2可知：各堆肥处理pH均随发酵时间呈先增加后降低的趋势，0～5 d各堆肥处理pH显著增加；5～40 d逐渐下降。堆肥结束(40 d)时，T2、T3和T4处理pH分别比T1处理提高了0.09、0.10和0.13个单位，其中T3、T4处理与T1处理间的差异达到显著性水平(P<0.05)。由图3可知：T1～T4 各堆肥处理EC也随发酵时间呈先升高后降低的变化趋势，至堆肥结束时各处理EC分别增加了65.97%、66.98%、80.63%、54.87%；各处理之间的差异均达到显著性水平(P<0.05)。在整个发酵过程中，4个处理EC的大小顺序为T4>T3>T2>T1。

图2 不同堆肥处理pH的变化Fig.2 pH changes during composting of different treatments

图3 不同堆肥处理电导率的变化Fig.3 Electrical conductivity (EC) changes during composting of different treatments

2.3 堆肥过程中CO2排放的变化

由图4可知：各堆肥处理CO2排放速率变化趋势均随发酵时间呈先上升后下降的变化趋势；在堆肥第15天时达到峰值，堆肥30 d后趋于稳定(图4(a))。随着生物炭添加比例的增加，堆肥过程中CO2排放速率呈现先增后减的趋势；其中以T2处理最高，其平均CO2排放速率分别比T1处理增加12.9%，且与T1处理间的差异达显著性水平(P<0.05)。T3和T4处理平均CO2排放速率分别比T1处理降低了1.1%和5.6%，但其与T1处理间的差异不显著。就CO2累积排放量而言，堆肥前30 d的CO2排放量占整个堆肥期间CO2排放总量的93.5%～94.9%，不同堆肥处理CO2排放量的大小顺序为T2>T1>T3>T4，且T2处理CO2排放量显著高于T1、T3和T4处理(图4(b))，这也与T2处理总有机碳含量降低幅度(14.3%)最高相一致(表1)。

图4 不同堆肥处理CO2排放速率(a)和累积排放量(b)的变化Fig.4 CO2 emission rate (a) and cumulative emission (b) during composting of different treatments

2.4 堆肥过程中CH4排放的变化

由图5可知：各堆肥处理CH4排放速率随发酵时间的变化规律与CO2排放速率相似，基本呈先上升再下降的变化趋势，在第15天时各处理均达到最大值，在第20天后基本趋于零。随着生物炭添加比例的增加，堆肥过程中CH4排放速率呈现降低的趋势；其中T2、T3和T4处理平均CH4排放速率分别比T1处理降低了18.1%、43.8% 和70.3%，且T3和T4处与T1处理间的差异达显著性水平(图5(a)，P<0.05)。就CH4累积排放量而言，堆肥前20 d的CH4排放量占整个堆肥期间CH4排放总量的89.7%～95.9%；CH4排放量以T1处理最高，分别比T2、T3和T4处理增加22.1%、78.0%和236.6%(图5(b))。

2.5 堆肥过程中N2O排放的变化

由图6可知：各堆肥处理N2O排放速率均随发酵时间呈先升后降的变化趋势，其中T1、T2和T3处理以第15天时最高，T4处理以第20 天时最高；堆肥第25天后各堆肥处理N2O排放速率接近零。整个堆肥过程中平均N2O排放速率和累积排放量的大小顺序为T1>T2>T3>T4，其中T1处理与其他处理间的差异达显著性水平(图6(a)，P<0.05)，T2与T3和T4处理间的差异亦达到显著性水平(P<0.05)。就N2O累积排放量而言，堆肥前25 d的N2O排放量占整个堆肥期间N2O排放总量的98.3%～98.7%(图6(b))。

2.6 堆肥过程中氨气排放的变化

由图7可知：各堆肥处理氨气排放速率随发酵时间先增加，在堆肥第6天时达到最大值，而后逐渐下降，堆肥第15天后，氨气排放速率处于较低的水平(图7(a))。整个堆肥期间，氨气累积排放量以T4处理最低，比T1、T2和T3处理减少了29.9%、35.7%和52.1%，且T4与T1、T4与T3处理间的差异均达显著性水平(图7(b)，P<0.05)。

图5 不同堆肥处理CH4排放速率(a)和累积排放量(b)的变化Fig.5 CH4 emission rate (a) and cumulative emission (b) during composting of different treatments

2.7 温室气体排放的相关分析

相关分析表明(表2)：CO2排放速率与堆料的pH、EC、总有机碳(TOC)、全磷(TP)间具有显著的正相关性，与碳氮质量比具有极显著的负相关性。N2O排放速率与堆料的pH、EC、总有机碳(TOC)、全磷(TP)间具有显著的负相关性，与碳氮质量比具有极显著的正相关性。

2.8 温室气体累积排放效应

为了更准确评价堆肥温室气体累积排放效应，采用IPCC 2014年第5次会议报告的温室气体增温潜势表示方法进行温室效应核算，并参照《畜禽粪便腐殖化堆肥项目温室气体减排量核算技术规范》T/ZGCERIS0006—2019[24]温室气体核算边界，堆肥过程中畜禽粪便分解产生的CO2排放不计入。结果表明T1、T2、T3和T4处理CO2排放当量(以干重计)分别为63.49、59.37、56.99和55.21 g/kg，表现为随着生物炭添加比例的增加，堆肥温室气体排放量呈降低的变化趋势。若将CO2排放量计算在内的情景下，不同堆肥处理温室气体排放CO2当量的大小顺序为T2>T1>T3>T4(表3)。

3 讨论

猪粪好氧堆肥初始时，堆体中氧气和微生物活动所必需的营养元素比较充裕，好氧微生物快速繁殖，使较易分解的可溶性物质氧化分解产生CO2和H2O[25]，在堆肥第15天时各堆肥处理CO2排放速率达到最高峰，而后随着易降解碳源的减少，微生物活动减弱，CO2的排放速率逐渐降低。在堆肥过程中，堆肥内部氧气浓度是影响甲烷产生的重要因子，堆体内部较低的氧气浓度和较高的易降解有机物质、水分含量可加速甲烷的释放。各处理CH4排放速率在第15天达到峰值，这可能是由于堆体内有机物质的大量分解造成内部氧气不足，氧化还原电位下降，从而产生甲烷，这与Sun 等[26]的研究结果一致。以CO2和CH4等气体形式的损失也是堆肥过程中碳素损失的主要途径，一般而言，以气体形式损失的碳素主要发生在堆肥的升温期与高温期，该阶段微生物的数量和代谢比较旺盛[27]。本研究结果表明，猪粪堆肥过程中升温期和高温期CO2和CH4的排放量分别占其总排放量的78.5%～86.2%和89.7%～95.9%，表明CO2和CH4主要集中在堆肥升温期与高温期。整个堆肥过程中CO2-C排放是碳素损失最主要的气体形式，占气体形式碳素损失总量的99%以上，而CH4-C损失仅占0.04%～0.09%。

图6 不同堆肥处理N2O累积排放量(a)和排放速率(b)的变化Fig.6 cumulative emission (a) and N2O emission rate (b) during composting of different treatments

图7 不同堆肥处理NH3排放速率(a)和累积排放量(b)的变化Fig.7 NH3 emission rate (a) and cumulative emission (b) during composting of different treatments

表2 温室气体排放速率与理化因子间的相关分析Table 2 Correlation coefficient between greenhouse gas emission and environmental factors

表3 不同堆肥处理温室气体累积排放量Table 3 The cumulative emissions of greenhouse gases from different composting treatments

在整个堆肥过程中，添加3%～9%的花生壳生物炭处理N2O和CH4累计排放量(以CO2当量计)减少了6.5%～13.0%，且随着生物炭用量的增加，温室气体减排效果越好。向秋洁等[30]对污泥堆肥温室气体排放综合效应(CO2不计入)的研究也表明，添加2.5%～10%竹炭的堆肥处理CO2当量减少了14.81%～20.41%。本研究还发现，若将猪粪堆肥分解产生的CO2的情景下，不同堆肥处理温室气体排放CO2当量的大小以添加3%花生壳生物炭处理最高，其原因是CO2是猪粪堆肥中主要的温室气体[35]，占堆肥过程中温室气体排放总量(CO2当量计)的51.7%～57.5%；而本研究中添加3%花生壳生物炭处理CO2排放量比未添加生物炭处理提高了15.1%。目前，有关生物炭用量对堆肥过程CO2排放影响的结果不一[36]。Wang等[37]研究发现在猪粪堆肥中添加10%的烟梗生物炭+10%的沸石+2%的木醋(质量比)可减少CO2和CH4排放减少33.90%和50.39%。He等[38]也报道竹生物炭具有减少堆肥中二氧化碳排放的良好潜力。而Chen等[18]研究表明2%～10%鸡粪生物炭+鸡粪堆肥处理CO2排放速率和累积排放量显著高于未添加生物炭处理。Steiner等[19]研究也发现生物炭堆肥中的CO2排放峰值显著高于无生物炭的堆肥处理，并认为可能是由于生物炭可以增加堆肥中的通气量和氧气含量。本研究结果发现添加3%生物炭CO2排放量比未添加生物炭处理显著提高15.1%，但6%和9%生物炭处理CO2排放量与未添加生物炭处理间无显著差异，这可能是因为生物炭本身特有的孔隙度改善了堆肥的通气状况，适量添加可促进有机质的降解和CO2产生，但随着生物炭添加比例的增加，单位重量堆料的碳氮质量比和其含生物炭的比重增加，由于生物炭所含的碳具有高稳定性，难以被微生物分解利用，且生物炭具有较强的吸附性，能吸附某些微生物或酶，导致其失活或钝化或使部分有机物包被于生物炭内以抑制其分解，从而减少CO2产生[39]。