添加生物炭对猪粪好氧堆肥过程氮素转化与氨挥发的影响

2021-06-22李太魁王小非郭战玲张香凝寇长林王彦江

生态环境学报 2021年4期

李太魁，王小非，郭战玲，张香凝，寇长林，王彦江

1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002；2.农业部原阳农业环境与耕地保育科学观测实验站，河南原阳 453500；3.河南省农业生态环境重点实验室，河南郑州 450002；4.卢氏县农业农村局，河南三门峡 472200

随着中国畜禽养殖业的发展，畜禽养殖产生的粪便大大超出当地农田可承载的最大负荷，是我国主要的农业面源污染源之一（宣梦等，2018）。据农业农村部数据，全国每年产生畜禽粪污38亿吨，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近9亿吨，未利用的约2亿吨。这些未实现无害化处理和资源化利用的农业废弃物量大面广、乱堆乱放、随意焚烧，给城乡生态环境造成了严重影响（马骁轩等，2016）。通过好氧堆肥技术将畜禽粪便、秸秆等有机废弃物转化为有机肥是有机固体废物资源化的重要技术途径之一，但堆肥过程中伴有大量的氨气和硫化氢等恶臭气体产生，造成肥料中氮素等营养物质大量损失。研究表明，畜禽粪便堆肥化处理过程中氮的损失量最高达 50%以上（黄懿梅等，2004）。因此，如何控制堆肥过程中氮素损失成为提高堆肥品质的关键问题。

通过向堆肥中添加一定量的添加剂对减少氮素损失有较好效果，国内外对不同类型添加剂的保氮效果已有较多研究（史春梅等，2011；黄向东等，2014）。生物炭是由生物残体在厌氧条件下，经高温热解产生的一类稳定、难熔、富含碳素的固态物质，具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，吸附能力较强（Yuan et al.，2010），作为一种高效廉价的添加剂，被广泛用于堆肥过程中以改善堆肥产品的质量。目前有关添加生物炭对堆肥碳素转化（李波等，2017）、重金属（谢胜禹等，2019）、微生物种群（张海滨等，2019）等影响的研究较多，研究生物炭对堆肥腐熟过程中氮素转化、氨挥发等方面综合影响的研究还较少，猪粪堆肥生物炭添加适宜比例的研究鲜有报道。堆肥过程氨气的排放与氮素的损失直接影响温室气体的排放量与有机肥的品质。鉴于此，本文采用生物炭作为添加剂进行堆肥试验，研究不同用量生物炭对猪粪高温堆肥腐熟过程中的氮素转化及氨气排放的影响，为高效、环保的畜禽粪便堆肥化生产提供实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试猪粪采自河南省鹤壁市石林乡农户散养猪舍。生物炭由郑州永邦科技有限公司生产的小麦秸秆生物炭，经炭化炉在450 ℃低温厌氧条件下制备。堆肥用秸秆取自附近农田小麦秸秆，经自然风干后粉碎成1—2 cm左右于干燥阴凉处备用。堆肥物料性质见表1。

表1 堆肥物料理化性质Table 1 Physical and chemical properties of composting material

1.2 试验设计

试验共设4个处理，500 kg猪粪+50 kg秸秆（对照，S1）、500 kg猪粪+50 kg秸秆+5%生物炭（S2）、500 kg猪粪+50 kg秸秆+10%生物炭（S3）、500 kg猪粪+50 kg秸秆+15%生物炭（S4）。将各处理堆肥物料调节含水率 50%左右，混合均匀后于 2019年4月6日—5月5日进行堆肥试验，持续29 d。每个处理设置3个平行，随机排列。堆体长宽高分别为1.8、1.0、0.8 m，相邻堆体间距离为1.5 m。堆肥期间采用人工翻堆，每4—5天翻堆一次。

1.3 样品采集及测定

堆肥样品在每次翻堆后采集（李丽劼，2012），每个堆体采集表层（0—20 cm）、中层（30—40 cm）、深层（50—60 cm）样品各500 g，混合均匀。将采集的固体样品分成两份：一份装入无菌塑料袋中于4 ℃下保存，用于 pH、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3−-N）和有效活菌数等指标的测定；另一份自然风干，粉碎并过 80目筛，用于氮磷钾养分和有机质的测定。

温度测定采用 0—100 ℃玻璃温度计，测定时插入堆体中心处，于每天11:00测定；pH测定采用固液比1∶10（鲜质量∶体积），用蒸馏水浸提鲜样，静置0.5 h，然后用S-3C型pH计测悬液pH值；按新鲜堆肥样与 2 mol·L−1KCl溶液固液比 1∶10（鲜质量：体积）混合，在200 r·min−1的速度下振荡1 h后过滤浸提，离心（4000 r·min−1）10 min，用流动分析仪测定滤液中NH4+-N和NO3−-N含量；有机质测定采用重铬酸钾氧化法；总氮测定采用凯氏定氮法（鲁如坤，2000）。有效活菌数测定采用平板计数法（李亚兰等，1999）。

氨挥发采用海绵吸收法测定（王朝辉等，2002）：采样装置由内径20 cm，高40 cm的硬质PVC管制成。采用磷酸甘油吸收法，将浸过磷酸甘油溶液（由磷酸和丙三醇混合）的海绵放入硬质塑料管中，上层海绵与硬质塑料管顶端平齐；磷酸甘油吸收法可以保证堆体表面的气体通过海绵与外界环境进行气体交换，海绵可以吸收堆体表面挥发的氨气，而上层务必要减少外界气体对堆体表面氨气挥发收集的干扰。采样2 h后，将装置轻轻揭起，用蒸馏水多次洗涤海绵吸收的氨气，将洗涤液定容至1 L，测定氨氮浓度。NH3挥发计算公式为：

式中，f为 NH3排放通量[mg·m−2·h−1]，C为浸提液中氨氮的含量（mg·L−1），V为浸提液的体积（mL），A为吸收氨气海绵的有效面积（m2），t为采样时间（h）。

1.4 数据处理与统计分析

文中数据采用Excel 2007进行处理，利用SPSS 16.0和Origin 8.0进行方差分析、相关分析、图形制作等，以LSD法进行显著性检验（P＜0.05）。测定结果均以平均值±标准差的形式表示。

2 结果与分析

2.1 生物炭对堆肥进程及理化性质的影响

堆肥时间持续29 d，整个堆肥过程由升温期、高温期、降温期3个阶段组成。由图1可以看出，以周围环境温度为对照，各处理堆肥温度均表现为先升高后降低的变化趋势，S3和S4的升温期、高温期和降温期均为第 1—7、8—16和 17—29天，S2在第8天进入高温期，而S1的3个时期依次为第 1—8、9—15和 16—29天。添加生物炭的各处理堆温在第7—16天均保持在50—60 ℃之间，其中S3的堆温在第6天达到51 ℃，并在第13天达到最高温度60 ℃，S2、S4的堆温在第10天达到57 ℃。未添加生物炭的S1第9天升温到51 ℃，第13天达到最高温度56 ℃。由此可见，与对照相比，添加生物炭可促进堆体提前 2—3 d进入高温期，显著加快了堆肥进程。

图1 猪粪堆肥过程中温度的动态变化Fig.1 Dynamics changing curves of temperatures during composting

堆肥前后物料理化性质的变化如表2所示。与堆肥初期相比，S1、S2、S3、S4 pH 分别增加了22.7%、19.9%、19.5%和 15.0%，添加生物炭能够降低堆体pH值的增加幅度。试验后期，所有处理的pH值均保持在9.0以下，符合腐熟堆肥pH值应在8.0—9.0之间的标准，达到堆肥腐熟要求。添加生物炭的处理的总养分、有机质以及有效活菌数均有不同程度的提高，其中，S3的效果优于其他处理，说明添加生物炭可以有效改善堆肥的质量。

表2 不同处理猪粪堆肥前后理化性质Table 2 The variation of physical and chemical properties during composting

2.2 添加生物炭对堆肥氮素转化的影响

2.2.1 生物炭对堆肥过程中 NH4+-N 和 NO3−-N的影响

堆肥过程中NH4+-N和NO3−-N含量的动态变化见图2、3。添加生物炭的S2、S3、S4 3个处理NH4+-N含量均在第4天达到最高，然后逐渐下降至稳定状态。未添加生物炭的S1处理NH4+-N含量在前10 d逐渐升高，随后迅速下降，最终趋于稳定。未添加生物炭的NH4+-N含量增幅明显大于添加生物炭的3个处理。NO3−-N含量在堆肥升温期过程中变化幅度不大，在第10—17天高温期NO3−-N含量迅速上升，对照处理NO3−-N含量增加幅度明显低于添加生物炭的处理。堆肥结束时，S2、S3、S4 处理 NO3−-N含量分别比对照提高了39.64%、46.68%和28.84%。

图2 猪粪堆肥过程中NH4+-N含量动态变化Fig.2 Changes of NH4+-N during composting

图3 猪粪堆肥过程中NO3−-N含量动态变化Fig.3 Changes of NO3−-N during composting

2.2.2 生物炭对堆肥过程中氨挥发的影响

图4为堆肥过程中氨挥发速率动态变化趋势。可以看出，堆肥前期氨挥发速率较小，随着堆温升高，氨挥发速率迅速加快，在高温期氨挥发速率达到最大，在腐熟阶段氨挥发速率逐渐降低，添加生物炭降低了堆肥在高温期的氨挥发速率。由表3可知，与对照相比，添加生物炭显著降低了各处理堆肥过程中氨挥发的数量，堆肥结束时，S2、S3和S4较比对照分别降低了18.77%、25.35%和26.39%，S3、S4与S2之间差异显著。

图4 堆肥过程中氨挥发速率的动态变化Fig.4 Changes of ammonia volatilization during composting

表3 不同处理猪粪堆肥过程中氨挥发累积量Table 3 Total emission of ammonia in different treatment during composting

2.2.3 生物炭对堆肥过程中总氮的影响

由表4可以看出，添加生物炭对堆肥全氮的增加有一定影响。实验结束时，S1—S4总氮的增加率分别为9.7%、27.5%、28.6%和26.2%，氨氮减少量分别为 869.3、703.8、811.4和 746.9 mg·kg−1，其原因可能是生物炭颗粒较小，且比表面积较大，与猪粪混合后，使猪粪堆肥的细小孔隙数量和体积较大，从而导致堆肥中空气流速相对较小，氨气的挥发损失较少，保氮作用更强。S3处理全氮增加率要优于其他两个处理。

表4 不同处理对猪粪堆肥总氮的影响Table 4 Total nitrogen in different treatment during composting

3 讨论

3.1 添加生物炭对堆肥腐熟过程的影响

对好氧堆肥而言，温度是反映有机物降解状况及腐熟程度的重要指标。一般认为，堆温在 50 ℃以上保持7 d或在55 ℃以上持续3 d，就可以杀死物料中的致病菌，达到畜禽粪便无害化的卫生标准（沈玉君等，2010）。本研究结果表明，添加不同比例生物炭能够显著提高堆温，加快堆体升温，与对照相比提前3—5 d进入高温期，缩短堆肥周期。Sanchez-Monedero et al.（2018）研究认为，生物炭具有较大的比表面积，能够增强持水和曝气能力，堆肥过程中可提高堆体中微生物的数量与活性，造成堆体温度增加。有研究认为，生物炭为一种近似黑体的物质，吸收能量后能够释放远红外线产生热效应使温度增加（吴晓东等，2019）。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。本实验结果表明，堆肥过程中物料的pH值显著增加，各处理堆肥后期pH值均保持在8.0—9.0之间，符合堆肥腐熟的范围（王艮梅等，2019）。堆肥原料的pH值一般呈微酸性到中性，它的变化主要由堆体中微生物活动和物料降解的产物共同决定。若堆肥过程产生的有机酸、无机酸多于氨化作用产生的氨，堆料的pH值下降。添加生物炭的处理堆温与升温速率较高，导致其堆体内有机物和小分子酸被快速分解，造成pH值较高（谢胜禹等，2019）。本研究发现，在堆肥过程中加入5%—15%的生物炭降低了有机质的含量，提升堆肥产品总养分含量和有效活菌数。总的来说，添加适量的生物炭对改善堆肥品质和缩短堆肥时间卓有成效。从经济效益角度考虑，添加10%的生物炭最为合适，这与Awasthi et al.（2017）的研究结果一致。

3.2 生物炭对堆肥过程中氮素转化的影响

畜禽粪便堆肥过程中氮素转化与氮素固持已成为一个重要研究内容。堆肥前期主要是氨化作用起主导作用，原料中的有机氮转化成铵态氮，这也是堆肥前期铵态氮迅速上升的原因。随着堆肥的进行，一部分铵态氮通过硝化细菌的硝化作用转变成硝态氮，还有一部分以氨气的形式释放到大气中（付祥峰等，2017）。降低堆肥氮素的损失不仅要减少氨挥发还要使更多的铵态氮转变成硝态氮。有研究认为，生物炭作为一种多孔结构的生物质原料，有很强的吸附性能，能为微生物群落的繁殖及生长提供良好的环境，提高硝化细菌的活性与数量，促进铵态氮向硝态氮的转化（Deluca et al.，2006；刘宁等，2016）。本研究也表明，添加不同比例的生物炭均明显提高了堆肥过程中各阶段硝态氮的含量。氨挥发是堆肥过程中氮素损失的主要途径，主要受温度、pH值、铵态氮含量和堆肥碳氮比等多因素综合影响。添加生物炭后，由于堆肥前期的温度迅速上升和pH值升高，导致氨挥发速率高于对照；在堆肥第 10天至堆肥结束期间，添加生物炭的处理氨挥发速率低于对照。氨挥发累积量与生物炭的添加比例成反比，一方面是由于添加生物炭显著降低了铵态氮的含量，且生物炭对氨气有很好的吸附性，减少了堆体的氨累积挥发量；另一方面堆肥物料碳氮比与氨排放量呈负相关，碳氮比越低，氨挥发越严重，堆肥时添加生物炭，提高了碳氮比，故降低了氨排放量。

全氮是所有形态氮含量之和，其变化趋势与其他形态氮变化规律及微生物活性密切相关。生物炭为微生物的活动提供了附着点，更有利于微生物的繁殖和生长。堆肥前期，由于微生物的分解作用降低了有机氮含量，堆肥中后期腐殖化作用加强，在微生物作用下将无机氮转变成了腐殖质态有机氮，提高了有机氮的稳定性，减少了无机氮的损失（徐路魏等，2016）。本研究发现，尽管氨挥发造成一定的氮素损失，但在堆肥结束时，添加生物炭的处理全氮均有所增加，这可能是由于堆肥过程中，有机物料不断矿化及水分不断蒸发，且减少幅度大于氨挥发速率，导致全氮含量因堆体的“浓缩效应”而增加，这与刘微等（2015）的研究结果相似。堆肥结束时，S1—S4全氮含量比堆肥前分别增加了9.7%、27.5%、28.6%和 26.2%，添加生物炭有较明显的保氮效果，添加 10%效果最佳，当生物炭添加量超过 10%时，全氮含量反而有所下降，可能由于生物炭自身偏碱性，若添加量过多，会影响微生物的生活环境及活性，从而可能会影响除氨气外其他温室气体的排放，具体影响机制有待进一步深入研究。