过磷酸钙与双氰胺对猪粪便的堆肥效果研究

孙稳平,王 智，牛统娟，刘 涛，赵梦洁，刘伟东，史新娥，宁小敏，张巨亭，胡建宏*

(1.陕西省畜牧技术推广总站,陕西 西安 710016;2.西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；4.西安市畜牧技术推广中心，陕西 西安 710061；5.西安市清凉山牧业有限公司，陕西 西安 710308)

随着养殖行业规模化程度越来越高，养殖粪污已经成为中国环境污染的重要排放源[1]。据统计，目前中国的生猪、家禽养殖年产粪便总量高达5.8×108t[2]。部分养殖场由于粪污处理成本较高、养殖粪污配套消纳用地不足、环保设施不完善、政府部门监管力度不够等问题[3]，往往会将部分未经无害化处理的粪污排至地表和水体，粪污往往含有重金属元素、抗生素以及饲料添加剂残留等，可直接对周边环境的土壤及水源造成污染，粪污内有机质在微生物的作用下分解可产生有毒有害气体如氨气、硫化氢等，对家畜和人的健康造成威胁[4]。但是，粪污中含有丰富的N、P、微量元素等有机营养物质，经过加工处理后可成为优质肥料。粪便高温堆肥是将粪污转化为优质有机肥的有效措施。在高温堆肥过程中，N素向铵态氮和硝态氮转化，存在以NH3和N2O挥发为主的N素损失；在传统的好氧堆肥过程中，氮素损失最高可达到76%[5]。堆肥过程中碳以CH4的形式挥发造成碳损失，损失量约占初始总碳的0.8%。粪便中有效磷的含量约占总磷的50%～80%，但其活性较高且易于流失[6]。赵素芬等[7]研究发现，粪便经过堆肥可促进磷从无机磷向有机磷转变，提高了磷的有效性和利用率。

添加固氮剂在堆肥过程中可有效减少NH3的挥发从而减少N素损失。吴娟等[8]研究发现，在堆肥过程中以过磷酸钙(SSP)为固氮剂可有效降低N2O和CH4的排放，但SSP的固氮效果受含水率及通风量等工艺参数的影响较大。翁俊基等[9]研究发现，在粪便堆肥中添加1%SSP可降低33.56%的氮素损失率。李慧杰等[10]研究发现，在堆肥中添加SSP可有效降低鸡粪在高温堆肥中CH4的排放，总减排量达到54%，减排效果显著。姜继韶等[11]报道，在猪粪堆肥中添加SSP降低了8%的碳素损失，但是抑制了有机质的降解。SSP降低氮素损失的途径可能是其含有的游离酸可与NH3反应，作为NH3回收固定的吸附剂[12]。

双氰胺(DCD)作为一种硝化抑制剂，在硝化过程中抑制铵态氮向硝态氮的转化，延长铵态氮在土壤内的停留时间[13]，减少硝化过程中产生的N2O和NO向空气排放[14]，降低硝态氮由于淋洗和径流对于土壤及水体造成的污染，减少氮素损失[15]。倪红等[16]研究发现，对紫花苜蓿栽培草地添加DCD处理后草地的N2O的平均排放速率下降50.7%，N2O的累积排放量降低61.6%。李杰等[17]研究发现，添加硝化抑制剂DCD和3, 4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)均能降低土壤氮素周转中N2O的排放峰值以及累积排放量，其中DCD减排率达到21.6%。阿力木·阿布来提等[18]发现，使用DCD虽然能显著减少淹水土壤反硝化效率，但是会增加氨挥发损失。本试验在粪便中分别添加0.1%DCD、0.1%SSP，研究在堆肥0、45 d后固体粪便各成分的变化，以期比较固氮剂SSP及硝化抑制剂DCD对于粪便堆肥的效果，为固体粪便堆肥添加剂的选择提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用固体粪便取自陕西省西安市清凉山牧业有限公司使用粪污固液分离机分离后的固体粪便；过磷酸钙(SSP)购自上海麦克林生化科技有限公司，分析纯标准。双氰胺(DCD)购于广东省光华科技股份有限公司，分析纯标准。固体粪便初始性质如下：含水率68.1%，全N 40.81 g/kg，总P 33.95 g/kg，有机碳443.15 g/kg， C/N 10.85，pH 7.56。

1.2 试验设计

试验地在西北农林科技大学，试验时间为2019年8-10月。试验共分为3个处理组：对照组无添加剂；SSP处理组添加1%SSP；DCD处理组添加1%DCD。每组取固液分离后的固体粪便4 kg于保温发酵箱中进行堆肥发酵，初始保温温度为35 ℃。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样 在试验进行第0、45天对于各处理组进行随机采样，每次取样约50 g，将样品放置于自封袋，于-20 ℃冰箱中保存待测。

1.3.2 各理化指标测定方法 检测样品中有机碳、全N、总P的含量，方法参照有机肥料农业标准NY525-2012规定[19]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007整理，SPSS 18.0软件的ANOVA程序进行单因子方差分析，用Duncan氏法进行多重比较分析，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 猪粪堆肥前后有机碳的含量

猪粪堆肥前后有机碳的含量如图1所示。总体上看，与堆肥前相比，堆肥后有机碳的含量显著降低(P<0.05)，与堆肥前相比SSP处理组、DCD处理组和对照组分别降低了12.64%、15.79%、8.38%。DCD处理组有机碳降解量显著高于SSP处理组和对照组(P<0.05)，处理后的有机碳含量为375.55 g/kg。SSP处理组降解量显著高于对照组(P<0.05)，堆肥后的有机碳含量为390.48 g/kg。

图1 堆肥前后有机碳的含量柱上标相同字母或无字母表示差异不显著(P>0.05)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同Fig.1 Organic carbon content before and after compostingThe same or absent letters above the columns indicate insignificantdifference(P>0.05)，different lowercase letters indicatesignificant difference (P<0.05)．The same below

2.2 猪粪堆肥前后全氮的含量

堆肥前后全N的含量如图2所示。堆肥过程中随着NH3的排出，导致堆肥中N素的量降低，但随着有机质的分解会出现全N的浓缩效应，使全N的含量升高。与堆肥前相比，堆肥后各组全N含量均显著提升(P<0.05)。SSP处理组全N含量显著高于DCD处理组和对照组(P<0.05)，处理后全N的含量为23.56 g/kg。DCD处理组全N含量显著高于对照组(P<0.05)，SSP和DCD均可以起到固氮的效果。

图2 堆肥前后全N的含量Fig.2 Total nitrogen before and after composting

2.3 猪粪堆肥前后总磷的含量

堆肥前后总P的含量如图3所示。在堆肥前SSP处理组的总P含量高于DCD处理组和对照组(P<0.05)。堆肥后的总P含量SSP处理组显著高于DCD处理组和对照组(P<0.05)，SSP处理组总P含量达到15.43 g/kg。DCD处理组的总P含量显著高于对照组(P<0.05)。

图3 堆肥前后总P的含量Fig.3 Total phosphorus content before and after composting

3 讨 论

3.1 过磷酸钙和双氰胺对堆肥中有机碳的影响

从堆肥效果来看，SSP与DCD均可促进有机质的降解。粪便中的有机质主要成分为未被消化的粗纤维、粗蛋白以及粗脂肪等，其中粗纤维是碳素的主要来源[20]。在堆肥过程中，碳水化合物、脂肪、氨基酸可被快速降解，而纤维素、半纤维素等则只会被部分降解且降解速率较低。堆肥中只有部分有机质被降解矿化，其余则以稳定的形态继续保存[21]。有机碳的损失主要集中在堆肥高温时期，主要为细菌和真菌对有机质的降解，大约可损失60%，而在堆肥后期的腐殖化过程会保持碳的稳定[22]。根据本试验中堆肥后有机碳的含量对比，加入SSP、DCD均可以加快有机质的降解，与姜继韶等[11]关于SSP促进有机碳降解的研究结果一致，其作用可能与在高温堆肥中细菌的活动有关，斯木吉德等[23]在牛粪堆肥中已经验证DCD的添加可以影响有机物分解菌的代谢活动。李慧杰等[10]研究发现，在鸡粪堆肥中添加沸石和SSP降低了堆肥过程中甲烷古菌的绝对数量，达到了降低CH4排放总量的目的。在堆肥过程中，有机碳在微生物的代谢活动下降解为CO2、CH4等温室气体并排放，降低了堆体内有机碳的含量[24]，这与本试验的研究结果一致。SSP有显著的固定NH4+作用，DCD可抑制硝化反应，使NH4+浓度增加，堆肥过程中高浓度的NH4+可抑制微生物的代谢活动，从而降低了有机碳的降解量。

3.2 过磷酸钙和双氰胺对堆肥中氮的影响

以SSP和DCD作为外源添加剂对于堆肥中全氮含量的影响效果显著。猪粪中的氮源主要为蛋白质、游离氨基酸、尿素、氨、含氨脂类等物质，其中部分氨基酸在氨基氧化酶的作用下发生氧化脱氨作用产生酸、NH3和水，在堆肥的高温高pH环境下会释放出NH3[25]，堆肥中的N素因此损失造成氮素含量降低。SSP具有良好的固定NH4+的效果，可减少NH3的产生和挥发。DCD作为硝化抑制剂可抑制硝化反应的进行，抑制铵态氮向硝态氮的转化。硝态氮在制作为有机肥后易于在土壤中流失，造成N素损失。在堆肥过程中，由于有机质的分解造成全N的浓缩效应，导致全N含量增加。本研究使用SSP和DCD均可使猪粪堆肥的N素损失降低，与李帆等[26]的研究结果一致。一般认为C/N在15～20即达到了腐熟，本试验堆肥的初始C/N约为22.7，C/N大于20接近于25，与秦莉等[27]C/N比在25时全碳降解率率最大、低C/N条件下铵态氮的挥发损失更严重的研究结果一致，堆肥结束后对照组、SSP处理组、DCD处理组的C/N分别为21.65、16.40、16.74，SSP处理组与DCD处理组均达到了腐熟标准。在堆肥后，与市场上已有的氮肥(尿素)相比，堆肥后的总氮含量是尿素的50%左右，但是其试剂处理成本远远低于尿素，且腐熟后的有机肥与尿素相比，含有有机碳、磷、矿物质等其他营养物质。作为肥料，其成本、功效都比市场上的单一补充肥料更有优势。

3.3 过磷酸钙和双氰胺对堆肥中总磷的影响

在堆肥前，SSP处理组的P含量高于其它2组，这是由于以SSP为添加剂自身带来的外源性磷补充使初始成分中总P含量更高。在堆肥过程中，磷虽然会发生形态的变化，但是其不同形态均不易挥发，因此在堆肥过程中总量保持不变。随着堆肥过程的进行，有机质不断降解，磷发生浓缩效应，总P的浓度升高。在本试验中，堆肥后总P均与对照组相比有显著增加，这与Garcia等[28]研究结果一致。SSP处理组总P显著高于DCD处理组，由于外源性磷的补充导致在堆肥中总量始终比DCD处理组要高。李帆等[26]研究发现，堆肥中添加SSP会对堆肥中有效P起到稀释作用，从而导致有效P的浓度降低，使其不利于植物的直接吸收，但同时降低了速效P直接在土壤中发生迁移流失的风险[29]，延长了在土壤中的保存时间。

4 结 论

在猪粪堆肥中添加SSP和DCD可加快有机质的降解，提高堆肥产品中全N及总P的含量，其中添加SSP的堆肥效果较好，堆肥后可以作为氮肥有机肥进行施用，且与市场上的单一氮肥、磷肥相比，其成本更低，且其补充的营养物质更加全面。