添加生物炭對(duì)雞糞好氧堆肥過程中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的研究

吳曉東，邢澤炳，何遠(yuǎn)靈，張瑞卿，谷曉霞

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西 太谷 030801）

隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)出區(qū)域化經(jīng)營(yíng)的特點(diǎn)［1］，造成了畜禽糞便的大量堆積，根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局調(diào)查，2015年我國(guó)畜禽糞便的產(chǎn)出量已超過45億t［2］，大量的糞污造成了嚴(yán)重的污染［3］。雞糞中含有豐富的N、P、K等植物營(yíng)養(yǎng)成分，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料資源，因此，對(duì)雞糞的資源化利用是非常必要的。而堆肥是解決糞便無害化和資源化處理的重要途徑［4］，但是在堆肥過程中不可避免會(huì)造成氮素的損失。據(jù)相關(guān)研究者統(tǒng)計(jì)，堆肥過程中氮素?fù)p失范圍在16%～76%之間［5］，氮素的損失會(huì)造成堆肥產(chǎn)品肥效的降低，而且會(huì)造成環(huán)境污染。

研究表明，以生物炭為堆肥添加劑可以有效［6-7］減少氮素?fù)p失，國(guó)外有關(guān)學(xué)者［8-9］也發(fā)現(xiàn)生物炭能夠有效降低氨氣的排放，有效提高氮素固定率，進(jìn)而控制氮素?fù)p失。但是，由于生物質(zhì)原材料的不同，制備出的生物炭差異顯著。檸條是一種廣泛種植于山西、陜西北部和內(nèi)蒙古的防風(fēng)固沙灌叢植物，而平茬以后產(chǎn)生大量的廢棄生物質(zhì)，通過炭化可以開發(fā)這種生物質(zhì)的利用價(jià)值，且用檸條制備的生物炭不但具有大量的孔結(jié)構(gòu)，以微孔（5 mm以下）結(jié)構(gòu)為主，比表面積大，碘吸附值高［10］，而且它對(duì)氮?dú)獾娘柡臀搅靠梢赃_(dá)到350 mg·g-1。因此，檸條生物炭具備吸附材料的基本特征。在已有的報(bào)道中，竹炭、秸稈炭和木炭是堆肥中常見的生物炭添加劑［6，11-12］，檸條生物炭作為堆肥添加劑鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以雞糞和小麥秸稈粉為堆肥原材料，添加不同用量檸條生物炭進(jìn)行好氧堆肥，研究生物炭對(duì)雞糞堆肥過程中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院自制大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)所用到的檸條生物炭是在馬弗爐600℃碳化1 h所得，所用雞糞和小麥秸稈來自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧站，檸條來自晉北定襄縣王家莊人工種植3年以上枝干部分［10］。將小麥秸稈粉碎至3～5 mm作為調(diào)節(jié)劑，按照雞糞與小麥秸稈質(zhì)量比 1∶1進(jìn)行堆置。調(diào)節(jié)水分為60%。堆肥原料基本性狀如表1所示。

表1 堆肥原料初始性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)對(duì)照組（CK）、A1、A2、A3、A4和A5共6個(gè)處理，各處理原料配比如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) （kg）

試驗(yàn)采用靜態(tài)堆置強(qiáng)制通風(fēng)結(jié)合翻堆方式對(duì)雞糞進(jìn)行堆肥處理。堆肥裝置如圖1所示，有效容積為150 L ，并在堆肥桶上覆蓋保溫層。堆肥為期40 d，通風(fēng)量為20 m3·h-1·t-1。分別在第 3、8、19、26、33、40 d進(jìn)行翻堆取樣，采樣時(shí)將物料充分混勻。每天固定時(shí)間用溫度計(jì)測(cè)定堆體及環(huán)境溫度。

圖1 堆肥裝置

1.3 指標(biāo)測(cè)定

水分測(cè)定采用鮮樣在105℃烘干至恒重測(cè)定［13］；pH值采用PHS-3C型pH計(jì)測(cè)定，取鮮樣按水樣比10∶1（g·mL-1）震蕩、離心后進(jìn)行測(cè)定；全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)和全鉀測(cè)定采用功能型土壤肥料養(yǎng)分檢測(cè)儀（PJ-FGN）進(jìn)行測(cè)定；氨氣的測(cè)定采用硫酸吸收滴定法［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度與含水率的變化

各處理溫度變化如圖2所示。各處理均經(jīng)歷了升溫期、高溫期、降溫期和穩(wěn)定期的溫度變化。在升溫階段，微生物將堆肥物料中易降解的有機(jī)物快速分解而釋放出大量的熱能，使得堆體溫度迅速升高［15］，對(duì)照處理和添加3%、6%、9%、12%和15%生物炭處理的升溫期分別為5、4、3、3、3和4 d，隨著生物炭比例的增加，各處理的升溫期呈下降趨勢(shì)，這說明添加生物炭能夠縮短堆肥升溫期，且比不添加生物炭提前了1～2 d；各處理高溫期（50℃以上的天數(shù)）維持的時(shí)間分別為12、14、15、15、16和16 d，這表明各處理均達(dá)到了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB 7959-87）規(guī)定的50℃以上5～7 d，且添加生物炭可以使堆肥高溫期延長(zhǎng)2～4 d；經(jīng)過高溫階段后由于堆料中易分解或較易分解的有機(jī)物已大部分被分解，只剩下部分難分解的有機(jī)物（如木質(zhì)素等）和新形成的腐殖質(zhì)，微生物因缺乏可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而停止生長(zhǎng)、活性下降，產(chǎn)熱減少，且通風(fēng)和水分蒸發(fā)會(huì)帶走較多的熱量，使得堆體溫度下降，堆肥進(jìn)入降溫期。

圖2 堆體溫度

堆肥過程中水分變化受兩方面因素影響：一方面，因有機(jī)物的氧化分解產(chǎn)生水分而增加，另一方面，通風(fēng)和高溫蒸發(fā)作用會(huì)使堆體水分下降，含水率的大小是二者綜合影響的結(jié)果［6］。堆體的含水率如圖3所示，一般認(rèn)為，在堆肥過程中堆體水分含量在50%～70%為宜，在第8 d時(shí)，各處理的水分接近50%，而此時(shí)堆肥又處在高溫期，水分蒸發(fā)加快，這會(huì)使堆體缺水，不利于物料的發(fā)酵，此時(shí)在各處理中加入適量水使堆體含水率為60%左右。由圖3可知，各處理含水率總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在堆肥升溫期由于微生物氧化分解有機(jī)物產(chǎn)生水分的速率與蒸發(fā)作用損失水分的速率相差較少，因此堆體含水率下降緩慢，隨著堆肥的進(jìn)行易降解有機(jī)物被大量消耗，而難降解有機(jī)物（半纖維素、纖維素和木質(zhì)素）又較難利用，高溫及通風(fēng)又蒸發(fā)掉大量水分，使堆體含水率下降加快；在堆肥結(jié)束時(shí)各處理的含水率分別為37.93%、40.95%、39.5%、41.59%、42.55%和43.47%。隨著生物炭比例的增加，堆體含水率在上升，并且在整個(gè)堆肥過程中，添加生物炭處理的含水率要高于對(duì)照，其原因可能是施加檸條生物炭有利于促進(jìn)有機(jī)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體含水率下降緩慢，減少外源水分的介入，有利于堆體溫度的升高。

圖3 堆體含水率

2.2 堆體pH值的變化

堆體pH值的變化如圖4所示，隨著堆肥的進(jìn)行，堆體pH值變化趨勢(shì)為先上升后下降再上升最后趨于穩(wěn)定。在堆肥前3 d，堆體的pH值均上升，這是由于物料降解產(chǎn)生的有機(jī)酸、無機(jī)酸少于氨化作用產(chǎn)生的氨。氨溶于水形成銨態(tài)氮，而此時(shí)硝化細(xì)菌活性低，無法將銨態(tài)氮及時(shí)轉(zhuǎn)化，使得銨態(tài)氮大量累積造成的；而后隨著溫度的升高，積累的銨態(tài)氮以氨氣的形式大量釋放到空氣中，造成有機(jī)物分解產(chǎn)生的小分子有機(jī)酸、無機(jī)酸等酸性物質(zhì)相對(duì)增加，使得堆體pH值下降；隨著堆肥進(jìn)一步進(jìn)行，小分子有機(jī)酸被分解［16］以及局部缺氧造成硝態(tài)氮的反硝化作用，堆體的pH值升高；各處理降溫后期pH值有所下降，這可能是由于硝化作用的逐漸增強(qiáng)，硝態(tài)氮濃度不斷升高造成的。當(dāng)堆肥結(jié)束時(shí)，各處理的pH值在8.2～8.5之間［17］，符合我國(guó)堆肥產(chǎn)品腐熟的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 堆體pH值

2.3 生物炭對(duì)堆肥過程中氨氣和全氮的影響

2.3.1 生物炭對(duì)堆肥過程中氨揮發(fā)的影響

堆肥中隨著氨氣的揮發(fā)，氮素會(huì)大量的損失［18］。而有關(guān)研究表明，其中以NH3揮發(fā)造成的氮素?fù)p失已超過氮素?fù)p失總量的92%［19］。添加生物炭對(duì)堆肥過程中氨氣揮發(fā)的影響如圖5所示。由圖5可知，氨氣揮發(fā)呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢(shì)，且在堆肥中添加生物炭可以降低堆肥初期的氨氣釋放速率，這是因?yàn)樵诙逊食跗诙洋w環(huán)境適宜，氨化細(xì)菌十分活躍，將含氮有機(jī)質(zhì)分解為銨態(tài)氮并迅速積累，而后在堿性以及高溫條件下銨態(tài)氮以氨氣的形式揮發(fā)；到堆肥后期，由于硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)，將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，氨氣的揮發(fā)逐漸減少［11］。添加生物炭可以降低氨氣的揮發(fā)速率，從而減少氨氣的總揮發(fā)量，如添加 3%、6%、9%、12%、15%的生物炭可以分別降低氨氣揮發(fā) 17.75%、31.7%、37.75%、35.19%、32.65%。

圖5 堆體NH3日釋放量

2.3.2 生物炭對(duì)堆肥過程全氮的影響

堆肥過程中全氮的變化如圖6所示，各處理全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先減少后增大的趨勢(shì)。在堆肥初期，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降是因?yàn)楹袡C(jī)物被微生物分解產(chǎn)生的NH3在高溫以及堿性環(huán)境中大量溢出［20］，并且有機(jī)質(zhì)代謝的啟動(dòng)相對(duì)慢，有機(jī)質(zhì)分解速率低，濃縮效應(yīng)還未體現(xiàn)造成的，隨著堆肥的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)大量分解，溫度升高，CO2、H2O和小分子有機(jī)酸等大量揮發(fā)，造成堆體質(zhì)量降低，即使仍然伴隨著大量的氮素?fù)p失，但氮素在堆體中的濃度會(huì)上升［21］，到堆肥結(jié)束時(shí)，對(duì)照和添加3%、6%、9%、12%和15%處理總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)2.65%、2.77%、2.89%、3.14%、3.11%和3.09%，各處理比堆肥前全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了77.85%、83.44%、90.13%、105.23%、100.65%和98.08%，這說明在堆肥中添加生物炭可以有效減少NH3揮發(fā)引起的氮素?fù)p失。將生物炭按3%幅度遞增，從堆體全氮的增加幅度發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭增加，生物炭添加量在 9%～12%之間的氮素?fù)p失最少。

圖6 堆體全氮含量的變化

2.4 堆肥全磷和全鉀的變化

磷素性質(zhì)穩(wěn)定，磷酸鹽易被吸附，較難移動(dòng)。在堆肥過程中盡管存在形態(tài)上的轉(zhuǎn)化，但不會(huì)像氮素一樣揮發(fā)損失掉，而隨著堆肥進(jìn)程的進(jìn)行和總干物重的下降，各處理全磷含量總體上呈現(xiàn)逐步升高的趨勢(shì)［22］。鉀與磷一樣性質(zhì)穩(wěn)定不易揮發(fā)，并且堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生較少，因此各處理全鉀變化趨勢(shì)與全磷一樣。如圖7所示，在堆肥開始時(shí)各處理全磷含量為1.01%，到堆肥結(jié)束時(shí)，各處理全磷含量分別升高到了1.98%、1.96%、2.19%、2.26%、2.22%和1.84%；各處理全鉀由堆肥初期的1.88%升高到了3.68%、3.44%、3.95%、4.12%、4.08%和3.33%。添加生物炭對(duì)雞糞堆肥全磷、全鉀的增加影響不明顯，但進(jìn)行堆肥處理對(duì)雞糞中磷、鉀養(yǎng)分具有濃縮作用。

圖7 堆肥全磷和全鉀含量的變化

2.5 堆肥有機(jī)質(zhì)含量的變化

由圖8 可知，雞糞經(jīng)過高溫好氧堆肥處理后，有機(jī)質(zhì)含量明顯降低，且前期降解速率較快。前期由于堆體的水分及溫度條件都比較適宜，微生物活動(dòng)較為活躍，大量有機(jī)物主要包括可溶性糖、有機(jī)酸和淀粉被降解，生成二氧化碳和水，揮發(fā)至空氣中，有機(jī)物含量迅速下降。之后，隨著堆體溫度的升高，微生物開始利用難降解的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有機(jī)物，有機(jī)質(zhì)降解速度下降。生物炭在堆肥中更難降解，從而起到提高有機(jī)質(zhì)含量的作用。當(dāng)堆肥結(jié)束后各處理的有機(jī)質(zhì)含量分別為69.98、151.12、206.53、217.11、241.36 和 263.55 g·kg-1。

圖8 堆肥有機(jī)質(zhì)含量的變化

3 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在雞糞與小麥秸稈堆肥中，添加檸條生物炭可以促進(jìn)堆肥體升溫，延長(zhǎng)高溫期，其可能原因是檸條生物炭的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)一方面為微生物的繁殖提供了良好的生存環(huán)境，另一方面也有利于氧氣的傳輸［23］，增強(qiáng)了微生物的活性，提高了微生物的代謝和產(chǎn)熱能力；生物炭微孔結(jié)構(gòu)能夠減少熱量的損失，而且生物炭是一種黑色物質(zhì)［24］，能夠吸收熱量有利于保溫和升溫。此外，生物炭微孔結(jié)構(gòu)對(duì)水分有較強(qiáng)的吸附性，減少了水分蒸發(fā)，有利于堆體溫度升高。

檸條生物炭及其他生物炭對(duì)氨氣都具有吸附效應(yīng)［25］，其原因在于它們大量的微孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積［10］，這也為微生物提供了良好的生存環(huán)境，進(jìn)而增加微生物的活性和數(shù)量，促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮和有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化［7］。相關(guān)研究表明，堆體中無機(jī)氮主要是銨態(tài)氮，而氨氣揮發(fā)、被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮以及被生物固定為有機(jī)氮是造成堆體銨態(tài)氮濃度下降的主要原因［21］。銨態(tài)氮是否以氨氣形式揮發(fā)主要取決于堆體溫度和pH值，在堆肥高溫期各處理的氨氣釋放速率顯著增加，但由于檸條生物炭對(duì)氨氣具有很好的吸附性，使得添加生物炭各處理的氨氣釋放速率要小于對(duì)照組。全氮是所有形態(tài)氮元素含量之和，其變化趨勢(shì)為所有形態(tài)氮元素變化規(guī)律的疊加，在本研究中添加檸條生物炭各處理的全氮含量要顯著高于對(duì)照組，從側(cè)面印證了檸條生物炭在堆肥過程中有利于氨氣的吸附，從而增加堆體全氮的含量。本研究表明，當(dāng)生物炭添加量超過9%時(shí)，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加不顯著。因此，從經(jīng)濟(jì)性考慮適宜的添加量為9%；生物炭對(duì)堆體中磷素和鉀素影響不大，其原因是它們性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)像氮素一樣揮發(fā)掉，因此，隨著堆體總干物重的減少，使得全磷、全鉀含量增加；有機(jī)質(zhì)是微生物賴以生存和繁殖的基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)在堆肥過程中的變化可在一定程度上反映出堆肥的進(jìn)程［26］。經(jīng)過 40 d的堆肥過程，各處理有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下降解。而在堆肥中添加生物炭，由于生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供充足的氧氣以及棲息環(huán)境，微生物大量利用有機(jī)質(zhì)進(jìn)行新陳代謝，使得堆體中的有機(jī)質(zhì)含量顯著下降。因此，在堆肥中添加生物炭有利于加快堆肥進(jìn)程。

4 結(jié)論

在雞糞堆肥中添加檸條生物炭可以縮短堆肥升溫期，延長(zhǎng)堆肥高溫期，有利于堆體的保溫；生物炭良好的持水性可以減少水分蒸發(fā)，維持堆肥初、中期正常的發(fā)酵。無論是否添加生物炭，隨著堆肥進(jìn)行，各處理的全磷、全鉀均迅速增加，且在堆肥中添加生物炭可以加快有機(jī)質(zhì)降解速率。

添加檸條生物炭，有利于對(duì)堆肥高溫期氨氣的吸附，減少氮素?fù)p失，添加生物炭全氮可以提高5.59%～27.38%。本研究中，當(dāng)檸條生物炭添加量為9%～12%時(shí)，保氮效果最佳，且堆肥結(jié)束后全氮含量平均為3.13%。