添加生物炭對(duì)豬糞好氧堆肥過(guò)程氮素轉(zhuǎn)化與氨揮發(fā)的影響

李太魁 ，王小非 ，郭戰(zhàn)玲 ，張香凝 ，寇長(zhǎng)林 ，王彥江

1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)部原陽(yáng)農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，河南 原陽(yáng) 453500；3.河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；4.盧氏縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 三門峽 472200

隨著中國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便大大超出當(dāng)?shù)剞r(nóng)田可承載的最大負(fù)荷，是我國(guó)主要的農(nóng)業(yè)面源污染源之一（宣夢(mèng)等，2018）。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)，全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污38億噸，綜合利用率不到60%；每年產(chǎn)生秸稈近9億噸，未利用的約2億噸。這些未實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理和資源化利用的農(nóng)業(yè)廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，給城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響（馬驍軒等，2016）。通過(guò)好氧堆肥技術(shù)將畜禽糞便、秸稈等有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥是有機(jī)固體廢物資源化的重要技術(shù)途徑之一，但堆肥過(guò)程中伴有大量的氨氣和硫化氫等惡臭氣體產(chǎn)生，造成肥料中氮素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量損失。研究表明，畜禽糞便堆肥化處理過(guò)程中氮的損失量最高達(dá) 50%以上（黃懿梅等，2004）。因此，如何控制堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失成為提高堆肥品質(zhì)的關(guān)鍵問題。

通過(guò)向堆肥中添加一定量的添加劑對(duì)減少氮素?fù)p失有較好效果，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同類型添加劑的保氮效果已有較多研究（史春梅等，2011；黃向東等，2014）。生物炭是由生物殘?bào)w在厭氧條件下，經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類穩(wěn)定、難熔、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)，具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，吸附能力較強(qiáng)（Yuan et al.，2010），作為一種高效廉價(jià)的添加劑，被廣泛用于堆肥過(guò)程中以改善堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。目前有關(guān)添加生物炭對(duì)堆肥碳素轉(zhuǎn)化（李波等，2017）、重金屬（謝勝禹等，2019）、微生物種群（張海濱等，2019）等影響的研究較多，研究生物炭對(duì)堆肥腐熟過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化、氨揮發(fā)等方面綜合影響的研究還較少，豬糞堆肥生物炭添加適宜比例的研究鮮有報(bào)道。堆肥過(guò)程氨氣的排放與氮素的損失直接影響溫室氣體的排放量與有機(jī)肥的品質(zhì)。鑒于此，本文采用生物炭作為添加劑進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，研究不同用量生物炭對(duì)豬糞高溫堆肥腐熟過(guò)程中的氮素轉(zhuǎn)化及氨氣排放的影響，為高效、環(huán)保的畜禽糞便堆肥化生產(chǎn)提供實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試豬糞采自河南省鶴壁市石林鄉(xiāng)農(nóng)戶散養(yǎng)豬舍。生物炭由鄭州永邦科技有限公司生產(chǎn)的小麥秸稈生物炭，經(jīng)炭化爐在450 ℃低溫厭氧條件下制備。堆肥用秸稈取自附近農(nóng)田小麥秸稈，經(jīng)自然風(fēng)干后粉碎成1—2 cm左右于干燥陰涼處備用。堆肥物料性質(zhì)見表1。

表1 堆肥物料理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of composting material

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，500 kg豬糞+50 kg秸稈（對(duì)照，S1）、500 kg豬糞+50 kg秸稈+5%生物炭（S2）、500 kg豬糞+50 kg秸稈+10%生物炭（S3）、500 kg豬糞+50 kg秸稈+15%生物炭（S4）。將各處理堆肥物料調(diào)節(jié)含水率 50%左右，混合均勻后于 2019年4月6日—5月5日進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，持續(xù)29 d。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行，隨機(jī)排列。堆體長(zhǎng)寬高分別為1.8、1.0、0.8 m，相鄰堆體間距離為1.5 m。堆肥期間采用人工翻堆，每4—5天翻堆一次。

1.3 樣品采集及測(cè)定

堆肥樣品在每次翻堆后采集（李麗劼，2012），每個(gè)堆體采集表層（0—20 cm）、中層（30—40 cm）、深層（50—60 cm）樣品各500 g，混合均勻。將采集的固體樣品分成兩份：一份裝入無(wú)菌塑料袋中于4 ℃下保存，用于 pH、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3?-N）和有效活菌數(shù)等指標(biāo)的測(cè)定；另一份自然風(fēng)干，粉碎并過(guò) 80目篩，用于氮磷鉀養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的測(cè)定。

溫度測(cè)定采用 0—100 ℃玻璃溫度計(jì)，測(cè)定時(shí)插入堆體中心處，于每天11:00測(cè)定；pH測(cè)定采用固液比1∶10（鮮質(zhì)量∶體積），用蒸餾水浸提鮮樣，靜置0.5 h，然后用S-3C型pH計(jì)測(cè)懸液pH值；按新鮮堆肥樣與 2 mol·L?1KCl溶液固液比 1∶10（鮮質(zhì)量：體積）混合，在200 r·min?1的速度下振蕩1 h后過(guò)濾浸提，離心（4000 r·min?1）10 min，用流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液中NH4+-N和NO3?-N含量；有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法；總氮測(cè)定采用凱氏定氮法（魯如坤，2000）。有效活菌數(shù)測(cè)定采用平板計(jì)數(shù)法（李亞蘭等，1999）。

氨揮發(fā)采用海綿吸收法測(cè)定（王朝輝等，2002）：采樣裝置由內(nèi)徑20 cm，高40 cm的硬質(zhì)PVC管制成。采用磷酸甘油吸收法，將浸過(guò)磷酸甘油溶液（由磷酸和丙三醇混合）的海綿放入硬質(zhì)塑料管中，上層海綿與硬質(zhì)塑料管頂端平齊；磷酸甘油吸收法可以保證堆體表面的氣體通過(guò)海綿與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換，海綿可以吸收堆體表面揮發(fā)的氨氣，而上層務(wù)必要減少外界氣體對(duì)堆體表面氨氣揮發(fā)收集的干擾。采樣2 h后，將裝置輕輕揭起，用蒸餾水多次洗滌海綿吸收的氨氣，將洗滌液定容至1 L，測(cè)定氨氮濃度。NH3揮發(fā)計(jì)算公式為：

式中，f為 NH3排放通量[mg·m?2·h?1]，C為浸提液中氨氮的含量（mg·L?1），V為浸提液的體積（mL），A為吸收氨氣海綿的有效面積（m2），t為采樣時(shí)間（h）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

文中數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理，利用SPSS 16.0和Origin 8.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析、圖形制作等，以LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。測(cè)定結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)堆肥進(jìn)程及理化性質(zhì)的影響

堆肥時(shí)間持續(xù)29 d，整個(gè)堆肥過(guò)程由升溫期、高溫期、降溫期3個(gè)階段組成。由圖1可以看出，以周圍環(huán)境溫度為對(duì)照，各處理堆肥溫度均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，S3和S4的升溫期、高溫期和降溫期均為第 1—7、8—16和 17—29天，S2在第8天進(jìn)入高溫期，而S1的3個(gè)時(shí)期依次為第 1—8、9—15和 16—29天。添加生物炭的各處理堆溫在第7—16天均保持在50—60 ℃之間，其中S3的堆溫在第6天達(dá)到51 ℃，并在第13天達(dá)到最高溫度60 ℃，S2、S4的堆溫在第10天達(dá)到57 ℃。未添加生物炭的S1第9天升溫到51 ℃，第13天達(dá)到最高溫度56 ℃。由此可見，與對(duì)照相比，添加生物炭可促進(jìn)堆體提前 2—3 d進(jìn)入高溫期，顯著加快了堆肥進(jìn)程。

圖1 豬糞堆肥過(guò)程中溫度的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamics changing curves of temperatures during composting

堆肥前后物料理化性質(zhì)的變化如表2所示。與堆肥初期相比，S1、S2、S3、S4 pH 分別增加了22.7%、19.9%、19.5%和 15.0%，添加生物炭能夠降低堆體pH值的增加幅度。試驗(yàn)后期，所有處理的pH值均保持在9.0以下，符合腐熟堆肥pH值應(yīng)在8.0—9.0之間的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到堆肥腐熟要求。添加生物炭的處理的總養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)以及有效活菌數(shù)均有不同程度的提高，其中，S3的效果優(yōu)于其他處理，說(shuō)明添加生物炭可以有效改善堆肥的質(zhì)量。

表2 不同處理豬糞堆肥前后理化性質(zhì)Table 2 The variation of physical and chemical properties during composting

2.2 添加生物炭對(duì)堆肥氮素轉(zhuǎn)化的影響

2.2.1 生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中 NH4+-N 和 NO3?-N的影響

堆肥過(guò)程中NH4+-N和NO3?-N含量的動(dòng)態(tài)變化見圖2、3。添加生物炭的S2、S3、S4 3個(gè)處理NH4+-N含量均在第4天達(dá)到最高，然后逐漸下降至穩(wěn)定狀態(tài)。未添加生物炭的S1處理NH4+-N含量在前10 d逐漸升高，隨后迅速下降，最終趨于穩(wěn)定。未添加生物炭的NH4+-N含量增幅明顯大于添加生物炭的3個(gè)處理。NO3?-N含量在堆肥升溫期過(guò)程中變化幅度不大，在第10—17天高溫期NO3?-N含量迅速上升，對(duì)照處理NO3?-N含量增加幅度明顯低于添加生物炭的處理。堆肥結(jié)束時(shí)，S2、S3、S4 處理 NO3?-N含量分別比對(duì)照提高了39.64%、46.68%和28.84%。

圖2 豬糞堆肥過(guò)程中NH4+-N含量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Changes of NH4+-N during composting

圖3 豬糞堆肥過(guò)程中NO3?-N含量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Changes of NO3?-N during composting

2.2.2 生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)的影響

圖4為堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，堆肥前期氨揮發(fā)速率較小，隨著堆溫升高，氨揮發(fā)速率迅速加快，在高溫期氨揮發(fā)速率達(dá)到最大，在腐熟階段氨揮發(fā)速率逐漸降低，添加生物炭降低了堆肥在高溫期的氨揮發(fā)速率。由表3可知，與對(duì)照相比，添加生物炭顯著降低了各處理堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)的數(shù)量，堆肥結(jié)束時(shí)，S2、S3和S4較比對(duì)照分別降低了18.77%、25.35%和26.39%，S3、S4與S2之間差異顯著。

圖4 堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Changes of ammonia volatilization during composting

表3 不同處理豬糞堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)累積量Table 3 Total emission of ammonia in different treatment during composting

2.2.3 生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中總氮的影響

由表4可以看出，添加生物炭對(duì)堆肥全氮的增加有一定影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，S1—S4總氮的增加率分別為9.7%、27.5%、28.6%和26.2%，氨氮減少量分別為 869.3、703.8、811.4和 746.9 mg·kg?1，其原因可能是生物炭顆粒較小，且比表面積較大，與豬糞混合后，使豬糞堆肥的細(xì)小孔隙數(shù)量和體積較大，從而導(dǎo)致堆肥中空氣流速相對(duì)較小，氨氣的揮發(fā)損失較少，保氮作用更強(qiáng)。S3處理全氮增加率要優(yōu)于其他兩個(gè)處理。

表4 不同處理對(duì)豬糞堆肥總氮的影響Table 4 Total nitrogen in different treatment during composting

3 討論

3.1 添加生物炭對(duì)堆肥腐熟過(guò)程的影響

對(duì)好氧堆肥而言，溫度是反映有機(jī)物降解狀況及腐熟程度的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，堆溫在 50 ℃以上保持7 d或在55 ℃以上持續(xù)3 d，就可以殺死物料中的致病菌，達(dá)到畜禽糞便無(wú)害化的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（沈玉君等，2010）。本研究結(jié)果表明，添加不同比例生物炭能夠顯著提高堆溫，加快堆體升溫，與對(duì)照相比提前3—5 d進(jìn)入高溫期，縮短堆肥周期。Sanchez-Monedero et al.（2018）研究認(rèn)為，生物炭具有較大的比表面積，能夠增強(qiáng)持水和曝氣能力，堆肥過(guò)程中可提高堆體中微生物的數(shù)量與活性，造成堆體溫度增加。有研究認(rèn)為，生物炭為一種近似黑體的物質(zhì)，吸收能量后能夠釋放遠(yuǎn)紅外線產(chǎn)生熱效應(yīng)使溫度增加（吳曉東等，2019）。pH值是堆肥腐熟的重要指標(biāo)之一，能夠影響堆體內(nèi)微生物的生長(zhǎng)繁殖，在一定程度上反映堆肥腐熟進(jìn)程。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，堆肥過(guò)程中物料的pH值顯著增加，各處理堆肥后期pH值均保持在8.0—9.0之間，符合堆肥腐熟的范圍（王艮梅等，2019）。堆肥原料的pH值一般呈微酸性到中性，它的變化主要由堆體中微生物活動(dòng)和物料降解的產(chǎn)物共同決定。若堆肥過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸多于氨化作用產(chǎn)生的氨，堆料的pH值下降。添加生物炭的處理堆溫與升溫速率較高，導(dǎo)致其堆體內(nèi)有機(jī)物和小分子酸被快速分解，造成pH值較高（謝勝禹等，2019）。本研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥過(guò)程中加入5%—15%的生物炭降低了有機(jī)質(zhì)的含量，提升堆肥產(chǎn)品總養(yǎng)分含量和有效活菌數(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，添加適量的生物炭對(duì)改善堆肥品質(zhì)和縮短堆肥時(shí)間卓有成效。從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，添加10%的生物炭最為合適，這與Awasthi et al.（2017）的研究結(jié)果一致。

3.2 生物炭對(duì)堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化的影響

畜禽糞便堆肥過(guò)程中氮素轉(zhuǎn)化與氮素固持已成為一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。堆肥前期主要是氨化作用起主導(dǎo)作用，原料中的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮，這也是堆肥前期銨態(tài)氮迅速上升的原因。隨著堆肥的進(jìn)行，一部分銨態(tài)氮通過(guò)硝化細(xì)菌的硝化作用轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮，還有一部分以氨氣的形式釋放到大氣中（付祥峰等，2017）。降低堆肥氮素的損失不僅要減少氨揮發(fā)還要使更多的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮。有研究認(rèn)為，生物炭作為一種多孔結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)原料，有很強(qiáng)的吸附性能，能為微生物群落的繁殖及生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，提高硝化細(xì)菌的活性與數(shù)量，促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化（Deluca et al.，2006；劉寧等，2016）。本研究也表明，添加不同比例的生物炭均明顯提高了堆肥過(guò)程中各階段硝態(tài)氮的含量。氨揮發(fā)是堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失的主要途徑，主要受溫度、pH值、銨態(tài)氮含量和堆肥碳氮比等多因素綜合影響。添加生物炭后，由于堆肥前期的溫度迅速上升和pH值升高，導(dǎo)致氨揮發(fā)速率高于對(duì)照；在堆肥第 10天至堆肥結(jié)束期間，添加生物炭的處理氨揮發(fā)速率低于對(duì)照。氨揮發(fā)累積量與生物炭的添加比例成反比，一方面是由于添加生物炭顯著降低了銨態(tài)氮的含量，且生物炭對(duì)氨氣有很好的吸附性，減少了堆體的氨累積揮發(fā)量；另一方面堆肥物料碳氮比與氨排放量呈負(fù)相關(guān)，碳氮比越低，氨揮發(fā)越嚴(yán)重，堆肥時(shí)添加生物炭，提高了碳氮比，故降低了氨排放量。

全氮是所有形態(tài)氮含量之和，其變化趨勢(shì)與其他形態(tài)氮變化規(guī)律及微生物活性密切相關(guān)。生物炭為微生物的活動(dòng)提供了附著點(diǎn)，更有利于微生物的繁殖和生長(zhǎng)。堆肥前期，由于微生物的分解作用降低了有機(jī)氮含量，堆肥中后期腐殖化作用加強(qiáng)，在微生物作用下將無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)變成了腐殖質(zhì)態(tài)有機(jī)氮，提高了有機(jī)氮的穩(wěn)定性，減少了無(wú)機(jī)氮的損失（徐路魏等，2016）。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管氨揮發(fā)造成一定的氮素?fù)p失，但在堆肥結(jié)束時(shí)，添加生物炭的處理全氮均有所增加，這可能是由于堆肥過(guò)程中，有機(jī)物料不斷礦化及水分不斷蒸發(fā)，且減少幅度大于氨揮發(fā)速率，導(dǎo)致全氮含量因堆體的“濃縮效應(yīng)”而增加，這與劉微等（2015）的研究結(jié)果相似。堆肥結(jié)束時(shí)，S1—S4全氮含量比堆肥前分別增加了9.7%、27.5%、28.6%和 26.2%，添加生物炭有較明顯的保氮效果，添加 10%效果最佳，當(dāng)生物炭添加量超過(guò) 10%時(shí)，全氮含量反而有所下降，可能由于生物炭自身偏堿性，若添加量過(guò)多，會(huì)影響微生物的生活環(huán)境及活性，從而可能會(huì)影響除氨氣外其他溫室氣體的排放，具體影響機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）生物炭能顯著增加堆肥過(guò)程的溫度，縮短堆肥周期，生物炭處理與對(duì)照相比，提前 2—3天進(jìn)入高溫期，顯著加快了堆肥進(jìn)程，并且提高了堆肥質(zhì)量。

（2）生物炭能顯著增加堆肥過(guò)程硝態(tài)氮的含量，降低了銨態(tài)氮的含量，有利于銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化；添加10%和15%的生物炭能顯著降低堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)累積量，但兩者之間差異不顯著。

（3）堆肥后全氮的增加率分別為9.7%、27.5%、28.6%和 26.2%，其中添加 10%的生物炭全氮增加率最高。由此可見，從經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)考慮，添加 10%的生物炭是降低堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失的有效措施。