師倩云，李雪松，孟　延，蔡　苗，周建斌*（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100）

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加入不同比例黃土對糞肥碳、氮養(yǎng)分保蓄的影響

師倩云1，2，李雪松1，2，孟延1，2，蔡苗1，2，周建斌1，2*
（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100）

摘要：采用室內(nèi)培養(yǎng)方法研究了加入不同比例黃土對豬糞、牛糞兩種糞肥培養(yǎng)過程中碳、氮養(yǎng)分保蓄及養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明：加入黃土后豬糞CO2和NH3釋放量顯著降低，碳、氮保蓄率高于未加黃土處理；加入黃土后牛糞NH3釋放量顯著降低，氮素保蓄率提高，而碳素保蓄率無明顯變化，這與牛糞碳氮比相對較高，水溶性物質(zhì)含量低，且較難分解的纖維素和半纖維素含量高，相對難以分解有關(guān)。隨著黃土加入量的增加，土糞中各養(yǎng)分含量逐漸降低，這與加入黃土對糞肥養(yǎng)分的稀釋作用有關(guān)?？梢?，加入適量黃土對減少糞肥分解過程中溫室氣體排放,保蓄糞肥碳、氮養(yǎng)分有重要作用。

關(guān)鍵詞：黃土；家畜糞肥；碳氮養(yǎng)分；養(yǎng)分損失

師倩云，李雪松，孟延，等.加入不同比例黃土對糞肥碳、氮養(yǎng)分保蓄的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 35（5）：999-1005.

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近年來，隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量有機(jī)肥，其處置不當(dāng)帶來了突出的環(huán)境問題，包括農(nóng)業(yè)面源污染、溫室效應(yīng)氣體釋放等［1-4］。因此，如何減少畜禽糞肥堆置過程的養(yǎng)分損失成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的突出的環(huán)境問題。我國勞動人民在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中在糞肥利用方面積累了豐富的技術(shù)及經(jīng)驗，挖掘這些技術(shù)及經(jīng)驗的科學(xué)意義，對于解決目前面臨的問題具有重要的參考價值。

我國北方地區(qū)特別是黃土高原地區(qū)，在養(yǎng)殖過程中通常會給畜禽圈舍加入黃土為主的墊圈材料，一方面保持了畜圈的干燥清潔，利于畜禽健康；另一方面，加入的黃土可以保蓄糞肥的養(yǎng)分，也防止糞肥直接施用因養(yǎng)分濃度過高帶來的燒苗現(xiàn)象［5-6］。前人對黃土墊圈這一傳統(tǒng)措施的保蓄氮素養(yǎng)分及增產(chǎn)效果［7］等進(jìn)行了不少研究，發(fā)現(xiàn)純豬糞堆肥堆積一個半月后保蓄氮素僅70%，而豬糞1：2加土混拌后保蓄氮素達(dá)87%左右［8］，其保蓄機(jī)理與加入土壤充分混拌后黃土對銨離子的吸附作用有關(guān)［9］。對加入黃土對糞肥中碳素養(yǎng)分的研究相對較少，而糞肥堆置過程中釋放的CO2是重要的溫室效應(yīng)氣體［10-12］，糞肥加入黃土后改變了糞肥的物理、化學(xué)及生物等特性，無疑會對其有機(jī)物分解釋放CO2產(chǎn)生影響。因此，比較加入不同比例黃土對糞肥碳、氮養(yǎng)分保蓄的影響具有重要的意義。本試驗以豬糞、牛糞為研究對象，采用室內(nèi)好氣培養(yǎng)的方法，研究了加入不同比例黃土后這兩種糞肥CO2、NH3的釋放規(guī)律，旨在評估黃土墊圈在保蓄糞肥碳、氮養(yǎng)分的作用。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試黃土為采自陜西楊凌的黃土母質(zhì)，其基本性狀為：有機(jī)碳2.6 g·kg-1，無機(jī)碳146.2 g·kg-1，全氮0.3 g·kg-1，速效磷11.3 mg·kg-1，速效鉀101.3 mg·kg-1，pH 7.9。土樣采回后風(fēng)干、過2 mm篩，備用。供試的新鮮豬糞和牛糞采自西北農(nóng)林科技大學(xué)畜牧站，其基本理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計及方法

以上述兩種糞肥為研究對象，采用室內(nèi)好氣培養(yǎng)法研究糞肥加入不同比例黃土后，培養(yǎng)過程中CO2、NH3釋放及養(yǎng)分含量等的變化。糞肥與黃土分別按1：0、1：1、1：2、1：3及1：5比例混合，同時設(shè)置相應(yīng)重量黃土培養(yǎng)作為對照，共計15個處理（表2），每處理重復(fù)3次。

試驗按照相應(yīng)比例分別將豬糞、牛糞鮮樣與風(fēng)干黃土混勻，置于100 mL小培養(yǎng)瓶中，同時準(zhǔn)備2個分別裝有NaOH（20 mL，2 mol·L-1）和H3BO3（20 mL，20 g·L-1）的小瓶，用于吸收各處理釋放的CO2和NH3。將上述3個小瓶均置于密閉的750 mL廣口塑料瓶中［13］，于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。純糞肥保持其初始含水量，其余處理調(diào)節(jié)含水量為30%左右。在培養(yǎng)的第1、3、5、7、9、13、17、21、25、30、35 d測定各處理CO2釋放量，第1、3、5、7、9、13、17、25、35 d測定各處理NH3釋放量。每次測定結(jié)束后，更換CO2和NH3吸收液并用稱重法補充相應(yīng)水分。

1.3測定項目及計算方法

有機(jī)肥以及土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀等指標(biāo)均采用常規(guī)方法測定［14］。

CO2采用堿液吸收法［15］測定：向盛有NaOH吸收液的瓶中加入1 mol·L-1的BaCl2溶液20 mL，使吸收的CO2完全沉淀，再用2 mol·L-1的HCl滴定剩余NaOH，利用差減法計算CO2釋放量。

NH3用H3BO3溶液吸收，吸收液中加入甲基紅-溴甲酚綠指示劑，搖勻，用0.01 mol·L-1的HCl滴定，通過HCl消耗量計算NH3釋放量。

各處理糞肥CO2釋放量=糞肥黃土混合物CO2釋放量-對應(yīng)重量黃土處理CO2釋放量

各處理糞肥NH3釋放量=糞肥黃土混合物NH3釋放量-對應(yīng)重量黃土處理NH3釋放量

各處理糞肥碳素保蓄率=培養(yǎng)結(jié)束后有機(jī)碳含量/培養(yǎng)初期有機(jī)碳含量

表1　供試糞肥基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of manures

表2　試驗設(shè)計方案Table 2 Experimental design

各處理糞肥氮素保蓄率=培養(yǎng)結(jié)束后全氮含量/培養(yǎng)初期全氮含量

樣品礦質(zhì)態(tài)氮（NH+4-N和NO-3-N）、可溶性有機(jī)碳（DOC）的測定：培養(yǎng)結(jié)束后，各處理稱取5 g樣品用0.5 mol·L-1的K2SO4浸提（水土比4：1），220 r·min-1振蕩1h后過濾，連續(xù)流動分析儀測定NH+4-N和NO-3-N，總有機(jī)碳分析儀測定DOC。其余樣品風(fēng)干過篩后測定有機(jī)質(zhì)、全氮含量。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，Sigmaplot作圖，SAS統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析。

圖1　加入不同比例黃土糞肥碳累積釋放量動態(tài)變化Figure 1 Dynamics of cumulative carbon release amount from manure amended with different amount of loess

圖中比例代表新鮮有機(jī)肥重量：黃土重量，不同處理差異顯著性用LSD（5%）表示。下同

Ratio means fresh manure weight：loess weight. The significance of differences between treatments is shown as LSD（5%）. The same below

圖2　加入不同比例黃土糞肥氨氣累積釋放量動態(tài)變化Figure 2 Dynamics of cumulative ammonia release amount from manure amended with different amount of loess

2　結(jié)果與分析

2.1不同處理CO2釋放動態(tài)

圖1顯示，各處理糞肥CO2累積釋放量均隨培養(yǎng)時間的延長而不斷增加且增幅呈逐漸降低趨勢。與未加黃土相比，培養(yǎng)結(jié)束時（35 d）豬糞加黃土處理培養(yǎng)過程中CO2釋放量顯著降低（P＜0.05），按1：1和1：5加入黃土處理的CO2釋放量分別為72.8、77.2 g·kg-1，較未加黃土豬糞CO2釋放量（95.7 g·kg-1）分別降低了23.9%和19.3%；豬糞加入黃土的四個處理CO2釋放量無顯著差異（圖1a）。加入黃土對牛糞CO2累積釋放量無顯著影響（圖1b）。

2.2不同處理NH3釋放動態(tài)

隨培養(yǎng)時間的延長，各處理糞肥NH3釋放累積量均不斷升高（圖2）。培養(yǎng)結(jié)束時（35 d），與未加黃土對照相比，加入黃土后豬糞NH3釋放量均顯著降低（P＜0.05），且隨加入黃土量的增加，豬糞NH3釋放量顯著降低（圖2a）；1：5處理NH3釋放量最低，為267.6 mg·kg-1，比未加黃土豬糞NH3釋放量（3 187.6 mg·kg-1）下降了91.6%。加不同比例黃土后，牛糞NH3釋放規(guī)律與豬糞類似（圖2b），但其NH3的釋放量低于豬糞；不同處理相比，以1：3和1：5處理NH3釋放量最低，分別為113.1、118.7 mg·kg-1，較未加黃土牛糞NH3釋放量（1 373.4 mg·kg-1）分別降低了91.8%和91.4%。

表3　不同處理有機(jī)碳、全氮、可溶性有機(jī)碳及礦質(zhì)態(tài)氮含量Table 3 TOC，TN，DOC，and mineral-N content in different treatments

2.3不同處理總有機(jī)碳、全氮、DOC、礦質(zhì)態(tài)氮含量

如表3所示，與未加黃土相比，加黃土后各處理的有機(jī)碳、全氮、可溶性有機(jī)碳、銨態(tài)氮的含量顯著降低（P＜0.05），且隨加入黃土比例的增加，上述各指標(biāo)也呈降低的趨勢。豬糞加入黃土后各處理硝態(tài)氮的含量顯著高于純豬糞處理，其中以1：2處理硝態(tài)氮含量最高；牛糞加入黃土各處理相比，以1：1處理硝態(tài)氮含量最高，1：2和1：3處理與純牛糞處理相比硝態(tài)氮含量無顯著差異。

2.4不同處理糞肥碳、氮保蓄率

培養(yǎng)結(jié)束時（35 d）豬糞加入黃土后碳素保蓄率高于未加入黃土處理（圖3a），隨黃土加入量增加，豬糞碳素保蓄率有所提高，其中1：5處理碳素保蓄率較未加黃土處理差異顯著（P＜0.05）?？梢姡尤朦S土對豬糞碳素保蓄有一定作用。短期培養(yǎng)內(nèi)加入黃土對牛糞碳素保蓄率則無顯著影響（圖3b）。

培養(yǎng)結(jié)束時（35 d），加入黃土后豬糞氮素保蓄率高于純豬糞，其中1：3和1：5處理氮素保蓄率達(dá)95%（圖4a），與純豬糞處理相比差異顯著（P＜0.05）。與純牛糞相比，加入黃土提高了牛糞氮素保蓄率（圖4b），其中1：3處理氮素保蓄率顯著高于未加黃土的處理。由此可見，糞肥中加入黃土對其氮素保蓄有一定作用。

圖3　糞肥加入不同比例黃土后碳素保蓄率Figure 3 Carbon retention capacity of manures amended with different amount of loess

3　討　論

3.1加入黃土對糞肥養(yǎng)分保蓄效應(yīng)及機(jī)理

本研究發(fā)現(xiàn)，黃土加入后顯著降低了豬糞CO2的釋放量，增加了豬糞碳的保蓄率，而對牛糞CO2的釋

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向大氣釋放氨的主要來源［22-23］。本研究發(fā)現(xiàn)，加入黃土后顯著降低了兩種糞肥氨揮發(fā)，這與前人的研究結(jié)果一致［8］。加入黃土后糞肥氨揮發(fā)量降低的原因可能包括：（1）黃土粒徑顆粒比表面積大，增加了對糞肥中氨的吸附作用［24］；（2）黃土與糞肥混合后，稀釋了糞肥銨態(tài)氮的濃度，如表3所示，兩種糞肥加入黃土后銨態(tài)氮含量較未加入黃土糞肥銨態(tài)氮含量顯著降低；（3）黃土的加入改善了糞肥的物理性狀，促進(jìn)了微生物的繁殖及硝化作用的進(jìn)行［25-26］。由本研究結(jié)果可以看出，加入黃土這一傳統(tǒng)保蓄糞肥養(yǎng)分的措施在降低糞肥氨揮發(fā)方面具有顯著效果。本研究同時發(fā)現(xiàn)，加入黃土對豬糞及牛糞兩種糞肥碳釋放及保蓄能力的影響有別于氮素，除與兩種糞肥的性質(zhì)差異有關(guān)外（表1），也與糞肥碳、氮分解的產(chǎn)物不同有關(guān)，即糞肥碳代謝的產(chǎn)物為CO2，而氮代謝的產(chǎn)物為銨離子，前者易從土糞中逸出，而后者易被黃土吸附。

從歷史的角度看，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用黃土墊圈的做法可有效保蓄糞肥的養(yǎng)分，減少了糞肥中氨向大氣的釋放；同時也在一定程度上降低了CO2這一溫室效應(yīng)氣體向大氣中的排放。因此，對以一家一戶為主要養(yǎng)殖方式的一些農(nóng)村，仍應(yīng)提倡加入黃土這一傳統(tǒng)的保蓄養(yǎng)分的方式。對大規(guī)模的養(yǎng)殖方式而言，加入黃土這一傳統(tǒng)的方法工作量大、操作難度大，可借鑒向糞肥中加入黃土的這一思路，輔以添加其他吸附能力強的制劑（如沸石等）的方法，以減少糞肥存放與堆置過程中碳、氮養(yǎng)分的揮發(fā)損失。

圖4　糞肥加入不同比例黃土后氮素保蓄率Figure 4 Nitrogen retention capacity of manures amended with different amount of loess

3.2加入黃土對糞肥養(yǎng)分含量變化的影響

本研究表明，隨著黃土加入量的增加，土糞有機(jī)碳、全氮、可溶性有機(jī)碳及礦質(zhì)氮含量均降低（表3），這與加入黃土對糞肥所含養(yǎng)分的稀釋作用有關(guān)，黃土加入保蓄養(yǎng)分與過量加入降低糞肥養(yǎng)分含量是矛盾的兩個方面。從本研究氮素保蓄效果看，隨加入黃土比例的增加，兩種有機(jī)肥氮素的保蓄率均呈增加的趨勢，其中兩種糞肥與黃土比例為1：3時氮素的保蓄率與未加黃土處理的差異顯著。但加入黃土量過多，會降低土糞養(yǎng)分含量，進(jìn)而影響其肥效。改革開放前，黃土高原地區(qū)一些生產(chǎn)單位或農(nóng)戶向畜禽圈舍大量加入黃土，一些土糞黃土的比例高達(dá)90%，導(dǎo)致土糞養(yǎng)分含量降低，這也就是當(dāng)時存在的“黃土搬家”問題［27-28］，增加了生產(chǎn)的用工量反而降低了土糞養(yǎng)分含量。為解決這一問題，研究人員提出利用作物秸稈或其他植物殘體與有機(jī)肥堆置的方法，降低了用工量，提高了有機(jī)肥質(zhì)量［29-30］。

隨著黃土加入量的增加，土糞中硝態(tài)氮含量的變化有別于其他養(yǎng)分含量的變化（表3），呈先增加后減少的趨勢。黃土加入量低時，土糞中硝態(tài)氮含量的增加，與加入黃土后改善了糞肥的通氣狀況［8］，促進(jìn)了其硝化作用有關(guān)；而隨著黃土加入量的增加，黃土的稀釋作用降低了土糞中硝態(tài)氮的含量。

4　結(jié)論

加入黃土顯著降低了豬糞及牛糞培養(yǎng)過程中氨的累積釋放量，以及豬糞CO2的累積釋放量，而對牛糞CO2的累積釋放量無顯著影響，說明我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用黃土墊圈的做法不僅保蓄了養(yǎng)分，還降低了CO2這一溫室效應(yīng)氣體向大氣中的排放。隨黃土添加量的增加，土糞有機(jī)碳、全氮、可溶性有機(jī)碳及礦質(zhì)氮含量均降低，這與加入黃土對糞肥所含養(yǎng)分的稀釋作用有關(guān)。

雖然添加黃土這一傳統(tǒng)的保蓄糞肥養(yǎng)分的方法在現(xiàn)代大規(guī)模養(yǎng)殖中實施起來有一定的難度，但采用黃土這一便捷的材料保蓄糞肥養(yǎng)分的思路在提倡環(huán)保的今天無疑仍有借鑒價值。

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中圖分類號：S153.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）05-0999-07

doi:10.11654/jaes.2016.05.026

收稿日期：2015-11-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（31372137）；國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAD15B04）

作者簡介：師倩云（1990—），女，山西臨汾人，碩士研究生，主要從事土壤碳累積及轉(zhuǎn)化方面的研究。E-mail：shiqianyun90@163.com

*通信作者：周建斌E-mail：jbzhou@nwsuaf.edu.cn

Effects of loess additions on carbon and nitrogen retention in manures

SHI Qian-yun1,2, LI Xue-song1,2, MENG Yan1,2, CAI Miao1,2, ZHOU Jian-bin1,2*
（1.College of Natural Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China; 2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China）

Abstract：With rapid development of animal production in China, more and more manures have been generated. Nutrient losses from the manures result in severe environmental problems. Therefore, how to conserve nutrients in the manures deserves further study. An incubation experiment was carried out to examine the influence of adding different rates of loess on CO2and NH3emissions from two manures（pig manure & cow manure）and retention capacities of carbon and nitrogen in the manures. Results showed that the addition of loess significantly reduced the emissions of CO2and NH3gases from pig manure,and increased C and N retention in the pig manure. For cow manure, adding loess reduced the NH3emissions during the incubation, whereas it did not affect CO2emissions. Such different effects of loess on CO2emissions between two manures were due to the differences in manure properties. Compared with pig manure, cow manure was higher in cellulose and semi-cellulose and in C/N ratios, but lower in soluble substances, thus having very slow decomposition rates. However, increased addition of loess might reduce the content of nutrients in the mixture because of dilution effect. It is concluded that adding loess to manures has positive roles in reducing greenhouse gas emissions, and nutrient losses.

Keywords：loess; animal manure; carbon and nitrogen; nutrient loss