劉 娟, 柏兆海, 曹玉博, 張楠楠, 趙占輕, 馬 林**

?

家畜圈舍糞尿表層酸化對氨氣排放的影響*

劉 娟1,2, 柏兆海1, 曹玉博1,2, 張楠楠1,2, 趙占輕3, 馬 林1**

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院 石家莊 050031)

氨氣是形成霧霾前體物的關(guān)鍵物質(zhì), 而家畜養(yǎng)殖圈舍是氨氣的重要排放源。本文選擇圈舍環(huán)節(jié)新鮮豬糞和牛糞作為試驗(yàn)樣品, 利用動(dòng)態(tài)箱-硼酸吸收法, 研究了不同類型酸和不同劑量酸的表層酸化對圈舍糞尿氨排放的影響, 探討圈舍氨減排的方法。研究發(fā)現(xiàn): 按0.31 mL×cm-2的噴施量在豬糞表層噴施0.012 mol×L-1和0.006 mol×L-1乳酸, 24 h氨累積排放量可分別減少43%(<0.05)和32%(=0.07); 噴施0.017 mol×L-1和0.009 mol×L-1磷酸后, 氨排放可分別減少74%(<0.01)和61%(<0.05); 糞尿表面噴灑0.017 mol×L-1磷酸72 h后仍可減少氨排放64%(<0.01)。另外, 用同樣方法對牛糞酸化可降低氨排放80%左右, 且在不添加新糞的情況下, 糞尿表層酸化間隔對24 h內(nèi)氨減排效率無顯著影響。同時(shí), 糞尿表面酸化僅改變糞尿表層pH, 對糞尿整體pH無顯著影響。綜上所述: 圈舍糞尿表面酸化可以大幅度降低氨氣揮發(fā), 其減排效果與酸的種類、濃度及糞尿類型有關(guān), 是一種實(shí)現(xiàn)圈舍氨減排且經(jīng)濟(jì)可行的方法, 此研究也可為家畜養(yǎng)殖業(yè)圈舍酸化氨減排技術(shù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

糞尿pH; 氨揮發(fā); 家畜糞尿; 養(yǎng)殖圈舍; 氨減排; 糞尿表面酸化

農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)是全球最大的氨氣(NH3)排放源[1]。根據(jù)國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)2010年的研究結(jié)果, 歐盟國家農(nóng)業(yè)源氨氣排放占總排放量的89%, 其中畜牧業(yè)氨氣排放占農(nóng)業(yè)源的67%[2]。農(nóng)業(yè)源占我國氨排放的95%, 其中畜牧業(yè)占全國氨排放50%[3-4]。NH3大量排放會(huì)導(dǎo)致氮沉降增加, 適量氮沉降有利于部分植物生長中對氮的吸收, 若大量氮沉降在氮敏感區(qū)域, 就會(huì)造成一系列環(huán)境問題, 如氨伴隨大氣的干濕沉降進(jìn)入水體會(huì)增加地表水酸度,導(dǎo)致沿海富營養(yǎng)化, 若進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[5-9]。更值得關(guān)注的是氨氣是細(xì)顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)的重要組成物質(zhì)[10], 在二次無機(jī)氣溶膠(SIA)形成中占據(jù)較大比例[11], 是霧霾形成的主要底物之一。韋蓮芳等[12]研究表明: NH3、NH4+與PM2.5晝夜變化特征相似, NH3在灰霾形成過程中起著重要作用。歐美等國家對限制畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放的研究較多[13], 中國對畜牧業(yè)氨減排研究起步較晚。

研究發(fā)現(xiàn)糞尿酸化是減緩氨揮發(fā)的一種有效方法[14]。在液相中, 氨態(tài)氮含量取決于液相中NH4+和NH3之間的轉(zhuǎn)化過程, 反應(yīng)如下:

NH4+(l)?NH3(l)+H+(1)

NH3(l)?NH3(g, 氣相液相邊界)?NH3(g, 空氣) (2)

該反應(yīng)過程受溫度和溶液pH控制, 高溫時(shí)反應(yīng)向NH3轉(zhuǎn)化; 當(dāng)溫度保持恒定時(shí), pH決定了糞尿系統(tǒng)中NH4+和NH3之間的平衡[6]。此外, 尿液氨揮發(fā)主要受溶液中NH3和NH4+濃度影響, 較低pH會(huì)降低水溶液中NH3比例, 從而NH4+比例增加, 因此達(dá)到氨減排效果[6]。

目前常用于酸化減氨的物質(zhì)有強(qiáng)酸(硫酸、磷酸、鹽酸等)、弱酸(乳酸、苯甲酸等)和弱酸性鹽類(硫酸氫鈉、硫酸鋁、氯化鋁、氯化鈣等)[13]。在國際上已有很多對畜禽糞尿酸化進(jìn)行氨減排的研究, 涉及到圈舍、儲(chǔ)藏以及施用等環(huán)節(jié)。如Sommer等[15]曾報(bào)道將儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)的奶牛糞尿用硫酸酸化至pH 5.5, 47 d氨累積排放量減少62%。Shi等[16]的研究證明在牛糞儲(chǔ)藏過程添加硫酸鋁, 21 d后, 氨氣累計(jì)排放量只有對照處理的1.7%~8.5%。Pain等[17]將pH為5.5牛糞連續(xù)兩年進(jìn)行田間施用, 氨減排效率分別為67%、95%。在丹麥, 針對圈舍環(huán)節(jié)糞尿的酸化已經(jīng)形成技術(shù), 如Kai等[18]利用Infarm A/S裝置對圈舍糞尿酸化后, 圈舍氨氣排放可降低70%。但是若要把糞尿pH控制在氨揮發(fā)速率較低的5.5左右, 弱酸用量較大, 強(qiáng)酸對設(shè)備腐蝕性以及畜禽危害較大[6], 而表面酸化技術(shù)可以降低成本以及酸對設(shè)備、畜禽的傷害, 但其減排效果不確定, 酸的類型及用量也有待研究。本研究針對上述問題,擬利用動(dòng)態(tài)箱-硼酸吸收法, 研究圈舍環(huán)節(jié)表面酸化(不同類型酸和濃度)對牛、豬糞尿氨揮發(fā)影響。開展圈舍糞尿表面酸化減氨研究, 以期減少酸用量; 同時(shí)在糞尿表面形成酸化層, 抑制糞尿的氨向大氣揮發(fā), 探討一種實(shí)現(xiàn)圈舍氨減排且經(jīng)濟(jì)可行的方法, 為家畜養(yǎng)殖業(yè)圈舍酸化氨減排技術(shù)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究所用糞尿樣品分別取自中國河北省石家莊市欒城區(qū)奶牛養(yǎng)殖場、滄州市南皮縣種豬養(yǎng)殖場和育肥豬養(yǎng)殖場。奶牛養(yǎng)殖場采用自然通風(fēng)圈舍, 奶牛體重550~600 kg, 產(chǎn)奶量為28~30 kg×d-1; 圈舍內(nèi)為水泥地板, 刮糞板清糞, 每天清糞兩次; 試驗(yàn)糞尿在高產(chǎn)泌乳牛舍采集, 所采糞尿含水量為85%~90%。南皮縣種豬養(yǎng)殖場圈舍為部分漏縫地板, 水沖糞, 每周一次, 對妊娠母豬進(jìn)行限位飼養(yǎng), 妊娠母豬妊娠天數(shù)75~112 d, 平均體重210 kg; 試驗(yàn)所用糞尿取自妊娠母豬豬舍漏縫地板下糞尿通道, 所采糞尿含水量為96%~98%。育肥豬養(yǎng)殖場圈舍內(nèi)也是部分漏縫地板, 刮糞板清糞, 每天一次, 但對育肥豬采取圍欄飼養(yǎng), 育肥豬平均體重60 kg; 試驗(yàn)糞尿取自流入糞池出口處, 所采糞尿含水量為94%~95%。兩種豬舍內(nèi)溫度設(shè)定為23 ℃, 通過水簾和風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)。所有糞尿樣品都取自實(shí)際生產(chǎn)的動(dòng)物圈舍內(nèi), 盡可能地模擬實(shí)際圈舍內(nèi)的糞尿狀態(tài), 所取樣品混勻后放入模擬圈舍進(jìn)行試驗(yàn), 保證各個(gè)樣品的一致性。

本研究共設(shè)計(jì)了4個(gè)試驗(yàn), 具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。試驗(yàn)1中在第0 h、6 h、12 h有3次添糞操作, 每次添加1.67 cm厚度糞尿, 共計(jì)5 cm; 試驗(yàn)2、3、4在0 h添加5 cm厚度糞尿。試驗(yàn)4中, 不同處理按固定間隔噴施磷酸, 每次噴酸后測定氨揮發(fā)。試驗(yàn)具體操作方法見圖1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)時(shí)間為試驗(yàn)開始后的時(shí)間。1) Time is hours after begin of the experiment.

圖1 動(dòng)態(tài)箱-硼酸吸收氨氣測定方法及裝置

1.2 試驗(yàn)糞尿性質(zhì)

試驗(yàn)1、2、3在試驗(yàn)開始前(0 h)及處理后第24 h、72 h分別取樣, 糞尿樣品在-20 ℃環(huán)境中保存。糞尿樣品的銨態(tài)氮(NH4+-N)利用KCl浸提法由SmartChem140全自動(dòng)化學(xué)分析儀測定; pH由梅特勒FE20 pH計(jì)KCl浸提液測定得到。具體性質(zhì)見表2。

表2 試驗(yàn)用糞尿原始樣品和不同處理后24 h和72 h的NH4+-N含量和pH變化

1.3 測定項(xiàng)目及方法

在此次研究中, 所有試驗(yàn)均在塑料收納箱中進(jìn)行, 箱體大小為37.0 cm×25.5 cm×20.0 cm; 箱體底部鋪有水泥地板模擬實(shí)際圈舍地板類型, 測定氨揮發(fā)時(shí)將蓋子與箱子密封, 蓋子上設(shè)計(jì)有5個(gè)進(jìn)氣口與外部相通, 5個(gè)出氣口連接硼酸吸收瓶, 硼酸吸收瓶通過分氣閥與抽氣泵相連接, 每個(gè)抽氣泵通過分氣閥控制1個(gè)處理的3個(gè)重復(fù), 保證其流量一致(圖1)。氨氣濃度利用動(dòng)態(tài)箱-硼酸吸收法測定, 將裝有250 mL氨吸收液(2%硼酸+甲基紅溴甲酚綠混合指示劑)的氨吸收瓶與模擬圈舍通過5個(gè)通氣口連接, 另一個(gè)通氣口連接外置氣泵, 在經(jīng)過15 min的氨吸收后, 對氨吸收液用標(biāo)準(zhǔn)酸(0.01 mol·L-1硫酸)滴定, 得到氨氣濃度。根據(jù)計(jì)算公式(3)由滴定時(shí)所用硫酸體積得到氨氣排放速率:

根據(jù)計(jì)算公式(4)由氨氣排放速率得到氨氣累積損失量():

可見，在母公司和子公司是否會(huì)被牽連制裁的問題上，美國政府在立法上存在不確定性，在實(shí)踐中存在較大隨意性。企業(yè)從風(fēng)險(xiǎn)和內(nèi)控角度看，應(yīng)在公司整體商業(yè)利益和伊朗業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)之間進(jìn)行權(quán)衡，在必要情況下可選擇放棄伊朗業(yè)務(wù)，如果確有需要繼續(xù)維持在伊業(yè)務(wù)，也要咨詢專門的制裁律師，采取最優(yōu)化商業(yè)方案。

式中:′、″代表試驗(yàn)進(jìn)行的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn);′、″分別代表′、″時(shí)氨氣排放速率, g·h-1·m-2;代表′、″時(shí)間段內(nèi)氨氣累積損失量, g·m-2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果利用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)糞尿0~24 h氨氣排放速率和表層酸化對其影響

在圖2a對奶牛糞尿的研究中發(fā)現(xiàn), 在乳酸酸化處理中0~24 h糞尿氨氣排放速率是一個(gè)遞減過程, 對照氨氣排放速率在18 h后呈現(xiàn)上升的趨勢。試驗(yàn)中在0 h、6 h、12 h有添加新糞導(dǎo)致了氨氣持續(xù)釋放, 但經(jīng)乳酸酸化后氨氣排放速率逐漸降低且明顯低于對照。12 h后沒有噴酸操作, 但酸化仍可持續(xù)降低糞尿氨揮發(fā)速率。

在對妊娠母豬糞尿研究中(圖2b), 經(jīng)酸化處理后24 h氨氣排放速率顯著降低。其中, 經(jīng)磷酸酸化后糞尿氨排放速率在噴酸后可快速穩(wěn)定在較低水平; 乳酸的酸化過程較為緩慢, 到第12 h時(shí), 氨排放速率由0.27 g(NH3)·h-1·m-2逐漸降低到0.09 g(NH3)·h-1·m-2(0.012 mol×L-1), 噴施0.006 mol×L-1乳酸的處理氨氣排放速率由0.19 g(NH3)·h-1·m-2降低到0.05 g(NH3)·h-1·m-2。在0 h測定中, 噴施乳酸的處理氨氣排放速率可降低12%(>0.05)(0.012 mol×L-1)、37%(=0.08)(0.006 mol×L-1); 0.017 mol×L-1和0.009 mol×L-1的磷酸可分別降低氨排放速率77%(<0.01)和76%(<0.01)。第4 h時(shí), 各處理的氨排放速率都有一定幅度升高, 經(jīng)第6 h噴酸操作后, 第8 h測得的氨排放速率持續(xù)降低, 第12 h再次進(jìn)行噴酸后, 各酸化處理的氨排放速率持續(xù)降低且都穩(wěn)定在較低水平。在12~24 h內(nèi)沒有噴酸操作, 故在第24 h測得的氨減排速率較第12 h略有上升, 在其他處理中同樣觀測到了升高現(xiàn)象。

圖2 試驗(yàn)糞尿0~24 h氨氣排放速率及表層酸化對其影響(a、b、c分別為表1中的試驗(yàn)1、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3)

在對育肥豬的試驗(yàn)中(圖2c)24 h內(nèi)氨排放速率顯示, 相比于乳酸, 磷酸的氨減排效果更明顯, 在試驗(yàn)的前10 h左右, 乳酸都沒有降低氨排放速率, 直到第12 h才測得其氨揮發(fā)速率低于對照組。在噴施0.009 mol×L-1磷酸處理中氨排放速率可穩(wěn)定降低50%以上, 經(jīng)第6 h噴酸后, 第8 h測得的氨排放速率持續(xù)降低, 第12 h氨排放速率達(dá)到最低。在第24 h, 同樣測得了氨排放速率上升的現(xiàn)象, 但磷酸酸化處理的減排效率仍可達(dá)到60%(<0.05), 顯著高于乳酸。

2.2 畜禽糞尿24 h氨氣累積損失量和表層酸化對其影響

在對牛糞進(jìn)行乳酸酸化的研究中(圖3a), 酸化對氨氣的損失量減排效果不明顯。0~6 h氨損失量的減排效率最高, 也僅為23%(>0.05), 原因可能有兩個(gè), 一是在這個(gè)試驗(yàn)中的噴酸量與其他試驗(yàn)都不同, 加酸量為0.14 mL×m-2濃乳酸, 再將其稀釋3倍噴灑在糞尿表面, 其他試驗(yàn)的噴酸量為0.31 mL×m-2; 二是由于添糞操作持續(xù)增加了氨氣的排放, 后者可能為主要原因。

圖3 試驗(yàn)糞尿24 h內(nèi)NH3累積損失量及表層酸化對其影響(a、b、c分別為表1中的試驗(yàn)1、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3)

在對妊娠母豬糞尿的研究中(圖3b), 0~24 h內(nèi)噴施0.012 mol×L-1、0.006 mol×L-1乳酸的處理分別降低氨損失量43%(<0.05)和32%(=0.07)。噴施0.017 mol×L-1磷酸的處理減排效果最好, 其減排效率為74%(<0.01), 明顯高于噴施0.009 mol×L-1磷酸處理的61%(<0.05)。另外, 在噴酸量以及稀釋倍數(shù)相同條件下, 磷酸的氨減排能力約為乳酸2倍。

在圖3c對育肥豬的研究中發(fā)現(xiàn)噴施0.006 mol×L-1乳酸的處理在試驗(yàn)的前12 h, 不僅不能減少氨排放, 甚至促進(jìn)氨排放; 但12~24 h期間, 乳酸持續(xù)降低了氨氣排放, 使24 h后乳酸仍有一定的氨減排能力。相比來說, 0.009 mol×L-1的磷酸可穩(wěn)定降低氨排放, 0~24 h內(nèi)降低氨損失56%(<0.01)。

為了獲得更準(zhǔn)確的氨減排效果, 同時(shí)研究噴酸間隔對24 h內(nèi)牛糞氨損失量的影響, 我們在試驗(yàn)1、2、3的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了試驗(yàn)4, 改變了磷酸噴施量和每次噴酸間隔(圖4)。為了統(tǒng)一計(jì)算, 利用24 h內(nèi)氨累積排放量表現(xiàn)氨減排效果。3組酸化處理結(jié)果顯示其對氨氣損失平均減排效果在80%左右。且在不添加新糞情況下, 噴酸間隔對24 h內(nèi)氨減排效果影響不大。

圖4 噴施0.012 mol×L-1磷酸的間隔對試驗(yàn)糞尿24 h氨氣累積損失量的影響

2.3 試驗(yàn)糞尿72 h氨氣累積損失量和表層酸化對其影響

妊娠母豬糞尿研究結(jié)果顯示(圖5b), 對照72 h內(nèi)氨氣損失量隨著時(shí)間逐漸降低, 但即使到了第72 h, 氨氣損失量仍較高, 可達(dá)到(2.66±0.42) g(NH3)·m-2; 而經(jīng)酸化處理后, 糞尿樣品每天的氨氣損失量持續(xù)低于對照。雖然只在前12 h噴酸, 但是噴灑0.017 mol×L-1磷酸能使糞尿氨損失量在72 h內(nèi)都保持較低水平。

在對育肥豬糞尿的研究中(圖5c), 0~24 h內(nèi)0.009 mol×L-1磷酸的處理相較于0.006 mol×L-1乳酸有較好減排效果, 但是在24~48 h內(nèi), 乳酸氨減排效率為38%(<0.01), 施用磷酸的處理沒有顯著氨減排效果。由于試驗(yàn)對氨氣的測定為24 h后每24 h測定一次, 即在24~48 h內(nèi)氨氣累積排放量由第48 h測得的平均氣體排放速率的24倍獲得, 因此誤差較大, 可能導(dǎo)致了結(jié)果中酸化減排效果的不穩(wěn)定。

圖5 試驗(yàn)糞尿72 h內(nèi)氨氣排放量及表層酸化對其影響(a、b、c分別為表1中的試驗(yàn)1、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3)

2.4 糞尿性質(zhì)及表層酸化對其影響

奶牛糞尿原始樣品中銨態(tài)氮含量為1.11 g·kg-1(表2), 24 h和72 h后對照組和酸化組銨態(tài)氮都有升高, 且經(jīng)酸化后糞尿的銨態(tài)氮含量高于對照。

妊娠母豬糞尿樣品取自漏縫地板下, 大部分固體糞便在漏縫地板上已被清理, 少部分固體糞便都沉淀在底部, 且圈舍漏縫地板下糞尿定期用水沖洗, 故所取樣品固體糞含量低, 測得銨態(tài)氮含量也較低, 為0.18 g·kg-1。72 h樣品中, 經(jīng)酸化的糞尿銨態(tài)氮含量高于對照, 但其增加量與72 h內(nèi)的氨累積排放量沒有相關(guān)性, 其原因與樣品中固體含量差異性較大有關(guān)。同理, 對照24 h的銨態(tài)氮很高, 其原因與取樣的不均勻以及樣品間差異大有關(guān)。

育肥豬糞尿樣品是由抽水泵在漏縫地板下抽出,故其固液混合的較為均勻且未被稀釋, 測定的銨態(tài)氮含量為1.77 g·kg-1, 24 h、72 h樣品銨態(tài)氮結(jié)果顯示酸化處理高于對照。

試驗(yàn)中酸化后樣品pH較高, 僅略低于原樣及對照, 但氨減排效果仍較好, 這主要是由于試驗(yàn)中酸化操作只是將酸噴灑在糞尿表面, 而糞尿表面pH很難測得, 試驗(yàn)中所測定為表面酸與下層糞尿混合后的樣品pH, 故表面酸化操作對糞尿的整體pH影響不大。

3 討論

3.1 不同種類酸對圈舍氨排放的影響

用于糞尿酸化的酸一般分為強(qiáng)酸、弱酸和弱酸性鹽類, 不同酸的氨減排效果也有一定差異。本研究中, 如圖2b在磷酸作用下24 h內(nèi)氨氣的排放速率一直都處于較低狀態(tài), 而在同樣較低濃度的乳酸作用下氨氣排放速率的降低是一個(gè)緩慢過程。這是由于試驗(yàn)中所用磷酸屬于中強(qiáng)酸, 添加后可以快速改變糞尿pH, 與糞尿中氨發(fā)生反應(yīng)的磷酸可形成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物磷酸銨, 從而保證pH穩(wěn)定[19-20]; 而乳酸屬緩沖性較強(qiáng)的弱酸, 要達(dá)到相同減排效果施入量要高于磷酸, 施入后需要一段時(shí)間才能降低糞尿pH[15]。從24 h氨累積排放量上看, 磷酸的氨減排效果優(yōu)于乳酸。Regueiro等[21]分別利用強(qiáng)酸(硫酸)和弱酸(乳酸、醋酸和檸檬酸)酸化豬糞和牛糞(pH為5.5), 60 d后硫酸可降低氨排放76%(豬糞)和81%(牛糞), 而弱酸對氨的平均減排效果僅為33%(豬糞)和42%(牛糞), 與本研究結(jié)果相似。

3.2 不同酸化強(qiáng)度對圈舍氨排放的影響

在對妊娠母豬的試驗(yàn)中(圖2b), 磷酸和乳酸都設(shè)計(jì)了兩種酸化強(qiáng)度, 乳酸處理24 h內(nèi)氨累積排放量分別減少43%(0.012 mol×L-1)和32%(0.006 mol×L-1), 磷酸處理則分別減少74%(0.017 mol×L-1)和61%(0.009 mol×L-1)。由于此研究是對糞尿表面進(jìn)行噴酸, 酸化層較薄, 糞尿表面pH難以準(zhǔn)確測得, 但可根據(jù)強(qiáng)酸酸性高于乳酸得到, 此研究結(jié)果為酸化強(qiáng)度越高減排效果越好。但研究表明當(dāng)糞尿pH在7~10時(shí)氨揮發(fā)量最大, 當(dāng)pH在7以下時(shí), 氨揮發(fā)就會(huì)受到抑制, pH為4.5時(shí)就只有微量氨存在[22], 若繼續(xù)降低pH, 其對氨減排效果改變不大, 反而增大了成本, 故酸化強(qiáng)度并不是越高越好。Molloy等[23]發(fā)現(xiàn), 將pH為7~8的糞尿用HCl酸化至1.6, 結(jié)果顯示隨著pH降低, 糞尿中銨態(tài)氮先是逐漸升高, 但當(dāng)下降到某個(gè)pH值后銨態(tài)氮會(huì)保持平穩(wěn), 在豬糞中這個(gè)pH值為4, 牛糞中為5。溫度一定時(shí), 糞尿中存在NH4+和NH3的平衡[24], NH3揮發(fā)的降低會(huì)促進(jìn)銨態(tài)氮的增加, 故從銨態(tài)氮的變化規(guī)律中也可得到降低氨揮發(fā)pH并不是越低越好。本研究中具有最高酸化強(qiáng)度的為添加0.017 mol×L-1磷酸的處理, 其氨減排效果為74%, 而很多研究中強(qiáng)酸化對氨的減排效率可達(dá)到90%以上[25-27], 故從減排效率上看, 之后的研究可嘗試增大酸化強(qiáng)度。

3.3 圈舍糞尿表面酸化技術(shù)的應(yīng)用前景

圈舍環(huán)節(jié)最常用的氨減排技術(shù)有鋪設(shè)漏縫地板、糞尿快速清理及添加脲酶抑制劑等, 但這些方式在減少氨排放的同時(shí)也存在一些問題。如Philippe等[28]發(fā)現(xiàn)豬舍中鋪設(shè)漏縫地板后, 雖然氨氣由12.77 g·d-1·sow-1降低到9.05 g·d-1·sow-1, 但漏縫地板的松動(dòng)和不合適的寬度, 都有可能造成動(dòng)物的蹄傷, 相比來說, 表面酸化由于含酸量低, 且噴灑在漏縫地板下, 故在降低NH3排放時(shí)不會(huì)對動(dòng)物產(chǎn)生不利的影響。每隔3.5 h沖洗糞便則可將氨揮發(fā)降低70%[29], 但既耗費(fèi)了大量的水資源, 又增加了養(yǎng)殖成本, 而在表面酸化中所用酸和水的量都較少, 可做到低成本低消耗。研究證明脲酶抑制劑可降低21 d內(nèi)氨累積排放量65%, 但對于圈舍環(huán)節(jié)來說脲酶抑制劑在圈舍中降解較快需多次噴灑[15], 其價(jià)格普遍過高, 而在糞尿表面酸化中, 要得到較穩(wěn)定持久的減排效果可選擇強(qiáng)酸, 與脲酶抑制劑相比其價(jià)格也較低。

幾十年前, 就有學(xué)者開始利用酸化的方法來減少糞尿中氨氣的排放[30-31], 但是出于可行性(糞尿起泡膨脹)、安全性(強(qiáng)酸的危害)的考慮, 糞尿酸化技術(shù)一直沒有得到很好的應(yīng)用[2]。之后Kai等[18]采用了一種新的酸化方式解決了之前的問題, 這種技術(shù)是將糞尿利用泵送到處理罐中, 在罐中注入濃硫酸并進(jìn)行充氣, 對于圈舍、儲(chǔ)藏、施用環(huán)節(jié)都有較高的減氨效果, 且這種技術(shù)已經(jīng)可以在市場上買到, 但是成本較高。本研究表明, 若在畜禽圈舍中加上噴酸裝置可以得到一種適用于當(dāng)前圈舍環(huán)節(jié)氨減排方法, 此方法只將酸噴灑在糞尿表面, 避免了糞尿起泡膨脹的現(xiàn)象; 酸的加入量少且噴灑在漏縫地板以下, 對動(dòng)物危害較小; 水和酸的用量較低, 降低了養(yǎng)殖運(yùn)行成本, 有望成為畜牧業(yè)氨揮發(fā)減排經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù), 本研究為技術(shù)研發(fā)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。由于真實(shí)圈舍中會(huì)不斷有新糞的增加, 因此在實(shí)際操作中可能要根據(jù)清糞時(shí)間調(diào)整噴酸時(shí)間和噴酸次數(shù), 不同動(dòng)物糞便噴酸量也會(huì)有區(qū)別。

4 結(jié)論

本研究圍繞家畜養(yǎng)殖圈舍氨氣排放量大, 酸化減排成本高的問題, 分析了表層酸化對圈舍糞尿氨排放的影響, 主要結(jié)論如下:

1)圈舍糞尿表面酸化可以大幅度降低氨氣揮發(fā)。0.017 mol×L-1的磷酸噴灑在妊娠母豬糞尿表面24 h內(nèi)可減少氨揮發(fā)74%(<0.01)。

2)氨揮發(fā)減排效果與酸的種類、濃度及糞便種類有關(guān)。磷酸的氨減排效果顯著高于乳酸; 在一定pH范圍內(nèi)酸化強(qiáng)度越大, 氨減排效果越好; 酸化條件相同, 對于不同動(dòng)物糞尿的氨減排效果不同。

3)糞尿表面酸化對糞尿的整體pH影響不大, 且在不添加新糞的情況下受酸化次數(shù)影響較小。

綜上所述, 糞尿表面酸化是一種實(shí)現(xiàn)圈舍氨減排且經(jīng)濟(jì)可行的方法, 本研究也可為家畜養(yǎng)殖業(yè)圈舍酸化氨減排技術(shù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

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Impact of surface acidification of manure on ammonia emission in animal housing*

LIU Juan1,2, BAI Zhaohai1, CAO Yubo1,2, ZHANG Nannan1,2, ZHAO Zhanqing3, MA Lin1**

(1Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. School of Land Resources and Urban & Rural Planning, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China)

Ammonia is a key substance in the formation of haze precursors, and livestock pen is one of the main sources of ammonia emission. Here, we selected fresh cow and sow manure to evaluate the impacts of surface acidification on ammonia emission under simulated livestock pen conditions with different acids of different concentrations. Acid solution was sprayed on the surface of the manure to acidify the manure surface. Ammonia emission was measured using the dynamic boric acid trap method. Our results revealed that when lactic acid was diluted to 0.012 mol×L-1and 0.006 mol×L-1and applied on the surface of manure at the rate of 0.31 mL×cm-2, ammonia emission from sow manure reduced respectively by 43% (< 0.05) and 32% (= 0.07) in 24 h, compared with the control treatment. Ammonia emission reduced by 74% (< 0.01) and 61% (< 0.05) respectively for 0.017 mol×L-1and 0.009 mol×L-1of diluted phosphoric acids. Ammonia emission of sow manure reduced by 64% (< 0.01) within 72 h treatment of 0.017 mol×L-1phosphoric acid. Using the same treatment method as before, surface acidification of cow manure reduced ammonia emission by 80% compared with control treatment. The frequency of acid addition to manure surface had no significant impact on ammonia emission mitigation when manure was not refreshed. Surface acidification lowered manure pH, but with no significant impact on the whole manure. Overall, surface acidification reduced ammonia emission in animal pens. The reduction efficiency depended not only on the type and concentration of acid, but also on the type of manure. Surface acidification of manure was a cost-effective ammonia abatement technique. This study also supported the increasing understanding of manure acidification technology aimed at reducing ammonia emission from animal pens.

Manure pH; Ammonia emission; Animal manure; Animal housing; Ammonia emission reduction; Manure surface acidification

, E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

Dec. 16, 2018;

Feb. 5, 2019

S-3

A

2096-6237(2019)05-0677-09

10.13930/j.cnki.cjea.181086

劉娟, 柏兆海, 曹玉博, 張楠楠, 趙占輕, 馬林. 家畜圈舍糞尿表層酸化對氨氣排放的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(5): 677-685

LIU J, BAI Z H, CAO Y B, ZHANG N N, ZHAO Z Q, MA L. Impacts of surface acidification of manure on ammonia emission in animal housing[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 677-685

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0213300)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31872403, 31801941)、大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目(DQGG0208)、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(ZDRW-ZS-2016-5)、中國科學(xué)院STS項(xiàng)目(KFJ-STS-ZDTP-053)、中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目、河北省杰出青年基金項(xiàng)目(D2017503023)和河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系奶牛產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(HBCT2018120206)資助

馬林, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和養(yǎng)分管理研究。E-mail: malin1979@sjziam.ac.cn

劉娟, 主要從事糞污養(yǎng)分管理。E-mail: liujuan690317@163.com

2018-12-16

2019-02-05

* This study was supported by the National Key R&D Program of China (2018YFC0213300), the National Natural Science Foundation of China (31872403, 31801941), the National Research Program for Key Issues in Air Pollution Control of China (DQGG0208), the Key Research Program of the Chinese Academy Sciences (ZDRW-ZS-2016-5), STS Project of the Chinese Academy of Sciences (KFJ-STS-ZDTP-053), the 100-Talent Project of Chinese Academy of Sciences, the Distinguished Young Scientists Project of Natural Science Foundation of Hebei (D2017503023) and the Hebei Dairy Cattle Innovation Team of Modern Agro-industry Technology Research System (HBCT2018120206).