生物炭對雞糞堆肥過程中氨氣排放的影響

榮榮　鄭育聲　楊林生　方華軍　李治明　張豐松

摘要：通過雞糞與玉米葉共堆肥試驗，研究小麥秸稈生物炭、稻殼生物炭對共堆肥過程中碳氮比（C/N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）及氨氣（NH3）揮發(fā)的影響。堆肥中2種生物炭分別以干質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%、10%、15%添加，結(jié)果表明，在堆肥過程中，添加3種比例的小麥秸稈生物炭處理（B1、B2、B3）、稻殼生物炭處理（B4、B5、B6）堆體的C/N減少量比對照的C/N減少量分別多0～2、2～4;NH3排放濃度較比照分別降低了63.75%、78.44%、91.50%和70.13%、80.75%、92.63%。另外，在堆體NH3排放高峰期，添加生物炭堆體的NH4+-N含量均明顯低于對照，且NH4+-N含量隨生物炭添加量的增加而減少。由結(jié)果可知，生物炭的添加可以降低堆肥過程中NH3的揮發(fā)并促進(jìn)保氮過程，且比表面積更大的稻殼生物炭對抑制NH3排放的效果更好。

關(guān)鍵詞：氨氣排放;堆肥;生物炭;雞糞

中圖分類號： S141.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0236-04

近年來，我國集約畜牧養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，畜禽糞便排放總量約為32.6億t[1]。畜禽糞便處置不當(dāng)會導(dǎo)致氮、磷及重金屬添加劑的面源污染，同時畜禽糞便釋放的氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）等惡臭氣體會嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量，其中NH3還可以與大氣中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等酸性物質(zhì)中和，生成銨鹽等二次顆粒物（主要是硫酸銨和硝酸銨），成為大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）形成的重要前體物，對霾的形成有重要影響。

農(nóng)用是我國利用畜禽糞便的主要方式，農(nóng)用前通常經(jīng)過堆肥處理。而堆肥過程中會釋放出大量NH3，不僅污染空氣，同時造成氮損失，添加保氮除臭的微生物菌劑以及吸附性材料等可降低NH3釋放量[2-3]。生物炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下高溫?zé)峤庑纬傻囊活惛叨确枷慊碾y溶性固態(tài)物質(zhì)[4]。雞糞堆肥中添加5%、10%的柳木生物炭可分別降低30%、44%的堆體NH3揮發(fā)量[5]。Chen等在雞糞堆肥中分別添加了10%玉米秸稈生物炭、竹炭、椰殼生物炭等，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物炭對NH3的抑制效果最好，與對照處理（0%）相比NH3揮發(fā)量降低了（24.8±2.9）%[6]。生物炭對堆肥過程中NH3的抑制效果與原材料和表面性質(zhì)有關(guān)[7-8]。

我國農(nóng)作物類有機(jī)廢棄物年產(chǎn)量在8億t以上，但其資源化利用率卻不高，如何提高有機(jī)廢棄物利用率也是各方關(guān)注的熱點[9]。將不同作物的有機(jī)廢棄物制成生物炭作為NH3抑制劑已取得良好的效果。然而，目前針對畜禽糞便堆肥過程中生物炭對NH3排放及堆肥質(zhì)量的綜合影響效果的研究較少。因此，本試驗通過向雞糞和玉米葉共堆肥中添加不同質(zhì)量的小麥秸稈生物炭和稻殼生物炭，研究其對碳氮比（C/N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）及氨氣揮發(fā)的影響，以期為農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源化利用和抑制畜禽糞便NH3排放提供理論依據(jù)和方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

雞糞取自北京市昌平區(qū)養(yǎng)雞場，自然風(fēng)干。玉米葉取自北京市昌平區(qū)農(nóng)田，晾干后破碎至長為3～5 cm左右;小麥秸稈生物炭和稻殼生物炭分別購自河南譽(yù)中奧農(nóng)業(yè)科技有限公司和浙江國美園藝有限公司。堆肥所用物料的基本性質(zhì)如表1所示。

1.2 堆肥試驗設(shè)計

堆肥試驗在北京農(nóng)學(xué)院堆肥場進(jìn)行。堆肥槽長50 cm，寬50 cm，高100 cm，槽底部設(shè)置隔層，隔層上均勻分布直徑為2 cm的通氣孔若干，孔面積約為槽底面積的1/4。每個槽內(nèi)裝入物料30 kg。堆肥共設(shè)7個處理，將雞糞與玉米葉按干質(zhì)量比10 kg ∶ 20 kg混合為對照組（記作B0），混合物料的 C/N 預(yù)計為15～20，該比例有利于堆體NH3排放的測定[10];在對照基礎(chǔ)上分別添加5%、10%、15%（干質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的小麥秸稈生物炭（分別記作B1、B2、B3）和稻殼生物炭（分別記作B4、B5、B6）作為其他6個處理。每個處理均設(shè)3次重復(fù)。堆肥開始后8 d進(jìn)行翻堆，堆肥期間每天用鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)通風(fēng)，風(fēng)速為0.5 L/min;定時測定堆體中心溫度（深度為30 cm）和NH3排放濃度，同時測定環(huán)境溫度。堆肥期間每周監(jiān)測堆體含水率2次（周一、周四），調(diào)節(jié)堆體含水率為60%左右，直至堆肥結(jié)束。

1.3 樣品采集與測定

堆肥試驗開始后0、2、8、16、54 d，從堆體中取混合樣品 1 kg （堆體內(nèi)深度約為30 cm，用五點取樣法即4個角落和中心位置各取1份混合），經(jīng)冷凍干燥后粉碎，過200目篩，置于-20 ℃冰箱保存，用于pH值、全碳、全氮、NH4+-N 指標(biāo)的測定。通過便攜式氣體分析儀（GA5000，Geotech，UK）測定堆體上方10 cm處的NH3濃度，堆體每日排放濃度由監(jiān)測的不同時刻（02：00、06：00、10：00、14：00、18：00、22：00）濃度的平均值計算獲得;在105 ℃的恒溫烘箱中烘至恒質(zhì)量后測得含水率;按固液比1 g ∶ 10 mL用水浸提干樣，用S-3C型pH計測定濾液pH值;使用Elementar元素分析儀通過干樣的燃燒測試來測定TC、TN;NH4+-N的測定用 2 mol/L KCl溶液按固液比1 g ∶ 10 mL浸提堆肥干樣品，在搖床上以200 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩1 h后過濾，采用靛酚藍(lán)比色法通過可見分光光度計于波長625 nm處測定濾液吸光度。使用ASAP 2460型微孔分析儀測定生物炭比表面積和總孔孔容。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)的整理和圖表的制作采用Excel 2013和SigmaPlot 10.0進(jìn)行。測定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對堆體溫度的影響

如圖1所示，所有堆體的溫度均在堆肥后2 d達(dá)到峰值（75～80 ℃），隨后逐漸降低，堆肥8 d時翻堆后溫度略有上升，堆肥后54 d堆體溫度基本降至環(huán)境溫度。在堆肥后2 d，處理B1～B6的溫度均高于B0。處理B1、B2、B3處于高溫期階段（≥50 ℃）的時間分別為堆肥后12、10、11 d;處理B4、B5、B6處于高溫期階段（≥50 ℃）的時間分別為堆肥后13、14、13 d，與添加小麥秸稈生物碳的堆體相比，添加稻殼生物碳的堆體處于高溫期的時間更長。

對好氧堆肥而言，堆體溫度是判斷堆肥腐熟程度的重要因素[11]。本次堆肥試驗結(jié)果表明，各處理的溫度在堆肥開始前2 d內(nèi)迅速上升，在堆肥后2 d堆體溫度均達(dá)到峰值，且添加不同比例生物炭的堆體溫度均高于B0，其結(jié)果符合Ning等的研究結(jié)果[12]。隨著堆肥過程的進(jìn)行，堆體溫度逐漸降低至室溫，于堆肥后54 d結(jié)束，堆肥完成時間與Wang等通過豬糞與10%煙草秸稈生物炭完成50 d的堆肥時間[13]相似。在高溫期，添加稻殼生物炭的處理比添加小麥秸稈生物炭的處理溫度下降得更緩慢，其原因可能與稻殼生物炭的比表面積更大、保水能力更強(qiáng)有關(guān)，這也為微生物的生長提供了更好的條件[14-15]。

2.2 生物炭對堆體pH值的影響

如圖2所示，與堆肥初期相比，堆肥結(jié)束時各處理的pH值明顯增加。在堆肥后54 d，添加生物炭的堆體的pH值均高于B0，在相同生物炭添加量下施加稻殼生物炭的處理比施加小麥秸稈生物炭的處理的pH值高。

pH值是堆肥腐熟的重要指標(biāo)之一，能夠影響堆體內(nèi)微生物的生長繁殖，在一定程度上反映堆肥腐熟進(jìn)程。本試驗結(jié)果表明，堆肥后期各處理的pH值均保持在8.0～9.0之間，符合堆肥腐熟的pH值范圍[16]。Agyarko-Mintah等向雞糞堆肥中加入10%雞糞制生物炭發(fā)現(xiàn)，堆肥過程使堆體的pH值由7.4增至8.1，且堆肥結(jié)束后，加入生物炭的處理比對照處理（0%）的pH值高0.4[10]，本試驗結(jié)果與之相似。在堆肥不同時期，處理B1～B6的pH值均大于B0，這可能由于生物炭具有一定的酸中和能力[17]，另一方面，pH值的增加也與堆肥過程中生物炭吸附一些堿性物質(zhì)（如NH3）等有關(guān)。

2.3 生物炭對堆體C/N的影響

經(jīng)過堆肥，所有處理的C/N均降低，且在高溫期階段，堆體的C/N下降最快。如圖3所示，堆肥期間，除B1外其他添加生物炭的堆體C/N均比B0大，堆肥過程使B1、B2、B3的 C/N 分別下降了2.85、4.94、4.67，使處理B4、B5、B6的C/N分別下降了5.22、6.28、7.25，C/N下降值均大于對照（281），且添加稻殼生物炭的處理比添加小麥秸稈生物炭的處理的C/N下降幅度更大。

Agyarko-Mintah等通過向雞糞堆肥中加入10%（濕質(zhì)量分?jǐn)?shù)）園林廢棄物生物炭或雞糞生物炭發(fā)現(xiàn)，所有處理的 C/N 在堆肥試驗開始后的2 d最高，隨后C/N均呈逐漸下降的趨勢[10]，本試驗的C/N變化趨勢與其相符。在堆肥過程中，隨著堆體質(zhì)量損失和微生物降解作用，堆體TC減小，導(dǎo)致堆體C/N降低[18]。堆肥后0～2 d和8～16 d，處理B0、B1、B3的C/N波動較大，主要原因可能是堆體水分含量的變化對微生物生長代謝產(chǎn)生影響[19]。在相同比例下，添加稻殼生物炭的處理較添加小麥秸稈生物炭的處理C/N下降幅度更大，而C/N的降低在一定程度上反映了堆體有機(jī)質(zhì)的降解速率以及堆肥的腐熟程度[20]。生物炭加入堆體后，由于其多孔特性和較大的比表面積能夠為微生物的生長繁殖提供附著點，有利于微生物分解有機(jī)物[21]，從而促進(jìn)了堆肥腐熟程度的提高。

2.4 生物炭對堆體NH3排放濃度的影響

如圖4所示，各處理的NH3揮發(fā)均集中發(fā)生于堆肥后1、2 d，隨后堆體的NH3排放濃度低于檢測限。隨著2種生物炭添加量增加，NH3排放濃度呈下降趨勢，即NH3排放的抑制作用均增強(qiáng)。與對照B0相比，處理B1、B2、B3的NH3日均排放濃度分別降低了63.75%、78.44%、91.50%，處理B4、B5、B6的NH3日均排放濃度分別降低了70.13%、80.75%、9263%。由結(jié)果可知，3種比例下添加稻殼生物炭對NH3揮發(fā)的抑制作用均大于小麥秸稈生物炭。

Janczak等發(fā)現(xiàn)，與對照處理相比（生物炭添加量為0%），柳木生物炭添加量占畜禽糞便堆體總質(zhì)量的比例為5%和10%時，堆體的NH3揮發(fā)量分別降低了30%和44%，各處理的NH3排放均集中于堆肥后前3 d[5]。本試驗結(jié)果表明，各處理在堆肥后2 d時的NH3排放濃度最大，添加2種生物炭的處理其NH3排放濃度均低于B0，且NH3排放濃度隨生物炭添加比例的增大而減小，與Janczak等的研究結(jié)論[5]一致。其原因與生物炭較強(qiáng)的吸附能力有關(guān)，另外生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和大比表面積能夠為微生物的生長繁殖提供適宜的環(huán)境，提高微生物活性、繁殖率以及種群數(shù)量，使其在堆肥過程中通過生物氧化作用顯著增加生物炭表面酸性基團(tuán)數(shù)量，特別是羧基團(tuán)，它能與NH4+結(jié)合而避免通過揮發(fā)的形式排放NH3[22-23]。另外，Chen等通過在蛋雞糞便堆肥中分別添加濕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的玉米秸稈生物炭、竹炭、木本生物炭、糞便生物炭和椰殼生物炭進(jìn)行堆肥試驗，發(fā)現(xiàn)添加玉米秸稈生物炭的處理較其他處理的NH3累積排放量明顯降低，與對照處理相比降低（24.8±2.9）%，且不同生物炭的比表面積與抑制NH3排放的能力呈顯著正相關(guān)關(guān)系[6]。本試驗發(fā)現(xiàn)，在相同生物炭添加比例下，使用稻殼生物炭的處理均比使用小麥秸稈生物炭的處理抑制NH3揮發(fā)的效果好，可能是由于稻殼生物炭比小麥秸稈生物炭具有更大的比表面積（表1），較大的比表面積提高了生物炭的表面吸附能力，使其更容易捕獲氣體分子和利用含氧官能團(tuán)結(jié)合溶液中的NH4+[24]。

2.5 生物炭對堆體NH4+-N含量的影響

堆肥中的NH4+是NH3揮發(fā)的直接來源，并且在NH3揮發(fā)強(qiáng)度較高時期，NH4+-N是堆肥中無機(jī)氮的主要存在形式，在堆肥初期，物料中大量易分解的有機(jī)物可為微生物的生長、繁殖提供充足的營養(yǎng)，有機(jī)氮快速分解而產(chǎn)生大量 NH4+-N，而此時硝化細(xì)菌活動程度相對較弱，無法及時將NH4+-N轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，從而加劇了NH4+-N的累積[25-26]。如圖5所示，在堆肥后0、2 d，各處理的NH4+-N含量最高，堆肥后8 d NH4+-N含量明顯降低，在高溫期階段，NH4+-N含量變化幅度最大，堆肥后期各處理的NH4+-N含量變化不明顯。在堆肥后2 d，處理B1～B6的NH4+-N含量均低于B0，且NH4+-N含量隨2種生物炭添加量增大而減少。在堆肥后0、2 d，在各處理中B0的NH4+-N含量最高，分別為127.88、220.90 mg/kg;而在堆肥后8、54 d，與其他處理相比，B0的NH4+-N含量最低，分別為20.88、9.49 mg/kg。

Chen等發(fā)現(xiàn)，向雞糞堆肥中分別添加10%竹炭、木炭或玉米秸稈生物炭后，堆體在堆肥期間的NH4+-N含量均顯著低于對照（0%），且各處理的NH4+-N含量均在堆肥后 1 d 達(dá)到最高值，隨后由于NH3揮發(fā)作用和硝化作用，NH4+-N 含量逐漸降低至穩(wěn)定值[6]。本試驗結(jié)果表明，在堆肥后 2 d，對照處理的NH4+-N含量最高，且在相同生物炭添加量下，使用稻殼生物炭的處理其NH4+-N含量比使用小麥秸稈生物炭的低，這與稻殼生物炭具有更大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力有關(guān)，稻殼生物炭比小麥秸稈生物炭的比表面積高 61.49%（表1），生物炭表面含有豐富的羧基和酚羥基等酸性官能團(tuán)，這些酸性官能團(tuán)能通過離子鍵與堆體中的NH4+緊密結(jié)合，使堆肥中可測得的非結(jié)合狀態(tài)下的 NH4+-N 含量降低，從而降低NH3的產(chǎn)生和排放量[27-29]。另外，生物炭的多孔特性和大比表面積能夠為微生物的生長繁殖提供附著點，從而促進(jìn)堆肥中微生物代謝，使微生物通過生物氧化作用在生物炭表面形成更多的酸性基團(tuán)，NH4+通過與酸性基團(tuán)結(jié)合可避免NH3的揮發(fā)[23]。在Meng等的研究中，向污泥堆肥加入1%、3%、5%蔗糖后，堆肥后期堆體NH4+-N含量逐漸高于對照（0%）[30]，本試驗同樣發(fā)現(xiàn)，在堆肥8 d至堆肥結(jié)束時，添加生物炭處理的NH4+-N含量均大于對照，可能與堆肥后期硝化作用加強(qiáng)，使堆體中生物炭吸附的NH4+逐漸被解吸出來有關(guān)。

3 結(jié)論

本試驗發(fā)現(xiàn)，添加稻殼生物炭和小麥秸稈生物炭促進(jìn)堆肥過程中C/N的下降，與對照堆體C/N減少量相比，小麥秸稈生物炭和稻殼生物炭使堆肥過程中堆體的C/N減少量分別增加0.04～1.86和2.41～4.44，添加稻殼生物炭比小麥秸稈生物炭處理的C/N下降幅度大。在堆肥前期，添加5%、10%、15%的小麥秸稈生物炭和稻殼生物質(zhì)炭均能夠減少堆體中的NH4+-N含量和NH3排放;與對照組B0相比，B1～B6的NH3排放濃度分別降低 63.75%、78.44%、91.50%、70.13%、80.75%、92.63%，比表面積更大的稻殼生物炭抑制NH3揮發(fā)的效果更好。

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