加入不同比例黃土對糞肥碳、氮養分保蓄的影響

師倩云，李雪松，孟　延，蔡　苗，周建斌*（1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌712100；2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，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.西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌712100；2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100）

摘要：采用室內培養方法研究了加入不同比例黃土對豬糞、牛糞兩種糞肥培養過程中碳、氮養分保蓄及養分含量的影響。結果表明：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。隨著黃土加入量的增加，土糞中各養分含量逐漸降低，這與加入黃土對糞肥養分的稀釋作用有關。可見，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、氮養分有重要作用。

關鍵詞：黃土；家畜糞肥；碳氮養分；養分損失

師倩云，李雪松，孟延，等.加入不同比例黃土對糞肥碳、氮養分保蓄的影響［J］.農業環境科學學報, 2016, 35（5）：999-1005.

SHI Qian-yun, LI Xue-song, MENG Yan, et al. Effects of loess additions on carbon and nitrogen retention in manures［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（5）: 999-1005.

近年來，隨著我國養殖業的迅速發展，產生了大量有機肥，其處置不當帶來了突出的環境問題，包括農業面源污染、溫室效應氣體釋放等［1-4］。因此，如何減少畜禽糞肥堆置過程的養分損失成為我國農業生產中面臨的突出的環境問題。我國勞動人民在長期的農業生產中在糞肥利用方面積累了豐富的技術及經驗，挖掘這些技術及經驗的科學意義，對于解決目前面臨的問題具有重要的參考價值。

我國北方地區特別是黃土高原地區，在養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分，也防止糞肥直接施用因養分濃度過高帶來的燒苗現象［5-6］。前人對黃土墊圈這一傳統措施的保蓄氮素養分及增產效果［7］等進行了不少研究，發現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87%左右［8］，其保蓄機理與加入土壤充分混拌后黃土對銨離子的吸附作用有關［9］。對加入黃土對糞肥中碳素養分的研究相對較少，而糞肥堆置過程中釋放的CO2是重要的溫室效應氣體［10-12］，糞肥加入黃土后改變了糞肥的物理、化學及生物等特性，無疑會對其有機物分解釋放CO2產生影響。因此，比較加入不同比例黃土對糞肥碳、氮養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，采用室內好氣培養的方法，研究了加入不同比例黃土后這兩種糞肥CO2、NH3的釋放規律，旨在評估黃土墊圈在保蓄糞肥碳、氮養分的作用。

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，其基本性狀為：有機碳2.6 g·kg-1，無機碳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。土樣采回后風干、過2 mm篩，備用。供試的新鮮豬糞和牛糞采自西北農林科技大學畜牧站，其基本理化性質見表1。

1.2試驗設計及方法

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

試驗按照相應比例分別將豬糞、牛糞鮮樣與風干黃土混勻，置于100 mL小培養瓶中，同時準備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℃的恒溫培養箱中培養。純糞肥保持其初始含水量，其余處理調節含水量為30%左右。在培養的第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。每次測定結束后，更換CO2和NH3吸收液并用稱重法補充相應水分。

1.3測定項目及計算方法

有機肥以及土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀等指標均采用常規方法測定［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-對應重量黃土處理NH3釋放量

各處理糞肥碳素保蓄率=培養結束后有機碳含量/培養初期有機碳含量

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

表2　試驗設計方案Table 2 Experimental design

各處理糞肥氮素保蓄率=培養結束后全氮含量/培養初期全氮含量

樣品礦質態氮（NH+4-N和NO-3-N）、可溶性有機碳（DOC）的測定：培養結束后，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，連續流動分析儀測定NH+4-N和NO-3-N，總有機碳分析儀測定DOC。其余樣品風干過篩后測定有機質、全氮含量。

1.4數據處理方法

利用Excel軟件進行數據統計，Sigmaplot作圖，SAS統計軟件進行分析。

圖1　加入不同比例黃土糞肥碳累積釋放量動態變化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變化Figure 2 Dynamics of cumulative ammonia release amount from manure amended with different amount of loess

2　結果與分析

2.1不同處理CO2釋放動態

圖1顯示，各處理糞肥CO2累積釋放量均隨培養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，培養結束時（35 d）豬糞加黃土處理培養過程中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

隨培養時間的延長，各處理糞肥NH3釋放累積量均不斷升高（圖2）。培養結束時（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　不同處理有機碳、全氮、可溶性有機碳及礦質態氮含量Table 3 TOC，TN，DOC，and mineral-N content in different treatments

2.3不同處理總有機碳、全氮、DOC、礦質態氮含量

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

2.4不同處理糞肥碳、氮保蓄率

培養結束時（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）。可見，加入黃土對豬糞碳素保蓄有一定作用。短期培養內加入黃土對牛糞碳素保蓄率則無顯著影響（圖3b）。

培養結束時（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加入黃土對糞肥養分保蓄效應及機理

本研究發現，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

畜禽養殖產生的糞肥是農業生產向大氣釋放氨的主要來源［22-23］。本研究發現，加入黃土后顯著降低了兩種糞肥氨揮發，這與前人的研究結果一致［8］。加入黃土后糞肥氨揮發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，稀釋了糞肥銨態氮的濃度，如表3所示，兩種糞肥加入黃土后銨態氮含量較未加入黃土糞肥銨態氮含量顯著降低；（3）黃土的加入改善了糞肥的物理性狀，促進了微生物的繁殖及硝化作用的進行［25-26］。由本研究結果可以看出，加入黃土這一傳統保蓄糞肥養分的措施在降低糞肥氨揮發方面具有顯著效果。本研究同時發現，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差異有關外（表1），也與糞肥碳、氮分解的產物不同有關，即糞肥碳代謝的產物為CO2，而氮代謝的產物為銨離子，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，我國農業生產中采用黃土墊圈的做法可有效保蓄糞肥的養分，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這一溫室效應氣體向大氣中的排放。因此，對以一家一戶為主要養殖方式的一些農村，仍應提倡加入黃土這一傳統的保蓄養分的方式。對大規模的養殖方式而言，加入黃土這一傳統的方法工作量大、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、氮養分的揮發損失。

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，土糞有機碳、全氮、可溶性有機碳及礦質氮含量均降低（表3），這與加入黃土對糞肥所含養分的稀釋作用有關，黃土加入保蓄養分與過量加入降低糞肥養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，會降低土糞養分含量，進而影響其肥效。改革開放前，黃土高原地區一些生產單位或農戶向畜禽圈舍大量加入黃土，一些土糞黃土的比例高達90%，導致土糞養分含量降低，這也就是當時存在的“黃土搬家”問題［27-28］，增加了生產的用工量反而降低了土糞養分含量。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肥堆置的方法，降低了用工量，提高了有機肥質量［29-30］。

隨著黃土加入量的增加，土糞中硝態氮含量的變化有別于其他養分含量的變化（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］，促進了其硝化作用有關；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氮的含量。

4　結論

加入黃土顯著降低了豬糞及牛糞培養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，說明我國北方地區農業生產中采用黃土墊圈的做法不僅保蓄了養分，還降低了CO2這一溫室效應氣體向大氣中的排放。隨黃土添加量的增加，土糞有機碳、全氮、可溶性有機碳及礦質氮含量均降低，這與加入黃土對糞肥所含養分的稀釋作用有關。

雖然添加黃土這一傳統的保蓄糞肥養分的方法在現代大規模養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分的思路在提倡環保的今天無疑仍有借鑒價值。

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中圖分類號：S153.6

文獻標志碼：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