生物炭添加對豬糞堆肥氮素形態和損失的影響

高文慧 李波 葉菁 林怡 王義祥 翁伯琦

摘要：[目的]探討生物炭添加下豬糞堆肥過程氮素形態的變化，為堆肥過程中氮素損失控制提供科學依據。[方法]本研究利用強制反應箱研究在豬糞堆肥中添加0%、3%、6%和9%的生物炭（重量比，干基計）對氮素形態變化以及氮素損失的影響。[結果]各處理在堆肥過程中全氮和硝態氮含量呈上升趨勢，至堆肥結束全氮含量增加了3.68%～5.43%;可溶性總氮和銨態氮呈先上升后下降的趨勢，隨著生物炭添加量的提高堆料中銨態氮降幅減小。不同堆肥處理氮素損失率介于20.69%～28.18%，3%和6%生物炭添加處理的氨揮發量分別比未添加生物炭處理的高8.98%和46.30%，而9%生物炭添加處理的氮素損失率和氨揮發量最低。[結論]豬糞堆肥過程中添加生物炭可使堆體快速升溫，并延長高溫期，堆料中銨態氮向硝態氮轉化。硝態氮含量隨生物炭添加量呈增加的趨勢，氮素損失率隨著發酵時間延長呈增加的趨勢。

關鍵詞：生物炭;豬糞堆肥;氮損失;氨揮發

中圖分類號：S 141.4文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2019）12-1440-07

0 引言

[研究意義]近幾十年我國生豬養殖業快速發展，生豬糞便等廢棄物排放量日益增加。未經處理的豬糞堆人土壤后，其中不穩定的有機物分解后消耗土壤中的氧氣，并產生有機酸等有毒物質，破壞土壤環境，抑制作物生長。為避免新鮮豬糞直接施人土壤造成的污染以及豬糞中寄生蟲等帶來的疾病蔓延，豬糞須經過發酵或高溫腐熟處理后再使用，堆肥技術被認為是可將豬糞進行資源化，無害化，再利用的重要手段。腐熟后的豬糞作為肥料可以增加土壤肥力，促進作物生長。但是在堆肥過程中由于有機物的快速分解產生大量氨氣，致使堆肥氮素損失，并且造成大氣污染。為實現畜禽糞便資源化高效利用和達到環保要求，控制和減少畜禽糞便堆肥處理過程中氮素損失備受國內外科技工作者的關注。[前人研究進展]堆肥過程既存在高溫帶來的氨氣揮發，又有局部厭氧條件下硝態氮的反硝化脫氮及滲濾等造成的氮素淋溶損失，其中氨揮發損失約占總損失量的44%～99%，被認為是堆肥過程中氮素損失的主要途徑。在堆肥物料中添加化學物質或吸附材料，如竹醋液、磷酸、明礬、過磷酸鈣或草炭、沸石、農作物秸稈等，是減少堆肥過程中氮素損失的重要措施之。堆肥中添加明礬、過磷酸鈣等物質可溶解產生H，打破NH與NH間的平衡，使氮素更多地以銨鹽狀態存在從而減少了氮素的損失。但在實際堆肥過程中，不僅僅要考慮保氮效果，同時還要考慮保氮添加材料成本以及其對堆肥產品質量安全等的影響。因此，探索研究適合大規模生產應用的保氮材料和應用方法是今后應加強的重要方向。[本研究切入點]生物炭是一種含碳量極其豐富，具有高度芳香化，穩定性，巨大的比表面積和豐富的孔隙結構，吸附能力較強的生物材料，在豬糞堆肥過程中添加生物炭會引發堆肥條件的變化，促進堆體腐殖化進程，提高堆肥質量。目前生物炭對堆肥碳素轉化，重金屬鈍化，微生物活性等研究較多，對堆肥過程中添加生物炭對氮素轉化及損失影響的研究卻少見報道。（擬解決的關鍵問題）本研究以豬糞為原料，利用強制通風箱探討在堆肥過程中添加不同比例的生物炭對堆體氮素形態變化和損失的影響，以期獲得生物炭在豬糞堆肥過程中的最佳添加量，為減少豬糞堆肥過程氮素損失提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗在福建省農業科學院樹兜試驗場進行，供試的新鮮豬糞和菌渣來源于福清市某豬場，花生殼生物炭（500℃下高溫裂解制備）采購于河南省商丘市三利新能源有限公司，供試材料的基本性質如表l所示。

1.2試驗設計

試驗共設4個不同堆肥處理，即生物炭添加量（以堆料干基計算）分別是O（T1）、3%（T2）、6%（T3）、9%（T4）。試驗時各處理菌渣與豬糞均按2：5的質量比混合均勻，并保持C/N比一致。然后按質量百分比添加生物炭進行充分混合，重復3次，各處理的初始含水率保持在50%-55%，各處理混合物料的基本性質見表2。試驗采用自制的強制通風靜態反應箱進行好氧發酵，箱高120cm、長100cm、寬100cm，總體積1200L。在預試驗的基礎上，采用時間控制法對堆體進行通風，通風條件根據堆體內氧氣濃度來確定。利用800L·min的鼓風機從箱體底部向堆體內進行通風。堆肥試驗開始前1～7d，鼓風機隔30min鼓風30min，第8～25d，每1h鼓風30mm，第26～40d，每75min鼓風30mm.。通過數顯溫度計來記錄空氣環境和堆體物料的溫度，每天3次，取均值。

1.3取樣方法

堆肥過程共40d，每5d采集1次。采樣時利用采樣器沿箱子對角線取5個點，每個點采集200g樣品，將樣品在箱外混合均勻。然后用四分法采樣，分成2份，一份在20℃環境條件下保留鮮樣儲存備用，另一份在65℃環境條件下烘干，研磨備用。在發酵過程的第0、10、20、30、40d，分別稱量堆肥前期埋于發酵箱中等邊位置的3個網袋（網孔2mm，大小20cm×40cm）的重量，用于計算堆肥過程中干物質失重與氮素損失率。同時測定箱內樣品物料含水率。

1.4測定內容

總氮測定采用凱氏定氮法，硝態氮、銨態氮采用流動分析儀法，氨氣排放量采用靜態箱一硼酸吸收法測定。可溶性總氮按1：10料水比混勻用總有機碳分析儀（TOC-VCPH，島津公司）進行測定。

干物質失重率與氮素損失率均參照凋落物失重率的差量法計算，計算公式如下：

式中K為第i天堆肥物料干物質失重率;C為網袋中物料初始干物質量（g）;C為第i天網袋中物料干物質量（g）;G為第i天堆肥物料氮素損失率;D為第i天物料全氮含量（g-kg）;Do為物料初始全氮含量（g-kg）。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2010進行試驗數據處理，SPSS 19.0軟件進行差異顯著性分析、相關性和單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1溫度的變化

堆肥持續時間為40d，包括升溫期、高溫持續期、降溫期、低溫持續期4個發酵階段。圖1表明，以周圍空氣溫度作為空白對照CK，各處理堆體溫度均呈先升高后降低的趨勢。在發酵過程中，1～3d為發酵升溫期，各處理堆體溫度迅速升高，均達到60℃以上。4～18d為高溫持續期，19～23d為降溫期，各處理堆溫從50℃逐漸下降到40℃以下;24～40d為低溫持續期，期間4個處理堆溫均在40℃以下波動，最終基本與周圍環境溫度相當。溫度是判斷堆肥是否正常進行的重要指標之一，4個處理堆溫高于50℃的天數分別為10、9、15、12d，均達到堆肥無害化標準（50℃以上的天數高于7d）。

2.2全氮的變化

由圖2可知，T1-T4各堆肥處理全氮含量隨著堆肥時間的增加呈上升趨勢。堆肥初期，T1全氮含量隨生物炭添加量的增加而減小，T1與其他各處理差異顯著（P<0.05）。至堆肥結束時，各處理全氮含量分別增加5.43%、3.99%、3.82%、3.68%，其中T1增幅最大，T4增幅最小。T3與T4無顯著差異，T1與其他各處理達極顯著差異（P<0.01）。

2.3 可溶性總氮的變化

由圖3可知，各處理堆肥中可溶性總氮含量隨發酵時間先上升后下降。堆肥初期，T1與T2無顯著差異，與T3、T4差異顯著（P<0.05）。0-5d，各處理堆肥的可溶性總氮明顯升高。5～40d各處理基本呈緩慢下降的趨勢。至堆肥結束時，T1-T3處理分別減少24.09%、18.07%、10.81%，而T4處理增加13.64%，T4與其他各處理差異顯著（P<0.05）。

2.4硝態氮的變化

由圖4可知，T1～T4各處理硝態氮均隨發酵時間的延長呈上升的趨勢。相對于堆肥初期，堆肥結束時各堆肥處理的硝態氮含量均極顯著增加。其中添加生物炭處理硝態氮增幅顯著高于未添加生物炭處理。堆肥結束時，隨著生物炭添加量的增加，堆料中硝態氮含量呈增加的趨勢，其中T4處理分別比T1、T2和T3處理增加216.08%、81.83%和79.68%，其與T1、T2和T3處理間的差異均達到顯著水平（P<0.05）.

2.5銨態氮的變化

由圖5可知，T1-T4各處理的銨態氮含量隨堆肥時間延長呈先升后降的趨勢。堆肥初期，各堆肥處理銨態氮含量與生物炭添加量成反比，T1與T2處理間無顯著差異，與T3、T4處理間達到極顯著差異（P<0.01）。在發酵過程中0-5d為銨態氮含量升高階段;5～40d為銨態氮含量逐漸降低階段。至堆肥結束時，各處理銨態氮含量分別降低了57.15%、68.34%、59.16%、32.89%，隨著生物炭增加銨態氮降低幅度減小，其中T1與T2、T3、T4之間差異顯著（P<0.05）。

2.6 千物質失重率的變化

各堆肥處理干物質失重率均隨堆肥時間延長呈增加趨勢;在堆肥前10d各堆肥處理干物質失重率快速升高，10-30d干物質失重率升高變緩，堆肥30d后各處理堆肥干物質失重率變化趨于平緩（圖6）。在整個發酵過程中，T2處理平均失重率最高，為31.60%;T1、T3處理次之，為25.77%、29.43%;T4處理最低，為24.28%;各處理間的差異達顯著水平（P<0.05）。

2.7氮損失率的變化

由圖7可知，各堆肥處理氮素損失率隨著發酵時間的增加呈遞增趨勢。在整個發酵過程中，T2失重率最高，T1、T3次之，T4最低。堆肥0～10d，各處理堆肥氮素損失率迅速升高，同干物質失重率變化相同。10-30d各處理堆肥氮素損失開始慢慢降低，堆肥30d氮素損失率趨于平緩。至堆肥結束時，T1-T4各處理堆肥氮素損失率分別達22.26%、28.18%、24.69%、20.69%，其中T2處理損失率最大，T4處理最小，T2處理與T1、T4處理間的差異達顯著水平（P<0.05）。

2.8氨氣排放量的變化

由圖8可知，T1-T4各處理堆肥氨氣排放量隨發酵的時間呈先上升后下降的變化趨勢。在整個氨氣釋放過程中，2～4d，各處理堆肥氨氣排放比較平穩;4～6d，各處理堆肥氨氣釋放量顯著增加;第6d，T1-T4氨氣排放均達到最大值，其中T4處理最低;堆肥12d以后，各堆肥處理氨氣排放量均處于較低水平，且各處理間無顯著性差異。堆肥期間，氨氣排放量以T4處理最低，分別比T1、T2和T3處理降低29.87%、35.65%和52.06%，其與T1、T3處理間的差異達顯著性水平（P<0.05）。

3討論與結論

堆肥過程中氮素轉化包括礦化、硝化和反硝化、氨氣的吸附以及揮發等，其中堆肥中的有機氮在微生物的作用下轉化為無機氮，部分因氨揮發而損失。生物炭多孔性結構增大了堆肥的通氣性，增加了堆體中的氧分含量，且巨大的比表面積為微生物的生長繁殖提供附著點，有利于提高微生物活性，促進堆肥前期微生物對有機氮的分解。本研究結果表明，不同堆肥處理可溶性總氮隨發酵時間呈先上升后下降的趨勢，其中添加9%處理堆肥結束時可溶性總氮含量提高了13.64%。生物炭的多孔隙度性質以及較強的吸附性也會直接影響堆體中銨態氮和硝態氮的含量。本研究中堆肥中添加生物炭處理銨態氮含量高于未添加生物炭的處理。李冰認為堆肥前期，銨態氮是氨揮發的主要來源，無機氮是其主要的存在形式。隨著堆體溫度的升高，氨揮發量增加。pH值上升。在高溫期嗜熱細菌活動強烈，有機物加速分解，產生大量銨態氮，銨態氮的含量開始上升。高溫期過后，堆肥溫度逐漸下降，堆體的硝化作用逐漸開始強烈，這時氨揮發量開始下降，銨態氮轉化為硝態氮，銨態氮含量開始降低，硝態氮含量增加。本研究中與未添加生物炭的處理相比，添加生物炭處理降低了堆料中銨態氮濃度，提高了硝態氮含量，且硝態氮含量與添加量成正比，這與孫巖的研究結果相似。

堆肥中氮素的損失主要有NH3的排放、水溶性含氮物質的淋失以及氮氧化物的揮發。本研究結果表明，各處理堆肥氮素損失率在20.69%-28.18%。整個發酵過程各堆肥處理氮素損失率隨著發酵時間的增加呈遞增趨勢，但隨著生物炭添加量的增加，堆肥中氮素損失率呈先增后減的趨勢，其中以3%的生物炭添加處理最高，以9%的生物炭添加處理氮素損失最小。生物炭具有豐度孔隙度，增加了堆體通氣性，同時為堆體中的微生物提供所需的C、0等，促進微生物種群的代謝活動，加速了堆體的物質損失，干物質失重率和碳素物質降解率增加，也引起氮素損失的增加;但隨著生物炭用量的增加，堆料中生物炭所占比例相對變大，由于生物炭的高度芳香化特質使得微生物可利用的C、0逐漸變少，難分解的有機物質成為微生物的利用主體，微生物活性降低，物質損失率下降，堆肥中氮素損失率也逐漸降低。一些研究發現生物炭對廢棄物堆肥具有一定保氮效果，分析認為：一是添加生物炭可調節堆料的C/N、改善堆體的通氣條件，促進堆料中的NH-N向NON的轉化;二是生物炭表面的多孔隙結構以及其酸性基團能夠吸附NH和NH，減少NH的產生和揮發，同時可調節微生物的活性，促進對氮素的生物固定，從而降低氮素損失。但有研究認為，生物炭自身為偏堿性，添加生物炭提高堆料的pH值，使堆體中NH轉化為NH，增加氨氣揮發。以往研究認為，氨揮發是堆肥過程氮損失的主要途徑。Eghball研究表明氨揮發損失通常占總氮的16%-74%。本研究中添加生物炭3%和6%處理的氨揮發量高于未添加生物炭處理，而生物炭添加量為9%的處理氨揮發量比未添加生物炭處理降低29.87%。因此，生物炭添加比例對堆肥過程氮損失尤其是氨揮發的影響作用還有待于進一步深入研究。

豬糞堆肥過程中添加生物炭可使堆體快速升溫，并延長高溫期。添加生物炭也有利于堆料中銨態氮向硝態氮的轉化，并隨生物炭添加量的增加硝態氮含量呈增加的趨勢。堆肥過程中氮素損失隨著發酵時間延長呈增加的趨勢，各處理堆肥氮素損失率在20.69%-28.18%。由于生物炭的偏堿性、多孔隙結構等特性導致不同生物炭添加比例會影響堆肥氮素損失率的大小，其中9%生物炭添加量處理的氮素損失率最小。