添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥理化性質(zhì)和氮形態(tài)變化的影響

鄭博文，任漢儒,2，黃 磊，陶 玲,2，任 珺,2

（1. 蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅瀚興環(huán)保科技有限公司，甘肅 蘭州 730070）

近年來(lái)我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化、集約化和產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，每年產(chǎn)生畜禽糞便38億t，其中雞糞占比16.3%，約有6.2 億t［1-2］。若不對(duì)畜禽糞便進(jìn)行無(wú)害化、資源化處理將會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境［3］。雞糞中含有氮、磷、鉀等植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素［4］，好氧堆肥是對(duì)雞糞進(jìn)行無(wú)害化處理和資源化利用的有效方式之一［5］。在有機(jī)肥發(fā)酵過程中，氮主要通過礦化—硝化—反硝化過程，轉(zhuǎn)化為氨氣等氣體逸出，此過程損失4.2%～12.7%的氮［6-7］。減少堆肥發(fā)酵時(shí)的養(yǎng)分流失，同時(shí)提高產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)含量的有效方法，一直是有機(jī)固廢資源化利用研究的熱點(diǎn)［8］。

凹凸棒石具有非常獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和可調(diào)控的表面電荷，是非常理想的廉價(jià)吸附劑、懸浮劑、增稠劑、觸變劑、干燥劑和納米-微納米材料［9］。目前凹凸棒石多用作復(fù)混肥料的黏結(jié)劑或包衣劑，用量少，單位土地面積復(fù)混肥的施用量有限，使凹凸棒石效果得不到充分發(fā)揮［9］。本研究將凹凸棒石添加入雞糞中，探究凹凸棒石對(duì)雞糞好氧堆肥過程中溫度、pH、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、NH4+-N和NO3--N的影響，為減少雞糞堆肥過程中養(yǎng)分的流失、提高雞糞堆肥效率和凹凸棒石的高效利用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

堆肥材料由雞糞、凹凸棒石及發(fā)酵劑組成。雞糞來(lái)自養(yǎng)雞場(chǎng)（甘肅張掖），其中w（有機(jī)質(zhì)）45.58%，w（總氮）2.18 g/kg，w（總磷）2.79 g/kg，w（總鉀）1.85 g/kg，碳氮質(zhì)量比為9.09。凹凸棒石原礦由甘肅瀚興環(huán)保科技有限公司提供，主要礦物質(zhì)量占比為：凹凸棒石29.7%、石英21.8%、海泡石4.9%、長(zhǎng)石14.6%、白云石6.3%、綠泥石4.8%、石膏5.1%、蒙脫石5.3%、方解石3.2%、云母4.2%［10］。發(fā)酵劑由北京正農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 研究方法

1.2.1 堆肥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)利用自制聚氯乙烯（PVC）容器進(jìn)行，該容器既能保溫，又能控制曝氣條件。將20 kg 雞糞和0.1 kg 發(fā)酵劑加入PVC 容器內(nèi)，保持w（H2O）在60%左右，根據(jù)各處理凹凸棒石添加量0、3、6、9、12、15 kg，將對(duì)應(yīng)堆肥處理標(biāo)記為MA0、MA3、MA6、MA9、MA12、MA15。分別于發(fā)酵時(shí)間為1、4、12、20、25、32 d時(shí)采用梅花式5 點(diǎn)法取樣進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)定，每次取樣量在100 g之內(nèi)，每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.2.2 堆肥中理化性質(zhì)測(cè)定

于8 ∶00 和16 ∶00 測(cè)量堆體的溫度及室溫，溫度計(jì)插入堆體約30 cm。用pH 計(jì)測(cè)量上清液的pH 值，用DDS-307 型電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率。用灼失法計(jì)算揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)的含量。用納氏試劑比色法在分光光度計(jì)420 nm 處測(cè)定吸光度［11］，計(jì)算銨態(tài)氮的含量。用紫外分光光度法分別在220、275 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度［12］，計(jì)算硝態(tài)氮的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理雞糞堆肥溫度的變化

所有處理堆體的溫度變化趨勢(shì)均大體相同，整個(gè)過程通常可分為嗜熱階段、中嗜熱階段和成熟階段3個(gè)階段［13］。在堆肥初期（1～4 d）所有處理堆體的溫度都迅速上升至44 ℃以上（見圖1），導(dǎo)致嗜溫、嗜熱菌變得活躍，同時(shí)大量繁殖，微生物迅速分解堆肥中易分解的有機(jī)物；堆肥發(fā)酵20 d 時(shí)，盡管所有處理堆體的溫度在一定程度有所下降，但都在45～50 ℃；發(fā)酵32 d時(shí)，各處理堆體的溫度分別由第20 天的高溫下降了17.5、19.5、19.0、21.0、19.0、19.5 ℃，最后降至周圍環(huán)境溫度，堆肥達(dá)到腐熟。MA3 在高溫區(qū)的溫度比MA0 略高，這是由于添加凹凸棒石可以改善堆肥體的通風(fēng)，保證足夠的氧含量，因此微生物活性提高，物質(zhì)的分解反應(yīng)更強(qiáng)烈，從而產(chǎn)生更多的熱量。此實(shí)驗(yàn)的溫度符合堆肥腐熟溫度指標(biāo)。同一時(shí)間下添加不同含量的凹凸棒石對(duì)雞糞好氧堆肥堆體溫度的變化沒有顯著影響［14］。

圖1 添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥溫度變化的影響

2.2 不同處理雞糞堆肥pH的變化

各處理堆體的pH 均隨著腐熟時(shí)間延長(zhǎng)先降低后升高然后又逐漸降低（見圖2）。空白組和添加凹凸棒石處理堆體的pH 均在最初的幾天小幅度下降，可能是因?yàn)樯锝到猱a(chǎn)生有機(jī)酸和大量的CO2［15］，也可能與氨氣的揮發(fā)有關(guān)。發(fā)酵時(shí)間為12～20 d 時(shí)，微生物大量繁殖，pH 明顯升高，NH4+-N 以氨氣的形式揮發(fā)掉，這是堆肥發(fā)酵過程中氮素?fù)p失的主要途徑［16］。堆肥結(jié)束時(shí)，不同處理堆體的pH 各不相同，但均比前一階段有所下降，且MA0＞MA3＞MA9＞MA6＞MA15＞MA12。此時(shí)由于硝化作用產(chǎn)生大量的H+并且有機(jī)物分解產(chǎn)生有機(jī)酸，所以pH逐漸降低［17］。隨著時(shí)間的推移，氨化作用逐漸減弱，雞糞不斷分解，碳酸氫鹽緩沖體系的形成使堆體pH 穩(wěn)定在8.0 左右［18］，基本符合堆肥腐熟pH指標(biāo)。

圖2 添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥pH變化的影響

2.3 不同處理雞糞堆肥電導(dǎo)率的變化

電導(dǎo)率反映了堆肥浸提液中的可溶性鹽含量，過高的鹽含量會(huì)危害植物的生長(zhǎng)，一般認(rèn)為堆體的電導(dǎo)率小于4 mS/cm時(shí)處于安全范圍［19］。所有處理的電導(dǎo)率都隨著堆肥時(shí)間延長(zhǎng)持續(xù)增大，尤其是在前4 d，電導(dǎo)率增加非常迅速，之后趨勢(shì)變緩（見圖3）。12 d后添加凹凸棒石的各處理電導(dǎo)率均小于對(duì)照處理，電導(dǎo)率的大小與凹凸棒石的添加量成反比。在雞糞堆肥過程中，由于小分子有機(jī)酸相互作用和大分子有機(jī)酸的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生豐富的小分子脂肪酸、HSO、NH、H+等小分子物質(zhì)，使電導(dǎo)率增加［20］。各處理的電導(dǎo)率到堆肥結(jié)束時(shí)均高于安全限值，與空白對(duì)照相比，凹凸棒石添加劑能降低堆體的電導(dǎo)率，這可能與凹凸棒石表面的吸附性能相關(guān)［21］。

圖3 添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥電導(dǎo)率變化的影響

2.4 不同處理雞糞堆肥有機(jī)質(zhì)的變化

在堆肥過程中，微生物利用碳氮元素與堆肥過程中釋放的能量合成自身生長(zhǎng)物質(zhì)，其中有機(jī)質(zhì)為微生物的生長(zhǎng)提供碳源。由于有機(jī)質(zhì)的礦化作用，所有處理中有機(jī)質(zhì)含量都隨堆肥時(shí)間延長(zhǎng)而下降，下降速度先快后慢（見圖4）。除了MA15處理在堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量變化波動(dòng)較多外，其他處理在堆肥初期有機(jī)質(zhì)含量下降的速度比較迅速，微生物在適宜的生長(zhǎng)環(huán)境異常活躍，利用一些小分子的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行新陳代謝［19］。堆肥中后期，有機(jī)質(zhì)含量降低的趨勢(shì)并不明顯，因?yàn)槲⑸镩_始分解大分子有機(jī)物，降解效率變低。堆肥32 d 后，MA3、MA6、MA9、MA12、MA15 處理的w（有機(jī)質(zhì)）分別比MA0 處理低4.0%、10.4%、12.7%、14.1%、15.5%。凹凸棒石的改良不僅促進(jìn)了堆肥物質(zhì)的多孔性和通氣性，還促進(jìn)了有機(jī)物的降解。與初始的有機(jī)質(zhì)含量相比，MA9處理降低的幅度最大，而MA12處理降低的幅度最小，且都基本符合堆肥標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥有機(jī)質(zhì)變化的影響

2.5 不同處理雞糞堆肥NH-N含量的變化

發(fā)酵過程中氮素的損失不僅會(huì)降低有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)［9］。所有處理NH-N 含量都是先增加后減小，各堆體銨態(tài)氮含量都是在高溫期增加最快。MA0、MA3處理在發(fā)酵20 d 時(shí)w（NH-N）分別達(dá)到了峰值7.55、8.46 g/kg（見圖5），二者表現(xiàn)出顯著性差異。在發(fā)酵12 d 時(shí)，MA6、MA9、MA12、MA15處理的w（NH-N）達(dá)到了峰值7.57、9.23、9.36、9.79 g/kg，其中MA9、MA12、MA15 處理無(wú)顯著差異，而MA6 處理的NH-N 含量則與它們差異顯著。在所有處理中MA3 處理的NH-N 含量增幅最大為90.2%，而MA6 的增幅最小為54.0%。NH-N含量之所以逐漸升高，是因?yàn)殡S著堆體溫度升高，氨化細(xì)菌異常活躍，含氮有機(jī)物被降解產(chǎn)生銨態(tài)氮的速率增快［22］。之后各處理的NH-N 含量逐漸下降，至堆肥結(jié)束時(shí)MA0、MA3、MA6、MA9、MA12、MA15 處理當(dāng)中的w（NH-N）比堆肥開始時(shí)分別降低了1.61、0.98、1.03、0.94、0.38、0.3 g/kg，且此時(shí)6 個(gè)處理彼此間差異顯著。隨著溫度降低，硝化細(xì)菌變得活躍，NH-N迅速轉(zhuǎn)化為NO-N［21］。堆肥腐熟時(shí)，空白對(duì)照處理中的NH-N 含量明顯低于添加凹凸棒石處理，說(shuō)明添加凹凸棒石能增加堆肥的銨態(tài)氮含量。之前也有研究證明適當(dāng)添加量的凹凸棒石改性劑可優(yōu)化堆肥的堆積密度，增強(qiáng)氨微生物的活性，為堆肥提供養(yǎng)分來(lái)源，提高肥料利用率［23］，從而降低氨氮排放［13］。

圖5 添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥NH-N含量變化的影響

2.6 不同處理雞糞堆肥NO-N含量的變化

圖6 添加凹凸棒石對(duì)雞糞堆肥NO3--N含量變化的影響

3 結(jié)論

凹凸棒石的添加可以促進(jìn)雞糞的分解，堆肥結(jié)束時(shí)堆體基本達(dá)到室溫，符合腐熟標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：凹凸棒石添加劑的多少對(duì)堆體溫度變化無(wú)顯著的影響；添加凹凸棒石最終能使堆肥pH 趨于穩(wěn)定；凹凸棒石添加劑能降低堆體的電導(dǎo)率，這可能是因?yàn)榘纪拱羰砻娼Y(jié)構(gòu)具有吸附性；有機(jī)質(zhì)的含量呈下降趨勢(shì)，添加不同含量的凹凸棒石均能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的降解；堆肥過程中的NH-N 含量先增加后減少，所有含量的凹凸棒石添加劑均能遏制堆肥后期NH-N 含量的下降趨勢(shì)，降低氮素?fù)p失；堆肥結(jié)束時(shí)，添加凹凸棒石的處理NO-N增加量均大于空白對(duì)照，固氮效果明顯。