外源添加劑對(duì)雞糞堆肥保氮效果的影響

高溫堆肥是對(duì)動(dòng)物和家禽飼料進(jìn)行有害處理和回收的主要技術(shù)方法。從池塘中收集肥料可以用作良好的土壤調(diào)整劑和有機(jī)肥料。高溫堆肥過(guò)程中普遍存在氮素?fù)p失的現(xiàn)象,傳統(tǒng)的堆肥技術(shù)往往不注重堆肥中氮素養(yǎng)分的控制,致使生產(chǎn)出來(lái)堆肥質(zhì)量較差,保持盡可能多的氮素營(yíng)養(yǎng)是現(xiàn)代堆肥工藝所追求的重要目標(biāo)之一。堆肥的升溫和高溫階段是氮素?fù)p失的主要時(shí)期,主要損失途徑是堆體中的氮在高pH和高溫的條件下以NH3的形式逸出。高溫堆肥過(guò)程中氮素?fù)p失受堆肥物料組成、C/N比、pH值、通風(fēng)、溫度、濕度和堆肥外源添加劑等的共同影響。Barrington等總結(jié)了畜禽糞/秸桿、污泥/秸桿、畜禽糞/鋸屑聯(lián)合堆肥時(shí),各組混合廢物在堆肥過(guò)程中的氮損失量約為進(jìn)料總氮的16%~76%。如何減少高溫期NH3的揮發(fā)是高溫堆肥控制氮素?fù)p失的關(guān)鍵,目前控制或減少高溫堆肥過(guò)程中的氮損失方法主要有2大類:一是改變堆肥工藝條件,如保障適量的通風(fēng)、適當(dāng)?shù)臐穸?、控溫?二是在堆肥過(guò)程中通過(guò)加入堆肥添加劑減少氮素?fù)p失,如一些酸性物質(zhì)和金屬鹽可以降低堆肥過(guò)程中的pH,減少氨氣的揮發(fā)[9,10,11,12,13,14,15,16]。高溫堆肥是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程,受堆肥原料性質(zhì)和堆肥控制條件等多方面的影響,在不規(guī)范實(shí)驗(yàn)條件的情況下很難比較不同技術(shù)處理和添加劑的保氮效果。在堆肥工程實(shí)踐中,以畜禽糞便特別是以雞糞為主要原料進(jìn)行高溫堆肥時(shí),由于雞糞中含有較多的氮素,經(jīng)常發(fā)生較嚴(yán)重的氨揮發(fā)產(chǎn)生的異味。硫磺和硫酸亞鐵均屬于酸性物質(zhì),本實(shí)驗(yàn)利用堆肥反應(yīng)器在嚴(yán)格控制堆肥反應(yīng)條件下,研究硫磺和硫酸亞鐵對(duì)雞糞好氧堆肥控制氮素?fù)p失的效果。1材料和方法1.1雞糞、米糠來(lái)源堆肥實(shí)驗(yàn)在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所進(jìn)行,堆肥原料為雞糞、蘑菇渣和米糠。雞糞取于本院畜牧研究所種雞場(chǎng),蘑菇渣來(lái)源于東莞市星河生物科技公司食用菌廠,米糠取于本院稻米加工廠。堆肥物料的物化性質(zhì)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)所用的硫磺(S)和硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)均為化學(xué)純?cè)噭?從市場(chǎng)購(gòu)買。1.2罐體內(nèi)模型材料實(shí)驗(yàn)采用堆肥反應(yīng)器(VTD-100)進(jìn)行,見(jiàn)圖1。反應(yīng)器外觀為臥式不銹鋼罐體,外壁設(shè)計(jì)有保溫層,其厚度為50mm,有效容積100L。罐體內(nèi)配有攪拌漿和排風(fēng)裝置,其中軸線上設(shè)置溫度、水分和氧氣探頭,將每個(gè)探頭連接到高精度遠(yuǎn)傳數(shù)采系統(tǒng)上,并和計(jì)算機(jī)連接,由計(jì)算機(jī)實(shí)施溫度、水分和氧氣的在線監(jiān)測(cè),同時(shí)自動(dòng)控制攪拌、通氣和供氧。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定通風(fēng)量為30L/min,通風(fēng)頻率為每間隔1h通風(fēng)6min;每48h攪拌一次,攪拌轉(zhuǎn)速為6.4r/min。1.3堆料、樣品的采集實(shí)驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理:(1)不加添加劑堆料(CK);(2)堆料+硫磺(T1);(3)堆料+硫酸亞鐵(T2),(4)堆料+硫磺+硫酸亞鐵(T3)。由于堆料的C/N越低氮揮發(fā)損失將越大,本實(shí)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)低了堆料的C/N。將雞糞、蘑菇渣和米糠按照10∶4∶1的比例進(jìn)行混合成堆料,每個(gè)處理堆料總量為45kg,C/N為16左右,調(diào)整含水率為55%左右。硫磺添加量為堆肥原料干重的1%(質(zhì)量比),在堆料攪拌過(guò)程中均勻添加;硫酸亞鐵添加量為堆肥原料干重的2%(質(zhì)量比),先將硫酸亞鐵溶于水中,在堆料攪拌過(guò)程中均勻噴灑。在堆肥過(guò)程的第0、2、4、6、8、10、13、21和25天進(jìn)行采樣,共計(jì)9次。采樣方式為5點(diǎn)采樣法,即中心及四角部位采集樣品共約300g,采樣點(diǎn)為反應(yīng)器中堆體表面以下20~25cm處,然后進(jìn)行充分混合。每個(gè)處理采用相同方法采集3個(gè)樣品。將采集的樣品分成2份,1份新鮮樣品于4℃冰箱保存,用于pH、EC、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定;1份放于室內(nèi)風(fēng)干后粉碎過(guò)1mm篩貯存,用于全氮的測(cè)定。堆肥實(shí)驗(yàn)從2009年9月10日—10月4日,共計(jì)25d。1.4種子發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽率的測(cè)定堆肥溫度由PT-100鉑電極在線記錄,測(cè)定位置為堆肥中心部位,分別在每天上午10時(shí)和下午5時(shí)測(cè)定溫度。pH、EC測(cè)定:堆肥水浸提液按鮮樣:水為1∶10(質(zhì)量比)的比例混合,室溫振蕩30min,靜置30min后,用上清液測(cè)定pH(PB-10Sartorius)和EC。堆肥中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定,按鮮樣:1mol/LKCl為1∶10(質(zhì)量比)的比例浸提,室溫振蕩30min,離心,過(guò)濾后,用上清液于流動(dòng)注射分析儀(AMSFRANCEFUTURA)測(cè)定。風(fēng)干樣經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后用于全氮測(cè)定:凱氏定氮蒸餾法。種子發(fā)芽指數(shù)(GI)測(cè)定:取5g堆肥鮮樣加入50mL蒸餾水,振蕩1h,吸取5mL濾液,加到鋪有2張濾紙的9cm培養(yǎng)皿中,每個(gè)培養(yǎng)皿播20粒蘿卜種子,30℃下暗培養(yǎng)48h,測(cè)定發(fā)芽率和根長(zhǎng),計(jì)算種子發(fā)芽指數(shù)(GI)值。其計(jì)算公式為:GI=(堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))/(對(duì)照的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))數(shù)據(jù)分析采用SPSS16.0和EXCEL。2結(jié)果與分析2.1堆肥高溫期各時(shí)間點(diǎn)高、堆肥溫度n堆肥的溫度變化是反映好氧堆肥是否正常最直接、最敏感的指標(biāo),也是評(píng)價(jià)堆肥腐熟和無(wú)害化的最重要指標(biāo)之一。我國(guó)糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB7959-87)規(guī)定,堆肥溫度達(dá)50~55℃以上并持續(xù)5~7d,認(rèn)為堆肥達(dá)到無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)(GB7959-87)。圖2反映了本次堆肥實(shí)驗(yàn)溫度的變化。本次堆肥實(shí)驗(yàn)升溫迅速,堆肥第1天即以達(dá)到高溫期(>50℃),CK、T1、T2和T3處理>50℃時(shí)間分別為10.5、11.5、11.5和14d,>55℃時(shí)間分別為9、8、10.5和12.5d。本實(shí)驗(yàn)CK、T1、T2和T3處理最高溫度為:68、63.5、68和69℃。整個(gè)堆肥過(guò)程,T1和CK處理差異不顯著(P>0.05),T2和CK處理差異顯著(P<0.05),T3和CK處理差異顯著(P<0.01)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:雞糞堆肥中添加硫磺對(duì)堆肥升溫和高溫期的維持有一定影響,而加硫酸亞鐵對(duì)堆肥升溫和高溫期的維持均無(wú)顯著影響,而同時(shí)添加硫磺和硫酸亞鐵更有利于高溫期的持續(xù)。2.2堆肥過(guò)程ph的變化結(jié)果見(jiàn)表1pH是影響微生物生長(zhǎng)繁殖的重要因素之一,多數(shù)堆肥微生物適合在中性或偏堿性環(huán)境中繁殖與活動(dòng)。圖3是本次堆肥實(shí)驗(yàn)的pH變化。隨著堆肥的進(jìn)行,CK處理pH在0~10d逐漸升高,然后趨于平穩(wěn),最后pH穩(wěn)定在9.2左右。添加硫磺和硫酸亞鐵的T1、T2和T3處理的pH呈現(xiàn)先降低再升高,在第13天至堆肥結(jié)束基本保持平穩(wěn),而且整個(gè)堆肥過(guò)程pH均低于CK處理。堆肥過(guò)程中CK、T1、T2和T3處理的最高pH分別為9.32、8.91、9.17和8.82;最低pH分別為7.52、7.16、7.18和6.98。從圖3可以看出,與無(wú)添加劑的對(duì)照CK比較,添加硫磺和硫酸亞鐵的處理均可降低堆肥的pH,T3與CK處理pH差異顯著(P<0.05)。這與林小鳳等研究的添加氯化鐵和過(guò)磷酸鈣可以降低堆肥pH,改變了堆肥營(yíng)養(yǎng)成分和微生物生長(zhǎng)環(huán)境的研究結(jié)果相一致。2.3堆肥可溶性鹽含量電導(dǎo)率反映了堆肥浸提液中的鹽基離子的濃度。從圖4中可以看出,各處理的EC值在堆肥初期變化基本一致,在堆肥第8天后呈上升趨勢(shì)。整個(gè)堆肥過(guò)程中CK處理的EC值最低,其余3個(gè)處理由于硫磺和硫酸亞鐵的添加,增加了堆肥可溶性鹽的含量,從而使EC值升高。堆肥原料基質(zhì)需要一定無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和鹽離子來(lái)保證微生物的快速生長(zhǎng),同時(shí)堆肥要應(yīng)用于土壤,堆肥中的可溶性鹽含量是堆肥對(duì)作物產(chǎn)生毒害作用的重要因素之一。有研究表明,堆肥EC值小于9.0mS/cm不會(huì)對(duì)黑麥草植物的發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用。本實(shí)驗(yàn)在堆肥25d時(shí)CK、T1、T2和T3處理EC分別為:3.44、5.26、4.35和5.45mS/cm,因此從EC上看添加硫磺和硫酸亞鐵的處理對(duì)堆肥質(zhì)量影響不大。2.4不同硫酸亞鐵對(duì)堆肥銨態(tài)氮含量的影響堆肥的升溫和高溫階段是氮素?fù)p失的主要時(shí)期,損失的主要途徑是氮在高pH和高溫的條件下以NH3的形式逸出。氨(NH3)在水中的溶解度雖然很大,但其在溶液中呈不穩(wěn)定的結(jié)合狀態(tài),大都以氨分子形式溶解于水中。在堆料中有兩種氨的存在形態(tài):氣態(tài)氨(NH3)和溶解在堆肥液態(tài)水中的銨離子(NH+4),這兩種形態(tài)都會(huì)出現(xiàn)并能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種,轉(zhuǎn)化比例由堆體條件所決定,堆肥中銨態(tài)氮含量的變化與微生物活動(dòng)、溫度和pH等因素有關(guān),主要取決于高溫、pH、氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性。圖5反應(yīng)了本次堆肥實(shí)驗(yàn)的銨態(tài)氮含量變化情況。CK處理的銨態(tài)氮含量呈先升高再降低的變化趨勢(shì),T1、T2和T3處理的銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),到后期也無(wú)明顯的降低,穩(wěn)定在一個(gè)較高的水平。通常情況下,在堆肥過(guò)程中隨著溫度和pH的升高,銨態(tài)氮會(huì)逐漸下降,如圖6中的CK處理。T1、T2和T3處理由于添加硫磺和硫酸亞鐵,有效降低了堆肥的pH,控制了銨態(tài)氮的揮發(fā)。堆肥結(jié)束,CK、T1、T2和T3處理的銨態(tài)氮含量分別為2.978、7.671、5.558和9.949g/kg,T1、T2和T3處理與CK處理差異顯著(P<0.01),T1、T2和T3處理分別比CK提高157.6%、86.6%和238.1%。由此可見(jiàn),硫磺和硫酸亞鐵的加入可大幅度增加堆肥成品中銨態(tài)氮的含量,同時(shí)添加硫磺和硫酸亞鐵的效果最好。這可能是由于堆肥中微生物可將單質(zhì)硫氧化為硫酸鹽(SO2?442-),與堆肥中的NH+4生成(NH4)2SO4,而(NH4)2SO4可與FeSO4進(jìn)一步反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸亞鐵銨復(fù)鹽:(NH4)2SO4+FeSO4+6H2O=(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O這樣促進(jìn)堆肥體系中NH3—NH+4平衡向右移,增加NH+4含量,減少NH3的揮發(fā)。2.5堆肥溫度和高溫期對(duì)堆肥中硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的影響由圖6可看出,堆肥初期各處理硝態(tài)氮含量均較低。隨著堆肥的進(jìn)行,堆肥第10~12天,銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化相對(duì)增多,硝態(tài)氮含量達(dá)到高峰。由于本次堆肥溫度較高且高溫期較長(zhǎng),尤其是T2和T3處理在堆肥15d之前溫度始終較高,抑制硝化細(xì)菌的生長(zhǎng),硝態(tài)氮含量相對(duì)其他處理較低。隨著堆肥的進(jìn)行,堆肥中硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。至堆肥結(jié)束CK、T1、T2和T3處理的硝態(tài)氮含量分別為:12.14、1.70、7.43和16.65mg/kg,處理之間差異顯著(P<0.05)。2.6不同堆肥對(duì)土壤總氮含量的影響好氧堆肥的實(shí)質(zhì)是有機(jī)物的降解過(guò)程,由于有機(jī)物的分解和揮發(fā),同時(shí)存在氮素?fù)p失和碳素?fù)p失現(xiàn)象。當(dāng)碳素?fù)p失率超過(guò)氮素?fù)p失率時(shí),也就是碳素比氮素?fù)p失要快,則表現(xiàn)氮素積累,這時(shí)就表現(xiàn)氮素被固定;反之則表現(xiàn)氮素下降,氮素?fù)p失較高。由圖7可知,本次堆肥各處理的全氮含量變化趨勢(shì)基本相同,呈現(xiàn)出升高—降低—再升高的趨勢(shì)。在堆肥升溫期和高溫期,各個(gè)處理的TN含量均不斷上升,高溫期過(guò)后,各處理TN含量逐漸降低,但T1、T2和T3處理的TN下降幅度明顯比CK處理小。整個(gè)堆肥過(guò)程CK處理的TN含量始終是低于其他3個(gè)處理,而且CK與T3處理差異顯著(P<0.01)。至堆肥結(jié)束,CK、T1和T2處理的TN含量均低于堆肥原始物料,只有T3處理的略高于原始物料,CK、T1、T2和T3處理的TN含量分別為17.77、18.20、19.26和20.48g/kg,T1、T2和T3處理的TN含量分別比CK處理提高2.75%、9.04%和15.82%。與對(duì)照比較,僅添加硫磺的處理總氮的增加不顯著(P>0.05),與S.Mahimairaja等研究結(jié)果不一致,可能與實(shí)驗(yàn)條件不同有關(guān)。而添加硫酸亞鐵的總氮增加達(dá)顯著水平(P<0.05),同時(shí)添加硫磺和硫酸亞鐵的T3處理的總氮增加也達(dá)顯著水平(P<0.05),保氮效果最明顯。2.7堆肥中銨態(tài)氮含量對(duì)種子發(fā)芽的影響植物生長(zhǎng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的最終和最具說(shuō)服力的方法,一般認(rèn)為當(dāng)種子發(fā)芽指數(shù)大于50%時(shí)表示堆肥已腐熟。畜禽糞堆肥中的銨態(tài)氮含量和電導(dǎo)率(EC)是影響植物毒性的最重要因素,當(dāng)堆肥中銨態(tài)氮含量大于500mg/kg時(shí)抑制種子發(fā)芽。本次堆肥實(shí)驗(yàn)分別在堆制后第10天、21天和25天采樣測(cè)定了堆肥浸提液的蘿卜種子發(fā)芽指數(shù)(GI)。由圖8可看出,在堆肥第10天,除T3處理外其他處理的GI均大于50%,到堆肥第21天,各處理GI均低于50%,至堆肥第25天結(jié)束,CK、T1、T2和T3處理種子發(fā)芽指數(shù)為69.7%、50.6%、57.4%和53.8%,所有4個(gè)處理的種子發(fā)芽指數(shù)均大于50%。表明在本實(shí)驗(yàn)條件下,堆肥25d后4個(gè)處理堆肥基本達(dá)到腐熟。3植物毒性添加劑(1)以雞糞為主要原料進(jìn)行好氧堆肥,在堆肥中分別添加1%硫磺(T1)、添加2%硫酸亞鐵(T2)和同時(shí)添加硫磺和硫酸亞鐵(T3),所有處理堆肥高溫期(>50℃)均大于10d,達(dá)到畜禽糞無(wú)害化的要求;至堆肥25d后的蘿卜種子發(fā)芽指數(shù)GI均大于50%,堆肥成品基本無(wú)植物毒性。(2)與無(wú)外源添加劑的對(duì)照(CK)比較,堆肥中添加硫磺對(duì)堆肥升溫和高溫期的維持有一定影響,添加硫酸亞鐵對(duì)堆肥升溫和高溫期的維持均無(wú)顯著影響,而同時(shí)添加硫磺和硫酸亞鐵更有利于高溫期的持續(xù),可加速有機(jī)物的降