全 文 :收稿日期:!""#$"%$&’ 接受日期:!""($"&$!)
基金项目:四川省科技厅应用基础项目(!"")*&+$"’&);四川省教育厅重点项目(!"",-""’)资助。
作者简介:李冰(&%#)—),男,四川通江人,讲师,硕士,主要从事土壤与植物营养研究。./0:"(+,$!((,()’,123450:6/780//9&)+: ;<3
! 通讯作者 ./0:"(+,$!((,(!),123450:=;>?479 @5;4?A /B?A ;7
有机辅料对猪粪堆肥中氨气挥发的抑制效应
及其影响因素分析
李 冰&,王昌全&!,江连强&,+,李焕秀!,杨 娟&,杨保川&,’
(& 四川农业大学资源环境学院,四川雅安 )!,"&’;! 四川农业大学林学园艺学院,四川雅安 )!,"&’;
+ 凉山州烟草公司,四川西昌 )&,""";’ 自贡烟草局,四川自贡 )’+""")
摘要:选取稻草、油菜秸秆和食用菌渣作为猪粪堆肥的有机辅料,研究三种堆肥体系中氨气挥发释放规律及其影响
因素。结果表明,经过 ), B的堆腐,稻草$猪粪、油菜秸秆$猪粪和菌渣$猪粪堆肥氨气挥发量分别为 ,:"(’、):’(+和
+:"&+ 8 C D8,是对照(纯猪粪)处理(#:(+) 8 C D8)的 )’:((E、(!:#’E和 +(:’,E。从氨气的释放量和释放速率看,菌渣
是一种较好的有机辅料。从氨气释放的时间变化特征看,稻草对猪粪堆肥氨气排放高峰期影响最为明显,主要表
现为氨气前期猛烈释放且持续时间短,是猪粪快速腐熟技术优选的高效有机辅料。堆腐完成后,三种有机辅料均
能减少水溶性 FGH’ 2F的累积,增加水溶性 FI$+ 2F的含量,引起 JG和 1K值下降,提高堆肥全氮含量,促进堆肥有
机物和粗纤维的降解,且以稻草和菌渣处理效果最为显著。
关键词:有机辅料;猪粪堆肥;氨气挥发
中图分类号:L&’&:’ 文献标识码:- 文章编号:&""($,",M(!""()",$"%(#$"#
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近几十年来,大型养殖场的兴起,畜禽粪便堆
积,释放出大量的氨、温室气体,导致严重的环境问
题[!]。作为有价值的养分资源,畜禽粪便经济而环
保的处理方式是堆肥化["#$]。堆料在腐熟过程中通
常会发生氮素挥发损失,损失量为 !%&!’(&,平均
值为 ()&[(#*]。而且,大多数氮素是以氨气的形式
挥发损失[*#%],从而降低成品堆肥中的氮素含量,这
不仅降低了成品堆肥的农学价值,还造成了环境污
染[’#!)]。猪粪由于具有较小的自由空间,结构性差,
湿度高,+ , -比低(约为 !)左右),本身不具备理想
的好氧堆肥条件,富碳的有机辅料不仅能改善猪粪
堆肥的结构性,吸收水汽,而且可作为微生物的碳
源,通常作为畜禽堆肥的有机调理剂[!)]。但是,不
同有机辅料物理化学特性不同,在堆肥过程中是否
会有效降低氮素的损失,在调控氨气的挥发释放限
制因子方面的功能有多大等问题尚不明确。为此,
试验选取稻草、油菜秸秆和食用菌渣作为有机辅料,
探讨有机辅料 #猪粪堆肥过程中氨气释放及其限制
因子的动态变化,旨在为提高堆肥产品质量、降低环
境污染筛选优质的有机辅料。
! 材料与方法
!"! 供试材料
猪粪:取自四川农业大学动物营养所养殖场,
取存放时间不超过 "( .的鲜样;稻草:取自雅安市
雨城区甘家坝,剪成 !!$ /0长段;油菜秸秆:取自
四川农业大学实验农场,剪成 !!$ /0长段;菌渣:
取自雅安市雨城区大兴镇,主要原料为木屑和麦麸。
堆肥材料的 + , -比及水分状况见表 !。
表 ! 堆肥材料基本性质
#$%&’ ! ()*+*$& ,-).*+*-) -/ +0’ ,-12-3+*)4 1$+’5*$&3
项目 1230 猪粪 456 0789:3 稻草 ;2:7< 油菜秸杆 =7>3 ?2:7< 菌渣 @9?.:AA0 :3?5B93
有机碳 C:6785/ +(&) ()DE) *!DF) *$D%) ((D!)
总氮量 GA27H -(&) "D%* )DF! )DE* !D"E
水分 @A5?29:3(&) E)D$) !!D*) !"D%) "!D*)
+ , -比值 + , - :725A !*D() *’D)) %$D!) $(D()
!"6 试验设计
试验设猪粪和 $种有机辅料混合堆肥和纯猪粪
作对照共 (个处理(表 "),重复 (次。猪粪和有机辅
料按重量比 !) I !(菌渣为 !) I ")将猪粪和有机辅料
混匀后装入堆肥池中,放入装有 *) 0J硼酸吸收液
的 !)) 0J塑料瓶,用已知截面积的钟罩将硼酸吸收
瓶盖住,收集钟罩覆盖范围挥发的氨气。堆肥开始
前 %周每 "!$ B 翻堆 ! 次,之后 !)!!* B 翻堆 !
次。每次翻堆即进行氨气收集,用 )D* 0AH , J硫酸滴
定硼酸吸收液。
表 6 不同有机辅料7猪粪堆肥化处理
#$%&’ 6 8*//’5’)+ -54$)*, $9:*&*$5; 1$+’5*$& $). 2*4 1$)95’ +5’$+1’)+3
项目
1230
猪粪
4@
猪粪 K稻草
4@;
猪粪 K油菜秸秆
4@=;
猪粪 K菌渣
4@@=
配合比例 +AA>3:725A8 :725A !)I! !)I! !)I"
堆肥水分含量 +A0>A?2 0A5?29:3(&) E)D$ ’)D( ’!D% ’)D!
堆肥初始 + , -比 4:507:L + , - :725A AM 2.3 /A0>A?2 !*D( "ED$ $)D" "(D’
注(-A23):4@—猪粪 456 0789:3;4@;—猪粪 K稻草 456 0789:3 K ;2:7<;4@=;—猪粪 K油菜秸秆 456 0789:3 K =7>3 ?2:7<;4@@=—猪粪 K菌
渣 456 0789:3 K @9?.:AA0 :3?5B93,下同 G.3 ?703 N3HA
堆肥样品按固液比 ! I!)(< I P,以干重计),用去
离子水在 !*) : , 058下振荡浸提 ! .,测定悬浮液的
>Q值及 R+值,然后在 (S下,以 *))) : , 0离心,取
上清液测定水溶性 -QK( T-和 -C#$ T-[!!]。有机物分
解率和种子发芽指数参考文献[!"],粗纤维测定参
照文献[!$]进行。
EEF 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 !$卷
! 结果与分析
!"# 有机辅料对猪粪堆肥氨气挥发特性的影响
!"#"# 氨气排放累积量的变化 图 #看出,加入有
机辅料对猪粪堆肥前期的氨气挥发有激发作用,但
均不同程度降低了氨气挥发累积总量,减少了氮素
的损失。堆肥处理 $% &左右,纯猪粪处理(’()的氨
气挥发累积量($"$) * + ,*),仅占 -) &堆肥处理挥发
总量(."/0 * + ,*)的 0!".12;而添加稻草、油菜秸杆
和菌渣处理的氨气挥发累积量分别为 0"1/、0".#和
!"%$ * + ,*,达 -) & 该处理挥发总量()"%/、-"0/ 和
$"%# * + ,*)的 1."1!2、.!".#2和 -.")#2。经过 -)
& 堆腐后,猪粪 3 稻草(’(4)、猪粪 3 油菜秸秆
(’(54)和猪粪 3菌渣(’((5)处理挥发累积量是对
照(’()处理的 -0"//2、/!".$2和 $/"0)2。可见,
在有机辅料对猪粪堆肥氨气释放的减少效应方面,
菌渣降低猪粪堆肥中氨气挥发的效应最为明显。
图 # 不同处理氨气挥发累积曲线
$%&’# ())*+*,-.%/0 )*123 /4 -++/0%- %0
5%443130. .13-.+30.6
[注(6789):’(—猪粪 ’:* ;<=>?9;’(4—猪粪 3 稻草 ’:* ;<=>?9 3
48?<@;’(54—猪粪 3油菜秸秆 ’:* ;<=>?9 3 5
!"#"! 氨气排放的时间变化 对猪粪堆肥氨气排
放高峰影响最为明显的是稻草(’(4处理),尤其是
在堆肥前期氨气挥发比较猛烈,前 #% &的氨气挥发
量最大,分别为处理 ’(、’(54和 ’((5的 #"/倍、
$"!倍和 -"#倍。氨气挥发在前 #% &强烈持续上升
后,维持了一段挥发高峰期,到 !% &左右时达最高
峰,#% &的累积量达 !".. * + ,*。!# &后氨气挥发量
迅速下降,到第 $% &时累积量仅为 %".1 * + ,*。经过
一个月的堆肥发酵后,稻草和猪粪混合堆肥已到了
后腐熟阶段,氨气挥发量趋近于零。油菜秸秆和菌
渣处理,氨气挥发高峰期持续时间较长,从第 #% &
开始,持续了 0% &以上,但在挥发总量上菌渣处理
的最低(图 !)。
图 ! 不同处理堆肥氨气排放时间段累积曲线
$%&’! 783 -++/0%- 2/,-.%,%9-.%/0 1-.36 %0
5%443130. .13-.+30.6
!"#"$ 氨气排放速率的变化 根据有机辅料处理
猪粪堆肥氨气释放特性(图 #),将有机辅料 H猪粪
堆肥氨气释放分为缓慢释放、快速上升和微弱挥发
三个时段。
表 $可以看出,添加不同有机辅料对猪粪堆肥
氨气排放时段和释放速率均有较大的影响。其中,
猪粪 3稻草(’(4)处理的缓慢释放时段和快速上升
时段明显较其他处理短,两个时段仅需 !- &,而猪粪
3油菜秸秆(’(54)和猪粪 3菌渣(’((5)处理氨气
挥发的快速上升期较猪粪 3稻草(’(4)处理多 #% &
左右。猪粪 3 稻草( ’(4)和猪粪 3 油菜秸秆
(’(54)处理在三个时段中的氨气释放速率基本一
致,但猪粪 3稻草(’(4)处理在氨气排放的关键时
段—缓慢释放和快速上升阶段上经历的时间最短,
故其氨气释放总量小于猪粪 3油菜秸秆(’(54)处
理。纯猪粪处理(’()在 -) &的腐熟过程中未表现
出明显的时段性,其氨气释放总量也是最大的(."/0
* + ,*),平均速率为 %"#!* +(,*·&)。
!"! 有机辅料对猪粪堆肥氨气排放限制因子的影
响
!"!"# AI和 JK 相关性分析表明,堆肥中氨气挥
发和堆肥的 AI 的相关性达到了极显著水平( ? L
%"/#.!!),主要是因为堆肥中铵态氮的累积,氨浓
度的上升,导致 AI值上升,同时也加剧了氨以气体
的形式挥发散失到空气中。各处理的 AI值变化均
具有先升后降的变化趋势(图 $)。其中,稻草处理
上升速度最快,在第 0 &时 AI值就超过了 /"%%;而
1/1!期 李冰,等:有机辅料对猪粪堆肥中氨气挥发的抑制效应及其影响因素分析
表 ! 不同处理氨气释放时段及其挥发速率
"#$%& ! "’& &()**)+, -&.)+/* #,/ 0+%#1)%)2#1)+, 0&%+3)14 +5 #((+,)# ), /)55&.&,1 3+(-+*)1),6 (#,7.&
处理
!"#$%’%
缓慢释放 ()*+ #&,--,*’ 快速上升 .$-% ,’/"#$-# 01,/2)3 微弱排放 4#$2 #&,--,*’
时段
5#",*6(6)
速率 7#)*/,%3
[8 9(28·6)]
时段
5#",*6(6)
速率 7#)*/,%3
[8 9(28·6)]
时段
5#",*6(6)
速率 7#)*/,%3
[8 9(28·6)]
猪粪 :稻草 5;( <—=(=) <>@ A—BC(D@) <>BED B@—CE(F=) <><<@
猪粪 :油菜秸秆 5;G( <—D<(D<) <>BAF F=—CE(B@) <><
猪粪 5; <>DBD(D—CE)
注(H*%#):括号中数字为不同时段的时间 I$%$ ,’ J"$/2#%- ,- %K# 6$3- *L 6,LL#"#’% M#",*6-N
其他 F个处理均在第 DC 6左右才超过 =><<。稻草
处理在第 F< 6时 MO值下降到 @>==,之后持续下降;
油菜秸秆处理 MO值上升速度也较快,虽然 MO值在
=><<以上只持续了两个星期左右,但该处理 MO值
相对较高,在 BF 6时达到最大值 =>C<,然后才缓慢
下降,到堆肥结束时,堆肥 MO为 @>C<;食用菌渣处
理(5;G()堆肥的 MO变化则较为缓慢,在第 DC 6达
到最大值 =>B<,然后缓慢下降,到堆肥结束时为
@>B<。纯猪粪处理 MO值变化最为缓慢,在 F< 6 后
达最大值,至堆肥结束时,MO值仍较高(@>A<)。
腐熟堆肥施入土壤,过高的盐分会直接影响作
物的生长。电导率 PQ值的变化趋势反映了堆肥的
盐分浓度变化,而堆肥中变化最大的离子是 HO:? 和
HRSF 。因此,堆肥中 PQ 的变化在一定程度上反映
堆肥中 HO:? TH 和 HRSF TH 的总量及其相互转化程
度,从而与堆肥氨气挥发强度密切相关。? 个堆肥
处理的 PQ值变化趋势相近,其中稻草堆肥处理、纯
猪粪处理和菌渣处理的 PQ值均在堆肥处理第 D< 6
达到最高点,分别为 F>BB、B>=?和 B>A? &( 9 /&,然后
持续下降。油菜秸秆处理堆肥 PQ值在 DC 6到达最
高点(F>FF &( 9 /&),之后才逐渐降低(图 ?)。
图 ! 不同处理堆肥 -8的变化趋势
9)6:! "’& 3’#,6& 1.&,/ +5 -8 ), /)55&.&,1 3+(-+*1),6
图 ; 不同堆肥处理电导率的变化
9)6:; "’& 3’#,6& +5 <= ), /)55&.&,1 3+(-+*1),6
B>B>B 水溶性铵态氮和硝态氮 由于堆肥中
HO:? TH是堆肥氮素主要损失中氨气挥发的唯一来
源,因此,堆肥中 HO:? TH的变化趋势和氨气挥发损
失的变化曲线相似,两者成极显著正相关( " U
<>E@@!!)。图 E看出,纯猪粪处理在整个堆肥过程
中的 HO:? TH 含量变化呈递减趋势,但下降幅度不
大,直到堆肥末期仍达 B
理中水溶性 HO:? TH 含量变化非常明显,分别在第
D<和第 D@ 6 就达到最高点,最大含量分别为 F?D@
和 FE?D &8 9 28,然后逐渐下降到 F@F 和 FD? &8 9 28;
菌渣处理 HO:? TH的含量变化不明显,在第 BF 6 时
达到最大值(BFE= &8 9 28),然后缓慢下降,到堆肥结
束时,其堆肥 HO:? TH含量降至 ?C= &8 9 28。在整个
堆肥过程中菌渣 :猪粪堆肥中 HO:? TH含量变化幅
度较小,而稻草和油菜秸秆堆肥处理铵态氮含量的
变化较大。若以堆肥中最高 HO:? TH含量(第 ? 6)为
基准估算,稻草和油菜秸秆处理经过堆肥腐熟后,
HO:? TH分别降低了 A
态氮的转化,降低堆肥 MO值,从而减少氨气的挥发
上升速度(图 !)。前期水溶性硝态氮含量很低,在
堆肥初期未检出硝态氮,直到堆肥第 "# $才检出有
极少量硝态氮的存在。在堆肥处理 %& $后,各处理
的水溶性硝态氮含量显著升高,到堆肥结束时,处理
’()、’(*)和 ’((*堆肥中水溶性硝态氮浓度分别
达到了 +,%、-"+和 +&" ./ 0 1/。,个处理中以稻草处
理的硝酸盐含量的最终浓度最高,说明该处理水溶
性铵态氮向硝态氮转化的速度最快,在减少氨气的
挥发损失方面具有较大的功能。因此,从加快堆肥
图 ! 不同处理堆肥铵态氮的变化
"#$%! &’( )’*+$( ,- ./01 2. #+ 3#--(4(+5 ),67,85#+$
图 9 不同处理硝态氮含量的变化
"#$%9 &’( )’*+$( ,- .:;< 2. #+ 3#--(4(+5 54(*56(+58
铵态氮向硝态氮转化,降低堆肥中铵态氮的积累,从
而降低堆肥氨气挥发损失量的角度考虑,稻草是一
种良好的有机辅料。
< 讨论
<=> 有机辅料对猪粪堆肥氨气排放的影响
纯猪粪处理在整个堆肥过程中氨气挥发累积量
随时间变化不大,每 "# $ 的挥发量基本上维持在
#2-3%"!%2#+#, / 0 1/之间,极差较小。其原因是由
于没有加入有机辅料调节堆肥的物理性质,如水分
过多、孔隙度小的问题未能解决,堆肥发酵供氧不
足,堆肥中微生物的活动偏弱,有机物料腐熟速度缓
慢[",];但由于纯猪粪的 4 0 5比值较低(4 0 5 6 "7),
在纯猪粪堆肥过程中氨气虽然释放缓慢,其挥发损
失总量仍是最大的。
添加有机辅料后,由于不同有机辅料的特性不
同,堆肥中有机物、纤维素等的降解程度不一样,对
堆肥的氨气释放和堆肥氮素的保存均有一定的影
响["78"3]。利用稻草和油菜秸秆作为填充料处理猪
粪堆肥,明显地缩短了氨气挥发的高峰期,降低了堆
肥中氨气挥发损失总量,两者相比稻草为好。与稻
草相比,油菜秸秆的有机物和粗纤维降解率相对较
低(表 ,),在易降解物质分解完后,粗纤维、木质素
等降解缓慢,而残留在堆肥中的纤维素、木质素等维
持了堆肥较高的孔隙度,增加了堆肥中空气的流动,
促进了猪粪的好氧堆腐;与此同时,增加了氨气的
挥发损失,表现为堆肥全氮含量增加率明显低于稻
草处理(表 7)。
菌渣8猪粪堆肥的有机物和粗纤维降解率在三
种有机辅料处理中最小(表 ,),而全氮增加率与稻
草处理相比相差不大(表 7),因此,菌渣处理可能减
少了水溶性铵态氮的积累,增加了有机氮的累积。
其原因可能有两个方面:其一,食用菌渣原料主要
为木屑,经过种植食用菌后本身已经腐熟,木屑变得
表 1 各堆肥中有机物和粗纤维的降解率(?)
&*@A( 1 B(),67,8#5#,+ 4*5( ,- ,4$*+#) 6*55(4 *+3 ),*48(2-#@(4 #+ 3#--(4(+5 ),67,85#+$
处理 ’( ’() ’(*) ’((*
9:;<=.;>= ?( 4@ ?( 4@ ?( 4@ ?( 4@
堆肥前 ’:;ABC.DCE=F>/ -#2, %+2% +%2+ ! +&2% &72% +"27
堆肥后 ?G;:ABC.DCE=F>/ !72! %!2! 7!2# %72# 7-2% %32, !#2" %+2&
降解率 H;BC.DCEF=FC> :<=; !2+ 72, &%2, "+2% &"2& "!27 %!2% -2%
注(5C=;):?(—有机物 ?:/<>FB .<==;:;4@—粗纤维 4C<:E;AIFJ;:
"33%期 李冰,等:有机辅料对猪粪堆肥中氨气挥发的抑制效应及其影响因素分析
表 ! 不同填充料对堆肥总氮的影响
"#$%& ! ’((&)* +( ,-((&.&/* $0%1 #,,-)*-2&3 +/ *+*#% /-*.+4&/ -/ 5-4 6#/0.& )+65+3*-/4
项目 !"#$ %& %&’ %&(’ %&&(
堆肥初始 ) * +比值 %,-$.,/ ) * + ,."-0 1234 5637 7835 5439
堆肥前全氮 :0".; + <,#=>0$<0?"-@A(A * BA) 55384 19367 16356 16341
堆肥后全氮 :0".; + 0C#,=>0$<0?"-@A(A * BA) 5136D 5536D 55371 57315
全氮增加量 :0".; + .EE-"-0@(A * BA) F 8316 D387 4387 4391
氨氮损失量 +GH4 =+ ;0??(A * BA) 9364 2386 D346 7381
全氮增加率 IEE-"-0@ ,."-0 0J "0".; +(K) F 836 5635 5538 523D
疏松多孔,对 +GH4 =+的物理吸附能力大大增强,充
当了吸附剂的功能[58];其二,食用菌渣颗粒较小,
与猪粪混合后,使猪粪堆肥的细小孔隙数量和体积
较大,从而导致堆肥中空气流速相对较小,则氨气的
挥发损失较少[51]。因此,选用菌渣作为猪粪堆肥辅
料,既能促进堆肥中有机物的降解,又有利于保持堆
肥中的氮素。
另外,在堆肥 48 E后,除纯猪粪堆肥处理(%&)
氨气挥发持续上升外,添加有机辅料的堆肥氨气挥
发几乎为零,这表明添加有机辅料的猪粪堆肥化后
期只要注意不让雨水淋失,就能有效保持氮素含量,
即使不施入土壤,也不会发生大量的氨气挥发损失。
789 有机辅料对猪粪堆肥氨气排放限制因子的影
响
堆肥过程中氨的挥发主要受堆料本身的物理化
学特性和人为管理措施影响[1]。影响堆肥氨气挥发
损失的主要物理化学特性有:堆料 ) * +比值、堆肥
比(L * ’)。
堆肥氨的挥发损失或向硝态氮转化后,堆肥
合堆肥
分解以及氨化作用产生的大量 +GH4 =+的累积引起
的。堆肥后期
度下降造成的[12]。在整个堆肥过程中,纯猪粪堆肥
未完全腐熟,微生物分解释放有机物,持续释放出盐
基离子所致。稻草处理在堆肥过程中 M)值变化最
为明显,第 18 E达到最高值 7355 $’ * >$,堆肥结束
时降至 83N2 $’ * >$。
猪粪堆肥各处理中,稻草处理的硝酸盐浓度最
高,这可能是由于该处理腐熟较快,氨气挥发损失速
度较快,堆肥温度和堆肥
硝酸盐,铵态氮的积累逐渐减少。因此,在加大堆肥
过程中铵态氮向硝态氮的转化速率,降低堆肥中铵
态氮的积累,从而降低堆肥氨气挥发损失量方面,稻
草是一种良好的有机辅料。
: 结论
1)有机辅料对猪粪堆肥氨气排放累积量的影响
较大。前 78 E内,稻草F猪粪和油菜秸秆F猪粪处理
氨气累积量较大;而菌渣F猪粪处理氨气挥发累积
量最小。综合比较氨气释放的时段特征和释放速
率,菌渣是控制猪粪堆肥氨气排放、减少氮素损失的
优选有机辅料。
5)有机辅料对猪粪堆肥氨气排放高峰期影响最
为明显的是稻草,前期猛烈释放,氨气释放高峰期持
续时间短,到后熟阶段,氨气挥发量趋近于零。说明
稻草是猪粪快速腐熟技术中的高效有机辅料。
7)三种有机辅料均能减少水溶性 +GH4 =+的含
量,增加水溶性 +OF7 =+的含量,降低堆肥
草和菌渣处理效果最为显著,它们均能有效促进堆
肥过程中铵态氮向硝态氮的转化,降低堆肥中铵态
氮的积累,从而控制堆肥氨气挥发损失。
参 考 文 献:
[1] IE,-# L,L-@@-# P,Q#," GR %.??-C#;/ .#,."#E >0$<0?"-@A 0J ?",.S=
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;-YR,5885,18(5):114F1563
5NN 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 17卷
[!] "#$% ’,($)*)+$&,", -&.$)/&0#&1*2 $03*415 /6 6*)0754*2# 4/03/517
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