浓缩味精废液作为高温堆肥调酸保氮剂的适宜添加时间研究 | [PDF全文] |
2. 浙江省农业技术推广中心,杭州 310020;
3. 贵州大学农学院农业资源与环境系,贵阳 550025;
4. 浙江大学环境与资源学院,浙江省亚热带土壤与植物营养重点研究实验室,杭州 310058
2. Agricultural Technology Popularization Center of Zhejiang Province, Hangzhou 310020, China;
3. Department of Agricultural Resource and Environment, College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China;;
4. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Subtropical Soil and Plant Nutrition, College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
高温堆肥是实现畜禽养殖废弃物无害化、资源化最为有效的途径[1],但在堆肥升温和高温阶段,由于微生物大量繁殖,有机物加速分解,大量铵态氮在堆体中积聚,使物料pH值升高,引起氮素中的NH3挥发损失[2],不仅会加剧堆肥场的恶臭,降低肥料中的养分含量,也常常导致堆肥产品pH超标[3],达不到农业部有机肥行业标准NY 525—2012规定的酸碱度(pH 5.5~8.5)的要求。如何调节物料pH值来控制氮素损失已成为有机肥行业关注的热点。目前,用于堆肥物料调酸保氮的物质主要有磷酸、硫酸铝[4]、氢氧化镁[5]、硫酸亚铁、过磷酸钙[6-7]、草炭和沸石[8]等,但是这些调理剂必须达到足够的添加量才能发挥作用。据王秀娟等[9]报道,在鸡粪堆肥中添加3%硫酸亚铁、10%过磷酸钙、9%草炭才能达到良好的保氮效果。然而,大量添加硫酸亚铁、氢氧化镁和沸石等化学调理剂不仅增加了有机肥的生产成本,还因稀释效应使产品的养分含量降低;同时,大量添加磷酸或过磷酸钙作为调酸保氮剂会造成堆肥产品含磷量过高,进而导致有机肥氮磷钾3要素配比失衡,在实践中难以被有机肥生产企业广泛接受。为此,寻找价廉质优、资源丰富的堆肥物料的调酸保氮材料是提高有机肥品质、拓展有机肥市场的有效保障。
浓缩味精废液是在味精生产中产生的离交尾液的蒸发浓缩液,具有营养物质(主要为菌体蛋白质、氨基酸、还原糖、N、P、K及微量元素等)丰富、pH低、无重金属超标等特性,可望用作堆肥物料的调理剂解决堆肥过程中产品pH超标及其造成的氮素挥发损失等问题。本课题组前期已通过不同浓缩味精废液添加量的堆肥物料高温培养试验对此进行了验证,结果[10]表明,添加浓缩味精废液可以降低堆肥物料的pH和NH3挥发量,其添加量为堆肥物料质量1%和3%处理的NH3日挥发量比对照分别降低了22.8%~39.7%和65.3%~78.9%;相继3次每隔3 d添加1%和2%浓缩味精废液处理的10 d累积NH3挥发总量分别比对照降低了15%和71%,培养25 d后堆肥物料pH分别从对照的9.1降至8.5和7.7。本文拟进一步通过堆肥模拟试验,研究堆肥过程中浓缩味精废液添加时间对其调酸保氮效果的影响。
1 材料与方法 1.1 供试材料新鲜猪粪取自浙江大学华家池校区牧场;经风干粉碎后的菇渣取自浙江省金华市丰源农业科技有限公司;浓缩味精废液由安徽环宇肥料有限公司提供;发酵菌剂是由本实验室自行研发制备的混合菌剂;用于发芽指数测定的黄瓜种子购自浙江省勿忘农种业有限公司。供试原料的基本理化性质见表 1。
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试验采用的模拟堆肥装置由本课题组设计发明(专利号:ZL 201010589910X)。将新鲜猪粪和菇渣按质量比3∶1混合,添加混合物质量1%的发酵菌剂进行堆置。 分别在堆置前和堆置5 d时添加堆肥物料质量2%的浓缩味精废液,并设不添加的为对照,共3个处理,分别记作M1、M2和CK。将物料与浓缩味精废液充分混匀,调节堆肥物料含水率至62%左右,装入模拟堆肥装置中,7.5kg/桶,各处理重复3桶。试验第1周每隔2 h用气泵对物料强制通气30 min,通气量为25 L/min,第2周停止通气。每5 d翻堆一次并取样,样品分为鲜样和烘干样,分别进行理化性质测定。
1.3 测定项目及方法每天用水银温度计监测堆体中心温度及环境温度。采用105 ℃铝盒烘干法测定物料鲜样含水率。分别用pH计(Metiler Toledo公司,瑞士)和DDS-aaAT数字电导率仪(上海精科公司)测定物料pH和电导率,物料与无CO2水浸提液的质量比为1∶10。用2 mol/L KCl浸提物料的铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N),分别采用靛酚蓝比色法和紫外分光光度法测定。物料全氮含量采用硫酸和水杨酸消煮-蒸馏法测定。物料有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定[11]。
堆肥物料的腐熟程度由物料鲜样的种子发芽指数评价[12]。种子发芽指数测定过程:在直径9 cm的培养皿内先垫1张滤纸,均匀放入20颗黄瓜种子后加入发酵物料的浸提液(在10 g物料新鲜样品中加入100 mL蒸馏水,搅拌浸泡30 min)5.0mL,于25 ℃黑暗培养箱中培养48 h后测定发芽率和根长,每个样品重复3次,同时用蒸馏水作为对照。
种子发芽指数/%=(处理发芽率×处理根长)/(空白发芽率×空白根长)×100。
1.4 数据分析试验数据采用Excel 2007整理及作图,利用DPS V14.50软件[13]进行方差分析和最小显著差异法多重比较。
2 结果与分析 2.1 堆体中心温度的变化动态由图 1可见,在整个堆肥过程中堆肥物料温度高于环境温度,堆肥伊始堆体中心温度急剧上升,至第3天升至50 ℃,至第4天高达55 ℃以上,随后除了因每隔5 d翻堆取样时温度有所降低外,直至第15天基本保持在50 ℃以上,此后逐步回落至45 ℃以至35 ℃。3个处理间的差异并不明显。说明添加浓缩味精废液对堆肥物料升温无明显影响。
图 2显示:堆肥起始第1天处理M1的物料pH显著低于此时尚未添加浓缩味精废液的处理M2和对照CK;此后的整个堆肥过程中CK的物料pH不仅显著高于M1和M2,而且都超过8.5,最终高达8.9,超出NY 525—2012规定的有机肥酸碱度标准的上限8.5;此外,M1处理的物料pH始终低于M2。说明在堆肥升温前添加浓缩味精废液对物料的调酸效果优于升温后添加。
图 3表明:堆肥物料的含水率在堆肥起始的前5 d急剧下降,至第10天略有回升,随后又缓慢下降;在整个堆肥过程中,M1的含水率始终低于CK和M2,并与CK的差异有统计学意义(P <0.05);M2的变化曲线也一直位于CK之下,第10天、15天和25天均与CK差异达统计学上的显著水平(P <0.05)。 说明添加浓缩味精废液有利于堆肥物料的水分散失,且堆肥开始前添加的效果比物料升温后添加更为明显。
由图 4可见:堆置5 d后M1处理的NH+4-N含量均显著高于CK和M2,分别为CK的23.8倍和M2的8.8倍;随后缓慢降低,第15天后各处理的NH+4-N含量降至60 mg/kg以下,至第20天均降至40 mg/kg以下,至第25天又略有回升;在整个堆置过程中M1的NH+4-N含量显著高于CK和M2,M2略高于CK。
图 5显示:在整个堆置过程中,CK与M2处理的物料NO-3-N含量变化曲线 较为平缓,且两者间差异无统计学意义(P >0.01);而M1处理的物料 NO-3-N含量在堆置5 d后逐步上升,至第20天达到高峰,至第25天又有所回落;从第15天开始,M1处理的NO-3-N含量一直显著高于CK和M2,分别是CK的5.5~2.5倍和M2的3.7~2.8倍。
堆肥开始和结束时物料pH、电导率、全氮含量和种子发芽指数如表 2所示。堆肥开始时,添加浓缩味精废液处理M1的pH显著低于未添加的2个处理CK和M2;M1的电导率显著高于M2和CK;M1的全氮含量略高于M2和CK;3个处理的种子发芽指数均低于60%,表明都尚未腐熟。经25 d堆置后,即堆肥结束时3个处理物料的4项指标都有不同程度的上升,其中pH以CK高达8.9而明显超标,M2为8.7, 显著低于CK但仍超标,M1最低(7.6),已经达标;电导率为M1>M2>CK,差异有统计学意义(P <0.01);M1的全氮含量最高,显著高于M2,极显著高于CK;3个处理的种子发芽指数均超过110%,说明均已腐熟。
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在堆肥过程中物料pH值升高是影响堆肥氮素挥发损失的重要原因,一般认为当物料pH值超过8.0时NH3开始挥发,pH愈高NH3挥发愈多[14]。堆肥中有机物料降解产生的NH4+-N会使物料pH值升高,不仅常常导致堆肥产品pH值超标,也进一步加大了NH3挥发损失风险。浓缩味精废液是在味精生产过程中产生的离交尾液经蒸发浓缩所得的有机废液,具有pH低、营养物质丰富、无重金属超标等特点。本课题组前期试验结果[10]表明,在堆肥物料中添加适当比例的浓缩味精废液可以达到明显的调酸保氮效果,并有利于提高微生物活性。本文模拟堆肥试验结果表明,未添加浓缩味精废液处理(CK)的物料起始pH为8.5,在堆肥过程中上升至9.0左右,超出了行业标准NY 525—2012规定的有机肥酸碱度标准的上限;2个添加浓缩味精废液处理(M1与M2)的物料pH均显著低于CK,但添加时间不同pH的降幅也大不相同:M1的降幅达1.0~1.5个pH单位,而M2的降幅仅为0.2~0.3个pH单位。这可能缘于处理M1在堆肥前添加浓缩味精废液将物料的起始pH降到7.0左右,即使高温期pH有所上升,但因初始pH较低,其最高pH仍未超过8.0,至堆肥结束时又回落到7.6;而处理M2的浓缩味精废液添加时间推迟到高温期,此时CK物料的pH已由初始时的8.5升高至9.0,因而加大了下调pH的难度。另外,从堆肥第15天开始,M1处理的物料NO-3-N含量远远高于CK和M2,而M2与CK无显著差异,说明M1处理的物料硝化作用显著强于CK和M2。其原因可能在于堆肥过程中M1处理的物料pH始终低于8.0,恰好能够满足硝化作用对底物的pH要求,而M2处理的物料pH>8.5,不利于硝化细菌的生长[15-16],从而限制了硝化作用,反过来又不利于物料pH的降低[2, 17-18]。此外,堆肥结束时M1处理的物料全氮含量显著高于CK和M2,也说明其保氮作用明显。上述结果表明,在堆肥物料中添加2%浓缩味精废液可以显著降低物料pH,而添加时间对其调酸作用的发挥具有显著影响,堆肥前添加比高温期添加更有利于降低物料pH,促进物料硝化作用,保氮效果更加明显。堆体温度、物料含水率及种子发芽指数的变化是体现堆肥进程的重要标志[19-20],3个处理的堆体中心温度和物料含水量及种子发芽指数均无明显差异,说明浓缩味精废液的添加对堆肥的进程及其腐熟并无明显的负面影响。
本试验所得的堆肥物料NH+4-N含量结果值得进一步探究。M1处理的NH+4-N含量在堆肥前10 d一直显著高于M2和CK,而在堆肥第5天添加浓缩味精废液处理(M2)的NH+4-N含量相对于CK并未明显升高。显然,M1处理的起始高NH+4-N含量不能简单地归因于添加浓缩味精废液所携带的NH+4-N。我们推测,这可能与浓缩味精废液添加时堆肥物料的pH密切相关。在堆肥前添加浓缩味精废液处理(M1)即将物料的起始pH由8.5降到7.0左右,并在堆肥过程中一直保持在8.0以下,其pH环境不仅有利于NH+4-N在物料中长期存在,也有利于微生物将物料中的有机氮(包括加入的浓缩味精废液的有机氮)矿化为NH+4-N,进而在硝化细菌和亚硝化细菌作用下转化为NO-3-N,使得堆肥后期该处理下物料的NO3--N含量显著升高;而M2处理是在物料pH升高至9.0时添加,对物料pH的下调作用十分微弱,在较高pH环境中NH+4-N更易挥发而微生物的活动也更为微弱,因此,其相关氮指标与对照处理无明显差异。由此可见,在堆肥开始前添加浓缩味精废液才能有效发挥其对堆肥物料的调酸保氮作用。
[1] |
程绍明, 马杨晖, 姜雄晖.我国畜禽粪便处理利用现状及展望.农机化研究,2009,31
(2):222–224.
CHENG S M, MA Y H, JIANG X H. Comprehensive utilization technologies of livestock manure. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009,31 (2): 222–224. (in Chinese with English abstract) |
[2] |
李顺义, 张红娟, 郭夏丽, 等.畜禽粪便堆肥过程中氨挥发及调控措施.农机化研究,2010,32
(1):13–17.
LI S Y, ZHANG H J, GUO X L, et al. Ammonia volatilization and the regulation measures in the livestock manure compost. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010,32 (1): 13–17. (in Chinese with English abstract) |
[3] |
李帆, 朱宏斌, 郭熙盛, 等.畜禽粪便高温堆肥过程中氨挥发的机制及控制.安徽农业科学,2008,36
(25):10996–10997.
LI F, ZHU H B, GUO X S, et al. Mechanism of ammonia volatilization and technique for nitrogen conservation in composting of livestock manure. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008,36 (25): 10996–10997. (in Chinese with English abstract) |
[4] |
DELAUNE P B, MOORE P J, DANIEL T C, et al. Effect of chemical and microbial amendments on ammonia volatilization from composting poultry litter.
Journal of Environmental Quality, 2004,33 (2): 728–734.
|
[5] |
任丽梅, 贺琪, 李国学, 等.氢氧化镁和磷酸混合添加剂在模拟堆肥中的保氮效果研究及其经济效益分析.农业工程学报,2008,24
(4):225–228.
REN L M, HE Q, LI G X, et al. Effect of Mg(OH)2 and H3PO4 amendments on nitrogen conservation during simulated aerobic composting and its benefit analyses. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008,24 (4): 225–228. (in Chinese with English abstract) |
[6] |
胡明勇, 刘强, 陈雄鹰, 等.2种钙化合物在猪粪-稻草堆肥中除臭及保氮效果研究.湖南农业科学,2009 (7):51–54.
HU M Y, LIU Q, CHEN X Y, et al. Deodorization and nitrogen preservation effects of two kinds of calcium compound in compositing of pig-manure combined with straw. Hunan Agricultural Sciences, 2009 (7): 51–54. (in Chinese with English abstract) |
[7] |
史春梅, 王继红, 李国学, 等.不同化学添加剂对猪粪堆肥中氮素损失的控制.农业环境科学学报,2011,30
(5):1001–1006.
SHI C M, WANG J H, LI G X, et al. Control of different chemical additives on nitrogen loss during composting of pig manure. Journal of Agro-Environment Science, 2011,30 (5): 1001–1006. (in Chinese with English abstract) |
[8] |
熊建军, 刘淑英, 邹国元, 等.高温堆肥过程中除臭保氮技术研究进展.中国农学通报,2008,24
(1):444–448.
XIONG J J, LIU S Y, ZOU G Y, et al. Research progress on deodorizing and reducing nitrogen loss from high temperature compost system. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2008,24 (1): 444–448. (in Chinese with English abstract) |
[9] |
王秀娟, 刘慧颖, 孙文涛, 等.有机肥发酵氮素损失调控技术研究.杂粮作物,2004,24
(4):236–237.
WANG X J, LIU H Y, SUN W T, et al. Control techniques of nitrogen loss in organic fertilizer fermentation. Rain Fed Crops, 2004,24 (4): 236–237. (in Chinese with English abstract) |
[10] |
LIU L, KONG H M, LU B B, et al. The use of concentrated monosodium glutamate wastewater as a conditioning agent for adjusting acidity and minimizing ammonia volatilization in livestock manure composting.
Journal of Environmental Management, 2015,161 : 131–136.
|
[11] |
鲁如坤.
土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科学技术出版社 , 2000 : 107 -160.
LU R K. Analytical Methods of Soil Agrochemistry. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press , 2000 : 107 -160. (in Chinese with English abstract) |
[12] |
黄国锋, 吴启堂, 孟庆强, 等.猪粪堆肥化处理的物质变化及腐熟度评价.华南农业大学学报,2002,23
(3):1–4.
HUANG G F, WU Q T, MENG Q Q, et al. Substance changes and maturity evaluation during pig manure composting. Journal of South China Agricultural University, 2002,23 (3): 1–4. (in Chinese with English abstract) |
[13] |
TANG Q Y, ZHANG C X. Data Processing System (DPS) software with experimental design, statistical analysis and data mining developed for use in entomological research.
Insect Science, 2013,20 (2): 254–260.
|
[14] |
单德鑫, 李淑芹, 许景钢.固体有机废物堆肥过程中氮的转化.东北农业大学学报,2007,38
(2):265–269.
SHAN D X, LI S Q, XU J G. Nitrogen transformations in solid organic waste composting. Journal of Northeast Agricultural University, 2007,38 (2): 265–269. (in Chinese with English abstract) |
[15] |
REECE F N, BATES B J, LOTT B D. Ammonia control in broiler houses.
Poultry Science, 1979,58 : 754–755.
|
[16] | MOORE JR P A, HUFF W E, DANIEL T C, et al. Effect of aluminum sulfate on ammonia fluxes from poultry litter in commercial broiler houses//Proceedings of Fifth International Symposium on Livestock Environment. Transactions of the ASAE, 1997,2:883-891. |
[17] |
郑瑞生, 肖本木, 李延.堆肥化过程中氮素转化和NH3挥发研究.泉州师范学院学报,2007,25
(2):122–125.
ZHENG R S, XIAO B M, LI Y. A study on nitrogen transformation and NH3 emission during composting. Journal of Quanzhou Normal College, 2007,25 (2): 122–125. (in Chinese with English abstract) |
[18] |
李静, 陈志良.接种硝化菌剂降低猪粪堆肥氮素损失的研究.安徽农业科学,2011,39
(15):8976–8978.
LI J, CHEN Z L. Study on reducing nitrogen loss using nitrifying bacteria inoculants in pig dung compost. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2011,39 (15): 8976–8978. (in Chinese with English abstract) |
[19] |
鲍艳宇, 周启星, 颜丽, 等.畜禽粪便堆肥过程中各种氮化合物的动态变化及腐熟度评价指标.应用生态学报,2008,19
(2):374–380.
BAO Y Y, ZHOU Q X, YAN L, et al. Dynamic changes of nitrogen forms in livestock manure during composting and relevant evaluation indices of compost maturity. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008,19 (2): 374–380. (in Chinese with English abstract) |
[20] |
罗泉达, 黄惠珠, 郑长焰, 等.猪粪堆肥的腐熟度指标.福建农林大学学报(自然科学版),2009,38
(1):84–87.
LUO Q D, HUANG H Z, ZHENG C Y, et al. The indices of swine manure compost maturity. Journal of Fujian Agricultural and Forestry University (Natural Science Edition), 2009,38 (1): 84–87. (in Chinese with English abstract) |