保氮剂对水葫芦堆肥进程及氮素损失的影响

保氮剂对水葫芦堆肥进程及氮素损失的影响李　森　罗雪梅　涂卫国∗　樊　华　苟小林　杜玉龙　李　玲　王琼瑶（四川省自然资源科学研究院，成都６１００１５）摘　要　为研究保氮剂对水葫芦堆肥进程及氮素损失的影响，以切碎的水葫芦为原料，以硫酸亚铁、腐植酸钠、过磷酸钙按７５∶２０∶５质量比配制成保氮剂，进行３５ｄ的好氧堆肥试验．试验设置占堆体总质量０％（对照，ＣＫ）、１％（ＰＮ１）、２％（ＰＮ２）、３％（ＰＮ３）的保氮剂４个处理，对堆肥过程中堆体理化性质、氮组分含量、氨挥发及氮素损失率进行监测．结果表明：堆肥高温期，保氮剂处理的堆温明显高于ＣＫ，堆体含水量则在降温期显著低于ＣＫ（Ｐ＜０．０５）．堆肥完成后，保氮剂处理的全氮、有机氮含量均显著增加，以ＰＮ３处理最高，其全氮、有机氮含量分别比ＣＫ高１６．３％和１３．２％；同时，ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３处理的氨挥发总量分别比ＣＫ低２５．９％、３１．５％、４２．４％，氮素固定率则分别达３１．３％、４０．７％、７２．２％．表明水葫芦堆肥过程中添加保氮剂可加快启动速度、缩短堆肥时间，并能减少氨挥发、氮素损失．总体上，以ＰＮ３处理效果最佳．关键词　水葫芦；保氮剂；高温堆肥；氨挥发；氮素损失ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇａｇｅｎｔｏｎｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓｏｆＥｉｃｈｈｏｒｎｉａｃｒａｓｓｉｐｅｓ．ＬＩＳｅｎ，ＬＵＯＸｕｅ⁃ｍｅｉ，ＴＵＷｅｉ⁃ｇｕｏ∗，ＦＡＮＨｕａ，ＧＯＵＸｉａｏ⁃ｌｉｎ，ＤＵＹｕ⁃ｌｏｎｇ，ＬＩＬｉｎｇ，ＷＡＮＧＱｉｏｎｇ⁃ｙａｏ（ＳｉｃｈｕａｎＡｃａｄｅｍｙｏｆＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓＳｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００１５，Ｃｈｉ⁃ｎａ）．Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇａｇｅｎｔ（ＮＰＡ）ｏｎｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｎｉ⁃ｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓｏｆＥｉｃｈｈｏｒｎｉａｃｒａｓｓｉｐｅｓ，ａｎａｅｒｏｂｉｃｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒ３５ｄａｙｓｕｓｉｎｇｆｏｕｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．ＴｈｅＮＰＡｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｉｘｉｎｇｆｅｒｒｏｕｓｓｕｌｆａｔｅ，ｈｕｍｉｃａｃｉｄｓｏｄｉｕｍ，ａｎｄｓｕｐｅｒｐｈｏｓ⁃ｐｈａｔｅ（Ｍ：Ｍ：Ｍ＝７５：２０：５）．ＦｏｕｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗｅｒｅｉｎｃｌｕｄｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｒａｔｉｏｓｏｆＮＰＡ，ｉｎ⁃ｃｌｕｄｉｎｇ０％（ＣＫ），１％（ＰＮ１），２％（ＰＮ２），ａｎｄ３％（ＰＮ３）．Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒ⁃ｔｉｅｓ，Ｎｆｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ，ａｍｍｏｎｉａｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄＮｌｏｓｓｒａｔｅｓｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｅｘ⁃ｐｌｏｒｅｄｄｕｒｉｎｇｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｉｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＮＰＡｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗｅｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＣＫｉｎｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｌｉｃｐｅｒｉｏｄ，ｈｏｗｅｖｅｒｔｈｅｉｒｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ（Ｐ＜０．０５）ｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎＣＫｉｎｃｏｏｌｉｎｇｐｅｒｉｏｄ．Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｏｒｇａｎｉｃｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎＮＰＡｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ（Ｐ＜０．０５），ａｎｄｔｈｅｉｒｈｉｇｈｅｓｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅＰＮ３ｔｒｅａｔｍｅｎｔｗｅｒｅ１６．３％ａｎｄ１３．２％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｉｎＣＫ，ｒｅ⁃ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅａｍｍｏｎｉａｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｌｏｓｓｅｓｏｆＰＮ１，ＰＮ２ａｎｄＰＮ３ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｗｅｒｅ２５．９％，３１．５％ａｎｄ４２．４％ｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＣＫ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｉｒｎｉｔｒｏｇｅｎｆｉｘａｔｉｏｎｒａｔｅｓｒｅａｃｈｅｄ３１．３％，４０．７％ａｎｄ７２．２％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｄｄｉｎｇＮＰＡｃｏｕｌｄａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓｔａｒｔ⁃ｕｐｓｐｅｅｄ，ｓｈｏｒｔｅｎｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｔｉｍｅ，ａｎｄａｌｓｏｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅａｍｍｏｎｉａｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＥ．ｃｒａｓｓｉｐｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ＰＮ３ｓｈｏｗｅｄｔｈｅｂｅｓｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｐｒｅｓｅｒ⁃ｖｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｉｃｈｈｏｒｎｉａｃｒａｓｓｉｐｅｓ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇａｇｅｎｔ；ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ；ａｍｍｏ⁃ｎｉａｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓ．本文由四川省科技支撑计划项目（２０１５ＳＺ０２０５）和成都市科技惠民技术研发项目（２０１４⁃ＨＭ０１⁃００１７１⁃ＳＦ）资助ＴｈｉｓｗｏｒｋｗａｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｉ⁃ｃｈｕａｎＳｃｉ⁃ＴｅｃｈＳｕｐｐｏｒｔＰｒｏｊｅｃｔ（２０１５ＳＺ０２０５）ａｎｄｔｈｅＣｈｅｎｇｄｕＳｃｉ⁃ＴｅｃｈＳｕｐｐｏｒｔＰｒｏｊｅｃｔ（２０１４⁃ＨＭ０１⁃００１７１⁃ＳＦ）．２０１６⁃０７⁃０４Ｒｅｃｅｉｖｅｄ，２０１６⁃１２⁃２９Ａｃｃｅｐｔｅｄ．∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]应用生态学报　２０１７年４月　第２８卷　第４期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｊａｅ．ｎｅｔＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＥｃｏｌｏｇｙ，Ａｐｒ．２０１７，２８（４）：１１９７－１２０３　　　　　　　　　ＤＯＩ：１０．１３２８７／ｊ．１００１－９３３２．２０１７０４．００３　　水葫芦又名凤眼莲，对污水中氮磷养分以及有毒元素具有极强的吸收能力，能在短期内大量富集水体中氮、磷及多种重金属元素，从而起到快速净化水体的效果［１－２］；所以将水葫芦用于修复水体富营养化的技术在国内外被广泛应用［３－４］．然而水葫芦繁殖能力极强，１株水葫芦８个月就能繁衍成６０万株的群体，数量如此庞大的水葫芦处理不当将会堵塞河道、淤积分解后加剧水体富营养化［５－６］．因此，用于修复水体后水葫芦的后续利用问题成为近年来的研究热点，通常包括肥料化、饲料化和能源化３种资源化利用途径［７］．研究表明，高温好氧堆肥技术是处理和利用水葫芦最经济和有效的方法，它能够实现有机废弃物的无害化、减量化和资源化利用［８］．但是有机物料高温堆肥过程中铵态氮易转化为氨气挥发污染空气，或经硝化作用转化为氮氧化物排放，不仅造成堆体内氮素的流失，还会加剧“全球温室效应”［９－１０］．因此，水葫芦堆肥过程中控制氮素的损失是高温堆肥技术的关键．有机物料堆肥过程中适当添加酸性材料、吸附材料或能与铵根结合的外源调理剂能降低堆体ｐＨ、改善堆体结构、减少氨挥发，从而控制堆肥过程中的氮素损失［１１－１３］．如罗一鸣等［１４］研究发现，猪粪好氧堆肥过程中添加３．３％～１３．２％的过磷酸钙可降低堆体氨挥发、Ｎ２Ｏ排放和氮素损失，提高堆肥品质；张发宝等［１５］研究表明，添加硫酸亚铁能减少鸡粪堆肥氨挥发，提高堆肥铵态氮及全氮含量；徐鹏翔等［１６］研究指出，相比传统堆肥，加入５％的腐殖酸能有效控制猪粪堆肥氮素损失，提升其速效钾含量，并确保产品呈疏松的团粒结构．以上结果表明，单独添加过磷酸钙、硫酸亚铁或腐殖酸均能减少堆肥氮素损失、提升堆肥质量，但将三者按比例混合添加对堆肥进程的影响还未见报道．同时，水葫芦的物质组成与畜禽粪便不尽相同，堆肥过程中两者的氮素转化特征也有所差异，有必要进一步研究保氮剂在水葫芦堆肥过程中的保氮效果［１７－１８］．为此，本文研究了水葫芦堆肥过程中基础理化性质及氮组分含量的变化特征，探讨了不同比例保氮剂对水葫芦高温堆肥过程中降低氮素损失的效果，以期为水葫芦残体堆沤有机肥的环保和高效生产提供理论依据．１　材料与方法１􀆰１　试验材料供试水葫芦样品采自四川省武胜县五排水库（３０°２７′Ｎ，１０６°２３′Ｅ），带回实验室先切成２～３ｃｍ小段，然后经自然晾晒，控制适宜的含水量作为堆肥原料．水葫芦堆肥原料的理化性质如下：含水量６６．５％，ｐＨ７．８８，有机碳、Ｎ、Ｐ、Ｋ含量分别为４０１．２、１４．５、４．３和１６．４ｇ·ｋｇ－１，Ｃ／Ｎ为２７．７．供试保氮剂由硫酸亚铁、腐植酸钠、过磷酸钙按７５∶２０∶５质量比配制而成．１􀆰２　试验设计试验于２０１５年８—９月在四川省自然资源科学研究院实验室内展开，采用室内静态通风堆沤方式进行，堆肥堆箱顶部无盖（长×宽×高＝１ｍ×１ｍ×１ｍ），四周分布有均匀通气孔（Φ＝１．５ｃｍ），每个堆箱装入堆料约２００ｋｇ．设有不添加保氮剂对照（ＣＫ）、添加占堆体总质量１％、２％、３％的保氮剂（分别表示为ＰＮ１、ＰＮ２和ＰＮ３）４个处理，各处理在堆肥开始前均添加１％（占堆体总质量的比例）的发酵菌剂．堆肥期间每天９：００—１０：００用温度计插入堆层中部测定堆体温度，同时测定环境温度，并在堆制第０、２、７、１４、２１、２８、３５天进行翻堆混合．１􀆰３　样品采集与测定分别于每次翻堆混合时采集样品，每次采集３个平行样品，每个样品分为两份．一份鲜样用于测定含水量（烘干法）、ｐＨ（ＰＨＳ⁃２５型ｐＨ计）、铵态氮（靛酚蓝比色法）和硝态氮（紫外分光光度法）；另一份经自然风干，研磨后测定全氮（凯氏定氮法）和有机氮（４％的Ｋ２Ｓ２Ｏ８氧化⁃紫外分光光度法）．ＮＨ３挥发浓度采用２％硼酸溶液吸收⁃稀硫酸反滴定法测定．分别于第１、６、１３、２０、２７、３４天的８：００将直径３０ｃｍ、高度３０ｃｍ的圆柱形透明有机玻璃箱底部埋入堆体中；将装有５０ｍＬ２％硼酸溶液的烧杯放入箱体内用于吸收玻璃箱覆盖范围内挥发的氨，箱顶设有口径为０．５ｍｍ气压平衡孔，与软管相连并向上延伸至２．５ｍ高，保证箱体内挥发的氨被吸收完全；于次日８：００用０．０１ｍｏｌ·Ｌ－１的稀硫酸反滴定，根据稀硫酸用量计算氨挥发量．氮素损失率（Ｎｌ）和固定率（Ｎｆ）计算参考林小凤等［１９］的公式，根据堆肥过程中物料平衡原理估算：Ｎｌ＝Ｎ０×Ｍ０－Ｎｉ×ＭｉＮ０×Ｍ０×１００％（１）式中：Ｎ０、Ｎｉ分别为堆肥初始、结束时全氮质量分数（以干基计）；Ｍ０、Ｍｉ分别为堆肥初始、结束时堆料的干质量．Ｎｆ＝ＮＣＫＬ－ＮＬＮＰＮＬ×１００％（２）式中：ＮＣＫＬ、ＮＰＮＬ分别为对照和保氮剂处理的氮素损８９１１应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２８卷失率．１􀆰４　数据处理采用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ２００７进行数据整理和作图，ＳＰＳＳ１９．０进行方差分析（ＡＮＶＯＮ）和显著性检验（ＳＮＫ）．２　结果与分析２􀆰１　堆肥过程中堆体理化性质的变化２􀆰１􀆰１温度　堆肥过程中的温度变化反映了堆体内微生物的代谢活动强度，能很好地反映堆肥过程中的腐熟程度．由图１可知，整体上各处理堆体温度变化趋势基本一致，大体分为升温期、高温期、降温期和稳定期４个阶段，且由于阶段性翻堆混合的原因，各处理堆体温度均有３次明显的降低后升高的过程．从堆肥开始到第二次翻堆混合前，堆肥过程处于升温和高温阶段，该阶段３个保氮剂处理堆温明显高于ＣＫ处理；保氮剂处理中则以ＰＮ３处理堆温为最高，从第２～１４天分别比ＰＮ１和ＰＮ２处理高出０．６％～３．８％和０．２％～２．１％．第二次翻堆后，保氮剂处理堆温逐渐下降，在堆肥第１６～３０天间均低于图１　堆肥过程中温度、含水量、ｐＨ值、全氮含量、有机氮含量、铵态氮含量、硝态氮含量和氨挥发量的变化Ｆｉｇ．１