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添加剂对猪粪好氧堆肥过程的影响及其机制研究

王权  
【摘要】:传统的好氧堆肥法存在堆肥品质不高、氮素损失严重、温室气体排放显著和腐殖化程度低等问题。好氧堆肥过程中添加矿物和化学物质,能有效加快堆肥进程,减少潜在的环境风险。然而,单一的添加剂对促进好氧堆肥的作用仍具有一定的局限性,能否通过加入复合添加剂提高畜禽粪便好氧堆肥效率并减少潜在的环境污染仍需进一步的研究。此外,从经济效益和可操作性方面考虑,探索更多矿物添加剂并研究其对好氧堆肥的影响及作用机制,有利于促进畜禽粪便好氧堆肥处理的发展。因此,本研究以猪粪为堆肥原料,以锯末或秸秆为调理剂,通过强制通风好氧堆肥方式,研究堆肥过程中加入典型人工源添加剂(沸石、生物炭,生物炭制备中的副产品——木醋液,以及三者的混合物)和天然矿物类添加剂(钙基膨润土和麦饭石)对堆肥的影响。研究分别从以下几个方面展开:(1)生物炭、沸石及其混合物对猪粪堆肥过程中有机物转化和氮素保留的影响;(2)添加生物炭、沸石和木醋液对猪粪好氧堆肥过程中温室气体减排的影响;(3)添加钙基膨润土对促进猪粪好氧堆肥的影响;(4)施加钙基膨润土堆肥对蔬菜生长及重金属Cu和Zn累积的影响;(5)添加麦饭石对猪粪好氧堆肥过程中有机物转化和氮素保留的影响及其机理研究。获得了以下主要研究结果和结论:(1)与对照处理相比,添加生物炭(B)、沸石(Z)及其混合物(B+Z)能显著促进堆肥有机物降解并减少氮素损失。同时,相较于B和Z处理,添加B+Z能进一步提高堆肥腐殖化程度并减少堆肥重金属Cu和Zn的活性。此外,添加B、Z和B+Z能有效减少堆肥过程中NH_3和N_2O的释放,其中B+Z处理NH_3和N_2O的减排效率最高,分别为63.40%和78.13%。通过比较B、Z和B+Z对猪粪堆肥过程中有机物转化、氮素保留和重金属Cu和Zn活性影响的结果,可以得出添加B+Z更有利于促进猪粪好氧堆肥过程中有机物转化和氮素保留。(2)添加生物炭、沸石和不同比例(0.5%、1.0%和2.0)木醋液(B+Z+WV)能够缩短(2~4天)堆肥的高温期并促进堆肥腐熟。与对照处理相比,添加B+Z+WV能使堆肥过程中NH_3、CO_2、CH_4和N_2O的排放分别减少64.45%~74.32%、33.90%~46.98%、50.39%~61.15%和79.51%~81.10%。此外,与B和B+Z处理相比,木醋液能通过与NH_3结合,促进B和Z的吸附性能以及抑制堆肥中硝化细菌的活性,进一步减少B+Z+WV处理中氮素损失和温室气体排放,且B+Z+2.0%WV的效果最好。依据堆肥腐熟度、氮素保留和温室气体减排的情况来看,添加B+Z+2%WV更有利于促进猪粪好氧堆肥。(3)堆肥结束后,对照处理有机物和水溶性有机碳的降解效率分别为8.69%和49.11%,而钙基膨润土处理有机物和水溶性有机碳的降解效率分别为5.96%~11.52%和55.32%~62.93%;结果表明,钙基膨润土能有效提高堆肥有机物和水溶性有机碳的降解效率,且10%钙基膨润土处理堆肥有机物和水溶性有机碳的降解效率最高。此外,添加钙基膨润土能减少堆肥过程中NO_3~--N和NH_4~+-N的含量,并通过物理吸附和络合作用减少堆肥中重金属Cu和Zn的活性。钙基膨润土处理堆肥中DTPA-Cu和Zn的含量较对照分别减少了4.43%~5.80%和12.42%~16.89%。(4)施用含钙基膨润土的堆肥能增加青菜的生物量和叶绿素含量,且施用含7.5%钙基膨润土的堆肥生物量最大(12.89 g)。钙基膨润土能够有效抑制土壤-堆肥体系中Zn的活化,减少连茬种植过程中青菜和白菜对Zn的吸收。连茬种植过程中,土壤-堆肥体系中DTPA-Cu和Zn的含量维持在较高水平,但蔬菜中的重金属Cu和Zn的含量持续降低,土壤-堆肥体系中重金属的活性变化仍需进一步证实。(5)添加麦饭石能够促进堆肥有机物的降解,加快堆肥升温和腐熟。与对照处理相比,麦饭石处理堆肥有机物的降解效率提高了21.82%~43.70%。此外,麦饭石处理堆肥胡敏酸的含量较对照处理增加了5.58%~9.75%。猪粪好氧堆肥过程中,麦饭石主要通过促进堆肥中木质素类纤维素、蛋白类物质、脂类和多糖等物质分解,以提高堆肥腐殖化程度和分子质量。麦饭石能通过物理吸附和降低堆肥pH,显著减少堆肥过程中27.9%~48.8%的NH_3释放,且添加10%麦饭石处理NH_3的释放量最低。添加麦饭石能够改善堆肥结构,提高孔隙率,减少堆肥过程中46.6%~85.3%N_2O的释放,并促进NO_2~--N向NO_3~--N的转化。麦饭石通过自身物理吸附和阳离子交换作用能降低堆肥中重金属Cu和Zn的活性;同时,麦饭石处理中较高的胡敏酸含量也有利于促进堆肥中重金属Cu和Zn的钝化。施用含麦饭石的堆肥能够有效增加青菜的生物量和叶绿素含量,其中施用含10%麦饭石堆肥处理青菜的生物量和叶绿素含量最高分别为8.16 g/pot和38.88SPAD-unit。


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