论文部分内容阅读
好氧堆肥技术可将畜禽粪便转化为卫生且高价值的有机肥料,该方法有利于畜禽粪便的安全处置和营养物质富集循环利用。但传统堆肥过程在有机物质降解的同时,存在温室气体大量排放、氮素损失严重、有机物料稳定化速率低等问题,不仅降低堆肥产品的品质,还会对环境造成不利影响。对堆肥过程进行科学调控以促进物料安全稳定转化,是获得高品质堆肥产品的关键,也是扩大堆肥技术工程应用的重要举措。向堆肥物料中进入外源酸性矿物是一种有效的堆肥工程调控方式。我们前期的研究表明,在堆肥体系中引入硫磺（S）能有效减少因氨气（NH3）挥发引起的氮素损失,但在该堆肥体系中过度地追求减少NH3挥发,具有导致铵氮（NH4+-N）大量积累、堆肥产品腐熟度较差,植物毒性增加的风险。在该措施的实际工程应用中,仍需进一步优化S的添加量并寻求降低堆肥产品植物毒性的方法措施。为此,本试验分别以猪粪和锯末为堆肥原料和膨胀剂,向堆肥混合物料中添加五个不同比例的S（0%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%,以干基计）,并在第7天以0.2 mol/kg的比例向堆体中添加硫酸镁（Mg SO4）和磷酸二氢钾（KH2PO4）,持续进行周期为70天的好氧堆肥试验。在试验中探究了外源硫-磷-镁矿物对猪粪好氧堆肥过程中温室气体排放、氮素转化和有机物矿化过程的影响和调控机制。获得的具体试验结果和主要结论如下:（1）在70天的好氧堆肥过程中,各处理温度均达到堆肥标准,0.2%S、0.4%S、0.6%S和0.8%S高温持续天数为19、20、18和18,高于对照（Control）的17天。堆肥结束时各处理p H值在6.76～8.24之间,EC值在1310～3750μS/cm之间,均符合堆肥腐熟标准。堆肥结束时,各处理的C/N分别是20.98（Control）、19.61（0.2%S）、18.20（0.4%S）、17.21（0.6%S）和18.77（0.8%S）,其中0.6%S处理C/N最低;所有处理的种子萌发指数（GI）均大于70%。与对照相比,硫-磷-镁矿物添加处理延长了堆肥高温时间且对产品腐熟没有不利影响。（2）对照、0.2%S、0.4%S、0.6%S和0.8%S处理在堆肥结束时总有机碳（TOC）的矿化幅度分别是16.17%、17.05%、20.46%、24.27%和19.35%,硫-磷-镁矿物添加处理提高了有机物质的降解矿化效率,以0.6%S处理效果尤明显。硫-磷-镁矿物调控下的处理增加了二氧化碳（CO2）的排放量,对甲烷（CH4）的减排也起到一定的积极作用。在70天的堆肥周期内,所有处理CH4的累积排放量依次为0.6%S（5.20 g）＜0.4%S（5.84 g）＜0.8%S（6.10 g）＜0.2%S（7.15 g）＜Control（7.48 g）,0.6%S处理对CH4的减排效果最好。所有处理在堆肥结束后总腐殖酸含量下降,HA/FA比值均大于1.6,符合腐熟要求。（3）在堆肥过程中,不同处理N2O累积排放量从小到大依次为0.8%S（0.67 g）＜0.6%S（0.77 g）＜0.4%S（0.88 g）＜0.2%S（1.23 g）＜Control（1.55 g）,NH3的累积排放量依次为0.8%S（8.11 g）＜0.6%S（10.82 g）＜0.4%S（12.28 g）＜0.2%S（13.85 g）＜Control（19.69 g）。与对照相比,N2O和NH3的累积排放随硫磺的添加比例的增加而逐渐降低,0.8%S处理对N2O和NH3排放具有显著抑制作用。在70天好氧堆肥试验结束后,硫-磷-镁矿物添加的处理铵态氮（NH4+-N）含量分别为0.96 g/kg（0.2%S）、1.05 g/kg（0.4%S）、1.12 g/kg（0.6%S）、1.21 g/kg（0.8%S）,均显著高于对照（0.29 g/kg）。各处理的硝态氮（NO3—-N）变化均符合好氧堆肥的正常演化规律,堆肥结束后NO3—-N的含量介于0.91～2.14 g/kg之间。此外,与堆肥前相比,堆肥结束时各处理的总凯氏氮（TKN）的增加率分别可达34.28%（Control）、39.32%（0.2%S）、44.57%（0.4%S）、47.96%（0.6%S）和44.09%（0.8%S）,硫-磷-镁添加下的处理TKN增长率均高于对照。X射线衍射分析表明,硫-磷-镁添加的处理样品中形成了鸟粪石,证明了硫-磷-镁矿物在一定程度上可以减少堆肥过程中氮素损失,具有良好的氮素保存效果。（4）硫-磷-镁矿物调控的堆肥过程中,细菌和真菌群落多样性和丰度都有一定提高。细菌在堆肥过程中的优势菌门有厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）,细菌群落演替与NO3—-N（49.0%）、TKN（18.1%）、N2O（7.5%）和GI（5.4%）等指标显著相关。子囊菌门（Ascomycota）在堆肥过程真菌门类中占据优势,硫-磷-镁矿物添加的处理子囊菌门的丰度高于对照,CH4（32.7%）、CO2（16.8%）、NH3（9.1%）和温度（8.8%）对真菌群落演替影响较大。暗示了硫-磷-镁矿物辅助堆肥会对堆肥过程的微环境产生积极调控,改变了NH4+-N的赋存形式,减少了产品的生物毒性,进而提高了堆体细菌和真菌群落多样性和丰度,促进了堆肥过程积极向好的发展演化。总体而言,在猪粪好氧堆肥过程中,硫-磷-镁矿物辅助调控处理在减少温室气体排放、固定保留氮素和提高微生物丰富性等方面具有协同作用,结合腐熟指标数据,硫磺添加比例以0.6%为宜,在实际堆肥工艺中具有良好的工程可行性。