黏土礦物和化學添加劑對牛糞堆肥過程氮素固持的影響

郜斌斌，王 選，常瑞雪，陳 清

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黏土礦物和化學添加劑對牛糞堆肥過程氮素固持的影響

郜斌斌1，王 選2，常瑞雪1，陳 清1※

（1. 農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，河北省節水農業重點實驗室，中國科學院農業水資源重點實驗室，石家莊 050021）

為對比分析在等質量添加下，不同化學和黏土礦物添加劑對氮素保存能力的差異，以鮮牛糞為主料，玉米秸稈為輔料，分別添加質量分數2.5%的化學物質（氧化鈣、氧化鎂、硫酸亞鐵、明礬）或黏土礦物（蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土）作為添加劑進行為期35 d的堆肥試驗，研究其對堆肥過程氮素損失和理化特性的影響。結果顯示：各處理在50 ℃以上的高溫期持續了10 d以上，達到糞便無害化標準（GB 7959-2012）。和對照相比，添加氧化鈣和氧化鎂未對氨揮發和總氮損失產生明顯影響，添加硫酸亞鐵和明礬分別降低氨揮發43.7%、30.0%和總氮損失33.8%、26.5%；添加蛭石、沸石、麥飯石和膨潤土分別降低氨揮發24.4%、29.9%、7.1%和20.1%，降低總氮損失15.4%、22.9%、2.2%和13.4%。所有添加劑均未對堆肥過程EC值變化產生明顯影響，添加氧化鎂明顯提高了堆體pH值，堆肥結束時pH值為9.36，使堆肥未達到基本腐熟水平（發芽率指數GI>50%），其他處理對pH值影響較小，且可以達到基本腐熟。綜上，硫酸亞鐵和明礬對氮素保存的效果優于黏土礦物，但黏土礦物價格低廉，在實際應用中可根據需求選擇添加劑類別。

糞；堆肥；氮素損失；化學物質；黏土礦物

0 引 言

近年來中國畜禽養殖規模不斷擴大，集約化程度不斷提高，據統計[1]，中國2013年主要畜禽糞便產生量達6.23億t，所含氮、磷、鉀養分分別達當年農業氮、磷、鉀肥施用量的48.3%、37.5%、123.4%，其中牛糞占畜禽糞便總量的25%，肥料化利用潛力巨大。好氧堆肥技術是在微生物作用下通過高溫發酵使畜禽糞便轉化為含有大量可被植物吸收利用的有效態氮、磷、鉀養分和腐殖質的腐熟肥料，實現畜禽糞便的無害化和安全化處理過程[2]。堆肥農用可以在提高作物產量的同時，改善土壤物理化學性質，提高農產品品質。但是畜禽糞便堆肥過程中較高的氮素損失會降低肥料的養分含量，研究表明，畜禽糞便與秸桿、鋸屑等聯合堆肥時氮素損失量可以達到進料總氮的16%～76%[3]。好氧高溫堆肥過程中氮素的損失問題限制著堆肥技術的發展，也是學者們研究的熱點。

堆肥過程氮素損失受堆肥過程溫度、含水量、pH值和物料性質等因素影響[1]。近年來，大量研究嘗試通過添加化學和黏土礦物添加劑來達到減少堆肥過程氮素損失的目的。李冰等[4]在豬糞稻草堆肥過程中添加化學物質硫酸鋁、氯化鈣、磷酸和過磷酸鈣處理，能相對減少氨揮發40%以上，而硫酸鈣和硫酸處理減排效果相對較小，只能減少氨揮發15%～25%左右。江滔等[5]綜合比較了磷酸+氧化鎂、過磷酸鈣和磷酸3種氮素原位固定劑在豬糞玉米秸稈堆肥過程中對氮素損失的控制，結果表明氨揮發減排分別為55.4%、37.5%和12.4%，磷酸處理效果較差，而且堆肥也未能徹底腐熟。羅一鳴等[6]在室外試驗條件下研究得出，一定比例的沸石添加劑可減少雞糞高溫堆肥氨揮發損失達26.9%，特別是在堆肥高溫期降低氨揮發速率效果明顯，起到良好的除臭保氮效果。Turan等[7]研究結果顯示珍珠巖、蛭石、浮石和沸石可分別降低家禽糞便堆肥過程氨揮發26.4%、41.7%、63.9%和77.8%。化學鹽類物質和吸附類黏土礦物是研究較為廣泛的保氮添加劑，然而不同試驗堆肥原料和堆肥反應條件差異較大，無法準確綜合比較2類添加劑的保氮能力和系統分析不同添加劑的保氮機制差異。

本文選用化學物質氧化鈣、氧化鎂、硫酸亞鐵、明礬，以及黏土礦物蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土，研究其對堆肥過程氮素損失和氮素形態轉化，以及堆肥進程和理化性質的影響，對比分析在等質量添加下，不同化學和黏土礦物添加劑對氮素保存能力以及機制的差異，以期為中國畜禽糞便的低氮損失肥料化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

堆肥試驗所用物料為鮮牛糞和青貯玉米秸稈，取自石家莊市欒城區鼎源牧業奶牛場，玉米秸稈切成1～5 cm左右的小段。所用化學添加劑：氧化鈣（CaO）、輕質氧化鎂（MgO）、明礬（KAl(SO4)2·12H2O）、硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O）買自國藥分析純試劑；所用黏土礦物：蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土均為市售。文中共進行添加化學物質或黏土礦物的2批堆肥試驗，添加化學物質的堆肥原料理化性質為：牛糞pH值7.80、EC值985S/cm、總氮（TN）11.91 g/kg、總有機碳（TOC）288 g/kg、含水率69.78%；秸稈pH值4.18、EC值939S/cm、TN 12.05 g/kg、TOC 574 g/kg、含水率45.3%。添加黏土礦物的堆肥原料理化性質為：牛糞pH值7.48、EC值1023S/cm、TN 8.79 g/kg、TOC 181 g/kg、含水率73.06%；秸稈pH值5.66、EC值2 203S/cm、TN 13.35 g/kg、TOC 572 g/kg、含水率40.38%。

1.2 試驗設計與分析方法

1.2.1 試驗設計

每批堆肥試驗設置5個處理，堆肥原料按牛糞15 kg、秸稈10 kg，即鮮質量比3:2混合；添加劑風干粉碎過60目篩，添加量是物料干質量的2.5%，即0.25 kg。以不加添加劑的堆肥為對照組（CK），試驗設計如表1所示。

表1 試驗設計

1.2.2 堆肥方法

本試驗在石家莊中科院農業資源研究中心欒城試驗站內進行。采用50 L不銹鋼、密閉反應器堆肥（如圖1）；通氣量由轉子流量計按照0.5 L/min每千克干物料質量控制；每天10:00和16:00在出氣口處用2%硼酸溶液吸收氨氣，吸收持續時間為堆肥前期0.5～1 h，后期2～10 h，通過平均值計算氨氣每天產生量。

本文堆肥周期為35 d，在第0、3、7、10、14、21、28、35天時翻堆并取樣，一份存放于零下20 ℃的冰箱中，用于pH值、EC值、含水率、硝態氮（NO3--N）、銨態氮（NH4+-N）、種子發芽率指數（germination index，GI）的測定；一份自然風干后粉碎過1 mm篩，用于TOC、TN的測定。

1.空氣泵 2.流量計 3.保溫層 4.堆肥物料 5.溫度傳感器 6.洗氣瓶 7.數據采集電腦

1.2.3 分析方法

堆肥過程中堆體溫度由連接至電腦的溫度傳感器監測，傳感器位于堆體正中央，每1 h自動記錄1次。氨氣在出氣口處用2%硼酸溶液吸收、標準酸滴定的方法測定。GI的測定采用10 g堆肥鮮樣加100 mL去離子水，在搖床上（25 ℃、200 r/min）震蕩30 min，過濾得到提取液后，取5 mL于墊有濾紙的9cm培養皿中，均勻撒10個水蘿卜種子，在25 ℃下恒溫培養48 h后測定，以加去離子水的培養為對照，參照文獻中公式計算[8]，GI（%）=（處理發芽種子數×處理種子總根長）/（對照發芽種子數×對照種子總根長）×100%。

取上述提取液用校準過的pH計和電導率儀測定pH值和EC值。物料含水率在105 ℃下烘干至質量不變后計算得到。TOC和TN參照有機肥料農業標準（NY 525-2012）測定。NO3--N和NH4+-N用2 mol/L氯化鉀以固液比1∶10浸提后，采用德國SEAL流動分析儀（AA3型）測定。氮素損失參照文獻中的方法計算[9]。每個樣品指標均進行3次重復性分析，采用Microsoft Excel2013軟件進行數據處理和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 堆體溫度的變化

堆肥過程中不同處理堆體溫度變化曲線如圖2a、2b所示，堆體中的有機物被微生物降解并產生高溫，所有處理的溫度均在第1天內升溫到了50 ℃以上。各處理溫度的變化趨勢基本相同，均經歷了升溫期、高溫期、降溫期以及腐熟期4個階段。整個堆肥期間，各處理在50 ℃以上的高溫期均持續了10 d以上，達到了糞便無害化標準（GB 7959-2012）。

在堆肥第1周期間，CaO處理的堆體溫度略高于其他處理，研究表明CaO在低量添加時能通過防止pH值降低并提供適量的鈣離子提高堆肥過程微生物的代謝活性，加快了有機物的分解和熱能的產生[10]，另外CaO遇水發生放熱反應也可能使堆體溫度升高[11]；MgO處理堆體溫度低于對照3～8 ℃，尤其是在第3天翻堆后溫度下降較快，一般認為堆肥過程最適的pH值范圍為7～8[12]，添加MgO明顯提高了堆體pH值，抑制了堆體微生物活性，造成堆體有機物的分解減緩、熱能產生減少。其他化學物質或黏土礦物處理均對溫度沒有明顯的提高或降低作用。

圖2　化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程溫度的影響

2.2 堆體pH值、EC值的變化

pH值是堆體微生物活性和氨氣揮發的主要影響因素，不同處理堆體pH值的變化見圖3a、b，隨著堆肥進行，MgO處理堆體pH值先略微下降后逐漸升高，其他處理堆體pH值整體呈現先下降后升高，然后再下降并趨于平穩的變化趨勢。堆肥反應第1周，堆體物料中的有機質在高溫環境下被微生物快速分解，產生了銨態氮，導致pH值上升，之后由于氨氣的揮發以及有機酸的產生，堆體pH值開始逐漸下降[9]。

和對照相比，添加CaO在堆肥前期提高了堆體0.5～0.7個pH值單位，但是在堆肥結束時并未對pH值產生影響；添加MgO顯著提高了堆體pH值，在堆肥前期比對照提高了2.1個pH值單位，在堆肥結束時提高了1.4個pH值單位；添加FeSO4在堆肥第1周未對pH值產生影響，在堆肥第2周結束時開始降低堆體pH值，最終降低了0.63個pH值單位；添加AlK(SO4)2在堆肥開始時降低堆體1個pH值單位，在堆肥結束時降低了堆體0.75個pH值單位。

CaO和水反應生成氫氧化鈣，在堆肥第1周提高了pH值，隨后氫氧化鈣與堆體二氧化碳反應生成了碳酸鈣使堆體pH值下降，最終與對照保持了一致。MgO為堿性氧化物，其水溶液呈強堿性使堆體的pH值升高。FeSO4中的二價鐵離子在堆肥第1周被氧化為三價鐵之后，三價鐵離子水解產生氫離子使堆體pH值降低。KAl(SO4)2處理的變化是三價鋁離子水解的結果，鋁離子可能被磷酸根離子沉淀形成磷酸鋁[13]，隨著鋁離子被消耗其對pH值的影響也逐漸減弱。

圖3 化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程pH值的影響

添加黏土礦物對堆體pH值的影響較小，這和前人的研究結果基本一致[7,14-16]。

電導率（EC值）反映堆體離子總濃度的大小，是判斷堆肥是否腐熟的必要條件[17]。不同添加劑對堆肥過程中EC值的影響見圖4a、4b，整體呈現出先下降后上升，然后趨于穩定的趨勢；在堆肥前兩周氨氣大量逸出、各種礦物鹽離子沉淀引起EC值下降[18]，之后隨著微生物對有機物的降解，堆體質量下降、濃縮，而且各種有機酸的產生導致堆體EC值升高。

堆肥結束時，和對照相比，添加MgO、FeSO4、KAl(SO4)2分別提高堆體EC值257、357、339S/cm，這可能是因為堆體的濃縮和金屬陽離子的溶出；添加CaO在堆肥中期降低了堆體EC值約300～500S/cm，但堆肥最后一周EC值開始上升，至堆肥結束時只比對照低93S/cm，這可能是鈣離子將各種鹽離子沉淀，腐熟期又有部分離子溶出的結果。

添加沸石在第14～28天期間降低了堆體EC值，在堆肥結束時，各處理CK、蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土的EC值分別為：948，1135，907，932，1 040S/cm，添加黏土礦物對堆體EC值影響較小。

圖4 化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程EC值的影響

2.3 總有機碳的變化

如圖5a、b所示，不同處理堆體總有機碳（total organic carbon，TOC）含量的變化趨勢基本相同，在第3天有所升高，隨后開始逐漸下降。堆肥結束時添加CaO處理的TOC和初始相比減少16.5%。添加CaO可通過調節pH值并提供適量鈣離子來提高堆肥過程微生物活性，從而促進有機碳的降解[6]；Wong等[19]在污泥堆肥過程添加石灰也觀察到了較高的有機碳降解。其他化學或黏土添加劑對堆體有機碳含量的影響較小。

圖5 化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程總有機碳的影響

2.4 氮素含量的變化

2.4.1 氨氣揮發速率及總量的變化

不同處理氨氣揮發速率以及累積揮發總量如圖6a、6b所示。從圖6a、6b中可以看出，氨氣大量揮發主要出現在堆肥的第1周，尤其是在堆肥升溫之后的第2天和第3天翻堆之后的第4天；在第7天翻堆之后，堆體氨氣揮發速率只出現了一個很小的峰值，說明氨氣揮發已經趨于結束；在堆肥高溫期，微生物將堆體的大量有機物分解，產生銨態氮，然后銨態氮在高溫和高pH值的環境下，轉化為氨氣釋放出來，隨后銨態氮逐漸耗竭，以及堆體溫度和pH值的下降，微生物活性的降低，氨氣揮發速率也相應降低[20]。

圖6 化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程氨氣揮發速率及累積揮發量的影響

除了對照在第3天和CaO、FeSO4處理在第4天外，其他處理均在第2天檢測到了氨氣揮發速率的最高峰；這說明添加CaO和FeSO4的堆體氨揮發具有滯后性，這可能是CaO與水反應生成的氫氧化鈣具有腐蝕性，抑制了微生物活性的增長速率；硫酸亞鐵銨復鹽的生成固定了銨態氮，延遲了氨揮發速率高峰時間的到來；對照組由于沒有添加保氮劑，氨氣揮發在持續上升，而不能理解為滯后。

堆肥結束時，和對照相比，FeSO4、KAl(SO4)2處理氨氣揮發總量分別減少43.7%、30.0%，添加CaO的處理略微促進了氨揮發，促進1.4%，添加MgO略微降低氨揮發，降低3.4%；添加CaO雖然在堆肥結束時，對pH值影響不大，但在堆肥第1周，提高了堆體pH值約0.6～0.7個單位，更高的溫度和pH值，促進了氨氣揮發，但是增加量并不多，Moore等在家禽糞中添加Ca(OH)2處理也沒有觀察到氨揮發的明顯增加[21]。添加MgO雖然明顯提高了堆體pH值，但是堆體有機物降解產生的銨根離子，與鎂離子和磷酸根離子一起發生了鳥糞石結晶反應，導致銨態氮被固定，并沒有明顯增加氨氣揮發[9]。FeSO4和KAl(SO4)2的添加顯著降低了堆體的pH值，因此抑制了銨態氮向氨氣的轉化，降低了氨氣揮發[20]；而且堆體中銨根離子能與FeSO4反應生成穩定的硫酸亞鐵銨復鹽，這樣進一步降低了氨氣揮發[22]。

2NH4++SO42-+FeSO4+6H2O→(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O

和對照相比，添加黏土礦物蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土分別降低氨揮發24.4%、29.9%、7.1%、20.1%。黏土礦物多為硅氧四面體或鋁（鎂）氧（氫氧）八面體結構，是層狀硅酸鹽礦物，單元層中由于部分硅被鋁、鐵等取代而具有多余的負電荷，而且它們的比表面積很大，因此具有很強的離子吸附和交換能力，可以交換吸附陽離子如銨根離子等，降低氨氣揮發[23-26]。黏土礦物儲量豐富、價格低廉、吸附容量大、容易再生，因而有著廣泛的應用，已有學者用黏土礦物作為堆肥過程的保氮劑，并和本文取得了類似的結果[7,14-15,26]。

2.4.2 氮素損失

各處理氮素損失的情況如表2所示，不同處理總氮損失的情況和其氨揮發減排的效果基本一致，氨揮發減排高的處理，總氮損失也相應的低。和對照相比，添加CaO和MgO對氮素保存沒有效果，而添加FeSO4和KAl(SO4)2減少總氮損失33.8%和26.5%。對于黏土礦物處理，添加蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土分別使總氮損失減少15.4%、22.9%、2.2%、13.4%?；瘜W添加劑各處理銨氮損失占總氮損失的百分比除了CSFe處理較低為56.4%外，其余處理均在61.6%～63.7%之間，這說明添加FeSO4會導致其他形態氮損失的增加，如二價鐵將硝態氮還原為氧化亞氮和氮氣，增加了氮素損失[27]。黏土礦物添加劑各處理銨氮損失占總氮損失的百分比在58.9%～60.1%之間，差異較小。

表2 不同處理氮素損失情況

化學物質添加量少、保氮除臭效果快，但是成本較高，而且需要控制用量，用量過多會導致堆體呈酸性環境，影響堆肥的進程和腐熟；雖然黏土礦物的保氮能力略低于化學物質，但是沸石處理氮素損失減少22.9%，接近明礬處理的氮素損失減少量26.6%，考慮黏土礦物價格低廉、來源廣泛，而且使用過程中無需嚴格控制用量，因此應用潛力更大。

2.4.3 銨態氮和硝態氮的變化

如圖7a、b所示，各處理NH4+-N的含量均呈整體下降的趨勢，除添加CaO和KAl(SO4)2的處理在第3天略有上升。堆肥過程中隨著溫度和pH值的升高，物料中的NH4+-N大部分以氨氣的形式揮發，還有一部分被微生物同化和在硝化作用下轉化為NO3--N，所以NH4+-N在堆肥的第1周迅速下降。

添加FeSO4和KAl(SO4)2的堆體前期NH4+-N含量非常高，這主要是低pH值抑制了NH4+-N向氨氣的轉化，以及生成硫酸亞鐵銨復鹽機制的存在；添加CaO的堆體NH4+-N也明顯高于對照，這可能是該處理的氨氣揮發表現為滯后性的緣故；由于本文采用2 mol/L KCl溶液作為浸提劑，不能將磷酸銨鎂晶體中的NH4+-N浸提出來[28]，另一方面，高pH值促進了NH4+-N以氨氣的形式揮發，因此添加MgO的堆體銨態氮NH4+-N含量略低于對照。

添加黏土礦物的堆體NH4+-N含量均高于對照，尤其是在第3天，對照NH4+-N含量降到了0.35 g/kg，而其他處理均還保持在較高水平，這是黏土礦物可以吸附NH4+-N的結果。

圖7 化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程銨態氮、硝態氮的影響

從圖7a、b可以看出，各處理NO3--N的含量在堆肥前期很少，幾乎沒有，在堆肥后期開始逐漸升高，尤其是在堆肥的最后1周。這是由于高溫會抑制硝化細菌的活性，因此高溫期幾乎不會發生硝化作用，硝化作用主要發生在堆肥的腐熟期[29]。相比于化學添加劑，黏土礦物的添加顯著提高了堆體NO3--N的含量，這可能與黏土礦物的添加促進了微生物的活性有關[30]。

綜上，化學物質和黏土礦物均有較好的氨氣減排效果，其中添加化學物質明顯提高了前兩周堆肥物料中NH4+-N的含量，而黏土礦物明顯提高了堆肥物料中NO3--N的含量。這說明所選2種添加劑降低氨氣排放和氮素損失的作用機制存在差異。McCrory等[31]通過研究證實酸或酸性鹽等化學添加劑通過化學固定作用，促進氮素更多地以銨態氮（氨或銨）形式貯存在物料中，從而降低了堆肥過程的氮素損失。

而劉寧等[30]研究得出生物炭能直接吸附銨態氮和氨氣等氮素物質，降低堆體銨態氮濃度，進而減緩氨氣的揮發，與此同時，生物炭能為硝化細菌等微生物群落提供適宜的庇護場所，有利于促進硝化作用的進行和進一步抑制氨氣的揮發。黏土礦物也可直接吸附銨態氮和氨氣等氮素物質降低堆肥氮素損失，而且黏土礦物具有層狀結構和大的比表面積，類似也可能提高了硝化細菌等微生物的活性，促進硝化作用的進行和抑制氨氣的揮發。

2.5 種子發芽率指數的變化

堆肥產品的腐熟與否決定堆肥的成敗，種子發芽率指數（GI）是評價堆肥腐熟度最可靠有效的指標，當GI>50%時，則可認為堆肥基本腐熟[32]，當GI>80%時，可認為堆肥完全腐熟，沒有毒性[33]。

不同添加劑對GI的影響見圖8a、8b，和對照相比，化學物質的添加均不同程度的降低了GI，堆肥結束時，各處理GI分別為：CK1：93.0%、CSCa：86.8%、CSMg：36.1%、CSFe：77.5%、CSAl：65.1%；添加MgO的堆肥始終未達到腐熟，這是MgO顯著提高了堆體pH值的原因；添加CaO降低了堆體的EC值，可能將部分營養離子沉淀了，導致GI略低于對照；添加FeSO4和KAl(SO4)2不僅使堆體呈酸性，而且可能存在離子毒害作用，如鋁毒[34]，其GI均低于對照。

圖8 化學和黏土礦物添加劑對堆肥過程種子發芽率指數的影響

堆肥結束時各處理CK2、蛭石、沸石、麥飯石、膨潤土的GI分別為：94.7%、131.9%、112.0%、102.5%、85.7%，和對照相比，除膨潤土外，其他黏土礦物的添加均促進了GI；蛭石促進GI可能與其富含有效鉀有關[35]；已有研究結果顯示，沸石、麥飯石的添加會促進GI[15,18]；李榮華等[36]指出，膨潤土添加比例只有在5.0%以內時GI能達到50%，且GI基本隨著膨潤土比例的增加而降低，這可能與膨潤土電解質含量較高有關。

3 結 論

1）所有處理50 ℃以上高溫期均持續了10 d以上，達到糞便無害化標準（GB 7959-2012）。所有添加劑均對堆肥過程EC值變化沒有明顯影響，但是添加MgO顯著提高堆體pH值（pH值為9.36），其GI也因此非常低，始終未達到基本腐熟要求（GI<50%）；其他處理對pH值影響較小，且可以達到基本腐熟。

2）FeSO4和KAl(SO4)2處理分別降低氨揮發43.7%和30.0%，減少總氮損失33.8%和22.5%，CaO和MgO處理對氮素保存沒有效果，但也沒有明顯促進氨氣揮發；蛭石、沸石和膨潤土處理分別降低氨揮發24.4%、29.9%和20.1%，減少總氮損失15.4%、22.9%和13.4%，而麥飯石處理對氮素保存的效果微弱。FeSO4的氨氣減排效果雖然不錯，但是添加FeSO4會使N2O排放量增加。雖然黏土礦物的保氮能力略低于化學物質，但沸石處理氮素損失減少22.9%，接近明礬處理的氮素損失減少量26.5%，考慮黏土礦物價格低廉、來源廣泛，而且使用過程中無需嚴格控制用量，因此應用潛力更大。

3）化學物質和黏土礦物添加劑對氮素的保存機制存在本質差異，化學添加劑主要通過化學固定作用，促進氮素更多地以銨態氮（氨和銨）形式貯存降低堆肥氮素損失。而黏土礦物添加劑主要通過直接吸附銨態氮和氨氣等氮素物質降低堆肥氮素損失；與此同時，黏土礦物的層狀結構和大的比表面積能提高硝化細菌等微生物活性，促進硝化作用的進行和進一步抑制氨氣的揮發。

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Effects of clay and chemical additives on nitrogen retention during cow manure composting

Gao Binbin1, Wang Xuan2, Chang Ruixue1, Chen Qing1※

(1.,,,100193,;2.,,,,,050021,)

Composting is an environmentally friendly technology to convert livestock manure to stable and nutritional organic fertilizer. However, significant N losses through NH3emission during composting reduce nutrient value and cause air pollution. Several studies attempt to decrease the nitrogen loss with additives addition, but a comprehensively assessment on N conservation efficiency of additives with different characters is lacking. In this study, chemical substances (calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), ferrous sulfate (FeSO4), alum (KAl(SO4)2),) and clay mineral (vermiculite, zeolite, medical stone, bentonite) were used in composting with cow manure and corn stalk as feedstock, with the purpose to study their potential effects on ammonia emission and compost maturity. The addition ratio of additives was 2.5% of compost material (dry weight base). The emissions of NH3and inorganic nitrogen were monitored during 35-day composting process, together with the pH, EC value, the total organic carbon and the maturity index (Germination Index, GI). Solid samples were taken at various stages (0, 3rd, 7th, 10th, 14th, 21st, 28th, 35thday) of composting. The results showed that the thermophilic phase (above 50 ℃) in all the treatment lasted more than 10 days during composting, suggesting that the product had met the requirements of harmless based the standard GB 7959-2012. Compared with the control treatment, the addition of chemical substances CaO and MgO had no effect on ammonia emission and nitrogen losses, while the addition of FeSO4and KAl(SO4)2decreased the ammonia emissions and nitrogen losses by 43.7%, 30.0% and 33.8%, 26.5%, respectively. The addition of vermiculite, zeolite, medical stone, and bentonite decreased the ammonia emissions and nitrogen losses by 24.4%, 29.9%, 7.1%, 20.1% and 15.4%, 22.9%, 2.2%, 13.4%, respectively. Little influences of different additives were found on EC value of compost products. The addition of MgO greatly increased the pH, which resulted in the germination index of the compost product lower than 50% at the end of process, while the other additives had little effect on pH changing and no influence on getting maturity after 35 days composting. In summary, the chemical substrates FeSO4and KAl(SO4)2had been considered as more superior additives to conserve nitrogen in composting process without influence on physiochemical characters and compost maturity, when compared than the other six additives. However, the clay minerals are normally cheaper than chemical substrates. So that clay minerals had a higher overall efficiency, but factories could choose different conditioners according to their requirement for the quality or for the cost in practice.

manures; composting; nitrogen loss; chemical additives; clay mineral additives

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032

S141.4

A

1002-6819(2018)-20-0250-08

2018-04-28

2018-08-09

國家重點研發計劃“京津冀設施農業面源和重金屬污染防控技術示范”（2016YFD0801006）；國家重點研發計劃“黃淮海集約化奶牛養殖污染防治技術模式研究與示范”（2017YFD0801404）；河北省農業關鍵共性技術攻關專項（18226607D）；河北現代農業產業技術體系奶牛產業創新團隊（HBCT2018120206）；河北現代農業產業技術體系蛋肉雞產業創新團隊（HBCT2018150209）

郜斌斌，研究方向：固體廢棄物處理與資源化利用及土壤污染修復。Email：binbgao@126.com

陳 清，博士，教授，博士生導師，研究方向：設施土壤修復與面源污染防控及廢棄物資源肥料化利用。Email：qchen@cau.edu.cn

郜斌斌，王 選，常瑞雪，陳 清. 黏土礦物和化學添加劑對牛糞堆肥過程氮素固持的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(20)：250－257. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032 http://www.tcsae.org

Gao Binbin, Wang Xuan, Chang Ruixue, Chen Qing. Effects of clay and chemical additives on nitrogen retention during cow manure composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 250－257. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.032 http://www.tcsae.org