不同调理剂对鹿粪堆肥温室气体排放及氮素转化的影响研究

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堆肥在实现有机废物的生物降解和循环利用的同时,也向环境排放温室气体(GHGs,Greenhouse Gases)及NH3,导致氮素损失,并造成全球变暖等环境问题。向堆体添加调理剂可缓解这些问题,且不同的调理剂与堆体相互作用的规律和机理有所不同。为了明确调理剂对堆肥进程的具体影响及其影响温室气体排放和氮素转化的机理,对不同调理条件的堆肥指标进行监测,为寻找最适宜的鹿粪秸秆复合堆肥调理剂提供参考。研究以鹿粪和玉米秸秆为堆肥基质,设置不添加调理剂的对照组(CK)、添加生物炭调理剂的处理组(B)、添加沸石调理剂的处理组(Z)和添加沸石-生物炭复合调理剂的处理组(BZ)四个堆肥组别,全部以碳氮比30、含水率60%和总重4 kg启动堆肥,连续监测基本理化指标、不同形态氮素水平、温室气体和NH3排放量。酶活性的动态变化、降趋对应分析、冗余分析以及扫描电子显微镜(SEM,Scanning Electron Microscope)观察和能谱分析(EDS,Energy Dispersive Spectrometer)从微观形态、微生物代谢等角度解释了温室气体排放和氮素转化的机理。研究结果表明,沸石调理组在第7天出现最高堆温(58.1°C),达到了美国国家环保局和中华人民共和国卫生部的堆肥卫生要求,沸石对堆肥产品无害化的作用效果最佳。在第29天,生物炭-沸石联合调理组在堆肥过程中碳氮比同初始碳氮比的比值(T值)为0.57,最先下降为0.6以下,所以生物炭-沸石联合调理组对堆肥腐熟的推动作用最大。生物炭-沸石调理剂将堆体含水率从43.64%提高至63.75%,显著促进了鹿粪秸秆堆肥的持水保水(t检验,P=0.005<0.05);生物炭使堆体的总有机碳降解提高了35.55%,其促进有机质分解和碳氮营养元素综合利用的效果最佳。堆体的气体排放特征显示,添加生物炭-沸石复合调理剂在第6天和第8天将CH4排放量分别降低了28.15%和58.84%,其在刚进入升温期时对CH4排放有抑制作用;最终生物炭使CO2排放量减少了25.10%,其CO2减排效果最佳;沸石调理剂在堆肥降温期,通过抑制硝化和反硝化进程使N2O累积排放量降低了27.02%。沸石和生物炭分别因其降低堆体电导率和改善堆体通风供氧的特性,使NH3累积排放量降低。生物炭调理剂使堆肥带来的全球增温潜势减少了8.17%,且控制CH4排放是减少堆肥造成温室效应的关键因素。堆体的氮素转化和氮素损失方面,生物炭调理堆肥组别的亚硝态氮增量占堆体总氮增量的60.93%,生物炭使氮素大致呈现由氨态氮向硝态氮和亚硝态氮转化的趋势,堆体从以氨化反应主导的堆肥向着以硝化反应主导的堆肥进行变化;沸石调理和生物炭-沸石复合调理堆肥组别的凯氏氮增量分别占堆体总氮增量的57.53%和74.60%,沸石调理剂和生物炭-沸石复合调理剂使氨化反应主导堆肥。不同调理剂在不同的堆肥阶段交替发挥着控制氮素损失的作用,NH3逸散损失的氮素占氮素损失总量的84.30%,这是鹿粪秸秆复合堆肥氮损失的主要途径。几种调理剂控制堆肥气体排放和氮素损失的机理存在差异,生物炭-沸石复合调理剂显著提高了鹿粪-秸秆堆肥的脲酶活性(t检验,P=0.028<0.05),其NH3排放主要来自尿素的水解,而非氨氮的转化。在微观结构方面,生物炭一直保持着良好的开放孔隙结构,其结构稳定,不易分解;沸石则由较为规则的多边形片状结构变为絮状结构,沸石对堆肥产物有较强的吸附能力;经过堆肥,沸石颗粒氧元素原子数量百分比从66.02%降至46.71%,所以堆体内部一直进行着反硝化反应,使氧元素以气态形式逸散。冗余分析结果显示,生物炭调理剂的添加对脲酶发挥活性有一定的贡献,沸石调理剂增强了碳氮比对堆体的影响,生物炭-沸石的复合调理一定程度上改善了堆体的碳氮平衡,使堆肥前期经历一段相对平稳的变化过程。所以,生物炭和沸石的良好孔隙结构和吸附能力,使生物炭-沸石复合调理剂推进了鹿粪秸秆堆肥腐熟进程,控制了CH4排放。单一生物炭和沸石调理剂更好地促进了堆肥无害化,控制鹿粪-秸秆复合堆肥的N2O排放和NH3排放,缓解了全球增温潜势和氮素损失。
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