2020, Vol. 41
2. 农业农村部环境保护科研监测所, 农业农村部产地环境污染防控重点实验室, 天津市农业环境与农产品安全重点实验室, 天津 300191;
3. 新疆农业大学草业与环境科学学院, 乌鲁木齐 830052
2. Tianjin Key Laboratory of Agro-Environment and Agro-Product Safety, Key Laboratory of Original Agro-Environmental Pollution Prevention and Control, Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tianjin 300191, China;
3. College of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
据统计, 2010年我国畜禽粪便年排放量达到22.263亿t[1], 2020年的畜禽粪尿产生量将达到28.11亿t猪粪当量[2].然而, 为促进畜禽生长, 饲料中往往添加一定剂量的重金属, 导致畜禽粪便和堆肥产物中的Zn和Cu等重金属含量严重超标[3].如王飞等[4]对华北地区饲料和畜禽粪便调查发现, 部分饲料中重金属含量超标, 按照农业部及卫生部标准, 猪饲料中Cu和Zn超标率为66.67%和80.00%, 肉鸡饲料中Zn超标62.50%, 肉牛中Cr和Pb超标83.33%和66.67%, 奶牛饲料中Cr超标60.00%, 蛋鸡饲料中Pb超标53.85%, 且畜禽粪便中重金属含量与饲料中重金属含量呈极显著正相关(P＜0.01), 候月卿等[5]对比了我国不同地区畜禽粪便的重金属含量, 发现粪便中重金属主要为Cu、Zn超标, 且猪粪和鸡粪中重金属含量明显高于其他畜禽.Zhang等[6]调查东北三省部分养殖场鸡粪发现: Cu、Zn、As、Pb和Cd最高含量分别达到487.4、1 063.3、10.4、22.1和38.0 mg·kg-1, 超标污染畜禽粪便长期施用至土壤中引起环境风险, 宋伟等[7]对我国138个地区的耕地土壤重金属污染进行了调查, 发现我国耕地的土壤重金属污染率为16.7%左右, 其中Cd污染最严重, 达到25.20%.重金属含量超标, 进而抑制作物生长, 使其品质下降[8], 进入食物链危害人体健康.
堆肥是实现畜禽粪便重金属无害化的重要手段[9], 其主要原理是畜禽粪便和辅料中纤维素、半纤维素、木质素等有机物降解及腐殖质与重金属发生络合反应, 有助于有重金属向稳定化形态转化, 进而降低重金属生物有效性和活性.然而堆肥化过程仍存在重金属钝化效率低下、稳定性较差等问题.通过添加重金属钝化材料, 与粪便中重金属离子发生吸附、沉淀、络合和离子交换等反应, 可极大提高重金属钝化效率, 降低其生态环境风险.候月卿等在猪粪堆肥过程中添加生物炭和腐殖质, 发现花生壳炭、腐殖质和木屑炭对Cu、Zn和Cd钝化效果最佳, 分别达到65.8%、64.9%和94.7%[10].FeCl3改性生物炭对猪粪Cu、Zn和Pb钝化率分别达到78.7%、43.5%和66.5%[11].何增明等[12]的研究发现, 5.0%海泡石+2.5%膨润土复配处理对猪粪中As和Zn表现出较好的钝化效果, 残渣态As、Zn增幅分别达到79.8%和158.6%[12].然而, 针对不同钝化剂对鸡粪堆肥中重金属有效性影响的研究较少.本文通过高温酵素快速堆肥, 研究投加单一和复配钝化材料对鸡粪有机肥理化特性、重金属含量与形态分布以及有机质含量的影响, 以期为畜禽粪便堆肥过程中重金属的钝化技术研发提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 供试材料本实验于2018年12月在天津武清某养殖基地进行, 鸡粪由该养殖场提供.稻草秸秆选自联丰农产品深加工稻草秸秆, 粉碎至秸秆粉备用.酵素购自鑫宏润(天津)农业生物技术服务有限公司.
1.2 实验设计将稻草秸秆与鸡粪以碳氮比为25:1进行混合, 含水率控制在60%左右在快速升温发酵一体发酵箱(50 cm×30 cm×30 cm)中充分预热30 min后, 添加单一海泡石、钙镁磷肥、生物炭及其复配材料, 部分研究显示[12], 相比于其他浓度, 添加2.5%~4%的不同种钝化剂对堆肥钝化效果普遍较好.因此, 本实验添加3%含量的钝化剂, 通过调整其配比探究不同钝化剂对堆肥效果的影响.分别为CK组(无添加)、SE组(3%海泡石)、NP组(3%钙镁磷肥)、BI组(3%生物炭)、S+N组(1.5%海泡石+1.5%钙镁磷肥)、S+B组(1.5%海泡石+1.5%生物炭)、N+B组(1.5%钙镁磷肥+1.5%生物炭)和SNB组(1%海泡石+1%钙镁磷肥+1%生物炭).然后加入3%酵素发酵, 每组处理物料总重量均为7.5 kg, 以60 r·min-1翻转混匀, 在85℃下发酵处理3 h.结束后, 取一部分鲜样进行保存, 用于检测pH、EC、种子发芽率和根长抑制率.另一部分样品风干处理, 用于检测总C、总N、重金属总量与各形态分布以及腐殖质类物质含量, 每个处理3次重复.
1.3 分析方法(1) 有机肥理化特征分析 pH测定通过蒸馏水浸提, 固液质量比为1:10, 采用赛多利斯PB-10型pH计测定, EC值用梅特勒-托利多仪器FiveEasy Plus型电导率仪测定；有机碳采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定；全氮采用凯式定氮仪(型号：KDY-9820)进行检测.
(2) 种子发芽率 选用小白菜种子, 取固液质量比为1:20的溶液5 mL于底有滤纸的培养皿中, 取10粒小白菜种子在(20±1)℃恒温培养箱中培养96 h测定发芽率, 并设置5 mL纯净水作为对照, GI由以下公式计算[10]：
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(3) 重金属全量及各形态的测定 全量采用HNO3-HClO4(体积比4:1)消解, 取0.2 g样品放于消煮管中, 加入10 mL的混合溶液静置过夜, 次日用控温消煮炉进行加热消解.重金属形态分析采取欧洲共同体参考物机构(European Communities Bureau of Reference, BCR法)改进的三步提取法测定[13], 分为可交换态、还原态、氧化态和残渣态这4个形态.重金属各形态分配律及有效态钝化率分别由下式计算[14]：
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(4) 可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸的提取测定 参照Kumada方法, 改进了提取温度和分组方法[15], 用重铬酸钾容量法测定可提取腐殖质, 富里酸酸组分的碳量, 胡敏酸含量=可提取腐殖物质-富里酸.
(5) 堆肥有机碳红外光谱 采用傅里叶红外光谱仪进行定性分析, 红外光谱图分析委托安泰科技股份有限公司分析测试中心, 在Nicolet iS10傅立叶变换红外光谱仪上进行, 测试波数400~4 000 cm-1, 以高纯KBr压片为标准试剂扣除背景.
1.4 数据分析数据采用Origin 8.0作图软件进行分析, 采用DPS软件进行相关性分析, 半定量分析红外光谱官能团采用OMNIC进行计算.
2 结果与讨论 2.1 不同钝化剂对鸡粪堆肥腐熟程度的影响在堆肥过程中常用物理和化学等方法较为快速直观地检测堆肥腐熟程度及堆肥品质[16], 其中pH值是评价堆肥腐熟度的一个重要指标.如图 1(a)所示, 与传统堆肥类似, 各组处理下堆肥pH较堆肥前均显著增加(P＜0.05), 增加了0.11~0.57个单位.有研究普遍发现[17, 18], 堆肥腐熟后pH增加, 呈中性或弱碱性, 这是由于在微生物驱动下, 蛋白质在脱氨基作用产生了大量的NH3释放到堆体中, 从而使pH值缓慢上升[19].姜新有等[20]的研究发现, 添加外源物质后随着堆肥初始pH值增加, 堆体温度也随之上升, 有机物降解率加快.因此, pH一定程度上反映了堆肥腐熟程度.与未添加钝化材料(CK)组处理相比, 其他处理中堆肥pH值明显提高(P＜0.05, SE组除外), 且在SNB处理下pH最高, 这可能是由于添加钝化剂提高了pH以及不同pH条件下堆肥使其效果有所不同导致的, 但添加单一和复合钝化材料后鸡粪堆肥pH介于6.6~7.1, 均达到堆肥腐熟标准.电导率反映出了溶液的离子性, 在堆肥过程中, 有机肥EC值呈降低趋势, 由离子态向稳定态转化[10].与堆肥前鸡粪相比, 堆肥后有机肥EC值显著降低(P＜0.05)[图 1(b)], 这是由于在堆肥过程中NH3、CO2等挥发[21]造成的.与不添加钝化剂相比, SE、NP、BI、S+N和S+B处理下EC值均有所抑制, 其中单一海泡石和钙镁磷肥处理下EC值显著降低(P＜0.05), 而N+B和SNB处理下EC值略微增加.候月卿等[10]在猪粪中添加生物炭和腐植酸类, EC值从堆肥前的4 mS·cm-1下降至堆肥后的1.72~3.24 mS·cm-1, 满足堆肥腐熟标准.
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图 1 不同处理鸡粪堆肥理化性质 Fig. 1 Physical and chemical properties of chicken manure composting under different treatments |
堆肥过程中有机碳的变化反映了有机物分解的情况, 氮素的变化则与氨的挥发以及硝态氮的反硝化作用有关[22].在高温堆肥后, 有机碳含量均显著下降(P＜0.05), 与初始鸡粪相比, 有机碳含量降低了6.3%~17.2%[图 1(c)].与添加单一钝化材料相比, 复配处理有机碳含量均有不同程度地降低, 且在SNB处理下达到最低, 显著低于单一和两种材料复配处理(P＜0.05).与之相反, 堆肥各组全氮含量较堆肥前有所提高, 增加了2.2%~15.6%, 且BI组达到最高, 为19.93 g·kg-1.与CK相比, 投加单一和复配钝化剂后全氮含量整体上有所提高, 取到一定保氮作用.郑瑞生等研究发现, 在猪粪堆肥中投加沸石后显著减少NH3挥发, 氮损失率最低可减少47.3%[23].鲍艳宇等[24]的研究发现堆肥后TN相对含量并不一定呈现降低的变化趋势.C/N比值可用来评价有机肥的腐熟程度, 一般认为堆肥结束时C/N比值达到15~20时即可视为腐熟[25].不同处理下堆肥C/N比值为14.1~15.3, 满足腐熟度标准[图 1(d)].
种子发芽指数(GI)用来反映堆肥对植物毒性的大小[26].一般条件下堆肥腐熟度越高, 种子发芽指数越高, 发芽抑制率反而越低. Zucconi等[27]认为当GI达到80%以上, 堆肥对植物没有毒害.由图 2可以看出, 初始条件下GI仅为33.0%, 未添加钝化剂发酵后达到83.4%.投加单一和复配材料后GI整体上均有所促进, 介于86.1%~108.4%之间(SE组除外), 且复配处理整体上高于单一处理, 说明添加钝化剂后降低了重金属的活性, 其对植物的毒性有所减弱.与纯净水条件下培养相比, 未发酵鸡粪小白菜芽长抑制率达到67.0%, 发酵处理抑制率有所降低, 其中BI、S+N和S+B处理下可促进小白菜生长.郜斌斌等[28]的研究发现, 投加蛭石、沸石和麦饭石后, GI增加7.8%~17.3%.
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图 2 不同处理鸡粪堆肥理化性质 Fig. 2 Physical and chemical properties of chicken manure composting under different treatments |
由表 1可以看出, 与初始鸡粪相比, 堆肥后(CK、单一和复配钝化材料)重金属Mn、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb含量均有所增加, 分别增加了9.8%~19.6%、11.7%~17.5、11.7%~23.3%、3.9%~39.1%、11.8%~19.2%、8.8%~19.1%、2.3%~16.0%和8.5%~16.6%.这是由于有机肥在堆制过程中, 随之有机物降解、水分散失、挥发性物质损失等, 使得堆体变小, 干物质降低, 重金属含量都普遍增加, 呈现出一定程度的“相对浓缩效应”[29].王玉军等[30]利用玉米秸秆和鸡粪作原料, 添加菌剂发酵后Pb、Cd、As和Cu分别增加了44.4%、37.3%、38.9%和40.0%, 荣湘民等[31]对猪粪堆肥结果显示, 各处理堆肥后重金属As, Cu和Zn的含量都普遍升高, 分别为堆肥前101.67%~211.75%.因为堆肥整体浓缩倍数相同, 因此所有重金属全量含量提升普遍在10%~20%之间, 但与对照相比, 添加单一和复配材料处理下重金属含量变化不大.
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表 1 不同钝化处理下有机肥重金属含量/mg·kg-1 Table 1 Heavy metal content in chicken manure under different treatments/mg·kg-1 |
仅仅根据重金属绝对量来判断堆肥的环境效应是不全面的, 重金属的生物有效性与其化学形态密切相关, 重金属的化学形态比其绝对量更值得关注, 分配率是评价重金属环境风险的一项重要指标[32].图 3可以看出, 不同处理下鸡粪有机肥中Cr残渣态比例最高(74.34%~80.48%), 依次为还原态(16.50%~21.88%)、氧化态(1.53%~3.20%)和可交换态(0.85%~1.32%).与堆肥前Cr可交换态比例(1.31%)相比, 添加钝化剂后鸡粪有机肥Cr可交换态比例均有所降低, 其中为S+N组处理最低, 仅为0.82%, 而堆肥结束后残渣态也均有不同幅度增加, 且不同钝化剂复配高于单一钝化剂处理.在初始条件下, 鸡粪有机肥Cu形态比例大小表现为还原态>残渣态>氧化态>可交换态, 添加钝化剂后堆肥Cu残渣态占比均大幅提高, 其中N+B处理下Cu残渣态占比高达52.63%, 可交换态、还原态比例相应不同程度下降.不同材料对Cu的钝化效果表现为复配处理>单一处理>不添加钝化剂.Zn的四部形态分配律分别为氧化态(49.68%~58.37%)>还原态(28.47%~43.70%)>可交换态(16.91%~29.27%)>残渣态(18.21%~27.00%), 可以发现堆肥结束后可交换态占比均不同幅度地降低, 添加复配钝化剂可交换态钝化效果好于单一钝化剂组, 最低组SNB可交换态占比由29.27%降低至16.91%, 其他形态占比不同幅度增加, 从残渣态看, N+B增幅最高, 占比由18.21%增加至27.00%.在堆肥结束后, As各形态占比依次为可交换态(29.20%~27.24%)>还原态(23.48%~30.77%)>残渣态(21.66%~30.93%)>氧化态(9.67%~16.88%), 由图 3可以发现堆肥后可交换态占比不同程度地下降, 且全部低于CK组, 其中最高组SNB在堆肥后可交换态占比从堆肥前的37.24%降低到16.91%.Cd各形态占比为残渣态(81.24%~83.71%)>还原态(6.58%~8.37%)>可交换态(5.35%~6.45%)>氧化态(3.49%~5.06), 在堆肥结束后, 有效态占比全部下降, 但变化较小, 除BI组外, 堆肥后各组可交换态占比均低于CK组(5.71%), 可交换态分配律最低组S+N(5.26%), 氧化态均提高, 且复合处理组氧化态占比高于单一处理组, 最高组SNB氧化态占比由堆肥前的6.58%增加到8.37%.Pb不同形态分配率整体上表现为还原态(36.76%~46.33%)>残渣态(34.59%~45.06%)>氧化态(14.53%~18.57%)>可交换态(0.36%~0.72%), 如图 3可发现在堆肥结束后, 主要体现为各组残渣态占比一定幅度提高, 各钝化剂处理组普遍高于CK组, 但不同钝化剂处理组间差异不明显, 最高组BI占比增至45.06%.可交换态变化较小.Ni的四部形态分配律分别为可交换态(22.04%~36.25%)>残渣态(22.07%~37.31%)>还原态(21.13%~29.36%)>氧化态(14.97%~20.94%), 在堆肥后可交换态占比均下降, 除NB组外, 各组堆肥后可交换态分配律均低于CK组(29.47%), 最低组SNB由堆肥前36.24%降至22.04%, 此外, 还原态残渣态均有一定幅度的提升, 其中添加钝化剂处理的还原态残渣态占比均高于CK, 其中含有SE和NP组残渣态占比较高最高组S+N残渣态占比增加至37.31%.Mn的四部形态分配律分别为可交换态(49.28%~61.97%)>残渣态(17.65%~24.51%)>氧化态(17.00%~24.89%)>还原态(2.71%~4.69%)在堆肥后可交换态占比均下降, 除BI、N+B和SNB组外, 各组堆肥后可交换态分配律均低于CK组(54.84%), 且各组间并无明显差异.
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(a)Cr;(b)Cu;(c)Zn;(d)As;(e)Cd;(f)Pb;(g)Ni;(h)Mn 图 3 不同处理下重金属形态分配率 Fig. 3 Ratio of heavy metal fraction under different treatments |
重金属各形态反映了其有效性, 其中可交换态生物有效性最强, 只要增大介质中的离子强度, 重金属就会释放出来[30], 同时较容易被植物吸收, 因此有效态含量的减少对堆肥重金属钝化效果的影响较为重要, 而钝化率则更直观地反映不同钝化材料对重金属有效态钝化强弱.投加不同钝化材料堆肥后, 不同重金属钝化率整体上均有所增加(表 2).与对照相比, Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb钝化率最大分别增加了12.29%、8.97%、20.49%、21.11%、17.17%、14.63%、6.99%和42.74%.其中, S+N处理对Cr和Cd钝化效果最好, S+B处理对Mn和Cu钝化效果最好, SNB处理对Ni、Zn、As和Pb钝化效果最好.有研究表明pH变化和吸附作用对重金属形态变化有较大的影响[33], 一方面堆肥后pH值均呈增加趋势, 另一方面添加钝化材料通过离子交换、表面吸附、共沉淀等与重金属发生作用, 从而降低了有机肥中重金属活性.海泡石和生物炭具有较大的空腔表面, 对重金属离子具有较强的吸附能力[34], 何增明等[12]在好氧高温堆肥中添加5%的海泡石对As和Zn起到较好地钝化效果, 候月卿等[10]在堆肥中添加木屑炭, 对Cd的钝化效果较达到94.67%.含P物质如钙镁磷肥可降低土壤Cu和Zn的生物有效性[35].李国学等[36]在研究污泥堆肥处理中重金属钝化剂时指出, 磷矿粉和粉煤灰效果较好.
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表 2 不同处理下重金属钝化率/% Table 2 Stabilization ratio of heavy metals under different treatments/% |
2.3 不同钝化材料对堆肥腐殖物质的影响
图 4为腐殖质(HS)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)及HA/FA变化趋势, 可以发现堆肥后HS含量增加, 堆肥后分别增加了8.8%~19.8%, 堆肥结束后, 各组均与堆肥前差异显著(P＜0.05), 但堆肥后各组间差异不显著, 仅有SE组、S+N组堆肥结束后腐殖质增加量与CK差异性显著(P＜0.05), 与CK差异显著.HA含量不同程度地升高, 堆肥后分别增加37.7%~78.9%, 均与堆肥前差异显著(P＜0.05), 但不同处理间仅有SE组、S+N组、S+B组与CK差异显著(P＜0.05).堆肥后FA有所降低, 相较于堆肥前降低4.47%~20.11%, 均与堆肥前差异显著(P＜0.05), 但不同处理间仅有S+N、S+B与CK差异显著(P＜0.05).HA/FA升高, 从堆肥前0.63分别增加至0.92~1.39.
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不同小写字母表示相互间存在显著性差异(P＜0.05),各处理间无共同小写字母即为差异达到5%显著水平 图 4 不同处理下腐殖酸、FA、HA以及HF/HA变化情况 Fig. 4 Change of humic acid, FA, HA, and HF/HA under different treatments |
在堆肥过程中可提取腐殖物质是有机物料在微生物、酶的作用下形成的一类特殊的高分子化合物[37], 卜贵军等[38]采用三维荧光光谱研究发现, 在鸡粪堆肥后期类腐殖质荧光区Ⅲ和Ⅴ明显上升, 预示腐殖质含量增加.本实验可发现堆肥后各组腐殖质含量均增加, 与堆肥前差异性显著(P＜0.05), 这是因为堆肥过程中, 有机物料不断分解, 可提取腐殖物质含量增加所致, 但组间差异不显著, 说明钝化剂对腐殖质变化没有明显影响.
而胡敏酸(HA)和富里酸(FA)是腐殖质的重要组成部分, 在堆肥发酵过程中, 木质素氧化形成胡敏酸, 进一步氧化生成富里酸, HA/FA通常用来评估堆肥腐熟度的重要指标, 数值越大, 表示腐熟堆肥腐殖化程度越高[39].本实验堆肥结束后, 大分子HA增加, 均与堆肥前差异性显著(P＜0.05), 着意味着腐殖质从水溶态向固态的转化, 但组间差异性不显著.小分子FA减少, 这表明了堆肥存在促进富里酸分解的过程, 马开星等研究发现, 鸡粪堆肥富里酸含量降低, 最大可减少47.1%[40], 于其研究较为一致.而HA/FA通常用来评估堆肥腐熟度的重要指标, 数值越大, 表示腐熟堆肥腐殖化程度越高[41].本实验中由于HA/FA比值的增大, 对降低堆肥原料中重金属的迁移性和有效性有重要意义, 可发现复配组(S+N、S+B和SNB)HA/FA较高, 这可能与堆肥前添加钝化剂影响其pH环境导致堆肥效果不同有关.
不同来源的腐殖质有类似的结构组成和官能团, 根据前人的研究结果, 具体红外光谱各吸收波段归属如下[42~44]：3 200~3 500 cm-1, 羟基的氢键伸缩振动, 一部分是有机物中碳水化合物的羟基吸收, 另一部分是样品中所含水分的羟基吸收和氨基酸中的N—H伸缩振动吸收; 2 915~2 935 cm-1, 脂肪族C—H伸缩振动, —CH2—不对称; 1 620~1 650 cm-1, 取代的芳环的环振动, 酰胺中C═O、N—H键及吸湿水的振动；1 421~1 431 cm-1, 羧酸分子中的—OH面内弯曲振动、羧酸盐的C═O伸缩振动和脂肪族CH2的摇摆振动；1 030~1 080 cm-1, 多糖或多糖类似物的C—O键以及硅酸盐杂质的Si—O键伸缩振动.
特征峰吸收强度的大小和吸收峰的相对强度可以反映官能团含量的相对多少[45].由图 5和表 3可发现堆肥前后主要吸收带一致, 某些波峰的峰形和峰吸收强度与堆肥前有一定差异, 体现出堆肥前后官能团的性质变化, 在3 200~3 500 cm-1处吸收强度较高, 堆肥处理后增加, 与于子旋等[33]的研究一致, 这说明各组堆肥后多糖类的小分子物质均增加, 其中堆肥后SNB组在3 428 cm-1相对于其余组较高, 说明其堆肥进程较快.此外SNB组相对于其他组变化较大, 说明其各物质反应均较剧烈.1 430 cm-1对1 030 cm-1处吸收峰的比值有所降低, 这与Fatima等[35]的研究一致, 可能与堆肥的降温腐熟期活动加剧有关.相对于鸡粪传统堆肥1 650 cm-1吸收强度略微下降, 这说明了芳香程度降低, 这与孙向平[46]的研究结果类似.因此从吸收峰来看与传统堆肥基本一致, 说明高温酵素堆肥可行性较高, 但各钝化剂组间差异并不明显.
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图 5 不同处理下红外光谱特征 Fig. 5 Infrared spectral characteristics under different treatments |
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表 3 不同处理下各官能团半定量分析/% Table 3 Semi-quantitative analysis of functional groups under different treatments/% |
3 结论
(1) 堆肥后在各理化性质方面, 均与堆肥前差异性显著(P＜0.05), 不同处理下pH、EC、C/N、种子发芽率均达到有机肥腐熟标准.
(2) 添加钝化剂对重金属钝化效果明显, 且复配处理组效果优于单一处理, 其中SNB组处理对重金属钝化效果最佳.
(3) 投加钝化材料后, 堆肥中腐殖类物质较堆肥前显著增加(P＜0.05), 且复配钝化剂处理下HA/FA普遍高于单一处理, 多糖小分子物质均增加, 芳香结构化降低, 显示钝化剂添加在一定程度上促进堆肥效果.
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