付祥峰，劉琪琪，李戀卿，潘根興，鄭金偉，張旭輝，程 琨

生物質(zhì)炭對豬糞堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化及溫室氣體排放的影響

付祥峰，劉琪琪，李戀卿*，潘根興，鄭金偉，張旭輝，程 琨

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京210095）

為了解不同比例生物質(zhì)炭的添加對豬糞和稻草堆肥過程中氮素?fù)p失及溫室氣體排放的影響，監(jiān)測了堆置過程中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨揮發(fā)及溫室氣體的變化。試驗設(shè)豬糞秸稈對照（B0）以及豬糞秸稈中添加5%（B1）、10%（B2）、15%（B3）生物質(zhì)炭共4個處理。結(jié)果表明：添加生物質(zhì)炭能夠提高堆體溫度，縮短堆肥周期，B3處理的堆體比B0處理提前3 d進(jìn)入高溫期；高溫期B0、B1、B2、B3各處理堆體中NH4+含量分別比初始值增加6.6%、41.8%、51.9%、48.6%。與B0相比，添加生物質(zhì)炭能夠顯著增加高溫期堆體NH4+含量，減少高溫期NH4+向NH3的轉(zhuǎn)化，顯著降低堆肥過程中的氨揮發(fā)，其中B1、B2、B3氨揮發(fā)累計量比B0分別減少23.1%、68.6%、78.4%；B2處理與B0相比能夠顯著減少CO2排放總量，而B1、B3處理效果不顯著，但能夠顯著減少堆肥過程中CH4的排放；與B0相比，添加生物質(zhì)炭處理CH4排放總量降低16.3%～23.5%，且可顯著降低堆肥過程中N2O的排放，其中B2、B3的N2O排放總量比B0減少70.7%。

生物質(zhì)炭；豬糞；氮素?fù)p失；溫室氣體；堆肥

近年來，隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)集約化的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的畜禽糞便，據(jù)估算，2009年中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便排放總量為32.64億t[1]。畜禽糞便經(jīng)堆肥處理既可達(dá)到減量化、無害化、穩(wěn)定化，也可使其中的速效養(yǎng)分更利于植物吸收，提高作物的產(chǎn)量、改善作物的品質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥[2]。然而堆肥過程中常會釋放出大量NH3、H2S等惡臭氣體，同時造成堆肥中氮素養(yǎng)分的大量損失，從而使堆肥的農(nóng)用價值降低[3]。研究表明，由于堆肥過程中NH3排放導(dǎo)致的氮素?fù)p失可達(dá)總氮損失的32.3%～50.0%[4-5]。此外，堆肥過程中還會產(chǎn)生大量的溫室氣體（CH4、N2O），對環(huán)境造成污染[6]。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)經(jīng)低溫限氧熱裂解制成，因其具有豐富的孔隙度和比表面積等特性[7]，作為一種新的添加劑在好氧堆肥中的應(yīng)用也逐漸引起人們的關(guān)注。研究表明，豬糞堆肥過程中添加3%竹炭可顯著加快堆體腐熟進(jìn)程，顯著降低NH3的揮發(fā)，減少10%氮素?fù)p失，有利于氮素的保持[8]。Chowdhury等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在雞糞堆肥過程中通風(fēng)和添加生物質(zhì)炭均能減少NH3的排放，與對照相比溫室氣體排放能夠顯著減少27%～32%。但目前有關(guān)添加生物質(zhì)炭對豬糞堆肥腐熟過程中氮素轉(zhuǎn)化、氨揮發(fā)以及溫室氣體排放等方面綜合影響的研究還較少。因此，本研究通過在豬糞堆肥中添加生物質(zhì)炭，研究生物質(zhì)炭對豬糞堆肥腐熟過程中氮素保持及溫室氣體排放的影響，以期探討降低堆肥過程中氨揮發(fā)損失及溫室氣體排放的有效途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試豬糞采自南京市六合區(qū)農(nóng)戶散養(yǎng)豬舍。南京市六合區(qū)勤豐秸桿科技有限公司生產(chǎn)的水稻秸稈生物質(zhì)炭，經(jīng)炭化爐在450℃低溫限氧條件下制備。水稻秸稈取自六合區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶，粉碎成5 cm左右備用。堆肥物料基本性質(zhì)如表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理：豬糞400 kg+秸稈50 kg（對照，B0），豬糞400 kg+秸稈50 kg+5%（質(zhì)量比，下同）生物質(zhì)炭（B1），豬糞400 kg+秸稈50 kg+10%生物質(zhì)炭（B2），豬糞400 kg+秸稈50 kg+15%生物質(zhì)炭（B3）。將各處理堆肥物料混合均勻，調(diào)節(jié)含水率為65%。

堆肥試驗于2016年3月至4月在室外常溫下進(jìn)行。每個處理設(shè)置三個堆體，隨機排列，堆體長寬高分別為1.5 m×1.0 m×0.8 m，相鄰堆體間距離為0.5 m。堆肥期間采用人工翻堆，每3～4 d翻堆一次。翻堆時加入適量的水，使堆體的含水量維持在65%。

1.3 堆肥樣品采集及指標(biāo)測定

堆肥樣品在每次翻堆后采集，每堆體各選取三個平行點進(jìn)行混合樣品采集[8]。每個樣品分兩份：一份裝入無菌塑料袋中儲存在4℃冰箱中，用于pH、電導(dǎo)率（EC）、可溶性有機碳（DOC）、銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）等指標(biāo)的測定；另一份自然風(fēng)干，粉碎并過80目篩，用于全碳（TC）、全氮（TN）和粗灰分等指標(biāo)的測定。

溫度：采用0～100℃的玻璃棒式溫度計，將溫度計從堆體側(cè)面高40 cm處中間水平插入堆體中部，插入深度為30 cm，測定堆體中部溫度。溫度測定固定在上午10：00。

pH值和電導(dǎo)率：固液比1∶10（鮮質(zhì)量∶體積），用蒸餾水浸提鮮樣，靜置0.5 h，然后分別用S-3C型pH計測懸液pH值，用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定EC值。

NH4+-N和NO3--N：固液比1∶10（鮮質(zhì)量∶體積），新鮮堆肥樣品加入2 mol·L-1KCl，振蕩1 h后過濾，用流動分析儀測定濾液中NH4+-N和NO3--N含量。

1.4 堆肥氣體監(jiān)測

氨揮發(fā)采用李冰的方法[10]進(jìn)行測定，將裝有20 mL硼酸吸收液（濃度為20 g·L-1）的100 mL小燒杯放在堆體表面，用已知截面積的2000 mL燒杯將硼酸吸收瓶蓋住，燒杯口周圍用堆肥密封，收集燒杯覆蓋范圍揮發(fā)的NH3，待硼酸變藍(lán)，取出用0.2 mol·L-1硫酸滴定，并記錄吸收時間，計算氨揮發(fā)速率。

堆肥過程中溫室氣體（CH4、N2O、CO2）的排放采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法[11]測定。采樣箱的規(guī)格為35 cm×35 cm×23 cm。每隔3 d采集一次，溫室氣體采樣在翻堆前進(jìn)行，采氣時間在上午8：00—10：00，在采集

表1 堆肥物料基本性質(zhì)Table 1 The basic properties of compost material

氣樣的同時記錄采集箱內(nèi)的溫度。氣體樣品帶回實驗室，用安捷倫氣相色譜儀（Agilent7890A）測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)的整理和圖表的制作采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行。不同處理間差異及相關(guān)性分析采用SPSS 18.0進(jìn)行，以LSD法進(jìn)行顯著性檢驗（P＜0.05）。測定結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對堆肥堆體特性的影響

2.1.1 生物質(zhì)炭對堆體溫度的影響

堆肥過程中堆體溫度變化如圖1所示。B1和B2處理的升溫期、高溫期和降溫期分別為第1～6 d、7～13 d和14～25 d，B3處理在第5 d進(jìn)入高溫期，而B0處理的三個時期依次為第1～9 d、10～15 d和16～25 d。生物質(zhì)炭處理的堆體溫度在第7～13 d內(nèi)均保持在50～54℃，其中B3處理的堆體溫度在升溫期升溫速度較快，在第7 d時升到50℃，且在第11 d達(dá)到最高溫度55℃，B1、B2處理的堆體在第10 d時達(dá)到50℃，最高溫度均達(dá)到52℃。而B0處理在第5 d時升到41℃，第11 d時升到最高溫度49℃。生物質(zhì)炭處理與對照相比，提前3～5 d進(jìn)入高溫期，顯著加快了堆肥進(jìn)程。

2.1.2 生物質(zhì)炭對堆肥理化性質(zhì)的影響

堆體pH、EC、DOC、TC、TN的變化見表2。與堆肥初期相比，B0、B1、B2、B3的pH分別增加12.3%、5.7%、8.1%、6.3%。添加生物質(zhì)炭能夠相對降低堆體pH值增幅。試驗后期，所有處理的pH值均保持在9.0以下，符合腐熟堆肥pH值應(yīng)在8.0～9.0之間的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到堆肥腐熟要求[12]。在堆肥初期，堆體中可溶性鹽分含量較高，經(jīng)過高溫腐熟后各堆體的EC值均大幅下降，添加生物質(zhì)炭處理的堆體與對照相比差異不顯著。

堆肥初期，與對照相比添加生物質(zhì)炭堆體中DOC含量顯著降低23.3%～52.0%，而且隨添加比例的提高，DOC含量逐漸降低。在堆肥結(jié)束后添加生物質(zhì)炭的堆體DOC比對照顯著降低16.9%～21.3%，而各生物質(zhì)炭處理間沒有顯著差異。添加生物質(zhì)炭后，堆體的TN含量也有所降低，但差異不顯著，與初始值相比，B0、B1、B2、B3分別減少13.6%、12.6%、9.9%、13.3%。

圖1 豬糞堆肥腐熟過程中堆體溫度的動態(tài)變化Figure 1 Changes in temperature during swine manure composting process

表2 堆肥理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical characters of the compost

2.2 生物質(zhì)炭對堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響

2.2.1 生物質(zhì)炭對堆肥NH4+-N、NO3--N含量的影響

堆肥過程中堆體NH4+-N含量的動態(tài)變化見圖2。B1、B2、B3處理堆體的NH4+-N含量呈上升趨勢并在第3 d達(dá)到最高，分別為1 226.2、1 396.5、996.0 mg·kg-1，隨后迅速下降，最終趨于穩(wěn)定。而B0處理NH4+-N含量在堆肥的前一周內(nèi)持續(xù)上升，在第7～11 d保持在1 546.8～1 610.0 mg·kg-1范圍內(nèi)，隨后逐漸下降并趨于穩(wěn)定。在達(dá)到最高點時B0、B1、B2、B3處理的NH4+-N含量分別比初始值提高48.6%、41.8%、51.9%、6.6%，生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)堆體NH4+-N在堆肥中期的轉(zhuǎn)化。

在堆體升溫期，堆體的NO3--N含量沒有顯著變化。添加生物質(zhì)炭處理在第7 d后堆體NO3--N含量開始迅速上升，在第20 d后到達(dá)最高點，而對照處理的堆體在第10 d以后才開始升高，同樣在第20 d后達(dá)到最高點，添加生物質(zhì)炭能夠顯著增加高溫期堆體NO3--N含量。

2.2.2 生物質(zhì)炭對堆肥過程中氨揮發(fā)的影響

圖2 豬糞堆肥腐熟過程中堆體NH+4-N和NO-3-N含量的變化Figure 2 Changes in ammonium nitrogen content and nitrogen content during swine manure composting process

圖3 豬糞堆肥腐熟過程中堆體氨揮發(fā)速率的變化Figure 3 Changes in ammonia volatilization rate during swine manure composting process

圖3 為堆肥過程中各處理堆體的氨揮發(fā)速率動態(tài)變化，堆肥前期氨揮發(fā)速率較小，隨著堆體溫度的升高，氨揮發(fā)速率逐漸加快，在高溫期氨揮發(fā)速率達(dá)到最大，在腐熟階段氨揮發(fā)速率逐漸降低。從表3可看出，與對照相比，B2、B3能夠顯著降低升溫期和高溫期的氨揮發(fā)量，而B1處理影響不顯著。與對照相比，B1、B2、B3處理氨揮發(fā)累計量分別減少23.1%、68.6%、78.4%，三個生物質(zhì)炭處理的氨揮發(fā)累計量占全氮的比例分別比對照減少19.3%、72.5%、79.6%（表3）。

表3 豬糞堆肥腐熟過程中堆體氨揮發(fā)累計量Table 3 Total emission of NH3in different swine manure composting

2.3 生物質(zhì)炭對堆肥過程中溫室氣體排放的影響

堆肥過程中堆體CH4、N2O、CO2排放量的動態(tài)變化見圖4。在堆肥前10 d，B0堆體CH4排放速率顯著高于生物質(zhì)炭處理，生物質(zhì)炭處理呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，所有處理均在第15 d到達(dá)最高。從表4可看出，在升溫期和高溫期生物質(zhì)炭處理的CH4排放量平均較對照顯著降低60.4%和27.9%。堆體的N2O排放速率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，生物質(zhì)炭處理N2O的排放量在升溫期、中溫期和高溫期分別較對照顯著降低84.3%～90.3%、47.6%～66.3%和28.9%～64.0%，但加炭處理間無差異。添加生物質(zhì)炭在升溫期能夠顯著降低堆肥CO2排放量，在高溫期與腐熟期B2處理能夠顯著降低CO2排放量，B1、B3處理效果不顯著。從溫室氣體排放總量來看，添加生物質(zhì)炭可顯著降低CH4和N2O排放總量的16.3%～23.5%和50.2%～70.7%，而CO2的排放總量僅在B2處理中顯著降低。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對堆肥腐熟過程的影響

對好氧堆肥而言，堆體溫度是判定堆肥腐熟程度的重要因素[13]。本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭處理能夠顯著增加堆體的溫度，加快堆體升溫，與對照相比提前3～5 d進(jìn)入高溫期，縮短了堆肥周期（圖1）。李麗劼等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在豬糞堆肥過程中添加適量的竹炭有利于提高堆體溫度，加快堆肥腐熟進(jìn)程。pH值是堆肥腐熟的重要指標(biāo)之一，能夠影響堆體內(nèi)微生物的生長繁殖，在一定程度上反映堆肥腐熟進(jìn)程。本試驗結(jié)果表明，在豬糞堆肥過程中堆體的pH值會顯著增加，而生物質(zhì)炭能夠降低堆置過程中pH值的增加幅度。這可能是添加生物質(zhì)炭后因其具有較強的吸附能力，能夠有效地吸附堆體中的NH4+-N，抑制NH4+-N的溶解，阻止氫氧根離子的形成，從而有效地降低堆體pH值增加幅度[14]。堆體的EC值作為植物生長的限制因素，是衡量堆肥能否農(nóng)用的重要指標(biāo)，添加生物質(zhì)炭對堆體EC值沒有顯著影響，腐熟后堆體EC值均低于3 mS·cm-1，一般地，堆體EC值不高于4.0 mS·cm-1時，均不會對植物生長造成毒害或抑制效應(yīng)[15]。

3.2 生物質(zhì)炭對堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的影響

畜禽糞便堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化的作用主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和生物吸收固持作用[16]。在堆肥過程中氮素有一定的損失，主要是由于有機氮的礦化和持續(xù)性氨的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的反硝化，造成堆體氮素50%～68%的損失[17]。本試驗結(jié)果表明，添加15%生物質(zhì)炭處理能夠顯著提高NH4+-N在堆肥初期的積累，同時促進(jìn)NH4+-N在中后期的轉(zhuǎn)化，顯著增加高溫期及腐熟期堆體NO3--N含量（圖2），與陶金沙等[18]研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭能夠調(diào)節(jié)堆體的C/N、改善堆體的通氣供氧能力，有利于促進(jìn)堆體中的NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N；生物質(zhì)炭的多孔性和巨大的比表面積能夠為微生物的生長繁殖提供附著點，提高微生物活性，促進(jìn)堆肥前期微生物分解有機碳、氮化合物[19]。黃向東等[20]在豬糞堆肥過程中添加竹炭增加了堆肥NH4+-N、NO3--N及TN含量，使氮素固定率提高28.3%～65.4%。Hua等[21]和Prost等[22]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭表面含有豐富的羧基和酚羥基等酸性官能團，這些酸性官能團能通過離子鍵與堆體中的NH4+緊密結(jié)合，并促使NH4+-N向其他氮素形式轉(zhuǎn)變。

堆肥過程中氮素?fù)p失的主要途徑是NH4+-N以NH3形式揮發(fā)，氨揮發(fā)強度受堆體溫度、NH4+-N濃度、pH值等多因素的綜合影響[23]。本研究表明，添加生物質(zhì)炭可顯著降低堆體氨揮發(fā)速率及氨揮發(fā)累計量（圖3）。Steiner等[24]發(fā)現(xiàn)在雞糞堆肥過程中加入20%的生物質(zhì)炭NH3排放量顯著減少64%。生物炭的特殊理化性質(zhì)能直接吸附NH4+-N和NH3等氮素物質(zhì)，劉寧等[25]通過分析好氧堆肥過程第1、7、14、28 d的代表性生物炭掃描電鏡圖像發(fā)現(xiàn)，隨著堆肥的進(jìn)行，其內(nèi)部吸附的小顆粒逐漸增多并凝聚成較大的顆粒單元。這可能是生物質(zhì)炭能夠減少堆肥中氮素?fù)p失的原因之一。此外，徐路魏等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能夠增加后期堆肥產(chǎn)品中非酸水解有機氮的含量，減少有機氮的礦化，從而降低了堆體的氨揮發(fā)損失。

圖4 豬糞堆肥腐熟過程堆體表面CH4、N2O、CO2排放率的變化Figure 4 Changes in emission rate of nitrous oxide,methane,carbon dioxide during swine manure composting process

表4 堆肥過程中不同時期的CH4、N2O和CO2排放量及其排放總量Table 4 Total emission of CO2,CH4and N2O in different swine manure composting treatment

3.3 生物質(zhì)炭對堆肥過程中溫室氣體減排的影響

研究表明，堆肥過程中0.02%～9.9%的初始氮會以N2O的形式揮發(fā)[27-29]。本試驗結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭處理能夠顯著降低堆體N2O的排放，N2O排放總量僅占TN的0.4%～1.4%（表4）。Wang[30]等運用定量PCR研究了豬糞堆肥過程中N2O的產(chǎn)生作用機理，結(jié)果顯示，生物質(zhì)炭的輸入可減少N2O氧化菌的數(shù)量，同時增加N2O還原菌的數(shù)量，從而達(dá)到N2O減排的效果。程效義等[31]研究表明，生物質(zhì)炭降低堆肥過程中N2O排放的機理可能與其影響堆體中硝化與反硝化作用密切相關(guān)，生物質(zhì)炭的添加可通過改變堆體溫度、含氧量、pH、含水率和氮素含量等環(huán)境因子影響氮素循環(huán)相關(guān)的功能微生物，進(jìn)而影響堆體中硝化與反硝化作用[32]。

堆肥物料局部厭氧導(dǎo)致CH4產(chǎn)生，CH4揮發(fā)量可達(dá)總有機碳（TOC）的0.1%～12.6%[24]。本研究表明，添加生物質(zhì)炭顯著降低堆體CH4的排放量（表4）。這可能是因為甲烷菌主要以活性有機碳為底物，添加生物質(zhì)炭能夠顯著減低堆體中可溶性有機碳的含量，從而減少了微生物可利用性碳。賈永興[33]的研究認(rèn)為由于生物質(zhì)炭具有極高的孔隙度使得堆體充分通氣，從而優(yōu)化堆體氧氣供應(yīng)和分配，導(dǎo)致產(chǎn)甲院菌的活動受限制。畜禽糞便堆肥過程中的CO2排放是有機物被微生物分解而產(chǎn)生的，生物質(zhì)炭能夠通過影響堆體內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu)[34]和活性而影響堆體CO2的排放。本研究中添加10%生物質(zhì)炭顯著降低堆體CO2的排放，而5%、15%添加量沒有明顯的影響。這方面的影響機制有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）生物質(zhì)炭能夠顯著增加堆體的溫度，縮短堆肥周期，其中添加15%生物質(zhì)炭處理的堆體比其他處理提前3 d到達(dá)高溫期。

（2）生物質(zhì)炭能減少堆肥過程中NH4+-N和NO3--N的損失，尤其是在高溫期，生物質(zhì)炭能夠顯著增加堆體的NH4+-N和NO3--N含量。添加10%、15%生物質(zhì)炭能顯著減少堆肥過程中的氨揮發(fā)。生物質(zhì)炭能夠顯著降低堆肥過程中氮素?fù)p失。

（3）對于堆肥過程中溫室氣體排放的影響，添加生物質(zhì)炭能夠顯著減低CH4與N2O排放量，添加10%生物質(zhì)炭可顯著減少CO2排放總量，而5%、15%添加量效果不顯著。由此可見，添加15%的生物質(zhì)炭是降低堆肥過程中的氮素?fù)p失、減少溫室氣體排放的有效措施。

[1]王煌平,張 青,李 昱,等.熱解溫度對畜禽糞便生物炭產(chǎn)率及理化特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34（11）：2208-2214.

WANG Huang-ping,ZHANG Qing LI Yu,et al.Effects of pyrolysis temperature on yield and physicochemical characteristics of biochar from animal manures[J].Journal of Agro-Environment Science,2015,34（11）：2208-2214.

[2]李鐵民,馬溪平,劉宏生.環(huán)境微生物資源原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005：8-11．

LI Tie-min,MA Xi-ping,LIU Hong-sheng.Principle and application of environmental microbial resources[M].Beijing：Chemical Industry Press,2005：8-11．

[3]Tam N F Y,唐運平.兩種工業(yè)用細(xì)菌制品對豬廢棄物圈內(nèi)處理系統(tǒng)中營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,1991,8（4）：39-41.

Tam N F Y,TANG Yun-ping.The effect of two kinds of industrial bacterial products on the transformation of nutrients in the pig waste treatment system[J].Agricultural Environment and Development,1991,8（4）：39-41.

[4]鐘 佳.污泥/豬糞堆肥及其農(nóng)田利用全過程的溫室氣體與氨氣排放特征研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué),2013.

ZHONG Jia.Emission characteristics of greenhouse gas and ammonia from the full process of sludge/swine manure composting and land application of the compost[D].Beijing：University of Chinese Academy of Sciences,2013.

[5]El Kader N A,Robin P,Paillat J M,et al.Turning,compacting and the addition of water as factors affecting gaseous emissions in farm manure composting[J].Bioresource Technology,2007,98（14）：2619-2628.

[6]Szanto G L,Hamelers H V M,Rulkens W H,et al.NH3,N2O and CH4emissions during passively aerated composting of strawrich pig manure[J].Bioresource Technology,2007,98（14）：2659-2670．

[7]Van Zwieten L,Kimber S,Morris S,et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil,2010,327（1/2）：235-246.

[8]李麗劼.竹炭的添加對豬糞堆肥過程氮素持留與溫室氣體減排的影響[D].杭州：浙江大學(xué),2012.

LI Li-jie.Effects of bamboo charcoal on nitrogen conservation andgreenhouse gas emissions reduction during swine manure composting[D].Hangzhou：Zhejiang University,2012.

[9]Chowdhury M A,de Neergaard A,Jensen L S.Potential of aeration flow rate and bio-char addition to reduce greenhouse gas and ammonia emissions during manure composting[J].Chemosphere,2014,97：16-25.

[10]李 冰,王昌全,江連強,等.有機輔料對豬糞堆肥中氨氣揮發(fā)的抑制效應(yīng)及其影響因素分析[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2008,14（5）：987-993.

LI Bing,WANG Chang-quan,JIANG Lian-qiang,et al.Inhibitory effect of auxiliary organic materials on ammonia volatilization in composting and the influencing factors[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2008,14（5）：987-993.

[11]鄒建文.稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體（CO2、CH4和N2O）排放研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.ZOU Jian-wen.A study on greenhouse gas（CO2,CH4and N2O）emissions from rice-winter wheat rotations in Southeast China[D].Nanjing：Nanjing Agricultural University,2005.

[12]李艷霞,王敏健,王菊思.有機固體廢棄物堆肥的腐熟度參數(shù)及指標(biāo)[J].環(huán)境科學(xué),1999,20（2）：98-103.

LI Yan-xia,WANG Min-jian,WANG Ju-si.The maturity indexes and standards of organic solid waste composting[J].Environmental Science,1999,20（2）：98-103.

[13]李國學(xué),李玉春,李彥富.固體廢物堆肥化及堆肥添加劑研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22（2）：252-256.

LI Guo-xue,LI Yu-chun,LI Yan-fu.Advance on composting of solid waste and utilization of additives[J].Journal of Agro-Environment Science,2003,22（2）：252-256.

[14]孫文彬.生物質(zhì)炭對城市污泥好氧堆肥過程中碳素轉(zhuǎn)化及堆肥品質(zhì)的影響[D].成都：西南大學(xué),2013.

SUN Wen-bin.Effect of biochar on transformation of organic matter during sewage sludge composting and quality of compost[D].Chengdu：Southwest University,2013.

[15]Zhang Y,He Y.Co-composting solid swine manure with pine sawdust as organic substrate[J].Bioresource Technology,2006,97（16）：2024-2031.

[16]黃向東,韓志英,石德智,等.畜禽糞便堆肥過程中氮素的損失與控制[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2010,21（1）：247-254.

HUANG Xiang-dong,HAN Zhi-ying,SHI De-zhi,et al.Nitrogen loss and its control during livestock manure composting[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2010,21（1）：247-254.

[17]Malińska K,Zabochnicka-Swiatek M,Dach J.Effects of biochar amendment on ammonia emission during composting of sewage sludge[J].Ecological Engineering,2014,71：474-478.

[18]陶金沙,李正東,劉福理,等.添加小麥秸稈生物質(zhì)炭對豬糞堆肥腐熟程度及溫室氣體排放的影響[J].土壤通報,2014,45（5）：1233-1240.

TAO Jin-sha,LI Zheng-dong,LIU Fu-li,et al.Effects of wheat straw biochar on maturity extent and greenhouse gases emissions during swine manure composting[J].Chinese Journal of Soil Science,2014,45（5）：1233-1240.

[19]徐路魏,王旭東.生物質(zhì)炭對蔬菜廢棄物堆肥化過程氮素轉(zhuǎn)化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,35（6）：1160-1166.

XU Lu-wei,WANG Xu-dong.Effect of biochar on nitrogen transformation in vegetable wastes during composting[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（6）：1160-1166.

[20]黃向東,薛 冬.添加竹炭對豬糞堆肥過程中升溫脫水及氮素?fù)p失的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2014,25（4）：1057-1062.

HUANG Xiang-dong,XUE Dong.Effects of bamboo biochar addition on temperature rising,dehydration and nitrogen loss during pig manure composting[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25（4）：1057-1062.

[21]Hua L,Wu W X,Liu Y X,et al.Reduction of nitrogen loss and Cu and Zn mobility during sludge composting with bamboo charcoal amendment[J].Environmental Science and Pollution Research,2009,16（1）：1-9.

[22]Prost K,Borchard N,Siemens J,et al.Biochar effected by composting with farmyard manure[J].Journal of Environmental Quality,2013,42（1）：164-172.

[23]羅一鳴,魏宗強,孫欽平,等.沸石作為添加劑對雞糞高溫堆肥氨揮發(fā)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27（2）：243-247.

LUO Yi-ming,WEI Zong-qiang,SUN Qin-ping,et al.Effects of zeolite addition on ammonia volatilization in chicken manure composting[J].Transactions of the CSAE,2011,27（2）：243-247.

[24]Steiner C,Das K C,Melear N,et al.Reducing nitrogen loss during poultry litter composting using biochar[J].Journal of Environment Quality,2010,39（4）：1236-1242.

[25]劉 寧,周嘉良,馬雙雙,等.生物炭對雞糞好氧堆肥主要氮素形態(tài)含量影響與保氮機制[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2016（12）：233-239.

LIUNing,ZHOUJia-liang,MAShuang-shuang,etal.Impactsofbiochar on major forms contents and conservation mechanism of nitrogen during aerobic composting of chicken manure[J].Transactions of theCSAE,2016（12）：233-239.

[26]徐路魏.蔬菜廢棄物堆肥化過程中碳氮轉(zhuǎn)化規(guī)律[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2016.

XU Lu-wei.Carbon and nitrogen transformation during vegetable waste composting[D].Yangling：Northwest A&F University,2016.

[27]Beckfriis B,Smars S,Jonsson H,et al.Gaseous emissions of carbon dioxide,ammonia and nitrous oxide from organic household waste in a compost reactor under different temperature regimes[J].Journal of A－gricultural Engineering Research,2001,78（4）：423-430.

[28]Sommer S G,Oslash M,Ller B H,et al.Emission of greenhouse gases during composting of deep litter from pig production：Effect of straw content[J].Journal of Agricultural Science,2000,134：327-335.

[29]Szanto G L,Hamelers H V,Rulkens W H,et al.NH3,N2O and CH4emissions during passively aerated composting of straw-rich pig manure.[J].Bioresource Technology,2007,98（14）：2659-2670.

[30]Wang C,Lu H,Dong D,et al.Insight into the effects of biochar on manure composting：Evidence supporting the relationship between N2O emissionanddenitrifying community[J].Environmental Science&Technology,2013,47（13）：7341-7349.

[31]程效義,劉曉琳,孟 軍,等.生物炭對棕壤NH3揮發(fā)、N2O排放及氮肥利用效率的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,35（4）：801-807.

CHENG Xiao-yi,LIU Xiao-lin,MENG Jun,et al.Effects of biochar on NH3volatilization,N2O emission and nitrogen fertilizer use efficiency in brown soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（4）：801-807.

[32]王 成.堆肥過程N2O減排控制與木質(zhì)纖維素降解微生物學(xué)機理研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

WANG Cheng.Nitrous oxide mitigation and lignocellulose degradation in manure composting[D].Hangzhou：Zhejiang University,2014.

[33]賈興永.生物炭及翻堆頻率對雞糞堆肥過程中溫室氣體排放的影響[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

JIA Xing-yong.The effect of biochar addition and turning frequency on greenhouse gas emissions in chicken manure composting[D].Beijing：China Agricultural University,2015.

[34]Jindo K,Sanchez-Monedero M A,Hernandez T,et al.Biochar influences the microbial community structure during manure composting with agricultural wastes[J].Science of the TotalEnvironment,2012,416：476-481.

Effects of biochar on nitrogen transformation and greenhouse gas emissions during swine manure composting

FU Xiang-feng,LIU Qi-qi,LI Lian-qing*,PAN Gen-xing,ZHENG Jin-wei,ZHANG Xu-hui,CHENG Kun
（Institute of Resource,Ecosystem and Environment of Agriculture,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China）

Nitrogen loss and greenhouse gas emissions are the main problems resulting from the composting of livestock manure.To address this issue,a composting experiment with biochar additions of 0%（B0）,5%（B1）,10%（B2）,and 15%（B3）was conducted,and ammonium and nitrate concentrations,ammonia volatilization,and greenhouse gas emissions were monitored to investigate the effects of biochar on nitrogen loss and greenhouse gas emissions during the composting of pig manure and straw.The results showed that the addition of biochar could increase the composting temperature,and the thermophilic stage arrived 3 to 5 days in advance of that of the control.NH+4content under the B0,B1,B2,and B3 treatments was higher by 6.6%,41.8%,51.9%,and 48.6%than the initial value,respectively.In addition,the ammonia volatilization was lower by 23.1%,68.6%,and 78.4%under B1,B2,and B3 treatments than that of the control,respectively.Biochar addition could decrease methane and nitrous oxide emissions by 16.3%～23.5%and 50.2%～70.7%,respectively,while CO2emissions were significantly decreased by 20.9%under the B2 treatment from that in the control.In summary,the composting period was shortened and the nitrogen loss and greenhouse gas emissions were reduced when applying biochar for manure composting.

biochar;swine manure;nitrogen loss;greenhouse gas;composting

X713

A

1672-2043（2017）09-1893-08

10.11654/jaes.2017-0182

付祥峰，劉琪琪，李戀卿，等.生物質(zhì)炭對豬糞堆肥過程中氮素轉(zhuǎn)化及溫室氣體排放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（9）：1893-1900.

FU Xiang-feng,LIU Qi-qi,LI Lian-qing,et al.Effects of biochar on nitrogen transformation and greenhouse gas emissions during swine manure composting[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（9）:1893-1900.

2017－02－17

付祥峰（1989—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。E-mail：fuxiangfeng89@163.com

*通信作者：李戀卿E-mail：lqli@njau.edu.cn

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目（CX（12）3039）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目子課題（201303095-11）

Project supported：Jiangsu Agricultural Science and Technology Independent Innovation Fund Project（CX（12）3039）；Subproject of special funds for public welfare industry（agriculture）（201303095－11）