堆肥中碳和缓冲液对氨气挥发的影响
原文作者Y. Liang, J.J. Leonard, J.J.R. Feddes, W.B. McGill
摘要：进行了实验室规模试验来测试堆肥进程中的氨动态的数学模型。堆肥材料的主要成分是小麦秸秆和奶牛粪。分析了碳修正（如糖浆和办公用纸）和两种化学物形成的缓冲溶液对氨挥发的影响。氮损失达12～25%的初始氮，其中氨挥发占60～99%。添加的糖，一种现成的碳，有效减少累积氨的排放量；但办公用纸，即纤维素，只有很小的影响。添加缓冲化学品并没有显着减少氨挥发。
关键词：氮损失；奶牛粪；碳修正；缓冲修正
- 引言
在堆肥过程中，好氧嗜热菌分解有机材料，利用现有的营养物质，产生微生物量。因为堆肥产品常被用作土壤改良剂，所以堆肥中的营养物质具有农业价值。然而，高含氮材料被分解会严重损失氮（N）。因此，如果在堆肥过程中氮被保留和转化为有机形式，这将是可取的措施。有机氮在一段较长时间的环境里是可用的，且产生更少的问题，如地表水过度生物需氧量、渗入地下水和气味问题。
氨（NH3）是由含氮物质的分解产生，即蛋白质和氨基酸。它的排放经常发生在好氧分解的高温阶段，且低C/N比时排放量大。然而，当不同类型的有机物堆肥时，较高的C／N比并不一定表明这是防止氮素损失的一种有效的解决方案(Baca et al., 1992; Barrington et al., 1997; Brink,1995; Eklind and Kirchmann, 2000; Mahimairaja et al.,1994; Mote and Griffis, 1980; Shin and Jeong, 1996;Subair et al., 1999; Witter, 1986)。碳（C）源的化学形态和粒径大小都会影响可被微生物降解的C的有效性。当一些物质被添加到土壤的时，葡萄糖作为一种可利用的碳源可以立即与氮源相互固定(Okereke and Meints, 1985)。Subair (1995)发现葡萄糖在减少猪粪液中NH3挥发是有效的，而在耐分解材料分解材料（木屑）中不行。Meyer和Sticher (1983)表明在堆肥过程中，增加整秸秆绞碎率可以降低牲畜粪便和秸秆堆肥过程中的氮流失，同时保持C/N比为31.6。
堆肥中的氨挥发受一些因素的影响，如氨态氮（溶液中的NH3和NHthorn; 4）浓度、pH、温度、湿度和曝气速率。实验数据(Freney et al., 1983; Nakasaki et al., 1993)表明当pH值高时，发生严重的氨气挥发。因为氨态氮产生的分子态NH3随着堆肥体的pH和温度的增加而增加，高pH值也会增加堆肥自由空间中集聚的NH3，并因此增加NH3流失的可能性。
无机化学物质通过增加堆肥混合物的酸度来抑制氨挥发(Carey et al., 1998;Ekinci et al., 2000; Kithome et al., 1999)。添加明矾[Al2(SO4)3]减少家禽垃圾堆肥中氨的挥发(Kithome et al., 1999;Moore et al., 1995)。添加硫酸使初始pH低于7，也会减少氨流失，但低pH可能对升温过程有消极影响(Carey et al., 1998)。尽管已评估过一系列化学修正来考虑NH3挥发，文献中关于用缓冲液调节堆肥初始嗜热阶段的pH的信息是不足的。假设缓冲液添加到堆肥混合物中将会使pH维持在所期望的水平，这也将影响氨挥发。
Liang et al. (2004)开发了一个描述在堆肥高挥发阶段，培养基分解和NH的进程的仿真模型。这种模式的独特功能是：(i)培养基依据化学成分和原材料的不同分解率被划分为若干组。（ii）微生物生物量的增长与碳氮动态变化有关（iii）依据计算一个多层CO2–NH3–H2O水系统中氨挥发与受微生物活动和空气交换率影响的间隙二氧化碳（CO2）浓度有关。该模型通过底物组成、温度、通风、pH和湿度来定量模拟氨挥发。
实验研究了堆肥中N的历程来验证NH3挥发模型。该实验描述了关于有效碳和缓冲材料的实验结果且表明堆肥过程中额外的见解。这篇论文的目的是（i）通过牛粪和小麦秸秆混合物堆肥过程中氨挥发来量化N流失的动态；和（ii）评价两种C修正和两种活血形式缓冲液在减少N流失方面的有效性。
- 试验方法
2.1.装置系统
在 Albertas Edmonton Research Station大学用一个装置系统进行对比试验。这个装置由 8个170L(深为0.9m，直径为0.5m)密封且暴露于空气中的装置组成。每个装置的壁面上有3个直径为100mm的端口（垂直间隔）用于营养分析的取样。通常情况下封闭的采样端口仅在堆肥中采样时打开。每个容器的底部连接一个鱼缸曝气泵(Maxima, Rolf C. Hagen Inc., Montreal, QC)和一个离心式风扇(RB5, Rotom, 20 L min1,Pickering, ON)。这个鱼缸曝气泵通过柔软的橡胶管以4L/min的速率不断地通过6.4mm外径向容器内通入空气流以满足氧气需求。风扇是通过一个50mm内径塑料管输送空气来冷却堆肥温度的，当堆肥温度超过设定温度（55℃）时。用安装在50mm管道上的Manuallyactuated球形阀门进行校准，使8个容器的进氧量达到相同的流量。安装后的空气泵的流量不能被监测到，因为流量对下游压力变化相对不敏感。堆肥系统设置图如图1所示。
图1
2.1.1. 温度监测系统
用外径为6.4mm的橡胶管从每个容器的顶部采集气样至气体取样管中。安装在支管和分配器间的真空泵用以提供足够流量来通过所有分析仪。安装在每个样品管上的电磁阀门（203x-3，AIRMATIC联合公司，威尔明顿，OH）用来控制支管上的气体传输。为了保持气体采样管内气体的温度以尽量减少水分凝结，支管安放在绝缘、加热的外壳内。外壳内的温度保持在容器内所测气体温度的范围内。支管中的气体进入3个平行的气体分析仪（图2）。
图2
气体样品中的氧气（O2）、CO2和 NH3浓度分别由O2分析仪（540A工业氧分析仪，泰勒仕富梅，苏塞克斯，英格兰）、CO2 （型号870，贝克曼，富勒顿，CA）分析仪和NH3（型号880，贝克曼，富勒顿，CA）分析仪测得。3个平行分析仪定期用标准气体校零。浓度为21.1%的O2校准O2分析仪。CO2和NH3分析仪分别用钢瓶内浓度为3.49%的CO2和0.138%的NH3校准。
由于CO2和NH3分析仪较低的测量范围，气体样品分别用外部新鲜空气按体积比为4:1和3:1稀释。NH 3分析器所需的稀释空气通过一个硫酸钙（CaSO4）过滤器以除去NH 3。针阀（每天校准）置于串联取样和稀释线中，以确保实现适当的空气流速。
气体采样管从容器排气支管通过包裹着保温胶带和绝缘材料的柔性电气导管。气体加热至4--50℃以避免管道内任何形式凝结水的形成。冷凝水进入安放在三个位置上的1.5L锥形瓶内。支管和真空泵间联接一个锥形瓶。其他两个填充干燥剂 (W.A. Hammond Drierite Company,Xenia, OH)锥形瓶分别置于CO2和O2分析仪前用来去除剩余水分。NH3分析仪前不用放置干燥剂柱，因为NH3会和CaSO4反应。为确保水分保持在蒸汽形式，气体管道在气体进入NH3分析仪之前保持加热和绝缘。
2.1.3. 数据采集与控制系统
通过QBASIC程序安装一个12位模数80486的PC机运行操作（A/D）转换板（DAS 1201，吉时利Metrabyte /帝，汤顿，MA）和一个高速串口卡（hsp-1p，logicode技术公司，Camarillo，CA)完成数据采集和继电器控制。A/D板联接电脑和装置仪器完成仪器控制和数据采集。所有的温度传感器进行校准，在每个实验和来自数据采集程序中使用的线性校正方程组中的水浴校准。连续测量温度数据，并用于控制通风风扇。8个容器的气体浓度依次采样获取，一个测量周期为75min。
2.2.实验环境和方法
进行4轮试验，其中2次是探究有效C的影响，另外是研究通过添加缓冲物质修正并调控NH3挥发。有机肥、秸秆、糖浆和纸张的特性如表1所示。
表1
粪便来自Alberta大学的埃德蒙研究站的奶牛场地面上。一天收集一次。含有一些垫料（刨花、锯末）的肥便在每次运行前分别收集。不同哺乳阶段的奶牛的养分组成不同。然而，收集没有哺乳记录的奶牛的粪便。奶牛在饮食中食用缓冲液以防止瘤胃的酸化，产生高缓冲碱性肥料 (Janzen et al.,1997)。小麦秸秆（切碎为5 - 10厘米）从埃德蒙顿研究站的代谢研究单位获得。由牛粪和小麦秸秆近似混合比3:1（干重）计算出C:N为25:1（除了实验1）。在实验1中，提高混合物中的糖浆会提高C:N比 (30 for Trt 1D versus 26 for Trt 1A)。加入水，使水分含量达到70%（按湿量计算）。在每个实验中，由于稻草的细长形状，没有尝试在混合物中的颗粒大小分布的特点，每个容器进行组平行（表3）。
计算出的粪便、稻草和水或必要的修正案（表3）混合在一个砂浆搅拌机中，并装入容器内。每一次运行的前四天，每天检查通风管道的流量，并使用相关的流速进行气体排放计算。当堆肥温度高于55℃时，冷却风扇被激活进行降温通风。但堆肥不断暴露3-4周时，头两个星期进行顶层气体分析。由于二氧化碳分析仪的故障，实验3得气体测量周期仅持续六天。因为氨气最大排放期已发生，所以该实验为有效实验。容器排空前称重且堆肥在外部固化。初始混合后立刻拿出月300g样品，两周后排空测定干重（DM）含量、灰分含量、YKN、pH值和可溶性碳。在实验3和4中，头五天中每天测额外样品（每份100g）的pH值。从每个容器的取样口取出混合样品，再次混合后获得代表性样品。取样后立即测定pH值，同时将其他样品放入塑料袋内，4℃冷藏直至分析时。每个测量使用重复的子样本，除非另有说明。
2.2.1.碳可用性实验
2.2.1.1.实验1-糖浆修正。以蔗糖为主要成分的糖浆，作为易获得的碳源添加进堆肥混合物中。增加剂量的糖蜜溶解在相同数量的水和添加处理1B（低剂量，3%的初始DM），1C（中剂量，6.6%）和一维（高剂量，10%）。添加仅在1A中添加蒸馏水。
依据以前的测试结果，1A中的可溶性C含量大约为0.02kg每千克初始干重C(Franke, 1997)。分别向1B、1C和1D中额外添加糖浆0.02、0.04和0.06kg的初始干重的可溶性C。容器内堆肥的实际重量在47-49kg内不等。
2.2.1.2.实验2-办公纸张修正。主要由纤维素组成的办公纸张作为一种不太易得的碳源。在与牛粪和秸秆混合前，把一摞216mmx280mm的标准办公纸张撕成宽为10mm的纸条。实验2A只有蒸馏水、实验2B（少量纸张）、实验2C（中量纸张）和实验2D（大量纸张），随着纸张含量的增加，秸秆的含量相应的减少。使C/N比大致维持在25:1。
2.2.2.酸碱缓冲实验
当加入酸或碱时，缓冲溶液试图保持恒定的pH值。缓冲系统通常由一种弱离解的酸和弱酸盐，或一种弱碱与其盐组成。因为磷酸盐目前存在大多堆肥原料中，且对微生物活动无负作用，所以选择磷酸盐缓冲液。磷酸盐对的pKa值、HPO42- 和H2PO4-、磷酸二氢根离子为7.2。有效的缓冲系统大约围绕pKa值波动2个单位的pH (West et al., 1966)。在这种情况下，有效的PH值范围在5.2到9.2。因为在堆肥中，pH值得范围在6-9之间是合适的，所以所用的缓冲液的pH值为6、7和8(Nakasaki et al., 1993)。所添加的化学物质的实际数量是由如下的初步测试所决定的。
在一定pH值得缓冲溶液中氢原子与含氢化合物的摩尔比是一定的。例如，pH值为7，（摩尔）比例为31:69。通过保持这一比例，增加每一种化学物质的绝对量，溶液的缓冲强度会增大。相同比例的不同量的化学物另与5g湿堆肥混合。测量pH时，混合物中加入充足的蒸馏水以形成浆液。每个浆状混合物中添加1ml氢氧化钾（KOH）,每添加一次，测量一次pH值。获得每个缓冲混合物的滴定曲线，获得pH值突变的点。图3是典型的滴定曲线。记录
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