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利用铝盐减少家禽粪便中磷流失并抑制氨的损失
P. A.Moore ，Jr.，* T. C.Daniel ，and D. R.Edwards
摘要：硫酸铝 (AI2 (SO4)3 - 14H2O) 通常被称为明矾，已经被证明明矾处理后的家禽粪便给土壤施肥可以减少P径流和抑制NH3挥发。本研究的目的是评估明矾施用在商业肉鸡舍的效果：（1）氨挥发（舍内），（2）家禽生产;（3）粪便化学性质和（4）施肥后磷的流失。该研究选用两个养殖场：一个有6个鸡舍，另一个有4个。 在每个农场的一半鸡舍鸡舍里的粪便用明矾处理; 其他鸡舍是对照。 以1816kg /室的剂量施加明矾，相当于0.091kg /只鸡。 每年鸡舍在春天清理，然后粪便施到对应流域的高羊茅草地里，这项研究的结果表明，明矾的应用降低了粪便的pH值，特别是在出栏的前3-4周。粪便pH值的减少导致了更少的NH3挥发，从而导致在明矾处理房鸡舍里大气NH3含量降低。生长在明矾处理粪便的鸡舍的产肉量比对照组显著重（1.73 kg：1.66kg）。在使用明矾处理家禽粪便施肥于草场后，使得草场中的可溶性活性磷（SRP）浓度在3年内的平均值低于正常值73％。这些结果表明，明矾处理家禽粪便是一种非常有效的方法，可以减少面源污染，同时它增加了农业生产力。
引言
家禽粪便施到草场已被证明可导致径流中高浓度磷，即使以推荐的比例使用粪便（Edwards and Daniel, 1993），但大部分的径流磷仍是可溶形式（Edwards and Daniel, 1993），它是最易被藻类摄取的形式（Sonzogni 等人,1982）。由于P通常是富营养化的限制性营养，所以对此十分关注（Schindler，1977）。
最近的研究表明，明矾添加家禽粪便中可以以几个数量级降低P在粪便中的溶解度（Moore and Miller, 1994）。Shreve 等人（1995）发现用明矾处理的粪便施肥的高羊茅(Festuca arundinacea Schreb.)草地的P流失量比用普通粪便施肥的地块低87％。相对于普通粪便，接受明矾处理粪便施肥的高羊茅草地有显著较高的产量和N含量，表明明矾已增加粪便中N的有效性。我们假设，N有效性的增加是由于氨挥发的减少造成的，这由Moore等人（1995，1996）在实验室研究中证实，这显示明矾处理家禽粪便少NH 3挥发损失高达99％，与正常的粪便相比。家禽粪便中氨的挥发导致家禽饲养设施的空气中氨气浓度较高，这对禽类和设施工作人员的健康非常不利。Carlile(1984)表明，对于家禽，NH3的临界值为25mu;L/L。高于此浓度时，NH3会降低生长速率和蛋产量，降低喂饲效率，损伤呼吸道和视网膜，且造成免疫抑制问题。Carlile (1984)， Reece等(1981)和Anderson等(1964)显示，冬季禽舍更易出现较高NH3浓度，因为供暖成本较高，迫使养殖户减少通风。尽管各种不同的排泄物添加剂已被测试，以减少家禽排泄物的氨气挥发，但其中最有效的是明矾、硫化铁和磷酸。Moore 等, (1995,1996)尽管发现磷酸性价比更高，但它导致排泄物中磷，尤其是可溶性磷，浓度较高。因此，磷酸在P径流加速富营养化的地区不适用。有趣的是，注意到国内唯一广泛使用磷酸的区域是德玛瓦半岛(特拉华州、马里兰州和弗吉尼亚州)。不幸的是，这片区域是切萨皮克湾的一大部分；已发现这里的磷对水质有不利影响。
与大幅增加P径流、由此加速富营养化过程的磷酸相反，发现家禽粪便中施入明矾能显著减少P径流。近期研究表明(Shreve 等,1995)，家禽粪便加入明矾也能减少重金属径流(Moore 等, 1998b)和雌激素径流(Nichols 等, 1997)。
本研究的目的是评估商业用途鸡舍中添加明矾对：(1) (内部)NH3挥发，(2)家禽生产，(3)粪便化学反应，和(4)P径流的影响。
1.材料与方法
1.1肉鸡生产的研究
选择两个家禽（肉鸡）农场进行这项研究：一个有6个鸡舍鸡舍和另一个有4个鸡舍鸡舍。在研究开始（1994春，）时，每个鸡舍清除所有粪便，并放置新鲜的床料（刨花）在鸡舍鸡舍。之后的每一批出栏，使用商业的粘结机将粪便粘脱（除去最上层鸡粪的过程，因为最上面一层鸡粪通常很潮湿，粘在一起）。然后在每个农场一半的鸡舍中粪便施加明矾，剩余的鸡舍为对照组。第一次出栏（只有第一年）明矾施用率为1362公斤/鸡舍和随后的出栏为1816公斤/鸡舍。最后的出栏在清理不施加明矾。测量氨，能源利用，粪便化学性质，肉鸡生产参数并进行评价。每周使用反应管测氨浓度。每间鸡舍都配备了电表进行每周电力使用评估。每个鸡舍也有自己的丙烷罐。从养殖者获得丙烷收据。用“积分器”（家禽公司名字）测定A农场4个出栏和B农场3个出栏的肉鸡体重。在农场B测定3次饲料转化率，农场A不测定。测定每周的粪便的pH值和大气NH3浓度。从每个鸡舍取3次粪便样品。每个房间的粪便样品纵向分为三部分。用土壤取样器（2.54厘米内径）从每个鸡舍划分的部分收集15到20份样品。样品取自表面的土壤以上（在这个界面该取样器阻力增加，为允许取样器取样的深度）。在实验室，从样品中称取20g子样品加入到250ml聚碳酸酯离心管，加入200ml去离子水（1:10的垃圾/水）并震荡2h。接着离心机4066转离心20min，上清液等分试样，用于测量pH值。
表1.农场A流域土壤描述
在第一年度周期后，对粪便样本进行化学测定（Moore等人，1998）。使用修正的凯氏定氮法即加水杨酸改性包括NO 3（Bremner和Mulvaney，1982）法测定总N，使用鲜样品（数值根据含水量校正），测定，防止烘箱造成的氮损失。。总金属和全P通过用硝酸消煮烘箱干燥（60℃）的粪便并使用ICP分析消化的样品来确定（电感耦合氩等离子体发射光谱仪）（Zarcinas等人，1987）。
为了测量NH3通量，由塑料桶制成的18个简单的NH3通量室（Moore等人，1997c）。在第5次生长期间，将这些通量室随机放置中的三个在农场A的6个家禽舍中，每个鸡舍3个桶，并且在放置后立即测量室内的浓度，并且在1小时后使用拖动管（Sensidyne氨检测管）测量。拖动管含有的树脂，能与NH3定量反应的，可以在该过程中改变颜色。 此时还从每个鸡舍取出粪便样品，并如前所述用于pH测定。关于这种测量动物粪便中相对NH3通量的简单方法的更多细节，参见Moore等人（1997c）。
1.2 径流研究
农场A的土壤是Captina淤泥壤土（细粉质，硅质，中等，Typic Fragiudult）。 农场B的土壤是Pickwick泥砂壤土（细粉质，混合，中等，Typic Hapludult）。土壤由Brian Shreve和Phillip Owen分类（表1和2）。 两个流域（0.405公顷）与两个农场并排构建（如前所述）。分水岭是通过使用从场外引入的土建造土堤而形成的。在护堤建成后，分水岭配备沟和积水器排水。在每个积水器附近建立小屋以防治自动水取样器（美国Sigma公司，美国，麦地那，纽约州）。围绕分水岭建立铁丝网，以防止牛出来。
表2.农场B流域土壤描述
护堤的土方工作于1994年8月完成。建造后，用含有高羊茅（Festuca arundinacea Schreb）种子的水耙喷洒护坡。水采样器在1995年1月安装并运行。每个采样器编程为在径流后1,3和7分钟采样；之后，采样器切换到体积模式并每379L（100加仑）采样使用压力传感器记录每个结果的径流量，因为有一次传感器没有正确校准或完全失灵。所以这项研究的径流数据是不完整的（有点怀疑）。
使用商业粪便撒播车进行家禽粪便的施肥。1995年的施用量（按原样）为4460公斤/公顷（2.5吨/英亩） 在1996年和1997年，施用率为7136公斤/公顷（4吨/英亩）。粪便在每年的4月或5月撒施，这是在阿肯色州西北部的通常做法。每个流域产生的牧草（高羊茅）或是收获干草或是剪掉，取决于季节和数量的饲料。割草产生了一个厚的茅草层，这在阿肯色州西北部的牧场或干草草甸有点非典型。
水采样器每次雨后进行确认，以确定是否发生径流。当径流发生，将径流的信息从水中取样下载到便携式计算机，然后将样本瓶更换成新瓶，并将样品带回到实验室。
图1（A）加和不加明矾的床料pH值随时间的函数。（B）在禽舍大气加和不加明矾NH3数据为时间的函数。
在径流研究的第1年，分析水样品的pH，电导率（EC），可溶性反应性P（SRP），可溶性金属，NO3 -N，NH4 -N，可溶性有机C，总P，总金属，总N和总C。在研究的第2和第3年，分析水的SRP和TP。 在未过滤的样品上测量pH和EC。通过用于NH4 -N，NO3 -N，SRP和可溶性金属的0.45mu;m滤纸过滤样品。在冷冻之前，用HCl将P和可溶性金属的样品酸化至pH2，而NH4 -N和NO3 -N样品不冷冻。未过滤（酸化）的样品用于TP，TKN（总Kjeldahl N）和总金属分析。使用硫酸用K2SO4和HgSO4消化TKN的样品作为催化剂（美国环保局，1979）。根据EPA方法351.2（USEPA，1979），用水杨酸盐 - 硝普钠技术测定铵。 根据方法APHA 418-F（APHA，1992），使用Cd减少方法测定硝酸盐（ 亚硝酸盐）。硝酸盐浓度非常低（lt;1％的无机氮），不报告。根据APHA方法424-G（APHA，1992），使用抗坏血酸技术用自动分析仪测定可溶性反应性P。总金属和TP通过ICP在硝酸消化（EPA方法3030E）。 如Rosemont DC-190有机C分析仪（Rosemount Analytical，Santa Clara，CA）上测量的，将可溶性有机物C确定为总有机物C与无机C之间的差。
图2明矾处理氨和正常家禽废弃物通量时间的变化随
图3 来自明矾处理的粪便的氨通量作为pH的函数
还在每个流域中放置四个不锈钢渗滤仪（0.45-m孔）以评价NO3-N淋失。这些渗滤仪通常放置在土壤表面下约50cm处。一周，在溶解器上抽吸，并且如果可能，对土壤溶液进行取样。 如前所述进行硝酸盐分析。在施用粪便之前以及在初始施肥后2周，3个月，9个月和1年，采取土壤样品用于NO3-N分析。 取芯至1m的深度（如果可能），并分成5个深度用于分析（0-20,20-40,40-60,60-80和80-100cm）。 每次从每个流域采集四个土芯用于这些分析。在70℃烘箱干燥后，将样品研磨以通过20目筛，并在去离子水（10:1，水/土壤比）中在振荡器上萃取1小时。以4066times;g（6000 rpm）离心20分钟后，过滤样品并分析NO3-N，如前所述。
使用SAS的PROC GLM（1985）对这些数据的所有统计分析。显着性概率值为0.05。 使用Fishers Protected LSD评估平均值之间的差异。对于径流数据，使用径流事件作为重复测试不同处理的效果。
2 结果与讨论
2.1 畜禽粪便pH值
硫酸铝（明矾）的施用显著的降低了粪便pH，特别是在每个生长开始后的前3至4周期间（图1A）。 鸡类产生的粪便量增加，粪便的pH增加，直到小鸡大约4或5周龄，粪便pH值在7.5水平时。在整个研究中，对照组鸡的粪便pH保持相对恒定（8）。 预计pH降低是由于明矾而发生造成的而，因为每摩尔明矾可以分离形成6摩尔质子的酸，如等式1所示。
A12(SO4)3 .14H2O 6H2O →2AI(OH)3 3SO42- 6H 14H2O [ 1 ]
2.2大气的氨
粪便pH的降低，降低了粪便中的NH3挥发，这导致在明矾处理的鸡舍中大气NH3的显著降低（图1B）。对照组的平均氨浓度在生长的前5周中高于25lmicro;L NH3-N / L。在这个水平上已经证明体重增加和饲料转化率降低（Carlisle，1984; Reece等人，1981）。 明矾处理的鸡舍中的氨浓度在研究的前3至4周非常低，这与鸡对高NH3最敏感时的生长阶段重合。Moore等报道了明矾处理后的粪便中NH3 的挥发量减少（1995，1996）。当明矾降低粪便pH时，其使NH3 / NH4 朝向不挥发的NH4 转化（Eq.[2]）：
NH3 H → NH4 [2]
一方面，家禽饲养设施中高水平的NHlt;
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