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近年来，我国畜牧业持续稳定发展，规模化、标准化、产业化进程不断加快，而畜禽养殖粪污的污染问题已经成为当前畜牧养殖业急需解决的重点问题. 畜禽养殖过程中会产生大量氨（NH3）与温室气体，其中氧化亚氮（N2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）已成为引起全球气温变暖的主要温室气体[1-2]，所排放的氨可通过大气干、湿沉降回到陆地和水体，造成土壤酸化和水体富营养化[3-4]. 此外，氨还会与空气中某些酸性物质反应形成氯化铵、硫酸铵、硝酸铵等细小颗粒物并危害人类健康[5-6].
粪污露天堆置是养殖场粪污处理过程中的常见手段之一，而堆置过程中不仅会造成营养元素的大量流失[7]，还导致大气和土壤污染严重. 降低粪便存储过程中氨与温室气体排放的措施包括调节粪便pH值的酸化法、添加微生物制剂、表面覆盖材料和添加吸附剂等. 研究表明，醋糟、木屑、锯末、稻草、生物炭、聚乙烯膜等物料均可不同程度地降低畜禽粪便的氨排放[8-10]. 例如，作为一种酸性有机物料，醋糟可通过降低禽粪便表层 pH和阻隔气体挥发降低畜禽粪便中的氨挥发[11]；生物炭则主要是通过较大的比表面积和多孔结构等特征吸附氮素以降低氮素[12-13]. 此外，添加微生物制剂可以加速有机废弃物中的纤维素、木质素、糖类及粗蛋白分解，提高速效养分含量，减少堆肥时间和堆肥成本，提高堆肥品质并降低土传病害[14-15]，而其对粪污存储中氨和各种温室气体排放的影响尚不明晰.
针对我国鸡粪存储环节的氮素损失和温室气体减排措施研究与评估不足等问题[16-18]，本研究系统研究了酸性醋糟、生物炭和菌剂对鸡粪进行覆盖（喷施）或混合处理对鸡粪存储过程中氨和不同温室气体排放的影响，揭示了实验材料施用技术对鸡粪存储过程中长生命周期温室气体（long-lived climate pollutants，LLCPs，如N2O、CO2）、短生命周期温室气体（short-lived climate pollutants，SLCPs，如CH4）的权衡（trade-off）及其总排放影响的技术特点，通过与处理鸡粪的生物安全方面的评价相结合，为规模化养鸡场鸡粪绿色管理和循环利用提供重要技术支持.
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实验所用鸡粪取自河北省保定某蛋鸡养殖场. 醋糟购自山西省某醋厂，是高粱经过二次发酵并通过固液分离得到的固态部分. 生物炭为经过酸改性的商用木质生物炭. 微生物菌剂（有效活菌数≥0.5亿·g−1）购自北京沃土天地生物科技有限公司，是一种复合微生物菌剂，主要由光合细菌、放线菌、乳酸菌、酵母菌等近10个菌株构成. 原材料的理化性质如表1所示.
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本研究中醋糟、生物炭和菌剂3种实验材料的添加方式均为覆盖和混合. 每处理设置3个重复，各处理详细配比如表2所示. 醋糟和生物炭的用量设置为鸡粪鲜重的15.0%左右，微生物菌剂的用量设置为鸡粪干重的3.0‰，其添加方式详见表2.
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本研究采用的监测系统包括动态箱、红外光声谱气体监测仪（INNOVA 1412i）和中央控制系统（包括控制面板和控制单元）等3部分. 动态箱设备是PVC材质制作成的长方形箱子. 采样盖的前后两端开孔，分为进气孔和出气孔. 红外光声谱气体监测仪可以监测氨气和温室气体浓度. 中央控制系统是基于PCL的气体自动采集系统，能够定时连接INNOVA与相应动态箱体气路[19]. 本研究利用该系统对各处理的CO2、N2O、NH3和CH4排放进行了连续监测，共监测了15 d.
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实验期间鸡粪pH值、总氨氮（TAN）和电导率等测定样品为鲜样，取样后冷冻保存并及时进行测定. 铵态氮的测定采用KCl溶液浸提-靛酚蓝比色法，硝态氮测定采用酚二磺酸比色法[20]. pH采用玻璃电极法测定，电导率使用电导率仪进行测定，总氨氮（TAN）采用凯氏定氮法进行测定，全氮（TN）采用H2SO4-H2O2联合消煮法，消煮至无色或者淡黄色的澄清液，然后使用凯氏定氮仪进行测定，通过硫酸滴定法进行全氮含量的测量，有机碳（TOC）采用重铬酸钾容量法测定[21].
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此指标可以直观地判断堆肥的腐熟情况和鸡粪堆肥的毒性. 发芽指数的计算公式如式（1）[21]：
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每个动态箱监测30 min. 气体排放速率公式如式（2）：
式中，F：鸡粪气体排放速率（具体包括CO2、N2O、NH3和CH4），mg·m−2·h−1；C0、C：分别为箱体进气口和出气口的气体浓度，μL·L−1；v：箱体内空气流速，m3·h−1；M：4种气体的摩尔质量，g·mol−1；Vm：气体标准摩尔体积，22.4 L·mol−1；S：箱体底面积，0.07 m2；P：气体压强，hPa；T：气体温度，℃.
不同气体累积排放量计算均采用式（3）：
式中，Q：气体排放总量，mg·kg−1；Fi：第i天测定时气体排放通量；t：相邻两次测定的天数；i：测定时间.
此外，本研究利用IPCC[2]方法计算了各处理N2O（
${E}_{\mathrm{N}_2\mathrm{O}} $ ）和CH4（${E}_{\mathrm{C}\mathrm{H}_4} $ ）直接排放产生的$E_{\mathrm{C}\mathrm{O}_2-\mathrm{e}} $ ，同时还考虑了氨挥发（${E}_{\mathrm{N}\mathrm{H}_3} $ ）沉降后引起的间接N2O排放. 计算公式如下： -
采用Excel软件对实验数据进行处理和统计分析，采用SPSS20软件进行显著性检验.
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实验期间不同处理氨排放速率如图1所示. CK、CZ1、CZ2、BC1和BC2处理氨排放特征基本相同，排放速率在第1—2天内到最大值，而JJ1和JJ2处理的氨排放则在第4天时达到峰值，且排放高峰持续时间要高于其他处理. 由图1可知，与CK相比较，CZ1、CZ2、BC1和BC2的4个处理具有明显的减排效果，减排率分别为32.1%、12.1%、36.0%和30.9%，其中BC1减排效率最高；而JJ1和JJ2处理均显著增加了氨排放，增幅分别达到39.8%和63.9%. 本研究发现醋糟和生物炭的覆盖或混合均可降低氨挥发，这可能是由于醋糟和生物炭的酸性特点很大程度上抑制了NH4+向NH3的转化[22-23]，甚至推动游离NH3转化为NH4+，最终导致氨挥发降低[24-25].
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由图2可知，监测期间CK、CZ1、CZ2、BC1和BC2处理CO2排放均呈逐渐下降的特征，且各处理的差异逐渐减小，相较而言，JJ1和JJ2处理CO2排放的峰值出现在监测的第4天. 对比各处理的CO2累积排放发现（图2），与CK处理相比较，CZ1、CZ2、BC1和BC2的4个处理均降低了CO2排放，减排率分别为37.6%、30.3%、55.9%和56.6%，其中BC1和BC2减排效果最好；然而，JJ1和JJ2处理一定程度上增加了CO2排放量，增幅达到12.8%和19.5%，但两者无显著差异. 由此可见，应用醋糟和生物炭可降低鸡粪存储中CO2的排放. 这可能是由于醋糟和生物炭具有较大的酸性，不同程度的抑制了微生物的活动；微生物的好氧分解作用需要氧气，醋槽有一定的阻隔作用，降低了鸡粪内部的氧气含量，并导致CO2排放下降[26-28].
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如图3所示，CK、CZ1、CZ2、BC1和BC2处理的N2O排放均为逐渐下降的特征，但JJ1和JJ2处理的排放峰值出现在第4天. 与CK处理相比较（图3），CZ1、CZ2、BC1和BC2的4个处理均具有减排效果，减排率分别为39.3%、34.1%、57.9%和58.3%，而JJ1和JJ2处理对N2O的累积排放影响较小，分别比CK增加了6.7%和13.9%，但两者无显著差异. 本研究中醋糟和生物炭处理降低N2O排放的途径可能有所不同. 醋糟混合处理的可能途径为：鸡粪pH下降导致细菌等微生物活性下降；醋糟覆盖处理可能降低鸡粪表面与空气的接触，一定程度上抑制了鸡粪NH4+氧化和硝化过程，同时也降低了反硝化底物NO3-的生成，进而降低了鸡粪中N2O的排放量[28]. 生物炭覆盖和混合两种方式均降低N2O排放的原因可能是由生物炭对NH4+和NO3-的吸附、促进N2O还原等过程所致[29].
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CH4排放速率如图4所示，各处理CH4的排放均在第一天达到了最大值，随后呈现下降趋势，但JJ2处理CH4排放速率在第3—12天期间的下降趋势明显低于其他处理. 与CK处理相比较（图4），CZ1、BC1和BC2的3个处理均具有降低CH4排放的效果，减排效率分别为27.0%、43.4%、30.9%，而CZ2、JJ1和JJ2处理都增加了CH4的排放量，增幅分别为12.5%、35.4%和94.2%. 整体看来，不同类型添加剂对鸡粪CH4排放的影响比较复杂. 由于生物炭具有高孔隙度的特点，优化了鸡粪内部氧气的分配和供应，抑制了产甲烷菌活性，从而降低了CH4的排放量[30-31]. 而醋糟混合处理增加CH4排放的原因可能是随着鸡粪温度的升高，微生物降解可利用有机物的作用增强，堆体内的氧气被大量消耗，扩大了厌氧区域，从而导致CH4排放增加[32].
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由图5可知，醋糟、生物炭和菌剂添加均不同程度地降低了鸡粪pH，其中醋糟处理的下降幅度最大，生物炭和菌剂处理pH变化幅度相近. 但监测结束时，CZ1和CZ2两个处理的pH值提高最大，分别为2.68、2.66，远高于BC1、BC2、JJ1和JJ2处理的pH增加，后者分别增加了1.26、1.34、1.23和1.07. 这可能是由于醋糟中的有机酸引起实验初期鸡粪pH的剧烈变化，但随着有机酸的消耗、鸡粪中的有机氮或蛋白质的矿化等原因[33]，最终使得该处理与其他各处理对鸡粪的pH比较相近. 此外，图5可知，添加生物炭显著降低了实验前期鸡粪EC值，而醋糟和菌剂对鸡粪EC影响较小；实验结束时，各处理的电导率都有所降低，降幅为9.9%—24.9%，其中BC1和BC2处理降幅最大，JJ1处理降低最大.
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由图6可知，实验结束时，CZ2、BC2、JJ1和JJ2处理鸡粪全氮有明显下降，分别降低了22.5%、21.6%、28.5%和20.9%，而其他处理全氮含量无显著变化. 此时，尽管各处理均与CK无显著差异，但CZ1处理的全氮含量显著高于BC2、JJ1处理. 由图6可知，实验结束时期各处理的氨氮含量均较初始时有不同程度的下降，降低幅度变化范围为7.9%—65.4%，其中CK处理降幅最大. 实验结束时，添加醋糟和生物炭处理的氨氮含量均显著高于CK，导致此现象的原因可能是由于醋糟和生物炭能够降低NH3排放等氮素损失所致. 尽管添加菌剂处理增加了NH3的排放量，但添加菌剂可能通过提高微生物群落多样性和活性，促进了有机物降解，从而产生其氨氮含量高于CK的现象.
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实验初始和结束时各处理鸡粪的有机碳含量如图6所示. 与实验开始时相比，实验结束时各处理的有机碳含量均降低，降低幅度的变化范围为23.4%—44.6%. 各处理之间，生物炭处理BC1、BC2显著提高了初始和结束时鸡粪的有机碳含量，而添加醋糟和菌剂对两个时期的鸡粪有机碳含量影响甚微.
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实验初始和结束时各处理鸡粪的种子发芽指数GI变化如图6所示. 在监测初始时，生物碳添加处理BC1和BC2提高了鸡粪的发芽指数，而添加醋糟和菌剂均显著降低了鸡粪的GI. 实验结束时，各处理的GI均较初始时有明显提高，分别增加了32.5%、35.1%、32.5%、88.7%、70.6%、60.6%和32.9%；与CK相比，CZ1、CZ2、JJ2处理对鸡粪的GI无显著影响，而BC1、BC2和JJ1处理则显著提高了鸡粪的GI. 本研究发现添加生物炭和菌剂处理的种子发芽指数显著升高[34-35]，前者可能与生物炭对鸡粪中可溶性盐的吸附有关，而后者可能是菌剂中的功能微生物对溶质盐的离子交换和络合、小分子有机酸转化利用以及新合成腐殖质类物质致使EC显著降低有关[36-37]. 同时也表明上述这些处理技术有助于提高鸡粪农田施用的生物安全性.
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由图7a和b可知，所有处理的氮素气态损失均以NH3挥发为主（占比>98.0%），含碳气体排放均以CO2排放（占比>99.0%）. 醋糟处理和生物炭处理均不同程度的降低了氮素气态损失（降幅分别为12.4%—32.2%和31.2%—36.2%），而菌剂处理则增加了氮素损失（增幅为39.4%—63.3%）. 不同施用方式之间，醋糟和生物炭覆盖技术的减排效果优于混合处理. 此外，不同处理方式对鸡粪含碳气体排放的影响和对氮素损失的影响基本一致，亦即醋糟处理和生物炭处理降低了含碳气体排放，而菌剂处理增加了含碳气体排放（图7b）. 由图7c可知，直接（GHG_N2O）和间接（GHG_inN2O）温室气体排放的长生命周期N2O均是鸡粪温室气体最重要的组成，两者贡献率高达为85.0%—90.0%，短生命周期的CH4排放贡献相对较小，约为10.0%—14.7%. 不同处理之间，生物炭覆盖和混合处理的减排效果（降幅47.5%—49.9%）优于醋糟覆盖和混合处理（降幅23.0%—35.9%），而菌剂处理却增加了温室气体排放（增幅19.3%—36.7%）.
不同技术对鸡粪温室气体排放和发芽指数的综合影响如图8所示. 结果发现，在所列的5个维度上，与CK相比，生物炭处理BC1和BC2的温室气体减排效果以及对鸡粪发芽指数的改良效果最优. 相较而言，醋糟处理CZ1和CZ2对温室气体排放具有明显减排效果，但CZ2处理存在增加CH4排放的风险. 而菌剂处理虽然可以一定程度上提高鸡粪的种子发芽指数，但却会导致氮素气态损失和温室气体排放加剧，因此难以独立成为控制鸡粪存储环境污染的技术.
综上，除了添加菌剂增加了鸡粪温室气体排放之外，醋糟和生物炭均是有效降低氮素损失和温室气体排放的减排措施，但这两种措施对长生命周期N2O和短生命周期CH4温室气体排放的减排效率存在一定差异，而这些差异与全球温室气体排放的短期和长期控制目标密切相关[38-39]. 《巴黎协定》中明确提出了2030年全球甲烷的控制目标，这在一定程度上影响了N2O和CH4两种温室气体的权衡，即在CO2-e（100年期限）等量排放的前提下，增加了对CH4控制的迫切性，然而这会导致N2O的减排进程变缓，增加了实现2100年控制气温增加不超过2 ℃的难度[40]. 从这种角度看，由于鸡粪温室气体排放主要以直接或间接N2O为主（图7c），且生物炭和醋糟处理对N2O的减排控制效果均优于CH4，尤其是生物炭处理，这表明鸡粪存储中应用生物炭可兼顾养殖业粪污N2O和CH4的同步减排，不会造成N2O控制进程的失衡. 另外，由于本研究监测时间较短，未来还需要在养殖场尺度，针对鸡粪存储过程中施用生物炭的控制技术减排效果、可操作性和实用性开展大量的实地监测，进一步校验和核实该技术的应用效果.
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（1） 鸡粪存储过程中氮素损失主要以NH3排放为主，温室气体主要以直接和间接N2O排放为主.
（2） 菌剂处理增加了鸡粪存储中氮素气态损失和温室气体排放.
（3） 醋糟和生物炭的覆盖和混合处理均可显著降低鸡粪存储过程中氮素气态损失和温室气体排放，但醋糟混合处理有增加甲烷排放的风险. 与之相比，生物炭覆盖和混合处理均可同步降低长生命周期气体N2O和短生命周期CH4排放.
（4） 醋糟、生物炭处理均可降低鸡粪EC，并提高鸡粪氨氮含量和种子发芽指数.
综上所述，在鸡粪存储时添加生物炭在鸡粪养分含量提升、养分损失以及温室气体减排等维度均优于酸性醋糟和生物菌剂.
生物炭、醋糟、菌剂对鸡粪存储中理化性质、氨和温室气体排放的影响
Impacts of biochar, vinegar residue and microbial inoculant on the physicochemical properties, ammonia and greenhouse gas emissions of stored chicken manure
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摘要: 降低畜禽粪便存储过程中氨与温室气体排放是推动养殖业绿色发展的重要环节. 本研究应用动态箱技术探讨了醋糟覆盖（CZ1）、醋糟混合（CZ2）、生物炭覆盖（BC1）、生物炭混合（BC2）、菌剂喷洒（JJ1）和菌剂混合（JJ2）等处理方法对自然堆存鸡粪的发芽指数、氮素气态损失以及长生命周期（N2O）和短生命周期（CH4）温室气体排放的影响. 结果表明：（1）鸡粪存储过程中氮素损失最主要方式是NH3排放（>98.0%），温室气体主要以直接和间接N2O排放为主（>85.0%）；（2）与对照相比，添加菌剂使得鸡粪存储中氮素气态损失和温室气体排放分别增加了39.4%—63.3%和19.3%—36.7%，醋糟和生物炭处理的氮素气态损失则分别降低了12.4%—32.2%和31.2%—36.2%，温室气体排放降低了23.0%—35.9%和47.5%—49.9%，但醋糟混合处理有增加CH4排放的风险；（3）与醋糟相比，生物炭覆盖和混合处理均可同步降低长生命周期气体N2O和短生命周期CH4排放；（4）醋糟、生物炭处理均可降低鸡粪EC，并提高鸡粪氨氮含量和种子发芽指数. 综上，与菌剂和醋糟相比，生物炭覆盖或混合均是降低鸡粪存储过程中氨和温室气体排放、提高鸡粪农田施用安全性的有效措施.Abstract: Reducing ammonia and greenhouse gas emissions from chicken manure storage is of great importance to promote the green development of livestock industry. This study investigated the impacts of management practices including vinegar residue covering (CZ1), vinegar residue mixing (CZ2), biochar covering (BC1), biochar mixing (BC2), microbial inoculant spraying (JJ1) and microbial inoculants mixing (JJ2) on the germination index, gaseous nitrogen loss and greenhouse gas emissions (including nitrous oxide (N2O) and methane (CH4)) of the naturally stacked chicken manure compared to the CK without any control. The results showed that: nitrogen loss of the chicken manure storage was dominated by the NH3 emissions (>98.0%), and the greenhouse gas emissions were dominated by the direct and indirect N2O emissions (>85.0%). Compared to the CK, the application of microbial inoculant enhanced the N losses and greenhouse gas emissions by 39.4%—63.3% and 19.3%—36.7%, respectively. However, the application of vinegar residue and biochar reduced the N losses by 12.4%—32.2% and 31.2%—36.2%, respectively, and reduced the greenhouse gas emissions by 23.0%—35.9% and 47.5%—49.9%, respectively; meanwhile, the risk of enhanced CH4 emission with the vinegar residue addition was noticed. Of the vinegar and biochar application, the latter practice can both reduce long-lived (N2O) and short-lived (CH4) climate pollutants simultaneously. Additionally, applying vinegar residue and biochar improved the quality of chicken manure at the aspects of electrical conductivity, ammonical nitrogen content and germination index. In conclusion, biochar covering or mixing methods are effective measures to reduce NH3 and greenhouse gas emissions from chicken manure storage and can improve the safety of chicken manure utilization in farmland.
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Key words:
- chicken manure storage /
- ammonia /
- greenhouse gases /
- biochar /
- vinegar residue.
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图 1 不同处理下鸡粪氨排放
Figure 1. Ammonia emissions from stored chicken manure storage under different treatments
图 2 不同处理下鸡粪二氧化碳排放
Figure 2. CO2 emission from stored chicken manure under different treatments
图 3 不同处理下鸡粪氧化亚氮排放
Figure 3. Nitrous oxide emissions from stored chicken manure under different treatments
图 4 不同处理下鸡粪甲烷排放
Figure 4. Methane emission from stored chicken manure under different treatments
图 5 不同处理下鸡粪pH值和电导率变化
Figure 5. Changes of pH value and electronic conductivity （EC） of stored chicken manure under different treatments. In the bar chart, small letters indicate the significant difference between treatments at the beginning, and uppercase letters indicate the significant difference between treatments at the end, α=0.052
图 6 不同处理下鸡粪总氮、总氨氮、有机碳和发芽指数的变化
Figure 6. Changes of total nitrogen , total ammonia nitrogen, organic carbon and germination index of stored chicken manure under different treatments. Small letters in bars indicate the significant difference between treatments at the beginning, and uppercase letters indicate the significant difference between treatments at the end, α=0.05
图 7 不同处理下鸡粪的养分损失和气体排放
Figure 7. Nutrient losses and gas emissions of stored chicken manure under different treatments
图 8 不同管理技术对鸡粪存储氮损失（N loss）、温室气体排放（GHG_N2O：N2O的CO2-e排放，GHG_CH4：CH4的CO2-e排放，GHG_t：N2O和CH4总和的CO2-e排放）及其种子发芽指数（GI）的综合影响
Figure 8. Comprehensive effects of different management techniques on storage nitrogen loss(N loss), greenhouse gas emissions(GHG_N2O: CO2-e emissions from N2O, GHG_CH4: CO2-e emissions from CH4, GHG_t: CO2-e emissions combined for N2O and CH4)and germination index(GI)of chicken manure
表 1 鸡粪、醋糟、生物炭的基本理化性质
Table 1. Basic physical and chemical properties of chicken manure, vinegar grains and biochar
实验材料
Tested materialspH 含水率/%
Water content有机碳/%
Organic carbon全氮/%
Total nitrogen鸡粪
Chicken manure8.3 68.6 35.3 2.4 醋糟
Vinegar residue3.6 62.4 34.8 1.2 生物炭
Biochar2.9 4.3 30.9 0.6 
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表 2 不同处理的物料配比
Table 2. Material ratios of different treatments
实验处理
Treatments鸡粪与物料
Chicken manure and added materials处理方式
Application methodsCK 3.5 kg鸡粪 自然存储 CZ1 3.5 kg鸡粪+0.5 kg醋糟 在鸡粪表面覆盖 CZ2 3.5 kg鸡粪+0.5 kg醋糟 与鸡粪充分混合 BC1 3.5 kg鸡粪+0.5 kg生物炭 与表层鸡粪混合 BC2 3.5 kg鸡粪+0.5 kg生物炭 与鸡粪混合均匀 JJ1 3.5 kg鸡粪+3.5 g菌剂原液 原液稀释40倍，表面喷洒 JJ2 3.5 kg鸡粪+3.5 g菌剂原液 原液稀释40倍，混合均匀
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