趙明德,楊沖,劉攀,楊涵,王文穎,*

1.青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西寧 810008 2.青海民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院,西寧 810007

1 前言

作為全國五大牧區(qū)之一的青海,擁有得天獨(dú)厚的自然環(huán)境,并擁有世界數(shù)量最多、品質(zhì)最好的牦牛資源和國內(nèi)最優(yōu)良的藏羊資源[1]。且青海的牧區(qū)大而廣,牧民數(shù)量眾多,以養(yǎng)殖牦牛、藏羊等為生。目前,青海省牦牛存欄量424萬多頭,占全國牦?？偭康?0.3%,年牦牛肉產(chǎn)量占全省總牛肉產(chǎn)量的78%;藏羊存欄量達(dá)1100多萬只,年出欄589萬只,年產(chǎn)藏羊肉7.50萬噸、藏羊毛1.72萬噸[2]。但隨著近些年青海省禽畜規(guī)?；⒓s化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,導(dǎo)致了大量糞便廢棄物的產(chǎn)生。青海省樂都縣2010年畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的糞尿總量為52.00萬噸左右[3],其中約20.00萬噸糞便未加利用和有效儲存,通過各種途徑污染和危害當(dāng)?shù)丨h(huán)境[4]。因此,開展養(yǎng)殖廢棄物污染控制與資源化利用研究對于進(jìn)一步發(fā)展青海省畜牧業(yè)和保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重大的意義。本文參考了國內(nèi)外禽畜糞便處理方法的相關(guān)研究文獻(xiàn),闡述了禽畜糞便中氨氣揮發(fā)和氮素?fù)p失的主要途徑及其環(huán)境危害,對減少禽畜糞便中氨氣揮發(fā)的各項(xiàng)措施進(jìn)行了綜述,并對今后該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望,旨在為制定禽畜糞便氨氣減排措施提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 氨氣揮發(fā)的危害

氨是禽畜舍產(chǎn)量最多、危害最大的有害氣體,畜舍內(nèi)氨的聚集嚴(yán)重影響動(dòng)物的生產(chǎn)性能和飼養(yǎng)人員的健康。高濃度氨直接刺激動(dòng)物的機(jī)體組織,引起堿性化學(xué)灼傷,使組織細(xì)胞溶解、壞死,還可引起呼吸系統(tǒng)炎癥等[5]。中國養(yǎng)殖業(yè)每年產(chǎn)生大約12.00億噸的固體糞便,而80%的糞便會在舍外貯存或處理[6]。未經(jīng)處理的禽畜糞便在堆放后產(chǎn)生的大量氨氣,會對環(huán)境造成極大的危害,同時(shí)由于氨氣具有短暫的大氣壽命,并且可以和大氣中的酸性氣體反應(yīng)形成 NH4+氣溶膠,因此可以在大氣中停留更長的時(shí)間,這就幫助氨氣可以跨越極大的空間距離進(jìn)行擴(kuò)散,對全球環(huán)境造成污染[7]。大氣中氨氣濃度的增加會導(dǎo)致空氣中的N含量超過極限濃度,引發(fā)酸雨的形成,對農(nóng)作物和建筑物造成極大的危害,并進(jìn)一步促進(jìn)高濃度大氣顆粒物——PM2.5的形成,引發(fā)人體呼吸道疾病。沉降的氨氣又會導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)的酸化,引起氣候改變[8],同時(shí)也是敏感的陸地、水生和海洋生態(tài)系統(tǒng)中氮素污染的主要來源。敏感生態(tài)系統(tǒng)N含量超負(fù)荷會導(dǎo)致水體表面富營養(yǎng)化,引起藻類瘋長,爭奪陽光、空氣和氧氣,最終將使水體變黑發(fā)臭,大量魚類及水生生物死亡,進(jìn)一步導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性減少。此外,殘留在土壤中 N、P等物質(zhì)會使土壤酸度增加并引起土壤板結(jié),甚至通過滲入地下水,導(dǎo)致地下水中 NH4+,NO–2和 NO–3濃度的升高,人若長期或大量飲用,可能誘發(fā)癌癥[9–10]。

3 氨氣產(chǎn)生、影響因素及損失途徑

3.1 氨氣的產(chǎn)生及其影響因素

禽畜生產(chǎn)中的氨(包括NH4+)主要來自含氮物質(zhì)的降解,飼料中的含氮物質(zhì)經(jīng)畜禽消化道消化后,最終以未消化的蛋白質(zhì)、尿素、尿酸、有機(jī)胺、銨和少量 NH3等形式隨糞便排出體外,在多種微生物作用下,畜禽糞便中未消化的含氮有機(jī)物又會被分解產(chǎn)生大量 NH3[11]。在畜禽腎臟和肝臟中,氨基酸通過聯(lián)合脫氨基作用和氧化脫氨基作用生成α-酮酸和氨,產(chǎn)生的氨會在腎臟中轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩夭㈦S尿液排出體外,還有一些氨基酸會在畜禽肝臟中轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩睾湍蛩?而這些相當(dāng)數(shù)量的尿素、尿酸(哺乳動(dòng)物肝臟生成的尿素含量多達(dá)20%—25%)會被排到動(dòng)物胃腸道,在微生物脲酶的催化作用下水解生成氨,這主要通過以下三個(gè)途徑:①尿酸的降解C5H4O3N4+1.5O2+4H2O→5CO2+4NH3;②尿素的降解CO(NH2)2+H2O→CO2+2NH3;③未消化的蛋白質(zhì)的降解。這些途徑均受到微生物活動(dòng)的影響[12]。

研究發(fā)現(xiàn),禽畜糞便中的氨氣在產(chǎn)生后并不會完全釋放,其排放量取決于多種因素。Frank[13]等研究表明,在畜棚飼養(yǎng)期、糞便儲存期以及糞肥施用期這三個(gè)不同的階段,禽畜糞便的溫度及其上方區(qū)域的通風(fēng)量和空氣流速、糞在畜棚中的放置時(shí)間、糞便類型、糞肥的儲存和施用技術(shù)以及禽畜的日常喂養(yǎng)和喂養(yǎng)的飼料種類均會對氨氣的釋放造成影響。其中以禽畜糞便種類、含水率、通氣狀況、pH、溫度等為主要影響因素[14]。錢承梁等[15]在具體研究6種禽畜——豬、牛、馬、羊、兔、雞的糞肥氨氣揮發(fā)損失規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn),不同糞便的氨氣揮發(fā)量與畜禽種類、年齡、食物構(gòu)成和殘留于糞便中含氮物質(zhì)的數(shù)量與形態(tài),以及環(huán)境氣象條件、糞便中所含的微生物狀況和糞便分解時(shí)間長短等諸多因素有關(guān)。就氨氣揮發(fā)量來說,馬糞和牛糞的氨氣損失比例比較低,雞糞的揮發(fā)量比較高。如果以豬糞的氨氣揮發(fā)量作為相對標(biāo)準(zhǔn)來比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)牛、馬、羊、兔等食草類家畜和反當(dāng)動(dòng)物的糞便氨揮發(fā)量均較低。此外,Liang等[16]在實(shí)驗(yàn)不同含水率分別60%與70%的堆肥過程中,發(fā)現(xiàn)氨氣排放量的差距比較大,結(jié)果表明含水量為60%的堆體氨氣流失量要比含水量為70%的堆體要高,因此提高禽畜糞便的含水量也有利于控制 NH3的擴(kuò)散。Elwell[17]等則在通風(fēng)方式對 NH3揮發(fā)的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,NH3揮發(fā)量與通風(fēng)量呈線性關(guān)系,即隨著通風(fēng)量的增加,NH3揮發(fā)量也不斷增加。白兆鵬等[18]發(fā)現(xiàn)禽畜糞便的pH會決定糞便中 NH4+和 NH3的平衡,從而影響氨氣的排放。由于堿性環(huán)境會促進(jìn) NH4+-NH3平衡向 NH3方向移動(dòng),因此禽畜糞便pH過高會導(dǎo)致堆肥中的氮大量以 NH3的形式揮發(fā)損失[19],Sommer等[20]還發(fā)現(xiàn)太陽輻射會影響 NH3排放量,主要是因?yàn)槿照蛰椛淇梢允弓h(huán)境溫度升高,促進(jìn)大氣中的暖氣流攜帶更多禽糞表面的氨氣。同時(shí)陽光還會造成禽畜糞便的溫度升高,使 NH4+-NH3平衡打破,促進(jìn)氨氣的釋放。因此,一般來說,當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí),禽畜糞便中NH3排放量會增加,而在環(huán)境溫度降低時(shí)的雨雪天 NH3排放量會減少[21–22]。

3.2 氮素的損失途徑

禽畜糞便堆置過程中,有機(jī)氮化物先通過微生物分解作用產(chǎn)生氨氣,氨氣溶于堆肥后以銨態(tài)氮的形式存在。銨態(tài)氮受pH、堆體溫度、通氣條件和堆肥材料中氨化、硝化以及反硝化微生物活性等因素的影響,既可作為細(xì)胞生長的氮源供微生物同化,又可被硝化微生物轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮[23];既可以發(fā)生反硝化脫氮損失[24],又可以再次以氣態(tài) NH3揮發(fā)的形式發(fā)生損失[25]。因此,禽畜糞便放置過程中的氮素?fù)p失不可避免。大多情況下,禽畜糞便堆置過程中的氨氮揮發(fā)可達(dá)堆體總氮含量的20%—50%[26]。黃國鋒等[27]發(fā)現(xiàn)家禽糞便堆置過程中約有33%的氮素流失,Kithome等[28]也發(fā)現(xiàn)在家畜糞便堆肥25 d后約有47%—62%的氮素被損失。研究表明[28],在禽畜糞便堆置過程中引起氮素?fù)p失的途徑主要有三個(gè):①pH升高和高溫造成的 NH3逸出;②水溶性含氮成分隨滲出水流失;③在缺氧條件下硝態(tài)氮反硝化引起NOX的揮發(fā)。其中,Martins[29]在糞泥與秸桿混合物的堆制過程中測得總氮的9.6%—19.6%以瀝出液的形式損失掉,在瀝出液氮組分中76.5%—97.8%是銨態(tài)氮(NH4+-N);總氮的很少一部分(<5%)以NOX氣態(tài)形式損失掉;以氣態(tài) NH3形式損失的氮是最多的,占總氮的46.8%—77.4%,黃向東等[30]也表明禽畜糞便中氨氣的排放量主要受 NH3和NH4+濃度的影響,在堆置過程中,糞中許多易降解的含氮物質(zhì)被快速地降解為 NH4+-N后以氣態(tài)NH3的形式揮發(fā),造成的氮素?fù)p失可達(dá)總量的44%—99%?？梢钥闯?氨氣的揮發(fā)是禽畜糞便中氮素流失和肥力下降的主要原因。

4 降低禽畜糞便氨氣揮發(fā)的有效措施

4.1 物理方法

4.1.1 清除禽畜糞便中的固體大顆粒成分

固-液分離法是減少禽畜糞便中氨氣揮發(fā)的一種有效的方法,液態(tài)糞便中固體成分的分離,可以促進(jìn)其被土壤吸收,減少其暴露在土壤表面的時(shí)間,從而降低氨氣揮發(fā)到大氣中的機(jī)會[31]。Sun等[32]研究了處理后的糞肥表施后對氨氣和溫室氣體排放的影響,發(fā)現(xiàn)清除禽畜糞便中固體大顆粒成分后,收集氨氣的容器內(nèi) NH3的通量、濃度平均值和濃度峰值均有下降,同時(shí)縮短了 NH3到達(dá)濃度峰值的時(shí)間,結(jié)果證明禽畜糞便中固體大顆粒的成分是影響禽畜糞便中氨氣排放的最重要因素,尤其在牛糞表施的當(dāng)天影響最為顯著。

4.1.2 使用沸石作為吸附劑

沸石作為一種非金屬礦物材料,晶體中具有大量的孔穴和孔道[33],孔穴度高達(dá)40%—50%,使沸石具有很大的比表面積,因而沸石有很好的吸附能力。同時(shí)天然沸石是一種強(qiáng)大的陽離子吸附劑,對NH4+有很強(qiáng)的親和性和選擇性[34],將其應(yīng)用在禽畜糞便處理中,能夠有效減少禽畜糞便氨氣的揮發(fā)。Kithome等[28]發(fā)現(xiàn)堆積禽畜糞便的時(shí)候,在糞便表面鋪上一層38%的沸石能夠減少44%的氨氣流失。而Portejoie等[35]研究了在儲存和土壤利用期間,向豬糞中添加沸石對于氨氣揮發(fā)的影響,結(jié)果顯示氨氣揮發(fā)減少了71%。許俊香等[36]通過向污泥堆肥中添加5%和10%的沸石,顯著降低了污泥堆肥中氨揮發(fā)累積速率27.9%和48.7%,并且延遲1 d出現(xiàn)氨揮發(fā)峰值,保留了堆體中的有效氮,這同樣也可應(yīng)用在禽畜糞便的堆肥處理中。另有研究[37]發(fā)現(xiàn)沸石對于減少液體禽畜糞便氨氣的揮發(fā)有著比減少固體禽畜糞便氨氣的揮發(fā)更好的效果。但是天然沸石本身呈堿性,在禽畜糞便中添加會增加糞便的pH,反而促進(jìn)了氨氣的揮發(fā),因此使用前必須對沸石進(jìn)行酸洗方能達(dá)到最好的吸附效果。

4.1.3 物理性覆蓋材料的添加

使用物理性覆蓋材料包裹住氣體是防止氣體揮發(fā)最有效的一種方式,因此也是降低禽畜糞便中氨氣排放的一項(xiàng)有效手段。其中物理性覆蓋材料又分為不可滲透性材料和可滲透性材料兩種,國內(nèi)外在尋找合適的物理性覆蓋材料方面做了大量的嘗試。Sommer等[38]使用動(dòng)態(tài)的方法測定了液體豬糞和液體牛糞 NH3的排放,研究結(jié)果顯示覆蓋降低了NH3的排放量達(dá)60%以上。Funk等[39]研究了兩種不可滲透的覆蓋材料,一種是浮動(dòng)薄膜(由2 mm厚的聚乙烯薄膜層粘合而成),另一種是防水布,結(jié)果顯示它們有效地減少了豬糞中99.7%和99.5%的氨氣揮發(fā)。由于 NH4+-NH3平衡的存在,銨態(tài)氮的濃度是影響禽畜糞便中氨氣揮發(fā)的關(guān)鍵因素,而銨態(tài)氮不溶于油脂,因此油脂薄膜層也可以作為不可滲透的覆蓋物覆蓋在堆積的禽畜糞便表面。Heber等[40]將大豆油噴灑在有通風(fēng)口的豬舍,以此來研究大豆油對于減少豬舍氨氣揮發(fā)的影響,結(jié)果表明噴油處理的豬舍比起對照組的豬舍,氨氣的排放減少了40%。Guarino等[41]則把3—9 mm厚的蔬菜油層施加到堆積的豬糞和牛糞表面,結(jié)果顯示氨氣的排放減少了79%—100%。其它的實(shí)驗(yàn)室研究和農(nóng)場研究[42]則使用過6 mm厚的菜籽油層,結(jié)果抑制了多達(dá)85%的氨氣排放,而使用更薄的3 mm厚的菜籽油層,對于減少氨氣的排放則沒有任何效果。Clanton[43]等使用可滲透性材料稻草覆蓋豬糞的研究結(jié)果表明NH3的排放量下降了37%—86%。在國內(nèi),王巖[44]等發(fā)現(xiàn)在鋸末、稻殼和稻草等可滲透的添加材料中,使用具有多孔性較難分解的鋸末材料抑制牛糞堆肥時(shí)氨氣揮發(fā)的效果最好,其次是稻殼,而稻草抑制氨氣揮發(fā)的效果較小。此外還發(fā)現(xiàn),盡管在糞便堆肥時(shí)添加鋸末能使氨氣揮發(fā)在很大程度得到抑制,但整個(gè)堆制期間氨氣揮發(fā)量仍占牛糞總含氮量的17%左右。

4.2 化學(xué)方法

4.2.1 添加尿酸酶抑制劑

尿酸是禽畜糞便中主要N的存在形式,在禽畜糞便中,存在大量的微生物生長繁殖,其中有一類球形節(jié)桿菌,它們是禽畜糞便中產(chǎn)生尿酸酶的主要微生物之一[45]。而禽畜糞便中氨氣產(chǎn)生的第一步便是微生物尿酸酶對尿酸的水解作用,因此要抑制禽畜糞便中氨氣的揮發(fā),保留其氮含量,就要抑制這類微生物產(chǎn)生的尿酸酶的活性,從而抑制其對尿酸的水解作用。有研究表明某些礦質(zhì)元素如:Zn,Ni,Co,Cu,Cd,Cr,Mg,Ag,Mn,and Pb都可以抑制尿酸酶的活性[46–47],但由于 Zn,Cu,Mg,Mn是普遍的動(dòng)物飼料礦質(zhì)元素添加劑,因此多以這四種礦質(zhì)元素進(jìn)行研究。其中Kim等[48]研究了 Zn,Cu,Mg,Mn對微生物尿酸酶活性和減少家禽糞肥中氨的揮發(fā)的影響,該研究做了三個(gè)實(shí)驗(yàn),第一個(gè)實(shí)驗(yàn)對 Zn,Cu,Mg,Mn四種礦質(zhì)元素的抑制作用進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示 Zn和Cu幾乎完全抑制了微生物尿酸酶的活性(大于90%的抑制率)但是Mn和Mg的作用不明顯;第二個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察了 ZnSO4對糞便中利用尿酸的微生物的生長作用的影響,結(jié)果顯示 ZnSO4能明顯抑制該類微生物的生長,同時(shí)短暫地降低了微生物培養(yǎng)基的pH。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)則證明了 ZnSO4處理能明顯增加禽畜糞便中尿酸中的氮含量和總氮含量,但是總氮保留量的增加只有一半可以歸因于尿酸中氮含量的增加。因此礦質(zhì)元素中 Zn和 Cu對微生物尿酸酶的活性均有強(qiáng)烈的抑制作用,但是Schmidt[49]卻報(bào)道,Zn對環(huán)境的毒害作用比 Cu要小,家禽對 Zn的耐受性也要高于Cu。

4.2.2 禽畜糞便的酸化

禽畜糞便的pH對其氨氣的揮發(fā)有著重要的影響,在禽畜糞便中存在著 NH4+-NH3平衡,若糞便的pH升高,NH4+便會轉(zhuǎn)化為氨氣釋放到環(huán)境中,因此降低禽畜糞便的pH,能打破 NH4+轉(zhuǎn)化為氨氣的化學(xué)平衡,直接阻止 NH3的形成。有研究表明在禽畜糞便的pH在7到10之間,氨氣的揮發(fā)率最高,而當(dāng)pH降到7以下時(shí),氨氣的揮發(fā)減少了,但是在pH4.5左右,幾乎沒有氨氣揮發(fā)[50]。Stevens[51]使用H2SO4將牛糞和豬糞的pH降到了5.5和6.0,在這樣的pH條件下,實(shí)驗(yàn)室禽畜糞便的氨氣揮發(fā)有效地降低了95%,野外禽畜糞便的氨氣揮發(fā)有效地降低了82%,相似的研究結(jié)果都顯示酸化禽畜糞便能夠有效地減少其氨氣的揮發(fā),增加氮保留量。此外,禽畜糞便中能夠產(chǎn)生尿酸酶分解尿酸的一類微生物,在pH為3的條件下數(shù)量會急劇的下降,從而抑制了尿酸酶的產(chǎn)生和尿酸的分解,從另一方面減少了氨氣的排放。在酸化劑的選擇方面,有許多研究[37]顯示比起弱酸和酸鹽,強(qiáng)酸在降低禽畜糞便的pH和減少其氨氣揮發(fā)的效果上要更好,但是強(qiáng)酸的使用成本太高,而且在農(nóng)業(yè)上實(shí)踐的危險(xiǎn)性也更大。

4.3 生物方法

大部分的揮發(fā)性氮素是在微生物對含氮有機(jī)物的降解過程中產(chǎn)生的。添加外源微生物能調(diào)控堆肥過程中氮、碳的代謝,調(diào)控氮素物質(zhì)分解為 NH4+后的氣態(tài)揮發(fā)損失,保留更多氮養(yǎng)分[52]。微生態(tài)制劑便是以此為基礎(chǔ)而研發(fā)的,微生態(tài)制劑又名活菌制劑或益生素,是近十幾年來為替代抗生素飼料添加劑而開發(fā)的一類飼料添加劑,常用的微生物制劑主要包括芽孢桿菌、乳酸菌及酵母菌等[53]。微生態(tài)制劑 EM 是一種由5科10屬80多種微生物復(fù)合而成的生物制劑,其主要功能菌群包括光合菌群、乳酸菌群、酵母菌和放線菌等[5]。在禽畜糞便堆放過程中,會產(chǎn)生大量的 NH4+-N,而 EM 中大量的硝化菌可使 NH4+-N轉(zhuǎn)化成 NO3-N,部分 NO3-N又在反硝化菌作用下轉(zhuǎn)為 N2;或在光合細(xì)菌、真菌作用下固定為微生物氮,促使禽畜糞便中含氮物質(zhì)向硝酸鹽氮和蛋白氮等形式轉(zhuǎn)化,減少含氮物質(zhì)分解為后 NH4+-N的氣態(tài)揮發(fā)損失此外,大量有益微生物的進(jìn)入競爭性地排斥或抑制禽糞中的腐敗菌群,也減少了蛋白氮向氨或胺的轉(zhuǎn)化,從而起到保氮和除臭的效果[5]。鈔海峰等[54]報(bào)道,用 EM 處理飼料可明顯降低雞舍內(nèi) NH3和 CO2濃度。江波濤等[55]研究證明,用 EM 發(fā)酵墊料處理糞便,能有效降低禽舍內(nèi) NH3、H2S和 CO2的濃度,減少有害氣體的產(chǎn)生。單婕等[56]研究發(fā)現(xiàn)在奶牛糞便高溫堆肥過程中添加 EM 制劑可明顯降低 NH3和 H2S揮發(fā),且其抑制作用與添加比例成正相關(guān)。此外,馬麗紅等[57]研究報(bào)道,在牛糞高溫堆肥過程中添加微生態(tài)制劑能降低銨態(tài)氮含量、提高有機(jī)氮和全氮比例。張艷云[58]等則通過自行研發(fā)的BM1259活菌制劑(以巨大芽孢桿菌為主要成分的一種生物除臭調(diào)理劑)證明了向奶牛日糧中每頭牛添加6 g的BM1259制劑,可明顯降低牛腸道中的產(chǎn)氨量和鮮牛糞刺鼻的氣味,使鮮牛糞粘度增加、顏色加深,顯著減少牛糞便中氨氣釋放量。于洪久等[59]證明添加微生物菌劑能夠減少堆肥過程中銨態(tài)氮的產(chǎn)生與揮發(fā),起到保氮除臭的效果,但也有研究表明[60]微生物制劑在減少堆肥過程氨氣排放的同時(shí)會增加禽畜糞便中N2O的排放。

4.4 日糧調(diào)控

Burgos等[61]已經(jīng)發(fā)現(xiàn),禽畜糞便中尿素氮的含量與氨氣的排放量之間有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。禽畜糞便中的氮主要來自禽畜日糧中未消化的氮,因此通過調(diào)整日糧蛋白和氨基酸含量,能夠降低禽畜的氮排泄量,從而減少糞便中氨氣的排放量[62]。Canh等[63]發(fā)現(xiàn)降低豬日糧的粗蛋白和補(bǔ)充氨基酸可以減少糞便中氮排泄的28%—79%,Panetta等[64]將豬日糧粗蛋白含量從17%降低到14.5%,結(jié)果顯示氨氣的排放率從 2.46降低到 1.05 mg·min-1。Connell等[65]的研究也得到了相似的結(jié)果,豬日糧粗蛋白從16%增加到22%,糞便中氨氣的排放量也隨之增加。B.van der Stelt等[66]也發(fā)現(xiàn)降低禽畜飼料中粗蛋白的含量明顯減少了糞便中總氮和總磷的含量,同時(shí)抑制了其中 NH3的揮發(fā)。

4.5 其它方法

采用糞尿分離技術(shù)將禽畜排泄物中的尿液和糞便分離,從而避免尿液中尿素與糞便中脲酶的接觸,防止尿素被脲酶水解而釋放出氨氣[67],也是一種行之可效的方法,但該技術(shù)所需的系統(tǒng)設(shè)置復(fù)雜,成本較高,因此在條件有限的情況下,向禽畜糞便中施加脲酶抑制劑也能起到相同的作用。脲酶抑制劑是指能夠直接或間接抑制脲酶活性的一類物質(zhì)[12],能夠阻止糞尿混合物中的尿素被水解,從而減少氨氣的排放,脲酶抑制劑如 PPDA,CHPT,NBPT等在抑制尿素水解上的作用都已經(jīng)被證實(shí)[68–69],其中以 NBPT的適用范圍最廣、使用效果最佳。彭玉凈等[70]在研究脲酶抑制劑 NBPT對小麥秸稈還田稻田中氨揮發(fā)的影響時(shí),證明了脲酶抑制劑NBPT能通過抑制尿素水解來延遲稻田的田面水 NH4+-N濃度和氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)的時(shí)間;張文學(xué)等[71]也發(fā)現(xiàn)尿素施入稻田后,與單施尿素處理相比,添加 NBPT處理后的氨揮發(fā)速率峰值降低27.04%,累積氨揮發(fā)損失量降低21.65%;張發(fā)寶等[72]則發(fā)現(xiàn)NBPT能有效降低脲酶在雞糞高溫堆肥前期的活性,從而抑制雞糞中的脲酶將尿素氮分解為 NH4+,同時(shí)也證明了雞糞好氧堆肥時(shí)加入 NBPT可起到一定的保氮作用。由此可見,脲酶抑制劑在減少禽畜糞便氨氣的揮發(fā)上也有一定的利用空間。此外,直接將禽畜糞便注入土壤是對環(huán)境而言最為經(jīng)濟(jì)可行的方法,該方法能減少多達(dá)98%的氨氣揮發(fā)[37]。

5 未來展望

在減少禽畜糞便氨氣揮發(fā)的各項(xiàng)措施中,糞便注入土壤是效果最好并且對于環(huán)境來說是最為經(jīng)濟(jì)可行的方法,因其利用率高,能減少多達(dá)98%的氨氣揮發(fā),且能變廢為寶、增加土壤的肥力。但是糞便注入并不適合于所有的土地,所以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者普遍喜歡對禽畜糞便進(jìn)行表施,因此,采用物理、化學(xué)和生物方法對牛糞進(jìn)行處理依舊是未來主要的研究方向。其中尿酸酶抑制劑(如ZnSO4)能抑制尿酸的水解,脲酶抑制劑(如PPDA)能抑制尿素的水解,微生態(tài)制劑(如EM)通過抑制禽畜糞便中的腐敗菌群的活動(dòng)而減少氨氣的揮發(fā),三者都能切斷氨氣形成的途徑,但脲酶抑制劑(如PPDA,CHPT,NBPT)的價(jià)格昂貴,易分解,且需要頻繁的施加,單獨(dú)使用的成本較高,效率低下,前景有限;微生態(tài)制劑則需要專門配制微生物,添加過程中又需要嚴(yán)格控制適當(dāng)?shù)臏囟?、碳氮比等外界條件,操作程序比較繁瑣,大規(guī)模應(yīng)用困難。而 ZnSO4作為尿酸酶抑制劑則具有極強(qiáng)的優(yōu)勢,雖然 Zn和 Cu對于尿酸酶的活性有著同樣強(qiáng)烈的抑制效果,但 Zn比 Cu對環(huán)境的毒害作用更小,ZnSO4又可起到降低pH的作用,因此 ZnSO4既能切斷氨氣的形成途徑,又能抑制形成后的氨氣產(chǎn)生揮發(fā),而且安全環(huán)保。此外,Zn作為礦質(zhì)元素還可直接添加到牛的飼料當(dāng)中,并且禽畜對 Zn的耐受性也要高于 Cu,加上 ZnSO4保留禽畜糞便總氮含量的機(jī)理以及 Zn被添入禽畜飼料后對減少禽畜糞便氨氣揮發(fā)的效果還沒有完全研究清楚,因此未來對 Zn在相關(guān)方面的研究還會更加深入地進(jìn)行。

從禽畜日糧著手則是源頭治理禽畜糞便氨氣排放思路的體現(xiàn),直接通過調(diào)節(jié)禽畜飼料的營養(yǎng)成分,來改變其排泄物的成分,是最為經(jīng)濟(jì)、綠色的解決辦法。同時(shí)由于微生物制劑和礦質(zhì)元素可加入到禽畜日糧當(dāng)中使用,并且微生態(tài)制劑還可作為一種潛在的抗生素替代品,具有多種類似于抗生素的功能,可有效降低禽畜飼料中抗生素的使用,因此,未來微生物發(fā)酵飼料和礦物質(zhì)飼料的應(yīng)用會更加普遍,禽畜飼料營養(yǎng)成分含量的改變、微生物制劑和礦物質(zhì)添加到飼料當(dāng)中的比例調(diào)配也會成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

禽畜糞便酸化是目前減少禽畜糞便氨氣揮發(fā)最為有效的方法,但是目前限制該方法大規(guī)模使用的原因在于,長期使用酸化劑會對設(shè)備和建筑物造成腐蝕,并且不利于工作人員和禽畜的健康。因此未來相關(guān)的研究可能會集中在酸化劑的合理選擇和安全經(jīng)濟(jì)的使用方法上。

沸石是一種良好的土壤改良劑,禽畜糞便中添加適量的沸石不會對土壤和作物產(chǎn)生不良影響。且沸石添加劑具有價(jià)格低廉、安全無毒害、富含微量元素等優(yōu)點(diǎn),因此在減少禽畜糞便氨氣的揮發(fā)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景[36],在未來應(yīng)該大力進(jìn)行開發(fā)。

在覆蓋材料的應(yīng)用上需要注意,雖然可滲透材料(如稻草、鋸末等)容易獲得、成本低廉,但使用時(shí)需求量大,且不可滲透的材料在抑制氨氣揮發(fā)的效果要比可滲透材料好。不可滲透性的材料中,以植物油效果最好,且植物油具有容易獲得、使用量小、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn),因此未來應(yīng)對植物油進(jìn)行更深入地開發(fā)。另外,王巖[44]等向牛糞添加覆蓋材料后仍有17%的氨氣揮發(fā),這是被覆蓋住的氣體未進(jìn)行充分回收而導(dǎo)致的。因此覆蓋材料添加后,相應(yīng)氣體回收措施的采取也是未來研究的重點(diǎn),目前效果良好的回收方法主要是在糞便表面覆蓋沸石粉末從而對包裹住的氣體進(jìn)行吸附以及建立合適的生物脫臭裝置回收N素,但是配備生物過濾器裝置卻是最有前景的,因其能夠直接凈化被覆蓋材料包裹住的氣體。同時(shí)減少覆蓋材料在禽畜糞便上的殘留以及新型覆蓋材料的不斷開發(fā)也是未來需要考慮的熱點(diǎn)問題。

今后需深入研究幾種方法的綜合應(yīng)用以及組合配比,同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及生態(tài)安全等方面的考慮,才能達(dá)到全面有效控制禽畜糞便中氨氣揮發(fā)和氮素?fù)p失的目的。

6 結(jié)論

在已研究的礦質(zhì)元素中,Zn是最為安全環(huán)保的尿酸酶抑制劑,能強(qiáng)烈抑制禽畜糞便中微生物尿酸酶的活性。綜合考慮各項(xiàng)因素,與強(qiáng)酸相比較,弱酸和酸鹽更適合作為禽畜糞便的酸化劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)實(shí)踐中。對于物理性覆蓋材料而言,不同覆蓋厚度之間 NH3的累積排放量也存在著顯著差異,NH3的累積排放量隨覆蓋厚度的增加而下降。盡管不同的研究結(jié)果差異較大,但是都證實(shí)了覆蓋可以減少禽畜糞便中氨氣的排放。

在討論的所有方法中,ZnSO4處理,微生態(tài)制劑 EM 處理,以及兩者結(jié)合脲酶抑制劑(NBPT)共同使用是牛糞堆積的處理上可利用的生物與化學(xué)方法。沸石添加劑以及物理性覆蓋材料的應(yīng)用是在牛糞堆積處理上可利用的物理性方法。其余方法受研究不足、可行性較差和當(dāng)?shù)丶夹g(shù)限制而無法進(jìn)行推廣使用。

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