好氧堆肥對牛糞中重金屬鋅形態(tài)變化的影響

近年來，城鄉(xiāng)居民對畜牧業(yè)產品的需求逐漸上升、畜牧業(yè)的規(guī)?；B(yǎng)殖占比越來越高，導致畜牧業(yè)在農業(yè)總產值的占比逐漸上升，2021年畜牧業(yè)總產值達3.99萬億元，占農業(yè)總產值的50.96%。與此同時，畜牧業(yè)發(fā)展產生的糞污對環(huán)保影響越發(fā)嚴重，尤其是飼料中的大量添加劑導致畜禽糞便中重金屬含量較高，越是大規(guī)模的養(yǎng)殖場，糞污堆放或還田利用的量越大，污染風險也越大。重金屬鋅（Zn）是一種常用的飼料添加劑，可以促進動物快速增重、改善肉質，但飼料生產工藝水平的差異易導致重金屬Zn的含量遠超動物的需求量，大部分隨畜禽糞便進入養(yǎng)殖場周邊土壤，造成環(huán)境污染。牛糞與豬糞、雞糞相比，重金屬Zn的含量較少，但牛糞的排放量大、質地細密、含水率低等，使得牛糞經發(fā)酵腐熟作為有機肥還田利用得到廣泛關注。但牛糞中的重金屬Zn經長期還田施用會在土壤富集，甚至危害人體健康。好氧堆肥是牛糞發(fā)酵腐熟常用的工藝之一，具有成本低、流程簡單的特點，本文將以好氧堆肥為試驗工藝，檢測牛糞在好氧堆肥過程中重金屬Zn的總質量分數的變化，探究牛糞中重金屬Zn在好氧堆肥過程中不同形態(tài)的轉化規(guī)律，為降低牛糞有機肥還田利用過程中對土壤環(huán)境的潛在危害提供理論依據。1試驗與方法1.1試驗材料與設計試驗于2021年在黑龍江省農業(yè)科學院畜牧獸醫(yī)分院富拉爾基科研基地進行，試驗材料取自科研基地附近養(yǎng)殖場。新鮮牛糞經固液分離后平鋪晾曬至水分降至55%～65%，為降低自然環(huán)境對堆體溫度的影響，使用鏟車將牛糞建成3個平行條剁形堆體（3m×2m×1.5m），中間條剁用于試驗，兩側條剁用于對照。試驗期間監(jiān)測堆體溫度，當堆體溫度達65℃以上時進行翻堆，試驗共進行60d。1.2測定項目與分析方法試驗于0、3、7、13、20、30、45、60d采用四分法篩選牛糞樣品，樣品分兩份，一份自然風干用于測定牛糞中重金屬Zn的總質量分數及不同形態(tài)含量；另一份鮮樣用于測量牛糞pH值。風干樣品參考改進BCR提取法進行重金屬Zn的形態(tài)提取，即可交換態(tài)、還原態(tài)、氧化態(tài)和殘渣態(tài)，并采用電感耦合等離子體質譜法測定重金屬Zn的總質量分數及不同形態(tài)質量分數，根據實驗結果計算不同形態(tài)分配率，鮮樣以固液比1∶10的比例加入到蒸餾水中震蕩1h，靜置1h后測定牛糞的pH值?；炈脭祿ㄟ^WPS進行錄入整理，并通過SPSS22.0和OriginPro2021等軟件進行圖表繪制和統(tǒng)計分析。不同形態(tài)重金屬Zn的分配率計算公式如下：分配率（%）=不同形態(tài)質量分數/總質量分數×100%2結果與討論2.1好氧堆肥對重金屬Zn總質量分數的影響重金屬Zn總質量分數隨堆肥時間的動態(tài)變化情況（如圖1所示）。圖1好氧堆肥過程中重金屬Zn的總質量分數變化由圖1可知，好氧堆肥過程中牛糞中重金屬Zn的總質量分數從初始牛糞的153.98mg/kg隨堆肥時間呈上升趨勢，堆肥60d后質量分數上升到226.22mg/kg，提高了46.92%。好氧堆肥前期質量分數增速較快，堆肥13d質量分數上升到191.71mg/kg，提高了24.50%，占總增重的51.53%，堆肥30d質量分數上升到211.63mg/kg，提高了37.44%，占總增重的79.15%，由此可見堆肥進行到一半，重金屬Zn的總質量分數上升量占整個堆肥過程增量的八成，重金屬Zn總質量分數的變化主要發(fā)生在堆肥前中期。由于堆肥過程過程中未有外源重金屬Zn的加入，結合重金屬Zn總質量分數增速變化的現象分析，造成這個現象的原因可能是好氧堆肥過程中牛糞中有機質隨時間降解，堆體體積降低造成的“濃縮效應”，好氧堆肥7d時堆體達到65℃以上，堆體進入高溫期，而高溫期是牛糞腐殖化最活躍的時期，重量損失也最大，這與重金屬Zn總質量分數的變化趨勢類似，也驗證了“濃縮效應”是導致重金屬Zn總質量分數上升的原因，“濃縮效應”會導致質量分數隨堆肥時間不斷上升，故對重金屬Zn不同形態(tài)的變化趨勢使用分配率進行探討。2.2好氧堆肥對不同形態(tài)重金屬Zn的分配率影響重金屬Zn不同形態(tài)分配率動態(tài)變化情況（如圖2所示）。圖2好氧堆肥過程中不同形態(tài)重金屬Zn的分配率變化由圖2可知，初始牛糞可交換態(tài)重金屬Zn分配率最高，為64.65%，隨著堆肥時間的推移先上升后下降，好氧堆肥3d分配率為76.05%，提高了17.63%，好氧堆肥7d分配率略有下降，分配率為75.87%，提高了17.35%，兩者差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥7～30d分配率隨堆肥時間明顯下降，好氧堆肥30d分配率降至42.12%，下降了34.85%，好氧堆肥30～60d分配率下降速度明顯放緩，好氧堆肥60d分配率降至38.23%，相較與好氧堆肥30d，分配率下降了9.24%（見圖2A）。還原態(tài)重金屬Zn的分配率隨著堆肥時間的推移先下降后上升，初始牛糞分配率為18.03%，好氧堆肥3d和7d時分配率分別降至10.79%、11.11%，兩者差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥30d后，分配率提升至24.61%，相較與好氧堆肥7d，分配率上升了13.5個百分點，堆肥中后期分配率有下降的趨勢，好氧堆肥60d分配率為23.03%（見圖2B）。氧化態(tài)分配率變化趨勢與還原態(tài)類似，分配率隨堆肥時間先下降后上升，初始牛糞分配率為15.12%，好氧堆肥7d時分配率降至11.47%，之后分配率逐漸上升，從好氧堆肥60d時分配率上升至35.53%，增速逐漸變慢（見圖2C）。殘渣態(tài)重金屬Zn的分配率集中在1.22%～3.20%，有上升的趨勢但幅度較小，好氧堆肥前中期的分配率差異不顯著（P＞0.05），好氧堆肥60d是殘渣態(tài)分配率為3.20%，可見重金屬Zn的殘渣態(tài)分配率受好氧堆肥的影響不大（見圖2D）。重金屬Zn的形態(tài)變化伴隨著整個好氧堆肥的過程，升溫期和高溫期的變化更加劇烈。由于堆肥初期堆體溫度較低，缺乏翻堆通風，積累了大量有機酸，堆體的pH值下降，導致重金屬Zn的還原態(tài)和氧化態(tài)被活化，分配率下降，轉化為可交換態(tài)，隨著好氧堆肥的進行，合理的翻堆供氧使得牛糞中的有機質腐殖質化，產生的腐殖質中含有大量羧基、烯醇基、醌基等強吸附基團，與重金屬Zn的結合更加緊密，使得可交換態(tài)向還原態(tài)和氧化態(tài)轉化，好氧堆肥30d后，牛糞腐殖化變緩，重金屬Zn的形態(tài)變化也隨之變緩。3結論本試驗以好氧堆肥為試驗工藝，探討牛糞在好氧堆肥過程中重金屬Zn的總質量分數及不同形態(tài)的轉化規(guī)律，為降低牛糞有機肥在還田利用過程中的潛在危害性提供理論依據。（1）好氧堆肥期間牛糞中重金屬Zn的總質量分數從153.98mg/kg上升至226.22mg/kg，上升速率隨堆肥時間逐漸下降。（2）可交換態(tài)重金屬Zn在初始牛糞中的分配率最高，并隨著好氧堆肥的進行先上升后下降，從64.65%上升至76.05%后降至38.23%，還原態(tài)和氧化態(tài)重金屬Zn的分配率均隨著堆肥時間的推進先下降后上