好氧堆肥對(duì)牛糞中重金屬鋅形態(tài)變化的影響

近年來，城鄉(xiāng)居民對(duì)畜牧業(yè)產(chǎn)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(dǎo)致畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的占比逐漸上升，2021年畜牧業(yè)總產(chǎn)值達(dá)3.99萬億元，占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的50.96%。與此同時(shí)，畜牧業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的糞污對(duì)環(huán)保影響越發(fā)嚴(yán)重，尤其是飼料中的大量添加劑導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)也越大。重金屬鋅（Zn）是一種常用的飼料添加劑，可以促進(jìn)動(dòng)物快速增重、改善肉質(zhì)，但飼料生產(chǎn)工藝水平的差異易導(dǎo)致重金屬Zn的含量遠(yuǎn)超動(dòng)物的需求量，大部分隨畜禽糞便進(jìn)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(zhì)地細(xì)密、含水率低等，使得牛糞經(jīng)發(fā)酵腐熟作為有機(jī)肥還田利用得到廣泛關(guān)注。但牛糞中的重金屬Zn經(jīng)長期還田施用會(huì)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(diǎn)，本文將以好氧堆肥為試驗(yàn)工藝，檢測(cè)牛糞在好氧堆肥過程中重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)化規(guī)律，為降低牛糞有機(jī)肥還田利用過程中對(duì)土壤環(huán)境的潛在危害提供理論依據(jù)。1試驗(yàn)與方法1.1試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2021年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院富拉爾基科研基地進(jìn)行，試驗(yàn)材料取自科研基地附近養(yǎng)殖場。新鮮牛糞經(jīng)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(duì)堆體溫度的影響，使用鏟車將牛糞建成3個(gè)平行條剁形堆體（3m×2m×1.5m），中間條剁用于試驗(yàn)，兩側(cè)條剁用于對(duì)照。試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)堆體溫度，當(dāng)堆體溫度達(dá)65℃以上時(shí)進(jìn)行翻堆，試驗(yàn)共進(jìn)行60d。1.2測(cè)定項(xiàng)目與分析方法試驗(yàn)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(fēng)干用于測(cè)定牛糞中重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)含量；另一份鮮樣用于測(cè)量牛糞pH值。風(fēng)干樣品參考改進(jìn)BCR提取法進(jìn)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?jiān)鼞B(tài)，并采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)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(cè)定牛糞的pH值。化驗(yàn)所得數(shù)據(jù)通過WPS進(jìn)行錄入整理，并通過SPSS22.0和OriginPro2021等軟件進(jìn)行圖表繪制和統(tǒng)計(jì)分析。不同形態(tài)重金屬Zn的分配率計(jì)算公式如下：分配率（%）=不同形態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/總質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100%2結(jié)果與討論2.1好氧堆肥對(duì)重金屬Zn總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響重金屬Zn總質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時(shí)間的動(dòng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)變化由圖1可知，好氧堆肥過程中牛糞中重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從初始牛糞的153.98mg/kg隨堆肥時(shí)間呈上升趨勢(shì)，堆肥60d后質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到226.22mg/kg，提高了46.92%。好氧堆肥前期質(zhì)量分?jǐn)?shù)增速較快，堆肥13d質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到191.71mg/kg，提高了24.50%，占總增重的51.53%，堆肥30d質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)行到一半，重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升量占整個(gè)堆肥過程增量的八成，重金屬Zn總質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)合重金屬Zn總質(zhì)量分?jǐn)?shù)增速變化的現(xiàn)象分析，造成這個(gè)現(xiàn)象的原因可能是好氧堆肥過程中牛糞中有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間降解，堆體體積降低造成的“濃縮效應(yīng)”，好氧堆肥7d時(shí)堆體達(dá)到65℃以上，堆體進(jìn)入高溫期，而高溫期是牛糞腐殖化最活躍的時(shí)期，重量損失也最大，這與重金屬Zn總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)類似，也驗(yàn)證了“濃縮效應(yīng)”是導(dǎo)致重金屬Zn總質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升的原因，“濃縮效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨堆肥時(shí)間不斷上升，故對(duì)重金屬Zn不同形態(tài)的變化趨勢(shì)使用分配率進(jìn)行探討。2.2好氧堆肥對(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)百分點(diǎn)，堆肥中后期分配率有下降的趨勢(shì)，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(shì)與還原態(tài)類似，分配率隨堆肥時(shí)間先下降后上升，初始牛糞分配率為15.12%，好氧堆肥7d時(shí)分配率降至11.47%，之后分配率逐漸上升，從好氧堆肥60d時(shí)分配率上升至35.53%，增速逐漸變慢（見圖2C）。殘?jiān)鼞B(tài)重金屬Zn的分配率集中在1.22%～3.20%，有上升的趨勢(shì)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?jiān)鼞B(tài)分配率為3.20%，可見重金屬Zn的殘?jiān)鼞B(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(gè)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(fēng)，積累了大量有機(jī)酸，堆體的pH值下降，導(dǎo)致重金屬Zn的還原態(tài)和氧化態(tài)被活化，分配率下降，轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)，隨著好氧堆肥的進(jìn)行，合理的翻堆供氧使得牛糞中的有機(jī)質(zhì)腐殖質(zhì)化，產(chǎn)生的腐殖質(zhì)中含有大量羧基、烯醇基、醌基等強(qiáng)吸附基團(tuán)，與重金屬Zn的結(jié)合更加緊密，使得可交換態(tài)向還原態(tài)和氧化態(tài)轉(zhuǎn)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(jié)論本試驗(yàn)以好氧堆肥為試驗(yàn)工藝，探討牛糞在好氧堆肥過程中重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，為降低牛糞有機(jī)肥在還田利用過程中的潛在危害性提供理論依據(jù)。（1）好氧堆肥期間牛糞中重金屬Zn的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從153.98mg/kg上升至226.22mg/kg，上升速率隨堆肥時(shí)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(jìn)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(shí)間的推進(jìn)先下降后上