好氧堆肥对牛粪中重金属锌形态变化的影响

近年来，城乡居民对畜牧业产品的需求逐渐上升、畜牧业的规模化养殖占比越来越高，导致畜牧业在农业总产值的占比逐渐上升，2021年畜牧业总产值达3.99万亿元，占农业总产值的50.96%。与此同时，畜牧业发展产生的粪污对环保影响越发严重，尤其是饲料中的大量添加剂导致畜禽粪便中重金属含量较高，越是大规模的养殖场，粪污堆放或还田利用的量越大，污染风险也越大。重金属锌（Zn）是一种常用的饲料添加剂，可以促进动物快速增重、改善肉质，但饲料生产工艺水平的差异易导致重金属Zn的含量远超动物的需求量，大部分随畜禽粪便进入养殖场周边土壤，造成环境污染。牛粪与猪粪、鸡粪相比，重金属Zn的含量较少，但牛粪的排放量大、质地细密、含水率低等，使得牛粪经发酵腐熟作为有机肥还田利用得到广泛关注。但牛粪中的重金属Zn经长期还田施用会在土壤富集，甚至危害人体健康。好氧堆肥是牛粪发酵腐熟常用的工艺之一，具有成本低、流程简单的特点，本文将以好氧堆肥为试验工艺，检测牛粪在好氧堆肥过程中重金属Zn的总质量分数的变化，探究牛粪中重金属Zn在好氧堆肥过程中不同形态的转化规律，为降低牛粪有机肥还田利用过程中对土壤环境的潜在危害提供理论依据。1试验与方法1.1试验材料与设计试验于2021年在黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院富拉尔基科研基地进行，试验材料取自科研基地附近养殖场。新鲜牛粪经固液分离后平铺晾晒至水分降至55%～65%，为降低自然环境对堆体温度的影响，使用铲车将牛粪建成3个平行条剁形堆体（3m×2m×1.5m），中间条剁用于试验，两侧条剁用于对照。试验期间监测堆体温度，当堆体温度达65℃以上时进行翻堆，试验共进行60d。1.2测定项目与分析方法试验于0、3、7、13、20、30、45、60d采用四分法筛选牛粪样品，样品分两份，一份自然风干用于测定牛粪中重金属Zn的总质量分数及不同形态含量；另一份鲜样用于测量牛粪pH值。风干样品参考改进BCR提取法进行重金属Zn的形态提取，即可交换态、还原态、氧化态和残渣态，并采用电感耦合等离子体质谱法测定重金属Zn的总质量分数及不同形态质量分数，根据实验结果计算不同形态分配率，鲜样以固液比1∶10的比例加入到蒸馏水中震荡1h，静置1h后测定牛粪的pH值。化验所得数据通过WPS进行录入整理，并通过SPSS22.0和OriginPro2021等软件进行图表绘制和统计分析。不同形态重金属Zn的分配率计算公式如下：分配率（%）=不同形态质量分数/总质量分数×100%2结果与讨论2.1好氧堆肥对重金属Zn总质量分数的影响重金属Zn总质量分数随堆肥时间的动态变化情况（如图1所示）。图1好氧堆肥过程中重金属Zn的总质量分数变化由图1可知，好氧堆肥过程中牛粪中重金属Zn的总质量分数从初始牛粪的153.98mg/kg随堆肥时间呈上升趋势，堆肥60d后质量分数上升到226.22mg/kg，提高了46.92%。好氧堆肥前期质量分数增速较快，堆肥13d质量分数上升到191.71mg/kg，提高了24.50%，占总增重的51.53%，堆肥30d质量分数上升到211.63mg/kg，提高了37.44%，占总增重的79.15%，由此可见堆肥进行到一半，重金属Zn的总质量分数上升量占整个堆肥过程增量的八成，重金属Zn总质量分数的变化主要发生在堆肥前中期。由于堆肥过程过程中未有外源重金属Zn的加入，结合重金属Zn总质量分数增速变化的现象分析，造成这个现象的原因可能是好氧堆肥过程中牛粪中有机质随时间降解，堆体体积降低造成的“浓缩效应”，好氧堆肥7d时堆体达到65℃以上，堆体进入高温期，而高温期是牛粪腐殖化最活跃的时期，重量损失也最大，这与重金属Zn总质量分数的变化趋势类似，也验证了“浓缩效应”是导致重金属Zn总质量分数上升的原因，“浓缩效应”会导致质量分数随堆肥时间不断上升，故对重金属Zn不同形态的变化趋势使用分配率进行探讨。2.2好氧堆肥对不同形态重金属Zn的分配率影响重金属Zn不同形态分配率动态变化情况（如图2所示）。图2好氧堆肥过程中不同形态重金属Zn的分配率变化由图2可知，初始牛粪可交换态重金属Zn分配率最高，为64.65%，随着堆肥时间的推移先上升后下降，好氧堆肥3d分配率为76.05%，提高了17.63%，好氧堆肥7d分配率略有下降，分配率为75.87%，提高了17.35%，两者差异不显著（P＞0.05），好氧堆肥7～30d分配率随堆肥时间明显下降，好氧堆肥30d分配率降至42.12%，下降了34.85%，好氧堆肥30～60d分配率下降速度明显放缓，好氧堆肥60d分配率降至38.23%，相较与好氧堆肥30d，分配率下降了9.24%（见图2A）。还原态重金属Zn的分配率随着堆肥时间的推移先下降后上升，初始牛粪分配率为18.03%，好氧堆肥3d和7d时分配率分别降至10.79%、11.11%，两者差异不显著（P＞0.05），好氧堆肥30d后，分配率提升至24.61%，相较与好氧堆肥7d，分配率上升了13.5个百分点，堆肥中后期分配率有下降的趋势，好氧堆肥60d分配率为23.03%（见图2B）。氧化态分配率变化趋势与还原态类似，分配率随堆肥时间先下降后上升，初始牛粪分配率为15.12%，好氧堆肥7d时分配率降至11.47%，之后分配率逐渐上升，从好氧堆肥60d时分配率上升至35.53%，增速逐渐变慢（见图2C）。残渣态重金属Zn的分配率集中在1.22%～3.20%，有上升的趋势但幅度较小，好氧堆肥前中期的分配率差异不显著（P＞0.05），好氧堆肥60d是残渣态分配率为3.20%，可见重金属Zn的残渣态分配率受好氧堆肥的影响不大（见图2D）。重金属Zn的形态变化伴随着整个好氧堆肥的过程，升温期和高温期的变化更加剧烈。由于堆肥初期堆体温度较低，缺乏翻堆通风，积累了大量有机酸，堆体的pH值下降，导致重金属Zn的还原态和氧化态被活化，分配率下降，转化为可交换态，随着好氧堆肥的进行，合理的翻堆供氧使得牛粪中的有机质腐殖质化，产生的腐殖质中含有大量羧基、烯醇基、醌基等强吸附基团，与重金属Zn的结合更加紧密，使得可交换态向还原态和氧化态转化，好氧堆肥30d后，牛粪腐殖化变缓，重金属Zn的形态变化也随之变缓。3结论本试验以好氧堆肥为试验工艺，探讨牛粪在好氧堆肥过程中重金属Zn的总质量分数及不同形态的转化规律，为降低牛粪有机肥在还田利用过程中的潜在危害性提供理论依据。（1）好氧堆肥期间牛粪中重金属Zn的总质量分数从153.98mg/kg上升至226.22mg/kg，上升速率随堆肥时间逐渐下降。（2）可交换态重金属Zn在初始牛粪中的分配率最高，并随着好氧堆肥的进行先上升后下降，从64.65%上升至76.05%后降至38.23%，还原态和氧化态重金属Zn的分配率均随着堆肥时间的推进先下降后上