基于氮稳定同位素技术揭示牛粪储藏过程氨挥发量及氮素损失控制研究

Based on nitrogen stable isotope technique, we measure ammonia voilitation and nitrogen isotope composition of manure during simulated storage, and build the relationship between nitrogen isotope composition of cattle manure and ammonia emissions. This work is base for accurate and practical measurement of manure ammonia emission by isotope thchnique in cattle farm. Combined with the application of urease inhibitor, biochar and lignite to manure, we quantify the reduction of ammonia emissions of manure under these treatments during simulated storage, analysis the benefit/cost ratio of different measures, then put forward the feasible control measures. According to situation of low temperature environment in Qinghai, we introduce Gore cover film, determine the basic physiochemical data and δ15N of NH4+-N, and study the mechanism and effect and of the cover on manure ammonia emission, put forward the possibility of cover film technique for reduction of ammonia emission and improvment of fertilizer value in Qinghai. This research can provide the scientific information in theory and practice for production of rich nutrient bio-organic fertilizer and reduction of ammonia emmission in large scale cattle farms of Qinghai Province.

本项目立足青藏高原规模化奶牛养殖场废弃物处理，应用氮稳定同位素技术，模拟研究牛粪储存过程中氨挥发量动态变化过程及其牛粪氮同位素组成，建立氨挥发量与牛粪氮同位素组成之间的关系，为养牛场应用同位素技术确定牛粪累积氨排放量奠定基础；通过添加脲酶抑制剂、褐煤、生物质碳等物质研究牛粪储存过程中降低氨挥发的最佳调控措施及经济效益分析；同时针对青海省环境温度较低的现状，引进Gore半渗透膜，获取牛粪和小麦秸秆好氧堆肥过程中基础物化数据和铵态氮δ15N值，研究不同环境温度下堆肥过程中覆盖Gore半透膜对牛粪氨排放和氮转化过程的影响机制，探讨覆膜技术对减少气体排放和保留粪肥有效养分的可行性。研究结果预期为规模化养殖场畜禽粪便转变成高附加值生物有机肥、有效减轻环境污染提供理论与实践依据。

随着高原畜禽集约化和规模化程度提升，畜禽粪便排放的氨气和温室气体造成了一系列的环境问题。畜禽粪便氨排放是人为氨排放的主要来源之一。本研究测定牛粪模拟存储期间NH3、CO2和CH4排放速率及其不同改良剂处理下氨气和温室气体减排技术措施，应用氮稳定同位素技术，建立氨挥发量与牛粪氮同位素组成之间的关系。牛粪模拟储存期间NH3排放速率第1天至第3天迅速上升，模拟装置日均排放达84.52 mg d-1，之后逐渐下降，至第27日氨挥发降到12.1 mg d-1。牛粪储存期模拟装置NH3累积排放量达934.7 mg，即牛粪总氮素含量损失8.7g.kg-1，氮素总损失量约为28.4%。其中累积氨挥发量占牛粪总损失氮含量的34.84%。牛粪中NH3累计挥发量和牛粪δ15N值相关性进行拟合得到如下方程式：Y=exp（2.453-40.022/XCK），其中XCK为NH3挥发量（mg）,Y为牛粪中δ15N值。相关系数R=0.87说明在牛粪储存期间牛粪中NH3的累计排放量和牛粪中δ15N值呈现出较强的相关性，可以通过测定牛粪δ15N值预测牛粪中累计氨排放量。本研究采用8种处理方式降低牛粪中氨挥发量，发现牛粪中添加化学改良剂氯化铁、明矾和生物改良剂（NBPT+DMPP）可有效抑制氨排放，氨气抑制率分别达到52.2%，42%和33%，即与不处理CK对比，三种添加剂可减少1/3-1/2的氨气排放量。如综合考虑不同处理对牛粪NH3、CO2和CH4三种气体的减排作用，发现牛粪添加NBPT+DMPP综合减排效果最好。调查显示目前青海省西宁市和海东市规模化养殖场年存栏66万头牛，若用NBPT+DMPP对牛粪进行预处理每年可减少222.1吨NH3排放，1.68万吨CO2和80.70吨CH4排放量，对粪肥的资源化利用和环境保护起到很好的作用。但考虑到NBPT/DMPP成本，实际大规模应用存在一定困难，后来课题组寻找低成本的技术措施，发现榄仁叶浸出液（添加硝化细菌和磷酸二氢钾2g L-1）或青贮饲料汁水稀释液喷洒在牛粪牛尿堆积处，能有效降低粪尿氨排放。实验证明原料易得，成本低，绿色无公害，操作方法简单，除氨效果显著持久，适合大范围推广。研究成果为青藏高原地区规模化养殖厂粪肥氨气、温室气体减排，粪肥保氮和环境保护提供必要的调控措施和科学依据。