农业废弃物资源化利用研究
1. 农业废弃物现状
1.1 农业废弃物现状
1.1.1 农业废弃物的主要来源
- 随着我国农牧业相关产业规模扩大，产生的农业废弃物日益增多，主要包括畜禽粪便和作物秸秆。
- 这些废弃物若不妥善处理，将给生态环境和人畜健康带来负面影响。
1.1.2 农业废弃物的资源化利用
- 畜禽粪便和作物秸秆含有大量可供利用的有机物质，经加工后可作为有机肥使用。
- 我国近10年（2009-2018年）水稻秸秆和氮磷钾（NPK）养分资源年均量分别达到1.69×108t和452.09×104t，表明秸秆资源丰富。
- 堆肥化是秸秆与畜禽粪便资源化应用较为普遍与成熟的方法，具有造价低、无毒无害化程度高、单次处理容量大等优点。
1.2 堆肥概述
1.2.1 堆肥的定义
- 堆肥化是指在一定的条件下利用微生物进行有效地控制腐殖质转化的生物化学过程，也是一种发酵过程。
1.2.2 堆肥的优势
- 堆肥化处理后堆体所含的营养物质比较丰富，肥效长而稳定，有利于促进土壤固粒结构的形成，增加土壤保持水肥的能力，使得土壤更加透气保温。
1.3 堆肥中氮转化研究现状
1.3.1 氮素转化过程
- 堆肥化过程中涉及一系列的氮素转化反应，包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化作用和硝酸盐异化还原为铵等过程。
1.3.2 氮素损失的影响因素
- 畜禽粪便堆肥过程中氮损失受多种参数影响，如微生物活性、堆肥材料含水率、碳氮比和初始氮含量等。
1.3.3 厌氧氨氧化过程的研究现状
- 厌氧氨氧化作为氮素损失的主要途径之一，在海洋、淡水、人工湿地、植物土壤和再循环水产养殖系统等多种环境的氮循环过程中普遍存在。
1.4 研究的目的与意义
1.4.1 研究目的
- 减少堆肥中氮素损失是农业固体废弃物资源化处理中的技术难题，限制了堆肥产品质量的提升。
- 厌氧氨氧化是氮素循环中重要的脱氮途径之一，在堆肥过程中可能导致氮素的流失，从而降低堆肥产品的质量。
1.4.2 研究意义
- 深入研究堆肥中厌氧氨氧化作用，丰富氮循环理论，为提高堆肥质量提供科学参考。
2 实验材料与方法
2.1 堆肥的原料及原料处理
- 实验材料：牛粪来自哈尔滨市幸福乡奶牛养殖场，水稻秸秆来自哈尔滨市香坊区东北农业大学实验实习基地。
- 实验以干牛粪及水稻秸秆按质量（干重）比为6.25：1的比例进行混合并堆肥。
2.2 堆肥样本的采集
- 堆肥共持续33天，分别在0天、1天、2天、14天、19天和33天进行取样。
- 取样方式为五点取样法，在深度分别约为30 cm、120 cm和200 cm取样后混合均匀。
2.3 实验试剂与仪器
- 实验试剂包括蒸馏水、去离子水、K2Cr2O7、Fe2SO4、NaOH、KCl、NaCl、H2O2、无水乙醇、硼酸、浓硫酸、浓盐酸、磷酸氢二钠、磷酸钠、次氯酸钠、焦磷酸钠、酒石酸钾钠、次氯酸钠碱性溶液、苯酚溶液、乙酸、乙酸钠、硫酸铵、硝酸钾、联氨标准液、对二甲氨基苯甲醛、邻啡罗啉指示剂等。
- 试验仪器包括数显电子温度计、电子分析天平（ES-3）、高温高压灭菌锅（YXQ-LS-50S11）、恒温水浴锅（HH-W0-2L）、数显鼓风干燥箱（GZX-9240）、实验室样品粉碎机（20B）、Sartorius pH计（PB-10）、自动元素分析仪（美国LECOCHNS-932，120）、紫外分光光度计（TU-1810）、DDS-307A电导率仪、流动注射分析仪（FIAstar 5000，丹麦福斯）、酶标仪、实验室常用玻璃仪器（烧杯、容量瓶、锥形瓶等）。
2.4 堆肥理化性质的测定
2.4.1 基础理化参数测定
- 温度（Temperature）测定：通过放置在堆体中心的数显温度计探头，分别在早（8：00）、下午（15：00）记录堆肥温度。
- pH值：取样品3.000 g，加入30 mL去离子水，置于锥形瓶中，在空气浴振荡器上震荡（220 r/min）24小时，将浸提液过滤后，使用Sartorius pH计（PB-10）测量，记录数值。
- 含水率（Moisture Content）测定方法：采用烘干恒重法。根据公式：含水率=（（m3-m1）/m2）×100%，计算各堆肥时期样品含水率。
- 总氮（Total Nitrogen，TN）测定方法：采用自动元素分析仪测定（美国LECO CHNS-932，120）。
- 总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）测量方法：总有机碳采用重铬酸钾湿式氧化法测定总有机碳（TOC）。
- E4/E6测定方法：将堆肥样品与去离子水按1：10（质量浓度比为3 g，30 ml）的比例混合。在振荡培养箱中振荡2 h，振荡结束后静置3 min，用紫外-可见分光光度计测得波长在465 nm和665 nm的吸光值，两处吸光值的比值即为E4/E6。
- 电导率（Conductivity，EC）测量方法：精准度测定：用0.01 mol·L-1的标准KCL溶液。使用电导率仪测定标准KCL溶液的电导率，证明该电导率仪精准。然后样品与去离子水比例1:5，取4.00 g未风干样品于50 ml离心管中，加20 ml去离子水，放在空气浴振荡器上200 r/min、25℃，40 min，取出后离心，5000 r/min，5 min。取出后过滤，将滤液放置于新的50 ml离心管，而后放在25℃水浴锅中15 min，取出后立即测EC。
- 种子发芽指数（Germination Index，GI）测量方法：按照1：10的比例混合堆肥样品和灭菌水，充分震荡，25 ℃下浸提24 h后过滤，吸取5 mL滤液，加到铺有滤纸的培养皿中。每个培养皿中分别点播20粒颗粒饱满的小白菜种子，放置在25 ± 1℃培养箱中避光培养，48 h后测各组的种子发芽长度，并用加去离子水的空白组作为对照。按照公式：GI= ，计算种子发芽指数。
- 氨气测定方法：采用硼酸吸收法。
2.4.2 厌氧氨氧化相关指标测定
- 铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）测定：通过流动注射分析仪（FIAstar 5000，丹麦福斯），使用浸出液（2 mol/L KCL，比例为1:10，在150 rpm下振荡30 min）测量NH4+-N和NO3--N。
- 亚硝态氮（NO2--N）测定：称取2 g鲜样，用2 mol /L KCl震荡浸提1 h，浸提液过滤后，使用分光光度法测定氮素含量。
- 联氨（N2H4）、羟胺（NH2OH）测定方法：称取2 g鲜样与20 ml去离子水混合，于振荡培养箱中振荡浸提2 h，浸提液过滤后分别使用对二甲氨基苯甲醛比色法，硫酸铁铵-邻菲罗啉分光光度法进行测定。
- 联氨合成酶（HZS）测定方法：使用HZS酶联免疫试剂盒进行相关酶活测定。
