ISPAD厌氧消化对氨挥发的影响从土壤肥料应用猪

文摘

猪的粪便被存储内好寒性的厌氧消化NH (ISPAD)进行蛋白质降解但有限₃挥发,产生一个废水富含plant-available氮。因此,ISPAD废水可以提供更高的肥料价值在土地应用程序中,与年龄相仿的粪便储存在一个开放的坦克。然而,这些额外的氮也可以失去挥发在土地的应用程序。因此,本研究的目的是测量NH₃挥发ISPAD和开槽猪肥料在应用到5个不同的土壤,即洗砂,Ste罗莎莉粘土,一个高地砂壤土,圣伯纳德壤土和Ormstown壤土。本研究使用实验室进行风洞模拟土地应用程序。五个实验土壤提供类似的pH值,但不同的持水量,阳离子交换能力、阳离子饱和,和有机物。47个小时的风洞监控后,可用氮(棕褐色或总量的%和NH₃)挥发性随肥料和土壤类型。对于所有土壤类型,NH ISPAD肥料不断损失能少点₃开槽肥料相比,平均减少了53%。低挥发性固体含量提高肥料渗透进入土壤和更复杂的离子解决方案解释ISPAD肥料的效果的优势。这是强化了圣伯纳德砂壤土失去对肥料氮的质量相同,因为它的高酸度和缓冲加上一个中间CEC导致更多的土壤溶液NH₃。在每个肥料类型、洗砂% TAN挥发性是最高的和最低的粘土。因此,ISPAD肥料可以提供超过21%的plant-available氮肥尤其是土壤肥料不纳入其应用。

1。介绍

存储内好寒性的厌氧消化(ISPAD)发生在肥料储罐和一个密封的封面时,厌氧微生物群落适应环境条件(1]。为牲畜在温带气候区域的业务,开发ISPAD可以释放肥料65%的潜在甲烷而降低挥发性固体24% (1]。而不是嗜中温、低温性厌氧消化沼气氨(NH的限制₃)的水平,尽管蛋白质的分解(2,3]。然而,当土地蔓延,经过处理的废水可能会失去大气守恒的总氮(棕褐色或可用和NH₃),导致净损失的氮降低肥料价值。

后土地蔓延,NH的挥发₃从猪的粪便- n取决于几个因素。有些是独立于粪便贮存、处置,如猪的饮食(4土壤)、方法应用程序(5)、应用时间(6),和随后的天气条件下(7- - - - - -9]。饮食操作减少蛋白质摄入降低肥料谭少挥发损失后土地应用程序(10]。从实地测量数据基础分析得出的结论是,北半球₃蒸发是成比例的肥料TAN和公布的比例保持不变7]。

NH的浓度,因此挥发₃也影响肥料的特点及其与土壤性质的交互。谭在NH的物种形成₃不仅取决于pH值和温度的肥料11,12),但也在其他电离物种的存在13]。土壤碱度和肥料缓冲能力可以改变pH值(11,14,15]。北半球₃物种形成平衡进一步影响土壤阳离子交换量(CEC)影响程度的自由(16]。此外,可以通过土壤溶液沉淀阳离子,尤其是钙吗^{2 +}和毫克^{2 +},生产方解石和鸟粪石(12]。

物理方面的土壤/堆肥系统也进行干预。较低的NH₃蒸发的结果高肥料渗透进入土壤,特别是当肥料具有低挥发性固体含量(8]。然而,肥料应用于干燥土壤失去水分释放NH₃(17]。

厌氧消化可以改变猪肥料的理化特性从而影响上述的几个因素。治疗嗜中温条件下,厌氧消化,猪肥料提供相同的NH率₃挥发后应用草原(18]。类似的比较,土壤pH值和后- n含量被认为是更有影响力的应用处理和未经处理的猪肥料裸露的土壤(19]。未经处理的肥料相比,NH₃挥发少22%,厌氧消化肥料应用于裸粉砂质粘壤土(20.]。

而类似的营养价值(N、P和K)发现猪肥料从所有类型的操作和在一些国家21- - - - - -23),设备利用率取决于最佳管理实践(24]。厌氧消化降解有机N释放TAN (2,25,26随时可供植物吸收。一旦土壤和肥料比未经处理的应用,消化废水被发现提供高等植物提供营养对小麦(27),玉米(28),和盖29日]。

因此,ISPAD可以提高肥料N肥通过最小化沼气NH价值₃内容比嗜中温系统,同时还提供所有的好处,厌氧消化和更高的plant-available n .因此,本研究的目的是比较NH的程度₃ISPAD之间挥发和生(未经处理或开槽)治疗猪肥料。这样做是通过模拟土地的应用都使用风洞技术和监测NH肥料₃释放与硼酸陷阱。五个不同实验土壤被使用,每个提供类似的pH值,但不同的阳离子交换量(CEC)、阳离子饱和水平,有机质含量和持水量。

2。材料和方法

2.1。实验肥料和土壤

2004年,全面猪肥料ISPAD成立于圣弗朗索瓦•泽维尔,魁北克,加拿大,使用圆形混凝土油罐直径30米,深3.66米,覆盖着一个密封的膜(GTI,弗雷德里顿、NB、加拿大)。ISPAD每周喂猪的粪便,被清空,每年的春天和秋天,除了0.3 - -0.6米的深度。2010年目前实验,从这个设施相比,12个月大的猪的粪便肥料实验猪的开槽设备麦克唐纳麦吉尔大学的校园,加拿大蒙特利尔。由猪喂一个标准的玉米和大豆配给,这两个肥料被认为是类似的固体和营养(21]。所有粪便样品收集在2010年3月使用sludge-judge装置获得复合试样代表平均深度和位置的坦克(1]。

根据标准方法(粪便样品进行了分析30.为固体、pH值、总凯氏氮(TKN)、总氨氮(TAN)和磷(P)和钾(K)的内容。总固体(TSs)测定干燥整个样本在一夜之间103°C (VWR谢尔登•制造模型1327 f,或者美国)。挥发性固体(VS)是由焚烧干样品在500°C两个小时(Barnstead Thermodyne模型48000年,爱荷华州,美国)。固定的固体(FSs)被计算为VSs的区别从TS。所有样本的pH值确定使用酸度计(康宁型号450,纽约,美国)。TKN、P和K消化测定样品的每个肥料与硫酸和50%过氧化氢在500°C 15分钟(加拿大哈希米西索加,Digesdahl模型23130 - 20日,)。次级样本digestate被用来量化P和K colorimetrically 7的pH值,使用分光光度计(哈希美国5000年博士模型,Loveland Clo)。TKN,次级样本的pH值调整到13使用氢氧化钠,和北半球₃NH - n含量测定₃敏感电极(猎户座美国波士顿质量)连接到一个酸度计(康宁型号450,纽约,美国)。总氨氮测定以同样的方式使用未消化的样本,调整后的pH值13。

五个实验土壤洗砂(s . Boudrias Inc .,拉瓦尔、QC、加拿大),Ste罗莎莉从Howick粘土,加拿大,蒙特利尔以西50公里;高地的砂质壤土Ste安妮·贝尔维尤,加拿大蒙特利尔岛西端的圣伯纳德壤土同样来自Ste安妮·德·贝尔维尤的西端蒙特利尔岛,并从Ormstown Ormstown壤土,加拿大,蒙特利尔以西70公里处。除了洗砂,收集土壤地表的3.9%的有机质含量最低。所有土壤和地面干之前筛选去除有机粒子大于6毫米。

所有实验土壤进行了分析使用标准的方法。浸泡24小时后等量蒸馏水,酸碱决心使用电极(31日]。有机质含量是决定样品在150°C干16个小时,使用马弗炉在375°C 16小时(32]。矿物质和微量元素测定首先通过提取Mehlich三世的解决方案,然后通过等离子体发射光谱法(33]。CEC是由饱和的样品使用醋酸铵溶液pH值7然后量化发布后添加氯化钠溶液(34]。后总凯氏氮测定硫酸/过氧化氢消化使用NH₃敏感探头连接到一个酸度计(猎户座,波士顿,美国)。土壤粒度分布决定使用比重计法(35]。重力水容量是衡量以前干次级样本在蒸馏水浸泡24小时,掩护下以防止蒸发。

2.2。实验风洞

氨挥发进行了测试使用五风洞为粪便传播模拟设计36]。测量2.0米长,进出风口和出口减速机的0.3和0.15 m,分别坐在土锅每个隧道测量1.5米长×宽0.1米×0.05米深(图1)。并行连接,每个风洞收到相同的新鲜空气的速度保持一致的内部空气速度为0.3 ms⁻¹。从每个风洞排气到3毫米聚四氟乙烯管(劳伦阀&配件有限公司,圣洛朗,加拿大)在北半球₃陷阱组成的250毫升0.32 HBO₃指标的解决方案在一个密封的500毫升瓶(37L的速度),6分钟⁻¹使用0.5千瓦真空泵(使惊讶型号0823,Wainbee有限公司Pointe-Claire QC,加拿大)。流米(Rate-MasterRMA-21-BV,模型,ITMSte-Anne-de-Bellevue QC,加拿大)调整每个风洞的气流线。

2.3。土地应用仿真

土地应用模拟ISPAD和开槽猪肥料测试在所有5个土壤类型一式三份,导致30模拟。为每个模拟使用所有五个风洞,7.5 L的准备土壤蔓延在每个锅和水被添加到使其含水量25%的重量容量。粪便样本的重量,然后迅速但一致应用于土壤手工模拟115公斤TKN公顷⁻¹。隧道很快被放置在盘子和气流立即开始。

挥发性NH₃测量后2、4、6、8、24和47小时,更换新鲜的酸陷阱。移除酸陷阱冷却分析前4°C- n与0.1盐酸滴定法(37]。氨挥发是计算的气流比酸陷阱和风洞,在一个恒定的环境空气温度21°C。

2.4。统计分析

所有统计分析使用SAS 9.2 (SAS研究所有限公司,2010年卡里数控、美国)。一式三份肥料和土壤特性是用来确定测量值之间的意义使用Student-Newman-Keuls方法在一个简单的基于一个完全随机设计的方差分析。北半球₃挥发的风洞测试使用一个随机完全区组设计,考虑肥料类型作为治疗因子和土壤类型的阻碍因素。NH依赖变量₃挥发。治疗被分配随机实验单位(风洞)和treatments-block组合都是一式三份完成。

3所示。结果与讨论

3.1。实验肥料和土壤特征

实验肥料的特点在表1。尽管类似的内容,VS: TS和VS: FS比率明显不同(),反映了低有机质含量ISPAD粪便的厌氧消化的结果。考虑到悬浮物的性质和挥发性固体肥料有类似水平的溶解固体,因此可以推断这ISPAD肥料相比减少了悬浮物从打开的坦克。

ISPAD和坦克肥料提供了类似的pH值和TKN开放,但是他们对:TS和褐色:TKN比率明显不同(和0.0407,分别地)在0.69和0.49,分别表示更大的蛋白质分解ISPAD肥料(2]。总磷和钾含量是相同的。NH的ISPAD肥料演示了一些损失₃抽样和运输期间,基于其TKN: FS比率相比,开槽的肥料。

这种异同的结合提供了一个风洞对比显著不同的特征的基础上的两个肥料115公斤TKN公顷⁻¹应用。类似TKN导致同样体积的肥料被应用,从而保护土壤持水量水平相似。类似的TS但不同和应用水平。肥料的棕色是最重要的区别,这是报告不影响% N挥发(7,19]。因此,ISPAD和开放的猪肥料的应用提供了一个棕褐色的79和56公斤公顷水平⁻¹。

实验土壤(表2)选择提供一系列的属性,说明了产生的分组Student-Newman-Keuls测试。有机物之间的相似的只有圣伯纳德壤土和Ste罗莎莉粘土;重力水容量是相似的高地砂壤土,圣伯纳德壤土和Ormstown壤土;CEC,粒度分布,特别是粘土含量,TKN在所有不同的土壤。pH值相似的圣伯纳德壤土和粘土Ste罗莎莉之间的6.9和6.8,分别,但不同的土壤pH值6.3至6.5。之间的质量平衡试图初始土壤和最终土壤肥料TKN含量不确定,因为应用肥料TKN要小得多。

3.2。氨挥发

北半球₃从所有5个土壤挥发性和两个实验猪肥料比较数据2(一个)和2 (b)。47小时后,ISPAD猪肥料损失大大减少晒黑,从8到37%的应用,而开放槽肥料失去了从25到61%。因此,ISPAD肥料损失从75年到谭少50%相比开放槽肥料,这取决于土壤类型。考虑到两个实验肥料提供类似的属性除了治疗之外,反映VS: TS和谭:TKN比率,减少NH厌氧消化被发现₃挥发。类似的结果在一个现场试验使用不同的作物种植在肥沃的土壤在德国(38]。与未经处理的粪便,厌氧消化粪便挥发性NH丢失₃相当于14.2与13%的总N应用,代表20与26%的棕褐色。

NH ISPAD肥料不仅遭受明显减少₃挥发损失超过47小时但也表现出损失的速度稳定在47小时而不是开槽的肥料。47个小时后,ISPAD肥料的速度失去了谭0.25 - 0.05% h⁻¹所有五个实验土壤,而开槽肥料失去TAN 0.25%至1.7的速度h⁻¹。

使用两个毫克NH的统计分析₃- n和% TAN挥发性表明,肥料和土壤类型的影响是重要的(对mg N和% TAN),没有明显的相互作用在这两种情况下的因素。肥料效应的重要性在mg N确认结果不受限于NH的空气饱和₃风洞内部,这将导致隧道之间的平等价值观尽管高% TAN损失。因此,剩下的结果将在% TAN挥发性。

过去的研究表明一个一致的% TAN挥发性为不同的应用程序,与其他因素保持不变。在目前的研究中,粪便处理的结果产生重大影响,因为两个肥料表现出相似的属性。厌氧消化粪便,减少NH的特定属性₃挥发低挥发性固体允许一种改进渗透进入土壤和更复杂的离子解决方案降低TAN NH物种形成₃(8,13]。

比较土壤类型、% TAN挥发性结果分组使用Student-Newman-Keuls方法,表明,对于每个肥料类型,从高地砂壤土挥发,圣伯纳德壤土,Ormstown壤土土系统计相似而Ste罗莎莉粘土和洗砂都明显不同。为每个肥料类型、挥发最高冲砂,中间的三个类似的土壤,和最低的Ste罗莎莉粘土,相同的分组观察H₂O容量和CEC。

探索性块% TAN挥发性与每个土壤性质还显示模式表明线性关系持水量、CEC和阳离子饱和。这些关系检查使用2的阶乘,而不是封锁了实验设计,比较了定性而不是定量土壤类型值。各种组合显示显著影响的持水量和CEC (),但只有当单独考虑。只有两个肥料的使用类型分析的范围有限,但有趣的引导未来研究建议提取相关的数值方程适当的肥料和土壤特征% TAN挥发性。

表3总结了%和质量(公斤公顷⁻¹谭)挥发性在47个h为每个manure-soil组合。ISPAD肥料被发现失去比开槽肥料谭少46%。洗沙失去了最% TAN而Ste罗莎莉粘土失去了至少33%不到洗砂。3中间土壤损失了大约54%的TAN洗砂相比。有趣的是,圣伯纳德壤土失去NH的质量相同₃- n对肥料类型,可能是因为它的高pH值和缓冲相比其他土壤和平均CEC,导致更多的土壤溶液NH₃。因此,ISPAD肥料受益的综合效应低挥发性固体(VSs)和一个更复杂的离子解决方案降低TAN NH物种形成₃导致低挥发更高水平的plant-available氮(39]。

3.3。ISPAD粪便肥料N的值

因为营养管理严格要求的计划在北美,魁北克环境部已经产生了详细方法计算肥料肥料(价值34,40]: CEFO哪里有机分数效率因素基于C: N比率,简历是挥发的因素基于土地使用方法,这是基于应用程序的可用性因素日期(春季和秋季),和CP是基于多年的前应用因素肥料应用。

使用(1),两个实验计算肥料,假设三种可能的情况下选择来说明全面的情况:案例1开门将肥料立即合并到一个粘土土壤支持行作物,在春天;案例2开门在48小时内到公司的肥料为砂壤土土行作物,在初夏;案例3开门粪便留在表面的砂质壤土土支持一种秣草地,在秋天。在所有情况下,为简单起见,没有先前假定应用于肥料领域,因此CP = 1。为肥料,C: N比率在6到10的范围:1被认为,基于VS和TKN值(表1)。的CV值ISPAD肥料修改使用的比率0.53通过比较NH获得₃挥发性ISPAD和开放之间的坦克肥料在表3:

由此产生的肥料N值总结表4证明在案例1中,代表理想的肥料土地条件、ISPAD肥料适度利用6%开坦克肥料。这种优势增加到18%在第二种情况下粪便传播在陆地上然后在48小时内注册。情况3,没有练习土壤掺入,ISPAD肥料提供最高21%的优势。因此,同样的P含量,ISPAD肥料可以提供21% plant-available N比公开的坦克肥料,从而减少所需的矿质氮等量的充值。

4所示。结论

本研究的目的是比较北半球₃挥发潜在猪的粪便被一个五岁存储内好寒性的厌氧消化系统(ISPAD),从一个开放的坦克。研究模拟领域蔓延在实验室使用风洞和五个土壤提供不同的结构和化学性质。

研究显示如下。(我)所有实验土壤,ISPAD肥料的% TAN挥发性低于平均46%,从一个开放的坦克表明厌氧消化的有益作用,如降低挥发性固体反映了悬浮物浓度,提高渗透和产生一个更复杂的离子解决方案降低TAN NH物种形成₃。(2)持水量和阳离子交换能力是最重要的土壤参数影响北半球₃挥发。(3)ISPAD开放槽肥料提供了一个谭:TKN比率为49%和69,分别;再加上NH较低₃ISPAD肥料挥发,因此可以增加多达21% plant-available N P和K值,相比开坦克肥料。

进一步的研究需要更清楚地识别的参数ISPAD NH肥料促进其低₃蒸发在土地蔓延。

确认

作者希望承认的财务贡献加拿大自然科学和工程研究委员会,土工膜技术有限公司的弗雷德里顿NB,加拿大,和Coop Federee(加拿大蒙特利尔)的技术贡献Consumaj Inc . Ste-Hyacinthe, QC,加拿大和爱丽丝Cherestes博士的个人贡献。

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