微電極測(cè)量技術(shù)

使用四個(gè)微電極（DO、ORP、NO??和NH??）研究堆肥期間豬、牛和雞糞便顆粒內(nèi)部化學(xué)分層。DO濃度剖面使用Clark型微電極（尖端直徑20-30μm,OX-25,Unisense）獲得。DO微電極兩點(diǎn)校準(zhǔn)使用O?飽和水和N?鼓泡水。顆粒中ORP微剖面使用ORP微電極（RD-25,Unisense）和參比電極（REF-25,Unisense,尖端直徑20-30μm）測(cè)量。ORP微電極校準(zhǔn)使用pH=4和pH=7緩沖溶液各100 mL混合1 g醌氫醌。NO??和NH??液態(tài)離子交換膜微傳感器在實(shí)驗(yàn)室制備。微傳感器液膜中NO??和NH??離子載體來(lái)自Fluka（Sigma-aldrich,USA）。詳細(xì)制備程序如前所述。NO??和NH??微電極在測(cè)量前于NH??和NO??稀釋系列（10?2至10??mol/L）中校準(zhǔn)。

在三個(gè)堆肥反應(yīng)器中于第0天、第10天、第20天和第30天四個(gè)不同時(shí)期取畜禽糞便樣品。使用四個(gè)微電極原位測(cè)量糞便顆粒2 mm深度表層中DO、ORP、NO??和NH??濃度。四個(gè)微電極與計(jì)算機(jī)化深度控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MicroProfiling System,Unisense）結(jié)合。微電極通過(guò)計(jì)算機(jī)控制微操縱器分別降入糞便顆粒。所有測(cè)量在糞便顆粒中以20μm間隔進(jìn)行。每次測(cè)試前微電極校準(zhǔn)。微電極空間分辨率約兩倍尖端直徑。基于菲克第一擴(kuò)散定律J=-Ds dC/dx（J：凈通量；Ds：化合物C在水中的分子擴(kuò)散系數(shù)；dC/dx：顆粒表面邊界層濃度梯度）計(jì)算糞便顆粒中氧氣凈通量。使用先前研究的氧氣擴(kuò)散系數(shù)（2.24×10??cm2/s）。

結(jié)果

銨離子在糞便顆粒微剖面中的分布

豬糞和雞糞原始樣品的碳氮比接近（分別為8.0和8.3），但它們的NH?排放速率差異顯著。堆肥30天內(nèi)，雞糞的NH?累積排放量（189.4 mmol）遠(yuǎn)高于豬糞（59.2 mmol）和牛糞（12.3 mmol）。這一結(jié)果與三種糞便中NH??/NH?含量的順序一致。通過(guò)NH??微電極原位檢測(cè)，糞便顆粒內(nèi)部NH??濃度的空間差異不顯著。這一發(fā)現(xiàn)可能歸因于NH?揮發(fā)和液相再吸收的動(dòng)態(tài)平衡。

盡管生物氨化作用釋放大量NH??/NH?到液相中，但三種糞便中的NH??/NH?含量隨NH?排放在初始期同步下降。氨化作用也提高了三種糞便的pH值。前10天內(nèi)，豬糞的pH值從8.1升至9.0，牛糞從8.0升至8.6，雞糞從8.4升至9.4。pH值的升高顯著促進(jìn)了NH??/NH?池中NH??向NH?的轉(zhuǎn)化，并增加了NH?排放。此外，前10天內(nèi)，豬糞水分減少59.1%，牛糞減少51.7%，雞糞減少64.9%。同時(shí)，隨著培養(yǎng)溫度從20°C升至55°C，NH?在水中的溶解度從520 g NH?/kg水降至200 g NH?/kg水。由于水分損失和溫度升高，前10天內(nèi)豬、牛和雞糞的最大NH?溶解能力分別降低了84.3%、81.4%和86.5%。因此，雞糞中NH??/NH?含量從771.6 mg/kg降至312.1 mg/kg，豬糞從450.8 mg/kg降至184.5 mg/kg，牛糞從10.1 mg/kg降至6.4 mg/kg。故氨化作用、水分損失和溫度升高是嚴(yán)重NH?排放的重要原因。

二氧化碳和甲烷排放動(dòng)態(tài)

溶解有機(jī)物是堆肥基質(zhì)中微生物的直接碳源。整個(gè)測(cè)試期間，雞糞的溶解有機(jī)碳含量（47.6至30.1 mg/g）始終高于豬糞（29.7至16.3 mg/g）和牛糞（31.7至10.6 mg/g）。溶解有機(jī)碳含量的顯著下降主要?dú)w因于三種糞便中溶解有機(jī)物的快速生物降解。溶解有機(jī)碳含量與堆肥物的生物穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。這意味著第30天時(shí)，牛糞在三種糞便中穩(wěn)定性最高。

CO?排放速率的演變表明，三種畜禽糞便的礦化速率隨堆肥時(shí)間顯著下降。前15天內(nèi)，豬糞的CO?產(chǎn)生速率降低了90.4%，雞糞降低了85.6%，牛糞降低了81.6%。這一結(jié)果可能與可用有機(jī)物含量和水分減少有關(guān)。整個(gè)測(cè)試期間，豬、雞和牛糞的CO?累積排放量分別為62.0 g、41.9 g和16.9 g。

三種動(dòng)物糞便的CH?排放主要發(fā)生在堆肥初期。這一結(jié)果也得到了先前文獻(xiàn)的支持。盡管豬糞在三種動(dòng)物糞便中CO?排放速率最高，但雞糞在初期CH?排放速率最高。豬、雞和牛糞的CH?排放速率峰值分別出現(xiàn)在第2天（187.2 mg/d）、第5天（226.9 mg/d）和第10天（87.5 mg/d）。培養(yǎng)期間，豬、雞和牛糞的CH?累積排放量分別為819.0 mg、711.1 mg和676.7 mg。由于甲烷在嚴(yán)格厭氧環(huán)境中產(chǎn)生，三種糞便的甲烷生成表明其內(nèi)部存在厭氧環(huán)境。