牛粪好氧发酵添加聚天冬氨酸固持氮素的机理

[目的]为有效控制堆肥过程中氮素流失,采用聚天冬氨酸(PASP)作为氮素固持材料,分步研究牛粪好氧发酵添加聚天冬氨酸固持氮素的效果及机理.[方法]首先,采用干湿分离牛粪为原料,设置不同PASP添加量处理[0 g/t (CK)、120 g/t (A)、240g/t(B)]进行堆肥试验,并针对堆体理化性质、氮素含量及腐熟度指标进行定期监测;其次,依据后期制备生物炭中PASP的担载量,设置堆肥过程空白生物炭(BC-80g/kg)、生物炭担载PASP (BP-80 g/kg)添加处理,堆肥初始时(第1天)及高温期结束时(第22天)时,采用扫描电镜(SEM)观察PASP形貌、傅里叶红外变换光谱(FTIR)表征官能团变化,X射线光电子能谱(XPS)表征氮素结合形态.[结果]堆肥初始时,相较于BC,BP表面出现颗粒化特征形貌;高温堆肥22天处理后,BP表面该形貌特征进一步被强化,且结合PASP添加组的堆体pH持续高于CK,表明堆肥过程中PASP未被完全分解;综合堆体理化指标、氮素含量变化及微观表征结果分析发现,PASP通过侧链—COOH与铵态氮形成络合结构,增加高温期堆体特别是堆肥第5～10天铵态氮含量(P＜0.05)的同时,增加了微生物对铵态氮的利用难度,导致其高温期积温较CK降低40.0℃～91.9℃,并促使其提前4.0～4.6天进入后腐阶段(P＜0.05),有效控制了高温期氮素的流失风险;堆体DOM(水溶性有机物)红外光谱分析结果表明,PASP促使堆体相对芳香化程度增强(P＜0.05),且基于其在高温期对氮素的固持作用,提升降温期微生物水溶性总氮供应能力,间接降低矿化作用强度,促进含氮有机物与芳香物质合成腐殖质,控制降温期的氮素损失风险;并最终表现为堆肥第39天时,PASP处理氨气累积挥发量显著降低26.62％～37.02％(P＜0.05),其全氮含量较堆前增加7.09％～13.64％ (CK下降1.23％,P＞0.05).[结论]PASP通过侧链—COOH与铵态氮络合作用及对堆体腐殖化程度的提升作用,综合控制氮素损失风险.同时,添加PASP可降低高温期积温,促使堆体提前4.0～4.6天进入后腐阶段,这也是其控制高温堆肥氮素流失的主要机制.对干湿分离牛粪好氧堆肥而言,PASP在120 g/t低用量时可获得较为理想的氮素截留效果.