畜禽粪便堆肥过程溶解性有机质组成与重金属变化研究

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近年来,我国畜禽养殖业发展迅速,畜禽粪便排放量迅速增加,堆肥技术通过对畜禽粪便的减量化、无害化和资源化,较大程度地减轻了其对环境的危害。但是由于畜禽养殖中大量微量元素的添加,导致堆肥产品中重金属含量较高,在堆肥产品施入农田土壤后对土壤及农产品质量造成一定的影响。溶解性有机质(Dissolved organic matter,DOM)作为堆肥有机质中最活跃的部分,能反映出堆肥过程中有机质的结构演变,且堆肥DOM成分复杂,其组成和结构在堆肥过程中会发生分子聚合度、芳构化和腐殖化变化等,从而影响重金属的含量变化。本文以合肥郊区规模养殖场猪粪、牛粪和鸡粪为研究对象,通过室内模拟堆肥方法,对堆肥过程中不同阶段的堆肥样品提取DOM,通过Leenheer改进法将DOM分成五种组分:疏水酸性组分(HOA)、疏水中性组分(HON)、疏水碱性组分(HOB)、亲水性组分(HIM)和酸不溶组分(AIM),采用元素分析、紫外光谱技术研究堆肥DOM不同组分的组成及变化,通过元素组成、分子结构及官能团等微观方面分析堆肥DOM转化规律,更好地揭示DOM与重金属的作用机理。主要研究结果如下:(1)经过70d的堆肥后,三种堆肥DOM的含量有所增加;随着堆肥的进行,在堆肥DOM的5种组分中,疏水性组分(HOA、HOB、HON)、酸不溶组分AIM含量均增加,而亲水性组分HIM减少,经过堆肥后,三种堆肥DOM中疏水性物质相对含量增加,而亲水性物质相对含量减少,即DOM的疏水性增强了。随着堆肥的进行,在三种堆肥中,疏水酸性组分HOA的含量(质量分数)先降低后增加,至堆肥结束时,HOA的含量最高,因HOA可视为富里酸类物质和胡敏酸类物质,堆肥过程中这类物质的增加显示腐殖质类物质不断增多。(2)三种堆肥DOM在堆肥时的元素组成变化各不相同:牛粪堆肥过程DOM C含量、C/N呈下降趋势,N元素含量整体比较稳定,H和O含量都呈现先增加后降低的趋势;猪粪堆肥DOMC含量下降,N元素含量先降低后增加,H和O元素含量前期略有上升,在堆肥后期呈现下降的趋势;鸡粪堆肥DOM C元素含量下降,N含量下降幅度大于牛粪和猪粪,H元素含量整体呈现下降的趋势,O含量先上升后下降。(3)通过对紫外-可见光图谱分析发现:不同堆肥DOM及各组分的SUVA254、SUVA280均随着堆肥的进行呈增加趋势,说明堆肥DOM及各组分的腐殖化程度、芳香性及分子量均有不同程度的提高,牛粪、猪粪、鸡粪DOM及其组分中的非腐殖质物质经过70d的堆肥后逐渐转化成腐殖质物质;对E465/E665、E253/E203的相关性分析结果表明,随着堆肥的进行,五种组分均达到腐熟状态,其中AIM腐熟度最高,HOA稍低,HIM最低。(4)在堆肥过程中,牛粪、猪粪、鸡粪堆肥DOM及各组分中重金属含量变化各异。整体而言,Zn在三种堆肥DOM及HOA、HOB、HON、AIM等组分的含量最高,Cu、Fe含量居中,三者含量随堆肥时间变化而变化,而As、Cd的含量最低,且As、Cd的含量在堆肥过程中几乎无明显变化;对比三种堆肥DOM及各组分中Cu、Zn、Fe含量,以猪粪DOM及各组分中Cu、Zn、Fe含量较高,说明其比牛粪、鸡粪DOM及各组分对重金属的配位结合能力更强;而在堆肥DOM的5种组分中,Cu、Zn、Fe在三种堆肥组分HOA、AIM和HIM中有不同程度的富集,而HOA和AIM含量随堆肥的进行而增加也导致了重金属在堆肥中的富集。
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