Cattle manure biochar and earthworm interactively affected CO2 and N2O emissions in agricultural and forest soils: Observation of a distinct difference

• Earthworms increase CO₂ and N₂O emissions in agricultural and forest soil. • 10% biochar suppresses CO₂ and N₂O emissions in forest soil. • Biochar interacted with earthworm to significant affect CO₂ and N₂O emissions. The application of manure-derived biochar offers an alternative to avoid the direct application of manure to soil causing greenhouse gas emission. Soil fauna, especially earthworms, can markedly stimulate carbon dioxide (CO₂) and nitrous oxide (N₂O) emissions from soil. This study therefore investigated the effect of cattle manure biochar (added at rates of 0, 2%, or 10%, coded as BC0, BC2 and BC10, respectively) application, with or without earthworm Aporrectodea turgida, on emissions of CO₂ and N₂O and changes of physic-chemical properties of agricultural and forest soils in a laboratory incubation experiment. The BC10 treatment significantly enhanced cumulative CO₂ emissions by 27.9% relative to the untreated control in the agricultural soil. On the contrary, the BC2 and BC10 treatments significantly reduced cumulative CO₂ emissions by 16.3%–61.1% and N₂O emissions by 92.9%–95.1% compared to the untreated control in the forest soil. The addition of earthworm alone significantly enhanced the cumulative CO₂ and N₂O fluxes in agricultural and forest soils. Cumulative CO₂ and N₂O fluxes were significantly increased when BC2 and BC10 were applied with earthworm in the agricultural soil, but were significantly reduced when BC10 was applied with earthworm in the forest soil. Our study demonstrated that biochar application interacted with earthworm to affect CO₂ and N₂O emissions, which were also dependent on the soil type involved. Our study suggests that manure biochar application rate and use of earthworm need to be carefully studied for specific soil types to maximize the climate change mitigation potential of such management practices.     

生物炭和有机肥对菜地土壤N2O排放及硝化、反硝化微生物功能基因丰度的影响

通过室内培养试验和实时荧光定量PCR技术,研究了田间施用生物炭和有机肥对菜地土壤氧化亚氮(N_2O)排放、氨单加氧酶(amo A)和亚硝酸盐还原酶(nir S、nir K)、氧化亚氮还原酶(nos Z)基因丰度的影响,并探讨功能基因丰度对N_2O排放的影响.试验设置5个处理:CK(对照)、N(尿素)、N+BC(尿素和生物炭)、N+M(尿素和有机肥)和N+BC+M(尿素、生物炭和有机肥).结果表明,与CK处理相比,各施肥处理均降低了土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)丰度,增加了nir K、nir S和nos Z基因丰度,并提高了培养期间N_2O累积排放量.与N处理相比,N+BC处理的土壤p H值提高了11.1%,并增加了AOB、AOA、nir S、nir K和nos Z基因丰度,增幅分别为105.8%、57.3%、22.0%、176.2%和204.9%,同时显著降低了培养期间N_2O累积排放量,降幅为58.1%;N+M处理增加了nir K和nir S基因丰度,增幅分别为58.8%和7.1%,对N_2O排放的影响不显著;N+BC+M处理增加了AOB、nir K、nir S和nos Z基因丰度,增幅分别为30.7%、68.7%、6.5%和84.5%,降低了N_2O累积排放量,降幅为14.4%.生物炭通过增加amo A、nir S和nir K基因丰度间接增加N_2O排放,同时通过增加nos Z基因丰度促进N_2O还原,综合效应表现为降低了菜地土壤N_2O排放.因此,通过施用生物炭改善土壤性质,增加功能基因丰度,降低土壤N_2O排放,是一种较好的N_2O减排措施.施用有机肥可以增加反硝化作用功能基因丰度,但对N_2O减排效果不显著.     

蛋鸡粪便理化指标与其肥料成分含量相关关系研究

为了寻找快速、简便、精确地测量液体蛋鸡粪便中总氮(TN)、总磷(TP)、有机物(OM)、铵态氮(AN)和总钾(TK)含量的方法,研究了采样前将样品搅拌或静置对所取样品代表性的影响,并用75份生长期为4～6月龄蛋鸡的液体粪便样本建立了密度(SG)与TN、TP、OM,电导率(EC)与AN和TK的一元线性回归模型以及SG、EC、pH与TN、TP、OM、AN和TK的多元线性回归模型.结果表明,对于TN、TP、OM、AN,采样前将样品充分搅拌是获得代表性样本的前提条件,而搅拌与否并不影响TK代表性样本的获得.SG与TN、TP、OM,EC与AN和TK均存在显著的线性相关性(P＜0.001),模型的决定系数(R2)均较高,分别为0.94,0.94,0.95,0.94和0.94,多元线性模型的决定系数高于一元线性模型的决定系数.用另外15份样本对5个一元线性回归模型进行验证,并对模型系数b和常数项a进行t检验,得出在显著水平α=0.05上,假设Ha0:(a)=0和Hb0:(b)=1全部接受.由此认为,SG与TN、TP和OM,EC与AN和TK所建立的一元线性回归模型均具有较好的预测效果.     

鸡粪与麦秆混合厌氧发酵环境中各因子响应关系研究

为了探究发酵过程中各因子之间的相互响应关系,以鸡粪和麦秆为发酵原料,利用Canoco4.5软件对鸡粪/麦秆不同比例混合发酵条件下不同发酵阶段内各因子进行分析,以阐明各发酵阶段内因子间的相互影响关系.结果表明:当鸡粪/麦秆以5∶5的比例混合时,能获得最佳单位甲烷产量(90.56 m L·g-1,以VS计).在整个发酵过程中甲烷产气速率表现为先升高再降低的趋势,将其根据产气速率的大小划分为3个阶段,分别为第Ⅰ阶段(预备期)、第Ⅱ阶段(高峰期)、第Ⅲ阶段(消退期).不同发酵阶段影响单位甲烷产量的主效因子有一定的差异性,其中,第Ⅱ阶段的主效因子为发酵基质的C/N,第Ⅲ阶段为p H值.各发酵阶段因子间相关性各异,第一阶段因子间相关性最强,此后相关性逐渐降低.因此,针对不同阶段各主效因子分别进行控制,能够有效提高发酵效率.     

循环经济理念下畜禽废弃物的资源化

运用循环经济理论,针对畜禽排泄物治理和科学利用,提出了畜禽粪便减量化、资源化措施。畜禽粪便作为新的资源在降低自然资源消耗的同时,给农业经济增长提供了有力的支撑。在循环经济模式下,人、畜禽养殖与生态环境之间互动影响已不再是破坏生态环境、限制经济发展的障碍,而是表现为一种社会、经济和环境"共赢"的有利局面。     

花卉秸秆和牛粪联合堆肥的中试研究

以花卉废物和牛粪为原料 ,进行了温度反馈的通气量控制联合堆肥的中试研究 .一次发酵采用静态好氧床进行 ,过程控制采用温度反馈通气量控制方法 ,周期 2 0天 ;二次腐熟采用周期性翻堆 ,周期 4 0天 .试验分析了堆肥过程中堆体温度、水分、pH值、有机质、湿重、干重、体积、湿容重、干容重等指标随时间的变化特征 ,结果表明 :采用温度反馈通气量控制的静态好氧堆肥技术进行花卉废物和牛粪的联合堆肥可以有效控制堆肥过程 ,实现有机物料的快速稳定和去除水分 .     

鸡粪与中药渣共堆肥对抗生素抗性基因的影响

畜禽粪便是抗生素抗性基因(antibiotic resistant genes,ARGs)进入环境的重要途径,为了削减畜禽粪便中的ARGs,在为期46 d的鸡粪与中药渣共堆肥后,对不同阶段ARGs和可移动基因元件(mobile gene elements,MGEs)的丰度通过实时定量PCR进行检测. 100种ARGs中检测到21种,以及2种整合酶基因(int I1和int I2)和3种转座酶基因(tnp A-01、tnp A-02和tnp A-03).结果表明,在堆肥过程中5种MGEs均显著降低,其中tnp A-01和tnp A-02去除效果最好,减少了两个数量级;氨基糖苷类抗性基因aac A/aph D和aad E显著性降低(P 0. 05);β-内酰胺类抗性基因bla OXA1与堆肥天数显著相关(P=0. 016),其去除率为78. 63%;林可酰胺类抗性基因均随堆肥时间显著降低,平均去除率为90. 39%;四环素类抗性基因的去除效果相差较大,tet G降低了99. 77%,tetR仅降低了31. 72%;喹诺酮类抗性基因qnr D去除率最高为99. 89%;磺胺类中sulⅢ的去除率高达99. 88%,而sulⅠ呈增长趋势. ARGs与MGEs相关性表明tnp A-01与ARGs之间具有显著相关性(P 0. 05). ARGs随堆肥时间的变化趋势表明,中药渣与鸡粪共堆肥可显著降低ARGs丰度,从而降低畜禽粪便在农田施用中ARGs扩散的风险.     

能源微藻Chlorella vulgaris培养响应面优化及CO2联合沼液低成本培养的可行性

为了提高能源微藻Chlorella vulgaris的固碳产油性能和进一步降低其培养过程培养成本,本研究在单因素结果的基础上,通过响应面法对其进行了优化;并在优化后的条件下,探讨了采用15% CO₂联合沼液替代传统培养基BG-11培养Chlorella vulgaris的可行性.结果表明,通气速率、光照强度、温度过高或过低都不利于小球藻生长、固碳和产油.响应面优化后得出当通气速率为0.075 m³?m^-3·min^-1、温度为28.5 ℃、光照强度为4950 lx时,小球藻的固碳和产油效果最佳,其生物质产率、平均固碳速率和油脂产率分别为0.20 、0.367g·L^-1·d^-1和56.8 mg·L^-1·d^-1.利用50%沼液联合15% CO₂培养Chlorella vulgaris时,其平均固碳速率、油脂产率分别为0.3304 g·L^-1·d^-1和42.81 mg·L^-1·d^-1,此时沼液中氨氮、总磷、COD的利用率分别能够达到55.48%、41.95%和81.63%,沼液可有效替代BG-11培养基,可大幅度降低培养成本,实现废水和CO₂的资源化.     

连续施用养殖场鸡、鸽粪对土壤养分和重金属含量的影响

按照养殖场鸡粪和鸽粪含氮量计算其用量,进行连续6茬施用鸡粪和鸽粪（N 0～450 kg·hm^-2）菜心田间试验,研究对土壤养分和重金属含量的影响.结果表明,连续施用3茬鸡粪和鸽粪后,土壤铵态氮、硝态氮、有效磷及速效钾含量均明显提高,4种养分累积量随鸡、鸽粪用量增加而提高.由于后3茬遭遇较长时间强降雨,施用6茬后土壤硝态氮和速效钾含量不但比第3茬后有明显下降,甚至低于土壤原始含量,但铵态氮和有效磷含量仍比原始含量提高,而且含量增量随鸡、鸽粪用量增加而提高.鸡粪和鸽粪Pb、Cd、Cr含量及鸽粪As含量很低,连续施用6茬对土壤总Pb、总Cd、总Cr及总As含量影响不大,但2种粪肥Zn含量较高（分别为172.0、299.8 　mg·kg^-1）,施用6茬后土壤总Zn含量提高0.7～17.1 　mg·kg^-1.同时,鸡粪Cu（117.7 　mg·kg^-1）、As（39.6 　mg·kg^-1）含量相对较高,施用6茬后土壤总Cu、总As含量也有累积趋势.     

连续施用鸡粪对菜心产量和重金属含量的影响

由于养殖业普遍使用微量元素添加剂,导致禽畜粪中重金属残留过高现象广泛存在.根据养殖场鸡粪含氮量计算其用量（N 0～450 kg·hm^-2）,进行连续4茬菜心施用鸡粪田间实验,探讨对菜心产量及重金属含量的影响.结果表明,第1、3茬所有施用鸡粪处理菜心产量比单施无机肥处理降低,第2茬则提高,第4茬鸡粪与无机肥配施处理提高了菜心产量.不同茬别菜心产量差别较大,第2茬显著高于其它茬别.从不同处理4茬菜心重金属平均含量来看,施用鸡粪可提高As、Zn含量,降低Cr、Cd含量,对Pb含量无明显影响,配施鸡粪提高Cu含量.除第2茬因产量稀释作用影响外,不同茬别所有处理菜心As、Pb、Cr、Cu、Zn平均含量随施用茬数增加而提高,Cd平均含量则下降.建议在无公害或绿色食品生产中避免一次性大量施用或连续施用养殖场禽畜粪.