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牛粪高温堆肥化中氮素转化的微生物机理研究

作　者: 马丽红
导　师: 黄懿梅
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 环境科学
关键词: 牛粪堆肥氮素转化氮素微生物酶活性通径分析
分类号: S141.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高温堆肥过程中普遍存在氮素损失的现象,进行氮素损失控制成为堆肥化研究中的关键问题,高温堆肥中的氮素转化规律研究则是控制氮素损失的基础。堆肥的实质是一个微生物作用的过程。整个过程由不同的微生物参与活动,进行生物氧化分解。因此研究畜禽粪便高温堆肥化中氮素转化的微生物机理,对于发展堆肥化理论,调控堆肥化的快速、有效完成,保存堆肥中的营养成分、推动农业废弃物的资源化利用具有重要的理论价值和实际意义。本文通过以牛粪为原料,分别对添加秸秆后在强制通风静态垛和条垛式两种堆肥系统中微生物随时间的生长特征;分别添加木霉和鸡粪,在强制通风静态垛系统中氮素的转化及其相关微生物和酶的动态分布及其相互关系进行了研究。主要结论如下:(1)牛粪秸秆堆肥中,细菌数量最大,真菌数量最少,放线菌数量多于真菌,氨化细菌数量始终多于硝化细菌。强制通风堆肥中的各种微生物数量基本都高于条垛式系统,尤其是放线菌和硝化细菌的数量差异较明显。试验运用由Logistic模型和Malthus模型推导出的高温好氧堆肥中微生物生长动力学模型,初步模拟出牛粪堆肥0-60d的微生物生长模型。模型与堆肥初期和后期的实验数据拟合较好,在高温期区别较大。(2)牛粪在强制通风静态堆肥中,有机氮是主要的氮素形态,堆肥过程中占总氮的比例略有增加,而含量却降低了19.1%。其中,氨基酸态氮的含量在堆制过程中降低了20.9%,在有机氮中的比例略有降低;而氨基糖态氮在有机氮中的比例则增加了3倍。堆制结束时,有机氮含量占总氮的97.6%;氨基酸态氮和氨基糖态氮分别占有机氮的18.0%和1.2%。氨态氮含量在堆制过程中逐渐消失,降低了86.4%;硝态氮则增加79%,在总氮中的比例略有提高。氮素的损失形式主要是氨气的挥发,占总损失的63%,而高温期的释放量占总挥发量的69%。(3)牛粪在强制通风静态堆肥中,氨化细菌数量总体最大,且在高温期大幅度增加,随后逐渐降低,与氨气、氨态氮和有机氮均呈极显著相关;硝化细菌数量在降温期增加幅度较大,但总体数量较小;反硝化细菌数量在堆制过程中逐渐增加,堆制结束时达到堆肥初期的2.45倍;固氮菌数在堆肥过程中总体增加1.8倍,其中降温期数量较多。(4)牛粪在强制通风静态堆肥中,脲酶等水解酶活性在前期较高,后期降低;硝酸还原酶等氧化还原酶前期较低,后期较高。堆制结束时脲酶和蛋白酶活性分别比堆制初期降低87.8%和91.9%,且与氨态氮均呈极显著正相关;硝酸还原酶活性是堆制初期的21.6倍;纤维素酶和蔗糖酶活性分别在高温期和降温期增加幅度较大,纤维素酶与氨气和氨态氮均呈显著正相关;多酚氧化酶活性和过氧化氢酶活性分别在第35天和第28天达到最大值。(5)牛粪强制通风静态堆肥中加入木霉和鸡粪,均使堆体高温期延长,且高温期pH值增加幅度减小;加入木霉和鸡粪,可增加牛粪堆肥中微生物的数量以及各种酶活性;可降低高温期氨气的释放率,加入木霉的效果优于鸡粪;加木霉使高温期的氨态氮含量降低,而加鸡粪使高温期氨态氮含量增加;在高温期,加木霉和加鸡粪处理中硝态氮最高含量分别是对照的1.85倍和1.71倍;加木霉和鸡粪均有利于氨基糖态氮和氨基酸态氮的积累,有利于有机氮的形成和保留。(6)堆肥中对氨气释放率、氨态氮、硝态氮、有机氮、氨基糖氮、氨基酸氮和总氮影响最大的因素分别为温度、有机碳、多酚氧化酶、脲酶、温度、有机碳和脲酶。牛粪堆肥中加入木霉和鸡粪使各种氮素形态的最大直接影响因素有所变化。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章文献综述  11-24
  1.1 堆肥中碳氮形态及转化过程  11-13
    1.1.1 氮素形态与转化  11-13
    1.1.2 碳素转化  13
  1.2 影响堆肥中氮素损失的因素  13-17
    1.2.1 堆肥过程中影响氮素损失的因素  13-15
    1.2.2 氮素损失的控制  15-17
  1.3 堆肥微生物的研究  17-21
    1.3.1 堆肥中微生物类群的研究  17-19
    1.3.2 堆肥微生物研究方法  19
    1.3.3 微生物制剂在堆肥中的应用  19-21
  1.4 堆肥中酶活性的研究  21-22
    1.4.1 堆肥原料对酶活的影响  21
    1.4.2 堆肥中酶活与微生物数量和种类的关系  21-22
    1.4.3 堆肥中酶活与有机质降解的关系  22
    1.4.4 堆肥中酶动力学的研究  22
  1.5 堆肥动力学研究进展  22-23
  1.6 研究意义和目的  23-24
第二章牛粪秸秆在两种堆肥系统堆制过程中微生物的动态变化  24-32
  2.1 材料与方法  24-25
    2.1.1 堆制材料  24
    2.1.2 堆制设备和方法  24-25
    2.1.3 堆肥中微生物的测定方法  25
  2.2 结果分析  25-30
    2.2.1 堆肥过程中的温度变化  25-26
    2.2.2 细菌数量的变化  26
    2.2.3 真菌数量的变化  26-27
    2.2.4 放线菌数量的变化  27
    2.2.5 氨化细菌和硝化细菌数量的变化  27-28
    2.2.6 各种微生物数量与堆肥温度的相关性分析  28
    2.2.7 堆肥过程中微生物生长动力学的模拟  28-30
  2.3 讨论  30
  2.4 小结  30-32
第三章牛粪在强制通风静态垛堆肥化中氮素形态及其相关微生物性质的动态变化  32-46
  3.1 材料与方法  32-36
    3.1.1 堆制材料和装置  32
    3.1.2 堆制与采样方法  32-33
    3.1.3 测定项目及方法  33-36
  3.2 结果分析  36-41
    3.2.1 堆温的变化  36-37
    3.2.2 堆肥中氮素形态的动态分布  37-38
    3.2.3 氮素微生物生理群的变化  38-39
    3.2.4 酶活性的变化  39-41
    3.2.5 其他相关指标的变化  41
  3.3 讨论  41-44
    3.3.1 氮素损失与形态变化的关系  41-42
    3.3.2 氮素形态与微生物生理群的关系  42
    3.3.3 氮素形态分布与温度、pH 的关系  42-43
    3.3.4 氮素形态分布与有机碳的关系  43
    3.3.5 氮素形态分布与酶的关系  43-44
  3.4 小结  44-46
第四章两种添加剂对牛粪堆肥化中氮素形态与堆肥质量的影响  46-60
  4.1 材料与方法  46-47
    4.1.1 堆制材料和装置  46-47
    4.1.2 试验设置与采样  47
    4.1.3 测定项目与方法  47
  4.2 结果分析  47-57
    4.2.1 添加剂对堆肥基本性质的影响  47-48
    4.2.2 添加剂对堆肥中氮素转化的影响  48-51
    4.2.3 添加剂对堆肥中氮素微生物生理群的影响  51-53
    4.2.4 添加剂对堆肥中有机碳变化的影响  53
    4.2.5 添加剂对堆肥中酶活性变化的影响  53-57
  4.3 讨论  57-59
  4.4 小结  59-60
第五章牛粪堆肥化中氮素形态与各影响因素间通径分析  60-66
  5.1 材料与方法  60
  5.2 通径分析结果  60-65
    5.2.1 各种影响因素对氮素形态作用大小的通径分析结果  60-63
    5.2.2 不同处理中影响因素对氮素的直接通径分析  63-65
  5.3 小结  65-66
第六章结论与展望  66-68
  6.1 主要结论  66-67
  6.2 研究特色及新见解  67
  6.3 不足之处  67
  6.4 研究展望  67-68
参考文献  68-75
致谢  75-76
作者简介  76

牛粪高温堆肥化中氮素转化的微生物机理研究

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