脲酶抑制剂NBPT对水泡粪猪舍粪尿氮素转化及氨挥发的影响

Effect of urease inhibitor NBPT on fecal and urine nitrogen conversion and ammonia volatilization in blister manure pig barns

摘要

为探究脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）对水泡粪圈舍粪尿储存过程氮排放的影响，以猪新鲜粪尿为试验材料，设置空白对照组（CK）以及0.02%（T1）、0.04%（T2）、0.06%（T3）、0.08%（T4）和0.10%（T5）的5个NBPT添加组，共计6个处理，每个处理3个重复，进行为期25 d的储存试验，比较各处理粪尿中氮素转化与损失特征及减排成本。结果表明：与CK相比，NBPT处理可通过减少粪尿中尿素的分解转化，进而显著降低13%~54%的NH₃排放（P<0.05），且随着NBPT添加比例增加，NH₃减排量先明显增加后趋于稳定；T5处理减排效果最佳但减排成本也最高，T2处理单位成本NH₃减排量最高（106 g/元），NH₃减排潜力达37%。综上，水泡粪圈舍添加脲酶抑制剂NBPT可有效减少NH₃排放，在实际生产中推荐0.04%添加剂量。

Abstract

In order to investigate the effect of urease inhibitor N-butylthiophosphorotriamine （NBPT） on nitrogen emission during feces and urine storage in blister pig pens， fresh pig feces and urine was taken as study material in this study and a total of six treatments， blank control treatment （CK）， and the 0.02% （T1）， 0.04% （T2）， 0.06% （T3）， 0.08%（T4） and 0.10% （T5） of NBPT addition treatments were designed with three replicates per treatment， the storage experiment lasted for 25 days. The characteristics of nitrogen conversion and loss in feces and urine and the abatement cost of each treatment were compared. The results showed that： Compared with CK， the NBPT treatments could significantly reduce ammonia emission by 13% to 54% （P<0.05） through reducing the decomposition and transformation of urea in feces and urine， and the ammonia emission reduction effect showed a significant increase and then stabilized with the increase of the proportion of NBPT addition； Among them， T5 treatment had the best abatement effect but also had the highest abatement cost. T2 treatment had the highest ammonia abatement per unit cost （106 g/yuan）， and it had the ammonia abatement potential of 37%. In conclusion， the addition of urease inhibitor NBPT to blister manure pens can effectively reduce ammonia emissions， and the 0.04% additive dose is recommended in actual production.

Graphical abstract

关键词

生猪 / 脲酶抑制剂 / 氨气 / 圈舍 / 减排成本

Key words

pig / urease inhibitor / ammonia / animal housing / abatement cost

我国是全球第一猪肉生产国，2021年我国生猪出栏量达6.71亿头，供应了全球52%的猪肉^［1］。然而，生猪养殖也给我国带来严重的环境问题^［2］。研究表明，我国生产每千克生猪活重平均排放1.9 kg碳（以CO₂当量计）和59 g活性氮，占用农田面积3.5 m^2［3］。在我国生猪生产中，常见的清粪工艺有干清粪、水泡粪、水冲粪等^［4］。其中，水泡粪工艺主要应用于规模化养猪场，具有节省人力、便于管理等方面的优点；但此工艺使得粪便长时间在猪舍中停留，导致产生较高的NH₃和H₂S等有害气体，影响动物和饲养人员的健康^［5-6］。因此，改善水泡粪圈舍环境质量、提升生猪养殖福利水平，是实现绿色健康养殖的关键。

脲酶抑制剂是一种传统的氮肥增效剂，其主要功效是通过抑制土壤中的脲酶活性而抑制尿素的水解，进一步降低土壤中的NH₄⁺浓度，减少NH₃排放。N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前被认为最有效的脲酶抑制剂之一。研究表明，在氮肥中添加NBPT是减少农田温室气体和NH₃挥发的重要措施^［7-9］，而其在畜禽养殖方面的应用研究甚少。张发宝等^［10］研究表明，在堆肥过程中添加NBPT可以延缓鸡粪中尿素态氮向铵态氮（NH₄⁺-N）转化，从而减少5%~13%氮素损失。然而，NBPT对粪尿储存过程氮素损失的影响鲜有报道。因此，本研究拟基于衢州市某规模化生猪养殖场的生产现状，探究添加不同比例脲酶抑制剂NBPT对水泡粪猪舍粪尿储存过程氮素转化特征及NH₃减排潜力的影响，以期为畜舍环境减排提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1　试验材料

本试验在衢州市三易易美丽生态牧场进行，猪场存栏母猪5 250头，母猪舍采用水泡粪模式，全漏缝地板下为12.0 m×2.5 m×0.8 m的深坑，坑内粪尿储存时间较长，约25~30 d清理一次，舍内刺激性气味较浓，因此本试验以母猪舍为研究对象。鉴于母猪舍生物安全防控所限，本试验采取自制粪尿储存装置来模拟母猪舍水泡粪模式。试验装置为上下直径相同的柱形PVC塑料试验桶（内部直径18 cm，高24 cm，容积6 L），顶部盖有漏缝地板。试验开始前分别采集母猪新鲜粪便15 kg、尿液40 kg于塑料桶中用于后续试验。脲酶抑制剂NBPT（97%，分析纯化学试剂）购自武威金仓生物科技有限公司。

1.2　试验设计

试验设计如表1所示，共计6个处理，分为对照组（CK）和NBPT处理组（T1~T5），每个处理3个重复。CK不添加NBPT，NBPT处理组中NBPT的添加剂量分别为0.02%（T1）、0.04%（T2）、0.06%（T3）、0.08%（T4）和0.10%（T5）。试验为期25 d（与实际粪尿储存时间一致）。试验时，在试验桶中先注入1.25 L水，然后将600 g母猪粪和1 900 g尿液混合均匀后装入试验桶，并在各处理中添加相应剂量的NBPT混合均匀，放于实验室储存。

1.3　测定指标及方法

NH₃采用便携式气体检测仪（PGD4-C型，深圳市鑫海瑞科技开发有限公司）测定，灵敏度为0.1 mg/kg。气体样品的测定在每天上午8：00~11：00完成，每个重复测定3次，取其平均值。测定时将便携式气体检测仪采气泵软管一端深入试验桶内，距离粪尿液面约1 cm，通过抽气泵将桶内气体抽送至主机传感器，读出数据。储存过程中气体排放速率和累计排放量的计算参考湛卓越等^［11］的研究。其中，气体排放速率的计算公式如下：

f_i=V\times \frac{∆c}{∆t}\times \frac{\mathrm{60}}{m_{\mathrm{0}}}（1）

C=\frac{M}{\mathrm{22.4}}\times \frac{\mathrm{273}}{\mathrm{273}+T}\times \frac{P}{\mathrm{101}}\times G（2）

式中：f_i 为气体的排放速率，mg/（kg·h）；V为储存桶上方集气的总体积，m³；∆c/∆t为气体浓度随时间的变化率，mg/（m³·min）；m₀为储存桶内粪尿的总质量，kg；C为气体浓度，mg/m³；M为气体相对分子质量，g/mol；T为环境温度，℃；P为压强，kPa；G为现场气体监测的平均值，mg/kg。

基于气体排放速率f_i，进一步计算其累积排放量，计算公式如下：

Q=\sum ∆f_i\times t_i（3）

∆f_i=\frac{f_i+f_{i-\mathrm{1}}}{\mathrm{2}}（4）

式中：Q为气体累计排放量，mg/kg；∆f_i 为第i-1至第i次采样期间平均排放通量，mg/（kg·h）；f_i 为第i次采样时的气体排放速率，mg/（kg·h）；t_i 为第i-1至第i次采样时间间隔，h。

粪尿的温度变化使用便携式气体检测仪（PGD4-C型，深圳市鑫海瑞科技开发有限公司）直接测定。测定时间为每天8：00、12：00、18：00，取3个时间点的平均值作为当天的平均温度。粪尿样品隔天采集一次，测定其pH值、铵态氮（\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N）、硝态氮（\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N）和总氮（TN）含量。其中，pH值采用Sartorius普及型pH计（PB-10）测定；\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N采用水杨酸分光光度法^［12］测定；\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N采用硫酸肼还原法^［13］测定；TN采用硫酸–过氧化氢消解凯氏定氮法^［14］测定。

1.4　减排成本核算

为明确NBPT的最佳减排剂量，本试验仅考虑NBPT的投入成本，对比分析不同剂量的NBPT的减排成本，计算公式如下：

\mathrm{A}\mathrm{C}=\frac{E_{\mathrm{C}\mathrm{K}}-E_{\mathrm{N}\mathrm{B}\mathrm{P}\mathrm{T}}}{C_{\mathrm{N}\mathrm{B}\mathrm{P}\mathrm{T}}}（5）

式中：AC为单位成本NH₃减排量，g/元；E_对照和E_NBPT分别为对照组和NBPT组NH₃排放量，g；C_NBPT为NBPT成本，元。

1.5　统计分析

试验数据通过Excel 2021软件进行初步处理，使用SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析，使用Origin 2018软件进行作图。

2　结果与分析

2.1　NBPT对猪粪尿储存过程中温度及pH的影响

猪粪尿储存过程中温度变化如图1（a）所示，各处理变化规律相对一致，均呈现先波动上升后波动下降的趋势。在储存期间，CK、T1~T5的平均温度分别为28.04、25.49、26.18、26.4、22.64和24.85 ℃，均保持在环境温度以上，且各处理间差异不显著（P>0.05）。储存期间各处理的pH值变化如图1（b）所示，均呈碱性，整体呈现先上升后波动下降的趋势，最终维持在8.78~8.99。储存初期（0~5 d），各处理pH呈上升趋势，维持在8.26~9.18，NBPT处理组均低于CK。储存结束时，NBPT处理组的pH较CK显著降低0.56%~2.34%（P<0.05），但NBPT各处理组间差异不显著（P>0.05）。

2.2　NBPT对猪粪尿储存过程中氮素转化的影响

粪尿在自然储存过程中的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N在碱性条件下以氨气的形式散逸到环境中，从图2（a）可以看出各处理猪粪尿中的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N呈现先上升后波动下降的趋势，于第1天达到峰值，且NBPT处理组的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量较CK降低6.04%~14.16%。1~5 d各处理的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量大幅降低，降幅为61.34%~66.58%，且降低幅度随NBPT添加剂量的增加而增大。5~25 d各处理的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量出现波动，无明显规律。储存结束时各处理的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量较初始时均显著降低（P<0.05），降幅为62.25%~76.69%，但各处理之间无显著差异（P>0.05）。整个储存期内各处理\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量的平均值无显著差异（P>0.05），且T2~T5处理的均值（2.64、2.61、2.67和2.33 g/kg）均低于CK（2.98 g/kg）。

各处理的\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量变化趋势如图2（b）所示，\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量均呈现波动下降的趋势。粪尿中\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量在储存初始最高，CK、T1~T5处理的峰值分别为0.61、0.60、0.58、0.63、0.60和0.62 g/kg。储存结束时，各处理\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量为0.33~0.45 g/kg，均较初始时显著降低（P<0.05），但各处理间差异不显著（P>0.05）。整个储存期内，T2~T5处理的\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N减少量分别为0.17、0.23、0.20和0.21 g/kg，均高于CK（0.15 g/kg）。

猪粪尿储存过程中各处理的TN含量变化如图3（a）所示，均呈现波动降低趋势。储存初始各处理TN含量为20~22.6 g/kg，储存结束时降低至9.51~11.87 g/kg，TN含量均显著降低（P<0.05），这主要与NH₃损失有关。储存结束时，T1和T4处理的TN含量较CK均显著降低（P<0.05），但NBPT各处理之间差异不显著（P>0.05）。储存过程NBPT处理组的TN损失率为44.73%~52.34%，均低于CK（53.82%）；与CK相比，随着NBPT添加量增加，TN损失率呈现先降低后升高的趋势，其中T3最低。

2.3　NBPT对猪粪尿储存过程中NH₃挥发特征的影响

猪粪尿储存过程中NH₃排放速率如图4（a）所示，各处理的NH₃排放速率均呈现先上升后波动下降的趋势。NH₃排放速率的升高主要集中在储存的第1~8天，T1~T5处理的NH₃排放速率峰值分别为88.91、60.83、49.37、48.51和49.12 μg/（kg·h），均低于CK处理（99.74 μg/（kg·h））。此外，添加NBPT之后，NH₃排放速率峰值较CK处理（第4天）延迟3~4 d，且在整个储存期内，T1~T5处理的NH₃平均排放速率（49.85、35.90、28.99、28.42、26.11 μg/（kg·h））较CK处理（57.12 μg/（kg·h））显著降低13%~54%（P<0.05）。

各处理的NH₃累积排放量如图4（b）所示，随着储存时间增加，NH₃累积排放量也逐渐升高。储存结束时，CK处理的NH₃累积排放量最高，为34 mg/kg，T1处理较CK降低13%，但二者差异不显著（P>0.05）；T2~T5处理相较CK的NH₃累积排放量分别显著降低37%、49%、50%和54%（P<0.05），且T2~T5各处理之间差异不显著（P>0.05）。1~13 d NBPT处理组NH₃累积排放量分别占其总排放量的57%~62%，因此，在实际生产中应在储存前期采取NH₃减排措施以有效降低氮素损失。

2.4　NBPT的减排成本分析

NBPT的减排成本如表2所示。T1~T5处理组NBPT的减排成本分别为13.75、9.42、10.66、13.94和16.13元/mg。随着NBPT添加剂量的增加，T1~T3的NH₃减排量逐渐增加，但随着添加剂量进一步提高（T4~T5），NH₃减排效果逐渐趋于稳定，而减排成本持续增加。综合来看，NBPT添加的单位成本NH₃减排量呈现先上升后下降的趋势，其中，T2处理单位成本NH₃减排量最高，为106 g/元，较CK处理NH₃减排量为37%，适宜在生产上应用；其次是T3处理，单位成本NH₃减排量为93 g/元，较T2处理低12%，但其NH₃减排潜力为49%，比T2处理高12%，适用于有较大氨减排需求的养殖场。综上，在生产中可根据养殖场的实际情况择优选择NBPT添加剂量。

3　讨　论

3.1　NBPT对粪尿理化性质和氮素转化的影响

温度和pH是粪尿储存期间影响氮素转化的重要因素^［15］。本研究中，NBPT处理组的温度低于CK，这主要是NBPT的添加抑制了微生物的活动和活性，减缓了温度上升^［16］。不同温度影响着粪尿内微生物活性的变化，并且对粪尿储存过程中氮素转化产生重要影响。粪尿pH一般呈中性或弱碱性，pH过高或过低都不利于粪尿储存^［17］，pH过高会增加NH₃释放，促使氮素形式发生改变，pH过低会抑制微生物的活性，影响粪尿中的生物降解过程。本试验中粪尿pH始终呈弱碱性（7~10），NBPT处理组的pH略低于CK处理，这可能是因为NBPT的氧化产物NBPTO可以以抑制粪尿脲酶活性，通过影响NH₃挥发来间接降低粪尿pH^［18］。

猪粪尿中的氮素包括有机氮和无机氮，有机氮主要是动物未消化的蛋白质^［17］，而无机氮包括\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N、\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N和少量\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}^{-}-N，且以\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N为主^［19］。研究表明，NBPT可以延缓粪尿中无机氮向\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N转化^［20］，这与NBPT阻断脲酶中的3个活性位点来抑制脲酶^［21］，阻止脲酶催化尿素分解为NH₃和CO₂有关。本研究中储存前5天各处理组的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量迅速下降，粪尿中尿素快速水解产生大量\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N，这可能与pH上升以及温度下降导致生物固定化作用有关^［22］。

对于粪尿中的氮素组分而言，粪尿中部分有机氮在有氧条件下经硝化微生物作用可转化为\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N^［17］。由于NBPT降低了\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量，进而影响储存前期粪尿中的硝化过程，在该过程中氨氧化细菌可将\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N氧化为\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}^{-}-N^［20］，然后进一步氧化为\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N，所以储存前期NBPT处理的硝化速率低于CK，\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量也低于CK。随着储存时间延长，NBPT活性减弱导致粪尿中各处理\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量降低，进而出现\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量下降的趋势。

粪尿储存过程中，当不存在径流和下渗时，氮素损失的途径主要为气态损失，即NH₃排放和反硝化过程中NH₃及其它氮的氧化释放^［23］。气态损失越大，粪尿中的总氮的损失率越高。在本研究中，粪尿储存过程中CK的总氮损失率为53.82%，低于陈广银等^［24］研究结果，这可能与粪尿的储存温度有关。NBPT处理组的总氮损失率均低于CK，这表明NBPT通过抑制脲酶活性降低了总氮的氨化^［10］，从而减少了NH₃的释放，因此储存期内粪尿总氮损失率也相应降低。

3.2　NBPT对粪尿NH₃排放的影响

粪尿储存过程中NH₃的排放受温度、粪便理化性质、管理措施等多种因素的影响^［25-28］。其中，pH值与NH₃排放量密切相关，pH越低粪尿挥发的NH₃越少^［24］。从NH₃的排放情况可以看出，在储存前4天，由于pH和温度的升高，引起粪尿中大量的\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N以NH₃的形态挥发。储存后期pH下降，NH₃排放量也逐渐降低。温度也会影响气体排放，本研究中，储存前期，随着温度的升高，NH₃和CO₂的排放速率也增加，这与陆日东等^［29］的研究结果一致。

本研究中，添加NBPT可降低13%~54%的NH₃排放速率，这主要与NBPT可以抑制氨化作用中有机氮的分解，从而降低粪尿中NH₃的排放量有关^［30］。NBPT在减少肉牛养殖场NH₃排放方面的技术和经济潜力已经得到证明^［21］。Saggar等^［31］研究表明，在肉牛粪尿表面施用1和2 kg/hm²的NBPT可分别减少35.9%和34.4%的NH₃挥发。

添加NBPT可以减少NH₃累积排放量，但各处理之间差异不显著，这可能由于NBPT是一种尿素类似物，产生的抑制作用与存在的尿素含量成比例^［32］，抑制剂的含量越高可以作用于更多的尿素。但随着储存时间的延长，微生物不断分泌脲酶，而低剂量的NBPT添加（如T1）不足以抑制脲酶的活性^［33］，所以T1处理的NH₃排放速率明显高于其他处理（T2~T5）。本研究中NBPT处理组NH₃的累积排放量在前13天分别占其总排放量的57%~62%，这与前人研究结果基本一致^［34］。

4　结　论

本研究通过在生猪粪尿储存过程添加不同比例的NBPT，探究其对粪尿氮素转化及NH₃挥发的影响，得出以下结论：

1）生猪粪尿储存过程中添加不同比例的NBPT可以减少13%~54%NH₃排放。

2）随着NBPT添加剂量的增加，单位成本NH₃减排量呈现先上升后下降的趋势，NH₃减排成本呈现先下降后上升的趋势；其中，添加0.04%的NBPT单位成本NH₃减排量最高，为106 g/元，适宜在生产中应用。

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基金资助

衢州市农业农村部项目(衢农合2021-27)

陕西省土地工程建设集团有限责任公司项目(202205510410747)