生物炭施用方式对肉鸡垫料氨挥发的影响：表面施用与混合施用的对比研究

本研究针对肉鸡养殖中垫料NH3挥发影响禽类健康与环境的难题，系统探讨了生物炭不同施用方式（表面施用vs.混合）的减排效果。结果表明，混合施用生物炭（尤其是22.5%和30%体积比）能显著降低NH3浓度，但其效果仍不及商用添加剂PLT。该研究为优化生物炭在畜禽废弃物管理中的应用提供了重要实验依据。

　　

在现代集约化肉鸡生产体系中，禽舍内的空气质量是影响禽类健康、福利和生产性能的关键因素之一。其中，由垫料（litter）中微生物降解含氮废物（如尿酸、尿素）所产生的氨气（NH₃）挥发，是一个长期存在且令人困扰的管理难题。高浓度的NH₃不仅会刺激禽类的呼吸系统，增加对疾病的易感性，还会导致饲料转化率（FCR）下降和体重增长（BW）减缓，最终影响养殖的经济效益。传统的垫料改良剂，如商业产品Poultry Litter Treatment? (PLT)，虽然被广泛用于抑制NH₃挥发，但其效果往往持续时间有限，这促使科研人员和产业界寻找更可持续、效果更持久的替代方案。

在此背景下，一种名为生物炭（biochar）的材料进入了研究者的视野。生物炭是一种通过生物质（如木材）在缺氧条件下热解（pyrolysis）产生的富碳材料。它以其高比表面积、多孔结构和阳离子交换能力而闻名，在农业和环境领域显示出巨大的应用潜力，例如改良土壤、固碳以及处理废弃物。已有研究表明，生物炭在堆肥过程中能够有效减少NH₃的挥发，其作用机制包括直接吸附NH₃气体、通过阳离子交换固定铵离子（NH₄⁺），以及调节基质的pH值和水分动态。然而，当生物炭作为垫料改良剂直接应用于肉鸡饲养舍时，其效果却显得不那么明确。此前的研究大多集中在将生物炭表面施用（surface-applied）于垫料，但结果不一：有的研究报道了显著的NH₃减排效果，有的则效果有限甚至无效。一个关键但被忽视的问题是，生物炭的施用方式可能极大地影响其与垫料中产氨区域的接触效率。表面施用虽然操作简便，但可能限制了生物炭与垫料深层富含NH₄⁺区域的相互作用。相比之下，将生物炭直接混合（mixed）到垫料中，或许能增强其与氮化合物的物理和化学接触，从而更有效地捕获和保留氮素。

为了填补这一知识空白，由John E. Linhoss领衔的研究团队开展了一项精细的试验，旨在直接比较表面施用与混合施用两种方式下，生物炭对肉鸡垫料NH₃挥发的影响。他们的研究假设是：混合施用生物炭将比表面施用带来更显著的NH₃减排效果。这项研究成果发表在《Journal of Applied Poultry Research》上，为生物炭在畜禽养殖环境控制中的优化应用提供了新的科学见解。

为了回答上述科学问题，研究人员设计并实施了一套严谨的实验方案。关键技术方法包括：首先，从商业肉鸡舍采集使用过的垫料，并过筛去除大块垫料结块（cake）。其次，构建了一套名为“气态氨采样数据采集系统（GASDAQ）”的自动化装置，该系统包含30个13.2升的塑料容器（vessels），每个容器持续通入恒定流速（1.5 LPM）的空气，并通过三通电磁阀（solenoid valves）顺序将各容器排出的气体导入一台光声NH₃气体分析仪（photoacoustic NH₃ gas analyzer）进行高频率（每2.5小时一次）的NH₃浓度测量。整个系统被放置在一个温度可控（目标31°C）的绝缘 enclosure 内，以模拟禽舍环境。实验设置了多种处理：生物炭表面施用（0.48, 0.97, 1.46, 1.95 kg/m²）、生物炭混合施用（7.5, 15.0, 22.5, 30.0% v/v），以及作为阳性对照的商业产品PLT（表面施用，0.73 kg/m²）和空白对照（未添加任何改良剂）。每种处理设置三个重复。实验持续12天，数据分析采用了考虑数据非正态性和时间重复测量的广义线性混合模型（GLMM）进行统计检验。

RESULTS AND DISCUSSION

NH₃ Emissions

对12天实验数据的分析揭示了不同处理之间NH₃浓度的显著差异。当将所有施用率的数据按施用方法合并分析时，混合施用生物炭处理组的平均NH₃浓度（126.0 ppm）显著低于表面施用组（146.6 ppm）和空白对照组（148.3 ppm）。商业产品PLT表现最佳，平均浓度仅为65.0 ppm。表面施用生物炭与空白对照组之间没有显著差异。进一步按施用率分析发现，所有表面施用率（从0.48S到1.95S）的NH₃浓度均与对照组无显著差异。在混合施用中，较低施用率（7.5M和15M）与对照组也无显著差异，但较高的施用率（22.5M和30M）则显著降低了NH₃浓度。时间动态变化显示，在实验初期（第4天），所有处理的NH₃浓度都较高（200-300 ppm）。随着时间推移，混合施用处理，特别是22.5M和30M，表现出持续且优于对照组的减排效果。例如，在第4天，30M处理的NH₃浓度比对照组低30%。而表面施用处理在实验初期（第4至8天）显示出一定的减排效果，但之后其NH₃浓度反而升至与对照组相当或更高水平。

Enclosure Conditions

对实验 enclosure 内环境条件的监测显示，五个不同位置的温度和相对湿度分布均匀，差异很小（最大温差仅0.37°C），表明环境控制是成功的，为实验结果的可靠性提供了保障。

Litter Treatment & Biochar Analysis

实验结束后对垫料样品的分析显示，所有处理的垫料水分含量均从初始的24.6%下降到12.1%-13.9%。营养元素（N, P, K）的含量在生物炭添加量较高的处理中有所降低，这主要是由于生物炭的稀释效应。垫料的pH值在生物炭添加量高的处理中略有上升，这与所用生物炭本身呈碱性（pH 8.97）有关。对生物炭本身的性质分析表明，其具有高碳含量（91.2%）、高比表面积（110.7 m2/g）和较低的灰分含量（5.6%）等特征。

研究人员对上述结果进行了深入讨论。他们认为，混合施用之所以更有效，是因为这种方式大大增强了生物炭与垫料剖面（profile）的接触，使其能够更直接地作用于产生NH₄⁺的微生物活动区域和NH₄⁺富集区。生物炭的高比表面积和阳离子交换能力（CEC）使其能够有效地吸附NH₃气体和固定NH₄⁺离子，从而减少挥发。对于表面施用，初期观察到的减排效果可能归因于生物炭在垫料表面形成了一层物理屏障以及对NH₃的初始吸附。然而，一旦生物炭表面吸附饱和，或者这层屏障被穿透，蓄积在垫料深层的NH₃便可能释放出来，导致后期浓度反升。本研究使用的生物炭为碱性，因此其减排效果主要不是通过降低垫料pH实现的，这与一些使用酸化生物炭（acidified biochar）才能有效减排的研究不同。研究结果与一些将生物炭用于畜禽粪便堆肥的研究结论一致，都支持混合施用能改善氮素保留。作者也指出，与本研究中效果最佳的PLT处理相比，生物炭在单纯降低NH₃方面目前尚不具备竞争力。但是，生物炭对垫料还有其他潜在益处，例如林霍斯等人（Linhoss et al., 2019）的研究表明，添加20%的生物炭可以提高垫料的持水能力（water holding capacity）达32.2%，这可能有助于减少垫料结块和改善肉鸡脚垫健康。

CONCLUSIONS AND APPLICATIONS

本研究得出以下主要结论：首先，将生物炭混合到肉鸡垫料中比表面施用能更有效地降低NH₃浓度。其次，较高的混合施用率（22.5%和30% v/v）在生物炭处理中效果最佳。第三，表面施用生物炭在实验后期可能导致NH₃浓度高于对照组。最后，作者建议进行活体肉鸡试验来进一步验证这些发现。

这项研究的意义在于，它首次在受控条件下系统比较了生物炭不同施用方式对肉鸡垫料NH₃挥发的影响，明确指出了混合施用的优势。这不仅深化了我们对生物炭作用机制的理解，也为养殖户在实际生产中更有效地利用生物炭这一环保材料来改善禽舍空气质量、促进畜禽养殖的可持续发展提供了重要的实践指导。虽然生物炭在NH₃减排效率上暂未超越传统化学改良剂，但其在改善垫料物理性质、碳封存等方面的多重环境效益，使其依然是一种具有广阔应用前景的替代方案。未来的研究可以探索生物炭与PLT等产品的协同效应，或者开发成本更低、效率更高的生物炭生产工艺和应用策略。