牛粪不同堆肥模式对温室气体排放的影响

江 振，王巨媛，于学茹，张 瑞，倪维铭，翟 胜*

(1.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059； 2.聊城大学 农学院，山东 聊城 252059)

牛粪不同堆肥模式对温室气体排放的影响

江 振1，王巨媛2，于学茹1，张 瑞1，倪维铭1，翟 胜1*

(1.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059； 2.聊城大学 农学院，山东 聊城 252059)

采用静态箱-气相色谱法研究了自然状态下牛粪(C)、牛粪+秸秆(CSt)、牛粪+土(CSo)、牛粪+秸秆+土(CStSo)4种堆肥模式对温室气体排放的影响，以期为温室气体减排和堆肥模式优化提供参考。结果表明：堆肥期间堆温和温室内气温随时间推进均呈升—降—升的趋势，同一观测时间点气温高于堆温，总体上CSt、CStSo处理的堆温略高于C、CSo处理，表明加入秸秆具有提高堆温的效果。随时间推进，C处理的CO2、CH4和N2O排放通量总体均呈增加的趋势，第6～7周排放通量较大；CSt、CSo、CStSo处理的3种温室气体排放通量总体均呈先升后降的趋势，CO2和CH4排放通量最大值总体出现在第2周，N2O排放通量在第5～6周时较大。CO2平均排放通量表现为CSt>CStSo>CSo>C，除C处理与CSo处理无显著差异外，其他处理间差异显著；CH4平均排放通量表现为C>CSt>CStSo>CSo，C处理与CSt、CSo、CStSo处理之间及CSt、CSo处理之间差异显著；N2O平均排放通量表现为CSo>CSt>CStSo>C，CSo处理与C处理差异显著。CSt、CSo、CStSo处理的全球增温潜势(GWP)分别是C处理的3.25、2.61、2.59倍，主要是由于CSt、CSo、CStSo处理的CO2和N2O排放总量显著高于C处理，其对GWP的贡献率均高达97%以上。综合考虑广大农村堆料实际组分及温室气体减排，建议采用CStSo堆肥模式，但应适当增加牛粪和土的用量。

牛粪； 堆肥模式； 温室气体排放通量； 全球增温潜势

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出：过去130 a，全球升温0.85 ℃[1]。全球变暖已成为各国政府和科学界广泛关注的焦点[2-4]。CO2、CH4、N2O 3种主要温室气体对全球变暖的贡献率高达80%[5]。2013年，中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报指出，我国农业活动温室气体排放量为8.20×108t，占温室气体排放总量的10.97%，农业活动是温室气体的主要排放源之一[6]。其中，动物粪便CH4排放量为2.86×106t；动物粪便N2O排放量为2.66×105t，占农业活动N2O排放总量的28.35%，堆肥排放的N2O量占动物粪便N2O排放量的5.2%[7]。随着我国畜牧养殖业的迅速发展和畜禽废弃物的日益增多[8]，研究畜禽粪便堆肥过程中温室气体排放情况对减缓全球变暖具有重要的参考价值。

目前，国内外关于畜禽粪便堆肥对温室气体排放的影响研究较多[9-21]。陆日东等[12]借助实验室自动控温设备测定不同温度下牛粪温室气体排放速率发现，随着温度升高，温室气体尤其是CO2排放速率变大，但同时微生物活性增强，氧气消耗量增多，导致局部厌氧，CH4排放量增多。秦莉等[13]在控制60%含水率和强制通风条件下，利用猪粪和玉米秸秆研究不同C/N对堆肥中CH4排放的影响发现，C/N在15～25时,CH4排放量随着C/N变大而增加。谢军飞等[14-15]研究猪粪和鸡粪堆肥过程中温室气体的排放量发现，通风良好有利于CO2排放，缺氧和较高的湿度有利于CH4排放，干湿交替会增加N2O排放量。陆日东等[16]研究发现，提高牛粪堆积高度有利于CH4的排放，减少CO2和N2O的排放量。锯末覆盖显著增加N2O排放量[17]，玉米秸秆覆盖则减少N2O排放量[18]，覆盖塑料薄膜可以降低CO2和N2O排放量和堆肥初期CH4排放量[19]。翻堆可调节堆体温度、含水率、含氧量，加速微生物反应，进而增加温室气体排放量[20-21]。综上所述，已有研究主要集中在堆体物料的性质、通风状况、堆积高度、覆盖物、翻堆频率等对温室气体排放的影响方面。有关自然状态即无人为扰动条件下，堆肥对温室气体排放的影响研究尚未见报道。而无人为扰动堆肥是当前农牧民普遍采取的模式。因此，研究自然状态下畜禽粪便堆肥对温室气体排放的影响更具有参考价值和现实指导意义，更能反映实际温室气体排放规律和增温潜势。我国农作物秸秆每年产生7×108t[22]，大部分秸秆直接焚烧或堆放，造成资源浪费且加剧了环境污染。纯粪堆肥存在着发酵周期长、氮素损失严重、容易产生恶臭气体等诸多问题[23]。利用畜禽粪便和作物秸秆混合堆肥，可以改善畜禽粪便单独堆肥时的弊端，实现粪便和秸秆的资源化利用。为此，用牛粪、小麦秸秆、土为原料，在无人为扰动条件下研究牛粪、牛粪+秸秆、牛粪+土、牛粪+秸秆+土4种堆肥模式对温室气体排放的影响，以期为温室气体减排和堆肥模式优化提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验在山东省聊城市东昌府区聊城大学土壤生态环境教学科研基地日光温室(36°26′N、115°57′E)进行，该温室东西走向，长30 m、宽12 m。试验共设4个堆肥处理：牛粪(C)；牛粪+秸秆(CSt)，2种物料体积比为1∶1；牛粪+土(CSo)，2种物料体积比为1∶1；牛粪+秸秆+土(CStSo)，3种物料体积比为1∶1∶1，各处理牛粪体积相同。试验所用秸秆为小麦秸秆，其C/N=(65～85)∶1，牛粪C/N=(21～32)∶1。将堆料充分混匀后，装入无底无盖的长方体木制箱中，其长×宽×高为40 cm×40 cm×35 cm，并在堆体表面均匀覆盖2～3 cm厚的干土，整个堆肥过程不扰动堆体。

1.2 气样采集与分析

2016年1月11日开始堆肥，3月1日结束，共计50 d，1月18日即堆肥后第1周开始采气，以后每周采一次气，采气时间为09:00—11:00。采气用静态密闭箱法进行，底座用不锈钢材料制成，长×宽×高为50 cm×50 cm×20 cm，采气前将底座套在堆体外侧，在确保底座基本水平的前提下沿底座四周用土埋严实，采气时将透明有机玻璃材质的采气箱罩在该底座上并注水密封，采气箱长×宽×高为49 cm×49 cm×90 cm。在盖箱后0、10、20、30 min用100 mL注射器从箱中抽取气体注入200 mL采气袋中，在采集气样的同时记录采气箱内温度、温室内气温及堆体中心的温度。气样用Agilent 7890A气相色谱仪分析，柱箱温度为60 ℃，CH4用FID检测器测定，CO2经镍触媒转化器转化成CH4后用FID检测器测定，检测温度为250 ℃；N2O用μECD检测器测定，检测温度为300 ℃。温室气体排放通量计算公式[24]如式(1)。

F=M/V0×P/P0×T0/T×H×dC/dt

(1)

其中，F为被测气体排放通量[mg/(m2·h)]，M为气体的摩尔质量(g/mol)，V0为标准状态下气体的摩尔体积(22.4 L/mol)，P为采气箱内实际大气压(Pa)，P0和T0为标准状态下气体的压强(1.01×105Pa)和温度(273.15 K)，T为箱内实际温度(K)，H为箱体高度(m)，dC/dt为气体浓度变化率[μL/(L·h)]。

全球增温潜势(GWP)的计算公式[25]如式(2)。

GWP=fCO2+25×fCH4+298×fN2O

(2)

式中，f为整个堆肥过程不同温室气体的排放总量(kg/hm2)，其计算方法为累加法[26]，计算公式如式(3)。

(3)

式中，Fi、Fi+1为第i次和第i+1次采样的土壤温室气体排放通量[mg/(m2·h)]，D为连续2次采样间隔天数。

1.3 数据统计与分析

图表制作及数据处理用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行，采用Duncan氏新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 牛粪不同堆肥模式对堆温的影响

由图1可见，在同一观测时间，温室内气温高于各处理的堆温。温室内气温随时间推进呈升—降—升的趋势，变幅为14.33～23.50 ℃，最低和最高气温分别出现在第4周和第7周，这是气温季节变化和天气阴晴变化共同作用的结果。4种堆肥处理的堆温随时间推进也呈升—降—升的趋势，与温室内气温的变化趋势基本一致，表明堆温直接受气温影响。但不同堆肥处理间堆温存在较大差异，C、CSt、CSo和CStSo处理的堆温变幅分别为7.90～14.80 ℃、8.80～14.48 ℃、7.20～13.50 ℃和6.95～14.50 ℃，堆温变幅明显小于气温变幅。CSt和CStSo处理在第2周首次出现波峰，而C和CSo处理在第3周才出现第1个波峰，第4周之后，4种处理的堆温均呈平稳上升趋势，CSt、CStSo处理的堆温略高于C、CSo处理，表明加入秸秆可有效增加堆体温度，这与卢秉林等[27]的研究结果一致。可见，温室内气温和堆温变化均呈升—降—升的趋势，同一观测时间点气温高于堆温，CSt、CStSo处理的堆温高于C、CSo处理。

Ts、Ta分别代表堆温、温室内气温图1 牛粪不同堆肥处理的堆温及温室内气温变化

2.2 牛粪不同堆肥模式对CO2排放通量的影响

由图2可以看出，C处理的CO2排放通量在波动中总体呈上升趋势，变幅为708.18～1 768.56 mg/(m2·h)，最小值出现在第1周，最大值出现在第7周。CSt、CSo和CStSo处理的CO2排放通量总体上均呈先升后降的变化趋势，变幅分别为3 390.91～5 445.80 mg/(m2·h)、1 409.91～2 619.42 mg/(m2·h)和2 368.12～4 622.80 mg/(m2·h)。第1周，CSt、CSo和CStSo处理的CO2排放通量均较低，可能与开始时堆温较低，微生物活性较低有关；随着堆肥的进行，堆温逐渐上升，微生物活性增强，CO2排放通量增多，第2周达到最大值；之后受气温的影响，堆温呈先陡降后缓升的趋势，受堆温快速降低的影响，微生物活性受到明显抑制，致使CO2排放通量总体呈降低趋势。CO2平均排放通量表现为CSt>CStSo>CSo>C，除C处理与CSo处理间无显著差异外(P>0.05)，其他处理间均差异显著(P<0.05)。CSt、CStSo处理的CO2排放通量较大，一方面是因为加入秸秆使堆料的通气性变好，为好氧生物分解有机质提供了充足的氧气，CO2排放量较多[15]；另一方面，加入秸秆提高了堆体温度，增强了微生物活性，也促进CO2产生[28-29]。

图2 牛粪不同堆肥处理的CO2排放通量

2.3 牛粪不同堆肥模式对CH4排放通量的影响

由图3可知，C处理的CH4排放通量在波动中总体呈上升趋势，最大值出现在第6周，最小值出现在第2周，变幅为9.00～28.33 mg/(m2·h) 。而CSt、CSo和CStSo处理CH4排放通量总体呈先升后降的趋势，变幅分别为2.48～10.97 mg/(m2·h)、0.44～2.60 mg/(m2·h)和1.42～5.74 mg/(m2·h)。第1周，CSt、CSo和CStSo处理的CH4排放通量均较低，第2或3周达到最大值，之后逐渐减少，这与堆温变化趋势基本一致，表明CSt、CStSo、CSo处理的CH4排放通量受堆温影响较大。这是因为CSt、CStSo、CSo处理在堆肥初期混合堆料过程掺入较多氧气，抑制CH4产生菌的活性[30]，导致第1周的CH4排放通量均较低；随着微生物的代谢，堆内氧气含量总体在第2周快速降低，堆内CH4产生菌的活性明显增强，从而CH4排放通量总体达到最大；之后随着堆料水分含量的降低，通气性增强，堆内氧气含量增加，再次抑制CH4产生菌的活性[31-32]。CH4平均排放通量表现为C>CSt>CStSo>CSo，其中C处理显著高于其他处理(P<0.05)，一方面是因为纯牛粪含水量较高，堆体透气性差，为CH4产生菌提供了厌氧环境；另一方面，纯牛粪的C/N=(21～32)∶1，接近微生物生长繁殖的适宜C/N(25)[13]，微生物活性强，促进CH4排放。CSt处理的CH4平均排放通量显著高于CSo处理(P<0.05)，主要是因为加秸秆致使堆温较高，CH4产生菌活性强，促进CH4产生[13,33]。但CSt处理与CStSo处理之间以及CStSo处理与CSo处理之间差异均不显著(P>0.05)。

图3 牛粪不同堆肥处理的CH4排放通量

2.4 牛粪不同堆肥模式对N2O排放通量的影响

由图4可见，C处理的N2O排放通量总体呈上升趋势，最大值出现在第7周，变幅为0.83～4.67 mg/(m2·h)。这主要是由于C处理是含水量较高的纯牛粪，堆肥初期严格的厌氧环境有利于反硝化终产物N2的形成，不利于N2O产生，随着堆肥时间的延长，堆体含水量降低，透气性有所改善，N2O排放通量逐渐增加[15]。CSt、CSo、CStSo处理的N2O排放通量呈先升后降的趋势，其中，CSt、CSo的N2O最大排放通量均出现在第5周，CStSo出现在第6周，3种处理的N2O排放通量变幅分别为0.13～19.40 mg/(m2·h)、2.33～29.29 mg/(m2·h)和0.33～18.08 mg/(m2·h)。N2O平均排放通量表现为CSo>CSt>CStSo>C，除CSo处理与C处理之间差异显著(P<0.05)外，其他处理间差异不显著(P>0.05)。这是由于CSt和CStSo处理明显改善了堆体的通气性，不利于N2O的生成，CSo处理的透气性较CSt和CStSo处理差而比C处理好，更有利于N2O的产生[15]。

图4 牛粪不同堆肥处理的N2O排放通量

2.5 牛粪不同堆肥模式对温室气体排放总量及GWP的影响

由表1可以看出，CO2排放总量表现为CSt>CStSo>CSo>C，其中CSt、CStSo、CSo处理的CO2排放总量分别是C处理的3.76、2.97、1.60倍，主要是由于加秸秆提高了堆温，改善了堆体的透气性，微生物活性增强，促进CO2排放。CH4排放总量表现为C>CSt>CStSo>CSo，C处理的CH4排放总量分别是CSt、CStSo、CSo处理的2.41、4.22、11.98倍，主要是由于C处理堆体含水量较高，严格的厌氧环境有利于CH4产生。N2O排放总量表现为CSo>CSt>CStSo>C，其中CSo处理的N2O排放总量分别是CSt、CStSo、C处理的1.51、1.84、6.16倍，表明严格厌氧条件和好氧条件均不利于N2O产生[15]。GWP表现为CSt>CSo>CStSo>C，其中CSt、CSo、CStSo处理的GWP分别是C处理的3.25、2.61、2.59倍，主要是由于CSt、CSo、CStSo处理的CO2和N2O排放总量(以CO2当量计)显著高于C处理，其对GWP的贡献率均高达97%以上，C处理CO2和N2O排放总量尽管显著低于其他处理，但其对GWP的贡献率也高达82%，由此可见，堆肥过程中CO2和N2O的排放是导致GWP增加的主要原因。表明C处理即纯牛粪堆肥可减少温室气体排放，综合考虑广大农村现实堆肥物料组合，建议采取CStSo堆肥模式，但要适当减少秸秆用量，增加牛粪和土的用量，CStSo堆肥模式优化还有待进一步研究。

表1 不同堆肥处理温室气体排放总量及其GWP

注：①②代表整个堆肥过程气体排放的CO2当量；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3 结论与讨论

关于不同堆肥模式对堆温的影响，普遍认为堆料中添加秸秆可以提高堆温，且缩短进入高温腐熟的时间[34]。本研究结果表明，添加秸秆的CSt、CStSo处理的堆温高于不添加秸秆的C、CSo处理，且堆温达到最大值的时间提前，与前人研究[34]结论一致。赵建荣等[35]研究发现，鸡粪中添加麦秆进行堆肥的堆温随时间推进呈先升后降趋势，且堆温高于气温。本研究结果表明，温室内气温和堆温随随时间推进均呈升—降—升的趋势，且同一观测时间点气温高于堆温。C、CSt、CSo和CStSo处理的堆温变幅分别为7.90～14.80 ℃、8.80～14.48 ℃、7.20～13.50 ℃和6.95～14.50 ℃，堆温变幅明显小于气温变幅(14.33～23.50 ℃)。本研究结果与赵建荣等[35]的研究结论不一致的原因可能是堆肥条件不一样，本研究中堆肥是在日光温室中进行，温室内气温明显高于外界气温；也可能是因为添加秸秆的量不同，因为各堆体不同的C/N显著影响堆肥进程[36]。

堆肥过程中排放的CO2主要是由微生物分解有机物产生的。本研究中C处理CO2排放通量总体呈上升趋势，变幅为708.18～1 768.56 mg/(m2·h)，最大排放通量出现在第7周；CSt、CSo、CStSo处理CO2排放通量总体上均呈先升后降的趋势，变幅分别为3 390.91～5 445.80、1 409.91～2 619.42、2 368.12～4 622.80 mg/(m2·h)，最大排放通量总体均出现在第2周。CO2平均排放通量表现为CSt>CStSo>CSo>C，除了C与CSo无显著差异外(P>0.05)，其他处理间差异显著(P<0.05)，添加秸秆的CSt、CStSo处理CO2平均排放通量较高，原因可能是加入秸秆提高了堆温，改善了堆体的透气性，微生物活性增强，促进CO2排放[15,28-29]。缺氧和厌氧条件下有利于堆肥过程中CH4的排放，陶金沙等[37]研究表明，CH4的排放峰出现在堆肥初期，原因是有机物在堆肥初期大量分解，造成堆体供氧不足，氧化还原电位下降，产生CH4；堆肥后期，可降解碳源减少造成CH4排放量减少。本研究结果与其相似，CSt、CSo、CStSo处理的CH4排放通量总体均呈先升后降的趋势，在第2或3周达到最大值，之后逐渐减少，变幅分别为2.48～10.97、0.44～2.60、1.42～5.74 mg/(m2·h)。同时，C处理的CH4排放通量动态变化趋势与其他处理不一致，总体上呈上升趋势，最大值出现在第6周，变幅为9.00～28.33 mg/(m2·h)。CH4平均排放通量表现为C>CSt>CStSo>CSo，C处理显著高于CSt、CSo、CStSo处理(P<0.05)，主要是由于C处理堆体含水量较高，严格的厌氧环境有利于CH4产生。

堆肥中N2O的产生来自铵态氮的硝化与硝态氮的反硝化过程，堆肥初始物料中的硝态氮浓度低，反硝化作用弱，因此，堆肥初期的N2O排放量少。He等[38]研究认为，堆肥后期的反硝化作用对堆肥中N2O总排放量的贡献最大。这与本研究中N2O排放通量随时间变化的规律一致，CSt、CSo、CStSo 处理的N2O排放通量呈先升后降的趋势，最大值出现在后期(第5～6周)，变幅分别为0.13～19.40、2.33～29.29、0.33～18.08 mg/(m2·h)；C处理的N2O排放通量总体呈上升趋势，最大值出现在第7周，变幅为0.83～4.67 mg/(m2·h)。N2O平均排放通量表现为CSo>CSt>CStSo>C，CSo处理与C处理差异显著(P<0.05)，其他处理间差异不显著(P>0.05)，CSo处理的透气性较CSt和CStSo处理差而较C处理好，更有利于N2O的产生，因为严格厌氧条件和好氧条件均不利于N2O产生[15]。

本研究结果显示，各堆肥处理的CO2和N2O排放总量占GWP比例较大，CH4排放总量所占比例最小，这与杨岩等[39]的研究结论一致。GWP表现为CSt>CSo>CStSo>C，CSt、CSo、CStSo 处理的GWP分别是C处理的3.25、2.61、2.59倍，主要是由于CSt、CSo、CStSo处理的CO2和N2O排放量较大所致。综合考虑实际堆肥物料组分及温室气体减排，建议采取CStSo堆肥模式，但应适当增加牛粪和土的比例，具体的堆料配比还有待进一步研究。

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Effect of Different Composting Models of Cattle Manure on Greenhouse Gases Emission

JIANG Zhen1,WANG Juyuan2,YU Xueru1,ZHANG Rui1,NI Weiming1,ZHAI Sheng1*

(1.School of Environment and Planning,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China;2.Agronomy School,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

The effect of four composting treatments,such as cattle manure(C),cattle manure and straw(CSt),cattle manure and soil(CSo),cattle manure,straw and soil(CStSo) on greenhouse gases(GHGs) emission were studied by using the static chamber-gas chromatograph techniques,so as to provide a reference for GHGs emission reduction and composting model optimization.The results showed compost temperature and air temperature in greenhouse both took on rising-descending-rising trend during composting period.But the air temperature was higher than compost temperature at the same observation time.Overall,the compost temperature of CSt，CStSo treatments were higher than those of C,CSo treatments,indicating that adding wheat straw could increase the compost temperature.The emission flux of carbon dioxide(CO2),methane(CH4),and nitrous oxide(N2O) under C treatment increased with the time going on,and the maximum value appeared between the sixth and seventh week.The trend of GHGs emission flux of CSt,CSo,and CStSo treatments first increased and then declined,the maximum emission flux of CO2and CH4appeared on the second week,the maximum emission flux of N2O was observed during the fifth and sixth week.The order of average CO2emission flux was CSt>CStSo>CSo>C,among which all treatments were significantly different except C and CSo treatments.The order of average CH4emission flux was C>CSt>CStSo>CSo,among which CSt,CSo,CStSo treatments were significantly different with C treatment,and CSt treatment was also significantly different with CSo treatment.The order of average N2O emission flux was CSo>CSt>CStSo>C,among which C and CSo treatments were significantly different.The global warming potential(GWP) of CSt,CSo,and CStSo treatments were 3.25,2.61,and 2.59 times of C treatment respectively,which showed that cattle manure compost gave out the lowest amount of GHGs.Based on the GHGs emission amount and realistic compost constituent,CStSo treatment was recommended to apply after increasing the ratio of cattle manure and soil.

cattle manure; composting model; greenhouse gases emission flux; global warming potential

2016-11-15

国家自然科学基金项目(31272383)；山东省自然科学基金项目(ZR2013DM012，ZR2013DL005)；山东省政府公派出国留学项目；国家级大学生创新创业训练计划项目(201410447044)；聊城大学大学生科技文化创新项目(26312161010,SF2013138)

江 振(1989-)，男，山东泰安人，在读硕士研究生，研究方向：水土资源开发与保护。 E-mail：1262301644@qq.com

*通讯作者：翟 胜(1974-)，男，内蒙古乌兰察布人，副教授，博士，主要从事土壤环境、水环境管理方面的教学与科研工作。E-mail：shengzhai1974@163.com

S141.4;X511

A

1004-3268(2017)04-0061-07