羊粪不同堆肥模式对温室气体排放的影响

史 磊，王巨媛，于学茹，徐 欣，陈 辉，孙树臣，冯文丽，翟 胜*

(1.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011;3.中国科学院大学，北京 100049; 4.聊城大学 农学院，山东 聊城 252059)

温室气体排放引发的全球气候变暖已成为当今人类面临的重要环境问题之一，引起社会各界的高度重视[1]。温室气体中CO2对温室效应的贡献最大，约占56%[2]，其次为CH4，其温室效应潜能是CO2的23倍，对温室效应的贡献约占15%[3]。据报道，大气中20%的CO2、70%的CH4、90%的N2O来源于农业活动过程[4-5]。因此，如何采取相应措施减少农业活动过程中温室气体的排放，对于控制全球气候变暖具有重要意义。

目前，农业生产过程中温室气体排放的研究较多[6-10]。何闪英等[8]研究发现，施加污泥的猪粪堆肥能够显著提高N2O排放。赵晨阳等[9]研究了翻堆频率对猪粪条垛堆肥过程的温室气体(CH4、N2O)和氨气排放的影响后发现，提高翻堆频率可增加温室气体和氨气的排放，CH4与CO2排放当量明显高于N2O。杨岩等[10]研究发现，添加过磷酸钙减少堆肥过程中温室气体排放，堆肥产生的总温室气体CO2排放当量较不添加过磷酸钙处理减少10.2%～20.8%。刘飞等[11]在堆肥物料中添加3%的棉秆木醋液，不仅降低碳损失率，而且对堆肥过程中CH4的产生有显著抑制作用。此外，也有不少研究者通过调节堆体含水量[12-13]、C/N[14]、pH值[15]，或加入镁盐[16]、微生物菌剂[17]、明矾和沸石等[18]来减少堆肥过程中温室气体排放。现阶段，已有研究主要集中于人为干扰条件(控制通风、翻堆频率、外加化学物质等)对堆料腐熟和温室气体排放的影响[19-20]，有关自然堆肥过程中的温室气体排放特征及全球增温潜势研究报道很少[21]。在我国广大农村，堆肥物料主要是家畜粪便、作物秸秆和土，而且在堆肥过程中几乎不扰动堆体而进行自然腐熟。鉴于此，选取羊粪、牛粪、秸秆与土进行搭配堆肥，研究无人为扰动条件下堆肥过程温室气体排放动态变化及全球增温潜势，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 试验材料与设计

试验于山东省聊城市聊城大学土壤生态环境教学科研基地日光温室大棚(36°26′N、115°57′E)进行，该大棚东西走向，长30 m，宽12 m。试验所需材料包括羊粪、牛粪、秸秆、土体以及木质堆箱，其中羊粪、牛粪、土体以及秸秆取材自聊城市东昌府区土城村农场，秸秆为当季小麦收获后的风干秸秆，试验前将秸秆截成5 cm长，其C/N=65～85，羊粪C/N=29～41，堆肥容器为自制长方体木制箱(无底无盖)，规格为40 cm×40 cm×35 cm。

试验设5种堆肥模式，分别为Y(羊粪)、YC(羊粪+秸秆)、YT(羊粪+土)、YTC(羊粪+土+秸秆)、YNC(羊粪+牛粪+秸秆)。各模式堆料体积相同，质量比为1∶1或1∶1∶1。堆肥时间为2014年1月11日—3月1日，将堆料充分混匀后，装入木制箱，并在堆体表面均匀地盖上一层2～3 cm厚的干土，整个堆肥过程不扰动堆体。

1.2 测定项目及方法

温室气体、堆体温蒂采样时间均为9:00—12:00，1月18日第1次采样，以后每隔7 d采样1次，共采样7次。采气用静态密闭箱法进行，底座用不锈钢材料做成，规格为50 cm×50 cm×20 cm，采气前将底座套在堆体外侧，确保底座基本水平的前提下沿底座四周用土埋严实，采气时将有机玻璃材质的采气箱罩在该底座上并注水密封，采气箱规格为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，在采集气样的同时记录采气箱内温度及堆体中心的温度，采气箱内温度通过读取箱内干湿温度计获得，堆土温度通过插入堆体中部水银温度计读取获得。

气样采用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析，柱温60 ℃，CH4排放通量用FID检测器测定，CO2排放通量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排放通量用μECD检测器测定，检测温度为300 ℃。温室气体排放通量及全球增温潜势(GWP)计算参照杨岩等[10]的计算方法，公式如下。

F=M/V0×P/P0×T0/T×H×dC/dt

(1)

式中，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)计算公式如式(2)和(3)所示。

GWP=fCO2+25×fCH4+298×fN2O

(2)

(3)

式中，f为整个堆肥过程不同温室气体的排放总量(kg/hm2)，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 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，SPSS 16.0进行单因素方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同堆肥模式堆肥温度及温室气温动态变化

由图1可知，在堆肥后期，同一观测时间，温室内气温高于各模式的堆肥温度。各模式堆肥温度均呈现先升高后降低，然后逐渐升高的变化趋势。不同堆肥模式的堆肥温度达到最高温的时间存在较大差异，而达到最低温的时间基本一致(22～29 d)，且主要由于温室气温下降所致。5种模式中，YC模式的最高温度出现时间较早(14 d)，温度最高达19.80 ℃，而Y、YT、YTC、YNC最高温度出现时间较晚，高温值在16.2～17.9 ℃，且最高温度按照YNC(17.5 ℃)>Y(17.4 ℃)>YTC(16.3 ℃)>YT(16.2 ℃)依次降低。

图1 不同堆肥模式堆肥温度及温室气温动态变化

2.2 不同堆肥模式N2O排放通量分析

由图2可知，Y、YC、YNC模式的N2O排放通量呈先快速降低后趋于平缓的变化趋势，分别由堆肥后8 d的30.71、25.72、23.37 mg/(m2·h)降为22 d的1.88、9.39、0.85 mg/(m2·h)，分别降低93.88%、63.49%、96.36%；22 d后3种模式的N2O排放通量趋于稳定。YT、YTC模式的N2O排放通量呈先升高后快速降低的变化趋势，排放峰值均出现在堆肥后15 d左右，分别为24.20、13.12 mg/(m2·h)，堆肥后29～36 d，YT、YTC模式N2O排放通量分别降为2.08、0.32 mg/(m2·h)，分别降低91.40%、97.56%。5种模式的 N2O平均排放通量按照YT[13.16 mg/(m2·h)]>Y[7.64 mg/(m2·h)]> YNC[5.90 mg/(m2·h)]>YC[5.19 mg/(m2·h)]>YTC[4.39 mg/(m2·h)]依次减小。试验结果表明，加土促进了N2O的排放，加秸秆抑制N2O的排放，主要原因可能是加入土后压实堆体、填充堆体孔隙，形成了厌氧环境促使厌氧微生物(如反硝化细菌)活性增强，反硝化作用促进了N2O产生；而秸秆的加入增加了堆体的孔隙度，抑制反硝化作用产生N2O，此外，羊粪含N量高于牛粪，同体积羊粪较牛粪能提供更多的N源，使得N2O排放通量表现为Y>YNC。

图2 不同堆肥模式N2O排放通量动态变化

2.3 不同堆肥模式CH4排放通量分析

由图3可知，Y、YC、YT、YTC模式的CH4排放通量呈先升后降趋势，排放峰值出现在堆肥后15 d左右，分别为10.78、0.68、1.04、0.59 mg/(m2·h)，较最低值[2.75、0.02、0.39、0.15 mg/(m2·h)]分别增加2.92、33.00、1.67、2.93倍。YNC模式的CH4排放通量总体呈降低趋势，由堆肥后8 d的5.11 mg/(m2·h)降为堆肥后50 d的0.26 mg/(m2·h)，降低94.91%。5种模式中，Y模式的CH4排放通量最大，为5.87 mg/(m2·h)，且与其他堆肥模式差异显著；其次为YNC，CH4排放通量为1.71 mg/(m2·h)，而YC、YTC、YT模式的CH4排放通量相对较小，且在整个堆肥期间变化幅度较小，CH4平均排放通量由大到小依次为Y[5.87 mg/(m2·h)]>YNC[1.71 mg/(m2·h)]>YT[0.68 mg/(m2·h)]>YTC[0.28 mg/(m2·h)]>YC[0.21 mg/(m2·h)]。与N2O相似，加入土壤导致厌氧微生物的活性逐渐增强，加入秸秆改善了堆体通风状况，抑制了厌氧活动，CH4排放通量减少，使得CH4排放通量表现为YT>YTC>YC。

图3 不同堆肥模式CH4排放通量动态变化

2.4 不同堆肥模式CO2排放通量分析

由图4可知，YC模式的CO2排放通量呈先升高后降低的趋势，排放峰值出现在堆肥后15 d，为5 876.49 mg/(m2·h)；YT的CO2排放通量变化趋势为升高—降低的变化趋势，排放峰值出现在22 d，为2 145.80 mg/(m2·h)，YTC模式的CO2排放通量变化趋势为降低—升高—降低，排放峰值为1 687.40 mg/(m2·h)；而YNC模式的CO2排放通量呈先快速降低后趋于平缓的变化趋势，Y模式变化趋势相对较为平缓，Y和YNC模式分别由堆肥后15 d的2 111.63、4 121.13 mg/(m2·h)降为堆肥后29 d的1 381.01、2 187.45 mg/(m2·h)，分别降低34.60%、46.92%。5种模式的CO2排放通量大小依

次为YC[2 794.91 mg/(m2·h)]>YNC[2 722.39 mg/(m2·h)]>Y[1 753.86 mg/(m2·h)]>YT[1 549.65 mg/(m2·h)]> YTC[1 412.26 mg/(m2·h)]。

图4 不同堆肥模式CO2排放通量动态变化

2.5 不同堆肥模式堆肥温度与温室气体排放通量的相关性分析

由表1知，各模式的堆肥温度与N2O、CO2、CH4排放通量呈正相关，但不同模式间差异较大。YNC模式的N2O、CO2、CH4排放通量与堆肥温度呈极显著正相关，相关系数分别为0.67、0.82、0.74，表明YNC模式的3种温室气体排放通量受堆肥温度影响较大；YT模式的CO2、CH4排放通量与堆肥温度呈显著正相关，相关系数分别为0.44、0.39，N2O排放与堆肥温度关系不显著；Y模式的堆肥温度与CO2、CH4排放通量呈极显著正相关，相关系数分别为0.48、0.58，表明堆肥温度变化影响CO2排放，堆肥温度与N2O排放通量相关系数较小，表明温度对其影响程度较小；YTC模式的堆肥温度与N2O、CO2排放通量呈显著相关，相关系数分别为0.43、0.32；YC模式N2O排放通量与堆肥温度呈极显著相关(0.74)，其他温室气体与堆肥温度相关性均不显著。

表1 各模式堆肥温度与温室气体排放通量之间的相关系数

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平显著、极显著。

2.6 不同堆肥模式全球增温潜势分析

全球增温潜势是估计不同温室气体对气候系统潜在效应的重要指标，对综合评价温室气体的潜在增温效应具有重要意义。5种模式的全球增温潜势大小依次为YT(101 512.3 kg/hm2)>YTC(100 927.7 kg/hm2)>Y(91 242.3 kg/hm2)>YC(87 109.0 kg/hm2)>YNC(80 685.2 kg/hm2)(表2)。随着堆肥的进行，各堆肥模式对全球增温潜势的贡献逐渐降低，虽然YC初始全球增温潜势最高，但其平均全球增温潜势和总全球增温潜势都相对较低，对温室效应的最终贡献率最小。YT和YTC初始全球增温潜势最低，但其总全球增温潜势却较高，对温室效应的贡献较大。

表2 不同堆肥模式的全球增温潜势及比例

3 结论与讨论

本研究中，在堆肥后期，同一堆肥时间的温室气温高于堆肥温度，且两者均呈现升高—降低—升高的趋势，各堆肥模式的堆肥温度变幅低于温室内气温变幅，主要受外界气温季节变化和天气阴晴变化共同作用的结果所致。不同堆肥模式的最高堆肥温度不同，按照YC>YNC>Y>YTC>YT的顺序依次降低，原因可能是小麦秸秆能改善堆体的透气性，使得微生物活性增强，释放大量热能，进而提高了堆肥温度；YT模式的堆肥温度最低，原因可能是土壤使堆体密封，通风透气性较差，微生物好氧活动减慢，产生的热能较少。

温室气体的排放主要是由好氧微生物及厌氧微生物分解有机物产生，氧气、温度及水分是主要的限制因素。本研究中，Y、YNC模式的CO2、CH4、N2O排放通量整体上呈现降低的趋势；YT、YTC模式的CO2、CH4、N2O呈现先上升后下降的趋势，而YC模式的CH4、N2O排放呈现降低趋势，CO2呈现先上升后下降的趋势。CO2的平均排放通量按照YC>YNC>Y>YT>YTC依次减小，这与赵淮阳等[18]的研究结果一致。羊粪、牛粪和秸秆有机质含量较高，为堆肥提供了碳源，外加秸秆改善堆体通气性，日光温室内适宜的温度为好养微生物提供了良好的生存环境，导致好氧作用加快，释放较高的CO2，相比之下，加入土壤的堆肥模式导致通透性降低，堆体内氧气减少，好氧作用减弱，CO2释放量相对较小；CH4的平均排放通量按照Y>YNC>YT>YTC >YC依次减小，这与廖新俤等[17]的研究结果一致，主要因为土壤的加入导致堆体的密封，堆体孔隙度降低，促使厌氧环境的产生，厌氧微生物的活性逐渐增强，促进CH4的产生。此外，CH4的排放高峰出现在堆肥初期(15～22 d)，与陶金沙等[12]的研究结果一致，原因是有机物在堆肥初期大量分解，造成堆体供养不足，氧化还原电位下降，产生CH4；堆肥后期，可降解碳源减少使得CH4排放量减少。N2O的平均排放通量大小依次为YT>Y>YTC>YNC>YC，与CO2趋势相反，表现为加土促进了N2O的排放、加秸秆抑制N2O的排放，主要是加入土后压实堆体、填充堆体孔隙，形成了厌氧环境促使厌氧微生物(如反硝化细菌)活性增强，反硝化作用促进了N2O产生；而秸秆的加入增加了堆体的孔隙度，抑制反硝化作用产生N2O。此外，由于羊粪的氮含量(0.7%～0.8%)高于牛粪(0.30%～0.45%)，导致同体积状态下羊粪能够提供更多的氮源，使得N2O排放通量为Y>YNC,因此,羊粪对N2O排放贡献较大。本研究发现，3种温室气体排放通量与堆肥温度整体上呈显著或极显著正相关，这与李丽劼[22]的研究结果一致。

全球增温潜势按照YT>YTC>Y>YC>YNC依次减小，最大增温潜势为101 512.3 kg/hm2，最小增温潜势为80 685.2 kg/hm2，主要是YT模式的N2O产生量远远超过其他堆肥模式，加之N2O的增温潜势是CO2的198倍，致使累计状态下的YT模式具有更强的增温作用。综合考虑，实际堆料组份及温室气体减排，建议采取羊粪+土的堆肥模式。本研究仅限于特定羊粪堆肥条件下的温室气体排放研究，而关于各种堆料的适宜配比对温室气体排放的影响还有待于进一步研究，为此，今后需进一步加强各种物料不同配比对温室气体排放及全球增温潜势的影响及机制研究。

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