含水率与C/N耦合对驴粪堆肥过程中温室气体排放的影响

陈辉，王巨媛，田晓飞，王倩，徐欣，刘晓，邓莹莹，冯文丽，翟胜*

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

温室气体的排放正在加剧全球气候变暖的进程（IPCC，2012；IPCC，2013）。联合国粮农组织指出，全球畜牧业 CO2、N2O、CH4排放量分别占人类活动CO2、N2O、CH4排放总量的9%、65%、37%，按CO2当量计算，畜牧业所排放的温室气体占全球排放总量的18%，是导致全球变暖的重要因素之一（Steinfeld et al.，2006）。据估计，2015年中国畜禽粪便排放量达 65.54亿吨（刘茹飞等，2017），并且随着畜牧业的规模不断扩大，畜禽废弃物将会快速增加。因此，开展畜禽粪便堆肥过程中温室气体排放研究对减缓气候变暖进程具有重大意义。

目前，国内外在畜禽粪便堆肥过程中温室气体排放方面的研究已有不少报道（Pratt et al.，2015；Zhong et al.，2013；丁钢强等，2014；周贝贝等，2016）。Tamura et al.（2006）的堆肥试验表明低含水量为奶牛粪便堆肥提供了较好的条件，堆肥过程中温室气体排放较少。Wang et al.（2014）通过研究鸭粪堆肥发现，添加秸秆和沸石有利于减少温室气体的排放。赵晨阳等（2014）研究发现翻堆频率对猪粪堆肥过程中温室气体和氨气排放具有显著促进效果。沈玉君等（2010）以鸡粪、秸秆、甘草皮为堆肥原料，研究好氧条件下通风速率对堆肥腐熟度以及含氮气体的排放，结果表明低通风速率会促进N2O的产生。朱海生等（2018）从堆体规模入手，发现增大堆体规模可以减少温室气体的排放。江振等（2017）在无人为扰动自然条件下，研究了不同堆肥模式对温室气体排放的影响，发现牛粪、秸秆和土进行混和堆肥更有利于温室气体减排。史磊等（2017）分析了不同羊粪堆肥处理下温室气体排放通量和全球增温潜势，发现羊粪和土混合堆肥模式温室气体排放较少。郑嘉熹等（2011）采用强制通风反应堆肥系统进行研究，发现在猪粪中添加两种金属盐有利于氮素保存和减少温室气体排放。周谈龙等（2017）采用箱式法研究了低 C/N条件下猪粪堆肥试验，发现 C/N越低温室气体排放量越高。

综上所述，已有文献主要通过控制翻堆频率、通风速率、堆体规模、C/N、无人为扰动等条件来研究不同畜禽粪便堆肥过程中温室气体排放，而有关不同C/N和含水率耦合对驴粪堆肥过程中温室气体排放及全球增温潜势的研究尚未见报道。为此，本研究以驴粪为原料，研究不同C/N与含水率耦合对强制通风静态堆肥过程中温室气体排放和温室效应的影响，以期筛选出驴粪堆肥过程中堆料最佳C/N和含水率，为控制有机堆肥过程中温室气体排放提供依据和参考。

1 试验设置与研究方法

1.1 试验设置

试验在山东省聊城市东昌府区聊城大学温室大棚中进行，驴粪来源于东阿阿胶天龙牧业公司，初始驴粪含水率为33.5%，含氮量1.34%，含碳量47.5%，C/N为35.4∶1。2017年2月与3月分别进行了 C/N和含水率耦合的预备试验，发现驴粪堆料C/N低于25∶1或高于35∶1、含水率低于50%或高于 65%均不利于驴粪堆肥腐熟。为此，本试验将驴粪 C/N 设置为 25∶1、30∶1、35∶1，含水率设置为55%和60%两个水平，共设6个堆肥处理（见表1）。将堆料充分混匀后，装入50 L保温桶。保温桶高45 cm，直径45 cm。将发酵材料调好装桶至35 cm处，上覆尼龙纱隔离，覆盖10 cm厚的湿驴粪。每天上午8:30使用空压机从底部通风2 min以补充氧气。

表1 驴粪堆肥试验处理Table 1 Experimental treatment of donkey dung

1.2 气样采集与分析

试验于2017年4月5日开始，5月7日结束，共计33 d。从堆肥开始至试验结束，使用温度记录仪（ZDR-31型）测定堆温，温度探头布设在堆肥反应器中央位置。每隔3－4 d进行气体采样，采样时间为16:00。每次采样前取出尼龙纱隔离的10 cm驴粪，然后用塑料薄膜密封堆肥反应器，密封混匀后迅速采集气体，然后每隔10 min采集1次，即取样时间分别在薄膜密封混匀后0、10、20 min进行。用100 mL注射器抽取1次样品存入100 mL采样气袋中，然后测定堆体氧气含量，同时记录温室内气温、堆温，其中氧气含量采用原位氧气含量测定仪（13.05.01 Pro型）进行测定。气样用Agilent 7890A气相色谱仪进行分析，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参照文献（胡保安，2015）；全球增温潜势（GWP）的计算参照文献（刘红红，2015）进行。

1.3 数据分析

运用Microsoft Excel 2013软件对数据进行计算及图表制作，数据分析在 SPSS 22.0中进行，3种温室气体排放通量采用单因素方差分析和Duncan法多重比较，温度和含氧量与3种温室气体排放量相关性分析采用Pearson分析法。

2 结果分析

2.1 不同处理对堆温的影响

图1 不同堆肥处理对堆温的影响Fig. 1 Effects of different composting treatment on manure temperature

由图1可知，整个堆肥过程中，各处理堆温总体上可划分为4个阶段，即低温阶段—快速上升阶段—相对高温阶段—缓慢下降阶段。4月 5日－4月9日为低温阶段，堆温相对稳定，主要是由于试验处理对微生物造成扰动，微生物需要一定的新环境适应期，代谢活性较低。4月9日－4月13日为堆温快速上升阶段，并在 13日达到最高，这是由于随着堆肥的进行，堆体内微生物逐渐适应新环境，呼吸代谢旺盛，使得堆温快速上升。至13日，各最高堆温表现为 W2R2＞W1R1＞W1R3＞W2R1＞W1R2＞W2R3，其中 W2R2能促进驴粪堆温快速升高，最高温度达67.05 ℃；而W2R3的驴粪最高堆温只有59 ℃，表明在含水率为60%时，C/N为35不利于堆体温度的提升。4月13日之后，达到相对高温阶段，其中W1R1、W1R3、W2R3处理堆温较平稳，高温维持时间较长；W1R2、W2R1、W2R2处理堆温快速下降，高温维持时间较短。4月21日之后，各处理堆温缓慢下降，最后趋于稳定。在整个堆肥过程中，各处理堆温表现为 W1R1＞W2R2＞W1R3＞W1R2＞W2R1＞W2R3，C/N相同时，低含水率处理的最高堆温高于高含水率处理，这是由于低含水率情况下堆体内氧气含量较高，微生物呼吸作用强，导致堆温较高。在堆体含水率一致的情况下，堆温随C/N的增加而逐渐降低。综合各处理堆温变化发现C/N为25时，堆体温度最高，并且持续时间较长。随着C/N的增加，堆体最高温度有所降低，可能是因为高C/N导致微生物代谢缺氮，呼吸作用减弱，使得堆体温度有所降低（陈雅娟等，2012）。

2.2 不同处理对堆体含氧量的影响

图2 不同堆肥处理对氧气含量的影响Fig. 2 Effects of different composting treatment on oxygen content

整个堆肥过程中，各处理堆体含氧量变化可划分为4个阶段，即快速下降阶段—相对厌氧阶段—快速复氧阶段—平稳阶段（见图2）。4月5日堆肥开始时，各处理堆体含氧量较高，波动幅度为20.53%－15.63%。随着反应的进行，微生物代谢活性增强，耗氧量明显增加，堆体含氧量进入快速下降阶段。4月9日－4月17日为相对厌氧阶段，堆体含氧量于4月13日达到最低值，仅为1.48%－0.2%，表现为 W2R2＞W1R3＞W2R1＞W1R1＞W2R2=W1R2依次降低。4月17日－4月21日为快速复氧阶段，堆体含氧量快速升高。4月21日之后为平稳阶段，堆体含氧量趋于稳定。整个堆肥期间，各处理堆体的平均含氧量表现为 W2R3＞W2R1＞W1R2＞W1R3＞W2R2＞W1R1，各处理间差异不显著。经相关性分析，发现含氧量与堆温呈极显著负相关（r=-0.475，P=0.01），表明随着堆温升高，微生物代谢活性增强，耗氧量增加，堆体含氧量降低，并且堆温升高可增大空气流通动力，有利于氧气扩散，使堆体含氧量降低，这与伏小勇等（2010）研究结果相一致。

2.3 不同处理对N2O排放通量的影响

由图3可知，在整个堆肥过程中，W1R1、W1R3、W2R3处理的N2O排放通量较小，变幅不大，处理间差异不显著。W2R1、W2R2、W1R2处理的 N2O排放通量在4月25日之前相对较小，处理间差异不显著；之后明显增加，并于4月29日达到最大，排放通量分别为 7514.74、5146.14、2464.02 μg·m-2·h-1，之后又逐渐减小；其中 W2R1处理的N2O排放通量显著高于W1R1、W1R3、W2R3处理（P=0.05），其余处理之间差异不显著。可能是前期高温条件下，硝化菌和反硝化细菌的活性受抑，N2O的排放较少；之后随着堆温的降低和堆体氧气含量的增加，硝化作用增强，N2O排放通量也相应增多（郑瑞生等，2009）。N2O排放通量表现为 W2R1＞W2R2＞W1R2＞W1R1＞W1R3＞W2R3。相同C/N条件下，高含水率形成厌氧环境，氧化亚氮还原酶（Nos）活性较高，有利于反硝化作用，同时过高的含水率也阻碍了N2O向大气中迁移扩散（孙英杰等，2011）；相同含水率条件下，C/N高的处理N2O排放通量相对较低，可能是在C/N高的情况下，堆体中氮素相对缺乏，抑制了微生物的硝化和反硝化作用（陈庆伟等，2011；秦莉等，2010）。

图3 不同堆肥处理N2O排放通量动态变化Fig. 3 Change of N2O emission fluxes of different composting treatment

2.4 不同处理对CH4排放通量的影响

各处理CH4排放通量总体呈先上升后下降的变化趋势（见图4）。4月5日－4月9日，CH4排放通量相对稳定，这是因为初期堆体内氧气含量较高，抑制了产甲烷菌的活性。4月9日－4月13日，各处理CH4排放通量呈快速上升趋势，并于13日达到最高峰，主要是由于4月13日堆体内氧气被消耗殆尽，出现厌氧条件，提高了产甲烷菌活性，从而产生大量 CH4。CH4排放通量表现为W2R3＞W2R1＞W1R3＞W1R1＞W1R2＞W2R2，其中 W2R3处理 CH4排放通量最高，达到 5.51 mg·m-2·h-1，主要是由于高含水率和高C/N为产甲烷菌提供厌氧条件和充足碳源（王菲等，2015）。CH4排放通量与氧气含量呈极显著负相关关系（r=-0.65，P=0.01）。4月13日之后，各处理CH4排放通量快速下降，在25日之后CH4排放通量趋于平缓。整个堆肥期间，各处理 CH4排放通量表现为 W2R3＞W2R1＞W1R3＞W1R2＞W1R1＞W2R2，表明在含水率相同情况下，C/N越高，CH4排放通量越大。而过低的C/N会导致铵的积累，抑制产甲烷菌微生物的生长，从而降低CH4的排放量（张杰等，2016）。C/N相同的情况下，含水率高的处理CH4排放量相对较多，这是由于高含水率为产甲烷菌提供了更好的厌氧环境，CH4排放量相对增加（谢军飞等，2003）；含水率低的情况下，有利于氧气的扩散，甲烷氧化细菌是专性好氧细菌，氧气含量的增加可提高甲烷氧化的效率（岳波等，2010）。

图4 不同堆肥处理CH4排放通量动态变化Fig. 4 Change of CH4 emission fluxes of different composting treatment

2.5 不同处理对CO2排放通量的影响

由图5可知，各处理CO2排放通量在整个堆肥过程中呈先上升后下降趋势。4月5日－4月21日，CO2排放通量逐渐升高，并于4月21日达到最大，CO2排 放 峰 值 表 现 为 W2R3＞W2R2＞W1R1＞W1R2＞W1R3＞W2R1，这主要是由于堆温升高使得堆体内微生物活性增强。CO2排放通量与堆温呈极显著正相关关系（r=0.62，P=0.01）。4月 21日之后，CO2排放通量逐渐降低，最后趋于稳定。这是由于堆肥经过高温阶段后，堆体内微生物数量减少，呼吸作用减弱；另一方面，经过前期的微生物活动，堆体内可利用有机碳源减少，使得CO2排放通量降低。各处理 CO2排放通量表现为 W2R3＞W1R1＞W1R3＞W1R2＞W2R2＞W2R1，较高C/N保证了充足碳源，为CO2的生成提供了充足的底物，使得CO2排放增加；较低含水率使堆体内透气性较好，增强了微生物的活性，使得呼吸作用增强，促进CO2排放（赵淮阳等，2015；黄涛等，2013）。

图5 不同堆肥处理CO2排放通量动态变化Fig. 5 Change of CO2 emission fluxes of different composting treatment

2.6 不同处理对全球增温潜势的影响

由表2可知，各处理全球增温潜势（GWP）表现为 W2R1＞W2R3＞W1R2＞W1R1＞W2R2＞W1R3，说明低含水率、高C/N可以降低GWP；C/N越高，GWP贡献越大。各处理 CO2排放总量表现为W2R3＞W1R1＞W1R3＞W1R2＞W2R1＞W2R2，各处理 CO2累积排放量分别占 GWP的 96.39%、95.21%、94.00%、80.65%、66.30%、75.62%；N2O累积排放量表现为 W2R1＞W2R2＞W1R2＞W1R3＞W1R1＞W2R3，各处理N2O累积排放量分别占GWP的32.45%、23.79%、18.21%、4.67%、3.70%、2.07%。CH4累积排放量表现为 W2R3＞W2R1＞W1R3＞W1R2＞W1R1＞W2R2，各处理 CH4累积排放量分别占 GWP的1.54%、1.26%、1.33%、1.14%、1.09%、0.59%。由此可见，在驴粪堆肥过程中，各处理CO2累积排放量对全球增温潜势贡献最大，均大于 66.30%，N2O贡献较小，为2.07%－32.45%，CH4贡献最小，均低于1.54%。本试验中，W2R1处理的GWP最大，是因为各处理CO2累积排放量相差不大，而W2R1处理的 N2O累积排放量远超其他处理，并且 N2O的增温潜势是CO2的298倍，致使该处理具有更强的增温作用。

表2 不同处理温室气体排放量及全球增温潜势（GWP）Table2 Greenhouse gas emissions and global warming potential of different treatments

3 结论

（1）堆体含氧量与堆温呈极显著负相关关系。C/N为25时，堆体温度最高，且持续时间较长。

（2）在整个堆肥过程中，含水率较高情况下，各处理N2O、CH4排放通量大，CO2排放通量小；高C/N可促进CO2、CH4的排放，抑制N2O的产生。CH4排放通量与氧气含量呈极显著负相关；CO2排放量与堆温呈极显著正相关关系。

（3）全球增温潜势（GWP）在含水率低、C/N高的情况下较小。各处理均以 CO2累积排放量对全球增温潜势贡献最大，大于66.30%，N2O贡献较小，为 2.07%－32.45%，CH4贡献最小，低于1.54%。综合考虑驴粪堆肥效果和堆肥过程中产生的温室效应，发现W1R3（含水率为55%，C/N为35）处理更有利于温室气体减排和堆肥腐熟。