含水率與C/N耦合對驢糞堆肥過程中溫室氣體排放的影響

陳輝，王巨媛，田曉飛，王倩，徐欣，劉曉，鄧瑩瑩，馮文麗，翟勝*

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059；2. 聊城大學農學院，山東 聊城 252059

溫室氣體的排放正在加劇全球氣候變暖的進程（IPCC，2012；IPCC，2013）。聯合國糧農組織指出，全球畜牧業 CO2、N2O、CH4排放量分別占人類活動CO2、N2O、CH4排放總量的9%、65%、37%，按CO2當量計算，畜牧業所排放的溫室氣體占全球排放總量的18%，是導致全球變暖的重要因素之一（Steinfeld et al.，2006）。據估計，2015年中國畜禽糞便排放量達 65.54億噸（劉茹飛等，2017），并且隨著畜牧業的規模不斷擴大，畜禽廢棄物將會快速增加。因此，開展畜禽糞便堆肥過程中溫室氣體排放研究對減緩氣候變暖進程具有重大意義。

目前，國內外在畜禽糞便堆肥過程中溫室氣體排放方面的研究已有不少報道（Pratt et al.，2015；Zhong et al.，2013；丁鋼強等，2014；周貝貝等，2016）。Tamura et al.（2006）的堆肥試驗表明低含水量為奶牛糞便堆肥提供了較好的條件，堆肥過程中溫室氣體排放較少。Wang et al.（2014）通過研究鴨糞堆肥發現，添加秸稈和沸石有利于減少溫室氣體的排放。趙晨陽等（2014）研究發現翻堆頻率對豬糞堆肥過程中溫室氣體和氨氣排放具有顯著促進效果。沈玉君等（2010）以雞糞、秸稈、甘草皮為堆肥原料，研究好氧條件下通風速率對堆肥腐熟度以及含氮氣體的排放，結果表明低通風速率會促進N2O的產生。朱海生等（2018）從堆體規模入手，發現增大堆體規模可以減少溫室氣體的排放。江振等（2017）在無人為擾動自然條件下，研究了不同堆肥模式對溫室氣體排放的影響，發現牛糞、秸稈和土進行混和堆肥更有利于溫室氣體減排。史磊等（2017）分析了不同羊糞堆肥處理下溫室氣體排放通量和全球增溫潛勢，發現羊糞和土混合堆肥模式溫室氣體排放較少。鄭嘉熹等（2011）采用強制通風反應堆肥系統進行研究，發現在豬糞中添加兩種金屬鹽有利于氮素保存和減少溫室氣體排放。周談龍等（2017）采用箱式法研究了低 C/N條件下豬糞堆肥試驗，發現 C/N越低溫室氣體排放量越高。

綜上所述，已有文獻主要通過控制翻堆頻率、通風速率、堆體規模、C/N、無人為擾動等條件來研究不同畜禽糞便堆肥過程中溫室氣體排放，而有關不同C/N和含水率耦合對驢糞堆肥過程中溫室氣體排放及全球增溫潛勢的研究尚未見報道。為此，本研究以驢糞為原料，研究不同C/N與含水率耦合對強制通風靜態堆肥過程中溫室氣體排放和溫室效應的影響，以期篩選出驢糞堆肥過程中堆料最佳C/N和含水率，為控制有機堆肥過程中溫室氣體排放提供依據和參考。

1 試驗設置與研究方法

1.1 試驗設置

試驗在山東省聊城市東昌府區聊城大學溫室大棚中進行，驢糞來源于東阿阿膠天龍牧業公司，初始驢糞含水率為33.5%，含氮量1.34%，含碳量47.5%，C/N為35.4∶1。2017年2月與3月分別進行了 C/N和含水率耦合的預備試驗，發現驢糞堆料C/N低于25∶1或高于35∶1、含水率低于50%或高于 65%均不利于驢糞堆肥腐熟。為此，本試驗將驢糞 C/N 設置為 25∶1、30∶1、35∶1，含水率設置為55%和60%兩個水平，共設6個堆肥處理（見表1）。將堆料充分混勻后，裝入50 L保溫桶。保溫桶高45 cm，直徑45 cm。將發酵材料調好裝桶至35 cm處，上覆尼龍紗隔離，覆蓋10 cm厚的濕驢糞。每天上午8:30使用空壓機從底部通風2 min以補充氧氣。

表1 驢糞堆肥試驗處理Table 1 Experimental treatment of donkey dung

1.2 氣樣采集與分析

試驗于2017年4月5日開始，5月7日結束，共計33 d。從堆肥開始至試驗結束，使用溫度記錄儀（ZDR-31型）測定堆溫，溫度探頭布設在堆肥反應器中央位置。每隔3－4 d進行氣體采樣，采樣時間為16:00。每次采樣前取出尼龍紗隔離的10 cm驢糞，然后用塑料薄膜密封堆肥反應器，密封混勻后迅速采集氣體，然后每隔10 min采集1次，即取樣時間分別在薄膜密封混勻后0、10、20 min進行。用100 mL注射器抽取1次樣品存入100 mL采樣氣袋中，然后測定堆體氧氣含量，同時記錄溫室內氣溫、堆溫，其中氧氣含量采用原位氧氣含量測定儀（13.05.01 Pro型）進行測定。氣樣用Agilent 7890A氣相色譜儀進行分析，柱箱溫度為 60 ℃，CH4用FID檢測器測定，CO2經鎳觸媒轉化器轉化成CH4后用FID檢測器測定，檢測溫度為250 ℃；N2O用μECD檢測器測定，檢測溫度為300 ℃。溫室氣體排放通量計算參照文獻（胡保安，2015）；全球增溫潛勢（GWP）的計算參照文獻（劉紅紅，2015）進行。

1.3 數據分析

運用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行計算及圖表制作，數據分析在 SPSS 22.0中進行，3種溫室氣體排放通量采用單因素方差分析和Duncan法多重比較，溫度和含氧量與3種溫室氣體排放量相關性分析采用Pearson分析法。

2 結果分析

2.1 不同處理對堆溫的影響

圖1 不同堆肥處理對堆溫的影響Fig. 1 Effects of different composting treatment on manure temperature

由圖1可知，整個堆肥過程中，各處理堆溫總體上可劃分為4個階段，即低溫階段—快速上升階段—相對高溫階段—緩慢下降階段。4月 5日－4月9日為低溫階段，堆溫相對穩定，主要是由于試驗處理對微生物造成擾動，微生物需要一定的新環境適應期，代謝活性較低。4月9日－4月13日為堆溫快速上升階段，并在 13日達到最高，這是由于隨著堆肥的進行，堆體內微生物逐漸適應新環境，呼吸代謝旺盛，使得堆溫快速上升。至13日，各最高堆溫表現為 W2R2＞W1R1＞W1R3＞W2R1＞W1R2＞W2R3，其中 W2R2能促進驢糞堆溫快速升高，最高溫度達67.05 ℃；而W2R3的驢糞最高堆溫只有59 ℃，表明在含水率為60%時，C/N為35不利于堆體溫度的提升。4月13日之后，達到相對高溫階段，其中W1R1、W1R3、W2R3處理堆溫較平穩，高溫維持時間較長；W1R2、W2R1、W2R2處理堆溫快速下降，高溫維持時間較短。4月21日之后，各處理堆溫緩慢下降，最后趨于穩定。在整個堆肥過程中，各處理堆溫表現為 W1R1＞W2R2＞W1R3＞W1R2＞W2R1＞W2R3，C/N相同時，低含水率處理的最高堆溫高于高含水率處理，這是由于低含水率情況下堆體內氧氣含量較高，微生物呼吸作用強，導致堆溫較高。在堆體含水率一致的情況下，堆溫隨C/N的增加而逐漸降低。綜合各處理堆溫變化發現C/N為25時，堆體溫度最高，并且持續時間較長。隨著C/N的增加，堆體最高溫度有所降低，可能是因為高C/N導致微生物代謝缺氮，呼吸作用減弱，使得堆體溫度有所降低（陳雅娟等，2012）。

2.2 不同處理對堆體含氧量的影響

圖2 不同堆肥處理對氧氣含量的影響Fig. 2 Effects of different composting treatment on oxygen content

整個堆肥過程中，各處理堆體含氧量變化可劃分為4個階段，即快速下降階段—相對厭氧階段—快速復氧階段—平穩階段（見圖2）。4月5日堆肥開始時，各處理堆體含氧量較高，波動幅度為20.53%－15.63%。隨著反應的進行，微生物代謝活性增強，耗氧量明顯增加，堆體含氧量進入快速下降階段。4月9日－4月17日為相對厭氧階段，堆體含氧量于4月13日達到最低值，僅為1.48%－0.2%，表現為 W2R2＞W1R3＞W2R1＞W1R1＞W2R2=W1R2依次降低。4月17日－4月21日為快速復氧階段，堆體含氧量快速升高。4月21日之后為平穩階段，堆體含氧量趨于穩定。整個堆肥期間，各處理堆體的平均含氧量表現為 W2R3＞W2R1＞W1R2＞W1R3＞W2R2＞W1R1，各處理間差異不顯著。經相關性分析，發現含氧量與堆溫呈極顯著負相關（r=-0.475，P=0.01），表明隨著堆溫升高，微生物代謝活性增強，耗氧量增加，堆體含氧量降低，并且堆溫升高可增大空氣流通動力，有利于氧氣擴散，使堆體含氧量降低，這與伏小勇等（2010）研究結果相一致。

2.3 不同處理對N2O排放通量的影響

由圖3可知，在整個堆肥過程中，W1R1、W1R3、W2R3處理的N2O排放通量較小，變幅不大，處理間差異不顯著。W2R1、W2R2、W1R2處理的 N2O排放通量在4月25日之前相對較小，處理間差異不顯著；之后明顯增加，并于4月29日達到最大，排放通量分別為 7514.74、5146.14、2464.02 μg·m-2·h-1，之后又逐漸減小；其中 W2R1處理的N2O排放通量顯著高于W1R1、W1R3、W2R3處理（P=0.05），其余處理之間差異不顯著。可能是前期高溫條件下，硝化菌和反硝化細菌的活性受抑，N2O的排放較少；之后隨著堆溫的降低和堆體氧氣含量的增加，硝化作用增強，N2O排放通量也相應增多（鄭瑞生等，2009）。N2O排放通量表現為 W2R1＞W2R2＞W1R2＞W1R1＞W1R3＞W2R3。相同C/N條件下，高含水率形成厭氧環境，氧化亞氮還原酶（Nos）活性較高，有利于反硝化作用，同時過高的含水率也阻礙了N2O向大氣中遷移擴散（孫英杰等，2011）；相同含水率條件下，C/N高的處理N2O排放通量相對較低，可能是在C/N高的情況下，堆體中氮素相對缺乏，抑制了微生物的硝化和反硝化作用（陳慶偉等，2011；秦莉等，2010）。

圖3 不同堆肥處理N2O排放通量動態變化Fig. 3 Change of N2O emission fluxes of different composting treatment

2.4 不同處理對CH4排放通量的影響

各處理CH4排放通量總體呈先上升后下降的變化趨勢（見圖4）。4月5日－4月9日，CH4排放通量相對穩定，這是因為初期堆體內氧氣含量較高，抑制了產甲烷菌的活性。4月9日－4月13日，各處理CH4排放通量呈快速上升趨勢，并于13日達到最高峰，主要是由于4月13日堆體內氧氣被消耗殆盡，出現厭氧條件，提高了產甲烷菌活性，從而產生大量 CH4。CH4排放通量表現為W2R3＞W2R1＞W1R3＞W1R1＞W1R2＞W2R2，其中 W2R3處理 CH4排放通量最高，達到 5.51 mg·m-2·h-1，主要是由于高含水率和高C/N為產甲烷菌提供厭氧條件和充足碳源（王菲等，2015）。CH4排放通量與氧氣含量呈極顯著負相關關系（r=-0.65，P=0.01）。4月13日之后，各處理CH4排放通量快速下降，在25日之后CH4排放通量趨于平緩。整個堆肥期間，各處理 CH4排放通量表現為 W2R3＞W2R1＞W1R3＞W1R2＞W1R1＞W2R2，表明在含水率相同情況下，C/N越高，CH4排放通量越大。而過低的C/N會導致銨的積累，抑制產甲烷菌微生物的生長，從而降低CH4的排放量（張杰等，2016）。C/N相同的情況下，含水率高的處理CH4排放量相對較多，這是由于高含水率為產甲烷菌提供了更好的厭氧環境，CH4排放量相對增加（謝軍飛等，2003）；含水率低的情況下，有利于氧氣的擴散，甲烷氧化細菌是專性好氧細菌，氧氣含量的增加可提高甲烷氧化的效率（岳波等，2010）。

圖4 不同堆肥處理CH4排放通量動態變化Fig. 4 Change of CH4 emission fluxes of different composting treatment

2.5 不同處理對CO2排放通量的影響

由圖5可知，各處理CO2排放通量在整個堆肥過程中呈先上升后下降趨勢。4月5日－4月21日，CO2排放通量逐漸升高，并于4月21日達到最大，CO2排 放 峰 值 表 現 為 W2R3＞W2R2＞W1R1＞W1R2＞W1R3＞W2R1，這主要是由于堆溫升高使得堆體內微生物活性增強。CO2排放通量與堆溫呈極顯著正相關關系（r=0.62，P=0.01）。4月 21日之后，CO2排放通量逐漸降低，最后趨于穩定。這是由于堆肥經過高溫階段后，堆體內微生物數量減少，呼吸作用減弱；另一方面，經過前期的微生物活動，堆體內可利用有機碳源減少，使得CO2排放通量降低。各處理 CO2排放通量表現為 W2R3＞W1R1＞W1R3＞W1R2＞W2R2＞W2R1，較高C/N保證了充足碳源，為CO2的生成提供了充足的底物，使得CO2排放增加；較低含水率使堆體內透氣性較好，增強了微生物的活性，使得呼吸作用增強，促進CO2排放（趙淮陽等，2015；黃濤等，2013）。

圖5 不同堆肥處理CO2排放通量動態變化Fig. 5 Change of CO2 emission fluxes of different composting treatment

2.6 不同處理對全球增溫潛勢的影響

由表2可知，各處理全球增溫潛勢（GWP）表現為 W2R1＞W2R3＞W1R2＞W1R1＞W2R2＞W1R3，說明低含水率、高C/N可以降低GWP；C/N越高，GWP貢獻越大。各處理 CO2排放總量表現為W2R3＞W1R1＞W1R3＞W1R2＞W2R1＞W2R2，各處理 CO2累積排放量分別占 GWP的 96.39%、95.21%、94.00%、80.65%、66.30%、75.62%；N2O累積排放量表現為 W2R1＞W2R2＞W1R2＞W1R3＞W1R1＞W2R3，各處理N2O累積排放量分別占GWP的32.45%、23.79%、18.21%、4.67%、3.70%、2.07%。CH4累積排放量表現為 W2R3＞W2R1＞W1R3＞W1R2＞W1R1＞W2R2，各處理 CH4累積排放量分別占 GWP的1.54%、1.26%、1.33%、1.14%、1.09%、0.59%。由此可見，在驢糞堆肥過程中，各處理CO2累積排放量對全球增溫潛勢貢獻最大，均大于 66.30%，N2O貢獻較小，為2.07%－32.45%，CH4貢獻最小，均低于1.54%。本試驗中，W2R1處理的GWP最大，是因為各處理CO2累積排放量相差不大，而W2R1處理的 N2O累積排放量遠超其他處理，并且 N2O的增溫潛勢是CO2的298倍，致使該處理具有更強的增溫作用。

表2 不同處理溫室氣體排放量及全球增溫潛勢（GWP）Table2 Greenhouse gas emissions and global warming potential of different treatments

3 結論

（1）堆體含氧量與堆溫呈極顯著負相關關系。C/N為25時，堆體溫度最高，且持續時間較長。

（2）在整個堆肥過程中，含水率較高情況下，各處理N2O、CH4排放通量大，CO2排放通量小；高C/N可促進CO2、CH4的排放，抑制N2O的產生。CH4排放通量與氧氣含量呈極顯著負相關；CO2排放量與堆溫呈極顯著正相關關系。

（3）全球增溫潛勢（GWP）在含水率低、C/N高的情況下較小。各處理均以 CO2累積排放量對全球增溫潛勢貢獻最大，大于66.30%，N2O貢獻較小，為 2.07%－32.45%，CH4貢獻最小，低于1.54%。綜合考慮驢糞堆肥效果和堆肥過程中產生的溫室效應，發現W1R3（含水率為55%，C/N為35）處理更有利于溫室氣體減排和堆肥腐熟。