羊糞不同堆肥模式對(duì)溫室氣體排放的影響

史 磊，王巨媛，于學(xué)茹，徐 欣，陳 輝，孫樹(shù)臣，馮文麗，翟 勝*

(1.聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 4.聊城大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東 聊城 252059)

溫室氣體排放引發(fā)的全球氣候變暖已成為當(dāng)今人類(lèi)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題之一，引起社會(huì)各界的高度重視[1]。溫室氣體中CO2對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，約占56%[2]，其次為CH4，其溫室效應(yīng)潛能是CO2的23倍，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約占15%[3]。據(jù)報(bào)道，大氣中20%的CO2、70%的CH4、90%的N2O來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)過(guò)程[4-5]。因此，如何采取相應(yīng)措施減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)過(guò)程中溫室氣體的排放，對(duì)于控制全球氣候變暖具有重要意義。

目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中溫室氣體排放的研究較多[6-10]。何閃英等[8]研究發(fā)現(xiàn)，施加污泥的豬糞堆肥能夠顯著提高N2O排放。趙晨陽(yáng)等[9]研究了翻堆頻率對(duì)豬糞條垛堆肥過(guò)程的溫室氣體(CH4、N2O)和氨氣排放的影響后發(fā)現(xiàn)，提高翻堆頻率可增加溫室氣體和氨氣的排放，CH4與CO2排放當(dāng)量明顯高于N2O。楊巖等[10]研究發(fā)現(xiàn)，添加過(guò)磷酸鈣減少堆肥過(guò)程中溫室氣體排放，堆肥產(chǎn)生的總溫室氣體CO2排放當(dāng)量較不添加過(guò)磷酸鈣處理減少10.2%～20.8%。劉飛等[11]在堆肥物料中添加3%的棉稈木醋液，不僅降低碳損失率，而且對(duì)堆肥過(guò)程中CH4的產(chǎn)生有顯著抑制作用。此外，也有不少研究者通過(guò)調(diào)節(jié)堆體含水量[12-13]、C/N[14]、pH值[15]，或加入鎂鹽[16]、微生物菌劑[17]、明礬和沸石等[18]來(lái)減少堆肥過(guò)程中溫室氣體排放?，F(xiàn)階段，已有研究主要集中于人為干擾條件(控制通風(fēng)、翻堆頻率、外加化學(xué)物質(zhì)等)對(duì)堆料腐熟和溫室氣體排放的影響[19-20]，有關(guān)自然堆肥過(guò)程中的溫室氣體排放特征及全球增溫潛勢(shì)研究報(bào)道很少[21]。在我國(guó)廣大農(nóng)村，堆肥物料主要是家畜糞便、作物秸稈和土，而且在堆肥過(guò)程中幾乎不擾動(dòng)堆體而進(jìn)行自然腐熟。鑒于此，選取羊糞、牛糞、秸稈與土進(jìn)行搭配堆肥，研究無(wú)人為擾動(dòng)條件下堆肥過(guò)程溫室氣體排放動(dòng)態(tài)變化及全球增溫潛勢(shì)，以期為溫室氣體減排和堆肥模式優(yōu)化提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于山東省聊城市聊城大學(xué)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地日光溫室大棚(36°26′N(xiāo)、115°57′E)進(jìn)行，該大棚東西走向，長(zhǎng)30 m，寬12 m。試驗(yàn)所需材料包括羊糞、牛糞、秸稈、土體以及木質(zhì)堆箱，其中羊糞、牛糞、土體以及秸稈取材自聊城市東昌府區(qū)土城村農(nóng)場(chǎng)，秸稈為當(dāng)季小麥?zhǔn)斋@后的風(fēng)干秸稈，試驗(yàn)前將秸稈截成5 cm長(zhǎng)，其C/N=65～85，羊糞C/N=29～41，堆肥容器為自制長(zhǎng)方體木制箱(無(wú)底無(wú)蓋)，規(guī)格為40 cm×40 cm×35 cm。

試驗(yàn)設(shè)5種堆肥模式，分別為Y(羊糞)、YC(羊糞+秸稈)、YT(羊糞+土)、YTC(羊糞+土+秸稈)、YNC(羊糞+牛糞+秸稈)。各模式堆料體積相同，質(zhì)量比為1∶1或1∶1∶1。堆肥時(shí)間為2014年1月11日—3月1日，將堆料充分混勻后，裝入木制箱，并在堆體表面均勻地蓋上一層2～3 cm厚的干土，整個(gè)堆肥過(guò)程不擾動(dòng)堆體。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

溫室氣體、堆體溫蒂采樣時(shí)間均為9:00—12:00，1月18日第1次采樣，以后每隔7 d采樣1次，共采樣7次。采氣用靜態(tài)密閉箱法進(jìn)行，底座用不銹鋼材料做成，規(guī)格為50 cm×50 cm×20 cm，采氣前將底座套在堆體外側(cè)，確保底座基本水平的前提下沿底座四周用土埋嚴(yán)實(shí)，采氣時(shí)將有機(jī)玻璃材質(zhì)的采氣箱罩在該底座上并注水密封，采氣箱規(guī)格為49 cm×49 cm×90 cm。在蓋箱后0、10、20、30 min用100 mL注射器從箱中抽取氣體注入200 mL采氣袋，在采集氣樣的同時(shí)記錄采氣箱內(nèi)溫度及堆體中心的溫度，采氣箱內(nèi)溫度通過(guò)讀取箱內(nèi)干濕溫度計(jì)獲得，堆土溫度通過(guò)插入堆體中部水銀溫度計(jì)讀取獲得。

氣樣采用Agilent 7890A氣相色譜儀進(jìn)行分析，柱溫60 ℃，CH4排放通量用FID檢測(cè)器測(cè)定，CO2排放通量經(jīng)鎳觸媒轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化成CH4后用FID檢測(cè)器測(cè)定，檢測(cè)溫度為250 ℃，N2O排放通量用μECD檢測(cè)器測(cè)定，檢測(cè)溫度為300 ℃。溫室氣體排放通量及全球增溫潛勢(shì)(GWP)計(jì)算參照楊巖等[10]的計(jì)算方法，公式如下。

F=M/V0×P/P0×T0/T×H×dC/dt

(1)

式中，F(xiàn)為被測(cè)氣體排放通量[mg/(m2·h)]，M為氣體的摩爾質(zhì)量(g/mol)，V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的摩爾體積(22.4 L/mol)，P為采氣箱內(nèi)實(shí)際大氣壓(Pa)，P0和T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的壓強(qiáng)(1.01×105Pa)和溫度(273.15 K)，T為箱內(nèi)實(shí)際溫度(K)，H為箱體高度(m)，dC/dt為氣體濃度變化率[μL/(L·h)]。全球增溫潛勢(shì)(GWP)計(jì)算公式如式(2)和(3)所示。

GWP=fCO2+25×fCH4+298×fN2O

(2)

(3)

式中，f為整個(gè)堆肥過(guò)程不同溫室氣體的排放總量(kg/hm2)，F(xiàn)i、Fi+1為第i次和第i+1次采樣的土壤溫室氣體排放通量[mg/(m2·h)]，D為連續(xù)2次采樣間隔天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 16.0進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同堆肥模式堆肥溫度及溫室氣溫動(dòng)態(tài)變化

由圖1可知，在堆肥后期，同一觀(guān)測(cè)時(shí)間，溫室內(nèi)氣溫高于各模式的堆肥溫度。各模式堆肥溫度均呈現(xiàn)先升高后降低，然后逐漸升高的變化趨勢(shì)。不同堆肥模式的堆肥溫度達(dá)到最高溫的時(shí)間存在較大差異，而達(dá)到最低溫的時(shí)間基本一致(22～29 d)，且主要由于溫室氣溫下降所致。5種模式中，YC模式的最高溫度出現(xiàn)時(shí)間較早(14 d)，溫度最高達(dá)19.80 ℃，而Y、YT、YTC、YNC最高溫度出現(xiàn)時(shí)間較晚，高溫值在16.2～17.9 ℃，且最高溫度按照YNC(17.5 ℃)>Y(17.4 ℃)>YTC(16.3 ℃)>YT(16.2 ℃)依次降低。

圖1 不同堆肥模式堆肥溫度及溫室氣溫動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同堆肥模式N2O排放通量分析

由圖2可知，Y、YC、YNC模式的N2O排放通量呈先快速降低后趨于平緩的變化趨勢(shì)，分別由堆肥后8 d的30.71、25.72、23.37 mg/(m2·h)降為22 d的1.88、9.39、0.85 mg/(m2·h)，分別降低93.88%、63.49%、96.36%；22 d后3種模式的N2O排放通量趨于穩(wěn)定。YT、YTC模式的N2O排放通量呈先升高后快速降低的變化趨勢(shì)，排放峰值均出現(xiàn)在堆肥后15 d左右，分別為24.20、13.12 mg/(m2·h)，堆肥后29～36 d，YT、YTC模式N2O排放通量分別降為2.08、0.32 mg/(m2·h)，分別降低91.40%、97.56%。5種模式的 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)]依次減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，加土促進(jìn)了N2O的排放，加秸稈抑制N2O的排放，主要原因可能是加入土后壓實(shí)堆體、填充堆體孔隙，形成了厭氧環(huán)境促使厭氧微生物(如反硝化細(xì)菌)活性增強(qiáng)，反硝化作用促進(jìn)了N2O產(chǎn)生；而秸稈的加入增加了堆體的孔隙度，抑制反硝化作用產(chǎn)生N2O，此外，羊糞含N量高于牛糞，同體積羊糞較牛糞能提供更多的N源，使得N2O排放通量表現(xiàn)為Y>YNC。

圖2 不同堆肥模式N2O排放通量動(dòng)態(tài)變化

2.3 不同堆肥模式CH4排放通量分析

由圖3可知，Y、YC、YT、YTC模式的CH4排放通量呈先升后降趨勢(shì)，排放峰值出現(xiàn)在堆肥后15 d左右，分別為10.78、0.68、1.04、0.59 mg/(m2·h)，較最低值[2.75、0.02、0.39、0.15 mg/(m2·h)]分別增加2.92、33.00、1.67、2.93倍。YNC模式的CH4排放通量總體呈降低趨勢(shì)，由堆肥后8 d的5.11 mg/(m2·h)降為堆肥后50 d的0.26 mg/(m2·h)，降低94.91%。5種模式中，Y模式的CH4排放通量最大，為5.87 mg/(m2·h)，且與其他堆肥模式差異顯著；其次為YNC，CH4排放通量為1.71 mg/(m2·h)，而YC、YTC、YT模式的CH4排放通量相對(duì)較小，且在整個(gè)堆肥期間變化幅度較小，CH4平均排放通量由大到小依次為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)]。與N2O相似，加入土壤導(dǎo)致厭氧微生物的活性逐漸增強(qiáng)，加入秸稈改善了堆體通風(fēng)狀況，抑制了厭氧活動(dòng)，CH4排放通量減少，使得CH4排放通量表現(xiàn)為YT>YTC>YC。

圖3 不同堆肥模式CH4排放通量動(dòng)態(tài)變化

2.4 不同堆肥模式CO2排放通量分析

由圖4可知，YC模式的CO2排放通量呈先升高后降低的趨勢(shì)，排放峰值出現(xiàn)在堆肥后15 d，為5 876.49 mg/(m2·h)；YT的CO2排放通量變化趨勢(shì)為升高—降低的變化趨勢(shì)，排放峰值出現(xiàn)在22 d，為2 145.80 mg/(m2·h)，YTC模式的CO2排放通量變化趨勢(shì)為降低—升高—降低，排放峰值為1 687.40 mg/(m2·h)；而YNC模式的CO2排放通量呈先快速降低后趨于平緩的變化趨勢(shì)，Y模式變化趨勢(shì)相對(duì)較為平緩，Y和YNC模式分別由堆肥后15 d的2 111.63、4 121.13 mg/(m2·h)降為堆肥后29 d的1 381.01、2 187.45 mg/(m2·h)，分別降低34.60%、46.92%。5種模式的CO2排放通量大小依

次為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)]。

圖4 不同堆肥模式CO2排放通量動(dòng)態(tài)變化

2.5 不同堆肥模式堆肥溫度與溫室氣體排放通量的相關(guān)性分析

由表1知，各模式的堆肥溫度與N2O、CO2、CH4排放通量呈正相關(guān)，但不同模式間差異較大。YNC模式的N2O、CO2、CH4排放通量與堆肥溫度呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.67、0.82、0.74，表明YNC模式的3種溫室氣體排放通量受堆肥溫度影響較大；YT模式的CO2、CH4排放通量與堆肥溫度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.44、0.39，N2O排放與堆肥溫度關(guān)系不顯著；Y模式的堆肥溫度與CO2、CH4排放通量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.48、0.58，表明堆肥溫度變化影響CO2排放，堆肥溫度與N2O排放通量相關(guān)系數(shù)較小，表明溫度對(duì)其影響程度較??；YTC模式的堆肥溫度與N2O、CO2排放通量呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.43、0.32；YC模式N2O排放通量與堆肥溫度呈極顯著相關(guān)(0.74)，其他溫室氣體與堆肥溫度相關(guān)性均不顯著。

表1 各模式堆肥溫度與溫室氣體排放通量之間的相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平顯著、極顯著。

2.6 不同堆肥模式全球增溫潛勢(shì)分析

全球增溫潛勢(shì)是估計(jì)不同溫室氣體對(duì)氣候系統(tǒng)潛在效應(yīng)的重要指標(biāo)，對(duì)綜合評(píng)價(jià)溫室氣體的潛在增溫效應(yīng)具有重要意義。5種模式的全球增溫潛勢(shì)大小依次為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)。隨著堆肥的進(jìn)行，各堆肥模式對(duì)全球增溫潛勢(shì)的貢獻(xiàn)逐漸降低，雖然YC初始全球增溫潛勢(shì)最高，但其平均全球增溫潛勢(shì)和總?cè)蛟鰷貪搫?shì)都相對(duì)較低，對(duì)溫室效應(yīng)的最終貢獻(xiàn)率最小。YT和YTC初始全球增溫潛勢(shì)最低，但其總?cè)蛟鰷貪搫?shì)卻較高，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)較大。

表2 不同堆肥模式的全球增溫潛勢(shì)及比例

3 結(jié)論與討論

本研究中，在堆肥后期，同一堆肥時(shí)間的溫室氣溫高于堆肥溫度，且兩者均呈現(xiàn)升高—降低—升高的趨勢(shì)，各堆肥模式的堆肥溫度變幅低于溫室內(nèi)氣溫變幅，主要受外界氣溫季節(jié)變化和天氣陰晴變化共同作用的結(jié)果所致。不同堆肥模式的最高堆肥溫度不同，按照YC>YNC>Y>YTC>YT的順序依次降低，原因可能是小麥秸稈能改善堆體的透氣性，使得微生物活性增強(qiáng)，釋放大量熱能，進(jìn)而提高了堆肥溫度；YT模式的堆肥溫度最低，原因可能是土壤使堆體密封，通風(fēng)透氣性較差，微生物好氧活動(dòng)減慢，產(chǎn)生的熱能較少。

溫室氣體的排放主要是由好氧微生物及厭氧微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生，氧氣、溫度及水分是主要的限制因素。本研究中，Y、YNC模式的CO2、CH4、N2O排放通量整體上呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；YT、YTC模式的CO2、CH4、N2O呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而YC模式的CH4、N2O排放呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，CO2呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。CO2的平均排放通量按照YC>YNC>Y>YT>YTC依次減小，這與趙淮陽(yáng)等[18]的研究結(jié)果一致。羊糞、牛糞和秸稈有機(jī)質(zhì)含量較高，為堆肥提供了碳源，外加秸稈改善堆體通氣性，日光溫室內(nèi)適宜的溫度為好養(yǎng)微生物提供了良好的生存環(huán)境，導(dǎo)致好氧作用加快，釋放較高的CO2，相比之下，加入土壤的堆肥模式導(dǎo)致通透性降低，堆體內(nèi)氧氣減少，好氧作用減弱，CO2釋放量相對(duì)較?。籆H4的平均排放通量按照Y>YNC>YT>YTC >YC依次減小，這與廖新俤等[17]的研究結(jié)果一致，主要因?yàn)橥寥赖募尤雽?dǎo)致堆體的密封，堆體孔隙度降低，促使厭氧環(huán)境的產(chǎn)生，厭氧微生物的活性逐漸增強(qiáng)，促進(jìn)CH4的產(chǎn)生。此外，CH4的排放高峰出現(xiàn)在堆肥初期(15～22 d)，與陶金沙等[12]的研究結(jié)果一致，原因是有機(jī)物在堆肥初期大量分解，造成堆體供養(yǎng)不足，氧化還原電位下降，產(chǎn)生CH4；堆肥后期，可降解碳源減少使得CH4排放量減少。N2O的平均排放通量大小依次為YT>Y>YTC>YNC>YC，與CO2趨勢(shì)相反，表現(xiàn)為加土促進(jìn)了N2O的排放、加秸稈抑制N2O的排放，主要是加入土后壓實(shí)堆體、填充堆體孔隙，形成了厭氧環(huán)境促使厭氧微生物(如反硝化細(xì)菌)活性增強(qiáng)，反硝化作用促進(jìn)了N2O產(chǎn)生；而秸稈的加入增加了堆體的孔隙度，抑制反硝化作用產(chǎn)生N2O。此外，由于羊糞的氮含量(0.7%～0.8%)高于牛糞(0.30%～0.45%)，導(dǎo)致同體積狀態(tài)下羊糞能夠提供更多的氮源，使得N2O排放通量為Y>YNC,因此,羊糞對(duì)N2O排放貢獻(xiàn)較大。本研究發(fā)現(xiàn)，3種溫室氣體排放通量與堆肥溫度整體上呈顯著或極顯著正相關(guān)，這與李麗劼[22]的研究結(jié)果一致。

全球增溫潛勢(shì)按照YT>YTC>Y>YC>YNC依次減小，最大增溫潛勢(shì)為101 512.3 kg/hm2，最小增溫潛勢(shì)為80 685.2 kg/hm2，主要是YT模式的N2O產(chǎn)生量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他堆肥模式，加之N2O的增溫潛勢(shì)是CO2的198倍，致使累計(jì)狀態(tài)下的YT模式具有更強(qiáng)的增溫作用。綜合考慮，實(shí)際堆料組份及溫室氣體減排，建議采取羊糞+土的堆肥模式。本研究?jī)H限于特定羊糞堆肥條件下的溫室氣體排放研究，而關(guān)于各種堆料的適宜配比對(duì)溫室氣體排放的影響還有待于進(jìn)一步研究，為此，今后需進(jìn)一步加強(qiáng)各種物料不同配比對(duì)溫室氣體排放及全球增溫潛勢(shì)的影響及機(jī)制研究。

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