奶牛場2種糞污處理模式碳足跡的Meta分析

葉小梅，王 莉，張曼秋，張應(yīng)鵬，杜 靜

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014)

隨著規(guī)模奶牛廠的迅速發(fā)展，大量糞污帶來的環(huán)境壓力不容小覷。目前，奶牛場主要采用固體好氧堆肥及液體厭氧發(fā)酵的方式進(jìn)行糞污的無害化及資源化利用，糞污堆肥過程及厭氧發(fā)酵后沼液的儲存和還田過程中均會產(chǎn)生溫室氣體的排放，且排放量在整個(gè)處理過程中占比較大[1-3]，目前我國畜禽糞污的年排放量為38億t，其中全國奶牛糞污的年排放量約為3.6億t，所以畜禽糞污處理的碳減排對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的碳減排也起著重要的作用，但目前還未對奶牛場不同糞污處理模式的碳排放進(jìn)行核算。

Meta分析是對若干獨(dú)立研究的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析的統(tǒng)計(jì)方法，可以彌補(bǔ)單一試驗(yàn)數(shù)據(jù)對糞污處理過程中溫室氣體的排放進(jìn)行估算的局限性，通過系統(tǒng)的整合所有相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，得出相對準(zhǔn)確的結(jié)果[4]。但奶牛場糞污處理過程中溫室氣體排放的Meta分析主要集中于單一處理方式或全生命周期過程中進(jìn)行分析，如堆肥[1]、厭氧發(fā)酵[2]等。Ba等[5]以41篇科學(xué)論文為基礎(chǔ)，對4種主要的牛糞堆肥方式(靜態(tài)、翻堆式、條垛和反應(yīng)器)的溫室氣體(GHGs)和氨(NH3)排放進(jìn)行了Meta分析，與其他堆肥方式相比，翻堆式堆肥會導(dǎo)致更大的碳和氮損失，盡管反應(yīng)器堆肥顯著促進(jìn)了NH3的排放，但較翻堆式堆肥減少了82.84%的溫室氣體損失。此外，添加木屑或秸稈可使CH4和N2O排放量分別降低66.3%和44.0%[1]。Miranda等[2]以30篇論文產(chǎn)生的89個(gè)獨(dú)立案例為基礎(chǔ)，運(yùn)行單位的數(shù)據(jù)顯示，與基線情景相比，沼液儲存導(dǎo)致碳排放減少量的中位值為43.2%，沼液還田的碳排放減少量的中位值為6.3%，抵消化石燃料能源的碳排量減少量的中值為11.0%，沼液替代無機(jī)肥料施用增加了碳排放量的中值為0.4%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，沼氣池的泄漏大大增加了基線情景下的碳排放量(中位數(shù)=1.4%)。Jayasundara等[3]研究了加拿大奶牛場減少甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)的策略，Meta分析的結(jié)果顯示，減少糞便排放的策略有厭氧消化、堆肥、固液分離、覆蓋沼液儲存和燃除CH4，以及在春季施用沼液時(shí)完全排空沼液儲存以及減少甲烷菌接種量。鑒于此，筆者采用Meta分析方法比較分析奶牛場2種不同糞污處理模式的碳足跡，為奶牛場糞污處理碳減排模式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源進(jìn)行全面的文獻(xiàn)檢索和文獻(xiàn)篩選工作，主要通過中國知網(wǎng)(http://www.cnki.net/)和Web of Science (http://apps.webofknowledge.com/)2個(gè)數(shù)據(jù)庫檢索關(guān)于奶牛場糞污處理過程中溫室氣體排放規(guī)律的文獻(xiàn)。

畜禽糞污的處理主要有靜態(tài)堆肥和厭氧發(fā)酵2種方式，圖1a表示靜態(tài)堆肥相關(guān)搜索過程中的關(guān)鍵字和邏輯連接器,共輸出925篇文獻(xiàn)，通過進(jìn)一步的關(guān)鍵指標(biāo)(奶牛糞便、靜態(tài)堆肥、溫室氣體)篩選，最終檢索出13篇文獻(xiàn)(WOS 6篇；知網(wǎng)7篇)[6-18]。 圖1b表示厭氧發(fā)酵相關(guān)搜索過程中的關(guān)鍵字和邏輯連接器，共輸出404篇文獻(xiàn)，經(jīng)進(jìn)一步關(guān)鍵指標(biāo)(奶牛糞便、厭氧發(fā)酵、溫室氣體)的篩選，最終檢索出16篇文獻(xiàn)(WOS 12篇；知網(wǎng)4篇)[19-34]。

圖1 文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞和邏輯連接詞Fig.1 Literature search keywords and logical connectives

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1單位換算。為對比不同處理方式的溫室氣體排放量，將文獻(xiàn)中提取的CO2、CH4、N2O排放量各自換算成統(tǒng)一的單位：efCO2、efCH4、efN2O均為g/kg。

厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣能力用單位沼氣產(chǎn)量表示為L/g。

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)化。分析文獻(xiàn)每個(gè)功能單元的不同溫室氣體排放量，為了使排放標(biāo)準(zhǔn)化，將其表示為二氧化碳當(dāng)量(CO2e)并計(jì)算如下式(1.1)：

GHGCO2=∑GWPi×GHGi

(1)

式中，GHGCO2為每功能單元溫室氣體排放量；GWPi為對應(yīng)溫室氣體i的全球變暖潛勢，GWPCO2為1 kg/kg，GWPCH4為28 kg/kg，GWPN2O為265 kg/kg；GHGi為對應(yīng)溫室氣體的排放量。

1.2.3正態(tài)性檢驗(yàn)。利用SPSS對收集換算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性分布檢驗(yàn)，對符合正態(tài)分布的采用平均值代表整體數(shù)據(jù)，不符合正態(tài)分布則取中位值代表整體數(shù)值，結(jié)果顯示靜態(tài)堆肥和厭氧發(fā)酵后沼液的儲存及還田利用產(chǎn)生的溫室氣體排放數(shù)據(jù)為非正態(tài)性分布，取其中位值代表整體數(shù)值，而厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣規(guī)律的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，選用平均值代表整體數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 奶牛糞靜態(tài)堆肥過程中與厭氧發(fā)酵后沼液儲存及還田的溫室氣體排放規(guī)律根據(jù)對13篇文獻(xiàn)，33個(gè)案例數(shù)據(jù)的分析，可以得出奶牛糞污靜態(tài)堆肥過程中溫室氣體的排放情況，其中關(guān)于靜態(tài)堆肥過程中CH4的排放情況有33個(gè)案例，計(jì)算其中位值為3.66 g/kg；關(guān)于靜態(tài)堆肥過程中CO2排放情況有24個(gè)案例，計(jì)算其中位值為86.77 g/kg；關(guān)于靜態(tài)堆肥中N2O的排放情況有36個(gè)案例，計(jì)算其中位值為1.70 g/kg。根據(jù)對9篇文獻(xiàn)，31個(gè)案例的分析，可以得出奶牛糞污厭氧發(fā)酵后儲存和還田過程中溫室氣體的排放情況。其中，關(guān)于CH4的排放情況有15個(gè)案例，計(jì)算其中位值為10.88 g；關(guān)于CO2的排放情況有5個(gè)案例，計(jì)算其中位值為83.8 g；關(guān)于N2O的排放情況有29個(gè)案例，得出其中位值為5.72 g/kg。方差分析結(jié)果顯示，厭氧發(fā)酵后沼液儲存及還田過程排放的CH4和N2O量顯著高于靜態(tài)堆肥過程中產(chǎn)生的CH4和N2O量，但2種糞污處理方式排放的CO2量間無顯著差異(圖2)。

圖2 靜態(tài)堆肥過程與厭氧發(fā)酵后沼液儲存及還田過程溫室氣體排放規(guī)律Fig.2 The law of greenhouse gas emission during static composting process and biogas slurry storage and returning to field after anaerobic fermentation

2.2 厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣規(guī)律依據(jù)對檢索出的10篇文獻(xiàn)，65個(gè)案例的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，正態(tài)性分布檢驗(yàn)顯示提取出的數(shù)據(jù)符合正態(tài)性分布，計(jì)算出奶牛糞污厭氧發(fā)酵過程中CH4排放的平均值為0.245 L/g。

2.3 不同處理方式對溫室氣體減排的影響

2.3.1覆蓋材料對靜態(tài)堆肥過程中溫室氣體排放的影響。關(guān)于奶牛糞污靜態(tài)堆肥過程中的覆蓋材料，主要包含玉米秸稈、鋸末、稻草、植物油和塑料布等。最后篩選出的文獻(xiàn)中有8個(gè)案例研究了玉米秸稈對糞污覆蓋的影響(表1)，結(jié)果表明，秋冬季節(jié)覆蓋玉米秸稈有利于CH4的減排，減排量為7.1%～62.9%，春夏季節(jié)反而增加了其排放量，增加量為8.9%～117.5%；而玉米秸稈覆蓋有利于CO2和N2O的減排，減排率分別為6.9%～14.3%和 10.0%～73.2%。6個(gè)案例研究了鋸末覆蓋對糞污靜態(tài)堆肥的影響，結(jié)果表明鋸末覆蓋增加了靜態(tài)堆肥過程中CH4和N2O的排放量，分別增加了17.9%～37.0%和6.0%～20.0%；而減少了CO2的排放量為4.6%～13.2%。關(guān)于稻草、植物油和塑料布覆蓋對奶牛糞污靜態(tài)堆肥溫室氣體排放的影響研究較少，已有的研究結(jié)果顯示稻草覆蓋不利于其CH4和N2O的減排，但對CO2的排放有正面效益；多孔油布覆蓋有利于N2O的減排，對于CH4的排放無顯著性影響。

表1 覆蓋材料對靜態(tài)堆肥過程溫室氣體排放的影響Table 1 Effects of mulching materials on greenhouse gas emissions from static composting

2.3.2共消化物質(zhì)對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響。厭氧發(fā)酵的主要產(chǎn)物為甲烷，有效利用甲烷可產(chǎn)生電能，從而減少溫室氣體的排放。為提升牛糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率，研究牛糞與不同物質(zhì)共消化的產(chǎn)氣能力。由表2可知，主要共消化物質(zhì)有玉米秸稈、卷心菜、芹菜、蘑菇渣、甜菜、蘿卜等。研究玉米秸稈與牛糞共消化后的單位沼氣產(chǎn)量案例共有16個(gè)，結(jié)果表明中溫條件(35 ℃)下，牛糞與玉米秸稈的比例為10∶90時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.216 L/g，高溫條件(55 ℃)下，牛糞與玉米秸稈的比例為50∶50時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.400 L/g；卷心菜與牛糞共消化后的單位沼氣產(chǎn)量的案例共有7個(gè)，結(jié)果表明中溫條件(37 ℃)下，牛糞與卷心菜的比例為50∶50時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.311 L/g；芹菜與牛糞共消化后的單位沼氣產(chǎn)量的案例共有7個(gè)，結(jié)果表明中溫條件(37℃)下，牛糞與卷心菜比例為25∶75時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.282 L/g；蘑菇渣、甜菜和食物殘?jiān)c牛糞共消化后的單位沼氣產(chǎn)量的案例共有12個(gè)，結(jié)果表明中溫條件(35 ℃)下，牛糞與蘑菇渣的比例為75∶25時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.197 L/g，牛糞與食物殘?jiān)谋壤秊?0∶50時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.459 L/g，高溫條件(55 ℃)下，牛糞與甜菜的比例為75∶25時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.159 L/g；蘿卜與牛糞共消化后的單位沼氣產(chǎn)量的案例共有12個(gè)，結(jié)果表明中溫條件(30 ℃)下，牛糞與蘿卜的比例為40∶60時(shí)單位沼氣產(chǎn)量最高，為0.357 L/g。

表2 共消化物質(zhì)對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響Table 2 Effects of co-digested substances on anaerobic fermentation gas production

2.3.3固液分離與覆蓋對厭氧發(fā)酵后沼液儲存加還田溫室氣體排放的影響。厭氧發(fā)酵后溫室氣體的排放主要來源于沼液、沼渣的儲存以及還田階段，為減少溫室氣體的排放量，常用的方法有厭氧發(fā)酵前或后的固液分離以及在儲存過程中進(jìn)行覆蓋。有6個(gè)案例研究了固液分離對厭氧發(fā)酵溫室氣體排放的影響，結(jié)果表明固液分離有利于CH4的減排，減排量為14.70%～30.49%，而固液分離反而增加了CO2和N2O的排放，增加量分別為9.60%和6.78%。有8個(gè)案例研究了覆蓋對沼液儲存過程中溫室氣體排放的影響，結(jié)果表明覆蓋增加了CH4的排放，增加量為130.00%左右；以對于N2O排放的影響來看，冬季覆蓋稻草有利于N2O的減排，減排量為8.93%左右，夏季覆蓋增加了N2O排放量，增加量為4.45%～20.63%，冬季覆蓋木蓋增加了其排放量，增加量為2.70%左右，夏季覆蓋木蓋有利于減排，減排量為18.96%左右。

2.4 最終核算靜態(tài)堆肥過程中與厭氧發(fā)酵沼液儲存和還田的總溫室氣體排放量根據(jù)排放因子與式(1)計(jì)算可得，單位奶牛靜態(tài)堆肥年排放CO2的量為464.51 kg，CH4為7.13 kg，N2O為1.70 kg，GHGCO2為1 114.65 kg/Ueq，單位奶牛厭氧發(fā)酵年產(chǎn)甲烷量為135.00 kg，GHGCO2為-3 780.00 kg/Ueq；單位奶牛厭氧發(fā)酵后沼液儲存加還田年排放CO2量為410.87 kg，CH4為18.5 kg，N2O為5.72 kg，GHGCO2為2 540.09 kg/Ueq，厭氧發(fā)酵管理階段GHGCO2綜合數(shù)據(jù)為-1 239.91 kg/Ueq。

3 小結(jié)與討論

靜態(tài)堆肥和厭氧發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)畜禽糞污無害化及資源化的2種主要處理方式[1-3]，靜態(tài)堆肥不僅能實(shí)現(xiàn)畜禽糞污的減量化，而且產(chǎn)生了富含腐殖質(zhì)的有機(jī)肥，有機(jī)肥的施用能提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)，顯著提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)；厭氧發(fā)酵能實(shí)現(xiàn)大體量糞水的處理，不僅產(chǎn)生了清潔能源沼氣，而且產(chǎn)生的沼液富含養(yǎng)分、腐殖酸、氨基酸等生物活性物質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)的液體有機(jī)肥，科學(xué)合理的施用能顯著提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。但靜態(tài)堆肥和厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液在儲存和還田過程中均會釋放溫室氣體CH4、CO2、N2O[3]，溫室氣體的排放會加劇全球氣溫的升高，目前氣候變暖及其影響是國際社會共同關(guān)注和廣泛研究的焦點(diǎn)性問題。目前我國畜禽糞污的年產(chǎn)量為38億t，而全國奶牛糞污的年產(chǎn)量為3.6億t，因此對奶牛廠糞污的主要處理環(huán)節(jié)進(jìn)行碳足跡分析，可為規(guī)?；膛黾S污處理碳減排模式的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

該研究通過Meta分析法，系統(tǒng)整合了與靜態(tài)堆肥及厭氧發(fā)酵溫室氣體排放相關(guān)的所有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，相較之前單一分析某種處理方式過程中的溫室氣體排放情況，該研究比較分析了靜態(tài)堆肥和厭氧發(fā)酵2種糞污處理過程中產(chǎn)生溫室氣體CH4、CO2、N2O的量，研究結(jié)果顯示厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼液在儲存和還田過程中排放的CH4和N2O量顯著高于靜態(tài)堆肥過程中釋放的量，但2種處理方式間排放的CO2無顯著差異。但因厭氧發(fā)酵產(chǎn)生了大量可用于發(fā)電的CH4，減少了煤炭燃燒排放的CO2量，最后綜合測算出單位奶牛厭氧發(fā)酵管理階段GHGCO2綜合數(shù)據(jù)為-1 239.91 kg/Ueq，而靜態(tài)堆肥產(chǎn)生的GHGCO2為1 114.65 kg/Ueq，所以厭氧發(fā)酵具有更好的碳減排潛力。

該研究也采用Meta分析法評估了不同處理方式對溫室氣體減排的影響，靜態(tài)堆肥過程中覆蓋有利于溫室氣體減排，厭氧發(fā)酵后沼液儲存過程中覆蓋木蓋有利于溫室氣體減排，厭氧發(fā)酵過程中玉米秸稈和食物殘?jiān)c牛糞共消化的產(chǎn)氣能力較好。