鋸末覆蓋對沼液貯存過程溫室氣體排放的影響

摘要：為有效控制沼液貯存過程中的溫室效應(yīng)，以鋸末為覆蓋材料，探究在沼液貯存過程中不同覆蓋厚度（2、4 cm和6cm）對氨氣（NH3）和溫室氣體[氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）]排放、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，以綜合溫室效應(yīng)為評價指標，篩選出經(jīng)濟有效的降低溫室效應(yīng)的覆蓋厚度。結(jié)果表明：鋸末2、4 cm和6cm覆蓋對NH3減排率分別為37.5%、19.4%和24.2%；對N2O減排率分別為-84.7%、41.9%和44.6%；對CH4減排率分別為-18.7%、16.3%和23.7%。從微生物群落結(jié)構(gòu)來看，各覆蓋處理均降低了與碳、氮循環(huán)相關(guān)的微生物豐度，減弱了沼液內(nèi)部有機質(zhì)的分解和溫室氣體的產(chǎn)生。然而，隨著覆蓋厚度的增加，鋸末材料沉降腐解增強，對碳、氮循環(huán)功能削弱效果逐漸降低，但是對氣體逸出的吸附和阻礙作用仍然隨著覆蓋厚度的增加而增強，沼液產(chǎn)生的總CO2當量也逐漸減小。綜合各種溫室效應(yīng)貢獻氣體排放情況，不覆蓋處理和鋸末2、4、6 cm覆蓋處理的單位體積沼液35 d產(chǎn)生的總CO2當量分別為10.2、13.0、7.9、7.3g CO2e·L-1，因此，采用4 cm厚的鋸末覆蓋沼液是較為經(jīng)濟有效的覆蓋方案。

關(guān)鍵詞：鋸末；沼液；覆蓋厚度；溫室效應(yīng)；微生物群落結(jié)構(gòu)

中圖分類號：X713 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2104-13 doi：10.11654/jaes.2023-1063

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集約化發(fā)展，在保障肉蛋奶產(chǎn)品供應(yīng)的同時，產(chǎn)生了大量富含氮素和有機質(zhì)的畜禽糞污。根據(jù)第二次全國污染源普查測算，我國畜禽糞污年產(chǎn)量高達30.5億t。畜禽糞污如果未能得到及時處理，則會造成水體富營養(yǎng)化、土壤鹽堿化和大氣污染等嚴重的環(huán)境問題。厭氧發(fā)酵是畜禽糞污資源化利用的重要手段，通過厭氧微生物作用，有機質(zhì)能夠轉(zhuǎn)化為富含甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的沼氣，實現(xiàn)畜禽糞污的穩(wěn)定化和清潔能源的供給，具有減輕環(huán)境污染和提高經(jīng)濟效益的雙重作用。其中，黑膜厭氧發(fā)酵工藝具有建設(shè)及運行費用低、厭氧發(fā)酵容積大和廢水滯留期長等優(yōu)勢，在我國大部分地區(qū)得到了廣泛的使用。

厭氧發(fā)酵在實現(xiàn)畜禽糞污資源化利用的同時，也產(chǎn)生了體積巨大但富含植物所需養(yǎng)分的沼氣發(fā)酵副產(chǎn)物——沼液。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生超過10億t的沼液，其主要來自大中型沼氣工程。然而，由于種養(yǎng)分離和作物施肥具有季節(jié)性等原因，大量連續(xù)產(chǎn)生的沼液未能得到及時還田利用，而是長期貯存于開放或半開放的儲液塘，對環(huán)境造成了嚴重的二次污染。研究表明，由于沼液內(nèi)部仍然殘余大量的有機物，沼液貯存過程中會排放CH4、氧化亞氮（N2O）、氨氣（NH3）等多種污染氣體。CH4和N2O是造成溫室效應(yīng)的重要氣體，阻礙畜禽養(yǎng)殖業(yè)綠色低碳發(fā)展。除此之外，NH3雖不屬于溫室氣體，但其排放量的1%會生成N2O-N，因此也可以被視為溫室氣體貢獻源。沼液產(chǎn)生的溫室氣體和NH3既降低了沼液中的養(yǎng)分含量，又加劇了人類目前面臨的最嚴峻的全球環(huán)境問題——全球變暖。因此，減少沼液貯存過程中溫室氣體和NH3的釋放具有重要意義。

針對貯存沼液的污染氣體排放問題，多國已紛紛制定并實施相關(guān)政策，大力倡導(dǎo)沼液覆蓋貯存。比如，德國早在2009年頒布了專項法規(guī)，規(guī)定沼液貯存設(shè)施須進行覆蓋。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，沼液覆蓋處理對污染氣體排放的影響也已得到廣泛的關(guān)注。然而，由于覆蓋物種類繁多、覆蓋層厚度各異以及沼液性質(zhì)復(fù)雜多變，覆蓋處理是否能有效減排沼液的污染氣體尚無一致性的結(jié)論。王悅等的研究表明，應(yīng)用改性膨脹蛭石對奶牛場沼液進行覆蓋處理，可有效降低沼液貯存時的CH4和NH3排放，減排率分別為58%和90%。同時，Blanes-Vidal等的研究也證實了豬場糞漿在稻草秸稈覆蓋后NH3排放大幅減少，降幅高達99%。然而，也有部分研究提出了相反的觀點。Amon等發(fā)現(xiàn)，稻草覆蓋導(dǎo)致了牛場沼液CH4和N2%排放量的增加，增排率分別為3.3%和4.6%。同樣地，Berg等的研究也揭示了豬糞漿加蓋珍珠巖和碎稻草后，CH4和N2O的排放量相較于無覆蓋處理大幅增加，增幅分別為13.7%-48.7%和279.9%-467.7%。經(jīng)過對相關(guān)研究的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前普遍采用的覆蓋材料主要是稻草秸稈等。因此，未來研究還需要拓展成本低廉、不易降解和來源廣泛的材料。此外，當前對沼液在覆蓋處理下的污染氣體產(chǎn)排的微生物機制仍不明晰，需深入探究覆蓋對沼液中溫室氣體和NH3產(chǎn)生的微生物機制的影響。上述研究將為制定更加精準和高效的畜禽糞污和沼液管理策略提供堅實的理論支持，從而推動環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

近些年，隨著環(huán)境保護和資源循環(huán)經(jīng)濟的推進，廢棄的生物質(zhì)材料資源化利用備受關(guān)注。這些生物質(zhì)廢棄物不僅產(chǎn)量較大，而且經(jīng)過適當處理能夠成為優(yōu)質(zhì)的覆蓋物，特別是工業(yè)的迅猛發(fā)展使鋸末產(chǎn)量呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。鋸末具有良好的吸附、漂浮性能，作為沼液覆蓋物有較大優(yōu)勢。魏佳欣等以常見的3種生物質(zhì)廢棄物（鋸末、園林廢棄物和玉米秸稈）覆蓋奶牛場沼液，探究對沼液貯存過程中污染氣體排放的影響，結(jié)果表明鋸末表現(xiàn)出了較好的溫室氣體減排潛力以及對沼液內(nèi)部碳氮循環(huán)的抑制作用。因此，本研究以奶牛場黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的沼液為研究對象，探究不同厚度的鋸末覆蓋對沼液貯存過程中NH3、溫室氣體排放以及沼液水質(zhì)指標的影響，以確定適宜的覆蓋厚度。此外，本研究聯(lián)合高通量測序技術(shù)和原核生物功能注釋庫（FAPRO-TAX）數(shù)據(jù)庫，揭示不同鋸末覆蓋厚度對沼液貯存過程中NH3和溫室氣體排放的微生物驅(qū)動機制的影響，為畜禽養(yǎng)殖場沼液貯存過程溫室效應(yīng)控制和養(yǎng)分穩(wěn)定化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

沼液取自北京某奶牛場的黑膜沼氣池。鋸末由河北省某木材加工公司提供，為榆木生產(chǎn)的碎屑，在試驗前進行風干。物料的理化特征詳見表1和表2。

如圖1所示，試驗裝置為容積100 L的沼液貯存桶，其形狀近似圓柱體（上下兩端直徑均為0.25 m，中部直徑0.5 m，高0.8 m）。為了進行氣體樣品的采集與分析，試驗裝置頂部設(shè)置有進氣口和出氣口，分別連接空氣壓縮泵和氣體采集裝置。此外，貯存桶頂部中間配備測溫口及液體取樣口，用于定期監(jiān)測沼液溫度及采集液體樣品。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)置4個處理，以探究不同的鋸末覆蓋厚度對沼液貯存過程中污染氣體減排的效果，具體試驗設(shè)置為：無鋸末覆蓋處理（對照組）、2 cm鋸末覆蓋處理、4 cm鋸末覆蓋處理和6cm鋸末覆蓋處理。各試驗處理均需保證沼液的貯存高度為45 cm，且每個處理設(shè)置3個重復(fù)。為確保自然通風的沼液貯存環(huán)境和污染氣體的收集，需要對沼液貯存桶進行密閉處理，并利用空氣泵通過進氣口向內(nèi)通氣，維持0.3 m3·h-1的通氣速率和10 ACH（Air change perhour）的換氣率。

沼液貯存試驗連續(xù)進行35 d（2021年12月-2022年1月）。在整個貯存過程中，利用加熱器使環(huán)境溫度恒定保持在約20℃，以模擬春、夏季的貯存溫度。

1.3 氣體樣品采集與分析

在貯存試驗中，每日氣體排放量的平均值與早上8：00-9： 00的氣體排放通量最為接近，誤差小于10%。本試驗于每日上午8：00-9： 00進行氣體（CH4、N2O、NH3）的采集與分析，氣體采集使用的方法為動態(tài)箱法（圖2）。具體操作為：將已知流量的氣體通入密閉箱內(nèi)，通過測定入口處和出口處某種氣體的濃度，計算箱內(nèi)該氣體的排放通量。

CH4和N2O用帶有閥門的鋁箔采氣袋采集氣體樣本，然后用溫室氣體分析專用氣相色譜（北分瑞利集團，3420A，中國）測定濃度。NH3用2%的稀硼酸吸收，用甲基紅-溴甲酚綠作為指示劑，吸收飽和后，吸收瓶中的液體由紅色變成藍色，記錄吸收時間，然后用0.01 mol·L-1的稀硫酸滴定至紅色即為滴定終點，記錄稀硫酸消耗體積，以此計算NH3的濃度。

1.4 微生物樣品采集與分析

在試驗開始前（DO）和第35天（D35）采集各試驗處理的沼液樣品50 mL，用于分析微生物的群落結(jié)構(gòu)。將采集的沼液樣品在-20℃冰箱內(nèi)保存，委托北京某公司利用16S擴增子測序的高通量測序技術(shù)測定細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)。具體的測定方法是：使用PowerSoil抽提試劑盒（MoBio Laboratories，美國）從沼液樣品中提取基因組DNA，并使用瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop - 1000光譜儀（NanoDrop Technologies，Wilmington，DE）確定提取的DNA的質(zhì)量和濃度。然后使用聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）引物338F（5＇-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3＇）和806R（5＇-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3＇）對細菌和古菌的V3-V4可變區(qū)進行PCR擴增，在Illumina MiSeq平臺進行測序。

1.5 液體樣品采集與分析

試驗開始后，每3d采集沼液內(nèi)部水樣100 mL，用于分析其理化性質(zhì)。將沼液水樣搖晃均勻，使用便攜式pH計現(xiàn)場測定pH值。隨后將沼液樣品保存在-4℃的冰箱，于實驗室測定其他水質(zhì)指標。

（1）化學(xué)需氧量（COD）的測定

首先，將稀釋50倍的沼液樣品通過0.45 μm水系濾膜。然后，將2.5 mL過膜水樣與1.5 mL重鉻酸鉀溶液（0.5 mol·L-1）、3.5 mL硫酸-硫酸銀溶液（10 g·L-1）混合。將混合溶液置于165℃的多用加熱器（ACH-01，環(huán)發(fā)，河北）中進行消煮處理，時長設(shè)置為15 min，隨后自然冷卻至室溫。采用紫外可見分光光度計（N4s，上海儀電，上海）在605 nm波長下測量吸光度，并通過與標準曲線進行對比，得到樣品的COD值。

（2）總氮（TN）和總有機碳（TOC）的測定

由于沼液中TN和TOC含量過高，首先將沼液樣品稀釋150倍。然后，將稀釋過的沼液樣品過0.45μm水系濾膜，以去除其中的懸浮顆粒和雜質(zhì)。最后，采用TOC/TN分析儀（TOC-VCSH，Shimadzu，日本）測定樣品中的TN和TOC濃度。

（3）NH+4-N的測定

由于沼液中NH+4-N含量過高，首先將沼液樣品稀釋200倍。然后，將稀釋過的沼液樣品過0.45 μm水系濾膜，以去除其中的懸浮顆粒和雜質(zhì)。最后，采用流動注射分析系統(tǒng)（AutoAnalyzer3，Seal，德國）測定樣品中的NH+4-N濃度。

（4）NO-3-N的測定

由于沼液中NO-3-N含量過高，首先將沼液樣品稀釋20倍。然后，將稀釋過的沼液樣品過0.45 μm水系濾膜，以去除其中的懸浮顆粒和雜質(zhì)。最后，采用流動注射分析系統(tǒng)（AutoAnalyzer3，Seal，德國）測定樣品中的NO-3-N濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體排放

2.1.1 CH4和N2O排放

沼液貯存過程中，N2O日排放速率表現(xiàn)出前期低、后期高的特征（圖3A）。試驗初期，由于沼液表層殘留有較高的溶解氧（DO），有利于微生物硝化作用直接生成NO-3-N，不利于反硝化作用產(chǎn)物N2O的生成，因此，各處理N20排放維持在較低水平，日排放速率僅為0.07-0.2 mg·L-1·d-1。Moset等究發(fā)現(xiàn)豬場污水在15周的貯存過程中，N2O的最小排放速率同樣出現(xiàn)在貯存初期。隨著貯存時間延長，好氧微生物分解活動不斷消耗沼液中的氧，沼液厭氧程度加強。同時，隨著動態(tài)箱系統(tǒng)持續(xù)進氣，沼液表面形成了一層污泥結(jié)殼，結(jié)殼上存在部分有氧區(qū)域，硝化細菌和反硝化細菌分別在污泥結(jié)殼的好氧點位和厭氧點位生長，導(dǎo)致了N2O日排放速率上升。不同處理的N2O日排放速率上升幅度差異較大，其中2cm覆蓋處理N2O日排放速率在第20天左右迅速上升，在第30天達到排放峰值（1.0 mg·L-1·d-1），在試驗結(jié)束時仍保持較高的排放水平（約為0.9 mg·L-1·d-1）。而不覆蓋處理、4 cm和6 cm覆蓋處理N2O日排放速率僅在小幅度內(nèi)緩慢上升，排放峰值分別為0.4、0.2 mg·L-1·d-1和0.2 mg·L-1·d-1，遠低于2 cm覆蓋處理。由圖3B可知，不覆蓋處理和鋸末2、4、6 cm覆蓋處理的單位體積沼液N2O的35 d累積排放量分別為7.8、14.0、4.5、4.3 mg·L-1。盡管鋸末覆蓋對牛場沼液N20排放影響的研究相對較少，但朱海生等利用鋸末覆蓋固態(tài)牛糞的實驗中，可觀察到N2O的累積排放量隨鋸末覆蓋厚度的增加而減少，主要是由于小厚度覆蓋可增強被覆蓋物質(zhì)表面好氧—厭氧兼性微環(huán)境的作用，從而促進N2O的生成。研究表明，NH+4-N經(jīng)過不完全的硝化和反硝化反應(yīng)生成N2O，嚴格的好氧和厭氧條件均不利于N2O的產(chǎn)生。與不覆蓋處理相比，鋸末覆蓋厚度較小在一定程度上阻礙了O2擴散進入沼液，有利于在鋸末覆蓋層內(nèi)形成厭氧-好氧兼性微環(huán)境，促進N2O的產(chǎn)生。此外，鋸末表面較為粗糙，有利于微生物附著。同時，在微生物的分解作用下，部分鋸末覆蓋材料可以成為反硝化微生物的碳源。因此，2cm鋸末覆蓋增加了沼液的N2O排放量。然而，當覆蓋厚度過高時，覆蓋材料將會進一步阻隔沼液與空氣的接觸，形成更嚴格的厭氧環(huán)境，抑制了微生物硝化作用產(chǎn)生NO-3-N，從而因缺少反硝化作用的底物而導(dǎo)致N2O累積排放量減少。

如圖3C所示，CH4排放速率先上升后下降。試驗初期，沼液溫度逐漸上升，沼液內(nèi)部氧含量被消耗減少，從而促進了產(chǎn)CH4的厭氧過程的發(fā)生。在一周左右，CH4日排放速率達到峰值。隨后，CH4排放速率開始下降，這與產(chǎn)甲烷菌活性的降低有關(guān)。在沼液貯存末期，CH4排放速率穩(wěn)定在2.0-3.0 mg·L-1·d-1的較低水平，這說明35 d的貯存過程已經(jīng)基本實現(xiàn)了沼液CH4排放水平的穩(wěn)定。到試驗結(jié)束時，不覆蓋處理和鋸末2、4、6 cm覆蓋處理的沼液CH4累積排放量分別為261.7、310.7、219.2、199.8 mg·L-1（圖3D）。分析可知，少量的鋸末覆蓋層被分解后能夠作為碳源，為厭氧發(fā)酵生成CH4提供底物。此外，鋸末覆蓋層的存在導(dǎo)致沼液中消耗的氧無法及時獲得外界補充，加劇了內(nèi)部的厭氧條件，增強了厭氧發(fā)酵產(chǎn)生CH4的效率。因此，與不覆蓋處理相比，2 cm厚鋸末覆蓋的沼液CH4排放量增加了18.7%。4 cm和6 cm覆蓋處理的沼液CH4排放量下降可能是由于鋸末厚度的增加提供了更多的孔隙和表面積，而CH4的氧化位點與覆蓋層中的孔隙量有關(guān)，因此顯著增強了CH4的氧化作用，減少了CH4的排放量，同時增強了覆蓋材料對CH4排放的吸附和物理阻礙作用。在較高的覆蓋厚度下，對CH4排放的阻礙作用占主導(dǎo)。因此，4cm和6 cm鋸末覆蓋厚度對沼液的CH4有減排效果。

2.1.2 NH3排放

如圖4A所示，各處理均出現(xiàn)了兩次NH3排放峰值。貯存初期，由于沼液由室外黑膜沼氣池轉(zhuǎn)至溫度控制的實驗室環(huán)境，沼液溫度的升高促進了NH3的生成與揮發(fā)，不覆蓋處理在第4天達到第一次NH3日排放速率峰值（7.5 mg·L-1·d-1），3個鋸末覆蓋處理則在一周左右出現(xiàn)第一次排放峰值（約為5.0 mg·L-1·d-1）。由于鋸末材料對NH3揮發(fā)的吸附和阻礙作用，覆蓋處理第一次NH3排放高峰出現(xiàn)時間較晚，且峰值小于不覆蓋處理。觀察發(fā)現(xiàn)，在沼液的貯存過程中，其表層的結(jié)殼和上部的鋸末覆蓋層會發(fā)生部分沉降，這削弱了對NH3逸出的物理阻隔作用，導(dǎo)致各處理在20-27 d出現(xiàn)了第二次NH3排放峰值（4.4-6.0mg·L-1·d-1）。試驗?zāi)┢冢桓采w處理沼液表面結(jié)殼的再次形成阻礙了NH3的釋放，而4cm和6cm覆蓋處理鋸末材料的沉降減弱了對NH3排放的吸附和阻礙作用，且試驗結(jié)束時觀察到鋸末沉降位置暫未形成穩(wěn)定、明顯的污泥結(jié)殼，3個處理間的NH3排放速率差距不斷縮小。然而，鋸末2 cm覆蓋處理的NH+4-N在試驗?zāi)┢谝訬2O形式散失加?。▓D3A）。此外，王悅通過對貯存的豬場沼液進行氮素平衡計算，推測NH+4-N在進行硝化反硝化反應(yīng)產(chǎn)生N2O的同時，使得更多的氮素轉(zhuǎn)化為氮氣（N2）損失，從而降低了轉(zhuǎn)化為NH3的比例，因此，NH3排放速率明顯小于其余3個處理（圖4A）。2cm覆蓋處理表現(xiàn)出了最優(yōu)的NH3減排性能，減排率為37.5%（圖4B）。與不覆蓋處理相比，鋸末4 cm和6cm覆蓋處理的NH3減排率則分別為19.4%和24.2%。由此可知，3個覆蓋處理均可實現(xiàn)NH3的減排，主要是由于鋸末覆蓋材料形成了一層密實、透氣性差的隔層，增強了對NH3逸出的物理阻隔作用，并改善了進氣擾動所導(dǎo)致的沼液NH3揮發(fā)問題。

2.1.3 綜合溫室效應(yīng)

在沼液貯存過程中，CH4和N2O作為兩種關(guān)鍵的溫室氣體排放物，其環(huán)境效應(yīng)不容忽視。具體而言，每單位質(zhì)量的CH4對全球氣候變暖的潛在貢獻是CO2的28倍，而N2O的這一數(shù)值更是高達265倍。此外，排放的NH3-N有1%會轉(zhuǎn)化為N2O-N，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。將沼液貯存過程中CH4、N2O和NH3三者的排放量轉(zhuǎn)化為CO2當量，計算得到單位體積沼液35 d產(chǎn)生的總CO2當量：

ECO2e=28ECH4+265（EN2o+0.01ENH3× 44/28）

式中：ECO2e為單位體積沼液35 d產(chǎn)生的總CO2當量，g CO2e·L-1；ECH4、EN2O、ENH3分別為單位體積沼液35 d的CH4、N2O和NH3的累積排放量，g·L-1。

在不同厚度的鋸末覆蓋沼液條件下，各氣體產(chǎn)生的CO2當量及總CO2當量見表3。在對溫室效應(yīng)的貢獻中，CH4占據(jù)主導(dǎo)地位，其對總CO2當量的貢獻比例顯著，達到66.9%-77.2%。N2O和NH3對溫室效應(yīng)的貢獻率分別為15.1%-29.2%、3.8%-8.2%。2 cm厚的鋸末覆蓋增加了沼液產(chǎn)生的總CO2當量，而4 cm和6cm厚的鋸末覆蓋則可以起到減排效果，減排率分別為22.5%和28.4%，這是因為鋸末覆蓋會起到增加沼液碳源和減緩氣體散逸的雙重效果，當覆蓋厚度為2cm時，吸附位點有限，碳源的增加使得溫室氣體排放有所增加，隨著覆蓋厚度的增大，氣體散逸的物理抑制作用增強，溫室氣體排放量降低?？侰O2當量隨覆蓋厚度的變化規(guī)律與已有的研究報道一致，朱海生等利用1、3、5 cm厚度的鋸末材料覆蓋糞污，相比于不覆蓋處理，1 cm覆蓋處理糞污的溫室氣體累積排放量增加了4.6%，3cm和5 cm覆蓋處理則分別減少了0.2%和2.4%。值得注意的是，本研究結(jié)果顯示當覆蓋厚度由2 cm增加至4cm時，總C02當量減少了5.1g CO2e·L-1；而當覆蓋厚度由4 cm增加至6 cm時，總CO2當量僅減少了0.6 g CO2e·L-1。因此，鋸末的覆蓋厚度達到4 cm以后，厚度的增加將不再顯著提升溫室氣體減排效果，這是因為鋸末在較高覆蓋厚度下的沉降量明顯增大。所以，采用4 cm厚的鋸末覆蓋沼液是較為經(jīng)濟有效的覆蓋方案。

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 細菌群落結(jié)構(gòu)組成

在門水平和科水平分別篩選了相對豐度位于前7位和前10位的優(yōu)勢菌，以探究不同處理沼液中細菌群落組成的差異，揭示鋸末的覆蓋厚度對沼液內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化和污染氣體排放的影響（圖5）。在沼液貯存過程的起始和終末階段，觀測到擬桿菌門（Bacte-roidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteo-bacteria）、軟壁菌門（Tenericutes）、放線菌門（Actino-bacteria）、螺旋體門（Spirochaetes）和互養(yǎng)菌門（Syner-gistetes）具有較高的豐度，總相對豐度之和大于95%，表明這些細菌門類對沼液內(nèi)部的物質(zhì)分解和氣體生成具有重要作用。

沼液貯存期間，Bacteroidetes占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，其相對豐度介于39.8%-50.0%之間（圖5A）。Bacte-roidetes能夠分解非纖維類的高碳水化合物，并生成揮發(fā)性脂肪酸c32）。與其他處理相比，鋸末6 cm覆蓋處理的Bacteroidetes相對豐度較低，說明鋸末在較高覆蓋厚度下可以有效減少沼液內(nèi)碳水化合物的分解，從而抑制含碳溫室氣體的產(chǎn)生。如圖5B所示，Bacte-roidetes由兩個關(guān)鍵的細菌科組成，即擬桿菌科（Bac-teroidaceae）和紫單胞菌科（Porphyromonadaceae）。Bacteroidaceae具有較強的降解能力，主要參與多糖等物質(zhì)的分解，產(chǎn)生易于被微生物利用的小分子糖類。同樣，在鋸末6 cm覆蓋處理中，Bacteroidaceae的相對豐度較低，從而限制了多糖的分解。

Firmicutes是沼液貯存過程中的第二大優(yōu)勢細菌門，相對豐度為27.1%-29.3%（圖5A）。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)irmicutes具有降解碳水化合物和纖維素等大分子物質(zhì)的功能。從圖5B中可以看出，泰式菌科（Tissier-ellaceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）、梭菌科（Clostridiaceae）和丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）在Firmicutes中占據(jù)重要地位。其中，Clostridiaceae具有較強的纖維素降解能力剛。Tissierellaceae對沼液中丁酸的生成有一定貢獻，這與丁酰輔酶A和乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶（but）途徑有關(guān)。Erysipelotrichaceae可以促進乳酸的代謝。隨著鋸末覆蓋厚度的增加，這3種細菌的相對豐度提高。這可能是由于隨覆蓋厚度的增加，鋸末的沉降腐解作用增強，纖維素及其水解產(chǎn)物的分解為上述菌科提供了營養(yǎng)物質(zhì)，從而有利于上述菌科的繁殖，這也表明沉降的鋸末會通過自身的腐解一定程度上增強溫室氣體的產(chǎn)生，在覆蓋厚度較小、物理抑制作用較弱時，則會表現(xiàn)出溫室氣體排放量大于不覆蓋處理的現(xiàn)象。

沼液貯存過程中，Proteobacteria在各處理中所占比例為6.6% -18.1%（圖SA）。研究揭示了Proteobac -teria中的很多菌屬在碳、氮循環(huán)中扮演重要角色，比如化能自養(yǎng)菌、亞硝酸鹽氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌，能夠起到降低COD和去除含氮化合物的作用。與不覆蓋處理相比，隨著覆蓋厚度的增加，Proteobacteria的相對豐度逐漸降低，對沼液內(nèi)部的碳、氮轉(zhuǎn)化抑制作用加強，減弱了沼液中有機質(zhì)的分解，從而抑制了CH4、CO2、NH3等氣體的產(chǎn)生。

由圖5A可知，Tenericutes的相對豐度為7.3%-12.2%，它在降解蛋白質(zhì)和生成乙酸中具有重要作用。無膽甾原體科（Acholeplasmataceae）在Teneri-cutes中占據(jù)優(yōu)勢地位，Acholeplasmataceae是典型的兼性厭氧菌，能夠有效促進有機酸的生成與代謝過程。作為兼性厭氧菌，鋸末2 cm覆蓋阻礙了沼液與上層空氣的氣體交換，沼液厭氧程度的加強不利于該細菌的生長繁殖，相對豐度略有下降。隨著鋸末覆蓋厚度的增大，盡管厭氧程度進一步加強，但是鋸末沉降腐解量增加，推測碳源增加對Acholeplasmataceae生長代謝的促進作用占主導(dǎo)，相對豐度逐漸升高，上述現(xiàn)象表明鋸末覆蓋材料的沉降與分解會在一定程度上加強沼液內(nèi)部溫室氣體的產(chǎn)生，但是由此產(chǎn)生的對溫室氣體生成的促進作用小于鋸末高覆蓋厚度下對氣體排放的抑制作用，所以高覆蓋厚度的鋸末可以起到減排溫室氣體的效果。

Actinobacteria可以產(chǎn)生木質(zhì)纖維素水解酶，進而參與復(fù)雜有機物（如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等）的降解過程。鋸末6 cm覆蓋處理中Actinobacteria在貯存結(jié)束時大量繁殖，其他處理的相對豐度則均小于1%（圖5A），這可能也與高覆蓋厚度下鋸末沉降后發(fā)生腐解現(xiàn)象有關(guān)。

2.2.2 古菌群落結(jié)構(gòu)組成

在沼液貯存過程中，古菌的數(shù)量遠小于細菌，在原核菌群中數(shù)量占比僅為0.06% -0.2%（表4）。本研究檢測出的主要是廣古菌門（Euryarchaeota）中的3類菌科，即甲烷桿菌科（Methanobacteriaceae）、甲烷粒菌科（Methanocorpusculaceae）和甲烷熱球菌科（Metha-nomassiliicoccaceae）。從表4可以看出，覆蓋6 cm鋸末明顯降低了沼液內(nèi)部的古菌絕對豐度。這表明較厚的鋸末覆蓋可以抑制產(chǎn)甲烷古菌的繁殖，從而降低CH4排放（圖3D）。在沼液貯存始末階段，Methano-bacteriaceae和Methanocorpusculaceae具有較高的相對豐度（＞73.5%）（圖6）。這兩種古菌主要利用氫還原CO2產(chǎn)生CH4，同時也可以利用甲酸等，屬于氫營養(yǎng)甲基型產(chǎn)甲烷古菌。與上述兩種古菌代謝途徑類似，Methanomassiliicoccaceae也屬于氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌，但是相對豐度略低于Methanobacteriaceae和Methanocorpusculaceae.

2.2.3 功能預(yù)測

利用FAPROTAX進行微生物群落功能預(yù)測，F(xiàn)APROTAX分析的結(jié)果表明，大多數(shù)微生物的活動可能與碳和氮循環(huán)有關(guān)，總相對豐度達到46.1%以上（圖7A）。不同厚度的鋸末覆蓋沼液均一定程度上削弱了微生物的碳、氮循環(huán)的相關(guān)功能，減弱了沼液內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和污染氣體的產(chǎn)生，但隨著覆蓋厚度的增加，功能削弱效果逐漸降低。這可能是由于隨著鋸末覆蓋厚度的增加，鋸末沉降腐解作用的加強為微生物代謝活動提供了必要的碳源和氮源。

碳循環(huán)功能主要包括發(fā)酵、好氧化能異養(yǎng)、化能異養(yǎng)和甲烷化（圖7B）。與不覆蓋處理相比，覆蓋處理削弱了碳循環(huán)功能，表明鋸末覆蓋層的存在有效抑制了沼液內(nèi)部含碳有機質(zhì)的分解過程，并減少了污染氣體的生成。然而，隨著鋸末覆蓋厚度的增大，沼液內(nèi)部具有化能異養(yǎng)等作用的微生物的相對豐度逐漸提高，導(dǎo)致碳循環(huán)作用加強。這是由于覆蓋厚度增大使得鋸末沉降量增加，沉降的鋸末腐解，為微生物代謝提供了充足碳源，促進了有機物的降解，可能會部分礦化生成含碳氣體。然而，加大鋸末厚度可以增強對氣體逸出的阻礙和吸附作用，從而導(dǎo)致碳排放量仍呈現(xiàn)降低趨勢。其中，2 cm覆蓋處理由于覆蓋厚度較低，抑制氣體排放的作用較弱，碳源增加對含碳氣體排放的促進作用占主導(dǎo)。4 cm和6cm鋸末覆蓋處理則可以起到減排含碳氣體的作用。

氮循環(huán)主要包括硝酸鹽氨化、好氧氨氧化、好氧亞硝酸鹽氧化、硝酸鹽還原、亞硝酸鹽呼吸和硝酸鹽呼吸（圖7C）。與不覆蓋處理相比，鋸末覆蓋處理的沼液內(nèi)部的氮循環(huán)強度明顯減弱，主要是由于沼液中參與硝酸鹽氨化、硝酸鹽還原、亞硝酸鹽呼吸和硝酸鹽呼吸等過程的微生物豐度減小，分解蛋白質(zhì)的微生物作用得到抑制，NH3的生成也因此減弱（圖4B）。由于沉降的鋸末材料浸出，較高覆蓋厚度（4 cm和6cm）的氮循環(huán)豐度高于2cm覆蓋處理。然而，N2O累積排放量與沼液內(nèi)部硝酸鹽還原和亞硝酸鹽／硝酸鹽呼吸豐度變化趨勢不同。這說明沼液N2O的生成可能主要發(fā)生在沼液表面，受沼液內(nèi)部細菌的影響較小。王悅的研究進一步支持了這一觀點，他們觀測到生成N2O所需的NO-3-N主要存在于沼液表層，而非沼液的內(nèi)部，這也側(cè)面說明了沼液內(nèi)部參與氮循環(huán)的菌群可能對N2O生成的影響較小。2cm覆蓋厚度的鋸末增強了沼液表面好氧—厭氧兼性微環(huán)境，促進了硝化和反硝化作用產(chǎn)生N2O。相比之下，4cm和6 cm覆蓋處理的覆蓋厚度較大，阻礙了覆蓋層的氧氣擴散，加劇了沼液表面的厭氧程度，抑制了硝化作用的進行，起到了N2O減排效果。

2.3 沼液水質(zhì)指標

沼液貯存過程中，COD、TOC和TN的濃度呈現(xiàn)波動變化（圖8A-圖8C）。沼液貯存初期，COD、TOC和TN濃度升高，主要是由于溫度升高導(dǎo)致沼液蒸發(fā)量增大，同時促進了內(nèi)部有機質(zhì)的溶解，使得碳、氮含量上升。隨著CH4、CO2、NH3和N2O等氣體的排放，在貯存時間為3-8 d時，沼液內(nèi)部有機質(zhì)含量開始降低。在第15天前后，覆蓋處理的COD、TOC和TN的濃度出現(xiàn)二次上升，這可能與鋸末材料的沉降和浸出有關(guān)。在沼液貯存過程中，3個鋸末覆蓋處理的沼液的TN、TOC和COD濃度較高，尤其是4 cm和6 cm覆蓋處理，而不覆蓋處理濃度較低，這可能是由于在沼液貯存過程中，不覆蓋處理沼液內(nèi)部碳、氮轉(zhuǎn)化較劇烈，促進了含碳和含氮物質(zhì)的分解。與此相反，鋸末覆蓋限制了沼液內(nèi)部的碳、氮轉(zhuǎn)化，并且鋸末在較高的覆蓋厚度下易吸水沉降，在沼液內(nèi)部發(fā)生腐解，增加沼液中的有機質(zhì)含量。沼液貯存過程中，NH4-N濃度整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢（圖8D）。沼液貯存初期，各處理NH+4-N濃度呈上升趨勢，主要是由于微生物不斷分解沼液中的含氮有機質(zhì)，促進了NH+4-N的生成。隨著沼液內(nèi)部含氮有機質(zhì)濃度的下降，NH+4-N生成量在第25天左右開始減少。不覆蓋處理NH+4-N濃度較高，與其較高的NH3累積排放量相一致（圖4）。試驗初始階段，NO-3-N濃度迅速上升，而pH呈現(xiàn)降低趨勢（圖8E和圖8F）。這主要是由于試驗初始階段的沼液內(nèi)部氧含量較多，微生物硝化作用強烈，生成NO-3-N的同時消耗了沼液內(nèi)部的堿度，造成了pH在初始階段下降。

3 結(jié)論

（1）與不覆蓋處理相比，不同厚度的鋸末覆蓋沼液對NH3均有明顯的減排效果，減排率為19.4%-37.5%。沼液排放的主要溫室氣體N2O和CH4的排放量隨著鋸末覆蓋厚度的增加而減少。綜合NH3、N2O和CH4排放情況得出，2cm鋸末覆蓋的沼液產(chǎn)生的總CO2當量增加了27.5%，4cm和6cm覆蓋處理則分別降低了22.5%和28.4%。

（2）綜合考慮溫室氣體減排效果及運行成本經(jīng)濟性，4 cm覆蓋處理適合作為污染氣體減排方案。

（3）不同厚度的鋸末覆蓋降低了沼液內(nèi)部具有發(fā)酵、化能異養(yǎng)、硝酸鹽氨化、硝酸鹽還原、亞硝酸鹽呼吸等功能的微生物的相對豐度，削弱了碳、氮循環(huán)，減弱了沼液內(nèi)部有機質(zhì)的分解和污染氣體的產(chǎn)生。但隨著鋸末覆蓋厚度的增加，鋸末沉降增加了沼液內(nèi)部的有機物質(zhì)，碳、氮循環(huán)強度略有上升，但仍低于不覆蓋處理。

（4）沼液貯存過程中，COD、TOC和TN的濃度呈現(xiàn)波動變化，不覆蓋處理的濃度較低，表明沼液內(nèi)部有機質(zhì)分解較為劇烈，溫室氣體產(chǎn)生較多。NH+4-N的濃度整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，不覆蓋處理的濃度較高，表明含氮有機質(zhì)的分解促進了NH+4-N的生成，這與其較高的NH3累積排放量相一致。

基金項目：畜禽糞污高效循環(huán)利用技術(shù)、產(chǎn)品與裝備研發(fā)項目（2022YFD1900303）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2021GG0316）；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才工程資助項目