添加黃土或古土壤降低豬糞溫室氣體綜合排放效應

雷 鳴，程于真，陳竹君，周建斌*

（1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

全球變暖是當今國際社會普遍關注的全球性問題，養殖業產生的畜禽糞便是溫室氣體的重要來源。聯合國糧農組織（FAO）在《牲畜的巨大陰影：環境問題與選擇》報告中指出[1]，全球人為溫室氣體排放總量中有9%的CO2、37%的CH4和65%的N2O是由畜牧業造成的，其中畜禽糞便的溫室氣體排放量占全球農業溫室氣體總排放量的10%，并呈持續上漲的趨勢[2]。

糞肥的施用在我國具有悠久的歷史，長期施用糞肥不僅提高了作物產量，還改善了土壤理化及生物性質[3-4]。畜禽糞便類有機肥與化肥配合施用，可以協調土壤有機、無機養分平衡，滿足作物不同生育期的養分需求[5]。然而，近年來隨著畜禽養殖規模的不斷擴大以及養殖方式的迅速轉變，畜禽糞便已成為我國環境的重要污染源之一[6]。

目前我國畜禽養殖業每年的廢棄物排放量約38億t[7]，近20%的畜禽糞便未及時處理，對生態環境造成了嚴重的污染與破壞[4]。因此，做好畜禽糞便的綜合管理與合理利用工作，對減少養殖過程中因畜禽糞便引起的環境污染及溫室氣體排放問題具有重要意義[8]。

畜禽糞便的管理過程主要分為室內處理、室外儲存和管理及還田利用3個階段，對固液分離、厭氧發酵、酸化貯存等多種管理方式而言，溫室氣體的排放均主要來自室內與室外的儲存及管理兩個階段[9]。由于我國對于畜禽糞便的就地就近科學儲存技術設備的研究不足，同時缺乏高效輸送設備的有效推廣[10]，因此，從傳統畜禽糞便管理措施中借鑒經驗與啟示尤為重要。我國勞動人民在長期的農業生產實踐中積累了豐富的使用糞肥的經驗。加土墊圈、施用土糞是我國北方地區特別是黃土高原地區一種傳統的處理糞肥的方法，這種方法不僅利于保持畜禽圈舍的清潔，而且對糞肥中的碳氮養分也具有較好的保蓄作用[11]。但是，在二十世紀六七十年代，由于肥料不足，對土糞這一傳統有機肥的研究主要以其肥力作用為主[12]，對加土墊圈這一措施的環境效應缺乏相關研究。在利用墊料的發酵床養殖模式在國內外得到推廣的今天[13-14]，重新審視加土墊圈這一傳統措施的肥力與環境效益，為解決當前畜禽糞便造成的環境問題提供借鑒。

黃土高原廣泛分布的古土壤由于所受風化和淋溶作用不同，與黃土在元素組成和理化性質上存在一定差異[15]，因此添加黃土與古土壤對畜禽糞便溫室氣體的排放可能具有不同影響。為了評估加土墊圈這種傳統措施的溫室氣體釋放特性與主要機理，本試驗采用室內培養的方法，比較研究添加黃土與古土壤對豬糞溫室氣體排放的影響，為畜禽糞便的優化管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自陜西省楊凌示范區崔西溝東側的黃土-古土壤剖面，采集的土壤風干除雜后過2 mm篩于4℃環境下保存備用。所采黃土、古土壤樣品的部分理化性質如表1所示。

表1 供試黃土和古土壤理化性質Table 1 The physicochemical properties of loess and paleosol

供試的新鮮豬糞采自西北農林科技大學畜牧教學試驗基地，取存放時間不超過24 h的鮮樣，其基本理化性質為：有機碳348 g·kg-1，全氮30.9 g·kg-1，碳氮比11.3，含水率71.7%，pH 8.73。

1.2 試驗設計

試驗采用室內好氣培養的方法，將所采集的新鮮豬糞與風干后的黃土和古土壤分別按照1∶2、1∶4和1∶6比例均勻混合，25℃下于250 mL錐形瓶內培養，同時設置單一豬糞、黃土與古土壤作為對照，共9個處理（表2），每個處理重復3次。豬糞處理保持其原始含水量，其余各處理均調節含水量在30%左右，各培養瓶用帶有透氣孔的封口膜封口，以在保障好氣環境的同時防止水分散失。在培養開始的第1、2、3、4、5、7、9、11、14、17、20、23、26、29、32、35、38、42、46、50 d采集氣體樣品，每次采樣結束后用稱重法補充相應水分。

表2 氣體測定試驗設計Table 2 Experiment scheme of GHGs determination

為了在測定理化性質的同時不對氣體樣品的采集產生影響，另取相同比例豬糞與土壤混合后置于1 L培養瓶中進行培養（表3），培養過程中水分及溫度調控與上述采氣過程保持一致。在培養開始的第1、5、9、14、20、29、38、50 d采集各處理樣品10 g，用于pH及礦質態氮的測定。

表3 樣品理化性質試驗設計Table 3 Experiment scheme of basic physicochemical properties

1.3 采樣方法與室內分析

采集氣體樣品前，將裝有樣品的錐形瓶置于通氣環境中30 min，使瓶內氣體濃度與室內大氣濃度基本平衡。采樣時在瓶塞的玻璃管外端套上帶有三通閥的軟管，并用同樣帶有三通閥的注射器抽取30 mL瓶內氣體，抽氣前反復推拉注射器以混勻瓶內氣體。第一次取樣完成后利用注射器抽取30 mL室內空氣注入瓶內以補充之前瓶中的氣體損失[16]，之后密閉培養1 h，按上述同樣方法進行第二次抽樣。采樣結束后將瓶塞打開，通氣后封口放入培養箱中繼續進行培養。采集的氣體樣品存于提前抽成真空的采氣袋中保存待測。

氣體樣品在氣相色譜儀（Agilent 7890B）上測定，CH4與CO2檢測器為火焰離子化檢測器（FID），檢測器溫度250 ℃，載氣為N2，流速30 mL·min-1；電子捕獲檢測器（ECD）測定N2O，檢測器溫度300℃，載氣為N2，流速2 mL·min-1；柱溫55 ℃。

溫室氣體排放速率按以下公式計算：

式中：F為CO2、CH4、N2O排放通量；ρ為標準狀況下氣體密度，CO2、CH4和N2O的氣體密度分別為1.977、0.717 kg·m-3和1.977 kg·m-3；Δc為時間變化Δt內培養瓶中氣體的濃度變化量；V為培養瓶中氣體的有效空間體積；W為培養瓶中樣品烘干質量；T為培養時的溫度。

各處理CO2、CH4和N2O的累計排放量通過相鄰兩次氣體平均排放速率與排放時間的乘積累加計算得出，相鄰兩次測定間總的排放量為：

式中：M為CO2累積排放量；F為CO2、CH4和N2O的排放通量；t為兩次氣體測定的間隔時間；m為各培養瓶中樣品的烘干質量。

由于CO2、CH4和N2O的增溫效應不同，在大氣中停留時間也不同，因此需計算其全球增溫潛勢（Glob?al warming potential，GWP）以評估不同體系溫室氣體的綜合效應。據IPCC預估，在100年的時間范圍內，若以CO2的 GWP值為 1，則CH4的GWP值為28，N2O的GWP值為265[17]。參考蔡祖聰[18]和Hou等[19]所用方法，計算各處理GWP100：

式中：M為各溫室氣體的累計排放量。

在進行相關性分析時，由于把黃土和古土壤作為添加物，因此單獨計算各處理中豬糞的溫室氣體綜合效應能更好地反映添加物的作用。添加黃土與古土壤處理中的豬糞溫室氣體綜合效應按下列公式進行計算：

式中：GWP1為各處理中豬糞與土壤的總增溫潛勢；GWP2為黃土或古土壤對照（CK2、CK3）的增溫潛勢；wt1%為黃土或古土壤在各處理中所占的質量百分數；wt2%為各處理中糞肥所占的質量百分數。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016進行基礎數據整理與表格制作；SigmaPlot 12.0進行圖形繪制；SPSS 20.0進行統計分析。采用最小顯著性差異法（LSD法）進行多重比較；Pearson相關分析用以確定GWP與各理化因素間的關系。

2 結果與分析

2.1 不同處理pH的變化

如圖1所示，豬糞處理pH整體呈上升趨勢，培養期間共上升0.61個單位。添加黃土或古土壤的處理pH先緩慢上升，隨后逐漸下降，培養期間各處理pH始終顯著低于豬糞處理（P＜0.05）。培養結束時，添加黃土或古土壤各處理的pH隨著土壤添加比例的增加而降低，且添加黃土處理的pH均高于古土壤處理，這可能與黃土中較高的碳酸鹽起到的緩沖作用有關。

2.2 不同處理礦質態氮的變化

豬糞處理銨態氮含量在培養前23 d呈上升趨勢，隨后逐漸下降，培養結束時較培養前降低了20.6%（圖2a）。由于土壤的稀釋效應，添加黃土或古土壤各處理的初始銨態氮含量顯著降低（P＜0.05）。培養結束時，古土壤1∶2處理銨態氮含量較培養前下降了84.4%，其余添加黃土或古土壤處理的銨態氮含量均降低98%以上。

圖1 試驗過程中各處理pH值的變化Figure 1 Changes of pH in each treatment during incubation

圖2 試驗過程中各處理礦質態氮的變化Figure 2 Changes of mineral nitrogen in each treatment during incubation

豬糞處理硝態氮含量在培養前30 d基本保持平穩，隨后迅速增加（圖2b）。添加黃土或古土壤處理的硝態氮含量顯著增加，各處理培養結束時的硝態氮含量均隨土壤添加比例的提高而降低。添加黃土和古土壤后硝態氮含量變化趨勢基本一致，但添加黃土處理的硝態氮變化更迅速，且不同添加量處理間的差異更大。

2.3 不同處理溫室氣體排放速率的動態變化

添加黃土或古土壤均顯著降低了豬糞的CO2排放速率，且古土壤處理的排放速率較低（圖3a）。古土壤 1∶2、1∶4與 1∶6處理的 CO2峰值依次為 87.9、38.2、18.7 mg·kg-1·h-1，較同比例黃土處理分別降低21.6%、23.8%和27.6%。豬糞CH4排放速率于第2 d時達到峰值 1163 μg·kg-1·h-1，之后呈緩慢下降趨勢（圖3b）。添加黃土或古土壤各處理的CH4釋放速率較低，在培養的前42 d均與豬糞對照處理存在顯著差異（P＜0.05）。

在培養的前35 d，豬糞N2O凈排放速率為負值，最低為-3.16 μg·kg-1·h-1（圖3c），表明該階段幾乎沒有N2O的生成且存在N2O被轉化的現象，這與豬糞硝態氮的變化基本相符。添加黃土或古土壤改變了豬糞的N2O釋放特性，培養第4 d時出現N2O排放峰。古土壤3個處理的N2O峰值較小，較同比例黃土處理依次降低77.2%、68.1%、51.5%。隨著培養進行，黃土與古土壤1∶2處理排放速率持續上升，先后于第26 d和第42 d出現第二個更高的峰值，分別為54.4 μg·kg-1·h-1和84.9 μg·kg-1·h-1；其余各處理在第1個峰值結束后排放速率基本保持穩定，未出現新的N2O排放峰。

2.4 添加黃土或古土壤對豬糞溫室氣體累積排放量的影響

豬糞CO2累積排放量最高為1213±91.2 mg，添加不同比例黃土或古土壤均可顯著降低豬糞的CO2累積釋放量，其中添加古土壤的3個處理減排效果更好，可降低54.2%～64.3%的CO2累積排放量（圖4a）。隨著黃土或古土壤添加比例的提高，CO2累積排放量逐漸降低。由圖4b可以看出，添加黃土或古土壤極顯著地降低了豬糞的CH4排放量（P＜0.01），降幅均在99.8%以上，但添加黃土與古土壤處理間的CH4累積釋放量差異不顯著。

圖4c表明，除1∶4比例施用古土壤處理外，添加不同比例的黃土或古土壤均顯著增加了豬糞的N2O累積排放量（P＜0.05），且1∶2比例施用黃土或古土壤處理的N2O累積排放量均高于相同土壤類型下的其他處理。方差分析結果表明，土壤添加比例對N2O累積排放量影響顯著，且土壤類型和添加量對N2O累積排放量具有顯著的交互作用。

圖3 試驗過程中各處理CO2、CH4、N2O排放速率的動態變化Figure 3 Dynamic changes of CO2，CH4and N2O in different treatments during incubation

圖4 試驗過程中各處理CO2、CH4、N2O的累積排放量Figure 4 Cumulative emission of CO2，CH4and N2O in different treatments during incubation

2.5 添加黃土或古土壤對全球增溫潛勢的影響

表4結果表明，添加黃土或古土壤顯著降低了豬糞處理的增溫潛勢。各處理中CO2均是主要的溫室氣體排放種類，對增溫潛勢的貢獻占71.7%以上。添加黃土或古土壤處理的N2O所占貢獻僅次于CO2，占增溫潛勢的5.1%～28.2%。豬糞處理中N2O所占貢獻最低，CH4貢獻相對較高。

古土壤1∶4和1∶6處理的增溫潛勢顯著低于相同比例的黃土處理（P＜0.05）。同一土壤類型下1∶6處理增溫潛勢較1∶4處理無顯著差異。將黃土與古土壤添加量及土壤類型作為兩個因素進行方差分析（表5），結果表明黃土與古土壤的性質差異及添加比例均對豬糞溫室氣體的排放具有極顯著的影響，但兩者對增溫潛勢的交互作用未達顯著水平。

2.6 添加黃土或古土壤后各因素與豬糞溫室氣體排放的相關性

將添加黃土與古土壤后樣品的總碳、全氮、pH等指標分別與各處理中豬糞的3種溫室氣體排放量進行相關性分析發現（表6），添加黃土與古土壤后豬糞的CO2、CH4和N2O排放量均與樣品總碳和全氮的含量呈顯著或極顯著正相關。碳氮比與豬糞N2O排放量呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與CO2和CH4排放無明顯相關性。銨態氮與3種溫室氣體釋放量均呈正相關關系，其中與CO2和N2O的相關性達極顯著水平。pH和硝態氮與3種溫室氣體間的相關性均不顯著。

表4 各處理溫室氣體所占貢獻及全球增溫潛勢Table 4 The contribution of GHGs and their global warming potential in different treatments

表5 黃土、古土壤添加量和土壤類型對豬糞溫室氣體影響的方差分析（F值）Table 5 Variance analysis of loess/paleosol additions and types on greenhouse gases in pig manure

表6 黃土、古土壤添加后各因素與豬糞溫室氣體排放的相關性Table 6 Relationships between GHGs and factors with loess/paleosol additions

3 討論

3.1 豬糞貯存階段的溫室氣體釋放特性

有研究發現，CH4是豬糞存貯階段的主要溫室氣體類型，而在還田利用階段N2O則成為主要的溫室氣體來源[20-21]。本研究中CO2與CH4的累積排放量在前14 d分別占總排放量的48%～61%和77.4%以上，N2O排放主要集中在后期，這與前人研究結果基本一致。可見實際生產中根據管理方式與管理時期的差異對溫室氣體進行針對性的管理有助于更好地解決畜禽糞便的溫室氣體問題。

本研究中各處理CO2貢獻占增溫潛勢的70%以上，是主要的溫室氣體（表4）。雖然目前常把畜禽糞便產生的CO2作為可被植物光合利用抵消的部分不納入統計[22]，但由于含碳化合物的合成途徑存在內部的相互聯系，不同畜禽糞便管理模式也會造成溫室氣體排放的顯著差異[23-24]，因此為了避免不恰當地評估畜禽管理中的溫室氣體排放，在相關研究中宜將CO2納入畜禽糞便溫室氣體范疇[25-26]。

3.2 添加黃土或古土壤對豬糞溫室氣體排放的影響

本研究發現，添加不同比例的黃土或古土壤降低了豬糞42.4%～64.3%的CO2排放與99.8%以上的CH4排放（圖4a和圖4b），有效控制了豬糞的溫室氣體排放，這與加入黃土或古土壤后其對糞肥中有機碳起到的保護作用有關。有研究發現，土壤對有機質的固定作用主要是由于土壤的物理、化學與生物化學保護作用對外源有機質的分解與轉化產生了影響[27-29]。本研究發現，相同比例下施用黃土與古土壤的溫室氣體排放量也存在差異，這可能是黃土與古土壤的物理性黏粒和游離態氧化鐵含量的差異造成的。Mikutta等[30]研究表明，土壤中的黏土礦物和鐵、鋁氧化物可以與有機質結合成有機-無機復合體，進而對有機物質產生物理保護作用。其他學者研究也表明，黃土與古土壤中的游離態氧化鐵與黏粒對有機碳的固定具有重要作用[31]。本試驗供試古土壤粒徑的比表面積更大，具有相對較強的吸附能力，更有利于減少豬糞溫室氣體的排放。

畜禽糞便的有機物分解可以分為有機物的好氧分解、尿素在酶作用下的水解和厭氧分解3種類型[26]，因此本試驗中除土壤自身對外源有機碳的保護作用外，土壤施用量的不同對pH、含水率、可利用碳氮底物等因素的改變可能也會對相關酶和微生物產生影響，進而可能影響溫室氣體的排放。本試驗中添加黃土與古土壤的處理中3種溫室氣體排放量與pH的相關性均不顯著，CO2與CH4和碳氮比間相關性也未達顯著水平，僅與碳、氮總量水平顯著相關，可見黃土或古土壤添加后對糞肥碳、氮的稀釋作用也是造成各處理間溫室氣體排放差異的原因，其他理化因素的影響相對有限。

由于CH4產生一般需要極端的還原條件，而在O2充足的環境中更易發生CH4被甲烷氧化菌氧化的過程[32-33]，因此本試驗中除土壤自身對外源有機碳的保護作用外，施用黃土或古土壤降低了豬糞可利用有機碳含量并改善了通氣條件，也會抑制CH4的排放[34-35]。朱新夢等[36]研究也發現在覆蓋堆肥期間進行額外的通風和翻堆管理可以降低53.4%的CH4累積排放量，其原理也是改善了通風條件、提高了堆肥中O2含量進而抑制CH4的排放。

本研究中豬糞處理的N2O排放水平較低，添加黃土或古土壤增加了N2O的排放（圖3c，圖4c），這主要是由于豬糞水分含量較高、通氣狀況不佳，限制了硝化作用進行，同時較低的硝態氮底物含量也影響了反硝化作用[37]。雖然黃土或古土壤添加的稀釋效應降低了各處理的初始銨態氮含量，但添加黃土或古土壤處理的硝態氮含量在培養前期便快速上升，而豬糞處理硝態氮含量則一直處于較低水平（圖2），這表明黃土與古土壤的添加促進了硝化作用的進行，與稀釋效應相比，添加黃土或古土壤對環境因素的改變是影響氮素轉化的主要因素。本試驗中添加黃土與古土壤處理硝態氮變化速率與變化量存在差異（圖2b），可能是土壤質地的不同對有機碳的分解速率及產生N2O的微生物基質供應產生了影響。一般情況下，顆粒粗、透水性好的土壤有利于硝化作用，反之則有利于反硝化作用[38]。由于古土壤黏粒含量較高（表1），前期硝化作用相對較弱（圖2b），N2O生成量相對較低。

3.3 加土墊圈、堆制土糞的綜合效應

本研究表明，向畜禽糞便中添加黃土與古土壤有效降低了糞肥中CO2與CH4的排放，雖然N2O排放量增加，但隨著黃土與古土壤施用量的提高，各處理增溫潛勢逐漸降低，可見加土墊圈這種措施有效降低了豬糞的溫室氣體排放。傳統生產中墊圈過程的土壤添加量一般占總量的50%～90%，過高的土壤添加量意味著土糞養分有效性的降低以及勞動力的大量投入，這不僅增加了經濟成本與管理難度，而且對減少畜禽糞便溫室氣體排放無明顯效果，易造成“黃土搬家”[11]。但加土墊圈、堆制土糞作為一種傳統的廢棄物資源化利用方式，在其特定歷史時期對農業生產及生態保護的貢獻不可否認，在畜禽糞便貯存階段通過墊料及施用添加物的途徑減少溫室氣體排放的方式也值得借鑒。在當前畜禽糞便管理過程中，借鑒土壤墊圈過程的傳統經驗，進一步選擇便捷易得且保蓄能力更強、減排效果更好的添加物以降低因畜禽糞便處置不當造成的環境風險，值得深入研究。

4 結論

（1）與豬糞對照相比，添加不同比例的黃土或古土壤培養期間N2O排放量增加了1.8～18.0倍，但CH4與CO2排放量分別降低了42.4%和99.8%以上。綜合來看，添加一定比例的黃土或古土壤可以降低豬糞存貯過程中33.0%～61.9%的增溫潛勢，是一種有效減少畜禽糞便廢棄物溫室氣體綜合排放效應的利用方式。

（2）土壤類型及添加量均是影響畜禽糞便溫室氣體綜合排放效應的重要因素。土壤用量對豬糞CO2與N2O的排放影響顯著，土壤類型差異則對CO2與CH4的排放產生顯著影響，且兩者對N2O的排放具有顯著的交互作用。