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，張應鵬，杜 靜

(江蘇省農業科學院畜牧研究所農業農村部種養結合重點實驗室，江蘇南京 210014)

隨著規模奶牛廠的迅速發展，大量糞污帶來的環境壓力不容小覷。目前，奶牛場主要采用固體好氧堆肥及液體厭氧發酵的方式進行糞污的無害化及資源化利用，糞污堆肥過程及厭氧發酵后沼液的儲存和還田過程中均會產生溫室氣體的排放，且排放量在整個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現農業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行核算。

Meta分析是對若干獨立研究的統計結果進行綜合分析的統計方法，可以彌補單一試驗數據對糞污處理過程中溫室氣體的排放進行估算的局限性，通過系統的整合所有相關文獻數據，得出相對準確的結果[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行分析，如堆肥[1]、厭氧發酵[2]等。Ba等[5]以41篇科學論文為基礎，對4種主要的牛糞堆肥方式(靜態、翻堆式、條垛和反應器)的溫室氣體(GHGs)和氨(NH3)排放進行了Meta分析，與其他堆肥方式相比，翻堆式堆肥會導致更大的碳和氮損失，盡管反應器堆肥顯著促進了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篇論文產生的89個獨立案例為基礎，運行單位的數據顯示，與基線情景相比，沼液儲存導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%，沼液替代無機肥料施用增加了碳排放量的中值為0.4%，同時發現，沼氣池的泄漏大大增加了基線情景下的碳排放量(中位數=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依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源進行全面的文獻檢索和文獻篩選工作，主要通過中國知網(http://www.cnki.net/)和Web of Science (http://apps.webofknowledge.com/)2個數據庫檢索關于奶牛場糞污處理過程中溫室氣體排放規律的文獻。

畜禽糞污的處理主要有靜態堆肥和厭氧發酵2種方式，圖1a表示靜態堆肥相關搜索過程中的關鍵字和邏輯連接器,共輸出925篇文獻，通過進一步的關鍵指標(奶牛糞便、靜態堆肥、溫室氣體)篩選，最終檢索出13篇文獻(WOS 6篇；知網7篇)[6-18]。 圖1b表示厭氧發酵相關搜索過程中的關鍵字和邏輯連接器，共輸出404篇文獻，經進一步關鍵指標(奶牛糞便、厭氧發酵、溫室氣體)的篩選，最終檢索出16篇文獻(WOS 12篇；知網4篇)[19-34]。

圖1 文獻檢索關鍵詞和邏輯連接詞Fig.1 Literature search keywords and logical connectives

1.2 數據分析

1.2.1單位換算。為對比不同處理方式的溫室氣體排放量，將文獻中提取的CO2、CH4、N2O排放量各自換算成統一的單位：efCO2、efCH4、efN2O均為g/kg。

厭氧發酵的產氣能力用單位沼氣產量表示為L/g。

1.2.2標準化。分析文獻每個功能單元的不同溫室氣體排放量，為了使排放標準化，將其表示為二氧化碳當量(CO2e)并計算如下式(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為對應溫室氣體的排放量。

1.2.3正態性檢驗。利用SPSS對收集換算后的數據進行正態性分布檢驗，對符合正態分布的采用平均值代表整體數據，不符合正態分布則取中位值代表整體數值，結果顯示靜態堆肥和厭氧發酵后沼液的儲存及還田利用產生的溫室氣體排放數據為非正態性分布，取其中位值代表整體數值，而厭氧發酵產氣規律的數據符合正態分布，選用平均值代表整體數據。

2 結果與分析

2.1 奶牛糞靜態堆肥過程中與厭氧發酵后沼液儲存及還田的溫室氣體排放規律根據對13篇文獻，33個案例數據的分析，可以得出奶牛糞污靜態堆肥過程中溫室氣體的排放情況，其中關于靜態堆肥過程中CH4的排放情況有33個案例，計算其中位值為3.66 g/kg；關于靜態堆肥過程中CO2排放情況有24個案例，計算其中位值為86.77 g/kg；關于靜態堆肥中N2O的排放情況有36個案例，計算其中位值為1.70 g/kg。根據對9篇文獻，31個案例的分析，可以得出奶牛糞污厭氧發酵后儲存和還田過程中溫室氣體的排放情況。其中，關于CH4的排放情況有15個案例，計算其中位值為10.88 g；關于CO2的排放情況有5個案例，計算其中位值為83.8 g；關于N2O的排放情況有29個案例，得出其中位值為5.72 g/kg。方差分析結果顯示，厭氧發酵后沼液儲存及還田過程排放的CH4和N2O量顯著高于靜態堆肥過程中產生的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 靜態堆肥過程與厭氧發酵后沼液儲存及還田過程溫室氣體排放規律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 厭氧發酵過程中的產氣規律依據對檢索出的10篇文獻，65個案例的數據進行提取，正態性分布檢驗顯示提取出的數據符合正態性分布，計算出奶牛糞污厭氧發酵過程中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覆蓋材料對靜態堆肥過程中溫室氣體排放的影響。關于奶牛糞污靜態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。最后篩選出的文獻中有8個案例研究了玉米秸稈對糞污覆蓋的影響(表1)，結果表明，秋冬季節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個案例研究了鋸末覆蓋對糞污靜態堆肥的影響，結果表明鋸末覆蓋增加了靜態堆肥過程中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%。關于稻草、植物油和塑料布覆蓋對奶牛糞污靜態堆肥溫室氣體排放的影響研究較少，已有的研究結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共消化物質對厭氧發酵產氣的影響。厭氧發酵的主要產物為甲烷，有效利用甲烷可產生電能，從而減少溫室氣體的排放。為提升牛糞厭氧發酵的產氣效率，研究牛糞與不同物質共消化的產氣能力。由表2可知，主要共消化物質有玉米秸稈、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量案例共有16個，結果表明中溫條件(35 ℃)下，牛糞與玉米秸稈的比例為10∶90時單位沼氣產量最高，為0.216 L/g，高溫條件(55 ℃)下，牛糞與玉米秸稈的比例為50∶50時單位沼氣產量最高，為0.400 L/g；卷心菜與牛糞共消化后的單位沼氣產量的案例共有7個，結果表明中溫條件(37 ℃)下，牛糞與卷心菜的比例為50∶50時單位沼氣產量最高，為0.311 L/g；芹菜與牛糞共消化后的單位沼氣產量的案例共有7個，結果表明中溫條件(37℃)下，牛糞與卷心菜比例為25∶75時單位沼氣產量最高，為0.282 L/g；蘑菇渣、甜菜和食物殘渣與牛糞共消化后的單位沼氣產量的案例共有12個，結果表明中溫條件(35 ℃)下，牛糞與蘑菇渣的比例為75∶25時單位沼氣產量最高，為0.197 L/g，牛糞與食物殘渣的比例為50∶50時單位沼氣產量最高，為0.459 L/g，高溫條件(55 ℃)下，牛糞與甜菜的比例為75∶25時單位沼氣產量最高，為0.159 L/g；蘿卜與牛糞共消化后的單位沼氣產量的案例共有12個，結果表明中溫條件(30 ℃)下，牛糞與蘿卜的比例為40∶60時單位沼氣產量最高，為0.357 L/g。

表2 共消化物質對厭氧發酵產氣量的影響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酵后沼液儲存加還田溫室氣體排放的影響。厭氧發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酵前或后的固液分離以及在儲存過程中進行覆蓋。有6個案例研究了固液分離對厭氧發酵溫室氣體排放的影響，結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 最終核算靜態堆肥過程中與厭氧發酵沼液儲存和還田的總溫室氣體排放量根據排放因子與式(1)計算可得，單位奶牛靜態堆肥年排放CO2的量為464.51 kg，CH4為7.13 kg，N2O為1.70 kg，GHGCO2為1 114.65 kg/Ueq，單位奶牛厭氧發酵年產甲烷量為135.00 kg，GHGCO2為-3 780.00 kg/Ueq；單位奶牛厭氧發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，厭氧發酵管理階段GHGCO2綜合數據為-1 239.91 kg/Ueq。

3 小結與討論

靜態堆肥和厭氧發酵是實現畜禽糞污無害化及資源化的2種主要處理方式[1-3]，靜態堆肥不僅能實現畜禽糞污的減量化，而且產生了富含腐殖質的有機肥，有機肥的施用能提高作物的產量及品質，顯著提高作物的產量及品質；厭氧發酵能實現大體量糞水的處理，不僅產生了清潔能源沼氣，而且產生的沼液富含養分、腐殖酸、氨基酸等生物活性物質，是一種優質的液體有機肥，科學合理的施用能顯著提高作物的產量及品質。但靜態堆肥和厭氧發酵后產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注和廣泛研究的焦點性問題。目前我國畜禽糞污的年產量為38億t，而全國奶牛糞污的年產量為3.6億t，因此對奶牛廠糞污的主要處理環節進行碳足跡分析，可為規模化奶牛場糞污處理碳減排模式的選擇提供科學依據。

該研究通過Meta分析法，系統整合了與靜態堆肥及厭氧發酵溫室氣體排放相關的所有文獻數據，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堆肥和厭氧發酵2種糞污處理過程中產生溫室氣體CH4、CO2、N2O的量，研究結果顯示厭氧發酵處理產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。但因厭氧發酵產生了大量可用于發電的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酵管理階段GHGCO2綜合數據為-1 239.91 kg/Ueq，而靜態堆肥產生的GHGCO2為1 114.65 kg/Ueq，所以厭氧發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，靜態堆肥過程中覆蓋有利于溫室氣體減排，厭氧發酵后沼液儲存過程中覆蓋木蓋有利于溫室氣體減排，厭氧發酵過程中玉米秸稈和食物殘渣與牛糞共消化的產氣能力較好。