Pig manure degradation and carbon emission: Measuring and modeling combined aerobic-anaerobic transformations  

豬糞降解與碳排放：好氧-厭氧聯(lián)合轉(zhuǎn)化的測(cè)量與建模  

來(lái)源：Journal of Environmental Quality, 53, 589–603 (2024)  

《環(huán)境質(zhì)量雜志》第53卷，第589–603頁(yè)（2024年）  

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：液態(tài)畜禽糞便儲(chǔ)存產(chǎn)生的溫室氣體（尤其是甲烷）是全球變暖的重要來(lái)源。現(xiàn)有農(nóng)場(chǎng)尺度模型在預(yù)測(cè)排放和評(píng)估管理策略時(shí)依賴碳損失動(dòng)態(tài)參數(shù)，但未明確納入表面呼吸作用（好氧過(guò)程）。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)量化了豬糞表面呼吸速率及其對(duì)有機(jī)質(zhì)降解和甲烷（CH?）、二氧化碳（CO?）排放的影響，并基于結(jié)果改進(jìn)了厭氧生物降解模型（ABM）。  

 

研究目的

量化表面呼吸作用：測(cè)量豬糞表面呼吸速率及其溫度依賴性。  

 

評(píng)估表面呼吸對(duì)碳損失的影響：探究其對(duì)有機(jī)質(zhì)降解、CH?和CO?排放的作用。  

 

改進(jìn)預(yù)測(cè)模型：將表面呼吸納入ABM模型，評(píng)估其在農(nóng)場(chǎng)尺度碳排放中的貢獻(xiàn)。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)：豬糞在10°C或20°C下，分別暴露于好氧（空氣）或厭氧（N?）環(huán)境283天，監(jiān)測(cè)CH?和CO?排放。  

 

厭氧消化實(shí)驗(yàn)：儲(chǔ)存后的糞便于38°C進(jìn)行厭氧消化，評(píng)估剩余產(chǎn)甲烷潛力。  

 

氧氣微剖面實(shí)驗(yàn)：使用Unisense微電極測(cè)量不同豬糞表面的O?消耗梯度，驗(yàn)證表面呼吸速率。  

模型開(kāi)發(fā)：將表面呼吸算法整合至ABM模型，模擬典型豬舍和戶外儲(chǔ)存的碳損失動(dòng)態(tài)。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

表面呼吸速率（來(lái)自儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)，圖3a和正文數(shù)據(jù)）：  

 

 

10°C時(shí)為18.1 ± 3.5 g CO? m?2 day?1，20°C時(shí)為37.1 ± 13.1 g CO? m?2 day?1。  

 

意義：證實(shí)表面呼吸是碳損失的關(guān)鍵途徑，且溫度敏感性顯著。  

氣體排放與有機(jī)質(zhì)降解（表1、圖2a、圖3）：  

 

 

 

好氧條件下CO?排放顯著高于厭氧條件（20°C+空氣：226 g C kg VS?1 vs. 20°C+N?：66.4 g C kg VS?1）。  

 

CH?排放不受表面呼吸影響（20°C下空氣與N?處理無(wú)差異），表明碳源非產(chǎn)甲烷限制因素。  

 

好氧條件加速有機(jī)質(zhì)降解（20°C+空氣的揮發(fā)性固體損失率39% vs. 20°C+N?的24%）。  

 

意義：揭示表面呼吸通過(guò)消耗有機(jī)質(zhì)增加CO?排放，但不抑制CH?產(chǎn)生，為模型參數(shù)化提供依據(jù)。  

氧氣微剖面數(shù)據(jù)（圖4、表2）：  

 

 

 

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量5類豬糞的溶解氧梯度，擬合O?消耗動(dòng)力學(xué)參數(shù)（r???和K??）。  

 

測(cè)得CO?通量平均28.3 ± 15.7 g m?2 day?1（室溫），與儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。  

 

意義：獨(dú)立驗(yàn)證表面呼吸速率的可靠性，揭示不同豬糞的呼吸活性差異（如Pig 3呼吸速率最高）。  

模型模擬結(jié)果（圖5）：  

 

 

表面呼吸貢獻(xiàn)豬舍29%和戶外儲(chǔ)存8%的碳損失。  

 

意義：量化表面呼吸在農(nóng)場(chǎng)尺度的實(shí)際影響，強(qiáng)調(diào)其在排放模型中的必要性。  

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

使用丹麥Unisense微電極獲取的氧氣微剖面數(shù)據(jù)具有以下核心意義：  

方法驗(yàn)證：通過(guò)直接測(cè)量O?在糞-氣界面的擴(kuò)散-消耗梯度，獨(dú)立驗(yàn)證了儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)中基于CO?差值法得出的表面呼吸速率（37.1 g CO? m?2 day?1），證實(shí)兩種方法結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（p=0.71），增強(qiáng)了結(jié)論的可信度。  

 

動(dòng)力學(xué)參數(shù)化：擬合獲得O?消耗的Michaelis-Menten參數(shù)（如平均K??=0.0042 μmol cm?3），為ABM模型中表面呼吸的算法（如O?傳質(zhì)系數(shù)klo?的溫度依賴性）提供關(guān)鍵輸入，使模型能更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同溫度下的碳損失。  

 

揭示變異性：不同豬糞的呼吸速率差異顯著（如Pig 3的CO?通量51.2 g m?2 day?1 vs. Pig 1的13.7 g m?2 day?1），反映了糞便組成（如干物質(zhì)含量、微生物群落）對(duì)表面呼吸的影響，指導(dǎo)模型需考慮糞便異質(zhì)性。  

 

機(jī)制闡釋：O?滲透深度僅50–100 μm（圖4），表明好氧活動(dòng)高度集中于表層，解釋了為何表面呼吸雖加速碳損失卻不深層影響厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程。  

 

結(jié)論

表面呼吸顯著增加CO?排放和有機(jī)質(zhì)降解（溫度升高加劇此效應(yīng)），但不減少CH?產(chǎn)量，說(shuō)明產(chǎn)甲烷過(guò)程不受碳源限制。  

 

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改進(jìn)的ABM模型表明：表面呼吸貢獻(xiàn)豬舍29%和戶外儲(chǔ)存8%的碳損失，是農(nóng)場(chǎng)尺度碳排放預(yù)測(cè)不可忽略的組分。  

 

整合表面呼吸等碳轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估糞便管理策略（如覆蓋儲(chǔ)存、溫度控制）的減排潛力至關(guān)重要。