叶小梅，王 莉，张曼秋，张应鹏，杜 静

(江苏省农业科学院畜牧研究所农业农村部种养结合重点实验室，江苏南京 210014)

随着规模奶牛厂的迅速发展，大量粪污带来的环境压力不容小觑。目前，奶牛场主要采用固体好氧堆肥及液体厌氧发酵的方式进行粪污的无害化及资源化利用，粪污堆肥过程及厌氧发酵后沼液的储存和还田过程中均会产生温室气体的排放，且排放量在整个处理过程中占比较大[1-3]，目前我国畜禽粪污的年排放量为38亿t，其中全国奶牛粪污的年排放量约为3.6亿t，所以畜禽粪污处理的碳减排对实现农业的碳减排也起着重要的作用，但目前还未对奶牛场不同粪污处理模式的碳排放进行核算。

Meta分析是对若干独立研究的统计结果进行综合分析的统计方法，可以弥补单一试验数据对粪污处理过程中温室气体的排放进行估算的局限性，通过系统的整合所有相关文献数据，得出相对准确的结果[4]。但奶牛场粪污处理过程中温室气体排放的Meta分析主要集中于单一处理方式或全生命周期过程中进行分析，如堆肥[1]、厌氧发酵[2]等。Ba等[5]以41篇科学论文为基础，对4种主要的牛粪堆肥方式(静态、翻堆式、条垛和反应器)的温室气体(GHGs)和氨(NH3)排放进行了Meta分析，与其他堆肥方式相比，翻堆式堆肥会导致更大的碳和氮损失，尽管反应器堆肥显著促进了NH3的排放，但较翻堆式堆肥减少了82.84%的温室气体损失。此外，添加木屑或秸秆可使CH4和N2O排放量分别降低66.3%和44.0%[1]。Miranda等[2]以30篇论文产生的89个独立案例为基础，运行单位的数据显示，与基线情景相比，沼液储存导致碳排放减少量的中位值为43.2%，沼液还田的碳排放减少量的中位值为6.3%，抵消化石燃料能源的碳排量减少量的中值为11.0%，沼液替代无机肥料施用增加了碳排放量的中值为0.4%，同时发现，沼气池的泄漏大大增加了基线情景下的碳排放量(中位数=1.4%)。Jayasundara等[3]研究了加拿大奶牛场减少甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)的策略，Meta分析的结果显示，减少粪便排放的策略有厌氧消化、堆肥、固液分离、覆盖沼液储存和燃除CH4，以及在春季施用沼液时完全排空沼液储存以及减少甲烷菌接种量。鉴于此，笔者采用Meta分析方法比较分析奶牛场2种不同粪污处理模式的碳足迹，为奶牛场粪污处理碳减排模式的选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源进行全面的文献检索和文献筛选工作，主要通过中国知网(http://www.cnki.net/)和Web of Science (http://apps.webofknowledge.com/)2个数据库检索关于奶牛场粪污处理过程中温室气体排放规律的文献。

畜禽粪污的处理主要有静态堆肥和厌氧发酵2种方式，图1a表示静态堆肥相关搜索过程中的关键字和逻辑连接器,共输出925篇文献，通过进一步的关键指标(奶牛粪便、静态堆肥、温室气体)筛选，最终检索出13篇文献(WOS 6篇；知网7篇)[6-18]。 图1b表示厌氧发酵相关搜索过程中的关键字和逻辑连接器，共输出404篇文献，经进一步关键指标(奶牛粪便、厌氧发酵、温室气体)的筛选，最终检索出16篇文献(WOS 12篇；知网4篇)[19-34]。

图1 文献检索关键词和逻辑连接词Fig.1 Literature search keywords and logical connectives

1.2 数据分析

1.2.1单位换算。为对比不同处理方式的温室气体排放量，将文献中提取的CO2、CH4、N2O排放量各自换算成统一的单位：efCO2、efCH4、efN2O均为g/kg。

厌氧发酵的产气能力用单位沼气产量表示为L/g。

1.2.2标准化。分析文献每个功能单元的不同温室气体排放量，为了使排放标准化，将其表示为二氧化碳当量(CO2e)并计算如下式(1.1)：

GHGCO2=∑GWPi×GHGi

(1)

式中，GHGCO2为每功能单元温室气体排放量；GWPi为对应温室气体i的全球变暖潜势，GWPCO2为1 kg/kg，GWPCH4为28 kg/kg，GWPN2O为265 kg/kg；GHGi为对应温室气体的排放量。

1.2.3正态性检验。利用SPSS对收集换算后的数据进行正态性分布检验，对符合正态分布的采用平均值代表整体数据，不符合正态分布则取中位值代表整体数值，结果显示静态堆肥和厌氧发酵后沼液的储存及还田利用产生的温室气体排放数据为非正态性分布，取其中位值代表整体数值，而厌氧发酵产气规律的数据符合正态分布，选用平均值代表整体数据。

2 结果与分析

2.1 奶牛粪静态堆肥过程中与厌氧发酵后沼液储存及还田的温室气体排放规律根据对13篇文献，33个案例数据的分析，可以得出奶牛粪污静态堆肥过程中温室气体的排放情况，其中关于静态堆肥过程中CH4的排放情况有33个案例，计算其中位值为3.66 g/kg；关于静态堆肥过程中CO2排放情况有24个案例，计算其中位值为86.77 g/kg；关于静态堆肥中N2O的排放情况有36个案例，计算其中位值为1.70 g/kg。根据对9篇文献，31个案例的分析，可以得出奶牛粪污厌氧发酵后储存和还田过程中温室气体的排放情况。其中，关于CH4的排放情况有15个案例，计算其中位值为10.88 g；关于CO2的排放情况有5个案例，计算其中位值为83.8 g；关于N2O的排放情况有29个案例，得出其中位值为5.72 g/kg。方差分析结果显示，厌氧发酵后沼液储存及还田过程排放的CH4和N2O量显著高于静态堆肥过程中产生的CH4和N2O量，但2种粪污处理方式排放的CO2量间无显著差异(图2)。

图2 静态堆肥过程与厌氧发酵后沼液储存及还田过程温室气体排放规律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 厌氧发酵过程中的产气规律依据对检索出的10篇文献，65个案例的数据进行提取，正态性分布检验显示提取出的数据符合正态性分布，计算出奶牛粪污厌氧发酵过程中CH4排放的平均值为0.245 L/g。

2.3 不同处理方式对温室气体减排的影响

2.3.1覆盖材料对静态堆肥过程中温室气体排放的影响。关于奶牛粪污静态堆肥过程中的覆盖材料，主要包含玉米秸秆、锯末、稻草、植物油和塑料布等。最后筛选出的文献中有8个案例研究了玉米秸秆对粪污覆盖的影响(表1)，结果表明，秋冬季节覆盖玉米秸秆有利于CH4的减排，减排量为7.1%～62.9%，春夏季节反而增加了其排放量，增加量为8.9%～117.5%；而玉米秸秆覆盖有利于CO2和N2O的减排，减排率分别为6.9%～14.3%和 10.0%～73.2%。6个案例研究了锯末覆盖对粪污静态堆肥的影响，结果表明锯末覆盖增加了静态堆肥过程中CH4和N2O的排放量，分别增加了17.9%～37.0%和6.0%～20.0%；而减少了CO2的排放量为4.6%～13.2%。关于稻草、植物油和塑料布覆盖对奶牛粪污静态堆肥温室气体排放的影响研究较少，已有的研究结果显示稻草覆盖不利于其CH4和N2O的减排，但对CO2的排放有正面效益；多孔油布覆盖有利于N2O的减排，对于CH4的排放无显著性影响。

表1 覆盖材料对静态堆肥过程温室气体排放的影响Table 1 Effects of mulching materials on greenhouse gas emissions from static composting

2.3.2共消化物质对厌氧发酵产气的影响。厌氧发酵的主要产物为甲烷，有效利用甲烷可产生电能，从而减少温室气体的排放。为提升牛粪厌氧发酵的产气效率，研究牛粪与不同物质共消化的产气能力。由表2可知，主要共消化物质有玉米秸秆、卷心菜、芹菜、蘑菇渣、甜菜、萝卜等。研究玉米秸秆与牛粪共消化后的单位沼气产量案例共有16个，结果表明中温条件(35 ℃)下，牛粪与玉米秸秆的比例为10∶90时单位沼气产量最高，为0.216 L/g，高温条件(55 ℃)下，牛粪与玉米秸秆的比例为50∶50时单位沼气产量最高，为0.400 L/g；卷心菜与牛粪共消化后的单位沼气产量的案例共有7个，结果表明中温条件(37 ℃)下，牛粪与卷心菜的比例为50∶50时单位沼气产量最高，为0.311 L/g；芹菜与牛粪共消化后的单位沼气产量的案例共有7个，结果表明中温条件(37℃)下，牛粪与卷心菜比例为25∶75时单位沼气产量最高，为0.282 L/g；蘑菇渣、甜菜和食物残渣与牛粪共消化后的单位沼气产量的案例共有12个，结果表明中温条件(35 ℃)下，牛粪与蘑菇渣的比例为75∶25时单位沼气产量最高，为0.197 L/g，牛粪与食物残渣的比例为50∶50时单位沼气产量最高，为0.459 L/g，高温条件(55 ℃)下，牛粪与甜菜的比例为75∶25时单位沼气产量最高，为0.159 L/g；萝卜与牛粪共消化后的单位沼气产量的案例共有12个，结果表明中温条件(30 ℃)下，牛粪与萝卜的比例为40∶60时单位沼气产量最高，为0.357 L/g。

表2 共消化物质对厌氧发酵产气量的影响Table 2 Effects of co-digested substances on anaerobic fermentation gas production

2.3.3固液分离与覆盖对厌氧发酵后沼液储存加还田温室气体排放的影响。厌氧发酵后温室气体的排放主要来源于沼液、沼渣的储存以及还田阶段，为减少温室气体的排放量，常用的方法有厌氧发酵前或后的固液分离以及在储存过程中进行覆盖。有6个案例研究了固液分离对厌氧发酵温室气体排放的影响，结果表明固液分离有利于CH4的减排，减排量为14.70%～30.49%，而固液分离反而增加了CO2和N2O的排放，增加量分别为9.60%和6.78%。有8个案例研究了覆盖对沼液储存过程中温室气体排放的影响，结果表明覆盖增加了CH4的排放，增加量为130.00%左右；以对于N2O排放的影响来看，冬季覆盖稻草有利于N2O的减排，减排量为8.93%左右，夏季覆盖增加了N2O排放量，增加量为4.45%～20.63%，冬季覆盖木盖增加了其排放量，增加量为2.70%左右，夏季覆盖木盖有利于减排，减排量为18.96%左右。

2.4 最终核算静态堆肥过程中与厌氧发酵沼液储存和还田的总温室气体排放量根据排放因子与式(1)计算可得，单位奶牛静态堆肥年排放CO2的量为464.51 kg，CH4为7.13 kg，N2O为1.70 kg，GHGCO2为1 114.65 kg/Ueq，单位奶牛厌氧发酵年产甲烷量为135.00 kg，GHGCO2为-3 780.00 kg/Ueq；单位奶牛厌氧发酵后沼液储存加还田年排放CO2量为410.87 kg，CH4为18.5 kg，N2O为5.72 kg，GHGCO2为2 540.09 kg/Ueq，厌氧发酵管理阶段GHGCO2综合数据为-1 239.91 kg/Ueq。

3 小结与讨论

静态堆肥和厌氧发酵是实现畜禽粪污无害化及资源化的2种主要处理方式[1-3]，静态堆肥不仅能实现畜禽粪污的减量化，而且产生了富含腐殖质的有机肥，有机肥的施用能提高作物的产量及品质，显著提高作物的产量及品质；厌氧发酵能实现大体量粪水的处理，不仅产生了清洁能源沼气，而且产生的沼液富含养分、腐殖酸、氨基酸等生物活性物质，是一种优质的液体有机肥，科学合理的施用能显著提高作物的产量及品质。但静态堆肥和厌氧发酵后产生的沼液在储存和还田过程中均会释放温室气体CH4、CO2、N2O[3]，温室气体的排放会加剧全球气温的升高，目前气候变暖及其影响是国际社会共同关注和广泛研究的焦点性问题。目前我国畜禽粪污的年产量为38亿t，而全国奶牛粪污的年产量为3.6亿t，因此对奶牛厂粪污的主要处理环节进行碳足迹分析，可为规模化奶牛场粪污处理碳减排模式的选择提供科学依据。

该研究通过Meta分析法，系统整合了与静态堆肥及厌氧发酵温室气体排放相关的所有文献数据，相较之前单一分析某种处理方式过程中的温室气体排放情况，该研究比较分析了静态堆肥和厌氧发酵2种粪污处理过程中产生温室气体CH4、CO2、N2O的量，研究结果显示厌氧发酵处理产生的沼液在储存和还田过程中排放的CH4和N2O量显著高于静态堆肥过程中释放的量，但2种处理方式间排放的CO2无显著差异。但因厌氧发酵产生了大量可用于发电的CH4，减少了煤炭燃烧排放的CO2量，最后综合测算出单位奶牛厌氧发酵管理阶段GHGCO2综合数据为-1 239.91 kg/Ueq，而静态堆肥产生的GHGCO2为1 114.65 kg/Ueq，所以厌氧发酵具有更好的碳减排潜力。

该研究也采用Meta分析法评估了不同处理方式对温室气体减排的影响，静态堆肥过程中覆盖有利于温室气体减排，厌氧发酵后沼液储存过程中覆盖木盖有利于温室气体减排，厌氧发酵过程中玉米秸秆和食物残渣与牛粪共消化的产气能力较好。