使用石膏和SOP?池塘添加剂降低液态粪肥中的甲烷排放

《Frontiers in Climate》：Methane reductions with gypsum and SOP? lagoon additives in liquid manure

液态奶牛粪便储存中，通过比较商业添加剂SOP? Lagoon与当地石膏的剂量-响应关系，研究确定两者在1000-5000g/m3剂量范围内均可显著降低甲烷排放（最高减排82%），且减排趋势相似。实验室模拟162天发现，石膏成本仅为SOP? Lagoon的1/62，适合大规模应用。

　　农业行业是全球温室气体排放的重要来源之一，其中畜牧业生产尤其是液体粪便储存系统，对甲烷（CH?）排放贡献尤为显著。因此，减少畜牧生产中的甲烷排放，特别是液体粪便储存过程中的排放，成为农业可持续发展的重要课题。本研究旨在评估两种添加剂对液体奶牛粪便中甲烷排放的抑制效果，一种是市售的SOP? Lagoon（以下简称SOP），另一种是当地常用的石膏肥料。SOP是一种以硫酸钙为主要成分的意大利产品，其技术工艺具有专有性，而石膏则是一种天然资源，广泛存在于加拿大，并且成本较低。研究的目标是探讨这两种添加剂在不同添加剂量下对甲烷排放的抑制能力，并在与加拿大气候条件相符的温度环境下进行为期约5个月的实验。

实验中，研究人员在24°C的实验室条件下，使用33个瓶子进行测试，其中包含3个空白对照（仅含接种物）、3个正向对照（含纤维素）以及27个添加了不同剂量SOP和石膏的实验组。每个瓶子的总容量为600 mL，装有250 g的基质。实验开始前，对所有样本进行了pH值、总固体（TS）和挥发性固体（VS）的初步分析。结果显示，初始状态下，未处理的奶牛粪便pH值为6.9，TS为11.6%，VS为10.2%。添加SOP和石膏后，这些指标在短期内没有明显变化，但经过162天的培养后，所有处理组的pH值均显著升高，而TS和VS则显著下降。这一变化趋势表明，添加剂可能通过改变基质的化学环境，抑制了甲烷生成微生物的活性，从而减少了甲烷的排放。

在甲烷排放方面，实验结果显示，SOP和石膏在添加剂量达到1,000 g/m3或更高时，均表现出显著的抑制效果。其中，SOP在最高剂量（10,000 g/m3）下的甲烷减排率达到82%，而石膏在相同剂量下的减排率为74%。值得注意的是，甲烷减排效果在实验初期（20至30天）达到峰值，随后逐渐下降。这表明，甲烷排放的抑制作用具有时间依赖性，可能与微生物群落的适应性和化学反应的持续性有关。此外，实验还发现，随着添加剂量的增加，甲烷减排效果呈现出非线性增长趋势，即从100 g/m3增加到5,000 g/m3时，减排效果显著提升，而剂量进一步加倍至10,000 g/m3时，效果提升有限。这一现象可能意味着，存在一个最佳剂量范围，超过这个范围后，投入的添加剂可能无法带来更显著的减排收益。

实验中还比较了两种添加剂的剂量-时间响应关系。结果显示，SOP和石膏在相同添加剂量下，其甲烷减排效果在不同时间点略有差异，但总体趋势相似。例如，在第30天时，SOP的减排效果比石膏高约9个百分点，而在第60天和实验结束时，石膏的减排效果则略优于SOP。这种差异可能与两种添加剂的物理形态有关。SOP的颗粒较小且大小均匀，这可能使其在储存系统中更快释放有效成分，从而在短期内表现出更强的抑制作用。而石膏颗粒较大且不均匀，释放速度较慢，因此其效果可能在较长时间内逐渐显现。这种特性意味着，在实际应用中，SOP可能更适合短期的甲烷减排需求，而石膏则可能在长期储存中更有效。

从经济角度来看，SOP和石膏的成本差异显著。SOP的单价为每千克82.50加元，而当地石膏仅为每千克1.32加元。这意味着，如果以1,000 g/m3的剂量应用，SOP的使用成本将是石膏的62.4倍。对于拥有4,000立方米液体粪便储存系统的农场来说，使用SOP需要投入约4,000千克的添加剂，而石膏仅需约5,291加元。这一成本差距使得石膏成为一种更具成本效益的替代方案。尽管SOP的生产成本较高，但其技术工艺和市场推广可能使其在某些特定场景下具有竞争优势，例如需要快速见效或对环境条件要求较高的系统。

此外，研究还指出，石膏和SOP在加拿大及其他温带地区的应用潜力。石膏作为一种天然资源，广泛分布于全球多个地区，包括美国、加拿大、西班牙等国家。美国是石膏的主要生产国之一，其年产量高达2070万吨。因此，石膏不仅在本地易于获取，而且价格低廉，这为农民提供了一种经济可行的减排方案。相比之下，SOP由于需要进口，其成本和供应稳定性可能受到更多限制。然而，SOP的制备技术可能为其在某些特定应用中提供额外的优势，例如在高排放强度或特殊储存条件下。

研究还提到，甲烷排放的抑制效果可能受到储存环境和微生物群落的影响。例如，加拿大地区的储存温度通常低于24°C，而实验中采用的24°C条件模拟了加拿大夏季末和初秋的典型温度。这一条件设定有助于更准确地评估添加剂在实际农业环境中的效果。然而，实验中观察到的减排效果可能在不同气候条件下有所变化，因此需要进一步研究以验证其在不同温度和湿度环境下的适用性。此外，甲烷排放的抑制效果还可能受到储存时间的影响，实验中观察到的减排效果在162天内逐渐下降，这表明在实际应用中，可能需要定期重新添加添加剂以维持长期的减排效果。

本研究的结果表明，石膏和SOP都能有效减少液体奶牛粪便中的甲烷排放，但其效果和成本效益存在差异。SOP在短期内表现出更强的抑制能力，但其较高的成本可能限制了其在大规模农业应用中的可行性。而石膏则在成本和效果之间取得了更好的平衡，尤其在长期储存和较低剂量应用时，其减排效果更加稳定。因此，对于希望在不显著增加成本的情况下减少甲烷排放的农民来说，石膏可能是一个更优的选择。然而，SOP在某些特定条件下可能仍具有一定的应用价值，尤其是在需要快速见效或对储存条件有特殊要求的系统中。

综上所述，本研究为农业减排提供了重要的参考依据。石膏作为一种低成本、易获取的添加剂，能够有效减少甲烷排放，并且其效果在不同时间点上表现出一定的稳定性。相比之下，SOP虽然在短期减排效果上更优，但其较高的成本可能使其在实际应用中难以普及。因此，农民可以根据自身需求和经济条件，选择合适的添加剂来实现甲烷减排的目标。同时，进一步的研究和实验验证将有助于更全面地了解这两种添加剂在不同环境和储存条件下的表现，从而为农业可持续发展提供更多科学依据和实践指导。