添加生物炭的全尺寸分离消化浆料固相堆垛甲烷排放降低

《Biosystems Engineering》：Lower methane emissions from full-scale stockpiles of the solid fraction of separated digested slurry with biochar amendment

　　

摘要

生物炭的田间施用可能因粉尘释放和撒施不均而面临挑战，将生物炭混入有机肥料中已被提出作为一种实用的施用策略。若在田间施用前将生物炭添加到固相部分，则必须在储存之前或储存期间将其混入，因此研究其对储存期间排放的影响具有重要意义。

本研究考察了向分离消化浆料的固相部分添加生物炭对储存期间排放的影响。采用后向拉格朗日随机扩散模型（backward Lagrangian stochastic dispersion model, bLS）结合上风向与下风向浓度测量，对两个全尺寸堆垛在85天内的排放进行了测定。其中一个堆垛添加了10%（w/w）生物炭，另一个堆垛未添加。在覆盖和未覆盖期间，添加生物炭堆垛的甲烷（CH₄）排放均持续较低。添加生物炭堆垛在各深度均呈现更高的氧气浓度以及更高的核心温度，表明其通气性改善且好氧降解增强。两种处理下的一氧化二氮（N₂O）和氨（NH₃）排放均低于可测量水平。据研究人员所知，这是首个量化生物炭改良对厌氧消化浆料固相堆垛储存期间气体排放影响的田间尺度研究。研究结果提供了田间尺度证据，表明生物炭能够增强气体扩散并使分解过程转向好氧途径，从而抑制产甲烷作用，且不增加NH₃或N₂O排放。这些发现超越了小规模及堆肥研究的技术水平，证明了在实际田间条件下，生物炭对CH₄排放的影响在全尺寸尺度上可检测且具有一致性。

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生物炭日益被提议作为农业碳封存的一种策略，但其纳入粪污管理系统会引入新的不确定性。本研究提供了全尺寸证据，表明向厌氧消化浆料固相部分添加生物炭可在储存期间减少甲烷排放，且不增加氨或一氧化二氮排放。研究在真实田间条件下采用微气象学测量方法，结果证明了堆垛内部通气性的改善。这些发现支持开发将减排与碳稳定相结合的粪污综合管理策略，并为改进温室气体清单及实际农场尺度实施提供了数据支撑。

1. 引言

畜牧粪污的储存与管理因氨（NH₃）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的排放而备受关注。CH₄和N₂O是强效温室气体（GHGs），NH₃则导致富营养化、酸化和空气质量下降，对生态系统、人类健康和农业生产率均有影响。全球范围内，农业对人为排放的贡献分别为：NH₃占86%，CH₄占29%，N₂O占63%，其中粪污管理是NH₃和N₂O的主要来源，同时也是甲烷的重要来源。减少粪污管理环节的排放为减缓气候变化和改善农业养分利用提供了机会。

对液态动物粪污进行厌氧消化可减少粪污管理链中的温室气体排放，该过程利用可用有机物产生沼气，从而减少粪污储存期间的CH₄排放。全球沼气产量预计将持续增长，在丹麦预计2030年超过50%的畜牧粪污将被厌氧消化。通常向沼气消化器中添加秸秆和工业废弃物等补充生物质原料以提高CH₄产量。

为增加管理灵活性或减少粪污及消化浆料的排放，可采用多种技术。机械固液分离可增加管理灵活性并减少田间施用后的NH₃排放。分离产生富含氮的液相部分和具有更高干物质、碳和磷含量的固相部分。研究表明，分离后液相部分田间施用因渗透性改善可减少NH₃排放。然而，固相部分的管理对环境的影响也必须考虑，因其通常在田间施用或进一步处理前进行堆垛储存。

生物炭通过生物质热解产生，若生产得当，主要由难降解碳组成，施用后可在土壤中持续存在数百年。对于气候减缓目的，利用低价值有机残余物如秸秆、木废料和厌氧消化生物质的富纤维固相部分尤具吸引力。将生物炭生产与现有农业废弃物处理相结合，为实现碳封存提供了途径。

将生物炭施用于农业土壤可实现长期碳储存，并可能根据土壤和生物炭特性提供额外的农艺效益。然而，以粉末形式施用生物炭可能导致田间撒布不均和粉尘问题。因此，与粪污共同施用是一种潜在策略，可在避免粉尘释放和限制田间运输的同时实现生物炭分布。若将生物炭混入分离后的固相部分，出于实际考虑通常会在储存前混入，因此其对排放的潜在影响应予研究。

固液分离后固相部分的堆垛或固体粪肥是NH₃和温室气体的来源，但排放取决于堆垛的组成和氧含量。已有研究表明，塑料覆盖可显著减少排放，尤其是通过限制气体交换来减少NH₃。CH₄排放源于厌氧区域，可能对表面干预不太敏感，尽管覆盖导致的氧气扩散减少也可抑制CH₄氧化。

生物炭与堆垛排放动态之间的预期相互作用是复杂的。堆肥研究表明，生物炭可增强通气、减少CH₄排放，并在某些情况下通过改变硝化和反硝化途径来影响N₂O动态。然而，文献中缺乏对含纤维材料堆垛排放的综合田间尺度研究，包括生物炭如何影响储存期间的气体通量。

本研究量化了添加和不添加生物炭的全尺寸厌氧消化浆料固相堆垛在储存期间CH₄、N₂O和NH₃的排放。采用后向拉格朗日随机（bLS）方法评估生物炭在覆盖和未覆盖条件下对储存期间排放的影响，并将排放模式与堆垛内的氧气可用性和温度发展相关联。研究人员假设，生物炭改良将增强堆垛内有效通气，从而减少储存期间的CH₄排放，同时不增加NH₃排放。

2. 材料与方法

2.1 堆垛与测量场地

本研究对两个含有厌氧消化生物质固液分离后固相部分的堆垛进行了排放测量。一个堆垛在实验开始时添加了10%（w/w，按鲜重计）生物炭，另一个堆垛作为未处理对照。该剂量是依据实际可行性选择的，可在不增加过多田间操作的条件下进行田间混入，且处于有机废弃物堆肥过程中减少温室气体和恶臭排放的5–10%（w/w）报告范围内。实验于2022年5月23日至8月16日在丹麦奥胡斯大学Viborg校区一块平坦开阔的草地田地上进行，矩形田地约2公顷，周围为相似田地。

厌氧消化浆料来自奥胡斯大学Viborg校区沼气厂，由猪粪和奶牛粪肥、深垫料、草甸草、草、草青贮、秸秆、谷物和玉米青贮的混合物生产。使用螺旋压榨机（SEPCOM model 260-3, Saveco, Tewkesbury, UK）分离消化浆料。分离后，92%的质量在液相中，8%在固相中，而总干物质的64%在液相中，36%在固相中。

添加的生物炭由Sk?nefr? AB（Tommarp, Sweden）生产的颗粒化种子壳制成，制造商报告含水量为43.2%。

向一个堆垛的固相部分添加生物炭的方法是：将固相部分铺展在混凝土表面上，在上面添加生物炭，然后用粪肥撒布机（Jeantil EVR 15-12）混合均匀。为避免两个堆垛之间的差异，未添加生物炭的固相部分也经过粪肥撒布机处理。

分离于5月19-20日进行，固相部分在混凝土表面上用塑料覆盖储存两天。5月23日，将生物炭混入固相部分，同日在数小时内将两个堆垛放置在田间。物料被堆成近似梯形的堆垛。两个堆垛在放置后不久均用塑料覆盖，添加和不添加生物炭的堆垛分别在前32天和42天内保持覆盖状态。覆盖时间的差异是为了在每个堆垛揭开前后对同一堆垛进行连续测量。在85天测量期的剩余时间内，两个堆垛均处于未覆盖状态。

2.2 排放测量与仪器

排放量化采用后向拉格朗日随机（bLS）模型，以半小时为间隔使用R软件包bLSmodelR（v4.10）测定排放。该模型假设水平平坦且均匀排放的表面。然而，当下风向测量距离至少为源高度的10倍时，该模型可用于测量抬升源的排放。在模型计算中，假设堆垛排放面积为平坦，使用堆垛轮廓的GPS坐标。

排放E = (c_downwind ? c_upwind) / CE_bLS，其中c_downwind和c_upwind分别为下风向和上风向测得的气体浓度，CE_bLS为浓度-排放比，是模型根据传感器位置为特定源确定的输出。模型中的湍流特征使用Monin-Obukhov相似理论参数化。模型输入包括源和传感器位置、风向、摩擦风速（u*）、大气稳定性、粗糙度长度和风分量标准差。每个半小时间隔内模拟500,000条后向轨迹，落在源区域内地面上的轨迹用于确定浓度-排放比。

需对数据进行过滤以排除不符合模型要求的大气条件。按照建议，应用以下过滤标准：摩擦风速（u*）< 0.05 m s^?1、奥布霍夫长度（|L|）< 2 m、粗糙度长度（z₀）> 0.1 m、顺风向标准差除以u*（σ_u/u*）> 4.5、横风向标准差除以u*（σ_v/u*）> 4.5或Kolmogorov常数（C₀）> 10。释放轨迹中少于10%落在源区域内的时段也被移除，以确保测得的浓度增加确实来自堆垛排放。基于过滤标准，无生物炭和添加生物炭堆垛分别选出了673和438个半小时时段。湍流特征使用超声风速计（WindMaster, Gill, Hampshire, UK）在2 m高度以16 Hz时间分辨率测量三个风分量来确定。源和进气口位置用GPS（Trimble R10, Sunnyvale, California, USA）测量。作物高度作为模型输入，每次移动采样线时记录。

对于NH₃、CH₄和N₂O浓度测量，使用两台光腔衰荡光谱仪（model G2509, Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA）分别测量上风向和下风向浓度。仪器在田间测量前直接进行互校准以确保无系统差异。每种气体的最小可检测浓度差确定为所有通过质量保证的30分钟时段内背景浓度平均标准差的三倍，得出NH₃为0.55 μg m^?3、CH₄为13.6 μg m^?3、N₂O为30.0 μg m^?3。上风向浓度从单点测量。下风向浓度使用封闭路径系统测量，配备12 m长加热保温采样线。采样线上有7个进气口，间距2 m，通过临界孔口确保各进气口流量相似。所有管道由聚偏氟乙烯（PVF）制成，孔口由聚醚醚酮（PEEK）制成。采样线根据预期风向在田间重新定位以尽可能捕获堆垛下风向羽流，约每周两次从一个堆垛移至另一个堆垛。

图1. 添加和不添加生物炭的两个堆垛的位置以黄色标记。采样线移动到由绿色线条标记的不同位置。图中横条表示30 m比例尺。

2.3 堆垛特征描述及温度和氧气监测

在实验开始和结束时采集堆垛的亚样品。在随机位置采集至少十个单独的抓取样品并混合，从该混合样品中采集亚样品。每个堆垛共采集三个样品。抓取样品在堆垛建造和移除时采集。所有样品冷冻储存直至分析总氨氮（TAN）、干物质（DM）含量和挥发性固体（VS）。堆垛物料质量在运输过程中用地磅测量。

表1. 堆垛特征，平均值±标准差（n=3）。TAN=总氨氮，DM=干物质，VS=挥发性固体。
无生物炭堆垛：开始DM 28.6±0.3%，VS 92.5±0.1%（占DM），TAN 2.15±0.03 g kg^?1，总量17,140 kg；结束DM 40.8±12.3%，VS 89.0±0.1%，TAN 1.27±0.37 g kg^?1。
生物炭堆垛^a：开始DM 31.4±0.3%，VS 83.0±0.1%，TAN 1.93±0.03 g kg^?1，总量17,800 kg；结束DM 50.2±17.6%，VS 85.4±2.3%，TAN 1.49±0.86 g kg^?1。
^a堆垛重量包括生物炭。

每个堆垛内部在三个垂直位置测量温度：地面上、中间（离地面1 m）和堆垛顶部塑料覆盖层正下方。连接数据记录器的热电偶每30分钟测量一次温度。堆垛高度在测量期间降低，顶部温度探头多次被推入堆垛以确保与固体粪肥良好接触。

堆垛中的氧气浓度剖面以三次重复测量，使用1 m长针式探头和氧气含量计（Riken Keiki GX-8000 harsh environment Oxygen Monitor），在0至75 cm深度范围内以5 cm间隔测量。氧气水平以体积百分比测量，分辨率为0.1%。在覆盖期间和移除两个堆垛塑料覆盖层后9天进行测量。

2.4 数据处理与统计分析

将两个堆垛在各储存阶段（覆盖、未覆盖）的排放通量取平均值以估算覆盖的影响。气候影响使用CH₄的100年全球变暖潜势（GWP100）为27.0来评估。

由于每种处理仅使用一个堆垛，无法进行正式统计比较，但使用目视检查数据。因此解释基于观察到的趋势和绝对差异。

3. 结果与讨论

3.1 氧气和温度动态及堆垛特性

氧气浓度于7月13日在两个堆垛均至少未覆盖九天后测量。添加生物炭堆垛在所有深度的氧气浓度均较高，各深度平均绝对差异为3.8±2.0%。在25–35 cm深度处，添加生物炭堆垛的氧气浓度是无生物炭堆垛的两倍以上。在60–65 cm深度处，两个堆垛的氧气均耗尽。覆盖期间，两个堆垛的氧气浓度均低于检测限，证实塑料覆盖下存在厌氧条件。在堆肥系统中，快速内部氧气消耗已有报道，通常归因于微生物呼吸加上压实物料中有限的气体扩散。本研究中未覆盖后5 cm深度处测得的18–20%氧气浓度与文献报道的堆垛近表面约20%的氧气浓度一致。此处与堆肥系统的比较存在差异，因非搅动粪肥堆垛与堆肥系统在机械通风、翻堆频率和微生物群落结构方面不同，直接定量比较因此受限。

堆垛内部温度平均比环境气温高>30°C。添加生物炭堆垛的温度普遍高于无生物炭堆垛。堆垛核心的温度发展显示了处理间的重要差异，添加生物炭堆垛表现出更快更显著的温度升高，表明微生物活性增强。这一解释得到添加生物炭堆垛中较高氧气浓度的支持。

在未覆盖堆垛中，有研究报道核心温度约四天后达到峰值，随后逐渐下降。本研究中两个堆垛均观察到类似模式，即在移除覆盖层后温度迅速上升，随后随时间逐渐下降。所观察到的升高核心温度范围是生物活性堆垛的特征，反映了强烈的好氧微生物降解。这与覆盖移除后温度升高一致，覆盖率移除恢复了氧气可用性，而此前覆盖期间氧气浓度低于检测限。

随着堆垛在储存期间逐渐坍塌，温度传感器被周期性地进一步推入物料以维持目标深度。这些调整导致记录温度的阶跃变化，反映的是传感器重定位而非堆垛内热状况的突变。堆垛的逐渐坍塌本身并未引起观察到的温度变化。其他堆垛和堆肥实验中也报道了相当的温度大小、时间动态和空间梯度。

物料在储存前后的特征见表1。复合样品重复之间的变异反映了从大型异质堆垛中采集代表性样品的高不确定性。这种变异性在储存结束时采集的样品中更高，添加生物炭堆垛在结束时观察到特别高的变异系数。在解释处理间TAN和DM差异时应考虑这种增加的变异性。在无生物炭堆垛中，DM从28.6±0.3%增加到40.8±12.3%，而TAN从2.15±0.03 g kg^?1降至1.27±0.3 g kg^?1。添加生物炭堆垛所用的固相部分TAN略低（1.93±0.03 g kg^?1）而DM略高（31.4±0.3%）。实验结束时，添加生物炭堆垛的TAN浓度为1.49±0.8 g kg^?1，DM为50.2±17.6%。VS比例在两个堆垛中均保持较高且几乎不变，添加生物炭的堆垛从83.0