粪饼形状与质量在粪甲虫存在下对温室气体排放影响的解析

《Science of The Total Environment》：Disentangling the effects of dung pat shape and mass on greenhouse gas emissions in the presence of dung beetles

　　

摘要：粪甲虫（鞘翅目：金龟总科，Coleoptera: Scarabaeoidea）能够通过改变粪便分解过程影响牧场系统中的温室气体排放（greenhouse gas emissions, GHG）。然而，粪甲虫存在对粪便温室气体排放的影响幅度和方向在不同研究中并不一致，这可能是由于实验操作的差异所致。为了更好地理解粪甲虫的减排潜力，本研究旨在评估粪饼形状、质量与粪甲虫存在之间的交互作用如何影响粪便温室气体排放。本研究开展了一项实验室实验，评估角蜣螂（*Onthophagus nuchicornis*）存在、粪饼形状和粪饼质量对奶牛粪便温室气体排放的影响，实验为期21天。结果表明，粪饼质量能够显著影响粪甲虫存在对粪便CO₂排放的作用效果。在含有100 g粪饼的中宇宙实验系统中，粪甲虫的存在使CO₂排放增加了29%，而在含有400 g粪饼的中宇宙系统中，其存在使排放增加了64%。此外，粪饼形状与质量之间的交互作用，以及粪饼形状与粪甲虫存在之间的交互作用，均显著影响了CH₄排放。将100 g粪饼压平可使CH₄排放减少44%，而将400 g粪饼压平则使CH₄排放减少13%。在压平粪饼中，粪甲虫的存在使CH₄排放减少了72%，而在未压平粪饼中，其存在仅使CH₄排放减少了8%。这些发现揭示了在研究粪甲虫活动与粪饼温室气体排放关系时，方法学选择的重要性。

**论文解读：粪饼形状与质量对粪甲虫介导的温室气体排放的影响**

**一、研究背景与意义**

全球畜牧业生产贡献了人为温室气体（GHG）排放总量的14.5%–16.5%，主要来源于饲料生产和肠道发酵。然而，粪便的沉积与储存同样是重要的排放源，约占总排放量的10%。牧场中粪饼的分解过程受到多种非生物和生物因素的影响，包括温度、水分以及粪甲虫的存在。粪甲虫作为粪食性昆虫，在牧场生态系统中对粪饼分解发挥着重要作用。其穴居活动能够使粪饼通气，从而影响好氧呼吸过程和温室气体排放。已有研究表明，将野外测量与生命周期分析相结合，粪甲虫活动在粪饼和牧场两个尺度上分别可使温室气体排放减少7%和12%。

然而，尽管已有研究发现粪甲虫的存在能够影响粪便温室气体排放，但不同研究在效应方向和幅度上存在显著差异。少数研究发现粪甲虫能显著降低CH₄排放，但减排幅度在不同研究中变化很大；另一些研究则发现粪甲虫的存在反而增加了CH₄排放。对于CO₂和N₂O排放的影响同样存在不一致的结果。这些跨研究差异的原因尚未得到很好的解释，凸显了评估实验操作对实测甲虫介导排放影响效应的必要性。

已有研究在实验持续时间、甲虫物种组成、实验地点和粪饼质量等方面存在差异，这些因素都可能影响测得的排放值。例如，沉积后时间可解释CH₄通量变化的60%以上。已有假设认为，较大的粪饼质量可通过增加可利用碳底物和促进粪饼水分保持来刺激CO₂和CH₄的产生。尽管此前有研究发现粪饼质量对温室气体排放无显著影响，但粪饼质量与粪甲虫存在对粪便排放的联合效应仍未被探索。因此，本研究旨在评估粪饼形状（通过压平操作改变）与质量在粪甲虫存在与否的情况下对单位质量粪便温室气体排放的影响。研究人员假设：粪饼质量的增加将增强粪甲虫对温室气体排放的效应，因为这会增加可利用碳底物和粪饼水分保持，从而刺激CO₂和CH₄的产生；而在质量一致的情况下，通过压平操作改变粪饼形状将因加速表层结壳形成而创造不利于CH₄排放的条件，从而减弱粪甲虫对排放的预期影响。该研究发表在《Science of The Total Environment》。

**二、主要关键技术方法**

本研究采用2×2×2随机因子设计，包含粪饼形状（压平vs未压平）、粪饼质量（100 g vs 400 g）和粪甲虫存在与否三个预测变量及其交互作用。新鲜粪便采集自达尔豪斯大学农业校区反刍动物中心的五头奶牛，实验用角蜣螂于2024年7月22日采集自Arbour Ridge Farm。实验设置了八种处理组合，每种处理五次重复，共计40个中宇宙系统（其中一个因实验误差剔除，最终N=39）。中宇宙系统由装有粗硅砂的7.5 L塑料容器构成。温室气体（CO₂、CH₄和N₂O）浓度通过配备电子捕获检测器（ECD）、火焰离子化检测器（FID）和热导检测器（TCD）的Bruker SCION SQ 450气相色谱仪测定。气体通量通过线性回归计算，并以每克粪便干重为基准进行归一化。累积通量采用曲线下面积法计算，统计推断使用III型方差分析（ANOVA）和估计边际均值及配对比较。

**三、研究结果**

**3.1 二氧化碳（CO₂）排放**

三项交互作用（粪饼质量、形状和粪甲虫存在）对累积CO₂排放无显著影响。粪甲虫存在与粪饼质量的交互作用显著影响CO₂排放。在含有100 g粪饼的中宇宙系统中，粪甲虫的存在使平均CO₂排放增加了29%；而在含有400 g粪饼的中宇宙系统中，其存在使CO₂排放增加了64%，表明较大粪饼质量增强了粪甲虫存在对CO₂排放的促进作用。

**3.2 甲烷（CH₄）排放**

三项交互作用对CH₄排放无显著影响，粪甲虫存在与粪饼质量的交互作用也不显著。然而，粪饼形状与粪饼质量的交互作用以及粪饼形状与粪甲虫存在的交互作用均显著影响CH₄排放。将100 g粪饼压平使CH₄排放减少了44%，而压平400 g粪饼仅减少了13%。在压平粪饼中，粪甲虫的存在使CH₄排放减少了72%，而在未压平粪饼中仅减少了8%。

**3.3 氧化亚氮（N₂O）排放**

所有交互作用项对N₂O排放均无显著影响，表明粪饼质量、形状和粪甲虫存在及其交互作用在本研究条件下均未显著改变N₂O排放。

**四、讨论与结论**

研究发现，粪甲虫存在对CO₂排放的促进效应在较大粪饼中更为显著，这可能与较大粪饼中更好的水分保持能力有关。较高的水分保持能力不仅能维持微生物代谢活动，还能增强粪甲虫所开凿大孔隙对气体传输的促进效果。这一发现对评估牧场和生命周期层面的排放具有重要意义，因为在真实牧场条件下，牛的粪饼体积通常大于实验室常用的体积，预计粪甲虫的存在会在实际生态系统中产生更强的CO₂排放增加效应。

对于CH₄排放，压平粪饼通过增加表面积与体积比（SA/V）促进了粪饼表面结壳的形成和水分损失，减少了厌氧微环境的数量，从而抑制了产甲烷菌的活性。在较小质量的压平粪饼中，由于更高的SA/V比，CH₄排放减少更为明显。此外，粪甲虫的穴居活动增强了粪饼内的氧气供应，在压平粪饼中与较高的SA/V比协同作用，大幅促进了CH₄氧化过程，从而显著降低了CH₄排放。

结论：本研究结果表明，实验操作（如粪饼质量和形状）能够影响温室气体排放，从而改变粪甲虫存在对观测排放的影响效应。这些发现强调了在评估粪甲虫存在对粪便排放影响及评估生物体对生命周期评价排放情景重要性时，标准化和报告实验操作的重要性。研究结果还强调了使用较大量牛粪的重要性，以使研究结果更准确地反映真实条件。此外，已发表文献中应包含更详细的粪饼形状报告，以促进粪甲虫存在对粪便排放影响的跨研究比较。