應用案例
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研究背景
據估算,歐盟的動物養(yǎng)殖行業(yè)每年產生糞便超過10億噸,其中約90%直接施用于土壤作為有機肥料,從而導致大量溫室氣體排放到大氣中,加劇氣候變化。農業(yè)排放量占全球排放量的比重分別為:CO2:13%、CH4:60%、N2O:60%。N2O和CH4尤其值得關注,因為它們的全球變暖潛能分別是CO2的273倍和27.9倍。
本文主要介紹利用等離子體處理豬糞液的創(chuàng)新有機肥料處理方法對土壤中N2O和CH4排放通量的影響,以評估其作為有機肥料的環(huán)境效益。
等離子體處理糞液是一種創(chuàng)新的技術,旨在減少有機糞肥施用過程中對環(huán)境的碳和氮損失:
1
等離子體誘導
使用電力將空氣離子化,形成氮氧化物氣體。這一步驟不直接在糞液中進行,而是在空氣中產生反應性氮氣。
2
與糞液結合
生成的氮氧化物氣體隨后與糞液中的游離氨(NH3)結合,形成非揮發(fā)性的硝酸銨,這有助于減少氨的排放。
3
pH降低
等離子體處理過程會降低糞液的pH值,這有助于減少氨的揮發(fā)損失,并且可抑制甲烷(CH4)的生成。
4
增加無機氮含量
等離子體處理增加了糞液中的無機氮含量,這意味著更多的無機氮在施用到土壤時可供植物立即吸收。
實驗設計與方法
在英國利茲大學研究農場進行隨機區(qū)組實驗,在農田中設立了九個小區(qū)(2×0.5米),并為每個小區(qū)安裝了GHG測量葉室,比較三種不同的肥料處理方式(每種處理方式重復3次):
(1)無機肥料(IF),
(2)豬糞液加無機肥料(PS);
(3)等離子體處理豬糞液加無機肥料(TPS)。
所有肥料處理均采用手工施用,旨在為每塊地提供總共220 kg可利用N/ha。使用水分和溫度傳感器每隔15分鐘測量每個地塊0.05米深度的土壤濕度和溫度,以計算水填孔隙空間(WFPS)。
圖1:自動葉室示意圖(非原圖)
葉室在施肥前一個月安裝,使土壤恢復到穩(wěn)定條件,結合Picarro G2508進行GHG通量的測量。
溫室氣體測樣與數據處理
在2022年3月20日至2022年6月13日期間,每120分鐘,使用Picarro G2508溫室氣體分析儀從每個葉室測量一次N2O, CH4和CO2的濃度,在83天內產生9288個離散采樣點。Picarro G2508分析儀使用光腔衰蕩光譜(CRDS)技術,可精準地測量溫室氣體濃度:N2O的測量范圍為0-400ppm(確保精度范圍0.3-200ppm), CH4的測量范圍為0-15ppm(確保精度范圍1.5-12ppm), CO2的測量范圍為0-20000ppm(確保精度范圍380-5000ppm), NH3的測量范圍為0-2ppm(確保精度范圍0-300ppb)。定制的復路系統(tǒng)可實現每個葉室每7-10分鐘依次輪流采樣監(jiān)測。測量數據被用來計算每種溫室氣體的通量,這些數據對于理解不同肥料處理對N2O和CH4排放的影響至關重要。
數據處理通過定制數據處理軟件包括線性擬合、異常值剔除、數據插值等步驟,以確保數據的準確性和完整性。
通過將測量的各溫室氣體通量轉換為CO2當量,并計算每種肥料處理的累積CO2當量排放,來評估不同肥料對GHG排放的貢獻。
實驗結果
表1:每種肥料處理(IF無機肥料、PS豬糞液、TPS處理豬糞液)的平均日通量和平均累積通量,以及83天測量期間的平均GHI±標準差(SD)。
圖2:展示了不同肥料處理的2小時N2O和CH4通量(IF無機肥料、PS豬漿、TPS處理的豬漿)。每個數據點表示每次處理使用的三個葉室的平均值,垂直虛線表示肥料的分次施用。
圖3:展示了每次肥料處理(IF無機肥料、PS豬漿、TPS處理豬漿)的前7天, NO2(圖A–D)和CH4(圖E–H)的2小時通量。
圖4:在測量期間,每個冬小麥生長階段的每個肥料處理(IF無機肥料,PS豬漿,TPS處理的豬漿)平均2小時混合N2O。
圖5:在測量期間,每個冬小麥生長階段的每個肥料處理(IF無機肥料,PS豬漿,TPS處理的豬漿)平均2小時混合CH4。
表2:播種密度、總生物量和作物產量、收獲指數、全株和全株谷物C和N含量、全株和全株谷物中總C和N的去除量、作物總氮在籽粒中的比例、籽粒蛋白質含量、總生物量氮利用效率(NUEtotal)和籽粒產量(NUEgrain),以及各處理(IF無機肥、PS豬漿、TPS處理豬漿)N以N2O-N形式損失的比例±標準差(SD)
實驗結果表明
TPS處理的N2O累積排放量最高,PS次之,IF最低。
PS處理的CH4累積排放量最高,而IF和TPS的CH4排放量較低,且兩者之間沒有顯著差異。
TPS的溫室氣體強度(GHGI)是PS的兩倍多,是IF的六倍左右。
結論
經過等離子體處理的豬糞液肥料可以減少豬糞液中的氨(NH3)排放,同時顯著減少了土壤中的甲烷(CH4)排放,但卻增加了氧化亞氮(N2O)的排放。這導致等離子體處理的豬糞液在CO2當量排放上比未處理的豬糞液更高。目前等離子體處理的豬糞液并不是一個合適的土壤改良劑。
不同肥料處理方式(包括無機肥料、豬糞液和等離子體處理的豬糞液)對冬小麥的產量沒有顯著影響,表明作物產量與肥料類型無關。但使用有機肥料(即經過處理和未經處理的豬漿)比使用無機肥料產生更高的溫室氣體排放。因此,建議將研究結果納入生命周期分析,以確定在考慮到相關的下游溫室氣體排放時,使用有機肥料是否仍然多于排放無機肥料。
未來研究方向建議應該集中在如何減少等離子體處理豬糞液的N2O排放上,包括進行地塊試驗以評估肥料用量、時間和放置方式對排放的影響。
相關儀器
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