應用案例

Picarro G2508 在不同有機肥料處理技術對溫室氣體排放影響研究中的應用

發(fā)表時間：2024-08-09

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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：

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。

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。

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。

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。

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