Pig manure degradation and carbon emission: Measuring and modeling combined aerobic-anaerobic transformations  

猪粪降解与碳排放：好氧-厌氧联合转化的测量与建模  

来源：Journal of Environmental Quality, 53, 589–603 (2024)  

《环境质量杂志》第53卷，第589–603页（2024年）  

 

摘要内容

 

摘要指出：液态畜禽粪便储存产生的温室气体（尤其是甲烷）是全球变暖的重要来源。现有农场尺度模型在预测排放和评估管理策略时依赖碳损失动态参数，但未明确纳入表面呼吸作用（好氧过程）。本研究通过实验量化了猪粪表面呼吸速率及其对有机质降解和甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）排放的影响，并基于结果改进了厌氧生物降解模型（ABM）。  

 

研究目的

量化表面呼吸作用：测量猪粪表面呼吸速率及其温度依赖性。  

 

评估表面呼吸对碳损失的影响：探究其对有机质降解、CH₄和CO₂排放的作用。  

 

改进预测模型：将表面呼吸纳入ABM模型，评估其在农场尺度碳排放中的贡献。  

 

研究思路

实验设计：  

 

储存实验：猪粪在10°C或20°C下，分别暴露于好氧（空气）或厌氧（N₂）环境283天，监测CH₄和CO₂排放。  

 

厌氧消化实验：储存后的粪便于38°C进行厌氧消化，评估剩余产甲烷潜力。  

 

氧气微剖面实验：使用Unisense微电极测量不同猪粪表面的O₂消耗梯度，验证表面呼吸速率。  

模型开发：将表面呼吸算法整合至ABM模型，模拟典型猪舍和户外储存的碳损失动态。  

 

测量数据及其研究意义

表面呼吸速率（来自储存实验，图3a和正文数据）：  

 

 

10°C时为18.1 ± 3.5 g CO₂ m⁻² day⁻¹，20°C时为37.1 ± 13.1 g CO₂ m⁻² day⁻¹。  

 

意义：证实表面呼吸是碳损失的关键途径，且温度敏感性显著。  

气体排放与有机质降解（表1、图2a、图3）：  

 

 

 

好氧条件下CO₂排放显著高于厌氧条件（20°C+空气：226 g C kg VS⁻¹ vs. 20°C+N₂：66.4 g C kg VS⁻¹）。  

 

CH₄排放不受表面呼吸影响（20°C下空气与N₂处理无差异），表明碳源非产甲烷限制因素。  

 

好氧条件加速有机质降解（20°C+空气的挥发性固体损失率39% vs. 20°C+N₂的24%）。  

 

意义：揭示表面呼吸通过消耗有机质增加CO₂排放，但不抑制CH₄产生，为模型参数化提供依据。  

氧气微剖面数据（图4、表2）：  

 

 

 

使用丹麦Unisense微电极测量5类猪粪的溶解氧梯度，拟合O₂消耗动力学参数（rₘₐₓ和Kₒ₂）。  

 

测得CO₂通量平均28.3 ± 15.7 g m⁻² day⁻¹（室温），与储存实验结果一致。  

 

意义：独立验证表面呼吸速率的可靠性，揭示不同猪粪的呼吸活性差异（如Pig 3呼吸速率最高）。  

模型模拟结果（图5）：  

 

 

表面呼吸贡献猪舍29%和户外储存8%的碳损失。  

 

意义：量化表面呼吸在农场尺度的实际影响，强调其在排放模型中的必要性。  

 

Unisense电极测量数据的研究意义

 

使用丹麦Unisense微电极获取的氧气微剖面数据具有以下核心意义：  

方法验证：通过直接测量O₂在粪-气界面的扩散-消耗梯度，独立验证了储存实验中基于CO₂差值法得出的表面呼吸速率（37.1 g CO₂ m⁻² day⁻¹），证实两种方法结果无统计学差异（p=0.71），增强了结论的可信度。  

 

动力学参数化：拟合获得O₂消耗的Michaelis-Menten参数（如平均Kₒ₂=0.0042 μmol cm⁻³），为ABM模型中表面呼吸的算法（如O₂传质系数klo₂的温度依赖性）提供关键输入，使模型能更精准预测不同温度下的碳损失。  

 

揭示变异性：不同猪粪的呼吸速率差异显著（如Pig 3的CO₂通量51.2 g m⁻² day⁻¹ vs. Pig 1的13.7 g m⁻² day⁻¹），反映了粪便组成（如干物质含量、微生物群落）对表面呼吸的影响，指导模型需考虑粪便异质性。  

 

机制阐释：O₂渗透深度仅50–100 μm（图4），表明好氧活动高度集中于表层，解释了为何表面呼吸虽加速碳损失却不深层影响厌氧产甲烷过程。  

 

结论

表面呼吸显著增加CO₂排放和有机质降解（温度升高加剧此效应），但不减少CH₄产量，说明产甲烷过程不受碳源限制。  

 

基于实验数据改进的ABM模型表明：表面呼吸贡献猪舍29%和户外储存8%的碳损失，是农场尺度碳排放预测不可忽略的组分。  

 

整合表面呼吸等碳转化过程对准确评估粪便管理策略（如覆盖储存、温度控制）的减排潜力至关重要。