研究简介:液态畜禽粪便储存过程中释放的温室气体，尤其是甲烷，对全球变暖有显著贡献。准确预测这些排放对于评估粪便管理策略的环境影响至关重要。然而现有模型在描述碳损失动态时，往往忽略了表面呼吸这一关键过程。表面呼吸可能通过消耗氧气显著影响碳损失和甲烷排放，尤其是在有氧条件下。因此本研究通过实验和模型相结合的方法，系统地研究了表面呼吸对猪粪降解和碳排放的影响。研究人员设计了三个主要实验：储存孵化实验、厌氧消化实验和氧气微剖面实验。在储存孵化实验中，猪粪在10°C和20°C下分别在有氧和厌氧条件下孵化283天，期间持续监测甲烷和二氧化碳的排放。厌氧消化实验则在38°C下进行，以评估表面呼吸对后续厌氧消化过程中生物气体潜力和有机物可降解性的影响。氧气微剖面实验通过测量不同猪粪表面附近的氧气消耗，验证了储存孵化实验中表面呼吸速率的测量结果，并评估了不同猪粪之间的变异性。研究人员主要对猪粪降解过程中的碳排放问题，旨在通过实验测量和模型模拟相结合的方法，深入探究猪粪在好氧和厌氧条件下的降解特性及其对甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排放的影响。研究的核心目标是量化表面呼吸速率，并评估其在农场规模上对碳损失和甲烷排放的贡献，以期提高现有温室气体排放模型的准确性和可靠性。本研究提高了对猪粪碳转化过程的理解，还为改进现有的农场规模温室气体排放模型提供了科学依据。通过明确考虑表面呼吸这一关键过程，可以更准确地评估粪便管理策略的环境影响，为减少温室气体排放提供支持。

Unisense微电极测定系统的应用

Unisense微电极被用于测量猪粪表面的氧气浓度梯度，以估算表面呼吸速率。使用Unisense的Clark型微电极，分别在2020年3月和2023年7月对五种不同的猪粪进行氧气微剖面测量。这些猪粪在不同的条件下储存和老化，以评估表面呼吸速率的变异性，并比较不同测量方法的结果。微电极的尖端分别为25微米和10微米，测量时以25微米或10微米的步长进行，每单位深度测量3秒。通过测量氧气在猪粪表面的浓度梯度，结合已知的气体扩散系数，利用Unisense微电极系统自动计算出氧气的扩散通量，即表面呼吸速率，从而能够在微米级空间分辨率下实时监测氧气浓度梯度，从而精确计算呼吸速率。

实验结果

在有氧条件下，猪粪的挥发性固体（VS）损失显著高于厌氧条件，且高温下损失更为明显。例如，在20°C有氧条件下，VS损失达到了39%，而在10°C有氧条件下为19%。甲烷排放量在20°C时比10°C时高出10倍以上，但与有氧或厌氧条件无关，表明碳源的可用性不是产甲烷微生物的限制因素。二氧化碳排放量在有氧条件下显著更高，表明大量碳通过表面呼吸转化为二氧化碳。表面呼吸速率在10°C和20°C时分别为18.1±3.5 g CO2 m−2 day−1和37.1±13.1 g CO2 m−2 day−1。表面呼吸显著减少了猪粪中的有机物含量，且这种影响是温度依赖的。甲烷排放未受表面呼吸影响，表明碳源的可用性不是产甲烷微生物的限制因素。表面呼吸速率与氧气消耗的微传感器测量结果一致。通过模拟，发现表面呼吸在典型猪舍和户外储存中的碳损失中占有显著比例，这强调了在温室气体排放模型中考虑表面呼吸的重要性。

图1、（1）用残留的猪粪浆和不同的顶空气体进行储存孵化实验，以诱导好氧或厌氧粪污表面;（2）厌氧消化实验，实验结束后接收贮藏孵化实验中残留的猪粪;（3）氧微观剖面实验，其中表面呼吸速率是根据粪污表面的氧气梯度估计的，以便与储存培养实验估计的表面呼吸速率进行比较。估计的地表呼吸速率在农场规模的模型中实施，该模型用于评估地表呼吸对农场规模OM（有机物）水平甲烷和二氧化碳排放的影响。

图2、（a）有机物在储存283天和随后在38°C下厌氧消化（AD）172天，作为原始初始质量的分数降解。温度和顶空交换气体是指储存实验期间的条件。（b）实验开始时和储存283天后以及随后在38°C下AD后猪粪浆中的挥发性脂肪酸浓度。条形和误差线表示均值±标准差（n=4）。VS，挥发性固体;CP，粗蛋白。

图3、（a）猪粪贮藏实验中CH4和CO2及其摩尔分数的排放率，以每瓶贮藏实验开始时的挥发性固体（VS）质量归一化。将粪便在10°C（红色）或20°C（蓝色）下与空气或N作为顶空交换气体一起孵育。（b）贮藏实验后厌氧消化阶段的CH排放率。在厌氧消化过程中，所有处理均在38°C下与顶空N一起孵育，颜色是指在储存实验期间之前孵育的温度（红色=20°C，蓝色=10°C）。数据以平均值±标准差（n=4）表示。

图4、在室温下孵育长达3天的不同猪粪中的氧含量分布。

图5、使用参数集v2.0的厌氧生物降解模型（ABM）模拟丹麦猪舍和室外粪便储存的CO2源和CH4排放。排放的中断或短期下降与从渠道（谷仓）和储罐（储存）中去除泥浆有关。

结论与展望

液体畜禽粪便储存产生的温室气体排放对全球变暖有很大影响。准确的农场规模模型对于预测这些排放和评估粪便管理策略至关重要，但它们依赖于描述碳损失动态的多个参数。表面呼吸可能会显著影响碳损失和甲烷排放，但当前模型并未明确包含，研究人员进行了实验来测量猪粪表面呼吸速率及其对有机物降解以及甲烷和二氧化碳排放的影响。粪便在10°C或20°C的好氧或厌氧条件下孵育283天，同时测量甲烷和二氧化碳排放量。然后在38°C下厌氧消化。表面呼吸降低了有机质含量，并且效果与温度有关。甲烷排放不受表面呼吸的影响，这表明底物的可用性对甲烷生成没有限速。在10°C时，表面呼吸速率为18.1±3.5 g CO mday）和37.1±13.1 g COmdayat 20°C（平均值±标准差），并且与不同粪便表面耗氧量的微传感器测量值一致。基于这些结果，将温度和表面积依赖性呼吸纳入现有的厌氧生物降解模型（ABM）中。模拟表明在典型的猪舍中，表面呼吸占碳损失的29%，在室外储存中占8%。为各种碳转化（例如表面呼吸）开发和改进算法对于评估甲烷排放的潜力和确定控制农场规模排放的变量至关重要。

Unisense微电极提供了高空间分辨率和高灵敏度的氧气浓度测量，能够在微米级别上检测猪粪表面的氧气梯度。这对于精确估算表面呼吸速率至关重要，因为表面呼吸是影响碳损失和甲烷排放的重要因素，由于采用了非侵入性特性允许在不破坏猪粪结构和生理活性的情况下进行测量。这确保了测量结果能够真实反映猪粪在自然状态下的呼吸活动。这对于理解猪粪在不同条件下的呼吸活动及其对环境变化的响应具有重要意义，提高了对猪粪碳转化过程的理解，还为改进现有的农场规模温室气体排放模型提供了科学依据。通过明确考虑表面呼吸这一关键过程，可以更准确地评估粪便管理策略的环境影响，为减少温室气体排放提供支持。此外研究数据和代码已在GitHub上公开，便于其他研究人员进行验证和进一步研究。