研究簡(jiǎn)介:液態(tài)畜禽糞便儲(chǔ)存過程中釋放的溫室氣體，尤其是甲烷，對(duì)全球變暖有顯著貢獻(xiàn)。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些排放對(duì)于評(píng)估糞便管理策略的環(huán)境影響至關(guān)重要。然而現(xiàn)有模型在描述碳損失動(dòng)態(tài)時(shí)，往往忽略了表面呼吸這一關(guān)鍵過程。表面呼吸可能通過消耗氧氣顯著影響碳損失和甲烷排放，尤其是在有氧條件下。因此本研究通過實(shí)驗(yàn)和模型相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了表面呼吸對(duì)豬糞降解和碳排放的影響。研究人員設(shè)計(jì)了三個(gè)主要實(shí)驗(yàn)：儲(chǔ)存孵化實(shí)驗(yàn)、厭氧消化實(shí)驗(yàn)和氧氣微剖面實(shí)驗(yàn)。在儲(chǔ)存孵化實(shí)驗(yàn)中，豬糞在10°C和20°C下分別在有氧和厭氧條件下孵化283天，期間持續(xù)監(jiān)測(cè)甲烷和二氧化碳的排放。厭氧消化實(shí)驗(yàn)則在38°C下進(jìn)行，以評(píng)估表面呼吸對(duì)后續(xù)厭氧消化過程中生物氣體潛力和有機(jī)物可降解性的影響。氧氣微剖面實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量不同豬糞表面附近的氧氣消耗，驗(yàn)證了儲(chǔ)存孵化實(shí)驗(yàn)中表面呼吸速率的測(cè)量結(jié)果，并評(píng)估了不同豬糞之間的變異性。研究人員主要對(duì)豬糞降解過程中的碳排放問題，旨在通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模型模擬相結(jié)合的方法，深入探究豬糞在好氧和厭氧條件下的降解特性及其對(duì)甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排放的影響。研究的核心目標(biāo)是量化表面呼吸速率，并評(píng)估其在農(nóng)場(chǎng)規(guī)模上對(duì)碳損失和甲烷排放的貢獻(xiàn)，以期提高現(xiàn)有溫室氣體排放模型的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究提高了對(duì)豬糞碳轉(zhuǎn)化過程的理解，還為改進(jìn)現(xiàn)有的農(nóng)場(chǎng)規(guī)模溫室氣體排放模型提供了科學(xué)依據(jù)。通過明確考慮表面呼吸這一關(guān)鍵過程，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估糞便管理策略的環(huán)境影響，為減少溫室氣體排放提供支持。

Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用于測(cè)量豬糞表面的氧氣濃度梯度，以估算表面呼吸速率。使用Unisense的Clark型微電極，分別在2020年3月和2023年7月對(duì)五種不同的豬糞進(jìn)行氧氣微剖面測(cè)量。這些豬糞在不同的條件下儲(chǔ)存和老化，以評(píng)估表面呼吸速率的變異性，并比較不同測(cè)量方法的結(jié)果。微電極的尖端分別為25微米和10微米，測(cè)量時(shí)以25微米或10微米的步長進(jìn)行，每單位深度測(cè)量3秒。通過測(cè)量氧氣在豬糞表面的濃度梯度，結(jié)合已知的氣體擴(kuò)散系數(shù)，利用Unisense微電極系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出氧氣的擴(kuò)散通量，即表面呼吸速率，從而能夠在微米級(jí)空間分辨率下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧氣濃度梯度，從而精確計(jì)算呼吸速率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在有氧條件下，豬糞的揮發(fā)性固體（VS）損失顯著高于厭氧條件，且高溫下?lián)p失更為明顯。例如，在20°C有氧條件下，VS損失達(dá)到了39%，而在10°C有氧條件下為19%。甲烷排放量在20°C時(shí)比10°C時(shí)高出10倍以上，但與有氧或厭氧條件無關(guān)，表明碳源的可用性不是產(chǎn)甲烷微生物的限制因素。二氧化碳排放量在有氧條件下顯著更高，表明大量碳通過表面呼吸轉(zhuǎn)化為二氧化碳。表面呼吸速率在10°C和20°C時(shí)分別為18.1±3.5 g CO2 m?2 day?1和37.1±13.1 g CO2 m?2 day?1。表面呼吸顯著減少了豬糞中的有機(jī)物含量，且這種影響是溫度依賴的。甲烷排放未受表面呼吸影響，表明碳源的可用性不是產(chǎn)甲烷微生物的限制因素。表面呼吸速率與氧氣消耗的微傳感器測(cè)量結(jié)果一致。通過模擬，發(fā)現(xiàn)表面呼吸在典型豬舍和戶外儲(chǔ)存中的碳損失中占有顯著比例，這強(qiáng)調(diào)了在溫室氣體排放模型中考慮表面呼吸的重要性。

圖1、（1）用殘留的豬糞漿和不同的頂空氣體進(jìn)行儲(chǔ)存孵化實(shí)驗(yàn)，以誘導(dǎo)好氧或厭氧糞污表面;（2）厭氧消化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后接收貯藏孵化實(shí)驗(yàn)中殘留的豬糞;（3）氧微觀剖面實(shí)驗(yàn)，其中表面呼吸速率是根據(jù)糞污表面的氧氣梯度估計(jì)的，以便與儲(chǔ)存培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)估計(jì)的表面呼吸速率進(jìn)行比較。估計(jì)的地表呼吸速率在農(nóng)場(chǎng)規(guī)模的模型中實(shí)施，該模型用于評(píng)估地表呼吸對(duì)農(nóng)場(chǎng)規(guī)模OM（有機(jī)物）水平甲烷和二氧化碳排放的影響。

圖2、（a）有機(jī)物在儲(chǔ)存283天和隨后在38°C下厭氧消化（AD）172天，作為原始初始質(zhì)量的分?jǐn)?shù)降解。溫度和頂空交換氣體是指儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)期間的條件。（b）實(shí)驗(yàn)開始時(shí)和儲(chǔ)存283天后以及隨后在38°C下AD后豬糞漿中的揮發(fā)性脂肪酸濃度。條形和誤差線表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=4）。VS，揮發(fā)性固體;CP，粗蛋白。

圖3、（a）豬糞貯藏實(shí)驗(yàn)中CH4和CO2及其摩爾分?jǐn)?shù)的排放率，以每瓶貯藏實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的揮發(fā)性固體（VS）質(zhì)量歸一化。將糞便在10°C（紅色）或20°C（藍(lán)色）下與空氣或N作為頂空交換氣體一起孵育。（b）貯藏實(shí)驗(yàn)后厭氧消化階段的CH排放率。在厭氧消化過程中，所有處理均在38°C下與頂空N一起孵育，顏色是指在儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)期間之前孵育的溫度（紅色=20°C，藍(lán)色=10°C）。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=4）表示。

圖4、在室溫下孵育長達(dá)3天的不同豬糞中的氧含量分布。

圖5、使用參數(shù)集v2.0的厭氧生物降解模型（ABM）模擬丹麥豬舍和室外糞便儲(chǔ)存的CO2源和CH4排放。排放的中斷或短期下降與從渠道（谷倉）和儲(chǔ)罐（儲(chǔ)存）中去除泥漿有關(guān)。

結(jié)論與展望

液體畜禽糞便儲(chǔ)存產(chǎn)生的溫室氣體排放對(duì)全球變暖有很大影響。準(zhǔn)確的農(nóng)場(chǎng)規(guī)模模型對(duì)于預(yù)測(cè)這些排放和評(píng)估糞便管理策略至關(guān)重要，但它們依賴于描述碳損失動(dòng)態(tài)的多個(gè)參數(shù)。表面呼吸可能會(huì)顯著影響碳損失和甲烷排放，但當(dāng)前模型并未明確包含，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來測(cè)量豬糞表面呼吸速率及其對(duì)有機(jī)物降解以及甲烷和二氧化碳排放的影響。糞便在10°C或20°C的好氧或厭氧條件下孵育283天，同時(shí)測(cè)量甲烷和二氧化碳排放量。然后在38°C下厭氧消化。表面呼吸降低了有機(jī)質(zhì)含量，并且效果與溫度有關(guān)。甲烷排放不受表面呼吸的影響，這表明底物的可用性對(duì)甲烷生成沒有限速。在10°C時(shí)，表面呼吸速率為18.1±3.5 g CO mday）和37.1±13.1 g COmdayat 20°C（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），并且與不同糞便表面耗氧量的微傳感器測(cè)量值一致?；谶@些結(jié)果，將溫度和表面積依賴性呼吸納入現(xiàn)有的厭氧生物降解模型（ABM）中。模擬表明在典型的豬舍中，表面呼吸占碳損失的29%，在室外儲(chǔ)存中占8%。為各種碳轉(zhuǎn)化（例如表面呼吸）開發(fā)和改進(jìn)算法對(duì)于評(píng)估甲烷排放的潛力和確定控制農(nóng)場(chǎng)規(guī)模排放的變量至關(guān)重要。

Unisense微電極提供了高空間分辨率和高靈敏度的氧氣濃度測(cè)量，能夠在微米級(jí)別上檢測(cè)豬糞表面的氧氣梯度。這對(duì)于精確估算表面呼吸速率至關(guān)重要，因?yàn)楸砻婧粑怯绊懱紦p失和甲烷排放的重要因素，由于采用了非侵入性特性允許在不破壞豬糞結(jié)構(gòu)和生理活性的情況下進(jìn)行測(cè)量。這確保了測(cè)量結(jié)果能夠真實(shí)反映豬糞在自然狀態(tài)下的呼吸活動(dòng)。這對(duì)于理解豬糞在不同條件下的呼吸活動(dòng)及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)具有重要意義，提高了對(duì)豬糞碳轉(zhuǎn)化過程的理解，還為改進(jìn)現(xiàn)有的農(nóng)場(chǎng)規(guī)模溫室氣體排放模型提供了科學(xué)依據(jù)。通過明確考慮表面呼吸這一關(guān)鍵過程，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估糞便管理策略的環(huán)境影響，為減少溫室氣體排放提供支持。此外研究數(shù)據(jù)和代碼已在GitHub上公開，便于其他研究人員進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步研究。