【毕业学位论文】（Word原稿）规模化猪场贮粪池甲烷排放通量研究农业废弃物资源化利用硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 规模化猪场贮粪池甲烷排放通量研究 I 摘 要 畜禽粪便的甲烷排放是温室气体的一个重要来源， 为了探讨中国特有的饲养管理方式 以及气候条件 下规模化猪场贮粪池的甲烷排放规律，并进一步估算其排放潜力，为温室气体减排提供部分基础数据 , 本研究在 北京市北部的昌平区小汤山镇百川泉养猪场选择了一个贮粪池作为试验基地，利用静态箱 气 相 色谱 法 对贮粪池甲烷的排放进行了长达十个月的连续监测（ 2006 年 4 月至2007 年 2 月）。通过数据采集和分析，对贮粪池的甲烷排放通量的变化规律进行了初步的研究，在此期间还对一系列可能影响甲烷排放通量的环境因子进行了监测，并研究了各个因子对对甲烷排放的影响。试验研究的主要结论如下 ： 1. 通过数据分析，可以看出贮粪池甲烷排放通量有着明显的季节变化规律。整体而言，而夏、秋两季是排放通量最大的季节，春季次之，而冬季是排放通量最小的季节。但是夏季也并非自始至终的高排放通量，本次试验中， 6 月底时出现甲烷排放通量 曾 出现一个明显的回落 ，主要就是因为那段时期北京地区雨水较多，外界温度较低，导致甲烷排放量降低。所以排放通量季节变化的根本原因可能受到外界气温的影响。 2. 贮粪池甲烷排放通量还呈现出明显的日变化规律。表现之一是排放通量基本上白天均大于夜间，每个季节的日变化均是如此 ，夏秋更为明显，而冬季白天的排放只是略高于晚上 ；日变化的另一表现是全天的通量变化和温度的变化呈现出一致性，这在夏秋两季表现得尤为明显，夏秋两季一天中最大排放通量一般出现在下午 2 点以后，最小排放通量则通常出现在凌晨 1 点左右，甲烷排放通量一天中的变化趋势和全天温度的变化趋势有一 定的相关性，而且在大部分时间段中有排放通量滞后温度的情况。 3. 可能影响甲烷排放通量的环境因子主要有：温度、风速、贮粪池 、畜禽粪便的 及粪水的 。 经过试验数据分析发现，相对于其他 因子，温度和风速与甲烷排放通量相关性显著，是影响排放的主要因素 ， 而其它环境因子与甲烷排放通量的相关性不显著。 而温度、风速对排放的影响在不同的时期也是不一样的，方差分析后发现，在大部分情况下温度是影响排放的最关键因素。外界温度低 于 28 度时，甲烷的日排放通量和 风速 间相关性不显著；当外界温度高于 28 度时，两者间相关性到达到 极显著水平。 4. 通过估算，本试验点的甲烷排放通量在 42had 左右，而国外多年的试验表明，规模化猪场的甲烷排放通量大约在 55 65had 范围内。造成这种差异有多种原因，主要原因可能是饲料构成的差异，最终反映到蓄禽粪便 差异。在已经进行的试验中，对未粪便 做深入分析，在后续试验中将进一步探索。 我国的规模化型养殖场的甲烷排放通量徧低，但是折合成年排放总量 却 是一个很大的数值。以本次试验的养殖场的贮粪池为例，折合成年甲烷排放总量为 1500 吨 。 由于我国的生猪养殖 量 占全世界的 近一半， 甲烷排放 累计起来将是一个巨大的数字，所以我国养殖 业 甲烷减排空间巨大。 关键词 ： 规模化 猪场 ， 贮粪池 ， 甲烷排放通量 ， 影响因子 ， 变化规律 ， 年排放估算 he of of to In to H4 on to of in to to H4 in of 0 GC By H4 at H4 as 1. H4 on in of H4 in in in in H4 00mgh -1 in H4 in is 00mgh H4 is in 2. At H4 : : of H4 of in of of 3. H4 pH of VS of of on H4 is is in is in of of in H4 on in as 4. H4 in 2d， is S of so be in in to of 录 第一章 绪 论 1 室气体现状以及影响 . 1 引言 . 1 温室气体浓度变化带来的影响 . 1 室气体组成以及主要来源分析 . 2 温室气体组成 . 2 农业生产中的温室气体的排放 . 3 畜禽养殖中的温室气体排放 . 4 便甲烷排放的国内外研究现状 . 4 引言 . 4 畜禽粪便甲烷排放机理 . 5 国外有关养殖场贮粪池甲烷排放影响因素的研究 . 5 国外已有的推断和评估排放的方法 . 10 国内相关领域的研究现状 . 13 究目的和内容 . 13 课题研究目的 . 13 课题研究内容 . 14 体研究思路 . 15 第二章 试验选址、装置与试验方案 16 验选址 . 16 验地点选择 . 16 验地点自然概况 . 16 验用贮粪池简介 . 17 验 装置设计 . 18 甲烷排放测量装置的设计 . 18 环境因素测量装置 . 20 其他仪器设备 . 21 验方案 . 21 贮粪池中静态箱布局 . 21 甲烷排放通量监测方案 . 22 主要环境因素监测方案 . 23 现场其他检测指标 . 23 试验方案小结 . 23 验装置的安装调试 . 25 三章 贮粪池甲烷排放通量前期监测 27 验运行 . 27 养殖场粪便管理状况 . 27 样品的采集 . 27 样品的检测和分析 . 28 甲烷通量的计算 . 28 实验数据汇总 . 28 同采样点试验结果与分析 . 31 不同采样点排放通量平均值 . 31 排放通量平均值差异显著性分析（ t 检验） . 32 结 . 33 第四章 试验结果讨论与分析 . 34 粪池甲烷排放通量季节变化 . 34 数据统计与趋势图 . 34 数据分析 . 34 粪池甲烷排放通量日变化 . 35 据统计与分析 . 35 结 . 38 粪池甲烷排放通量与环境因素的关系 . 39 要的环境因素 . 39 他环境因素 . 41 境因素的方差分析 . 42 结 . 44 第五章 结论与进一步工作设想 45 要结论 . 45 足和建议 . 45 验中存在的不足 . 45 一步的工作设想 . 45 参考文献 47 致 谢 52 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 室气体现状以及影响 引言 进入本世纪以来，全球气候明显变暖 ,研究表明气温增高速率平均为 （ 990）。气候变化古已有之，但是目前的变化速度却是前所未有的，考虑到全新世中期温暖阶段以后的 5000 多年时间里地球平均温度的变化幅度也只不过 2 3 ，本世纪的气候变化的急剧性更为明显。 1988 年第 43 届联合国大会首次将气候变化和环境破坏 列为主要议题之一。随后的 1989 年，联合国环境规划署在海牙召开会议，决定将 全球气候变化成因研究 的作为其的核心任务。由此可见全球气候的变暖已引起人类社会的特别关注。 大量科学研究表明，大气中温室气体浓度的增加是导致全球变暖的 直接原因。从 20 世纪 50年代以来，关于温室气体浓度变化所引起的全球气候变化问题开始得到了普遍关注。多数大气环流模型（ 算表明，当大气中的 量增加一倍时，全球平均气温将升高 2 4 。而实际中大量的科学观测事实也有力的证明了此结论，观测数据表明：由于人类活动的影响，大气中许 多能导致温室效应的气体浓度已发生了全球尺度的变化。二氧化碳（ 甲烷（ 氧化亚氮（ 平均浓度分别从工业革命前 280 288加到现在 368 314 1750 年工业革命以来，大气中的 浓度分别增加了 31%、151%和 17%(1996，详见下表 1)。由于这些气体吸收地表面红外辐射能力强，而且他们在大气中留存时间长达上百年，从而改变了地球的辐射平衡。 ，联合国政府间气候变化专业委员会） 2001 年最新研究报告指出，从 19 世纪末以来的 100 年间地球表面的平均温度已经上升了 。如果不改变主要温室气体（ 放趋势，随着大气中主要温室气体浓度的增加，考虑到温室气体和气溶胶的共同作用，全球平均气温将每十年升高 ，到 21 世纪末，地表平均温度将比 1990 年增加 (2001)。 表 气主要温室气体浓度变化 （ 1996） he of 1996） 气体 2O 2 2 业化前浓度 28088 0 0 1996 年浓度 3681410150前年增加率 9气寿命（年） 50 200 12 17 120 102 000 温室气体浓度变化带来的影响 大量的观测数据已表明，温室气体浓度导致的全球性的气候变暖已经成为一个确定无疑趋中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪 论 2 势。人类开始关注温室气体的浓度将以多快的速度增加，全球气候将以多快的速度变暖。人类还担心这种全球气候变暖是否会在一定时期使地球气候系统发生不可逆转的，超出自然系统自我调节的能力范围，而对人类社会生存系统造成破坏。这种担心并非毫无道理，人类已经开始感受到气候变化所带来的种种影响。 候变化对自然生态系统的影响 气候变化对自然生 态系 统的影响主要集中在大气、森林、草原、冰川等方面（林而达 ,1998）。由于全球变暖，气温改变了大气原本的环流方向及大气含水量，从而改变正常的降水规律。气象专家们预计，全球降水总量将有所增加，但不同地区的降水变化差异很大。一般来说，低纬和高纬度地区降水量将会增加，而中纬度地区降水量将有所减少（中国气候变化国别研究， 2000）。温度和降水量的变化也必将带来植物生长的水分利用效率的变化，进而引发植物相对竞争力的改变，对植被产生影响。同时，占地球总表面积的很大一部反的冰雪圈对气候的变化也十分敏感。科学家预计，由于温度的上升，到本世纪末，整个冰川的 1/32/3 有可能消失 (2001)。 而自然生态系统中其它部分，包括湿地、湖泊、海洋等水体系统，它们对温室气体浓度变化所引发的温度和降水的变化也很敏感，相应的，这些系统通过自身的变化也将对气候的变化产生重大的反馈作用（中国气候变化国别研究， 2000）。 候变化对经济和社会发展的影响 气候变化对经济和社会发展的影响，可以归结为两类：直接影响和间接影响。直接影响，如对农业生产带来的影响。其中有利有弊，利的方面是气候变暖使得有效积温 增加，生长季延长，将使农业生产潜力增加。但是，更多的是不利的方面，如气候变暖造成的全年温度普遍升高，致使夏季高温期延长，不利于某些生长期短的植物，从而可能适得其反导致产量下降；而随之而来的冬季不寒则导致病虫越冬存活率高，从而可能导致农作物和森林病虫害大面积流行。同时，全球变暖也易引发家禽、家畜传染病流行，如禽流感、口蹄疫等，从而降低畜禽的产量等（李明峰，2003）。温室效应引发的海平面上升还将对人类经济活动最集中的沿海地区产生连锁的经济和社会反应，诸如人居环境下降，投资吸引力减少，地区人口外移等，这些都可以 归结为间接影响。 室气体组成以及主要来源分析 温室气体组成 所谓温室气体（ 指大气对流层中聚集的一些气体，这些气体所起的作用如温室的玻璃 一样 。这层气体能让太阳射线透过，并能吸收地球表面的长波辐射产生的热量，从而产生温室效应。温室效应的真实性是无可置疑的，如果没有这种作用 ，地球的温度将比现在低 38 ，整个地球也将是被冰雪覆盖（毛文永， 1992）。联合国气候变化框架公约将温室气体定义为 大气中那些吸收和重新放出红外辐射的自然和人为的气体 ，目前人们主要研究的温室气体有以下几种：二氧化碳 (甲烷 (氧化亚氮 (氨气（ 一氧化碳（ 氟氯碳化物 (全氟碳化物 (六氟化硫 (武德俊， 2005)。 其中除了后三种外，其中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪 论 3 余的均是来自自然过程，或者来自于人类活动。各种气体对温室效应的贡献均不一样，如下表 2所示： 表 要温室气体的累计温室效应 of 温室气体 对温室效应的相对贡献 质量基准 /尔基准 / 1 0 20 00 300 11 4000 11000 12 8000 20000 从上节的表 以看到，所有的温室气体中 大气中的浓度最大，并且每年增长的绝对值也是最多的，因而是主要的温室效应气体。虽然一般认为温室效应的主要为 致，但是许多其他气体有比 强的吸收波长辐射的能力。从上表 难看出，各种气体对温室效应的贡献的差别很大。以摩尔单位为基准比较， 20 倍， 300 倍。此外，还有一些气体对温室效应起着间接作用，如 空气中不稳定，极易转化成 们对温室效应也有着其作用。 按照在大气中浓度的高低 以及对温室效应的相对贡献，目前主要研究的温室气体为以下三种：二氧化碳 (甲烷 (氧化亚氮 (监测数据显示，这三种气体的浓度近年来急剧上升，而且主要是人为因素造成的。按照 供的温室气体清单编制方法中的总结，温室气体的主要来源是以下五方面：能源活动、工业生产过程、农业活动、土地利用变化和林业、废弃物处置（ 995）。 农业 生产中的 温室气体的 排放 农业生产是人类最重要的生产活动之一，它的迅速发展改变了人们的生活质量，但同时也带来一系列环境问题，农业生产活动 通过稻田生态系统、旱田生态系统、农业生产废弃物以及饲养业，对温室气体 产生及传输影响因子的有着综合的影响（王敬国， 1993）。 据目前的统计数据，大气中浓度变化最大的是 十年来空气中的 度增加了近30%。全球每年约有 60 亿吨碳是以 形式排放到大气中的，煤、油等化石燃料的燃烧是 农业上秸秆的燃烧以及植物的光合作用等活动也是 度增加主要的原因之一。其次是 甲烷 ，全年的人为排放量约为 吨，其主要是从稻田、饲养牲畜的粪便发酵，污水沟泄漏和饲养反刍动物等活动产生的。水稻田是陆地生态系统中大气 一个重要源，据估计，全球水稻 排放量约 60占大气 的 10 % 30 %。旱田生态系统中，厌氧呼吸过程相对较弱，甲烷菌不活跃，且旱田土壤对甲烷具有吸收作用，所以旱田生态系统的甲烷排放很少。随着饲养牲畜数量增加有持续上升的趋势，源自畜禽养殖的甲烷也逐年增多。 农业还是氧化亚氮的主要排放源 ，特别是农业上的土壤耕作。因为土壤中的硝化作用和反硝化作用都会产生 估计，大气中 90 %的 自土壤。其次是畜牧饲养带来的 放中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪 论 4 量，后者占年 排放量的 2001）。 由上述数据可见农业对温室气体排放的巨大贡献，据统计，整个温室气体排放中有 10是源于农业（ 1991）。近十年来，人们开始注意到农业生产对温室气体排放的贡献，农业活动是导致正加速的全球变暖问题中所不容忽视的人类活动之一。 畜禽养殖 中的 温室气体 排放 畜 禽养殖业也是温室气体的重要排放源，据估计，现在全球农业排放的 1/3 是由动物产生的。反刍动物自身也会排放 究显示反刍动物的 放量占家畜甲烷释放总量的84 % （韩定正 ,1999）。 畜禽粪便是温室气体排放的另一重要来源，全球畜禽粪便甲烷排放总量大约为 2000 3000万吨 /年，占已知人为甲烷排放总量的 动物粪便在处理和存放过程中还排放大量的氧化亚氮，全球动物粪便氧化亚氮排放量大约为 200 万吨，占已知认为排放总量的 14%（ 1995）。 中国是动物饲养量最大的国家之一， 据资料显示，在养殖方面， 1990 年中国反刍动物甲烷排放量就已占到全球动物甲烷总排放量的 而在畜禽粪便方面， 1990 年中国畜禽粪便的甲烷排放量约为 72 万吨，动物粪便氧化亚氮排放量约为 吨。而粪便甲烷的排放中，猪粪的甲烷排放量最为显著。据相关资料显示，以 1994 年为例，当年中国动物粪便年甲烷排放总量约为87 万吨，猪粪便管理系统甲烷排放约为 吨，占粪便甲烷排放总量的 60，黄牛次之，占18，鸡占 6，水牛和奶牛各占 7。 随着人类生活水平的提高和膳食结构的改变的全球对畜产品的需求进一步 加大，集约化饲养的动物数量及粪便排泄量会继续增加，随之而来的 放量也将进一步增加，给温室效应造成更大压力。所以了解畜养殖生产中，尤其是畜禽粪便与全球温室气体浓度增加之间的关系，对认识当前的温室气体（主要是甲烷）排放的形势，采取相关措施来减少温室气体的排放有着重要意义。 便甲烷排放的国内外研究现状 引言 引起全球变暖的温室气体排放源有很多，其中畜禽粪便甲烷气体排放是一个非常重要的组成部分，据统计，在农业排放的甲烷气体中有 12是来源于畜禽粪便管理系统。这些粪便主要的来源 是以大中型养猪场为主要代表的养殖场，故通过管理方法的改进和处理技术的革新可以减少放，如建立厌氧发酵池使粪便转化成 过集中使用，减少 排放。为此，多年以来国内外在畜禽粪便管理机制、甲烷排放机理、监控、测量等方面做了很多研究。 自 20 世纪 50 年代起，发达国家就开始大规模集约化养殖场建设，在城镇郊区建立集约化畜禽养殖场。由于每天有大量粪便及污水产生，难以处理利用，造成了严重的环境污染。更为严重的是畜禽粪便还是温室气体排放的重要来源，动物粪便在处理和存放过程中还排放大量的氧化亚氮，随着时间的推 移，聚集在大气层中的甲烷和氧化亚氮等温室气体能导致温室效应的进一步加剧，带来了全球性的升温。许多发达国家迅速采取措施对这种污染加以干预和治理，并通过立法中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪 论 5 进行规范化管理。对于粪便和污水的管理有一些严格的规定，如：建养殖场时必须有配套的粪便和污水的储存、处理 和利用设施；未经许可，不得将污水排入河流和自己挖的粪池。同时， 在 限制甲烷排放方面，发达国家也制定了相应的管理条例，如美国实施的修建覆盖式贮粪池等，尽量减少由畜禽粪便产生的温室气体的排放。 畜禽粪便甲烷排放机理 全球畜禽粪便甲烷排放总量大 约为 20已知人为甲烷排放总量的 995）。据研究分析，粪便中甲烷是有机质在严格厌氧环境下由微生物活动而产生的 ,即在酶的作用下分解碳水化合物成单糖 ,单糖再分解成酸 ,进而生成 军飞等， 2003）。动物粪便中有机物厌氧发酵产生 是分三个阶段完成的（林而达等， 1998）。 第一阶段 水解过程： 在第一阶段，粪便中复杂的有机物在酶的作用下分解。纤维素酶分解碳水化合物 (纤维和淀粉 )成单糖 (葡萄糖和麦芽糖 )；脂肪酸分解脂肪形成单链脂肪酸；蛋白酶分解蛋白质形成氨基 酸。分解量和分解速度取决于酶的活性、粪便的特性和环境因素。 第二阶段 产酸过程： 第一阶段产生的单糖被厌氧和兼性细菌发酵后形成简单有机物。碳水化合物分解的主要产物是乙酸，另外，也产生其它有机酸 (如丙炔酸和丁酸 )、水和二氧化碳。产酸菌生长速度快且可在较大的温度和 范围存活。在第二阶段单糖 (葡萄糖 )分解成乙酸的过程如下： 2 224第三阶段 生过程： 产 菌发酵单链有机酸产生 及利用氢气还原二氧化碳成 菌是严格的厌氧细菌，