【毕业学位论文】（Word原稿）奶牛粪便温室气体排放及影响因子研究气象学硕士论文

密级 ： 论文编号 ： 中国农业科学院 学位论文 奶牛 粪便温室气体排放及影响因子研究 of of 要 动物粪便中的有机物在降解过程中产生大量温室气体，是一个重要的 温室气体 排放源。 为了研究不同条件下牛粪温室气体的排放规律以及影响温室气体排放的因子，本研究 采用静态箱 气相色谱法 对 玉米秸秆 覆盖处理、 不同 堆放处理以及室内 不同 温度处理 奶牛粪便 的温室气体排放速率进行 了测定，并分析了不同因子对牛粪温室气体排放的影响， 研究结果表明： 1、 奶牛粪便 在堆放时覆盖玉米秸秆会减少 排放， 第 3 时段 （ 覆盖 玉米秸秆 与自然堆放 处理 平均排放速率分别为 mgh II mgh 异显著 ；第 3 时段 平均排放速率分别为 h h 时段 （ h h 异 也 显著 ，但是覆盖玉米秸秆会增加 排放， 第 4 时段 平均排放速率分别为 mgh mgh 异显著。 2、 牛粪 不同堆放方式对温室气体排放的影响差异很大， 除了 夏季试验 堆放高度 50理和 堆放高度 25理 排放速率 差异不显著 之外 ，其他 处理间温室气体 的 排放 差异都显著， 两个季节中 每天加粪 10理 排放速率较大， 平均排放速率最大的分别达到 mgh h 其它 处理 排放速率较 小 ， 最大的 平均排放速率 分别 只有 h mgh 排放速率基本表现出相反的趋势。 3、温度是影响牛粪 温室气体排放的 主要因子 ， 在 5、 15、 25和 35四个处理中， 奶牛粪便 放速率两两之间差异显著； 放速率除了 5和 15处理差异不显著之外，其他的两两之间差异显著； 当 温度为 35时 放速率与其他温度的排放速率差异都显著，其他的两两之间差异不显著 。 温度为 5时牛粪温室气体的排放速率最低， 别 只有 h mgh h 温度为 35时 最高 ， 分别达到 mgh mgh h 且 随着 牛粪 温度的升高而增大。 4、（ 1）覆盖处理 (1、 2、 3、 4、 排放速率在第 1、 4 时段试验的前期较高 ， 中后期逐渐减小，在第 2、 3 时段试验比较稳定； 排放速率 在第 1、 2、 3 时段试验也比较稳定，但是第 4 时段试验中后期逐渐上升； 排放速率在第 1、 2 时段试验比较稳定，但是第 3、4 时段试验中后期逐渐上升。 （ 2） 不同堆放处理 （堆放高度 50放高度 25 每天加粪10： 试验前期排放速率较大，中后期排放 速率 较少； 试验前期排放速率较小，后期排放速率逐渐上升。（ 3）不同温度处理 （ 5、 15、 25和 35） ： 当温度为 5时温室气体排放速率的变化趋势都是逐渐减小； 15时温室气 体排放速率先减小后增大； 25和 35时 排放速率分别在中前期出现峰值 ，其他时间排放速率比较稳定， 关键词： 温室气体 牛粪 覆盖 堆放 温度 影响因子 is a of HG In to HG in is to HG of 1. HG is in O2 2O by to H4 is in in H4 2O in is HG in is 2. HG is by of in H4 0cm 5cm in As a 2O of 0kg is at 0cm 2O a 3. is HG a of is HG is of in is H4 is 5 . 5 , is is 4. HG in is (1) in of is in is in is in in of in 2O is in in of in 2)of H4 in of is at (3)of ,5 ,5 5， is in of at 2O on 录 第一章 文献综述 . 1 物粪便温室气体产生机理及影响因子研究进展 . 2 物粪便甲烷产生机理及影响因子研究进展 . 2 物粪便氧化亚氮排放机理及影响因子研究进展 . 6 研究的目标与主要内容 . 7 究目标 . 7 要内容 . 8 第二章 材料和方法 . 9 言 . 9 究地点概况 . 9 验处理 . 10 盖处理 . 10 同堆放方式处理 . 11 同温度处理 . 11 室气体排放速率和牛粪特性的测定 . 11 外试验排放速率的测定 . 11 内试验排放速率的测定 . 13 粪理化特性的测定 . 14 粪温度数据的测定 . 14 动测量中采样时间的选择 . 14 第三章 覆盖对奶牛粪便温室气体排放的影响 . 16 言 . 16 便理化特性 . 16 粪温室气体排放 . 16 放 . 16 放 . 18 2O 排放 . 20 盖对温室气体排放的影响 . 22 度对温室气体排放的影响 . 23 度变化 . 23 度对温室气体排放的影响 . 23 章小结 . 25 第四章 不同堆放方式对奶牛粪便温室气体排放的影 响 . 27 言 . 27 便理化特性 . 27 粪温室气体排放 . 28 V 放 . 28 放 . 29 2O 排放 . 30 度变化及影响 . 32 同处理温度的变化 . 32 度对温室气体排放的影响 . 34 放方式对温室气体排放的影响 . 35 放方式对 放的影响 . 35 放方式对 放的影响 . 36 放方式对 放的影响 . 36 章小结 . 37 第五章 室内不同温度处理奶牛粪便温室气体排放的变化规律 . 38 言 . 38 粪理化特性 . 38 粪温室气体排放 . 39 放 . 39 放 . 40 2O 排放 . 41 度对温室气体排放的影响 . 42 章小结 . 43 第六章 结论与展望 . 44 要结论 . 44 究中存在的问题以及今后的展望 . 45 参考文献 . 46 致 谢 . 52 作者简历 . 53 文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 甲烷 氧化碳 ry 物质 放因子 温室气体 烷转化因子 化亚氮 总氨氮 氮 有机碳 发性固体 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 自从 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。大量的观测事实表明：由于人类活动的影响，大气中许多温室效应 气体的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 280 270加到现在 （ 2005 年）的 379 319 1750年工业革命以来，大气中的 6%、 148%和 18%(007)，大气中 浓度 已经超过了冰核记录的 65 万年以来的正常波动范围 ，而大气中 浓度的增加速率从 1980 年以来几乎为常数 。 联合国政府间气候变化专业委员 会 ( 第四次评估 报告指出， 过去 100年（ 1906 2005） 地球表面的平均温度已经上升了 。如果不采取任何行动，到 21 世纪末，地表平均温度将比 1990 年增 加 (2007)。毋庸置疑，人类活动所引起的温室效应在不断加强，由此导致的气候系统对人类生存所造成的威胁不容忽视，各种主要温室气体排放机理和影响因素的研究亟待加强。 动物粪便中的有机物在降解过程中产生大量温室气体，是一个重要的排放源。 全球动物粪便 放总量为 25 20 30占已知人为 放总量的 8（ 1992）；占农业源 放的 1995）。 国外学者和研究机构同时对全球动物粪便 放量进行了估算，不同研究得出的结果相差较大， et 1995)估算的动物粪便 排放量仅为 确定性范围为 996)估算的动物粪便 et (1998)估算动物粪便 年排放量为 确定性范围为 et 1998)和 et 1999)估算的动物粪便 排放量为 确定性范围为 排放的 约占 全球 放总量的 7 （ et 1992） 。 中国是动物饲养量最大的国家之一，随着人民生活水平的提高和膳食结构的改变，畜禽的饲养量迅速增加，畜禽粪便的 温室气体 排放量必然增加。 1990 年中国动物粪便 全球动物粪便 放总量的 5 ， 排放量最大的为猪粪，占动物粪便 排放 量的 85，其次是牛粪，占 李玉娥等， 1995）。 1994 年动物粪便 放量约为 870农业源 排放的 占我国 排放的 (中华人民共和国气候变化初始国家信息通报 1995 年 中 国的主要动物粪便 放量比 1990 年增加28 (林而达， 2001)。 采用 1996） 推荐的温室气体排放清单编制指南，估算中国动物粪便管理系统 放， 1990 年 放量为 而达， 2001）。 1994 年我国动物粪便放量约为 44包括放牧过程中 放），占农业源 排放的 (中华人民共和国气候变化初始国家信息通报 国内 外 关于动物粪便温室气体排放的研究很少 ，特别是我国，因此在借鉴国外同类研究经验的基础上，根据我国实际情况，研究我国堆放家畜粪便 温室气体 排放的规律、排放机理及影响因子具有重要的意义，这可以为 国家温室气体排放清单编制 和 制定动物粪便温室气体减排措施提供 参考。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 2 物粪便 温室气体 产生机理及影响因子研究进展 物粪便甲烷产生机理及影响因子研究进展 物粪便 产生机理 生态系统中的 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， 2002）。 有机物的厌氧消化过程主要包括产酸和产甲烷两个阶段 （周少奇， 1999； 周孟津 ， 2005） 。而对于不溶性有机物 (有机垃圾 ) , 一般可认为在上述两阶段之前多一个“水解阶段” （ 周孟津 ， 2005 ； 芈振明 等，1996） 。 动物粪便中 有机物厌氧发酵产生 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嫌氧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 酸菌生长快并可在较大的温度和 第二阶段单糖 (葡萄糖 )分解成乙酸的过程如下： 2 224三阶段 甲烷 细菌发酵 单链有机酸产生 及利用 殖慢且对温度、 用乙酸、 2物粪便 放 的 影响因子 1） 粪便特性 粪便特性会影响 排放 量，在粪便贮存期间这些特性会变化很大，这是化学和微生物活动过程的结果，也可能是干燥、排水、降雨引起的。为了建立估计排放共同基础，人们最关注新鲜粪便的 特性（ 2002） 。 挥发性固体（ 主要成分是脂肪 、 蛋白质和碳水化合物。脂肪，蛋白质和一部分的碳水化合物容易降解，大部分碳水化合物相对来说难降解，或者分解很慢。粪便 着喂食和其他原因 （例如加稻草） 而变化。粪便中 含量对 量的影响很大（ et 2001） 。 粪便 生潜力 H4一定量的动物粪便可能产生 最大量。 影响粪便 生量的重要因子，随动物种类、饲料成分和消化率 的变化 而变化。饲料的能量中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 3 和消化率越高， 大（林而达等， 1998）。 在实验室长期（大约是 90 天）的 试验 中， 材料厌氧发酵过程决定 （ et 1994） ，但是粪便的 也决定于 学成分。 2） 厌氧微生物的生命活动、物质代谢与 同的微生物要求不同的 维佳， 2006）。 新鲜有机质在强酸性环境的分解速率比在中性或稍碱性环境慢得多，这主要是因为 产 甲烷菌的活动也受 云英， 2002）。动物粪便的酸度是个动态参数 ，受存放时间、动物类型、饲养条件等影响 （ 2000） 。动物粪便 （ 的 et 1995） ，产 甲烷 菌 对 适宜 的 当 降低 而达等， 1998）。 当 大于 齐玉春等， 2000）。 从 996)的研究结果也可得出， 是产生 et 2002）。 刘德江 等（ 2005）的研究结果也表明， 在厌氧发酵过程中猪粪发生了酸化 ,天沼气的产气量为零 ,加碱调 节 以后 ,便又恢复了产气 ,但一周后又发生了酸化 ,时的产气量大大下降。 3） 温度 厌氧发酵中的产 甲烷 细菌分解有机物产生，细菌的活动和温度密切联系。 温度不但影响细菌生长，同样也影响产 甲烷 菌的活动 (1986)。 不同的细菌在不同的温度阶段起作用。喜热细菌在 45 60 的温度 范围起作用，嗜温性细菌在 20 45 的温度范围起作用，好寒性细菌在低于 20 的温度起作用。虽然 低温时产量明显减少，但是在 4 时 温度在 4 75 之间，都有 生，当温度在 40 60 之间时， 生量最大 (et et 1998)研究表明，液态粪便的温度在 2 10 时，牛和猪 的 液态粪便甲烷转化因子 （ 在 0 3%的范围。 et 1994)在实验室的研究表明，牛 的 液态粪便在 10时 于 1， 但是在 20时 约是 50，并随着容器是否打开、关闭或加入细菌而变化。 1994） 的研究表明 ，在丹麦，测量期间平均温度 为 牛液态粪便 计值是 猪 粪 的更高，是 32。 生是批量生产的过程 , 生速率和整批粪便温度有很大关系。 et 2000a)的研究表明 ，粪便 表面下 30 的 温度 与 产生 速率 相关。在低温时，有些研究报道了 生速率和温度线性相关的关系 （ et et 1998） ，但是有些 研究报道 生速率和温度指数相关 （ 1994； et 2000a） 。指数相关可以用 阿仑尼乌斯 （ 等式来表示 T+k （ 1 其中 P 是产生速率， 活动能， R 是标准气体常数， T 是温度 (K),k 是常数。等式中 k 由粪便特性决定，也可以用实验数据计算。 et 2001)收集了很多其他 学者 的研究 结果 ，用下面的公式阐明了液态粪便放速率： F(T)=b 1T)+b 2T) （ 1 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 文献综述 4 其中 F 是排放速率 （ g ， A 是 数， 活动能， T 是温度（ K）。 容易降解和 不可 降解 度 （ g,常数 配值 1 映 生 数 A， 牛和猪液态粪便 现场 测量得出。 对于固态粪便，温度的影响更复杂。固态粪便氧气充足 的 部分产生 。 然而，有氧发酵的地方产生的热量使厌氧发酵地方的温度上升，促使了 产生。例如， 1994） 报道，有氧地方 的 粪便 在 堆肥 时 产生 大量的 热量 ，这会使 厌氧 发酵粪便的温度 升 高，增加 量。在这些例子中，粪便温度和周围温度没有联系，气候影响减少。如果没有堆肥过程，粪便温度和周围温度相差不大。 1994） 测量牛和猪固态粪便的排放。从 11 4 月，牛粪处于潮湿、结实和缺氧的状态，从那以后，粪便变得干燥、多孔， 而且 温度升高， 因此 排放速率也增加，年总排放 量转换成 是 当 猪粪中 有 稻草 时 ，部分粪便整年发生堆肥过程，这 部分粪便的温度升高到 60以上，这导致排放 速率也大大增加， 大约为 et 1998)报道了堆肥和厌氧固态奶牛粪便 放。夏天厌氧贮存 的 排放 量 是冬天厌氧贮存排放的两倍， 估 算 的 大约是 5，与 et 2001)所报道的数据接近 。 2001)在实验室进行研究，估计墨西哥奶牛和非奶牛粪便 放因子，当测量温度是 12， 小于 1。同样在实验室的条件下， et 1994)发现如果固态粪便温度很低 时 ， 很低（ 10时 乎为零。 et 2002） 实验室的研究也表明：当粪便的 时，是