奶牛场2种粪污处理模式碳足迹的Meta分析

摘要 ［目的］为综合评估不同奶牛粪污处理方式的温室气体排放规律。［方法］采用Meta分析法研究了粪污静态堆肥过程中、厌氧发酵过程及发酵后沼液在储存和还田过程中温室气体的排放规律。［结果］静态堆肥过程中CH4、CO2、N2O的排放因子分别为3.66、86.77、1.70 g/kg；厌氧发酵过程中单位沼气产量为0.245 L/g；厌氧发酵后沼液储存和还田过程中CH4、CO2、N2O的排放因子分别为10.88、83.80、5.72 g/kg。对比分析结果显示，厌氧发酵后沼液在储存和还田过程中CH4和N2O的排放量显著高于静态堆肥过程中的排放量，而2种粪污处理模式CO2的排放量间无显著差异；但因厌氧发酵产生的CH4可用于发电，能有效减少温室气体的排放。［结论］测算显示，厌氧发酵管理阶段温室气体的综合排放量为-1 239.91 kg/Ueq，较静态堆肥具有更好的碳减排效果。

关键词 奶牛粪污；静态堆肥；厌氧发酵；Meta分析；温室气体

中图分类号 S 19  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）02-0236-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.02.057

Meta Analysis on Carbon Footprint of Two Manure Treatment Modes in Dairy Farms

YE Xiao-mei，WANG Li，ZHANG Man-qiu et al

（Institute of Animal Science，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Crop and Livestock Integration，Ministry of Agriculture and Rural Areas，Nanjing，Jiangsu 210014）

Abstract ［Objective］In order to comprehensively evaluate the emission of greenhouse gases （GHGs） from different cow manure treatment methods.［Method］Meta analysis method was used to study the emission of GHGs during static composting process，anaerobic fermentation process and the storage and returning of biogas slurry after anaerobic fermentation.［Result］The emission factors of CH4，CO2 and N2O were 3.66，86.77 and 1.70 g/kg in the process of static composting，respectively.In the anaerobic fermentation process，the unit biogas slurry yield was 0.245 L/g;The emission factors of CH4，CO2 and N2O were 10.88，83.80 and 5.72 g/kg during the storage and returning of biogas slurry after anaerobic fermentation，respectively.There were significant differences in CH4 and N2O emissions between these two treatments，but no significant differences in CO2 emissions between these two treatments.The results of comprehensive calculation showed that the total greenhouse gas emissions of anaerobic fermentation during storage and returning farmland were higher than that of static composting，but the CH4 produced by anaerobic fermentation could be used for power generation，which could effectively reduce the greenhouse gas emissions produced by anaerobic fermentation.［Conclusion］The final comprehensive emission data of anaerobic fermentation greenhouse gas was -1 239.91 kg/Ueq，which had better carbon emission reduction effect than static composting.

Key words Cow manure;Static composting;Anaerobic fermentation;Meta analysis;Greenhouse gases

基金项目 江苏现代农业产业技术体系建设专项资金（JATS〔2020〕391）。

作者简介 叶小梅（1976—），女，福建长汀人，研究员，博士，从事有机废弃物资源化利用研究。

收稿日期 2022-01-24

随着规模奶牛厂的迅速发展，大量粪污带来的环境压力不容小觑。目前，奶牛场主要采用固体好氧堆肥及液体厌氧发酵的方式进行粪污的无害化及资源化利用，粪污堆肥过程及厌氧发酵后沼液的储存和还田过程中均会产生温室气体的排放，且排放量在整个处理过程中占比较大［1-3］，目前我国畜禽粪污的年排放量为38亿t，其中全国奶牛粪污的年排放量约为3.6亿t，所以畜禽粪污处理的碳减排对实现农业的碳减排也起着重要的作用，但目前还未对奶牛场不同粪污处理模式的碳排放进行核算。

Meta分析是对若干独立研究的统计结果进行综合分析的统计方法，可以弥补单一试验数据对粪污处理过程中温室气体的排放进行估算的局限性，通过系统的整合所有相关文献数据，得出相对准确的结果［4］。但奶牛场粪污处理过程中温室气体排放的Meta分析主要集中于单一处理方式或全生命周期过程中进行分析，如堆肥［1］、厌氧发酵［2］等。Ba等［5］以41篇科学论文为基础，对4种主要的牛粪堆肥方式（静态、翻堆式、条垛和反应器）的温室气体（GHGs）和氨（NH3）排放进行了Meta分析，与其他堆肥方式相比，翻堆式堆肥会导致更大的碳和氮损失，尽管反应器堆肥显著促进了NH3的排放，但较翻堆式堆肥减少了82.84%的温室气体损失。此外，添加木屑或秸秆可使CH4和N2O排放量分别降低66.3%和44.0%［1］。Miranda等［2］以30篇论文产生的89个独立案例为基础，运行单位的数据显示，与基线情景相比，沼液储存导致碳排放减少量的中位值为43.2%，沼液还田的碳排放减少量的中位值为6.3%，抵消化石燃料能源的碳排量减少量的中值为11.0%，沼液替代无机肥料施用增加了碳排放量的中值为0.4%，同时发现，沼气池的泄漏大大增加了基线情景下的碳排放量（中位数=1.4%）。Jayasundara等［3］研究了加拿大奶牛场减少甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）的策略，Meta分析的结果显示，减少粪便排放的策略有厌氧消化、堆肥、固液分离、覆盖沼液储存和燃除CH4，以及在春季施用沼液时完全排空沼液储存以及减少甲烷菌接种量。

鉴于此，笔者采用Meta分析方法比较分析奶牛场2种不同粪污处理模式的碳足迹，为奶牛场粪污处理碳减排模式的选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

进行全面的文献检索和文献筛选工作，主要通过中国知网（http：//www.cnki.net/）和Web  of  Science （http：//apps.webofknowledge.com/）2个数据库检索关于奶牛场粪污处理过程中温室气体排放规律的文献。

畜禽粪污的处理主要有静态堆肥和厌氧发酵2种方式，图1a表示静态堆肥相关搜索过程中的关键字和逻辑连接器，共输出925篇文献，通过进一步的关键指标（奶牛粪便、静态堆肥、温室气体）筛选，最终检索出13篇文献（WOS 6篇；知网7篇）［6-18］。 图1b表示厌氧发酵相关搜索过程中的关键字和逻辑连接器，共输出404篇文献，经进一步关键指标（奶牛粪便、厌氧发酵、温室气体）的筛选，最终检索出16篇文献（WOS 12篇；知网4篇）［19-34］。

1.2 数据分析

1.2.1 单位换算。

为对比不同处理方式的温室气体排放量，将文献中提取的CO2、CH4、N2O排放量各自换算成统一的单位：efCO2、efCH4、efN2O均为g/kg。

厌氧发酵的产气能力用单位沼气产量表示为L/g。

1.2.2 标准化。分析文献每个功能单元的不同温室气体排放量，为了使排放标准化，将其表示为二氧化碳当量（CO2e）并计算如下式（1.1）：

GHGCO2=GWPi×GHGi（1）

式中，GHGCO2为每功能单元温室气体排放量；GWPi为对应温室气体i的全球变暖潜势，GWPCO2为1 kg/kg，GWPCH4为28 kg/kg，GWPN2O为265 kg/kg；GHGi为对应温室气体的排放量。

1.2.3 正态性检验。

利用SPSS对收集换算后的数据进行正态性分布检验，对符合正态分布的采用平均值代表整体数据，不符合正态分布则取中位值代表整体数值，结果显示静态堆肥和厌氧发酵后沼液的储存及还田利用产生的温室气体排放数据为非正态性分布，取其中位值代表整体数值，而厌氧发酵产气规律的数据符合正态分布，选用平均值代表整体数据。

2 结果与分析

2.1 奶牛粪静态堆肥过程中与厌氧发酵后沼液储存及还田的温室气体排放规律

根据对13篇文献，33个案例数据的分析，可以得出奶牛粪污静态堆肥过程中温室气体的排放情况，其中关于静态堆肥过程中CH4的排放情况有33个案例，计算其中位值为3.66 g/kg；关于静态堆肥过程中CO2排放情况有24个案例，计算其中位值为86.77 g/kg；关于静态堆肥中N2O的排放情况有36个案例，计算其中位值为1.70 g/kg。根据对9篇文献，31个案例的分析，可以得出奶牛粪污厌氧发酵后储存和还田过程中温室气体的排放情况。其中，关于CH4的排放情况有15个案例，计算其中位值为10.88 g；关于CO2的排放情况有5个案例，计算其中位值为83.8 g；关于N2O的排放情况有29个案例，得出其中位值为5.72 g/kg。方差分析结果显示，厌氧发酵后沼液储存及还田过程排放的CH4和N2O量显著高于静态堆肥过程中产生的CH4和N2O量，但2种粪污处理方式排放的CO2量间无显著差异（图2）。

2.2 厌氧发酵过程中的产气规律

依据对检索出的10篇文献，65个案例的数据进行提取，正态性分布检验显示提取出的数据符合正态性分布，计算出奶牛粪污厌氧发酵过程中CH4排放的平均值为0.245 L/g。