应用案例

Picarro G2508 在不同有机肥料处理技术对温室气体排放影响研究中的应用

发表时间：2024-08-09

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研究背景

据估算，欧盟的动物养殖行业每年产生粪便超过10亿吨，其中约90%直接施用于土壤作为有机肥料，从而导致大量温室气体排放到大气中，加剧气候变化。农业排放量占全球排放量的比重分别为：CO₂：13%、CH₄：60%、N₂O:60%。N₂O和CH₄尤其值得关注，因为它们的全球变暖潜能分别是CO₂的273倍和27.9倍。

本文主要介绍利用等离子体处理猪粪液的创新有机肥料处理方法对土壤中N₂O和CH₄排放通量的影响，以评估其作为有机肥料的环境效益。

等离子体处理粪液是一种创新的技术，旨在减少有机粪肥施用过程中对环境的碳和氮损失：

等离子体诱导

使用电力将空气离子化，形成氮氧化物气体。这一步骤不直接在粪液中进行，而是在空气中产生反应性氮气。

与粪液结合

生成的氮氧化物气体随后与粪液中的游离氨(NH₃)结合，形成非挥发性的硝酸铵，这有助于减少氨的排放。

pH降低

等离子体处理过程会降低粪液的pH值，这有助于减少氨的挥发损失，并且可抑制甲烷(CH₄)的生成。

增加无机氮含量

等离子体处理增加了粪液中的无机氮含量，这意味着更多的无机氮在施用到土壤时可供植物立即吸收。

实验设计与方法

在英国利兹大学研究农场进行随机区组实验，在农田中设立了九个小区（2×0.5米），并为每个小区安装了GHG测量叶室，比较三种不同的肥料处理方式（每种处理方式重复3次）：

（1）无机肥料（IF），

（2）猪粪液加无机肥料（PS）；

（3）等离子体处理猪粪液加无机肥料（TPS）。

所有肥料处理均采用手工施用,旨在为每块地提供总共220 kg可利用N/ha。使用水分和温度传感器每隔15分钟测量每个地块0.05米深度的土壤湿度和温度，以计算水填孔隙空间（WFPS）。

图1：自动叶室示意图（非原图）

叶室在施肥前一个月安装，使土壤恢复到稳定条件，结合Picarro G2508进行GHG通量的测量。

温室气体测样与数据处理

在2022年3月20日至2022年6月13日期间，每120分钟，使用Picarro G2508温室气体分析仪从每个叶室测量一次N₂O, CH₄和CO₂的浓度，在83天内产生9288个离散采样点。Picarro G2508分析仪使用光腔衰荡光谱(CRDS)技术，可精准地测量温室气体浓度：N₂O的测量范围为0-400ppm（确保精度范围0.3-200ppm）, CH₄的测量范围为0-15ppm（确保精度范围1.5-12ppm）, CO₂的测量范围为0-20000ppm（确保精度范围380-5000ppm）, NH₃的测量范围为0-2ppm（确保精度范围0-300ppb）。定制的复路系统可实现每个叶室每7-10分钟依次轮流采样监测。测量数据被用来计算每种温室气体的通量，这些数据对于理解不同肥料处理对N₂O和CH₄排放的影响至关重要。

数据处理通过定制数据处理软件包括线性拟合、异常值剔除、数据插值等步骤，以确保数据的准确性和完整性。

通过将测量的各温室气体通量转换为CO₂当量，并计算每种肥料处理的累积CO₂当量排放，来评估不同肥料对GHG排放的贡献。

实验结果

表1：每种肥料处理(IF无机肥料、PS猪粪液、TPS处理猪粪液)的平均日通量和平均累积通量，以及83天测量期间的平均GHI±标准差(SD)。

图2：展示了不同肥料处理的2小时N₂O和CH₄通量（IF无机肥料、PS猪浆、TPS处理的猪浆）。每个数据点表示每次处理使用的三个叶室的平均值，垂直虚线表示肥料的分次施用。

图3：展示了每次肥料处理（IF无机肥料、PS猪浆、TPS处理猪浆）的前7天， NO₂（图A–D）和CH₄（图E–H）的2小时通量。

图4：在测量期间，每个冬小麦生长阶段的每个肥料处理（IF无机肥料，PS猪浆，TPS处理的猪浆）平均2小时混合N₂O。

图5：在测量期间，每个冬小麦生长阶段的每个肥料处理（IF无机肥料，PS猪浆，TPS处理的猪浆）平均2小时混合CH₄。

表2：播种密度、总生物量和作物产量、收获指数、全株和全株谷物C和N含量、全株和全株谷物中总C和N的去除量、作物总氮在籽粒中的比例、籽粒蛋白质含量、总生物量氮利用效率(NUEtotal)和籽粒产量(NUEgrain)，以及各处理(IF无机肥、PS猪浆、TPS处理猪浆)N以N₂O-N形式损失的比例±标准差(SD)

实验结果表明

TPS处理的N₂O累积排放量最高，PS次之，IF最低。
PS处理的CH₄累积排放量最高，而IF和TPS的CH₄排放量较低，且两者之间没有显著差异。
TPS的温室气体强度（GHGI）是PS的两倍多，是IF的六倍左右。

结论

经过等离子体处理的猪粪液肥料可以减少猪粪液中的氨(NH₃)排放，同时显著减少了土壤中的甲烷(CH₄)排放，但却增加了氧化亚氮(N₂O)的排放。这导致等离子体处理的猪粪液在CO₂当量排放上比未处理的猪粪液更高。目前等离子体处理的猪粪液并不是一个合适的土壤改良剂。

不同肥料处理方式（包括无机肥料、猪粪液和等离子体处理的猪粪液）对冬小麦的产量没有显著影响，表明作物产量与肥料类型无关。但使用有机肥料（即经过处理和未经处理的猪浆）比使用无机肥料产生更高的温室气体排放。因此，建议将研究结果纳入生命周期分析，以确定在考虑到相关的下游温室气体排放时，使用有机肥料是否仍然多于排放无机肥料。

未来研究方向建议应该集中在如何减少等离子体处理猪粪液的N₂O排放上，包括进行地块试验以评估肥料用量、时间和放置方式对排放的影响。

相关仪器

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