基于動態(tài)箱法的北京延慶區(qū)牛糞堆放CH4和N2O排放量估算

胡 彬，趙浩翔，王業(yè)健，王朝元,3，施正香,3，萬 航，彭 濤

?

基于動態(tài)箱法的北京延慶區(qū)牛糞堆放CH4和N2O排放量估算

胡 彬1,2，趙浩翔1,2，王業(yè)健1,2，王朝元1,2,3※，施正香1,2,3，萬 航4，彭 濤4

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083； 3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083；4. 北京市延慶區(qū)農(nóng)業(yè)局，北京 102100）

畜禽糞便堆放管理會造成甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）等溫室氣體的大量排放。通過聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）建議的排放系數(shù)等方法，可以實現(xiàn)對某一區(qū)域范圍內(nèi)畜禽糞便管理系統(tǒng)的溫室氣體排放總量的估算，但由于其排放受糞便管理、氣候條件等因素的顯著影響，直接套用IPCC的默認(rèn)系數(shù)會產(chǎn)生較大的誤差。為更加準(zhǔn)確估算中國奶牛糞便管理所造成的CH4、N2O排放，該文在對北京延慶區(qū)奶牛生產(chǎn)與糞便管理模式進(jìn)行了實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用動態(tài)箱法模擬了奶牛糞便不同季節(jié)短時自然堆放管理模式下的CH4、N2O排放過程，并對區(qū)域內(nèi)的年溫室氣體排放總量進(jìn)行了測算。研究結(jié)果表明，奶牛糞便在一個月的自然堆放管理模式下，每千克牛糞揮發(fā)性固體在春、夏、秋季的CH4排放量分別為223.97、4 603.31、351.38 mg，每千克牛糞N2O排放量分別為5.86、9.43、0.81 mg。2016年北京延慶區(qū)全年奶牛糞便CH4、N2O排放總量分別為13 342.50、347.87 kg。延慶區(qū)奶牛糞便堆放管理過程的CH4排放因子為1.50 kg/(頭·a)，小于IPCC指南中的1.78 kg/(頭·a)；受堆放時間較短的影響，N2O的排放因子則顯著小于IPCC的推薦值。若直接使用IPCC默認(rèn)參數(shù)估算延慶區(qū)奶牛糞便堆放管理過程中的CH4和N2O排放量，會造成排放量的高估。

糞便；排放控制；甲烷；氧化亞氮；排放因子

0 引 言

溫室氣體的大量排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的首要原因。聯(lián)合國糧農(nóng)組織報告顯示，畜牧業(yè)的溫室氣體排放占全球總量的18%，其中全球37%的CH4和65%的N2O來源于畜禽養(yǎng)殖業(yè)[1]。畜禽[1]糞便在貯存與處理過程中會產(chǎn)生大量的CH4和N2O，其全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）分別是CO2的28倍和265倍[2]，且其在農(nóng)業(yè)溫室氣體排放中所占比例越來越大，兩者排放量在1994?2005年間分別增加了6.32%和23.07%[3]。

目前，國際上普遍采用IPCC指南中建議的方法對區(qū)域內(nèi)的畜禽糞便CH4和N2O排放量進(jìn)行估算，所使用的參數(shù)默認(rèn)值大多是基于專家組研判的結(jié)果。由于發(fā)展中國家的研究不多，判斷依據(jù)主要來源于對發(fā)達(dá)國家的研究成果。但由于糞便管理方式和氣候條件對糞便管理中的CH4和N2O排放的影響顯著，不同國家或地區(qū)對于糞便管理的方式和貯存時間存在較大差異。因此，IPCC指南中給出的排放因子等參數(shù)默認(rèn)值對于發(fā)展中國家的代表性較差，對某些國家或地區(qū)并不一定非常適用。

使用IPCC推薦方法測算區(qū)域內(nèi)畜禽糞便管理所造成溫室氣體排放量的準(zhǔn)確性，取決于估算過程中關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確性，需綜合考慮當(dāng)?shù)匦笄萆a(chǎn)的實際情況，包括品種、飼養(yǎng)方式、飼料成分及其消化率、糞便管理模式以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等。因此，IPCC也建議各國應(yīng)根據(jù)自身氣候狀況和糞便管理的實際情況對計算方法中的參數(shù)進(jìn)一步校核與驗證。目前，國際上很多國家，如美國、奧地利、瑞典等，針對本國的實際氣候和糞便管理狀況，已經(jīng)相繼開展了關(guān)于IPCC估算參數(shù)的校核與排放量的估測工作。

奶牛養(yǎng)殖作為現(xiàn)代畜牧業(yè)中極為重要的一環(huán)，被公認(rèn)為是重要的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放源[4-5]。奶牛糞便的短時自然堆放處理方式在中國北京等地區(qū)普遍應(yīng)用，堆放時間等與IPCC指南中測算CH4和N2O排放系數(shù)的條件存在明顯差異。本文以北京市延慶區(qū)為例，對延慶奶牛糞便的管理方式進(jìn)行了實地調(diào)研，結(jié)果顯示延慶區(qū)的奶牛場糞便在還田之前均進(jìn)行了短時自然堆放，過程中不添加物料，持續(xù)堆放時間因季節(jié)不同而存在一定的差異，但均在一個月以內(nèi)。延慶區(qū)自然堆放的糞便管理系統(tǒng)符合IPCC指南中對固體糞便貯存系統(tǒng)的描述，但這兩者在貯存持續(xù)時間上存在顯著差異。因此使用IPCC推薦的奶牛糞便固體貯存系統(tǒng)所對應(yīng)的CH4和N2O排放因子對延慶區(qū)奶牛糞便溫室氣體排放量進(jìn)行估算，會造成顯著誤差。此外，針對區(qū)域性溫室氣體排放的全面準(zhǔn)確監(jiān)測存在困難，且受環(huán)境因素干擾較大，因此模擬研究成為了重要手段。

本文基于延慶區(qū)糞便管理的實際狀況并充分考慮了季節(jié)溫度和貯存時間的影響：1）試驗?zāi)M了春、夏、秋季自然短時堆放（一個月）條件下，奶牛糞便單位質(zhì)量揮發(fā)性固體（volatile solid，VS）的CH4和單位質(zhì)量牛糞的N2O排放量；2）基于實際調(diào)研、模擬試驗結(jié)果并結(jié)合其他學(xué)者冬季排放量數(shù)據(jù)，對延慶區(qū)奶牛糞便的CH4和N2O年排放量進(jìn)行估算。論文開展了奶牛糞便春、夏、秋季堆放管理下溫室氣體排放的模擬試驗，計算得到全年區(qū)域氣體排放量以及全年的排放系數(shù)，對于區(qū)域排放量測算具有一定的科學(xué)性及參考價值，對于準(zhǔn)確估算區(qū)域性奶牛糞便管理過程中CH4和N2O的排放量具有實際指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

采用模擬試驗并結(jié)合實地調(diào)研的方法，以準(zhǔn)確估算區(qū)域內(nèi)奶牛糞便管理系統(tǒng)中的CH4和N2O排放量。

1.1 延慶區(qū)奶牛場調(diào)研

作者于2016年7月3日—8月2日對延慶區(qū)26家奶牛養(yǎng)殖場/小區(qū)進(jìn)行了全面的實地調(diào)研，主要包括養(yǎng)殖規(guī)模、飼養(yǎng)方式、采食及日糧成分和組成比例、清糞方式及頻率、糞便處理及利用方式等，以準(zhǔn)確獲取奶牛養(yǎng)殖數(shù)量以及牛場糞便管理信息。

1.2 模擬試驗

在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京上莊實驗站，利用動態(tài)箱法[6-7]對春、夏、秋季奶牛糞便單位質(zhì)量VS的CH4及單位質(zhì)量的N2O排放量進(jìn)行了模擬研究，春、夏、秋季糞槽內(nèi)牛糞質(zhì)量分別為599.4、503.1、494.8 kg，每批次試驗時間為1個月左右，模擬時實驗室內(nèi)溫度與不同季節(jié)平均溫度相接近。具體時間分別為：春季（2016年4月12日—2016年5月11日），夏季（2017年9月4日—2017年10月4日），秋季（2015年10月29日—2015年11月27日）。每個季節(jié)試驗均設(shè)置3組動態(tài)箱，取試驗結(jié)果平均數(shù)。

由于需要模擬不同季節(jié)溫室氣體排放，試驗周期長、準(zhǔn)備工作復(fù)雜，測量系統(tǒng)需要精確穩(wěn)定，因此本文的試驗是在不同年份內(nèi)分批次完成的。試驗期間，實驗室內(nèi)9月平均氣溫與室外夏季溫度接近，可以較好的為夏季氣體排放提供數(shù)據(jù)支撐。由于國內(nèi)已有冬季相關(guān)氣體排放的數(shù)據(jù)發(fā)表，作者評估認(rèn)為該數(shù)據(jù)可以比較準(zhǔn)確的反映冬季的排放量，因此本文未開展冬季的模式試驗研究。

1.2.1 試驗裝置

試驗裝置由動態(tài)箱、自制的多路氣體采集系統(tǒng)（多路器）以及在線氣體分析系統(tǒng)組成，試驗裝置如圖1所示。

1. 多路器（6路） 2. 紅外光聲譜氣體監(jiān)測儀 3. 數(shù)據(jù)收集、儲存終端 4.室外進(jìn)氣口 5. 氣泵 6. 動態(tài)箱進(jìn)氣口 7. 動態(tài)箱出氣口 8. 密封膠條 9. 數(shù)據(jù)采集器 10. T型熱電偶11. 室外 12. 室內(nèi) 13. 室內(nèi)地面 14. 糞便 15. 墻體

動態(tài)箱分為頂蓋和糞槽2部分，動態(tài)箱糞槽內(nèi)部尺寸為0.8 m×0.8 m×0.8 m（長×寬×高），裝糞體積為0.8 m× 0.8 m×0.75 m。在糞槽側(cè)壁預(yù)留直徑為2 cm小孔用于埋植T型熱電偶以監(jiān)測糞便溫度。在試驗過程中用橡皮塞密封，防止氣體外溢。埋植孔分為上、中、下3層，中心距糞槽底部的高度分別為30、50和70 cm。

糞槽上方設(shè)有機玻璃頂蓋，尺寸為0.9 m×0.9 m×0.1 m（長×寬×高），在頂蓋兩側(cè)高5 cm處分別設(shè)置進(jìn)氣口和出氣口，直徑分別為0.8和2 cm。頂蓋進(jìn)氣口處安裝長度為30 cm氣體分流管，利用氣泵將室外空氣經(jīng)分流管均勻泵入糞槽，以模擬自然堆放過程中糞便表面風(fēng)速。頂蓋上的圓形有機玻璃出氣孔長10 cm、內(nèi)徑0.6 cm，與自制多路器的氣體采樣管相連。試驗過程中，糞槽與頂蓋的連接處用密封膠密封，防止氣體外泄。

自制的多路器總共有6個通道，采用電磁繼電器在不同的采樣點之間按照設(shè)定的時間進(jìn)行循環(huán)切換。多路器與每個動態(tài)箱的進(jìn)氣口與出氣口相連，并將氣樣輸送到氣體分析儀中進(jìn)行氣體濃度實時在線檢測。

1.2.2 CH4、N2O氣體濃度及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

通過多路器和氣體分析儀對3個動態(tài)箱的輸入和排出的CH4和N2O濃度進(jìn)行連續(xù)在線測試。試驗過程中，先對一個動態(tài)箱進(jìn)氣口采樣10 min、再對該動態(tài)箱出氣口采樣10 min，之后以此類推對下一個動態(tài)箱進(jìn)行測試，如此循環(huán)。

CH4和N2O濃度采用紅外光聲譜多種氣體監(jiān)測儀（INNOVA 1412i，美國LumaSense公司）進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。INNOVA 1412i對所輸入的氣體每2 min檢測1次。為避免采樣管路中殘留氣體的影響，每次采樣的前2 min數(shù)據(jù)丟棄不用。

試驗進(jìn)行前，將鮮牛糞充分混勻，并取糞便樣品分析其理化性質(zhì)，分析指標(biāo)包括干物質(zhì)量（dry matter，DM，105 ℃烘干24 h）、揮發(fā)性固體（VS，550 ℃燃燒樣品 4 h）。糞便填裝時用電子天平稱其質(zhì)量，糞槽內(nèi)預(yù)留5 cm的高度，防止糞便因發(fā)酵而導(dǎo)致糞便高度上升造成外溢。試驗期間分別用Testo溫濕度傳感器和安捷倫數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34970）對環(huán)境溫度及糞便內(nèi)部（糞核）溫度進(jìn)行監(jiān)測，每5 min記錄1次。

1.3 CH4和N2O排放量估算

1.3.1 模擬試驗CH4和N2O排放量估算

模擬試驗中CH4和N2O可通過公式（1）計算氣體排放通量：試驗過程中每千克鮮牛糞的排放通量根據(jù)進(jìn)出氣口氣體濃度差、通氣量、鮮糞的質(zhì)量計算。

上式中為不同季節(jié)模擬試驗中單位質(zhì)量牛糞VS的CH4排放通量或單位質(zhì)量牛糞的N2O排放通量，mg/(kg·h)；C為進(jìn)氣口濃度，mg/m3；C為出氣口濃度，mg/m3；air為空氣流量，L/min；為鮮糞質(zhì)量，kg。

對于CH4氣體排放量而言，為鮮糞VS質(zhì)量，VS質(zhì)量可按公式（2）計算得到：

上式中VS為以干物質(zhì)為基礎(chǔ)的日揮發(fā)性固體排泄量，kg/(頭·d)；GE為總能攝取，MJ/d；DE%為飼料中可消化量的百分比；(UEGE為GE的尿中能量，《IPCC 國家溫室氣體清單優(yōu)良作法指南和不確定性管理》中指出多數(shù)反芻家畜排泄的尿中能量為0.04 GE；ASH為糞便中灰分含量，%；18.45為單位質(zhì)量干物質(zhì)日糧總能的轉(zhuǎn)化因子，MJ/kg。

1.3.2 延慶區(qū)奶牛糞便堆放過程中的CH4和N2O排放量估算

1）CH4排放量估算

將模擬試驗得到的不同季節(jié)奶牛糞便單位質(zhì)量VS一個月的CH4排放量與糞便VS排泄質(zhì)量相乘，經(jīng)計算可得每個季度CH4排放量，各季度排放量相加即為年排放量，計算公式如（3）所示，其中春、夏、秋季數(shù)據(jù)為試驗?zāi)M結(jié)果，冬季數(shù)據(jù)借鑒已有研究結(jié)果。

上式中Q為每天單位質(zhì)量VS的CH4排放量，kg/kg；=30。根據(jù)公式（1）計算得到。

2）N2O排放量估算

N2O區(qū)域排放估算方式與CH4類似，如公式（5）所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)研結(jié)果分析

2016年調(diào)研結(jié)果顯示，延慶區(qū)當(dāng)年奶牛養(yǎng)殖場共計26家，存欄量均在1 000頭以下，總計存欄8 895頭。養(yǎng)殖場均為牛舍結(jié)合運動場的飼養(yǎng)模式，清糞方式存在一定的差異，其中鏟車清糞占42%，人工清糞占50%，刮板清糞占8%，牛舍平均每天清糞1至2次，運動場清糞頻率2次/d至1次/周。大部分養(yǎng)殖場將糞便直接堆放在牛場中，堆放時間因季節(jié)變化而存在差異，但均在一個月內(nèi)。為更為準(zhǔn)確的測算該地區(qū)CH4排放量，引用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以確定VS值。實地調(diào)研結(jié)果也表明，所調(diào)研26家奶牛場VS與標(biāo)準(zhǔn)值接近。根據(jù)調(diào)研結(jié)果、公式（2）以及農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T34-2004中飼料組分能量表計算得出延慶區(qū)奶牛日VS排泄量為28.09 t，VS排泄率為 3.2 kg/(頭·d)，而IPCC指南中亞洲默認(rèn)值為2.8 kg/(頭·d)，說明北京延慶區(qū)的飼料組成、品質(zhì)及飼喂量與亞洲整體狀況存在一定的差別?！兜谝淮稳珖廴驹雌詹樾笄蒺B(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊》[9]中提出華北地區(qū)育成牛、產(chǎn)奶牛的糞便產(chǎn)量分別為14.83、32.86 kg/(頭·d)，折算可得延慶區(qū)奶牛糞便日排泄量約為228.14 t。

2.2 CH4氣體排放分析

2.2.1 不同季節(jié)單位質(zhì)量VS的CH4排放量

春、夏、秋、冬[8]奶牛糞便揮發(fā)性物質(zhì)（VS）占干物質(zhì)的比例分別為79.6%、80.4%、86.1%、85.6%。糞便理化特性是CH4排放的重要影響因素，其排放量在一定程度上與揮發(fā)性物質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系。因此在糞便管理過程中，CH4排放量經(jīng)常采用VS含量及相應(yīng)的排放因子進(jìn)行估算[10-11]。

由圖2a, 2b, 2c可知，不同季節(jié)模擬試驗中環(huán)境溫度與糞核溫度變化趨勢呈現(xiàn)一致性，且差異不大。奶牛糞便單位質(zhì)量VS的CH4排放量總體上在試驗前中期排放量較大，后期排放較小，與相關(guān)研究規(guī)律相似[12-14]。夏季CH4排放量出現(xiàn)2個峰值，春、夏、秋季奶牛糞便單位質(zhì)量VS的CH4排放高峰時間分別為第11天、第5天、第8天，與相關(guān)學(xué)者在不同季節(jié)奶牛糞便自然堆放發(fā)酵研究的結(jié)果一致[15]。夏季出現(xiàn)2個排放高峰，原因可能為：堆糞前期存在大量氧氣，更趨于有氧條件下降解，甲烷產(chǎn)氣出現(xiàn)短暫峰值。隨著時間的累積，氧氣濃度下降，逐漸轉(zhuǎn)化為厭氧發(fā)酵，奶牛糞便在無氧狀態(tài)下主要分解為甲烷[16]，在底物濃度充足的情況下，細(xì)菌數(shù)量越多產(chǎn)氣越高，氣體產(chǎn)量再次升高。隨后，糞便有機物逐漸被消耗，反應(yīng)底物的減少導(dǎo)致氣體的產(chǎn)量再次下降[14]。春、夏兩季試驗期間僅出現(xiàn)一次排放峰值，隨著反應(yīng)進(jìn)行，產(chǎn)甲烷菌數(shù)量增多，逐漸提升氣體產(chǎn)量，糞便有機物的消耗以及產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的穩(wěn)定，排放峰值后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

圖2 不同季節(jié)試驗CH4排放通量

春、夏、秋季的奶牛糞便單位質(zhì)量VS的CH4排放量分別是223.97、4 603.31、351.38 mg/kg。全年奶牛糞便CH4排放量主要集中在夏季，約占全年的87%，分別是春季的20.6倍，秋季的13.1倍，原因在于夏季溫度較其他季節(jié)高，在一定的溫度范圍內(nèi)，糞便的CH4排放量與溫度呈正相關(guān)關(guān)系[17-18]。

2.2.2 延慶區(qū)奶牛糞便CH4年總排放量

通過試驗得出的春、夏、秋季單位質(zhì)量VSCH4排放量及陸日東[8]冬季試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合奶牛場VS排泄量，得出延慶區(qū)全年奶牛糞便CH4的排放總量為13 342.50 kg，折算約為373.59 t 二氧化碳當(dāng)量。由此計算可得甲烷排放因子（EF）為1.50 kg/(頭·a)，而采用IPCC方法2中的參數(shù)默認(rèn)值計算得出的EF為1.78 kg/(頭·a)，約為本文研究結(jié)果的1.2倍，原因在于延慶區(qū)自然堆放的牛糞處理模式堆放持續(xù)時間較短，春、夏、秋季試驗在第30天CH4排放量基本達(dá)到穩(wěn)定，與相關(guān)研究結(jié)果相比具有一定差距[8,15,19]，與IPCC指南中數(shù)月的堆放時間相比，堆放時間僅為30 d的牛糞仍然具有持續(xù)釋放CH4的能力，因而導(dǎo)致單位質(zhì)量VS的累計CH4排放量較低，從而使EF值較IPCC默認(rèn)值低。

2.3 N2O氣體排放分析

2.3.1 不同季節(jié)N2O排放量

由圖3a, 3b, 3c可知，春季試驗中，前一周的N2O排放量較低，之后排放量迅速上升達(dá)到峰值（0.98 mg/kg），隨后又迅速下降趨于平穩(wěn)。夏季試驗中，前9天N2O排放量隨著糞核溫度升高而降低，隨后N2O排放量隨著糞核溫度降低而升高?？赡茉从诙鸭S前期充分與氧氣接觸，主要進(jìn)行表面硝化反應(yīng)，待內(nèi)部氧氣濃度降低以及表面底物消耗，由外而內(nèi)逐步轉(zhuǎn)化反硝化反應(yīng)，后期溫度變化維持在20～25 ℃內(nèi)，在反應(yīng)底物濃度充足以及微生物數(shù)量眾多的情況下，該溫度范圍對微生物活性影響較小，產(chǎn)氣量依舊升高。秋季試驗中，前19天排放量波動較大，與溫度無明顯相關(guān)性，之后N2O排放量隨著糞核溫度降低而升高。奶牛糞便在不同季節(jié)中N2O排放量差異較大，春、夏。秋奶牛糞便單位質(zhì)量的N2O排放量分別為5.86、9.43、0.81 mg/kg，排放主要集中于春、夏兩季，受溫度影響較大，溫度越高，排放量越大。糞便在堆放的前期N2O排放量較小，后期較大，與糞便自然堆放N2O排放機制相符。N2O來源于硝化與反硝化過程，而其排放主發(fā)生于反硝化過程[20-22]。試驗前期主要處于硝化過程，隨著水分蒸發(fā)和糞便表面結(jié)殼為內(nèi)部反硝化反應(yīng)提供厭氧環(huán)境，增加N2O排放量。

圖3 不同季節(jié)試驗N2O排放通量

2.3.2 延慶區(qū)奶牛糞便N2O年總排放量

通過試驗得出的春、夏、秋季單位質(zhì)量的N2O排放量及陸日東[8]冬季試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合奶牛場糞污排泄量，可得延慶區(qū)全年N2O排放量為347.87 kg，約為92.19 t二氧化碳當(dāng)量，計算得延慶區(qū)奶牛糞便堆放過程中N2O排放量為0.04 kg/(頭·a)，與國外所報道的0.10～0.40 kg/(頭·a)的排放范圍具有一定差距[16,23-24]，差異可能源于地域、糞污管理方式以及糞便組成等因素。

《畜禽糞污土地承載能力測算技術(shù)指南》[25]中指出以1頭豬當(dāng)量的氮排泄量11.0 kg/(頭·a)為基準(zhǔn)，按100頭豬相當(dāng)于15頭奶牛的氮排泄量折算，則1頭奶牛的氮排泄量為73.3 kg/(頭·a)，計算可得N2O的排放因子為0.000 4 kg /kg，顯著小于IPCC推薦值0.005 kg /kg。糞便管理過程中的貯存時間對N2O排放因子的估算至關(guān)重要。在糞便堆放前期的N2O排放量，隨著堆放時間的推移，逐漸出現(xiàn)排放高峰，甚至80%～95%的N2O排放量出現(xiàn)堆放的3周后，堆放10周后排放速率開始下降[26-28]。因此，本文的N2O排放因子遠(yuǎn)小于IPCC默認(rèn)值的可能原因是：調(diào)研地區(qū)糞便堆放時間均在一個月內(nèi)，遠(yuǎn)小于IPCC默認(rèn)值所對應(yīng)的80 d，N2O排放高峰主要集中于堆放后期，如延長糞便的堆放時間，其排放量勢必隨之增大；此外，由于奶牛個體及飼料組分的差別，也會造成糞便堆放過程中N2O排放的不同。

3 結(jié) 論

在春、夏、秋模擬試驗中CH4排放差異顯著，季節(jié)性變化明顯。奶牛糞便單位質(zhì)量揮發(fā)性固體（VS）在春、夏、秋季的CH4排放總量分別為223.97、4 603.31、351.38 mg。2016年北京延慶區(qū)奶牛糞便CH4排放總量為13 342.5 kg（373.59 t二氧化碳當(dāng)量）。

N2O排放受季節(jié)溫度影響顯著，主要集中于春、夏兩季。模擬試驗中單位質(zhì)量奶牛糞便在春、夏、秋季的N2O排放總量分別為5.86、9.43、0.81 mg。2016年北京延慶地區(qū)奶牛糞便N2O排放總量為347.87 kg（92.19 t 二氧化碳當(dāng)量）。

使用IPCC默認(rèn)值對延慶區(qū)奶牛糞便CH4、N2O排放量進(jìn)行估算，會造成排放量高估。

[1] Steinfeld H, Gerber P, Wassenaar T, et al. Livestock's Long Shadow: Environmental Issues and Options[M]. LEAD- FAO, 2006.

[2] IPCC Working Group I. Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [M]. Cambridge University Press, 2014.

[3] 國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司. 中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報[M]. 北京：中國經(jīng)濟出版社，2013.

[4] Houghton J T. Climate Change 1994: Radiative Forcing of Climate Change and an Evaluation of the IPCC 1992 IS92 Emission Scenarios[M]. Cambridge University Press, 1995.

[5] Kaharabata S, Schuepp P, Desjardins R. Methane emissions from above ground open manure slurry tanks[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1998, 12(3): 545－554.

[6] Li H, Xin H, Liang Y. Effects of stack surface to volume ratio and air exchange rate on ammonia emission of laying hen manure storage[C]. AWMA 28th Annual Conference & Exhibition, 2005.

[7] Berg W, Brunsch R, Pazsiczki I. Greenhouse gas emissions from covered slurry compared with uncovered during storage [J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2006, 112(2–3): 129－134.

[8] 陸日東，李玉娥，萬運帆，等. 堆放奶牛糞便溫室氣體排放及影響因子研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(8)：198－204. Lu Ridong, Li Yue, Wan Yunfan, et al. Emission of greenhouse gases from dairy manure and influence factors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(8): 198－204. (in Chinese with English abstract)

[9] 第一次全國污染源普查資料編纂委員會. 污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[10] Sommer S G, Petersen S O, M?ller H B. Algorithms for calculating methane and nitrous oxide emissions from manure management[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2004, 69(2): 143－154.

[11] Prusty S, Sontakke U, Kundu S S. Review: Methane and nitrous oxide emission from livestock manure[J]. African Journal of Biotechnology, 2014, 13(13): 4200－4207.

[12] Osada T, Kuroda K, Yonaga M. Determination of nitrous oxide, methane, and ammonia emissions from a swine waste composting process[J]. Journal of Material Cycles & Waste Management, 2000, 2(1): 51－56.

[13] Wolter M, Prayitno S, Schuchardt F. Greenhouse gas emission during storage of pig manure on a pilot scale[J]. Bioresource Technology, 2004, 95(3): 235－244.

[14] Kuroda K, Osada T, Yonaga M, et al. Emissions of malodorous compounds and greenhouse gases from composting swine feces[J]. Bioresource Technology, 1996, 56(2): 265－271.

[15] 龔飛飛，孫斌，孟克巴特，等. 春季、秋季荷斯坦泌乳牛牛糞自然發(fā)酵下CH4、CO2和NH3釋放量的研究[J]. 中國畜牧雜志，2013，49(11)：79－82.

[16] 安娟，趙曉川. 反芻動物甲烷排放機制及其調(diào)控[J]. 飼料工業(yè)，2006，27(13)：57－59.

[17] Amon B, Amon T, Boxberger J, et al. Emissions of NH3, N2O and CH4from dairy cows housed in a farmyard manure tying stall (housing, manure storage, manure spreading)[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2001, 60(1/2/3): 103－113.

[18] Massé D I, Masse L, Claveau S, et al. Methane emissions from manure storages[J]. Transactions of the ASABE, 2008, 51 (5):1775－1781.

[19] 龔飛飛，孫斌，孟克巴特，等. 夏季荷斯坦泌乳牛牛糞自然發(fā)酵下CH4、CO2和NH3釋放量的研究[J]. 中國畜牧雜志，2013，49(13)：64－66.

[20] 吳偉祥，李麗劼，呂豪豪，等. 畜禽糞便好氧堆肥過程N2O排放機制[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23(6)：1704－1712. Wu Weixiang, Li Lijie, Lü Haohao, et al. Mechanisms of nitrous oxide emission during livestock manure aerobic composting[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(6): 1704－1712. (in Chinese with English abstract)

[21] Yoshida N, Toyoda S. Constraining the atmospheric N2O budget from intramolecularsite preference in N2O isotopomers [J]. Nature, 2000, 405(6784): 330－334.

[22] Maeda K, Toyoda S, Shimojima R, et al. Source of nitrous oxide emissions during the cow manure composting process as revealed by isotopomer analysis of and amoA abundance in betaproteobacterial ammonia-oxidizing bacteria[J]. Applied & Environmental Microbiology, 2010, 76(5): 1555－1562.

[23] Sneath R W, Beline F, Hilhorst M A, et al. Monitoring GHG from manure stores on organic and conventional dairy farms [J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2006, 112(2/3): 122－128.

[24] Borhan M S, Capareda S C, Mukhtar S, et al. Greenhouse gas emissions from ground level area sources in dairy and cattle feedyard operations [J]. Atmosphere, 2011, 2(3): 303－329.

[25] 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息中心. 畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南[J]. 甘肅畜牧獸醫(yī)，2018(1)：18－20.

[26] 王效琴，李文圣，王旭東，等. 不同泌乳期奶牛糞便碳氮變化與溫室氣體排放特點研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(3)：179－185.Wang Xiaoqin, Li Wensheng, Wang Xudong, et al. Greenhouse gases emissions and varies of carbon and nitrogen of manure from different lactating period cows[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 179－185. (in Chinese with English abstract)

[27] Aguerre M J, Wattiaux M A, Powell J M. Emissions of ammonia, nitrous oxide, methane, and carbon dioxide during storage of dairy cow manure as affected by dietary forage-to-concentrate ratio and crust formation[J]. Journal of Dairy Science, 2012, 95(12): 7409－7416.

[28] Ahn H K, Mulbry W, White J W, et al. Pile Mixing increases greenhouse gas emissions during composting of dairy manure[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(3): 2904－2909.

Estimation of annual CH4and N2O emissions from solid dairy manure storage in Yanqing of Beijing based on dynamic chamber method

Hu Bin1,2, Zhao Haoxiang1,2, Wang Yejian1,2, Wang Chaoyuan1,2,3※, Shi Zhengxiang1,2,3, Wan Hang4, Peng Tao4

(1.100083,; 2.100083; 3.100083,; 4.102100,)

Greenhouse gases, such as methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) caused by manure storage inside the dairy farms are important contributors of global emissions to atmosphere, which is considered as the primary factor driving global warming. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) guideline (Tier 2 for example) released in 2006 is treated as an authoritative method in estimating CH4and N2O emissions from the animal manure management of a region, while its accuracy highly depends on the reliabilities of the parameters, including the CH4and N2O emission factor (EF). While, different manure management modes and climatic conditions will lead to huge difference of the factors, and the estimation based on default factor of IPCC may result in a big deviation in the emissions from the manure management for a country or an area. Using the IPCC method, this paper simulated CH4and N2O emissions from short-term stacked dairy manures in spring, summer and autumn by the dynamic chamber technique in the laboratory, and the annual emissions of CH4and N2O from the manure management in Yanqing dairy farms was estimated based on the simulation results, as well as the field investigation on dairy management method and manure production. Finally, CH4and N2O emission factor of the dairy manure management were calculated and compared with the defaults of IPCC. Results showed that CH4emissions from the simulated dairy manure stockpiles were 223.97, 4 603.31 and 351.38 mg in spring, summer and autumn, respectively. The total CH4emission of solid dairy manure management in Yanqing, Beijing was 13 342.50 kg in 2016, or 373.59 t CO2equivalent. CH4emission factor of solid manure storage from the simulation was 1.50 kg/(head·yr), which was statistically less than 1.78 kg/(head·yr) calculated from the default values of the relevant parameters in the IPCC guidelines. N2O emission from the simulated dairy manure stockpiles were 5.86, 9.43 and 0.81 mg/kg in spring, summer and autumn, respectively. Total N2O emission of solid dairy manure management in Yanqing, Beijing was 347.87 kg in 2016, or 92.19 t CO2equivalent. N2O emission factor of solid manure storage from the simulation was 0.0004 kg/kg, which was significantly less than the defaulted value of 0.005 kg/kg in the IPCC guidelines. The difference on the emission factors could be partially explained by the storage period of collected manures from the barns and the open lots of dairy farms in Yanqing, Beijing, which was general less than 4 weeks, and quite differed from the circumstance that the default EFs of CH4and N2O in IPCC guidelines. Thus, estimating the CH4and N2O emissions from Yanqing area of Beijing with the default values of CH4and N2O emission factors in the IPCC guidelines, the flux will be highly overestimated.

manures; emission control; methane; nitrous oxide; emission factor

胡 彬，趙浩翔，王業(yè)健，王朝元，施正香，萬 航，彭 濤.基于動態(tài)箱法的北京延慶區(qū)牛糞堆放CH4和N2O排放量估算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：198－203. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.025 http://www.tcsae.org

Hu Bin, Zhao Haoxiang, Wang Yejian, Wang Chaoyuan, Shi Zhengxiang, Wan Hang, Peng Tao.Estimation of annual CH4and N2O emissions from solid dairy manure storage in Yanqing of Beijing based on dynamic chamber method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 198－203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.025 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.025

X16

A

1002-6819(2019)-03-0198-06

2018-08-14

2019-01-12

國家自然科學(xué)基金面上項目“開放式奶牛運動場與糞污堆貯設(shè)施N2O排放規(guī)律研究”（31472132）；國家自然科學(xué)基金面上項目“奶牛場溫室氣體排放特征研究與排放機理模型構(gòu)建”（31172244）

胡 彬，博士生，主要從事設(shè)施畜禽養(yǎng)殖環(huán)境方向研究。 Email：hubin@cau.edu.cn

王朝元，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施畜禽養(yǎng)殖過程控制與環(huán)境方向研究。Email：gotowchy@cau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：王朝元（E041200616S）