基于生命周期的我国畜禽养殖业碳排放核算

针对我国畜禽养殖业目前碳排放核算方法学的研究相对缺乏,难以满足核算实践需求的问题,参考联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)国家温室气体清单指南以及生命周期评价(LCA)的相关核算方法,结合国内畜禽养殖业文献调研Meta分析数据和Ecoinvent数据库中相关数据,对排放因子等重新确定缺省值或者参考值,构建出从畜禽“饲养-清粪-存储-粪污处理”全生命周期的养殖业碳排放核算方法.结果表明,畜禽养殖业碳排放主要来源于粪污处理及能源消耗环节,对于反刍动物来说,饲喂环节肠道发酵产生的排放为最主要来源.通过误差传递方程分析该方法不确定性较低,该方法可实现对我国畜禽养殖业碳足迹进行科学的估算,并为减排技术的筛选及减排潜力评估进行理论支撑.

华北地区蛋鸡养殖产业碳排放核算

华北地区是中国蛋鸡养殖的主要区域,摸清华北地区蛋鸡养殖产业碳排放清单,开展科学规范的蛋鸡养殖产业碳排放核算,可为中国畜牧业碳减排技术筛选和政策制定提供依据。该研究利用混合生命周期评价和联合国政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change,IPCC)国家温室气体清单指南的相关核算方法,结合实地调研数据、GABI软件中Ecoinvent数据库和中国蛋鸡养殖业文献Meta分析数据,对华北地区蛋鸡养殖产业碳排放因子进行完善,构建出“饲料种植-蛋鸡饲养-鸡蛋包装-粪污存储-粪污处理”全生命周期的蛋鸡养殖产业碳排放核算方法。并将该方法用在华北某区域362家蛋鸡养殖场,综合分析蛋鸡养殖产业链各环节碳排放量,找到目前存在的碳排放问题,并提出碳减排建议。结果表明:1)大规模养殖场每羽蛋鸡1 a的碳排放量(以二氧化碳当量计,CO_(2)-eq)为23.0 kg,较小规模养殖场的25.6 kg和中等规模养殖场的24.4 kg少10.1%和5.7%。2)对每羽蛋鸡不同养殖环节1 a的碳排情况进行分析,发现饲料种植、蛋鸡肠道发酵、鸡蛋包装和粪便存储处理为主要排放源,排放量分别为13.0、2.2、2.2和1.2 kg。3)建议通过精准饲养,提高饲料利用率、提升畜禽粪污的处理水平、打破蛋鸡养殖固化模式等方式减少蛋鸡养殖碳排放。该研究可为蛋鸡养殖产业碳排放核算提供方法,并为制定碳减排政策提供科学依据。

锯末覆盖对沼液贮存过程温室气体排放的影响

为有效控制沼液贮存过程中的温室效应,以锯末为覆盖材料,探究在沼液贮存过程中不同覆盖厚度(2、4 cm和6 cm)对氨气(NH_(3))和温室气体[氧化亚氮(N_(2)O)和甲烷(CH_(4))]排放、微生物群落结构的影响,以综合温室效应为评价指标,筛选出经济有效的降低温室效应的覆盖厚度。结果表明:锯末2、4 cm和6 cm覆盖对NH_(3)减排率分别为37.5%、19.4%和24.2%;对N_(2)O减排率分别为-84.7%、41.9%和44.6%;对CH_(4)减排率分别为-18.7%、16.3%和23.7%。从微生物群落结构来看,各覆盖处理均降低了与碳、氮循环相关的微生物丰度,减弱了沼液内部有机质的分解和温室气体的产生。然而,随着覆盖厚度的增加,锯末材料沉降腐解增强,对碳、氮循环功能削弱效果逐渐降低,但是对气体逸出的吸附和阻碍作用仍然随着覆盖厚度的增加而增强,沼液产生的总CO_(2)当量也逐渐减小。综合各种温室效应贡献气体排放情况,不覆盖处理和锯末2、4、6 cm覆盖处理的单位体积沼液35 d产生的总CO_(2)当量分别为10.2、13.0、7.9、7.3 g CO_(2)e·L-1,因此,采用4 cm厚的锯末覆盖沼液是较为经济有效的覆盖方案。

农业系统碳排放构成及演变——以衢州市为例

为探究农业系统中不同子系统碳排放时空变化,明确农业系统与各级子系统对环境碳排放的贡献度以及关键的排放源,制定适宜的温室气体靶向减排策略,本研究以浙江省衢州市农业综合系统为研究对象,分析了衢州市2004—2021年6个县市4个子系统(作物子系统、养殖子系统、初级食品生产子系统和土壤子系统)的碳排放与碳固存时空变化规律,构建了作物子系统、养殖子系统、初级食品生产子系统和土壤子系统数据库,并基于生命周期理论和IPCC温室气体核算方法,开发了一个农业系统碳管理模型。结果表明:各县市碳排放总体呈“增-减-增-减”趋势,2013年衢州市农业系统碳达峰,随后波动式下降,2021年农业系统总碳排放353.8万t,相比2013年减排185.7万t;作物子系统和初级食品生产子系统平均碳排放占比最高,分别为88.4%和10.7%。不同区域存在较大的空间差异,衢江区、江山市、龙游县地区(高贡献区)的碳排放贡献度高于柯城区、常山县、开化县(低贡献区)。“十二五”中期以后,作物子系统、初级食品生产子系统碳排放量按高、低贡献区逐渐走向收敛,而各县市养殖子系统整体收敛。目前,衢州市已经基本实现农业系统碳达峰,但单个子系统仍有较高的碳排放强度,尤其是作物子系统,且土壤子系统的固碳潜力未充分发挥。因此,在探索衢州市现有农业规模的条件下降低碳排放强度时,应重点考虑发挥土壤碳汇潜力的具体行动方案,以及如何进一步加强子系统的耦合协调度。

常规施肥对土壤水稳性团聚体镉吸附解吸特性及化学形态的影响研究

土壤团聚体是土壤颗粒的主要存在形式,对重金属在土壤中的富集和生物有效性具有重要影响。施肥方式会影响土壤团聚体的粒径分布和理化特性,但是不同粒径团聚体自身理化特性对重金属富集和赋存化学形态的影响仍缺乏系统研究。选取两种施肥处理(常规施肥和不施肥)的水稳性团聚体颗粒为研究对象,采用平衡等温法研究各粒级团聚体中镉(Cd)的吸附解吸特性和赋存化学形态,探讨施肥-团聚体理化特性-Cd吸附解吸及其赋存化学形态的内在关系。结果表明:相比未施肥处理,常规施肥处理能够显著增加大粒径团聚体(>53μm)占比及其有机质、游离氧化铁(特别是无定形氧化铁)、全氮、有效磷和速效钾含量。与未施肥处理不同,常规施肥处理原土及各粒径团聚体对Cd^(2+)的吸附解吸过程符合Freundlich方程,可达到非均匀多层吸附,其中2 000—250μm粒径团聚体对Cd^(2+)的吸附、固持能力最强,随着粒径的减小,对Cd^(2+)的吸附、固持能力均降低,主要与其游离氧化铁(特别是无定形氧化铁)、有机质、有效磷及全氮含量呈显著正相关。随着溶液中Cd^(2+)初始浓度的增大,各粒径团聚体对Cd^(2+)的吸附、解吸能力均增加。原土及各粒径团聚体固持Cd^(2+)的化学形态以交换态为主,其中2 000—250μm粒径团聚体交换态Cd占比最低,为66.0%。常规施肥处理使各粒径团聚体中交换态Cd和有机结合态Cd含量显著降低,铁锰氧化物结合态Cd和残渣态Cd含量显著增加。由此可以得出,适当施肥处理能够增加团粒胶结物质含量,有利于大团聚结构生成,提高土壤颗粒对Cd^(2+)的固持能力,促使固持的Cd^(2+)向更稳定的形态转化,降低其生物活性和迁移能力。

纳滤膜孔径对沼液超滤透过液养分富集与膜污染行为的影响

超滤(ultrafiltration,UF)能有效浓缩沼液,但透过液中仍含有大量养分,可进一步采用纳滤(nanofiltration,NF)等精密膜浓缩利用。NF膜的孔径会直接影响膜的截留特性和通量,从而影响浓缩性能。为了探究NF膜孔径对沼液浓缩过程养分富集效果和膜污染行为的影响,该研究以鸡粪沼液的UF透过液为研究对象,分别采用800 D、500 D、100 D的NF膜(平均膜孔径分别为2.0、1.0、0.5 nm)进行浓缩,重点分析养分截留效果和膜污染特征。结果表明:不同孔径的NF膜均能高效截留化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)和总磷(total phosphorus,TP),截留率可达68%以上,但对总氮(total nitrogen,TN)和总钾(total potassium,TK)的截留较低,仅为19%~35%。随着膜孔径降低,NF对COD、TN、TP、TK的截留效果略有提高,但整体差异不明显。不同孔径NF膜在沼液浓缩过程均出现了明显的水通量降低。与1.0 nm的NF膜相比,0.5 nm膜较小的孔径和2.0 nm膜较大的初始通量均会导致膜表面有机—无机致密污染层的形成,从而造成水通量快速降低;而1.0 nm膜表面形成的以无机晶体为主的污染层较为疏松,通量下降较为缓慢。综合养分截留效果和水通量变化规律,确定孔径为1.0 nm的NF膜更适用于浓缩沼液的UF透过液,研究结果可为推动沼液膜浓缩的发展与工程应用提供理论与技术支撑。

生物质覆盖对沼液污染气体排放的影响及机制

为探究锯末、园林废弃物和玉米秸秆在相同覆盖质量(650g)下对奶牛场黑膜沼气池发酵产生的沼液贮存过程中污染气体排放的影响,采用动态箱法测试了3种材料覆盖下沼液的氨气(NH_(3))、硫化氢(H_(2)S)、氧化亚氮(N_(2)O)、甲烷(CH_(4))和二氧化碳(CO_(2))的排放量.结果表明,与不覆盖处理相比,覆盖对NH_(3)有明显的减排效果,但N_(2)O、CH_(4)、CO_(2)和H_(2)S的排放量有所增加,从而提高了综合温室效应.总CO_(2)排放当量增幅为:园林废弃物(26.0%)>玉米秸秆(24.7%)>锯末(12.9%).从微生物群落结构来看,覆盖处理抑制了具有化能异养、好氧化能异养、硝酸盐氨化、硝酸盐还原、亚硝酸盐呼吸和硝酸盐呼吸等功能的微生物活性,降低了沼液内部的碳、氮、硫循环强度.与园林废弃物和玉米秸秆相比,锯末覆盖明显降低了沼液内部拟杆菌科(Bacteroidaceae)和紫单胞菌科(Porphyromonadaceae)等细菌的相对丰度,对沼液内部的碳、氮循环抑制作用最大,更好地减弱了沼液内部的有机质分解和污染气体产生.然而,覆盖下的沼液总CO_(2)排放当量却有所增加,这可能是由于材料覆盖厚度较小,导致覆盖的生物质材料腐解对气体排放的贡献大于覆盖材料对气体产生的抑制作用和对气体排放的阻挡、吸附作用.基于上述研究,锯末覆盖材料最难分解以致总CO_(2)当量增加最少,且形成的隔层对沼液内部碳、氮循环的抑制作用最强,表现出较好的温室气体减排潜力.因此,应进一步研究更高厚度的锯末材料覆盖沼液对气体排放的影响,确定合适的覆盖参数,以实现沼液贮存过程中的污染气体减排.

膜孔径对沼液超滤浓缩过程养分和污染物富集的调控作用

为确定适用于沼液浓缩的低污染高截留超滤(UF)膜孔径,选取鸡粪沼液为浓缩对象,采用膜孔径为500、100、50、30 KD的UF膜(平均膜孔径分别为20、6、4 nm和3 nm)进行浓缩处理,考察不同孔径UF膜对沼液浓缩过程中养分和风险污染物迁移的调控作用。结果表明:不同孔径UF膜的水通量均呈现快速降低-平稳-再降低的三段式现象,整体降低38%~49%,且低孔径膜下降更为明显。不同孔径UF膜对沼液中有机质的截留效果整体差异不显著,对TP、TN、TK等养分的截留率随孔径缩小而逐渐提高。同时,不同孔径UF膜对Ca、Mg、Fe和Zn 4种中微量元素的截留性能相似,对重金属和抗生素的截留性能也随孔径的缩小而逐步提升,对Cu和Pb的截留率均可达到100%。综合稳定水通量、养分截留和风险污染物富集,确定适用于沼液浓缩的UF膜孔径为100 KD。