摘要：為有效控制沼液貯存過程中的溫室效應(yīng)，以鋸末為覆蓋材料，探究在沼液貯存過程中不同覆蓋厚度（2、4 cm和6cm）對氨氣（NH3）和溫室氣體[氧化亞氮（N2O）和甲烷（CH4）]排放、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，以綜合溫室效應(yīng)為評價指標(biāo)，篩選出經(jīng)濟(jì)有效的降低溫室效應(yīng)的覆蓋厚度。結(jié)果表明：鋸末2、4 cm和6cm覆蓋對NH3減排率分別為37.5%、19.4%和24.2%；對N2O減排率分別為-84.7%、41.9%和44.6%；對CH4減排率分別為-18.7%、16.3%和23.7%。從微生物群落結(jié)構(gòu)來看，各覆蓋處理均降低了與碳、氮循環(huán)相關(guān)的微生物豐度，減弱了沼液內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的分解和溫室氣體的產(chǎn)生。然而，隨著覆蓋厚度的增加，鋸末材料沉降腐解增強(qiáng)，對碳、氮循環(huán)功能削弱效果逐漸降低，但是對氣體逸出的吸附和阻礙作用仍然隨著覆蓋厚度的增加而增強(qiáng)，沼液產(chǎn)生的總CO2當(dāng)量也逐漸減小。綜合各種溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)氣體排放情況，不覆蓋處理和鋸末2、4、6 cm覆蓋處理的單位體積沼液35 d產(chǎn)生的總CO2當(dāng)量分別為10.2、13.0、7.9、7.3g CO2e·L-1，因此，采用4 cm厚的鋸末覆蓋沼液是較為經(jīng)濟(jì)有效的覆蓋方案。

關(guān)鍵詞：鋸末；沼液；覆蓋厚度；溫室效應(yīng)；微生物群落結(jié)構(gòu)

中圖分類號：X713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2104-13 doi：10.11654/jaes.2023-1063

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集約化發(fā)展，在保障肉蛋奶產(chǎn)品供應(yīng)的同時，產(chǎn)生了大量富含氮素和有機(jī)質(zhì)的畜禽糞污。根據(jù)第二次全國污染源普查測算，我國畜禽糞污年產(chǎn)量高達(dá)30.5億t。畜禽糞污如果未能得到及時處理，則會造成水體富營養(yǎng)化、土壤鹽堿化和大氣污染等嚴(yán)重的環(huán)境問題。厭氧發(fā)酵是畜禽糞污資源化利用的重要手段，通過厭氧微生物作用，有機(jī)質(zhì)能夠轉(zhuǎn)化為富含甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的沼氣，實現(xiàn)畜禽糞污的穩(wěn)定化和清潔能源的供給，具有減輕環(huán)境污染和提高經(jīng)濟(jì)效益的雙重作用。其中，黑膜厭氧發(fā)酵工藝具有建設(shè)及運行費用低、厭氧發(fā)酵容積大和廢水滯留期長等優(yōu)勢，在我國大部分地區(qū)得到了廣泛的使用。

厭氧發(fā)酵在實現(xiàn)畜禽糞污資源化利用的同時，也產(chǎn)生了體積巨大但富含植物所需養(yǎng)分的沼氣發(fā)酵副產(chǎn)物——沼液。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生超過10億t的沼液，其主要來自大中型沼氣工程。然而，由于種養(yǎng)分離和作物施肥具有季節(jié)性等原因，大量連續(xù)產(chǎn)生的沼液未能得到及時還田利用，而是長期貯存于開放或半開放的儲液塘，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的二次污染。研究表明，由于沼液內(nèi)部仍然殘余大量的有機(jī)物，沼液貯存過程中會排放CH4、氧化亞氮（N2O）、氨氣（NH3）等多種污染氣體。CH4和N2O是造成溫室效應(yīng)的重要氣體，阻礙畜禽養(yǎng)殖業(yè)綠色低碳發(fā)展。除此之外，NH3雖不屬于溫室氣體，但其排放量的1%會生成N2O-N，因此也可以被視為溫室氣體貢獻(xiàn)源。沼液產(chǎn)生的溫室氣體和NH3既降低了沼液中的養(yǎng)分含量，又加劇了人類目前面臨的最嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題——全球變暖。因此，減少沼液貯存過程中溫室氣體和NH3的釋放具有重要意義。

針對貯存沼液的污染氣體排放問題，多國已紛紛制定并實施相關(guān)政策，大力倡導(dǎo)沼液覆蓋貯存。比如，德國早在2009年頒布了專項法規(guī)，規(guī)定沼液貯存設(shè)施須進(jìn)行覆蓋。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，沼液覆蓋處理對污染氣體排放的影響也已得到廣泛的關(guān)注。然而，由于覆蓋物種類繁多、覆蓋層厚度各異以及沼液性質(zhì)復(fù)雜多變，覆蓋處理是否能有效減排沼液的污染氣體尚無一致性的結(jié)論。王悅等的研究表明，應(yīng)用改性膨脹蛭石對奶牛場沼液進(jìn)行覆蓋處理，可有效降低沼液貯存時的CH4和NH3排放，減排率分別為58%和90%。同時，Blanes-Vidal等的研究也證實了豬場糞漿在稻草秸稈覆蓋后NH3排放大幅減少，降幅高達(dá)99%。然而，也有部分研究提出了相反的觀點。Amon等發(fā)現(xiàn)，稻草覆蓋導(dǎo)致了牛場沼液CH4和N2%排放量的增加，增排率分別為3.3%和4.6%。同樣地，Berg等的研究也揭示了豬糞漿加蓋珍珠巖和碎稻草后，CH4和N2O的排放量相較于無覆蓋處理大幅增加，增幅分別為13.7%-48.7%和279.9%-467.7%。經(jīng)過對相關(guān)研究的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前普遍采用的覆蓋材料主要是稻草秸稈等。因此，未來研究還需要拓展成本低廉、不易降解和來源廣泛的材料。此外，當(dāng)前對沼液在覆蓋處理下的污染氣體產(chǎn)排的微生物機(jī)制仍不明晰，需深入探究覆蓋對沼液中溫室氣體和NH3產(chǎn)生的微生物機(jī)制的影響。上述研究將為制定更加精準(zhǔn)和高效的畜禽糞污和沼液管理策略提供堅實的理論支持，從而推動環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

近些年，隨著環(huán)境保護(hù)和資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)，廢棄的生物質(zhì)材料資源化利用備受關(guān)注。這些生物質(zhì)廢棄物不僅產(chǎn)量較大，而且經(jīng)過適當(dāng)處理能夠成為優(yōu)質(zhì)的覆蓋物，特別是工業(yè)的迅猛發(fā)展使鋸末產(chǎn)量呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。鋸末具有良好的吸附、漂浮性能，作為沼液覆蓋物有較大優(yōu)勢。魏佳欣等以常見的3種生物質(zhì)廢棄物（鋸末、園林廢棄物和玉米秸稈）覆蓋奶牛場沼液，探究對沼液貯存過程中污染氣體排放的影響，結(jié)果表明鋸末表現(xiàn)出了較好的溫室氣體減排潛力以及對沼液內(nèi)部碳氮循環(huán)的抑制作用。因此，本研究以奶牛場黑膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的沼液為研究對象，探究不同厚度的鋸末覆蓋對沼液貯存過程中NH3、溫室氣體排放以及沼液水質(zhì)指標(biāo)的影響，以確定適宜的覆蓋厚度。此外，本研究聯(lián)合高通量測序技術(shù)和原核生物功能注釋庫（FAPRO-TAX）數(shù)據(jù)庫，揭示不同鋸末覆蓋厚度對沼液貯存過程中NH3和溫室氣體排放的微生物驅(qū)動機(jī)制的影響，為畜禽養(yǎng)殖場沼液貯存過程溫室效應(yīng)控制和養(yǎng)分穩(wěn)定化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

沼液取自北京某奶牛場的黑膜沼氣池。鋸末由河北省某木材加工公司提供，為榆木生產(chǎn)的碎屑，在試驗前進(jìn)行風(fēng)干。物料的理化特征詳見表1和表2。

如圖1所示，試驗裝置為容積100 L的沼液貯存桶，其形狀近似圓柱體（上下兩端直徑均為0.25 m，中部直徑0.5 m，高0.8 m）。為了進(jìn)行氣體樣品的采集與分析，試驗裝置頂部設(shè)置有進(jìn)氣口和出氣口，分別連接空氣壓縮泵和氣體采集裝置。此外，貯存桶頂部中間配備測溫口及液體取樣口，用于定期監(jiān)測沼液溫度及采集液體樣品。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)置4個處理，以探究不同的鋸末覆蓋厚度對沼液貯存過程中污染氣體減排的效果，具體試驗設(shè)置為：無鋸末覆蓋處理（對照組）、2 cm鋸末覆蓋處理、4 cm鋸末覆蓋處理和6cm鋸末覆蓋處理。各試驗處理均需保證沼液的貯存高度為45 cm，且每個處理設(shè)置3個重復(fù)。為確保自然通風(fēng)的沼液貯存環(huán)境和污染氣體的收集，需要對沼液貯存桶進(jìn)行密閉處理，并利用空氣泵通過進(jìn)氣口向內(nèi)通氣，維持0.3 m3·h-1的通氣速率和10 ACH（Air change perhour）的換氣率。

沼液貯存試驗連續(xù)進(jìn)行35 d（2021年12月-2022年1月）。在整個貯存過程中，利用加熱器使環(huán)境溫度恒定保持在約20℃，以模擬春、夏季的貯存溫度。

1.3 氣體樣品采集與分析

在貯存試驗中，每日氣體排放量的平均值與早上8：00-9： 00的氣體排放通量最為接近，誤差小于10%。本試驗于每日上午8：00-9： 00進(jìn)行氣體（CH4、N2O、NH3）的采集與分析，氣體采集使用的方法為動態(tài)箱法（圖2）。具體操作為：將已知流量的氣體通入密閉箱內(nèi)，通過測定入口處和出口處某種氣體的濃度，計算箱內(nèi)該氣體的排放通量。

CH4和N2O用帶有閥門的鋁箔采氣袋采集氣體樣本，然后用溫室氣體分析專用氣相色譜（北分瑞利集團(tuán)，3420A，中國）測定濃度。NH3用2%的稀硼酸吸收，用甲基紅-溴甲酚綠作為指示劑，吸收飽和后，吸收瓶中的液體由紅色變成藍(lán)色，記錄吸收時間，然后用0.01 mol·L-1的稀硫酸滴定至紅色即為滴定終點，記錄稀硫酸消耗體積，以此計算NH3的濃度。

1.4 微生物樣品采集與分析

在試驗開始前（DO）和第35天（D35）采集各試驗處理的沼液樣品50 mL，用于分析微生物的群落結(jié)構(gòu)。將采集的沼液樣品在-20℃冰箱內(nèi)保存，委托北京某公司利用16S擴(kuò)增子測序的高通量測序技術(shù)測定細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)。具體的測定方法是：使用PowerSoil抽提試劑盒（MoBio Laboratories，美國）從沼液樣品中提取基因組DNA，并使用瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop - 1000光譜儀（NanoDrop Technologies，Wilmington，DE）確定提取的DNA的質(zhì)量和濃度。然后使用聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）引物338F（5＇-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3＇）和806R（5＇-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3＇）對細(xì)菌和古菌的V3-V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，在Illumina MiSeq平臺進(jìn)行測序。

1.5 液體樣品采集與分析

試驗開始后，每3d采集沼液內(nèi)部水樣100 mL，用于分析其理化性質(zhì)。將沼液水樣搖晃均勻，使用便攜式pH計現(xiàn)場測定pH值。隨后將沼液樣品保存在-4℃的冰箱，于實驗室測定其他水質(zhì)指標(biāo)。

（1）化學(xué)需氧量（COD）的測定

首先，將稀釋50倍的沼液樣品通過0.45 μm水系濾膜。然后，將2.5 mL過膜水樣與1.5 mL重鉻酸鉀溶液（0.5 mol·L-1）、3.5 mL硫酸-硫酸銀溶液（10 g·L-1）混合。將混合溶液置于165℃的多用加熱器（ACH-01，環(huán)發(fā)，河北）中進(jìn)行消煮處理，時長設(shè)置為15 min，隨后自然冷卻至室溫。采用紫外可見分光光度計（N4s，上海儀電，上海）在605 nm波長下測量吸光度，并通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，得到樣品的COD值。

（2）總氮（TN）和總有機(jī)碳（TOC）的測定

由于沼液中TN和TOC含量過高，首先將沼液樣品稀釋150倍。然后，將稀釋過的沼液樣品過0.45μm水系濾膜，以去除其中的懸浮顆粒和雜質(zhì)。最后，采用TOC/TN分析儀（TOC-VCSH，Shimadzu，日本）測定樣品中的TN和TOC濃度。

（3）NH+4-N的測定

由于沼液中NH+4-N含量過高，首先將沼液樣品稀釋200倍。然后，將稀釋過的沼液樣品過0.45 μm水系濾膜，以去除其中的懸浮顆粒和雜質(zhì)。最后，采用流動注射分析系統(tǒng)（AutoAnalyzer3，Seal，德國）測定樣品中的NH+4-N濃度。

（4）NO-3-N的測定

由于沼液中NO-3-N含量過高，首先將沼液樣品稀釋20倍。然后，將稀釋過的沼液樣品過0.45 μm水系濾膜，以去除其中的懸浮顆粒和雜質(zhì)。最后，采用流動注射分析系統(tǒng)（AutoAnalyzer3，Seal，德國）測定樣品中的NO-3-N濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體排放

2.1.1 CH4和N2O排放

沼液貯存過程中，N2O日排放速率表現(xiàn)出前期低、后期高的特征（圖3A）。試驗初期，由于沼液表層殘留有較高的溶解氧（DO），有利于微生物硝化作用直接生成NO-3-N，不利于反硝化作用產(chǎn)物N2O的生成，因此，各處理N20排放維持在較低水平，日排放速率僅為0.07-0.2 mg·L-1·d-1。Moset等究發(fā)現(xiàn)豬場污水在15周的貯存過程中，N2O的最小排放速率同樣出現(xiàn)在貯存初期。隨著貯存時間延長，好氧微生物分解活動不斷消耗沼液中的氧，沼液厭氧程度加強(qiáng)。同時，隨著動態(tài)箱系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)氣，沼液表面形成了一層污泥結(jié)殼，結(jié)殼上存在部分有氧區(qū)域，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌分別在污泥結(jié)殼的好氧點位和厭氧點位生長，導(dǎo)致了N2O日排放速率上升。不同處理的N2O日排放速率上升幅度差異較大，其中2cm覆蓋處理N2O日排放速率在第20天左右迅速上升，在第30天達(dá)到排放峰值（1.0 mg·L-1·d-1），在試驗結(jié)束時仍保持較高的排放水平（約為0.9 mg·L-1·d-1）。而不覆蓋處理、4 cm和6 cm覆蓋處理N2O日排放速率僅在小幅度內(nèi)緩慢上升，排放峰值分別為0.4、0.2 mg·L-1·d-1和0.2 mg·L-1·d-1，遠(yuǎn)低于2 cm覆蓋處理。由圖3B可知，不覆蓋處理和鋸末2、4、6 cm覆蓋處理的單位體積沼液N2O的35 d累積排放量分別為7.8、14.0、4.5、4.3 mg·L-1。盡管鋸末覆蓋對牛場沼液N20排放影響的研究相對較少，但朱海生等利用鋸末覆蓋固態(tài)牛糞的實驗中，可觀察到N2O的累積排放量隨鋸末覆蓋厚度的增加而減少，主要是由于小厚度覆蓋可增強(qiáng)被覆蓋物質(zhì)表面好氧—厭氧兼性微環(huán)境的作用，從而促進(jìn)N2O的生成。研究表明，NH+4-N經(jīng)過不完全的硝化和反硝化反應(yīng)生成N2O，嚴(yán)格的好氧和厭氧條件均不利于N2O的產(chǎn)生。與不覆蓋處理相比，鋸末覆蓋厚度較小在一定程度上阻礙了O2擴(kuò)散進(jìn)入沼液，有利于在鋸末覆蓋層內(nèi)形成厭氧-好氧兼性微環(huán)境，促進(jìn)N2O的產(chǎn)生。此外，鋸末表面較為粗糙，有利于微生物附著。同時，在微生物的分解作用下，部分鋸末覆蓋材料可以成為反硝化微生物的碳源。因此，2cm鋸末覆蓋增加了沼液的N2O排放量。然而，當(dāng)覆蓋厚度過高時，覆蓋材料將會進(jìn)一步阻隔沼液與空氣的接觸，形成更嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，抑制了微生物硝化作用產(chǎn)生NO-3-N，從而因缺少反硝化作用的底物而導(dǎo)致N2O累積排放量減少。

如圖3C所示，CH4排放速率先上升后下降。試驗初期，沼液溫度逐漸上升，沼液內(nèi)部氧含量被消耗減少，從而促進(jìn)了產(chǎn)CH4的厭氧過程的發(fā)生。在一周左右，CH4日排放速率達(dá)到峰值。隨后，CH4排放速率開始下降，這與產(chǎn)甲烷菌活性的降低有關(guān)。在沼液貯存末期，CH4排放速率穩(wěn)定在2.0-3.0 mg·L-1·d-1的較低水平，這說明35 d的貯存過程已經(jīng)基本實現(xiàn)了沼液CH4排放水平的穩(wěn)定。到試驗結(jié)束時，不覆蓋處理和鋸末2、4、6 cm覆蓋處理的沼液CH4累積排放量分別為261.7、310.7、219.2、199.8 mg·L-1（圖3D）。分析可知，少量的鋸末覆蓋層被分解后能夠作為碳源，為厭氧發(fā)酵生成CH4提供底物。此外，鋸末覆蓋層的存在導(dǎo)致沼液中消耗的氧無法及時獲得外界補(bǔ)充，加劇了內(nèi)部的厭氧條件，增強(qiáng)了厭氧發(fā)酵產(chǎn)生CH4的效率。因此，與不覆蓋處理相比，2 cm厚鋸末覆蓋的沼液CH4排放量增加了18.7%。4 cm和6 cm覆蓋處理的沼液CH4排放量下降可能是由于鋸末厚度的增加提供了更多的孔隙和表面積，而CH4的氧化位點與覆蓋層中的孔隙量有關(guān)，因此顯著增強(qiáng)了CH4的氧化作用，減少了CH4的排放量，同時增強(qiáng)了覆蓋材料對CH4排放的吸附和物理阻礙作用。在較高的覆蓋厚度下，對CH4排放的阻礙作用占主導(dǎo)。因此，4cm和6 cm鋸末覆蓋厚度對沼液的CH4有減排效果。

2.1.2 NH3排放

如圖4A所示，各處理均出現(xiàn)了兩次NH3排放峰值。貯存初期，由于沼液由室外黑膜沼氣池轉(zhuǎn)至溫度控制的實驗室環(huán)境，沼液溫度的升高促進(jìn)了NH3的生成與揮發(fā)，不覆蓋處理在第4天達(dá)到第一次NH3日排放速率峰值（7.5 mg·L-1·d-1），3個鋸末覆蓋處理則在一周左右出現(xiàn)第一次排放峰值（約為5.0 mg·L-1·d-1）。由于鋸末材料對NH3揮發(fā)的吸附和阻礙作用，覆蓋處理第一次NH3排放高峰出現(xiàn)時間較晚，且峰值小于不覆蓋處理。觀察發(fā)現(xiàn)，在沼液的貯存過程中，其表層的結(jié)殼和上部的鋸末覆蓋層會發(fā)生部分沉降，這削弱了對NH3逸出的物理阻隔作用，導(dǎo)致各處理在20-27 d出現(xiàn)了第二次NH3排放峰值（4.4-6.0mg·L-1·d-1）。試驗?zāi)┢?，不覆蓋處理沼液表面結(jié)殼的再次形成阻礙了NH3的釋放，而4cm和6cm覆蓋處理鋸末材料的沉降減弱了對NH3排放的吸附和阻礙作用，且試驗結(jié)束時觀察到鋸末沉降位置暫未形成穩(wěn)定、明顯的污泥結(jié)殼，3個處理間的NH3排放速率差距不斷縮小。然而，鋸末2 cm覆蓋處理的NH+4-N在試驗?zāi)┢谝訬2O形式散失加?。▓D3A）。此外，王悅通過對貯存的豬場沼液進(jìn)行氮素平衡計算，推測NH+4-N在進(jìn)行硝化反硝化反應(yīng)產(chǎn)生N2O的同時，使得更多的氮素轉(zhuǎn)化為氮氣（N2）損失，從而降低了轉(zhuǎn)化為NH3的比例，因此，NH3排放速率明顯小于其余3個處理（圖4A）。2cm覆蓋處理表現(xiàn)出了最優(yōu)的NH3減排性能，減排率為37.5%（圖4B）。與不覆蓋處理相比，鋸末4 cm和6cm覆蓋處理的NH3減排率則分別為19.4%和24.2%。由此可知，3個覆蓋處理均可實現(xiàn)NH3的減排，主要是由于鋸末覆蓋材料形成了一層密實、透氣性差的隔層，增強(qiáng)了對NH3逸出的物理阻隔作用，并改善了進(jìn)氣擾動所導(dǎo)致的沼液NH3揮發(fā)問題。

2.1.3 綜合溫室效應(yīng)

在沼液貯存過程中，CH4和N2O作為兩種關(guān)鍵的溫室氣體排放物，其環(huán)境效應(yīng)不容忽視。具體而言，每單位質(zhì)量的CH4對全球氣候變暖的潛在貢獻(xiàn)是CO2的28倍，而N2O的這一數(shù)值更是高達(dá)265倍。此外，排放的NH3-N有1%會轉(zhuǎn)化為N2O-N，產(chǎn)生溫室效應(yīng)。將沼液貯存過程中CH4、N2O和NH3三者的排放量轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量，計算得到單位體積沼液35 d產(chǎn)生的總CO2當(dāng)量：

ECO2e=28ECH4+265（EN2o+0.01ENH3× 44/28）

式中：ECO2e為單位體積沼液35 d產(chǎn)生的總CO2當(dāng)量，g CO2e·L-1；ECH4、EN2O、ENH3分別為單位體積沼液35 d的CH4、N2O和NH3的累積排放量，g·L-1。

在不同厚度的鋸末覆蓋沼液條件下，各氣體產(chǎn)生的CO2當(dāng)量及總CO2當(dāng)量見表3。在對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)中，CH4占據(jù)主導(dǎo)地位，其對總CO2當(dāng)量的貢獻(xiàn)比例顯著，達(dá)到66.9%-77.2%。N2O和NH3對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為15.1%-29.2%、3.8%-8.2%。2 cm厚的鋸末覆蓋增加了沼液產(chǎn)生的總CO2當(dāng)量，而4 cm和6cm厚的鋸末覆蓋則可以起到減排效果，減排率分別為22.5%和28.4%，這是因為鋸末覆蓋會起到增加沼液碳源和減緩氣體散逸的雙重效果，當(dāng)覆蓋厚度為2cm時，吸附位點有限，碳源的增加使得溫室氣體排放有所增加，隨著覆蓋厚度的增大，氣體散逸的物理抑制作用增強(qiáng)，溫室氣體排放量降低。總CO2當(dāng)量隨覆蓋厚度的變化規(guī)律與已有的研究報道一致，朱海生等利用1、3、5 cm厚度的鋸末材料覆蓋糞污，相比于不覆蓋處理，1 cm覆蓋處理糞污的溫室氣體累積排放量增加了4.6%，3cm和5 cm覆蓋處理則分別減少了0.2%和2.4%。值得注意的是，本研究結(jié)果顯示當(dāng)覆蓋厚度由2 cm增加至4cm時，總C02當(dāng)量減少了5.1g CO2e·L-1；而當(dāng)覆蓋厚度由4 cm增加至6 cm時，總CO2當(dāng)量僅減少了0.6 g CO2e·L-1。因此，鋸末的覆蓋厚度達(dá)到4 cm以后，厚度的增加將不再顯著提升溫室氣體減排效果，這是因為鋸末在較高覆蓋厚度下的沉降量明顯增大。所以，采用4 cm厚的鋸末覆蓋沼液是較為經(jīng)濟(jì)有效的覆蓋方案。

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成

在門水平和科水平分別篩選了相對豐度位于前7位和前10位的優(yōu)勢菌，以探究不同處理沼液中細(xì)菌群落組成的差異，揭示鋸末的覆蓋厚度對沼液內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化和污染氣體排放的影響（圖5）。在沼液貯存過程的起始和終末階段，觀測到擬桿菌門（Bacte-roidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteo-bacteria）、軟壁菌門（Tenericutes）、放線菌門（Actino-bacteria）、螺旋體門（Spirochaetes）和互養(yǎng)菌門（Syner-gistetes）具有較高的豐度，總相對豐度之和大于95%，表明這些細(xì)菌門類對沼液內(nèi)部的物質(zhì)分解和氣體生成具有重要作用。

沼液貯存期間，Bacteroidetes占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，其相對豐度介于39.8%-50.0%之間（圖5A）。Bacte-roidetes能夠分解非纖維類的高碳水化合物，并生成揮發(fā)性脂肪酸c32）。與其他處理相比，鋸末6 cm覆蓋處理的Bacteroidetes相對豐度較低，說明鋸末在較高覆蓋厚度下可以有效減少沼液內(nèi)碳水化合物的分解，從而抑制含碳溫室氣體的產(chǎn)生。如圖5B所示，Bacte-roidetes由兩個關(guān)鍵的細(xì)菌科組成，即擬桿菌科（Bac-teroidaceae）和紫單胞菌科（Porphyromonadaceae）。Bacteroidaceae具有較強(qiáng)的降解能力，主要參與多糖等物質(zhì)的分解，產(chǎn)生易于被微生物利用的小分子糖類。同樣，在鋸末6 cm覆蓋處理中，Bacteroidaceae的相對豐度較低，從而限制了多糖的分解。

Firmicutes是沼液貯存過程中的第二大優(yōu)勢細(xì)菌門，相對豐度為27.1%-29.3%（圖5A）。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)irmicutes具有降解碳水化合物和纖維素等大分子物質(zhì)的功能。從圖5B中可以看出，泰式菌科（Tissier-ellaceae）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）、梭菌科（Clostridiaceae）和丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）在Firmicutes中占據(jù)重要地位。其中，Clostridiaceae具有較強(qiáng)的纖維素降解能力剛。Tissierellaceae對沼液中丁酸的生成有一定貢獻(xiàn)，這與丁酰輔酶A和乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶（but）途徑有關(guān)。Erysipelotrichaceae可以促進(jìn)乳酸的代謝。隨著鋸末覆蓋厚度的增加，這3種細(xì)菌的相對豐度提高。這可能是由于隨覆蓋厚度的增加，鋸末的沉降腐解作用增強(qiáng)，纖維素及其水解產(chǎn)物的分解為上述菌科提供了營養(yǎng)物質(zhì)，從而有利于上述菌科的繁殖，這也表明沉降的鋸末會通過自身的腐解一定程度上增強(qiáng)溫室氣體的產(chǎn)生，在覆蓋厚度較小、物理抑制作用較弱時，則會表現(xiàn)出溫室氣體排放量大于不覆蓋處理的現(xiàn)象。

沼液貯存過程中，Proteobacteria在各處理中所占比例為6.6% -18.1%（圖SA）。研究揭示了Proteobac -teria中的很多菌屬在碳、氮循環(huán)中扮演重要角色，比如化能自養(yǎng)菌、亞硝酸鹽氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌，能夠起到降低COD和去除含氮化合物的作用。與不覆蓋處理相比，隨著覆蓋厚度的增加，Proteobacteria的相對豐度逐漸降低，對沼液內(nèi)部的碳、氮轉(zhuǎn)化抑制作用加強(qiáng)，減弱了沼液中有機(jī)質(zhì)的分解，從而抑制了CH4、CO2、NH3等氣體的產(chǎn)生。

由圖5A可知，Tenericutes的相對豐度為7.3%-12.2%，它在降解蛋白質(zhì)和生成乙酸中具有重要作用。無膽甾原體科（Acholeplasmataceae）在Teneri-cutes中占據(jù)優(yōu)勢地位，Acholeplasmataceae是典型的兼性厭氧菌，能夠有效促進(jìn)有機(jī)酸的生成與代謝過程。作為兼性厭氧菌，鋸末2 cm覆蓋阻礙了沼液與上層空氣的氣體交換，沼液厭氧程度的加強(qiáng)不利于該細(xì)菌的生長繁殖，相對豐度略有下降。隨著鋸末覆蓋厚度的增大，盡管厭氧程度進(jìn)一步加強(qiáng)，但是鋸末沉降腐解量增加，推測碳源增加對Acholeplasmataceae生長代謝的促進(jìn)作用占主導(dǎo)，相對豐度逐漸升高，上述現(xiàn)象表明鋸末覆蓋材料的沉降與分解會在一定程度上加強(qiáng)沼液內(nèi)部溫室氣體的產(chǎn)生，但是由此產(chǎn)生的對溫室氣體生成的促進(jìn)作用小于鋸末高覆蓋厚度下對氣體排放的抑制作用，所以高覆蓋厚度的鋸末可以起到減排溫室氣體的效果。

Actinobacteria可以產(chǎn)生木質(zhì)纖維素水解酶，進(jìn)而參與復(fù)雜有機(jī)物（如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等）的降解過程。鋸末6 cm覆蓋處理中Actinobacteria在貯存結(jié)束時大量繁殖，其他處理的相對豐度則均小于1%（圖5A），這可能也與高覆蓋厚度下鋸末沉降后發(fā)生腐解現(xiàn)象有關(guān)。

2.2.2 古菌群落結(jié)構(gòu)組成

在沼液貯存過程中，古菌的數(shù)量遠(yuǎn)小于細(xì)菌，在原核菌群中數(shù)量占比僅為0.06% -0.2%（表4）。本研究檢測出的主要是廣古菌門（Euryarchaeota）中的3類菌科，即甲烷桿菌科（Methanobacteriaceae）、甲烷粒菌科（Methanocorpusculaceae）和甲烷熱球菌科（Metha-nomassiliicoccaceae）。從表4可以看出，覆蓋6 cm鋸末明顯降低了沼液內(nèi)部的古菌絕對豐度。這表明較厚的鋸末覆蓋可以抑制產(chǎn)甲烷古菌的繁殖，從而降低CH4排放（圖3D）。在沼液貯存始末階段，Methano-bacteriaceae和Methanocorpusculaceae具有較高的相對豐度（＞73.5%）（圖6）。這兩種古菌主要利用氫還原CO2產(chǎn)生CH4，同時也可以利用甲酸等，屬于氫營養(yǎng)甲基型產(chǎn)甲烷古菌。與上述兩種古菌代謝途徑類似，Methanomassiliicoccaceae也屬于氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌，但是相對豐度略低于Methanobacteriaceae和Methanocorpusculaceae.

2.2.3 功能預(yù)測

利用FAPROTAX進(jìn)行微生物群落功能預(yù)測，F(xiàn)APROTAX分析的結(jié)果表明，大多數(shù)微生物的活動可能與碳和氮循環(huán)有關(guān)，總相對豐度達(dá)到46.1%以上（圖7A）。不同厚度的鋸末覆蓋沼液均一定程度上削弱了微生物的碳、氮循環(huán)的相關(guān)功能，減弱了沼液內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和污染氣體的產(chǎn)生，但隨著覆蓋厚度的增加，功能削弱效果逐漸降低。這可能是由于隨著鋸末覆蓋厚度的增加，鋸末沉降腐解作用的加強(qiáng)為微生物代謝活動提供了必要的碳源和氮源。

碳循環(huán)功能主要包括發(fā)酵、好氧化能異養(yǎng)、化能異養(yǎng)和甲烷化（圖7B）。與不覆蓋處理相比，覆蓋處理削弱了碳循環(huán)功能，表明鋸末覆蓋層的存在有效抑制了沼液內(nèi)部含碳有機(jī)質(zhì)的分解過程，并減少了污染氣體的生成。然而，隨著鋸末覆蓋厚度的增大，沼液內(nèi)部具有化能異養(yǎng)等作用的微生物的相對豐度逐漸提高，導(dǎo)致碳循環(huán)作用加強(qiáng)。這是由于覆蓋厚度增大使得鋸末沉降量增加，沉降的鋸末腐解，為微生物代謝提供了充足碳源，促進(jìn)了有機(jī)物的降解，可能會部分礦化生成含碳?xì)怏w。然而，加大鋸末厚度可以增強(qiáng)對氣體逸出的阻礙和吸附作用，從而導(dǎo)致碳排放量仍呈現(xiàn)降低趨勢。其中，2 cm覆蓋處理由于覆蓋厚度較低，抑制氣體排放的作用較弱，碳源增加對含碳?xì)怏w排放的促進(jìn)作用占主導(dǎo)。4 cm和6cm鋸末覆蓋處理則可以起到減排含碳?xì)怏w的作用。

氮循環(huán)主要包括硝酸鹽氨化、好氧氨氧化、好氧亞硝酸鹽氧化、硝酸鹽還原、亞硝酸鹽呼吸和硝酸鹽呼吸（圖7C）。與不覆蓋處理相比，鋸末覆蓋處理的沼液內(nèi)部的氮循環(huán)強(qiáng)度明顯減弱，主要是由于沼液中參與硝酸鹽氨化、硝酸鹽還原、亞硝酸鹽呼吸和硝酸鹽呼吸等過程的微生物豐度減小，分解蛋白質(zhì)的微生物作用得到抑制，NH3的生成也因此減弱（圖4B）。由于沉降的鋸末材料浸出，較高覆蓋厚度（4 cm和6cm）的氮循環(huán)豐度高于2cm覆蓋處理。然而，N2O累積排放量與沼液內(nèi)部硝酸鹽還原和亞硝酸鹽／硝酸鹽呼吸豐度變化趨勢不同。這說明沼液N2O的生成可能主要發(fā)生在沼液表面，受沼液內(nèi)部細(xì)菌的影響較小。王悅的研究進(jìn)一步支持了這一觀點，他們觀測到生成N2O所需的NO-3-N主要存在于沼液表層，而非沼液的內(nèi)部，這也側(cè)面說明了沼液內(nèi)部參與氮循環(huán)的菌群可能對N2O生成的影響較小。2cm覆蓋厚度的鋸末增強(qiáng)了沼液表面好氧—厭氧兼性微環(huán)境，促進(jìn)了硝化和反硝化作用產(chǎn)生N2O。相比之下，4cm和6 cm覆蓋處理的覆蓋厚度較大，阻礙了覆蓋層的氧氣擴(kuò)散，加劇了沼液表面的厭氧程度，抑制了硝化作用的進(jìn)行，起到了N2O減排效果。

2.3 沼液水質(zhì)指標(biāo)

沼液貯存過程中，COD、TOC和TN的濃度呈現(xiàn)波動變化（圖8A-圖8C）。沼液貯存初期，COD、TOC和TN濃度升高，主要是由于溫度升高導(dǎo)致沼液蒸發(fā)量增大，同時促進(jìn)了內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的溶解，使得碳、氮含量上升。隨著CH4、CO2、NH3和N2O等氣體的排放，在貯存時間為3-8 d時，沼液內(nèi)部有機(jī)質(zhì)含量開始降低。在第15天前后，覆蓋處理的COD、TOC和TN的濃度出現(xiàn)二次上升，這可能與鋸末材料的沉降和浸出有關(guān)。在沼液貯存過程中，3個鋸末覆蓋處理的沼液的TN、TOC和COD濃度較高，尤其是4 cm和6 cm覆蓋處理，而不覆蓋處理濃度較低，這可能是由于在沼液貯存過程中，不覆蓋處理沼液內(nèi)部碳、氮轉(zhuǎn)化較劇烈，促進(jìn)了含碳和含氮物質(zhì)的分解。與此相反，鋸末覆蓋限制了沼液內(nèi)部的碳、氮轉(zhuǎn)化，并且鋸末在較高的覆蓋厚度下易吸水沉降，在沼液內(nèi)部發(fā)生腐解，增加沼液中的有機(jī)質(zhì)含量。沼液貯存過程中，NH4-N濃度整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢（圖8D）。沼液貯存初期，各處理NH+4-N濃度呈上升趨勢，主要是由于微生物不斷分解沼液中的含氮有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)了NH+4-N的生成。隨著沼液內(nèi)部含氮有機(jī)質(zhì)濃度的下降，NH+4-N生成量在第25天左右開始減少。不覆蓋處理NH+4-N濃度較高，與其較高的NH3累積排放量相一致（圖4）。試驗初始階段，NO-3-N濃度迅速上升，而pH呈現(xiàn)降低趨勢（圖8E和圖8F）。這主要是由于試驗初始階段的沼液內(nèi)部氧含量較多，微生物硝化作用強(qiáng)烈，生成NO-3-N的同時消耗了沼液內(nèi)部的堿度，造成了pH在初始階段下降。

3 結(jié)論

（1）與不覆蓋處理相比，不同厚度的鋸末覆蓋沼液對NH3均有明顯的減排效果，減排率為19.4%-37.5%。沼液排放的主要溫室氣體N2O和CH4的排放量隨著鋸末覆蓋厚度的增加而減少。綜合NH3、N2O和CH4排放情況得出，2cm鋸末覆蓋的沼液產(chǎn)生的總CO2當(dāng)量增加了27.5%，4cm和6cm覆蓋處理則分別降低了22.5%和28.4%。

（2）綜合考慮溫室氣體減排效果及運行成本經(jīng)濟(jì)性，4 cm覆蓋處理適合作為污染氣體減排方案。

（3）不同厚度的鋸末覆蓋降低了沼液內(nèi)部具有發(fā)酵、化能異養(yǎng)、硝酸鹽氨化、硝酸鹽還原、亞硝酸鹽呼吸等功能的微生物的相對豐度，削弱了碳、氮循環(huán)，減弱了沼液內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的分解和污染氣體的產(chǎn)生。但隨著鋸末覆蓋厚度的增加，鋸末沉降增加了沼液內(nèi)部的有機(jī)物質(zhì)，碳、氮循環(huán)強(qiáng)度略有上升，但仍低于不覆蓋處理。

（4）沼液貯存過程中，COD、TOC和TN的濃度呈現(xiàn)波動變化，不覆蓋處理的濃度較低，表明沼液內(nèi)部有機(jī)質(zhì)分解較為劇烈，溫室氣體產(chǎn)生較多。NH+4-N的濃度整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，不覆蓋處理的濃度較高，表明含氮有機(jī)質(zhì)的分解促進(jìn)了NH+4-N的生成，這與其較高的NH3累積排放量相一致。

基金項目：畜禽糞污高效循環(huán)利用技術(shù)、產(chǎn)品與裝備研發(fā)項目（2022YFD1900303）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2021GG0316）；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才工程資助項目