发酵床养殖技术，应用自然农业理念和微生物处理技术，可实现养殖零排放、无臭味、缓解规模养殖场的环境污染问题，是一种全新的养殖方式^[1]。随着发酵床养殖技术在国内的快速推广，其利弊及对环境的影响已引起学者的高度关注。目前，在评估发酵床养殖模式对温室气体排放的影响方面已取得了一定进展：Osada等^[2]测定了猪育肥阶段CH₄、CO₂与N₂O的排放情况；Jeppsson^[3]研究了育肥猪舍CO₂、NH₃、水蒸气的日变化规律；Philippe 等^[4]测定了发酵床和水泥漏缝地面猪舍NH₃及温室气体的排放；郭海宁等^[5]对比研究了传统养猪模式与发酵床养猪模式的温室气体排放情况；张丽萍等^{[6, 7]}研究了发酵床养殖过程中碳素和氮素的转化及CO₂、CH₄和N₂O等的排放情况。然而，不同垫料发酵床养猪过程中温室气体综合排放的环境效应研究还很缺乏。另外，为丰富垫料种类及实现秸秆的资源化利用，实践中已将秸秆作为垫料原料使用^[8]并大力推广。迄今为止，关于添加秸秆的发酵床垫料对环境的影响，特别是温室气体排放方面尚鲜有报道。本文围绕生态养猪过程中温室气体的排放，探讨垫料含水量、pH、铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）对温室气体排放的机理，为推行发酵床的科学养殖、探寻减少温室气体排放的相应措施提供科学依据。

发酵床垫料原料均由市场购买，秸秆为小麦秸秆，打捆后填充在床底使用，木屑和稻壳均直接使用，床体制作过程中未使用任何发酵菌剂。供试材料的基本性质见表 1。

表 1 发酵床垫料原料的理化性质 Table 1 Physico-chemical properties of bedding materials

表选项

试验在江苏省农科院南京六合基地猪养殖场进行，共设3种垫料处理：S（锯木屑）、SR（稻壳+锯木屑，两者质量比1∶1）、SRS（稻壳+锯木屑+秸秆段，三者质量比1∶1∶1），每种处理3个重复。S、SR和SRS的垫料添加总量分别为2052、1900、1470 kg。3种原料分层添加：秸秆段平铺最下层，中间层铺设稻壳，最上层为木屑。猪舍为东西走向，中间通过70 cm高水泥墙和1 m高铁栅栏分隔成9栏，每个猪栏面积19 m²，其中垫料区面积16 m²，床体厚度60 cm，存栏育肥仔猪 5 头。试验从2014年7月30日至11月14日，共计107 d。

将每个栏区划分两个采样区：粪尿区、非粪尿区（采用多点测量并计算各个区的面积）；分三层（0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm）进行取样，各处理6个重复，每隔15 d采样一次。

采用静态箱法在粪尿区和非粪尿区采集CO₂、CH₄和N₂O^[9]，每隔15 d采样一次，采样时间为9：00—11：00，每点采4个样，每次取不少于18 mL的气体于真空瓶中贮存，2周内测定。具体方法同文献^[5]。

CO₂、CH₄和N₂O浓度用Agilent7890A气相色谱仪测定，按实测浓度计算气体的排放通量及试验期间累积排放量。根据2007年的IPCC报告^[10]，由下列公式计算二氧化碳排放当量总量。

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用烘干法测含水率；S-3C型pH计测pH；氯化钾浸提－紫外分光光度法测NO₃^--N；氯化钾浸提－靛酚蓝比色法测NH₄⁺-N。

数据采用Microsoft Excel 2007软件处理，显著性分析由SPSS18.0完成，Origin 8.5绘图。

如图 1所示，0~20 cm垫料层，S含水量在61 d时显著升高（P<0.05），是初始时1.33倍，76~107 d期间无显著变化（P>0.05）；SR含水量初始时较高，其他时期处于50%~55%之间；SRS含水量61 d前变化不明显，在61~76 d时显著降低（P<0.05），76 d达到最低点34.7%，76~107 d时又逐渐升高。20~40 cm垫料层，S含水量后期显著高于前期（P<0.05）；SR的含水量在前期先降低后升高，其中15~46 d含水量无明显变化，后期（61~107 d）下降；SRS含水量15~76 d显著低于初始和91~107 d（P<0.05）。40~60 cm垫料层，S和SR含水量分别保持在72%~78%和56%~68%之间；SRS含水量在0~61 d显著升高（P<0.05），76~107 d基本稳定在77%。

图 1 不同垫料组合含水率变化 Figure 1 Changes of moisture content in beds with different bedding materials

图选项

如图 2所示，0~20 cm垫料层，SR和SRS的pH在总体上变化情况一致，S的pH较SR和SRS低，三种处理的pH均在46 d时出现峰值，分别为7.21、7.87和7.73。20~40 cm垫料层，SR和SRS的pH和0~20 cm垫料层较类似，S的pH在整个过程中低于SR和SRS，后期pH比初始时略高0.61。40~60 cm垫料层，S的pH无明显变化；SR的pH在发酵过程中出现波动，初始和46 d时最低；SRS的pH在0~61 d显著上升（P<0.05），61~107 d变化不显著，结束时为7.66。

图 2 不同垫料组合pH变化 Figure 2 Changes of pH in beds with different bedding materials

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如图 3所示，各处理NH₄⁺-N的变化总体上一致。0~76 d各处理NH₄⁺-N变化均不显著（P>0.05），76~91 d显著升高（P<0.05），（91±15）d达到峰值，分别为259.9、295.2、469.8 mg·kg^-1，107 d分别降至149.3、227.3、328.8 mg·kg^-1，较初始增加140.5、216.8、318.7 mg·kg^-1。整个试验期间，SRS的NH₄⁺-N含量最高，SR次之，S最低。

图 3 不同垫料组合NH4+-N和NO3--N变化 Figure 3 Changes of NH4+-N and NO3--N in beds with different bedding materials

图选项

各处理NO₃^--N含量显著升高（P<0.05），最终都在530 mg·kg^-1左右。S的NO₃^--N含量总体上低于其他两种处理，SRS的NO₃^--N含量最高。各处理NO₃^--N含量较初始分别增加439.7、371.1和383.0 mg· kg^-1。

如图 4所示，试验期间3种发酵床垫料CH₄排放有明显差异。S的CH₄排放通量相对稳定；SR的CH₄排放通量前期较低，61~76 d显著高于其他时段（P<0.05）；SRS的CH₄排放通量在15、61 d和76 d显著高于其他采样时期（P<0.05），分别达到8.89、20.87、10.99 mg·m^-2·h^-1。

图 4 不同垫料组合三种温室气体的排放规律对比 Figure 4 Dynamics of greenhouse gas emissions in beds with different bedding materials

图选项

试验期间，各处理CO₂排放不同。S的CO₂排放通量0~61 d显著升高（P<0.05），61 d时最大，达到20.75 g·m^-2·h^-1，76 d后稳定在17.6 g·m^-2·h^-1左右；SR和SRS的CO₂排放通量各出现两个峰，SR的CO₂排放通量76 d时显著高于其他时段（P<0.05），达到20.06 g·m^-2·h^-1，SRS的CO₂排放通量在15 d和91 d时显著高于其他时段，分别达到23.82、22.92 g·m^-2·h^-1。总体上，S的CO₂排放通量后期比前期显著升高（P<0.05），SR和SRS的CO₂排放则明显分为前后两个阶段。

养殖过程中，S和SR的N₂O排放通量显著升高（P<0.05），SR的N₂O排放通量在46 d以后出现较大波动。在107 d时S、SR和SRS的N₂O排放通量分别达到115.13、50.23、80.80 mg·m^-2·h^-1。整个试验期间，各处理N₂O的排放集中在养殖后期。

根据相邻两次气体排放通量平均值和间隔时间计算在间隔时间内排放的气体总量，进而求出试验期间气体排放量和CO₂排放当量，结果见表 2。试验期间，SRS的CH₄排放总量显著高于S和SR（P<0.01），分别是S和SR的2.30、2.46倍。SRS的CO₂和N₂O排放总量略高于S和SR，无显著差异（P>0.05）。发酵床养猪过程温室气体的排放主要通过CO₂和N₂O两种形式，添加秸秆的发酵床温室气体CO₂排放当量总量略高于不添加秸秆的两种垫料，差异不显著（P>0.05）。

表 2 不同处理的温室气体排放量和CO₂排放当量（g·m^-2） Table 2 Greenhouse gas emissions and carbon dioxide equivalent emissions in different bedding treatments（g·m^-2）

表选项

发酵床舍内CO₂主要由微生物降解有机质和猪的呼吸产生，木屑、稻壳都是多孔结构，有利于发酵床垫料创造有氧环境，同时猪翻拱可使猪粪尿与垫料充分混合，在有氧环境下实现猪粪尿快速发酵分解，增加CO₂的排放量^[5]。本研究表明，在试验前期3种垫料CO₂快速升高，其原因在于养殖前期环境温度较高，表层和下层垫料的好氧微生物活性较强，从而导致较高的CO₂排放。含水率的高低影响好氧发酵过程中垫料的物理及生物学性质^[11]。在一定的含水量范围内，CO₂排放量与含水量呈显著负相关关系，主要是因为CO₂在水中可被离子化，且溶解度高，约为0.9 cm³·L^-1（O₂约为0.031 cm³·L^-1），有效的排水可降低垫料中CO₂溶解，增大CO₂在垫料孔隙中的扩散速率，导致CO₂排放量的增加^[12]。另外，在一定程度上，含水量越低，发酵床垫料的有氧环境越好，微生物降解有机质产生的CO₂越多，前期SRS处理20 cm以下的垫料含水量相对较低，且15 d时SRS的CO₂排放量大，随着养殖时间的延长，易降解有机质的快速消耗，使微生物的活动在一定程度上受到抑制，导致SR和SRS的CO₂排放通量在30 d时降低。三种处理的CO₂中后期排放通量快速增加。有研究指出，秸秆堆肥中纤维素酶、木聚糖酶、过氧化物酶、多酚氧化酶活性随堆料使用时间的延长而显著增加^[13]，而纤维素、半纤维素、木质素的分解与酶活性关系密切，尹微琴等^[14]和李买军等^[15]研究也表明垫料中纤维素酶活性随着垫料使用时间的延长而增大。据此推断可能是由于纤维素、半纤维素等难降解的有机物有关酶活性的增强，使得微生物生长所需物质快速合成，加速微生物的生长，增加了CO₂的排放通量。本研究表明，试验期间，添加秸秆的处理CO₂排放总量略高于另外两种处理，无显著性差异（P>0.05）。

CH₄一般通过产酸和不产酸两种途径产生，且两种途径都必须具备有机物和水分、厌氧环境、适于发酵菌和产CH₄菌生存和繁殖的温度^[12]。发酵床养猪过程中，氧气不足或局部厌氧会导致CH₄产生。本文结果显示，SRS的CH₄排放主要集中在前期和后期（图 4），与张丽萍等^[7]和郭海宁等^[5]的研究结果相符。CH₄的排放与含水量关系密切（图 1、图 4），不同处理CH₄的合成在相应的最佳含水量时最大。其原因在于，含水量直接影响到微生物的活性及周围的环境状况，含水量适宜微生物的生长代谢时，氧气消耗量大，导致局部厌氧，含水量过高时，垫料通透性变差，也导致局部厌氧。S、SR和SRS的CH₄排放分别在垫料含水量62%~66%、56%~60%和48%~51%之间最大，过低或过高时都明显降低，说明对于不同的垫料组合，含水量对CH₄排放量的影响不同。因此，不同垫料组合CH₄排放的最适含水量有待深入研究，以便通过调节垫料的含水量来控制甲烷的生成。发酵床舍内CH₄主要源自猪粪便、垫料在厌氧条件下发酵分解，添加秸秆的发酵床垫料，由于秸秆易腐烂和结块，不利于空气流通，CH₄的排放总量显著高于其他两种处理。另外，垫料所含易分解有机物质成分（如纤维素、半纤维素和木质素）含量的不同导致3种垫料降解速率不一样，进而对CH₄排放造成影响。从减少CH₄温室气体排放考虑，秸秆作为发酵床垫料资源化利用的过程中要控制秸秆用量。

发酵床养殖过程中N₂O的排放主要通过硝化和反硝化作用。发酵床垫料的含水量、pH、NH₄⁺-N、NO₃^--N等的变化会影响发酵过程中N₂O的产生和排放^[16]。有研究表明当含水量维持在60%以上时，氮素的转化主要以反硝化作用形成氮气为主^[17]，可抑制N₂O的产生。本研究发现，垫料的含水量对N₂O的产生并无显著影响，和张丽萍等^[6]研究结果相似。同时垫料pH对N₂O排放的影响也不显著，垫料NH₄⁺-N和NO₃^--N含量是影响N₂O排放的关键因素。垫料使用初期NH₄⁺-N和NO₃^--N含量均较低，随着时间的延长，出现不同程度的增高，61~91 d期间快速增长（图 3）。Cegarra等^[18]研究表明，发酵过程中NH₄⁺-N在一定的发酵条件下，既可作为细胞生长的氮源供微生物利用，又可通过微生物的硝化作用转变为NO₃^--N，NH₄⁺-N和NO₃^--N通过硝化和反硝化作用产生N₂O^[19]。本文结果表明，三种垫料N₂O排放的快速增长期相对NH₄⁺-N和NO₃^--N滞后15 d左右。NH₄⁺-N含量的增加会促使NO₃^--N含量的增长，进而通过硝化和反硝化作用增加N₂O的产生量。因此，如何减少发酵床养殖过程中NH₄⁺-N向NO₃^--N转化及NO₃^--N向N₂O转化也是一个需要深入研究的问题。垫料中不断累积的猪粪尿和发酵床垫料中的氮素，导致发酵床舍内NH₄⁺-N和NO₃^--N含量增加，为 N₂O的排放提供了大量氮源，进而使得N₂O浓度呈上升趋势。这和郭海宁等^[5]用微观气象法研究发酵床养殖过程中N₂O的排放结果一致。

本研究观察到，在测定的CH₄、CO₂和N₂O三种温室气体中，CH₄在CO₂排放当量总量中所占比例很小，仅为0.4%~0.7%，N₂O在CO₂排放当量总量中所占比例为28%~32%，CO₂占比最大，为68%~71%，因而发酵床温室气体的减排要以CO₂和N₂O为主。通过表 2可以看出，添加秸秆段显著增大了垫料CH₄的排放量，一定程度上增大了垫料N₂O和CO₂的排放量；图 1和图 2表明，纯木屑和木屑/稻壳（1∶1）处理的含水量和pH比较稳定，添加秸秆段的40~60 cm垫料层含水量和pH变化较大，对温室气体排放影响较显著；添加秸秆段对垫料CO₂排放当量总量的影响则不显著。这表明在发酵床垫料中合理添加秸秆段，既丰富垫料种类，又不会对环境造成较大影响，还可降低原料成本，实现秸秆的资源化利用。

（1）纯木屑和木屑/稻壳（1∶1）的处理含水量和pH比较稳定，添加秸秆段的40~60 cm垫料层含水量和pH变化较大，对温室气体排放影响较显著。

（2）发酵床养殖过程中，垫料温室气体主要以CO₂和N₂O的形式排放，二者在CO₂排放当量总量中的占比高达99.3%~99.6%。

（3）N₂O排放主要集中在猪出栏前一个月，占整个试验期间N₂O排放总量的61%~68%。

（4）在垫料中添加秸秆段显著影响垫料CH₄的排放，对CO₂和N₂O的排放影响则不显著。