添加锰离子对秸秆还田土壤释放甲烷气体的影响

周海俊， 陶嘉楠， 袁龙威， 龙海钰， 程 翰， 梁梦娣， 刘正伟，李相前,2， 贺 帅,2*， 刘 培,2*

1.淮阴工学院 生命科学与食品工程学院，江苏 淮安 223003；2.江苏省益生制剂重点建设实验室，江苏 淮安 223003

2022年6月5日是第五十一个世界环境日，今年的主题为“共建清洁美丽世界”。习近平总书记曾在多个场合指出要正确认识和把握碳达峰碳中和，强调要坚持稳中求进，逐步实现，展现中国为共建清洁美丽世界贡献力量的信心与决心[1]。习近平总书记在第七十五届联合会上提出2060年碳中和目标，并提出力争尽早落实2030年实现碳达峰，这是我国向世界作出的庄严承诺[2]。

亚洲人口占全球的60%，是迄今为止最大的碳排放地区，占全球排放量的53%[3]。然而，亚洲在排放方面的突破主要发生在过去几十年。目前，中国的碳排放量居世界第一，占世界碳排放量的四分之一以上，每年的碳排放量超过120亿吨[4]。碳排放与人类活动密切相关，而农业温室气体排放导致气候变化的最主要的人类因素，农业温室气体排放量占全球总排放量的25%[5-6]。

“绿水青山就是金山银山”，就是尽可能保持经济发展与生态环境的平衡。厘清社会经济发展与碳排放的关系是促进社会与环境和谐共处的关键[7-8]。我国稻田种植面积大，秸秆还田后经厌氧发酵，排放出大量的沼气等温室气体，特别是其中甲烷所占比例较高，温室效应显著[9-10]。如何有效减少水稻田温室气体的排放，已经成为我国达成碳达峰碳中和战略目标，实现乡村振兴战略任务，建设绿色可持续发展现代农业亟待解决的问题[11]。

水稻秸秆还田处理过程能够利用厌氧微生物将秸秆中的有机质进行降解，同时产生大量甲烷气和二氧化碳等温室气体，甲烷和二氧化碳又是造成全球温室效应的主要气体[12]。在水稻、土壤及微生物等生态过程产生的温室气体排放量，占水稻温室气体总排放量的60%[13]。减少水稻秸秆还田后厌氧发酵过程中温室气体排放，对于实现农业温室气体减排目标具有重要意义[14]。张佳佳等研究表明一定浓度锰盐有抑制有机物产甲烷过程[15]，但是锰盐对有机物厌氧发酵产沼气的科学规律尚不清楚，因此，系统研究不同锰盐浓度对水稻秸秆厌氧发酵过程中温室气体排放量的影响，有重要价值和意义。

本研究以模拟水稻田土壤混合秸秆为研究对象，系统研究不同锰盐浓度抑制水稻秸秆厌氧发酵产沼气的潜力，对比研究不添加锰盐条件下，水稻秸秆厌氧发酵的沼气排放量和甲烷排放量等结果，探究锰盐作为水稻田温室气体减排抑制剂的应用前景。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用的秸秆来自淮安市淮阴区水稻农田的秸秆，经过自然晒干后用粉碎机粉碎至1 cm长度，装袋备用。活性污泥样品来自淮安市市政污泥厌氧发酵瓶的底部污泥，取出后室温贮存。主要理化性质见表1。

表1 供试材料主要理化性质

1.2 试验装置及运行方法

秸秆厌氧发酵用采用带有丁基胶塞的250 mL厌氧瓶作为发酵反应器，厌氧发酵使用的污泥重量为1 gTS即23.202 g，秸秆重量为2 gTS即2.284 g。每组试验拥有三个平行实验，每瓶组加入不同重量的MnCl2·4H2O，加入180 mL的无菌水，实验开始前用氢氧化钠或盐酸调整pH至7.0。上部采用丁基橡胶塞密封，并用铝盖加固。采用循环水真空泵对厌氧瓶内的空气进行抽空，然后使用99.9%氮气冲入，充满后采用一次性针头排出输液瓶内多余气体，排除后再次重复排气充气动作，待厌氧瓶气压与外界大气压平衡。随后统一放入恒温震荡培养箱内进行培养，振荡频率设定为120 r/min，培养温度设定为37 ℃。实验条件见表2。

表2 实验条件设定

1.3 试验测定参数及方法

沼气量测定采用排水法，沼气中的甲烷浓度测定使用气相色谱法(上海鲁南瑞虹SP-7860 TCD气相色谱，柱室、氢焰、汽化、热导温度分别为130 ℃、0 ℃、100 ℃、100 ℃)；总固体(TS)和挥发性固体(VS)含量分别采用干燥法和灰化法测定，pH由pH计测定。

1.4 数据处理

采用Office 365和OriginPro 2021软件进行数据统计分析。不同时间点不同剂量锰元素添加量组的甲烷、沼气比较使用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行。采用OriginPro 2021软件作图及进行Gompertz方程拟合。

2 结果与讨论

2.1 不同锰元素添加量对沼气气量分析

厌氧发酵结果可以反映不同剂量的添加物对水稻秸秆产沼气能力的影响，整个厌氧发酵周期为34 d，根据实验得到沼气的阶段排放量、沼气累计排放量。沼气排放量与甲烷排放量保持一致，实验开始后3 d内开始产生沼气与甲烷。在实验开始第8 d到12 d的阶段，所有厌氧发酵瓶均无气体产生。据推测可能是由于发酵初期可发酵碳水化合物被利用完，而难降解的纤维素和半纤维素还在酸化过程中，导致发酵暂时中止。

2.1.1不同锰元素添加量阶段排放量分析

图1表示各个不同锰元素添加量厌氧发酵过程中的阶段排放量的变化曲线。从图中可以看出，排放阶段有2个波峰。不同锰浓度的厌氧瓶均在第14 d到17 d的阶段排放达到最大排放值，然后排放量开始下降。添加了0 mg、4 mg、8 mg、12 mg和16 mg四水氯化锰的厌氧发酵瓶在第14 d到17 d的阶段排放中的排放量分别是99.0 mL、90.0 mL、69.5 mL、82.5 mL和78.0 mL，后续阶段开始快速回落(见图1)。

图1 厌氧发酵过程中沼气排放量的变化曲线

2.1.2不同锰元素添加量累计排放量分析

图2为厌氧发酵过程中累计沼气排放量。从图中可以明显看出未添加锰元素添加量的厌氧发酵瓶累计产出气量高于添加0 mg、4 mg、8 mg、12 mg和16 mg锰盐的的厌氧发酵瓶，从表3可以看出其累计排放量为(545.0±12)mL、(516.0±3)mL、(507±1)mL、(521.3±4.3)mL和(497.8±1.8)mL。沼气主要是纤维素等成分在多种细菌下共同生产，其中在厌氧发酵过程中产甲烷菌在最后起作用。厌氧发酵时间的长短意味着在相同时间内发酵处理废弃物的数量，直接反映了厌氧发酵效率，在实际生产中具有重要的生态和经济意义。可以对大型沼气工程水力停留时间的设计提供重要参考。一般在实际生产中，以排放量达到总排放量的 90%以上即可认为发酵基本完成，为一个发酵周期[16]。实验结果表明在模拟水稻田土壤混合秸秆环境中，调控初始锰盐质量浓度范围为1.75 mg/g～7.00 mg/g秸秆时，累计沼气排放量比无锰试验组降低4.36%～8.67%。相关论文表明金属锰是厌氧污泥的重要组成元素，过高浓度锰离子会降低厌氧污泥降解有机质的能力[15]，转而降低有机物转化挥发性脂肪酸(VFAs)的效率，对厌氧发酵产生抑制作用[17]，所以沼气排放量降低。

图2 厌氧发酵过程中累计沼气排放量

表3 各处理产气结果汇总

2.2 不同锰元素添加量对甲烷排放量影响的分析

甲烷排放量是衡量秸秆厌氧发酵产沼气效果的最重要指标。图3为厌氧发酵过程中甲烷含量变化曲线，从图中可以发现在厌氧发酵初期甲烷含量有明显上升势头，遇到发酵系统酸化下降后又极具拉伸，到达甲烷含量最高峰后开始缓慢下降，甲烷最高含量在73%～79%。各实验组甲烷阶段排放量如图4所示，最高峰为添加0 mg四水氯化锰实验组，阶段最高甲烷排放量为64.9 mL。厌氧发酵过程中各组甲烷总排放量如图5所示，各实验组在36 d的实验范围内甲烷产量相差不明显，添加0 mg四水氯化锰组累计甲烷产量最高为309 mL，添加16 mg四水氯化锰组累计甲烷最高产量为296 mL。有研究发现活性污泥胞外聚合物(EPS)主要包括(松散型胞外聚合物)TB-EPS和(紧实型胞外聚合物)LB-EPS两部分，污泥的活性和LB-EPS的含量有关，即在一定程度上，LB-EPS的含量越高，污泥的活性越强[18-19]。当系统Mn2+的添加浓度过高时，LB-EPS含量减少，污泥活性降低，污泥结构被破坏，厌氧污泥表面排列变得松散，菌形状从球状转变杆状与丝状，减小了比表面积，从而降低了产甲烷活性[15]。初始锰盐质量浓度范围为1.75 mg/g～7.00 mg/g秸秆试验组，排放的甲烷气体比无锰试验组降低了2.38%～5.34%,从实验结果可以看出锰盐的添加能有效降低甲烷的总排放量。

图3 厌氧发酵过程中甲烷含量变化曲线

图4 厌氧发酵过程中甲烷阶段排放量

图5 厌氧发酵过程中甲烷总排放量

2.3 甲烷累计产量Gompertz模型拟合分析

本研究选用了Gompertz模型对模拟水稻秸秆还田在不同锰元素的添加量下甲烷累计产量的拟合，表4给出Gompertz拟合的各种参数。由表4可知，各添加组的产气量与修正的Gompertz方程的相关系数R2均大于0.9，说明修正的Gompertz方程可用于模拟不同剂量锰离子对秸秆还田土壤释放甲烷气体的影响。由表4可以看出，在原料最大产甲烷潜力一定的情况下，添加锰元素是能够增加厌氧发酵的延滞期的，也能减少最大产甲烷效率。

表4 Mn2+对修正的Gompertz方程动力学参数的影响

3 结论

(1) 在模拟水稻田土壤混合秸秆环境中，调控初始锰盐质量浓度范围为1.75 mg/g～7.00 mg/g秸秆时，累计沼气排放量比无锰试验组降低4.36%～8.67%。

(2) 初始锰盐质量浓度范围为1.75 mg/g～7.00 mg/g秸秆试验组，排放的甲烷气体比无锰试验组降低了2.38%～5.34%。

本研究结果表明，调控模拟水稻田土壤混合秸秆中初始锰盐浓度，能显著降低稻田中温室气体的排放量，特别是有效降低甲烷的排放量。研究结果有一定的理论意义和实用价值。