文摘

虽然进行了大量的工作,评估土壤中污染物的浓度和水道的土地与有机固体残已修改,一个相对较小的研究机构调查文献中出现的排放到大气中。一些研究表明,尽管有限公司₂土壤与肥料应用程序减少排放,CH₄和N₂O排放可能会增加,抵消了受益。本文研究的目的是为了解决这个差距,通过使用一个通量室技术来测量土壤空气气体交流从有机土地的应用。这样做是通过应用三种不同类型的有机土壤和土壤空气的测量气体接口。测量了三种不同类型的植被的地区。使用流量气体收集室技术,通过气相色谱分析。这里给出的结果是进行实验的初步结果。无关紧要的变化似乎发生在不同地区的植被;然而,气体浓度的微小变化观察表明需要继续监测土壤空气气体交流确定长期对大气和环境的影响。

1。介绍

现代集约农业实践土壤贫瘠的植物生长所需的营养物质(1]。它将不可能继续以当前利率生产食物没有化肥。最基本的营养需要的是氮,可以综合生产。植物吸收的氮在大气最现成的形式避免损失通过微生物的硝化和反硝化过程1,2]。然而,生产的化肥通常结合天然气的氢和大气N₂需要重要的能源输入打破债券N₂占大约94%的化肥生产行业的能源消耗(3]。能源成本的增加与天然气资源的枯竭4)是导致化肥的价格变得非常昂贵。

第二个最重要的土壤养分是磷。虽然土壤P的内容不是耗尽,它不存在形式,很容易供植物吸收,使化肥对粮食生产至关重要。P化肥通常来源于磷矿,没有合成替代品的稀缺资源,它预计将达到最高产量约2030 (3]。可用资源的磷含量也减少,而其他元素的浓度,可以对人体健康有害,尤其是镉,是增加;因此为了生产磷酸盐化肥镉的安全水平,需要更多的能量。这些因素导致价格上涨。有机含磷在现成的形式,可以有效地取代矿物肥料和磷酸盐释放缓慢,从单个应用程序允许长期发展的改进5]。

土壤碳含量也减少有关。贝拉米et al。6)发现,土壤C浓度在英格兰和威尔士年下降了大约0.6%⁻¹在1978年和2003年之间。有机固体残馀的应用可以帮助缓解这种情况。提高植物生长由于改善土壤肥力也可能增加吸收有限公司₂和大多数的碳隔离,与热浪费治疗将释放它。

应用有机固体也可以改善砂质土壤的持水量,可以协助在粘土土壤排水7和防止水土流失2]。这可能会成为更重要的是在未来的预测影响气候变化可能导致长在英国夏季干燥,冬季长潮湿。

在英国通常被认为是应用程序的有机环境选择最可行的(8]从废物管理的角度来看,避免废品,从而导致火灾和爆炸,令人讨厌的气味,当地的空气质量问题和温室气体排放。从热处理能量回收废物的主要替代;然而,高水分含量可能抑制天然气生产和可能比它产生吸收更多的能量9)以及破坏上述必需营养素。

尽管使用有机农业有很多好处,也有潜在的环境负担。潜在的病原体、有机污染物、重金属、和其他潜在的有毒元素(pt)有机固体残馀的担忧可能会有许多途径受体通过生物和化学反应和物理转移,给环境和人类健康的风险通过吸入或摄入10,11]。这些途径包括积累在土壤、植物中摄取,径流和淋溶进入水道,和土壤空气污染物的形成气体的相互作用12]。法规存在的污染物限制前三个通道的值;然而,土壤空气气体交流并没有给予同等的关注。这些交流包括一些非常重要的气体,如N₂啊,293倍的温室气体辐射强迫的潜力有限公司₂这也导致平流层臭氧层的消耗,和其他含氮化合物,可以通过沉积导致酸化和富营养化。最常见的其他温室气体的形成,有限公司₂和CH_4,也关注的(13]。初步调查的主要目标提出了首先,评估的适用性通量室技术生态与水文中心的(CEH)调查土壤空气的交互应用有机土壤中,其次,指出确定任何重要的气体排放,表明需要一个更详细的调查。另一方法已经使用多年来测试土壤整个欧洲(12),因此。气相色谱法用于分析气体的成分。

2。监管的有机固体残馀的使用

被认为是在这个调查:三种类型的有机污水污泥处理的废水,堆肥从源隔离可生物降解的都市固体废物(宝马),和compost-like输出(clo)混合剩余的生物处理市政固体废物。污水污泥被用于农业40多年(8,这条路目前吸收大约73%的年度代在英国。直到2001年,超过80%的宝马生成被掩埋,没有治疗14]但引入垃圾指令(15这改变了。立法要求的宝马从垃圾填埋场三减排目标设定在2010年,2013年和2020年,最终一个比1995年减少65%的生产水平。

污泥在农业(使用)条例》(1989)(16),执行欧共体指令(86/278 / EEC) [17一些pt],限量值在污泥的土壤。这些限制不包括有机污染物等无风险从潜在的污染物已被确认,尽管一些其他成员国预防原则下选择这样做(11]。

可用的公开为堆肥材料不规范:10018)设置限制堆肥的pt值相似,但这个标准是在堆肥的存在本身而不是浓度土壤后的应用程序。的值是相似的,在某些情况下,比污泥更严格的规定。PAS100还定义了限制病原体的价值观,而污泥规定只有指定的治疗过程摧毁病原体以足够的关注。堆肥规范要求传入的废物被隔离在源头;因此堆肥混合残留废物不能达到标准。理想情况下所有可降解垃圾收集从源隔离,形成闭环的过程浪费食物和花园实现有效转移从垃圾填埋场,作为这两个分数占了大约三分之一的英国垃圾。然而,在现实中,即使在提供一个路边源隔离的地区收集、残余垃圾的可生物降解的内容仍然是太高,满足垃圾填埋转移目标。例如,在巴的伦敦自治市,它提供一个免费的厨房和花园垃圾桶91246个家庭,只有55954户家庭目前参与(19),甚至参与地区,食物浪费捕捉相对较低。如此低的参与率一直在经历了其他成员国(20.]。

设施的数量,生物治疗混合残留垃圾是迅速扩大在英国帮助符合垃圾指令(表1),他们往往喜欢的另一个主要选项,大规模燃烧焚化,由于较低的资本支出,更快的开发时间,和积极的公众(21]。然而,这样的设施不提供可降解部分的总转移在焚烧一样,只生产生物惰性灰烬,但离开compost-like输出,将在本文中称为秘密地。这些输出可以精炼用作燃料,但这种低质量产品的市场规模是有限的,由于来自其他更成熟的燃料的竞争。因此一些废物管理公司旨在处理这个输出的应用程序。尽管这个产品可以改善几种土壤类型,它的使用是目前限制环境局(英格兰和威尔士)地方食品或饲料作物并不生长或将不会生长在未来。原因是不仅可能PTE的内容还玻璃碎片和其他物品,如铝箔和塑料,可能有害或者难看。例外禁令在2008年被授予ADAS为目的的研究与使用相关的潜在风险,并初步报告的结果,这是最近在浪费2010会议22]。本文得出的结论是,风险是微不足道,可食用的作物部分不是生长在与土壤直接接触,如小麦。在土地修复,其使用受污染的网站,已被证明是有益的(23),可以提供一个重要的出口废物类型。生物燃料作物的扩张也可能成为未来欧盟的一部分努力变得不那么依赖燃料进口(24]。这也可以为秘密地提供一个重要的出口,因为它消除了人类目标作物pt。虽然有争议性的相关问题扩大生物燃料,包括气候变化影响土地利用变化和粮食短缺的担忧,目前,欧盟仍旨在增加其使用。

最近的一项研究Defra [25)研究了在不同的有机营养物质的浓度,以确定所需的质量达到足够的受精。是170年kgt使用的氮肥率⁻¹,这是长期的污水污泥的研究,由氮脆弱区局限性。发现12.1 t·哈⁻¹堆肥市政废物的需要相比,只有3.6 t·哈⁻¹污水污泥。更大的质量biosolid应用程序将导致PTE浓度相应增加。此外,大量应用可能会限制土壤通气的压实和更高的需氧量比污水污泥堆肥垃圾。有机氮的不可预测的形式也使他们更容易受到硝化和反硝化过程,导致氮混合气体的形成。这是更令人担忧的有机固体垃圾比污水处理前有更多的异构传入的废物流和倾向于重要的时态变化。类似的土壤结构的改善需要更大的质量比污水污泥堆肥每公顷。然而,还可以节省大量成本,例如,研究马铃薯作物的废物及资源行动计划”(包装)7发现了储蓄£130每公顷可以通过替换矿物肥料肥料由源隔离厨房和花园浪费。

3所示。方法

3.1。样品

第一个示例(图1)提供的开放大学,来自最近开设了MBT工厂。工厂接受混合市政固体废物,机械分离,堆肥后七周。我们可以看到这是一个非常复杂浪费,与重要的非生物降解的污染。pH值测量使用梅特勒-托利多FG2酸度计,接近中性的7.14。表3提供详细的分析样品的其他属性,如开放大学提供的。

第二个示例(图2)从伦敦西部购买肥料,这需要在源隔离厨房和花园浪费。到达现场,废物分解使均匀粒径。然后通过两级船舶堆肥过程,这是按照动物副产品规定操作。每个阶段运营10至14天。然后搬到料堆材料,经常转向成熟的长达8周,达到所需的规范标准。可以看到,它是同质多MBT输出示例。其测量pH值为6.75。完整的实验室分析的物理和化学成分的样品是供应商提供的和最相关的参数如表所示3。

第三个示例(图3提供的污水污泥)是盎格鲁人的水,这是来自剑桥考雷路的污水处理厂,剑桥。混合污水,从当地和更远的地方,通过CAMBI热水解过程。然后在嗜中温厌氧消化温度。蛋糕然后脱水和分析按照污水污泥在农业使用规定,在被用于农业的土地。我们可以看到这是在大小一致的颗粒,很密集,湿润。其测量pH值为7.5。进一步的属性这种类型的示例中,盎格鲁人的水所提供的服务,如表所示3。

收到样本储存在密封的塑料袋在4°C以下,以防止进一步恶化前的实验。

3.2。通量钱伯斯

图4显示了通量室设置。6 m PVC 400毫米直径管切成段约40厘米。PVC 400毫米直径法兰在6种和防风雨的弹性密封胶密封。

铝薄膜的方块,480 mm×480 mm×3毫米,10毫米直径孔的中心,是放置在法兰,盖子。

洞里充满了一块10毫米直径的PVC管,切成一定长度大约800毫米,增强硅密封剂。结束的油管插入了三路开关。

在网站,钱伯斯被放置在土壤的深度10厘米。在地面或根石头太硬阻止定位钱伯斯在正确的深度,刀子被用来放松地球和挖出任何障碍物。pH值、水分和温度测量在每个室密封盖子。

有机固体残被放置在每个房间的深度约3 - 5厘米,使用广播方法,因为这被认定为最常见的方法练习(26,27]。

所推荐的(28立即收集气体,然后密封室,并进一步收集气体样品后30分钟和60分钟。双的抽取,进行一个随机数的场合来确定分析的精度。测试表中给出了协议2。

提取了使用60毫升注射器,这是注入1 L泰德拉袋20次。虽然理论上填补了袋将会超出容量,1.2 L,每次都有少量的泄漏。可靠的存储时间泰德拉CEH袋曾被调查的比较与其他不同的气体样品存储设备。他们认为安全储存样品14天。虽然这是一个短期的存储相比,玻璃小瓶(1个月)或更新flexfoil袋(至少92天),样本快递到集合的分析实验室在48小时内,所以14-day-storage充足的工作。

3.3。样本收集网站

钱伯斯是放置在三个不同的地点在Silwood公园(图帝国学院的校园5)选择植被的变化。含水率在每个站点上使用SM300测量土壤水分和温度传感器,用HH2湿度计,来自弗吉尼亚州,pH值测量使用梅特勒-托利多FG2 pH计。

第一个站点(图6),被称为Silwood底部,是一个培养领域支持丰富的植物杂草耕地杂草,年度翻耕守恒的(29日]。土壤被认定为粉砂质壤土,使用纹理感觉流程图分析[30.]。pH值测量是6.7,水分含量介于7.8%和4.0之间。抽样进行周三2010年9月1日,1400年和1600年之间,平均气温为14.5°C。

第二个站点(图7)是一个年轻的天然再生橡树森林(29日]。腐朽的叶子一层覆盖的土壤。树叶被冲走前将地球上的有机固体残。土壤被确认为砂壤土(30.]。pH值测量是4.56;水分含量介于10.7%和4.5之间,平均为6.9%。抽样是周四9月2日在1200年至1400年之间,当平均气温是15.9°C。

第三个站点,如图8草地,路旁栽有树木,但这些并没有掩盖了采样站点。土壤覆盖着草,被确认为粉砂壤土30.]。pH值在这个网站是测量为5.67,平均含水率为6.2%。周四测试完成9月4日在1500年至1700年之间,当平均气温是15.9°C。

气体从MBT输出和堆肥也收集在两周后在站点1,看到什么影响气体交换会有更长的时间扩散到下面的土壤。

3.4。气相色谱法

样本被送往陶瓷,他们对气体成分进行分析。使用气相色谱分析。

4所示。结果

实验室提供了8种不同的气体测量:甲烷、二氧化碳、氮气、氧气、氢气、乙烯、乙烷、乙炔。

所有气体除了二氧化碳、氮气和氧气气体的浓度低于检测仪器的限制,对于每个biosolid类型,超过一个小时。对于甲烷这是< 0.1%,氢< 20 ppm、乙烯、乙烷和乙炔< 5 ppm。甲烷的结果是符合我们的期望,应用程序的输出可以防止这种气体的形成,作为氧抑制产甲烷菌的生长(31日]。尽管其他研究已经表明,氮富集的土壤会导致甲烷形成的增加和减少甲烷吸收(13),这些影响会发生在更长一段时间,所以在以后将变得明显采样日期和土壤的有机开始混合。其他因素会影响结果,如过多的水分含量(27,32]。

在站点1,pH值6.7,四室放置;保持空的,一个不同的biosolid添加到每个其他三个。在时间每个室中的气体浓度测量提供一个背景浓度。

平均氮浓度以时间0 79.85%,标准差0.4。图10 ()显示的是测量氮值30和60分钟。可以看到测量值均值的95%置信区间内下降,表明这些值不太可能显著不同环境浓度。然而,在分钟,随着时间的增加,包含污水污泥的浓度测量室以外的谎言均值的95%置信区间,表明潜在变化环境浓度。

平均氧浓度测量为20.1%,标准偏差为0.4。图(11日)表明几乎所有后续测量内分布的均值95%,表明氧浓度无显著差异。包含污水污泥的浓度测量室位于范围以外的指示意义。增加氮和减少氧之间的组合显示了可能的氮气形成,需要进一步取样。

在站点2、pH值4.56,三个房间,三个biosolid类型介绍以同样的方式。环境空气测量的实验中,随着空气在每个室盖子后终于密封。环境氮浓度均值与标准差0.3 79.4%。图10 (b)显示了氮的结果乘以三室。值的95%置信区间内的所有谎言的意思,表明没有明显的气体浓度的变化。同样的平均背景氧浓度测量标准差为0.3% 20.9%。图11 (b)显示所有后续测量位于均值的95%置信上限,说明氧浓度无显著差异。

现场3,pH值为5.5,再三个室定位与三种不同biosolid类型。两个样品的空气随着时间从每个样品室被确定背景浓度。平均氮量为78.9%,标准差为0.05%。图10 (c)显示结果,可以看出,所有结果躺在3个标准差的意思,表明没有显著的变化。同样对氧平均背景浓度测量标准差为0.05% 21.1%。图11 (c)显示所有值位于95%置信区间的意思,表明没有明显的氧浓度随时间的变化。

均值背景二氧化碳浓度低于检测极限的网站,所以这是接近0%。图9显示了三个站点的浓度的变化。可以看到网站1没有变异CLO或堆肥和污泥没有显露任何变化在30分钟增加到0.1% 60分钟后,表明小样本可能发生退化。

现场2,平均背景浓度也近似为0,除非用有机室。浓度保持在0堆肥和CLO测量段,当污水污泥样品还0.1%,30分钟和60分钟后增加到0.2%。

在网站3,背景浓度0。CLO的浓度增加到0.1%后30分钟,但它是0后60分钟。堆肥的浓度增加到0.2%后30分钟和60分钟后留在这个浓度。污水污泥样本30分钟后增加到0.2%,但它是0后60分钟。

5。讨论

实验工作证明方法的可行性,但时间太短,形成气体逸出任何明确的结论。总的来说,污水污泥样本似乎对公司影响最大的₂浓度。虽然从理论上说这种类型的biosolid应该最稳定的生态系统(33),高含水率使它更容易影响下面的土壤更容易。从长远来看,这使得污泥降解微环境之间通过促进微生物和营养物质的运输和抑制剂的浓度稀释31日]。

温室气体排放特别关注的是,由于气温升高的预测结果在不久的将来和英国政府已经设定了一个具有法律约束力的减排目标1990年水平的80%到2050年(34]。土壤含有碳是大气的近两倍,但贝拉米et al。6)发现,英国土壤失去了碳以大约每年0.6%的速度在1978年和2003年之间。损失发生的独立于土地利用的指示可能与气候变化。失去的碳可能是由于几种机制,也就是说,浸出土壤以及气体的排放,但损失的担忧。增加化肥土壤被认为是碳汇,因为由此产生的增长率增加导致有限公司₂吸收。氮肥也影响CH₄和N₂土壤O通量,研究表明,这可能有负面影响,抵消了受益有限公司₂吸收。刘和护胫套(13)编制实验测量土壤气体通量的结果,发现CH₄排放增加,土壤吸收CH₄从大气中下降。同样他们发现N₂O排放似乎刺激了化肥增加;然而,另一个评审Chapuis-Lardy et al。35)表明,土壤可能对N作为净碳汇₂o .冲突的结果突出机制的缺乏理解,生产和消费N₂O。这是一个重要的研究领域,因为它不仅有助于全球变暖臭氧层损耗。IPCC报告土壤气体的主要来源,估计排放6.4 Tg年⁻¹从自然土壤和Tg 4.2年⁻¹从农业土壤,有大量的不确定性(35]。

脱氮是主要过程N₂O是消费和使用各种方法已经被广泛的研究,包括抑制剂研究,稳定同位素研究,添加N₂O土壤或调查天然丰度;和微生物方法。不幸的是所有的这些方法都是侵入性的,因此无法产生真实的描述自然过程。许多实验研究测量净- N₂O通量;然而,尽管几个参数已确定,可能会影响消费行为,包括pH值、水分含量、温度和碳浓度,结果不一致。例如,Glatzel和Stahr36)发现,低N含量和糟糕的曝气导致净N₂O消费,而Rosenkranz et al。37)发现净消费较低的土壤中N,但被充气和潮湿。低可用性的消费是唯一一致确定因素(N)₂通过土壤O。原因是,减少N₂更容易发生在的存在,但N₂O将减少。扩散通过土壤也被一致认定为一个影响因素,停留时间较长,往往由于水分含量高,允许增加减少N₂O, N₂。通过测量N₂O通量与浓度同时在表面土壤中核心的深度约10厘米,含水率之间可以造成相当大的延迟生产的N₂O在地下和通量测量土壤表面。土壤扰动,特别是农业实践,可以释放被困气体,例如,假设[38N)测量₂O通量的9 - 31%以上背景浓度培养后1分钟,但这些降低了背景在2小时内通量。也有可能气体会溶解和淋溶释放其他地方或被植物和发生。更透彻地了解气体的扩散形成的底土因此也很重要(38]。环境压力和温度的变化也被调查,导致土壤气体的运动。研究测量N₂O浓度土壤渗滤液中却没有相关的这些与土壤剖面中的浓度。现成的C被认为是这一过程的一个限制因素(38),但研究表明,水分含量比C和N浓度有一个更大的影响力。

6。结论和未来的建议

这项工作的结果证明使用的潜在通量室技术来测量土壤空气气体交换应用程序的有机土地。虽然这些是目前正在进行的研究的初步结果,一些有趣的结果综合。无关紧要的变化似乎发生在不同地区的植被;然而,气体浓度的微小变化观察表明还需要更多的研究在监测土壤空气气体交流确定长期对大气和环境的影响。

初步研究结果表明影响土壤大气气体交往是微不足道的秘密地和堆肥的第一个小时内应用程序。这是显著的N的时候₂O通量测量其他实验。轻微的气体组分的变化检测现场污水污泥室1。同样的二氧化碳波动在污水污泥钱伯斯最为明显。这个示例的较高含水率会允许更多的天然气形成过程发生;因此在继续实验,这将是有趣的评估过程中水分含量的作用。

此外,从外部实验室分析结果比预期不太敏感,基于其他的研究报告的结果。尤其是缺乏数据的N₂啊,最重要的一个气体识别,在任何未来的研究需要被纠正。重复可以测量的气体收集和一种改进的分析N₂O直接建议未来实验中,N的持续实验测量₂O将有助于增加对气体形成机制的理解。

三个站点的土壤pH值的变化似乎没有生成网站之间的气体通量的变化;然而,测量了在以后,当更大的土壤和有机固体发生之间的混合,可以展示不同的潜力。一个长期的实验也将允许一个更好的甲烷通量的调查显示在文献中矛盾的趋势。

这里给出的初步结果表明,影响土壤大气气体交往是微不足道的秘密地和堆肥的第一个小时内应用程序。这是显著的N的时候₂O通量测量在其他实验(36]。轻微的气体组分的变化检测现场污水污泥室1。同样的二氧化碳波动在污水污泥钱伯斯最为明显。这个示例的较高水分含量可能允许更多的天然气形成过程发生;因此下一阶段的实验将会是很有趣的含水率试验开始之前所有的样品相同。