2O释放研究进展'> 生活垃圾填埋场N2O释放研究进展

【摘要】（1. Nanjing Institute of Environmental Sciences，the Ministry of Environmental Protection of China，Nanjing 210042， China； 2. School of Environmental Science and Eng...

摘要：氧化亚氮（N2o）是一种高效痕量的温室气体，且大气中N2O浓度正处于持续不断的增长过程中，生活垃圾填埋场是n2o的重要排放源，释放通量远远高出农田、林地、草地等其他生态系统。概述了生活垃圾填埋场覆土N2O的释放以及影响因素，并在此基础上展望了生活垃圾填埋场N2O的排放控制理论和技术的研究方向。

关键词：氧化亚氮（N2O）；生活垃圾填埋场；释放通量；覆土；温室气体

中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0001-04

N2O Emissions from Landfills of Municipal Solid Waste

ZENG Yuan1，YE Hai1，YAN Xiao-fei1，2，WANG Jian-guo1，ZHANG Jian1，Li Sen1

（1. Nanjing Institute of Environmental Sciences，the Ministry of Environmental Protection of China，Nanjing 210042， China；

2. School of Environmental Science and Engineering， Hohai University，Nanjing 210098， China）

Abstract： As a high-efficient trace greenhouse gas， nitrous oxide （N2O） has a very high warming potential and its concentration in atmosphere continues to rise steadily. Landfills of Municipal solid waste （MSW） are main sources of N2O emission reported to be at least 1 to 2 orders of magnitude more than the maximum emissions reported for grasslands， agriculture fields and boreal forests. The factors affecting the N2O emission from the landfill covered soils are summarized. Further research focuses on controlling N2O emission from the landfill covered soils are propected.

Key words： nitrous oxide（N2O）； municipal solid waste landfill； emission fluxes； cover soil； greenhouse gas

收稿日期：2013-05-10

基金项目：国家自然科学基金项目（41005090）；江苏省自然科学基金项目（BK2010100）；中央级公益性科研院所基本科研业务专项

作者简介：曾 远（1977-），男，江苏南京人，高级工程师，主要从事环境综合整治、环境咨询等方面的研究，（电话）18913919966（电子信箱）

；通讯作者，叶 海（1964-），男，江苏南京人，高级工程师，主要从事环境保护、环境工程等方面的研究，（电话）

18705142522（电子信箱）。

氧化亚氮（N2O）作为一种高效痕量的温室气体，其增温潜势为CO2的296倍，是仅次于CO2和CH4之后的第三大温室气体，其对温室效应的贡献率约达5%[1]。而且N2O能在大气中长期稳定存在，对臭氧层具有较强的破坏作用。自1970年以来，N2O的释放量大约增加了50%，当前N2O释放量占全球人为温室气体排放总量的7.9%[2]。

垃圾填埋场是温室气体氧化亚氮（N2O）的重要排放源。据统计，生活垃圾填埋场N2O的排放量占其温室气体总排放量的3%[3]。有研究表明，芬兰 mm ssuo填埋场的N2O释放通量比欧洲北部农田和森林的最高释放通量高1～2个数量级；而采用污水厂污泥覆盖的瑞典H gbytorp填埋场，与芬兰 mm ssuo填埋场及瑞典其他3个填埋场相比，其N2O释放通量又要高出至少1～2个数量级[4]。

从长远来看，卫生填埋将是今后较长时期内国内外生活垃圾处理的一种重要方式。Zhang等[5]研究指出生活垃圾填埋场N2O的释放很大程度上与覆土有关，覆土层性质是影响填埋场N2O排放量的重要因素。在大量国内外文献基础上概述了生活垃圾填埋场覆土N2O的释放以及影响因素，旨在为覆土控制生活垃圾填埋场（以下简称填埋场）N2O的释放提供依据。

1 填埋场覆土N2O的释放

1.1 填埋场覆土N2O的释放机理

填埋场作为一个特殊的生态系统，其中微生物硝化与反硝化是该系统中氮素循环过程重要的组成部分。填埋场N2O主要形成于覆土中微生物硝化、反硝化作用，是硝化过程的副产物和反硝化过程的中间产物。随着人们对硝化和反硝化过程中微生物的了解逐步加深，对硝化、反硝化过程产生N2O的过程也越来越细化和清楚。微生物硝化和反硝化过程的主要代谢途径如图1所示。

硝化过程主要分两步进行，首先由NH4+氧化成NO2-，然后NO2-再氧化成NO3-，期间生成N2O。N2O在NH4+氧化阶段通过NH4+和NO2-的中间产物如NH2OH和NO2-的化学分解而产生（图1）。异养硝化微生物以有机碳化合物为碳素营养和能量来源。与自养硝化细菌相比，在硝化过程中，中间产物与最终产物相同，但酶作用机理不同[6]。

硝化过程中NO3-的累积可为反硝化作用生成N2O提供基质。相比硝化作用，反硝化作用机理研究较多。当土壤中pH较低时，N2O的还原就会受到抑制，从而会增大N2O的释放通量[7]。当土壤中NO3-含量较高时，N2O的释放会加剧，因为NO3-的还原更倾向于利用N2O作为电子受体。土壤中存在少量O2时，N2O还原酶受到的抑制比硝酸和亚硝酸还原酶所受的抑制更强，N2O就会释放出来。当土壤中有大量O2存在时，反硝化过程的好氧机制就会发生，反硝化过程就会受到抑制。

1.2 填埋场N2O释放通量及与其他生态系统比较

不同的生态系统N2O排放也具有一定的差异。目前，N2O释放相关研究主要集中在农田、草地、湿地以及森林等生态系统，而对碳、氮源转化更为急剧的填埋场系统中N2O的释放研究较少。仅有的文献表明，填埋场是N2O的重要释放源。由表1不难发现，填埋场的N2O释放通量远远高于其他生态系统。

2 填埋场覆土N2O释放的影响因素

影响填埋场覆土层N2O释放的主要因素包括土壤温度、土壤含水率、土壤pH、土壤质地、土壤碳氮含量和植被等，这些因素对填埋场覆土N2O释放的影响是相互关联的。

2.1 土壤温度

覆土层温度则主要是通过调节土壤N2O传输速率的物理化学参数，从而对N2O产生的生物学过程产生影响。谢军飞等[12]的研究表明，N2O的释放通量变化与温度之间均存在一定程度的正相关。在一定的范围内，硝化和反硝化速率随着温度的升高而升高，此时覆土层温度是N2O释放通量的主要控制因素[13]。而随着土壤深度的增加，温度对土壤N2O产生速率的影响力逐渐减弱[14]。叶欣等[15]通过研究证明土壤N2O释放通量随温度增加呈指数增长，并达到0.01显著水平。

2.2 土壤含水率

土壤含水率是决定厌氧与好氧的重要因子，当土壤含水率较低时，由于土壤中通气情况比较好，O2分压更高，硝化细菌氨单加氧酶活性相应也高，有利于硝化过程[16]。当含水率较高时，土壤中形成了厌氧环境，有利于反硝化作用产生高N2O释放通量，土壤含水率波动较大时，N2O释放通量通常较大，因为土壤的干湿交替过程有利于N2O产生[10]。Ruser等[17]认为土壤含水率影响溶质的迁移，从而影响土壤中NH4+和NO3-浓度的分布及其对微生物的有效性。当土壤孔隙含水率增加到最大田间含水率并超过时，N2O释放会显著下降，说明土壤高含水率不仅为反硝化细菌提供了厌氧环境，而且使已产生的N2O进一步向外扩散受到了限制，增加了它在土壤中的滞留时间，有利于最后被进一步还原成N2[18]。

2.3 土壤pH

土壤pH对N2O释放的影响主要体现在pH通过影响硝化、反硝化细菌及其酶的活性影响N2O的形成与释放[19]。相关研究表明，随着pH的降低，N2O还原酶受到抑制，N2O进一步还原为N2的过程被阻断，N2O/N2值相对增大。反硝化作用菌活动的pH为3.5～11.2，最适宜的pH范围是6.0～8.0，与异养菌相似。封克等[20]认为近中性条件最有利于N2O的产生。此外，pH也是控制土壤中氨挥发的主要因素[21]。

2.4 土壤质地

覆土质地既影响微生物硝化作用和反硝化作用的相对强弱及N2O的扩散速率，也影响覆土中有机质的分解速率，进而影响产生N2O微生物的基质供应[22]，最终影响N2O的排放。何品晶等[23]指出，垃圾填埋场覆土土质对N2O释放通量的强弱起决定作用。B rjesson等[4]通过研究瑞典3座垃圾填埋场覆土N2O排放水平发现，纯污泥作为覆土时，0.5～0.9 m覆土层的N2O浓度比混有污泥的覆土至少高2～3个数量级。用有机土作为覆土层比矿质土的N2O释放通量至少高1个数量级[24]，而选用贫瘠的沙土作为覆土可以有效减少N2O的释放[25]。He等[26]研究发现，覆土N2O的产生量与覆土处于有氧即通气条件下的时间紧密相关。压实土壤阻隔了覆土的通透性，一定程度上降低了覆土N2O的释放通量。

2.5 土壤碳氮含量

有机碳对土壤微生物的群落和活性有重要影响，这是因为土壤微生物从有机碳获得能量，而氮源为微生物硝化、反硝化过程提供基质。研究表明有机碳含量高有利于反硝化作用的进行，有利于N2O的产生，但是当有机物浓度比较高时会削弱硝化作用。何品晶等[23]、张振贤等[27]、姚志生等[28]认为N2O排放与土壤硝态氮浓度有明显相关性。Ambus等[29]通过研究发现土壤中施加各种含氮肥料后，促进了N2O的生成和释放。一般土壤微生物适宜的 C/N为25∶1～30∶1，若C/N >30∶1，则有机质分解慢，微生物活性弱，N2O排放受到抑制；若C/N

2.6 植被种类

除上述影响因素外，填埋场覆土表层的植被对于N2O的释放也有影响。种植植被能够减少表层覆土的水土流失，同时植物对土壤中N2O释放的影响体现在：一方面植物通过根系吸纳土壤中NO3-，从而减少了N2O的释放[31]；另一方面植物的一些气孔等组织能加速N2O从土壤中向大气中扩散[32]。相关研究表明，不同的植被类型对于土壤的N2O释放通量影响不同[33-35]，而植物的形状及种植密度上的差异造成了阳光通透性的不同，进而影响了土壤含水率的高低[36]。据报道，某些植物的根系还可能为微生物提供额外的生物可降解碳源，促进N2O的还原[37]。

3 研究展望

综上所述，填埋场覆土N2O产生与排放是一个极其复杂的过程，这些过程受环境条件及填埋场管理措施的影响。尽管N2O的产生与影响因素都与微生物的硝化和反硝化过程相关，但各因素的综合影响增加了研究与控制填埋场N2O排放的难度。鉴于此，填埋场N2O排放控制应就以下几个方面进行重点研究：

1）填埋场覆土N2O产生与排放的机理研究。研究碳源、土壤碳氮、外源碳氮、自然环境及垃圾填埋场管理措施对N2O产生与排放过程的综合影响。

2）深入进行填埋场覆土中微生物种群多样性的研究，掌握覆土中微生物对N2O减排的机制与规律。

3）建立受土壤、气候及填埋场管理措施综合影响的填埋场生态系统N2O排放模型，以估算N2O的排放总量及时空分布；基于上述研究，提出减少填埋场覆土N2O排放的措施。

深入研究覆土N2O排放与这些因素间的数量关系，客观估计区域或全球填埋场N2O的排放总量并提出切实可行的减排措施乃是未来的研究主题。

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