蚯蚓堆肥与产甲烷分解对无脊椎动物的影响比较

作者：Brian Tomasik

首次发布：2017年9月28日。最近一次重大更新：2018年3月2日。

摘要

小型好氧堆肥箱通常充满了蚯蚓、苍蝇和/或其他无脊椎动物。这些微小的动物在未经同意的情况下出生，过着短暂的生命，很快就以可能痛苦的方式死去。出于这个原因，我将食物残渣装入密封的塑料容器中，防止无脊椎动物分解废物。

反对我这种处理食物残渣方法的最好理由可能是，密封容器和填埋场中的厌氧分解会产生甲烷，这是一种强效的温室气体。气候变化对全球无脊椎动物种群的净影响尚不清楚，但至少有一些可能性，气候变化会增加世界上的无脊椎动物数量（Tomasik "气候 ..."）。如果气候变化最终确实增加了无脊椎动物的数量，那么食物残渣的厌氧分解是否可能比充满虫子的好氧堆肥更能增加无脊椎动物的数量？这就是我在本文中探讨的问题。

一个非常粗略且不确定的计算表明，我们无法判断堆肥有机物直接创造的无脊椎动物年数是大于还是小于厌氧分解通过气候变化对全球无脊椎动物年数净影响的"误差范围"。然而，由于气候变化对全球无脊椎动物种群的净影响的正负号非常不明确，而好氧堆肥明显会增加堆肥堆中的无脊椎动物种群，因此从减少无脊椎动物痛苦的角度来看，我们目前应该继续倾向于厌氧分解，等待对这个问题进行更好的计算。

目录

气候变化计算

密封容器中处理的食物残渣可能会在容器内或在填埋场厌氧分解时产生甲烷。维基百科（"产甲烷作用"）解释说，产甲烷作用"是通过填埋场处理的大多数有机物分解的主要途径"。

相比之下，在这个计算中我假设食物废物的好氧堆肥只产生二氧化碳而不产生甲烷。这是不现实的，因为实际上堆肥堆可能包含一些厌氧区域a，但忽略充满虫子的堆肥产生的任何甲烷只会使我的计算更保守，因为我夸大了堆肥与填埋食物废物之间的气候变化差异。

Banks (2009)给出了一个有用的家庭废物甲烷产生量计算示例（第9-10页）。bBanks (2009)假设我们有322公斤有机干物质，"碳含量为50%"。因此，废物中的碳质量为0.5 * 322公斤 = 161公斤。Banks (2009)假设只有60%的碳被生物降解，但在我看来，在很长的时间范围内可能会有更多的碳被降解？为了谨慎起见并高估甲烷产生量，我假设100%的碳被生物降解。c然后，根据Buswell方程，Banks (2009)估计产生的沼气中55%是甲烷，45%是二氧化碳。d因此，0.55 * 161 = 89公斤碳转化为甲烷。由于甲烷的分子量是16，而碳是12，89公斤碳转化为89 * 16/12 = 120公斤甲烷。同时，0.45 * 161 = 72公斤碳转化为二氧化碳。二氧化碳的分子量是12 + 2 * 16 = 44，所以我们有72 * 44/12 = 270公斤二氧化碳。

好氧分解呢？在这里我们假设废物中的161公斤碳全部转化为二氧化碳：161 * 44/12 = 590.公斤二氧化碳。

Tomasik（"情景 ..."）估计（在标题为"有多少昆虫年？"的小节中）1公吨二氧化碳（在很长的时间内）会导致预期的无脊椎动物痛苦年数变化在-600万到+600万之间。一公吨甲烷（在很长的时间内）的影响是这个数量的约3.7倍（见"综合起来"部分的末尾）。e

因此，好氧分解产生的590.公斤 = 0.590公吨二氧化碳将产生大约±（0.590 * 6）百万 ≈ ± 400万无脊椎动物痛苦年。

厌氧分解呢？270公斤二氧化碳将产生±（0.27 * 6）百万 ≈ ± 200万无脊椎动物痛苦年，120公斤甲烷将产生±（0.12 * 3.7 * 6）百万 ≈ ± 300万无脊椎动物痛苦年。总计约为± 500万。

因此，厌氧分解将无脊椎动物痛苦年数的"误差范围"增加了约100万，从± 400万增加到± 500万。

直接创造无脊椎分解者的粗略影响

好氧分解的食物残渣会支持多少无脊椎动物痛苦年？

Tomasik（"一克草能创造多少跳虫？ ..."）估计"在典型的草地上，每克干物质的植被大约创造3到6个跳虫年，以及许多其他无脊椎动物（螨虫、蚯蚓等）的生命。"为了保守起见，让我们取这个数字为每克3个跳虫年 = 每公斤3000个。我假设食物残渣产生的跳虫数量相同。f（这可能是保守的，因为家庭食物废物每克干物质的热量可能通常比草高。）

我上面的气候变化计算基于322公斤有机干物质。同样数量的食物废物意味着322 * 3000 = 100万跳虫年由堆肥创造。这个100万无脊椎动物年的数字与我们在之前的气候变化计算中发现的误差范围增加相同。（这很有趣，因为我没有操纵输入数字使它们如此接近。）

因此，气候变化的副作用是否在重要性上超过直接在好氧堆肥中喂养大量无脊椎动物的危害仍然是一个开放的问题。然而，由于气候变化的影响可能朝任何一个方向发展，而好氧堆肥显然会创造额外的无脊椎动物年，因此相对于我目前的估计，好氧堆肥在预期中似乎比密封食物残渣并将其填埋更糟糕。

此外，我的跳虫计算忽略了分解有机物的螨虫、蚯蚓、苍蝇、甲虫和其他虫子。

如果我们赋予非常小的生物道德权重会怎样？

线虫

Tomasik（"情景 ..."）专注于昆虫（而不是无脊椎动物一般）并假设地球上任何时候都有1018只昆虫（见"有多少昆虫年？"部分）。然而，地球上可能有~1019到~1022只线虫（Tomasik "有多少野生 ..."）。那么气候变化的数字不应该潜在地高得多吗？

也许，但堆肥的数字应该以类似的程度增加。我粗略估计地球上有~1018只跳虫g——与Tomasik（"情景 ..."）中假设的昆虫数量相同。所以如果线虫比跳虫多M倍，那么气候变化创造/阻止的无脊椎动物数量和堆肥创造的数量也应该乘以M。例如，如果地球上有，比如说，1020只线虫，那么如果我们想包括线虫，气候变化的数字应该乘以M = 1020 / 1018 = 102。如果我们想包括线虫，堆肥的数字也应该乘以~102，因为如果地球上每只跳虫有1020 / 1018 = 102只线虫，我假设堆肥中每只跳虫也有~102只线虫。h这将使这些影响的相对比较保持与之前相同。

细菌

如果你对细菌和其他非动物微生物有一定程度的关心，那么有机物的厌氧分解仍然会造成一些痛苦。然而，只要你认为细菌进行的分解引起的直接痛苦（忽略气候变化和其他副作用）比包括无脊椎动物的分解稍微少一些，那么我上面的数字的数量级就不会改变。例如，如果好氧、富含无脊椎动物的堆肥给定数量的食物废物创造X单位的直接痛苦（忽略气候变化和其他副作用），而该食物废物的厌氧降解创造0.6 * X单位，那么由于好氧堆肥而增加的痛苦是0.4 * X，这与X的数量级相同。本文中我计算的不确定性幅度可能是几个数量级，所以像这样的小考虑不会改变大局，即直接痛苦还是间接气候变化效应（无论是净好还是净坏）主导计算仍然非常不明确。

替代甲烷估算

Lundie和Peters (2005)研究了各种食物废物处理方法的环境影响。一种处理方法是业余家庭堆肥，其中堆肥箱是厌氧的："居民堆肥者很可能不会适当地混合和通风他们的堆肥箱，也没有蚯蚓的氧化帮助"（第278页）。作者估计食物残渣的厌氧堆肥每功能单位可能产生273公斤二氧化碳当量（表1，第280页），其中"对于这项研究，功能单位被定义为管理一个家庭一年内产生的平均食物废物量。在Waverley议会区域，这相当于每年182公斤（湿重）"（第277页）。

Diggelman和Ham (2003)引用了一个我在网上找不到的叫Morgan (1995)的来源，说（第503页）"食物废物是30%固体和70%水"。所以182公斤湿重应该大约是182 * 0.3 = 50公斤干物质。

273公斤二氧化碳当量相当于多少甲烷？我不太确定，但Lundie和Peters (2005)说他们的估计"基于[39]使用100年时间尺度的气候变化"（第279页），其中来源"[39]"是1995年政府间气候变化专门委员会（IPCC）的一份584页长的报告。我没有读过那个来源本身，但我假设它使用的全球变暖潜能值与维基百科（"全球"）中的类似。特别是，维基百科（"全球"）报告说，2001年，IPCC使用甲烷100年全球变暖潜能值为23，这意味着273公斤二氧化碳当量相当于约273/23 = 12公斤甲烷。

我在本文前面的计算表明，322公斤有机干物质会产生120公斤甲烷（以及一些二氧化碳），这相当于每公斤有机干物质0.37公斤甲烷。基于Lundie和Peters (2005)的估计表明，50公斤干物质会产生12公斤甲烷，这意味着每公斤干物质0.2公斤甲烷。令人欣慰的是，这些数字非常接近（0.37对0.2）。Lundie和Peters (2005)的数字比我的稍微保守一些，这会使气候变化的估计略低（但不足以影响本文的基本结论，即不确定气候变化的影响是否比好氧堆肥直接创造无脊椎动物更重要或更不重要）。

作为最后一个估计，Diggelman和Ham (2003)假设"在填埋场中，100公斤食物废物厌氧产生6.8公斤甲烷"（第509页）。再次假设食物废物是70%水，这意味着30公斤有机干物质产生6.8公斤甲烷，或者6.8/30 = 0.2公斤甲烷每公斤干物质。令人高兴的是，这与我根据Lundie和Peters (2005)的数字计算的结果相同。

在本文前面的甲烷计算中，我说："Banks (2009)假设只有60%的碳被生物降解，但在我看来，在很长的时间范围内可能会有更多的碳被降解？为了谨慎起见并高估甲烷产生量，我假设100%的碳被生物降解。"如果我坚持60%，我的"每公斤有机干物质的甲烷"就不会是0.37公斤，而是(0.37公斤) * (0.6) = 0.2公斤，与基于Lundie和Peters (2005)和Diggelman和Ham (2003)的替代甲烷估计相同。我不知道这是否解释了我的数字与他们的差异，还是只是巧合。

甲烷与二氧化碳的比较

在评估温室气体排放对野生动物痛苦的好坏影响时，我通常关注二氧化碳的影响，因为它是人为气候变化的主要驱动因素。然而，与好氧分解和厌氧分解选择最相关的温室气体是甲烷，而不是二氧化碳，因为甲烷每分子的温室效应更强。甲烷也会导致气候变化，但它没有二氧化碳那么多的副作用。例如，我假设甲烷不像二氧化碳那样会导致海洋酸化？

此外，我假设甲烷不会通过二氧化碳施肥增加陆地植物生长(Tomasik "影响 ...")。据我估计，二氧化碳施肥是担心二氧化碳排放可能增加而不是减少世界上野生动物总痛苦的最强理由之一。因此，甲烷显然不会导致这种效应，这可能表明，就野生动物痛苦而言，甲烷排放比简单转换为二氧化碳当量所表明的稍微不那么糟糕或更好。也就是说，在甲烷和二氧化碳排放的气候变化影响相等的情况下，我假设二氧化碳在至少这个重要的非气候变化副作用方面更糟糕。

当然，甲烷最终会在大气中转化为二氧化碳，但好氧堆肥会立即向大气释放二氧化碳。

脚注

  1. Footer (2014)解释道（第11-12页）：

    堆肥界的一个不为人知的秘密是，传统堆肥方法本质上会产生温室气体（GHG）。这在传统堆肥圈子里从未被提及，但实际上是一个相当大的问题。[...]

    即使在最好的好氧堆肥条件下，也会排放温室气体。但实际上，大多数人并不维持完美的好氧堆肥堆；他们让它变成厌氧的，这是一个令人担忧的原因。有多少人开始积极通风堆肥堆，但随着时间的推移放弃了，让它保持不动和厌氧？很多。当有机物在厌氧条件下堆肥时，会产生一氧化二氮、氨和硫化氢。[...]当产甲烷微生物占据主导地位时，堆中也会产生甲烷。[...]普通的家庭堆肥者并不收集甲烷，所以气体进入大气。

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  2. 我不确定Banks (2009)的计算是关于普通垃圾（包括纸张、塑料、金属等）的厌氧消化还是仅仅是有机废物。他说废物中并非所有干物质都是有机干物质。但这个问题与我在这里的计算无关，因为我专注于Banks (2009)数字中的"有机干物质"部分。  (返回)
  3. Diggelman和Ham (2003)，第509页："假设95%的食物废物固体是可分解的[...]其中84%在填埋场设计寿命期间分解"。所以看起来0.95 * 0.84 = 80%的固体在设计寿命期间分解？当然，我假设在填埋场退役后会有更多分解。  (返回)
  4. 这里是这个粗略估计的独立确认。Banks (2009)报告（第5页）Buswell方程是

    CcHhOoNnSs + (1/4)*(4c - h - 2o + 3n + 2s)H2O → (1/8)*(4c - h + 2o + 3n + 2s)CO2 + (1/8)*(4c + h - 2o - 3n - 2s)CH4 + nNH3 + sH2S.

    Diggelman和Ham (2003)引用Tchobanoglous 等人 (1993)报告（第503页）食物废物的组成是C21.53H34.21O12.66N1.00。将这些数字代入Buswell方程，我们得到

    C21.53H34.21O12.66N1.00 + 7.40H2O → 10.03CO2 + 11.50CH4 + NH3.

    甲烷与二氧化碳的比例是11.50/(11.50 + 10.03) = 53.41%。

    作为另一个估计，维基百科（"填埋气体利用"）说："在厌氧条件下，如填埋场的典型情况，甲烷和二氧化碳的产生比例为60:40。"  (返回)

  5. 为什么甲烷相对于二氧化碳的乘数不更高？这是因为我对温室气体影响的估计考虑了很长的时间范围（100万年），而二氧化碳在大气中的存留时间远远长于甲烷。如果我只看更短的时间范围，比如100年，那么甲烷相对于二氧化碳的影响会更大，但两种温室气体的绝对影响都会比使用长时间范围时小。因此，使用更短的时间范围会使气候变化考虑因素不太可能主导好氧堆肥的直接无脊椎动物创造影响。  (返回)
  6. 当然，一些蚯蚓堆肥箱可能几乎不含跳虫，但它们可能含有其他大小相似的无脊椎动物，如螨虫。我专注于跳虫只是作为一个高度丰富但体型小的无脊椎动物的例子。  (返回)
  7. 跳虫密度可能是每平方米土壤~104只 = 每公顷108只（Fleming 2015），地球上非沙漠和非山地土地面积为15.77亿英亩 = 63.82亿公顷（Pianka 未注明日期）。将这乘以每公顷108只，得到地球上几乎有1018只跳虫。  (返回)
  8. 我忽略了线虫可以生活在海洋沉积物中的事实，而我假设跳虫不能。但假设至少相当一部分线虫生活在陆地上，那么（地球上总线虫数量）/（地球上总跳虫数量）的比率应该与（土壤中总线虫数量）/（土壤中总跳虫数量）的比率非常相似。  (返回)