吉林省中部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放特征

李昭陽， 高鏡婷， 宋明曉

(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130026)

氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)今人類面臨的最為嚴(yán)峻的全球性環(huán)境問題之一，溫室氣體減排壓力日益增大[1]。全球接近35%的溫室氣體來源于農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放作為全球溫室氣體的主要來源，同樣面臨減排壓力[2]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系的重要組成部分，也是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重點領(lǐng)域。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，簡稱FAO)2006年的報告顯示，每年由牛、羊、馬、駱駝、豬和家禽排放溫室氣體的CO2當(dāng)量占全球排放量的18%[3]。畜禽溫室氣體主要為甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)，甲烷(CH4)排放主要來自于各畜種的腸道，畜禽廢棄物在管理過程中同時產(chǎn)生甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)[4]。國內(nèi)外學(xué)者對畜禽溫室氣體排放特征進行了大量的研究。胡向東等利用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(intergovernmental panel on climate change，簡稱IPCC)(2006)公布的畜禽溫室氣體排放系數(shù)和計算方法，結(jié)合我國畜牧業(yè)發(fā)展實際，估算了全國2000—2007年和各省(市、區(qū))2007年畜禽溫室氣體的排放量，結(jié)果表明，2000—2007年畜禽溫室氣體排放量總體呈現(xiàn)下降的趨勢，黃牛甲烷排放量最大，生豬氧化亞氮排放量最大[5]；FAO利用IPCC的方法和系數(shù)，估算了我國2004年主要畜禽的溫室氣體排放量[3]；徐興英等估算了江蘇省2000—2009年畜禽溫室氣體排放量，結(jié)果表明，2000—2009年期間江蘇省畜禽溫室氣體排放量總體呈下降的趨勢[6]。劉月仙等估算了1978—2009年期間北京地區(qū)畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放的時空分布，結(jié)果表明，北京地區(qū)畜禽溫室氣體排放自20世紀(jì)90年代初逐步增長，到2004年達到頂峰，之后有所回落[7]。我國目前研究中計算溫室氣體排放量中排放因子值多采用IPCC推薦的缺省值和以往研究中的經(jīng)驗值[估值的不確定性均為±(30%～50%)]；根據(jù)地區(qū)養(yǎng)殖品種特征，計算畜禽的總能量攝取，從而計算排放因子值的相對較少[8-16]。

吉林省是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大省，多年來，吉林省糧食商品率、人均糧食占有量以及人均肉類占有量居全國第1位。2015年吉林省畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值比重已達40%以上。但吉林省畜禽養(yǎng)殖分布不均，主要集中分布在長春市、吉林市、四平市和遼源市，其中生豬、肉牛、雞的養(yǎng)殖密度比較高[17]。根據(jù)吉林省畜禽養(yǎng)殖空間分布特點，本研究旨在通過IPCC推薦的排放因子計算方法，估算2005—2015年吉林省中部畜禽養(yǎng)殖和糞便管理過程中溫室氣體的排放量及11年間各個縣(市)的溫室氣體排放強度，為吉林省中部溫室氣體減排提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究的研究范圍為吉林省中部(圖1)，地理位置為123°20′～127°45′ E，42°18′～45°15′N，冬季平均氣溫在 -11 ℃ 以下，夏季平原平均氣溫在23 ℃以上，年平均降水量為400～600 mm，包括長春市、吉林市、四平市、遼源市4個地級市市轄區(qū)和15個縣。2015年吉林省中部農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值為1 743.2億元，其中牧業(yè)總產(chǎn)值為800.6億元，占總產(chǎn)值45.9%。吉林省中部養(yǎng)殖品種以豬、牛、雞為主，羊、馬、驢、騾、家兔較少。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

吉林省中部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖量數(shù)據(jù)來自中國經(jīng)濟社會大數(shù)據(jù)研究平臺(http：//data.cnki.net/)。

2.2 畜禽年均飼養(yǎng)量計算

IPCC(2006)報告指出，畜禽飼養(yǎng)過程中季節(jié)性的出生或屠宰可能會引起畜禽數(shù)量在1年中不同時間的增加或減少，因此應(yīng)對生命周期不足1年的牲畜——豬、雞(生命周期為110、49 d)的數(shù)量用出欄量作出調(diào)整：

(1)

式中：AAP為年均飼養(yǎng)量，頭或只；NAPA為每年生產(chǎn)的家畜數(shù)量，頭或只；Days_alive為畜禽平均生命周期，d。

2.3 畜禽腸道發(fā)酵CH4排放量的估算方法

在畜禽正常的代謝過程中，寄生在其消化道內(nèi)的微生物發(fā)酵消化道內(nèi)飼料時會產(chǎn)生CH4，反芻動物是動物腸道發(fā)酵CH4排放的主要排放源，非反芻禽類腸道CH4排放量小，IPCC和FAO推薦不予考慮。我國養(yǎng)豬數(shù)量較大，占世界存欄量的50%以上，吉林省數(shù)量位居全國第二。由于養(yǎng)豬數(shù)量較大，本研究計算豬腸道發(fā)酵CH4排放量。

2.3.1 排放因子計算 《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中推薦奶牛和其他牛根據(jù)總能攝取量和特定牲畜類別甲烷換算系數(shù)計算排放因子值，見公式(2)和公式(3)。

(2)

式中：EF為排放因子，kg/(頭·年)；GE為總能量攝取，MJ/(頭·d)；Ym為甲烷轉(zhuǎn)化因子，即飼料中總能轉(zhuǎn)化甲烷的百分比；55.65為甲烷的能量含量。

(3)

式中：GE為總能，MJ/d；NEm為家畜維持需要的凈能，MJ/d；NEa為家畜活動凈能，MJ/d；NE1為泌乳凈能，MJ/d；NE勞動為勞動凈能，MJ/d；NEp為妊娠所需的凈能，MJ/d；REM為日糧中可供維持凈能與消耗的可消化能的比例；NEg為生長所需凈能，MJ/d；NE羊毛為產(chǎn)毛1年所需凈能，MJ/d；REG為日糧中可供生長凈能與消耗的可消化能的比。DE%為可消化能占總能的百分比。吉林省中部地區(qū)奶牛、其他牛腸道發(fā)酵CH4排放因子計算結(jié)果見表1。其他牲畜使用以前研究中推薦的排放因子值(表2)。

表1吉林省中部地區(qū)奶牛、其他牛腸道發(fā)酵CH4排放因子

注：數(shù)據(jù)取自第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)測算項目；參照《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》得出各類牲畜DE%=60%。

2.3.2 腸道發(fā)酵CH4排放量計算 畜禽腸道發(fā)酵CH4排放量等于各種牲畜的排放因子乘以年均飼養(yǎng)量的加和，根據(jù)公式(4)計算。

ECH4,enteric,i=∑EFCH4,enteric,i×APi×10-7。

(4)

式中：ECH4，enteric，i為第i種動物甲烷排放量，萬t/年；EFCH4，enteric，i為第i種動物的甲烷排放因子，kg/(頭或只·年)；APi為第i種動物的數(shù)量，頭或只。

2.4 畜禽糞便管理系統(tǒng)溫室氣體排放量的估算方法

畜禽糞便在施入到土壤之前的貯存和處理會產(chǎn)生CH4和N2O。采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中的推薦計算公式估算畜禽糞便管理中溫室氣體排放總量，見公式(5)。

ES糞便=∑EFS,manure,i×APi×10-7。

(5)

式中：ES糞便為動物糞便管理溫室氣體排放總量，S為CH4時，ES糞便為糞便管理CH4排放量(萬t/年)，S為N2O時，ES糞便為糞便管理N2O排放量(萬t/年)；EFS，manure，i為第i種動物糞便管理甲烷排放因子，kg/(頭或只·年)。其中EF值數(shù)據(jù)來源于《省級溫室氣體清單編制指南》(表2)。

表2不同畜禽的排放因子kg/(頭·年)

2.5 溫室氣體全球變暖潛勢

IPCC用全球變暖潛勢(global warming potential，簡稱GWP)的概念衡量溫室氣體對全球變暖的影響。將特定氣體和相同質(zhì)量的CO2比較，衡量各氣體造成全球變暖的相對能力。以CO2的GWP值為1，CH4為25，N2O為298。畜禽溫室氣體排放量計算見公式(6)。

C=CCH4+CN2O=∑ECH4×25+∑EN2O×298。

(6)

式中：C為畜禽溫室氣體排放量，萬t/年；CCH4為CH4溫室氣體排放量，萬t/年；CN2O為N2O溫室氣體排放量，萬t/年；ECH4為畜禽甲烷排放量，萬t/年；EN2O為畜禽氧化亞氮排放量，萬t/年；25和298分別為CH4和N2O轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同畜禽種類溫室氣體排放特征

本研究計算了吉林省中部19座城市2005—2015年11年間不同畜禽的溫室氣體排放量(表3)。畜禽腸道發(fā)酵中的CH4排放中其他牛和奶牛的年均溫室氣體排放量最大，分別為973.88萬、77.07萬t CO2-eq/年，分別占畜禽胃腸發(fā)酵CH4年均總排放量的85.1%、6.7%，非反芻牲畜豬、驢、騾溫室氣體排放量較小，分別占胃腸發(fā)酵CH4年均總排放量的0.6%、0.3%、0.2%。糞便管理過程中的CH4排放中其他牛的年均溫室氣體排放量最大為18.88萬t CO2-eq/年，占糞便管理CH4年均總排放量的 61.3%，其次是豬，占年均總排放量的25.8%，這與豬的高養(yǎng)殖量密切相關(guān)。糞便管理過程中N2O排放中其他牛、豬、奶牛的年均溫室氣體排放量分別為201.46萬、22.5萬、7.36萬t CO2-eq/年，分別占糞便管理中N2O年均總排放量的82.7%、9.2%、3.0%。

表32005—2015年不同畜禽溫室氣體排放量

3.2 畜禽溫室氣體排放時間變化特征

2005—2010年吉林省中部地區(qū)畜禽腸道發(fā)酵中的CH4溫室氣體排放量從1 005.34萬t CO2-eq增加到1 443.93萬t CO2-eq，到達峰值，2012年下降至967.83萬t CO2-eq后排放量走勢趨于平緩。畜禽糞便管理中的CH4溫室氣體排放量于2010年達到最大值38.85萬t CO2-eq。糞便管理過程中N2O排放量與總排放量趨勢相同，2010年達到最大值后走勢趨于平緩(表4)。

表42005—2015年吉林省中部畜禽溫室氣體排放量

2005—2015年畜禽腸道發(fā)酵中的CH4溫室氣體年均排放量1 144.84萬t CO2-eq/年，糞便管理過程中CH4溫室氣體年均排放量30.81萬t CO2-eq/年，糞便管理過程中N2O溫室氣體年均排放量243.74萬t CO2-eq/年，分別占總排放量的 80.7%、2.2%、17.2%。

3.3 畜禽溫室氣體排放空間變化特征

3.3.1 吉林省中部各地區(qū)畜禽溫室氣體排放 圖2顯示的是2005—2015年吉林省中部地區(qū)畜禽溫室氣體總排放量的空間分布，高排放集中市(縣)為四平市、吉林市、榆樹市、農(nóng)安縣、德惠市和遼源市，排放量較少的是永吉縣、伊通滿族自治縣、樺甸市、東遼縣、舒蘭市和東豐縣。其中腸道發(fā)酵甲烷排放量較大的市(縣)依次為四平市(2 000.09萬t CO2-eq)、吉林市(1 484.93萬t CO2-eq)、榆樹市(930.96萬t CO2-eq)；糞便管理中甲烷排放量最大的為四平市(89.81萬t CO2-eq)、吉林市(58.83萬t CO2-eq)、農(nóng)安縣(35.45萬t CO2-eq)；糞便管理中氧化亞氮排放量最大的為四平市(506.18萬t CO2-eq)、吉林市(364.62萬t CO2-eq)、榆樹市(226.93萬t CO2-eq)。結(jié)果綜合顯示，吉林省中部地區(qū)畜禽溫室氣體排放量大的地區(qū)主要集中在四平市、吉林市、榆樹市和農(nóng)安縣。

3.3.2 吉林省中部各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放強度 排放強度是衡量某地區(qū)單位面積內(nèi)污染物的年排放量。計算公式(7)如下：

S=E溫室氣體/A。

(7)

式中：S代表單位面積溫室氣體年均排放強度，t CO2-eq/(km2·年)；E溫室氣體為某城市溫室氣體排放總量，t/年；A為某市面積，km2。

本研究的吉林省中部地區(qū)畜禽溫室氣體排放強度為區(qū)域11年平均溫室氣體排放量與區(qū)域面積的比值(圖3)。其中，四平市、遼源市和吉林市是排放強度較大的3個市，排放強度分別為0.64萬、0.37萬、0.11萬t CO2-eq/(km2·年)。四平市和遼源市中養(yǎng)殖場數(shù)量較多，年溫室氣體排放量大且區(qū)域面積小，排放強度大。排放強度較小的為舒蘭市[0.009萬t CO2-eq/(km2·年)]、樺甸市[(0.005萬t CO2-eq/(km2·年)]和永吉縣[0.003萬t CO2-eq/(km2·年)]，這與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展速度慢和人口對畜禽品的需求低有著密切的關(guān)系。

4 討論與結(jié)論

全國畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放量計算多采用IPCC(2006)采用的經(jīng)驗值，估值的不確定性為±(30%～50%)，本研究根據(jù)吉林省畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、排放因子貢獻值特征和IPCC推薦的計算方法，計算了奶牛和其他牛的甲烷排放因子值，以增加結(jié)果的準(zhǔn)確性。

但本研究關(guān)于計算溫室氣體排放量值仍存在著2個問題：(1)根據(jù)IPCC報告中年均飼養(yǎng)量計算公式計算年牲畜養(yǎng)殖量，雖然可一定程度上消除誤差，卻不能完全消除對不同牲畜年飼養(yǎng)量的高估或低估，2005—2015年吉林省畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放貢獻比例較大的是畜禽腸道甲烷排放量，腸道甲烷排放量中其他牛、奶牛和山羊貢獻量占96%，不足1年牲畜排放比例較小，過高或過低的估算牲畜飼養(yǎng)量對畜禽溫室氣體排放量值的計算和時間與空間維度的分析影響較小。(2)在排放因子計算中，未根據(jù)畜齡、生產(chǎn)類型和性別將每年牲畜種群分成若干亞類(如牛至少可分為3個主要亞類：成年奶牛、其他成年牛和生長家牛)。

根據(jù)2005—2015年吉林省中部溫室氣體排放特征，未來吉林省中部溫室氣體減排發(fā)展策略有以下幾點：(1)畜禽品種改良，減少不足一年生的畜禽養(yǎng)殖周期，降低年均飼養(yǎng)量值，可減少溫室氣體排放量。(2)加快推進飼料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，嚴(yán)格控制飼料營養(yǎng)配比，增加飼料中脂肪的濃度，降低飼料中纖維的含量，降低飼料轉(zhuǎn)換率，可以有效地抑制畜禽腸道CH4的產(chǎn)生[18]。(3)統(tǒng)籌兼顧吉林省中部經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益，均衡各縣(市)畜牧業(yè)發(fā)展，將排放強度較大地區(qū)的畜牧企業(yè)，遷移至排放強度較小區(qū)域，帶動地方經(jīng)濟增速，完善低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展[19]。

2005—2015年吉林省中部溫室氣體排放量為15 612.91萬t CO2-eq，其中其他牛排放量占84%，豬占3%，奶牛占6%。畜禽腸道CH4排放量占溫室氣體排放總量的80.66%；糞便管理中CH4排放量占溫室氣體排放總量2.17%，N2O占17.17%。對各畜禽溫室氣體排放量進行比較，其中反芻動物腸道發(fā)酵中CH4排放量是溫室氣體的重要來源，奶牛和其他牛是主要的溫室氣體排放源。同時由于吉林省中部人口對豬肉的大量需求，非反芻牲畜豬也是重要的溫室氣體來源。

從時間維度來看，2005—2015年吉林省中部溫室氣體排放量變化可分為2個階段：第1階段(2005—2010年)，溫室氣體排放量上升了30.6%；第2階段(2011—2015年)，溫室氣體排放量有所回落后趨于平緩。從空間維度來看，吉林省中部地區(qū)各市(縣)畜禽溫室氣體排放的區(qū)域集中在四平市、吉林市、榆樹市、農(nóng)安縣和德惠市，排放量較小的依次為永吉縣、伊通滿族自治縣、樺甸市和東遼縣，排放強度最大的是四平市，排放強度最小的是永吉縣。

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