动物在温室气体排放中的作用＊

李君宇，韩 英

（东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江哈尔滨150030）

动物在生态系统中的作用是多方面的，它不仅能提高生态系统中物质循环的效率和稳定性，而且还影响着生态系统的组成和结构，并在生态系统协同进化体系中占有极为重要的地位，发挥着重要的作用［1］。它不仅能够给人类提供生存所必需的物质资源，而且在维持地球生物圈的生物多样性方面具有重要作用，是包括人类在内的一切生物生存所不可缺少的地球环境生态平衡条件。

百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。特别是近50年来，人类活动的加强导致温室气体排放增加从而引起全球变暖。温室气体是具有温室效应的气体主要包括H2O、CO2、CH4、N2O和氯氟烃（Chloro fluoro－carbon，CFCs）等。温室效应的90%是由H2O和CO2引起的，其余10%是由CH4、N2O和CFCs等温室气体引起的［2］。这些温室气体能像温室玻璃一样，使地球表面温度升高。工业革命以来，由于人类活动的影响，使大气中温室气体浓度明显增加，引起全球变暖和气候变化。那么，主要温室气体的排放源是什么？动物在这些温室气体的排放中又起着怎样的作用？对这一问题的研究将有助于进一步认识动物与大气的生态关系以及重新认识动物在全球气候变化中的作用。

1 动物在CO2排放中的作用

CO2是最主要的温室气体之一。如果缺失CO2，地球的年平均气温（14～16℃）会降低20℃。但CO2浓度过高，也会形成“温室效应”。研究表明，由于人类活动的影响，大气CO2浓度持续升高，已从工业革命前的280μL／L增加到了目前的379μL／L，并以每年1～2μL／L的速度递增，预计到21世纪末，大气浓度将会升高到目前的两倍。科学家预测，今后大气中CO2每增加1倍，全球平均气温将上升1.5～4.5℃，而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右［3］。

在自然界的碳循环中，绿色植物从空气中获得的CO2，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化合物。之后植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为CO2释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后，残体中的碳，通过微生物的分解作用也成为CO2而最终排入大气。大气中的CO2这样循环一次约需20年。通过光合作用地球上的植物每年消耗175Pg（1P＝1015）的CO2，但是动植物的呼吸过程以及它们尸体的腐化也会向大气中释放同等数量［4］。一部分（约千分之一）动、植物残体在被分解之前就被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料－－煤、石油和天然气等。它们在风化过程中或作为燃料时，其中的碳被氧化成为CO2排入大气。人类生产活动消耗大量矿物燃料对碳循环产生重大影响。从1949年到1969年，由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，估计每年CO2的生成量增加4.8%，其结果使大气中CO2浓度升高，这样就破坏了自然界原有的平衡，从而引起全球变暖［5］。

除了人类生产活动通过消耗大量矿物燃料对碳循环产生影响以外，2006年12月FAO的一份报告指出，全球10.5亿只牛是温室效应的元凶。每年由牛、羊、骆驼、马、猪和家禽排放的温室气体约占全球温室气体总量的18%，其中牛比其他家畜动物排放量还高，超越了人类的交通工具，如汽车、飞机等的CO2排放量［6］。不仅如此，2009年《世界观察》杂志刊登的一篇题为《牲畜和气候变化》的报告指出，牲畜及其副产品的温室气体排放至少占全球总排放的51%（包括人和动物呼吸排放的温室气体），远远超过了粮农组织估计的数值18%［7］。可见动物对大气CO2等温室气体的排放贡献不可忽视。

2 动物在甲烷排放中的作用

甲烷（CH4）也是一种温室效应气体，近200年来，其在大气中的浓度大幅度上升。目前，大气中CH4的平均浓度为1.8μL／L［8］。CH4不仅比CO2具有更高的增温潜势，其效力是CO2的23～25倍，而且将通过辐射过程直接引起气候变化［9］；与CO2不同的是，它还是一种化学活性物质，能引起许多大气化学变化，从而间接地影响气候变化。

大气CH4的80%左右是由生物过程产生的，主要是微生物在厌氧条件下利用醋酸盐或氢与CO2反应生成的。因此CH4的最主要的来源是湿地和稻田［10］、垃圾场、污水处理厂，以及反刍动物和白蚁的消化系统。据估算，天然湿地的CH4排放量约为280Tg／年，约占全球CH4排放量的1／3。稻田是最大的人为排放源，全球CH4年排放量约为300 Tg［10］。随着人口的增长，对粮食的需求增大，因此稻田将是不可忽视的大气CH4排放源。此外，近年来发现，植物在逆境条件下也能排放一定量的甲烷［11］。生物物质燃烧也是人为排放CH4的最大来源之一。有资料显示，每年生物物质燃烧将向大气排放的CH4约为40Tg，主要来自热带农业耕种、温带地区的森林火、农田废弃物的燃烧以及家用炉灶（木材、煤炉、火炭）等［12］。除了植物影响大气CH4排放外，动物，尤其是反刍动物和一些昆虫的肠发酵及其排泄物也是大气CH4的重要排放源。据2010年全球人为CH4排放量的估计数据显示：污水9%；其他农业排放源7%；固定和移动源1%；农业（肥料）4%；煤矿6%；牲畜肠道发酵29%；垃圾填埋11%；生物物质3%；水稻种植10%；石油和天然气20%［13］。其中动物的甲烷排放达29%左右，这部分排放主要来自两部分，一是畜禽粪便的排放［9］。全球由畜禽粪便排放的CH4气体总量占已知CH4排放总量的5.5%～8%［14］，而且粪便在堆放期间也会产生和排放CO2和CH4，通常堆放前期排放量高于中后期。二是反刍动物消化道中的饲料经微生物发酵也可产生CH4。

据报道，反刍动物消化道能排放100多种气体，但其中主要气体是CH4。近年发现牛能排放大量的CH4，主要是通过其打嗝，少部分是通过肠胃胀气排放。通过动物胃肠道发酵排放的CH4占大气CH4总排放量的29.7%［15］。奶牛的平均CH4排放量的统计数据报道不一，大约在100～500L／每天左右），可见这个数据是庞大的，相当于一辆汽车一天所排放的CH4。此外，研究还发现牛在代谢过程中排放的100多种污染气体中除了CH4气体外，氨的排放量也占全球总量的2／3，而氨正是导致酸雨的重要原因之一［6］。因此，加州大学柏克莱分校“全球环境健康”教授寇克·史密斯博士（Dr.Kirk Smith）在长达400页题为《牲畜的巨大阴影：环境问题与选择》中指出，除了牛以外，其他多种牲畜，如羊、鸡、猪等也会造成环境污染，所以畜牧业才是引起温室效应等环境问题的主要根源。结论是，数量迅速增加的牛对环境影响最大［6］。据统计，全球现有15亿头牛和17亿头羊，且其数量还在继续上升，特别是在发展中国家，全球肉制品可望在2001～2050年翻一倍［16］。

为减少反刍动物的温室气体排放，各国积极采取措施。据2012年路透社报道，新西兰采取让农民为养殖的上百万头羊和牛放屁所导致的温室效应支付490万美元／年的“放气”税［17］。新西兰政府计划征收的动物的“放屁”税，是为研究动物放屁所导致温室效应的筹集经费。动物排出的气体中包括CH4和N2O，占新西兰温室气体排放量的一大半。另有一些科学家们提出了几种对环境更友好的家畜养殖方法。在新西兰，研究人员正在检测各种营养方案、食物添加剂、药方以及那些排放更少CH4的动物；而澳大利亚的一支科学小组建议人类应放弃食用牛羊肉，改吃袋鼠肉，因为袋鼠不排放CH4。科学家们发现，反刍动物在新陈代谢过程中，8%的能量用于生成CH4。如果不排放温室气体，那么这些能量可以用于来制造更多的肉［18］。德国的霍恩海姆大学的科学家们制造出一种药片可以制止牛的瘤胃（牛的第一个胃）中产生气体，并且把甲烷转化成葡萄糖。但是这种药物需要严格的饮食和有组织的喂养时间，所以这种设想似乎可行性不大。可见动物是大气CH4的重要排放源［19］。

3 动物在氧化亚氮排放中的作用

氧化亚氮（N2O）又称笑气，与CO2相比，虽然N2O在大气中的含量很低，但其单分子增温潜势却是CO2的310倍；而且其在大气中具有更长的半衰期。因此，未来N2O对全球气候的增温效应将越来越显著，它们浓度的增加，已引起科学家的极大关注。2009年，美国一项最新研究显示，这种无色有甜味的气体已经成为人类排放的首要消耗臭氧层物质［20］。人类通过使用化肥、化石燃料等每年向大气中排放约1000×104t N2O［21］，如果人类不采取措施限制其排放，它将成为21世纪破坏性最大的消耗臭氧层的物质。

研究表明，土壤是大气N2O的重要排放源，主要是通过微生物过程产生并排放到大气的。植物根系的生长不仅能通过刺激土壤微生物的生长来促进这一过程，而且植物本身也能起导管作用，促进土壤N2O向大气的排放［5－6］。研究发现植物自身也能产生和排放一定量的N2O［22］。人类通过农业施肥也能促进土壤微生物N2O的产生［23］。据报道，在农业生态系统中，施氮肥引起的N2O排放量占人为年排放量的44%，这还不包括其他的氮输入途径，如：动物废弃物、生物N固定等，而且不同动物排泄物对作物生长期间N2O排放的影响也不同［24］。动物粪便在处理和存放过程中也能排放大量的N2O。每年全球由动物粪便排放的N2O约为200×104t，占人为排放源的14%左右［25］。中国是动物饲养量最大的国家之一，每年动物粪便N2O排放量约为24.6×104t［25］。2009年德国和丹麦科研人员研究发现，不仅人类和家畜能通过肛门排放“有害温室气体”，而且水生动物也同样释放温室气体N2O［26］。德国马克斯·普朗克研究所和丹麦奥尔胡斯大学研究人员发现，当水中有硝酸盐存在时，蚌类、淡水蜗牛等水生生物也会排放N2O［26］。由此推测，污染水中硝酸盐越多，排放的问题气体也就越多。

综上所述，动物在主要温室气体CO2、CH4和N2O的产生和排放中起着十分重要作用。它们既能通过代谢过程直接产生和排放三种温室气体，同时也能通过其排泄物直接或间接影响温室气体的排放，尤其是作为大气CH4的新的重要的排放源的反刍动物越来越引起科学界的重视，有关动物作为大气CH4和N2O排放源的强度及机理与对策的研究还有待于进一步深入。

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