吉林省中部地区畜禽养殖温室气体排放特征

李昭阳， 高镜婷， 宋明晓

(吉林大学环境与资源学院，吉林长春 130026)

气候变化已经成为当今人类面临的最为严峻的全球性环境问题之一，温室气体减排压力日益增大[1]。全球接近35%的温室气体来源于农业，农业温室气体排放作为全球温室气体的主要来源，同样面临减排压力[2]。畜禽养殖业是农业产业体系的重要组成部分，也是农业温室气体排放的重点领域。联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，简称FAO)2006年的报告显示，每年由牛、羊、马、骆驼、猪和家禽排放温室气体的CO2当量占全球排放量的18%[3]。畜禽温室气体主要为甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)，甲烷(CH4)排放主要来自于各畜种的肠道，畜禽废弃物在管理过程中同时产生甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)[4]。国内外学者对畜禽温室气体排放特征进行了大量的研究。胡向东等利用联合国政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change，简称IPCC)(2006)公布的畜禽温室气体排放系数和计算方法，结合我国畜牧业发展实际，估算了全国2000—2007年和各省(市、区)2007年畜禽温室气体的排放量，结果表明，2000—2007年畜禽温室气体排放量总体呈现下降的趋势，黄牛甲烷排放量最大，生猪氧化亚氮排放量最大[5]；FAO利用IPCC的方法和系数，估算了我国2004年主要畜禽的温室气体排放量[3]；徐兴英等估算了江苏省2000—2009年畜禽温室气体排放量，结果表明，2000—2009年期间江苏省畜禽温室气体排放量总体呈下降的趋势[6]。刘月仙等估算了1978—2009年期间北京地区畜禽养殖温室气体排放的时空分布，结果表明，北京地区畜禽温室气体排放自20世纪90年代初逐步增长，到2004年达到顶峰，之后有所回落[7]。我国目前研究中计算温室气体排放量中排放因子值多采用IPCC推荐的缺省值和以往研究中的经验值[估值的不确定性均为±(30%～50%)]；根据地区养殖品种特征，计算畜禽的总能量摄取，从而计算排放因子值的相对较少[8-16]。

吉林省是传统农业大省，多年来，吉林省粮食商品率、人均粮食占有量以及人均肉类占有量居全国第1位。2015年吉林省畜牧业产值占农业总产值比重已达40%以上。但吉林省畜禽养殖分布不均，主要集中分布在长春市、吉林市、四平市和辽源市，其中生猪、肉牛、鸡的养殖密度比较高[17]。根据吉林省畜禽养殖空间分布特点，本研究旨在通过IPCC推荐的排放因子计算方法，估算2005—2015年吉林省中部畜禽养殖和粪便管理过程中温室气体的排放量及11年间各个县(市)的温室气体排放强度，为吉林省中部温室气体减排提供依据。

1 研究区概况

本研究的研究范围为吉林省中部(图1)，地理位置为123°20′～127°45′ E，42°18′～45°15′N，冬季平均气温在 -11 ℃ 以下，夏季平原平均气温在23 ℃以上，年平均降水量为400～600 mm，包括长春市、吉林市、四平市、辽源市4个地级市市辖区和15个县。2015年吉林省中部农林牧渔业总产值为1 743.2亿元，其中牧业总产值为800.6亿元，占总产值45.9%。吉林省中部养殖品种以猪、牛、鸡为主，羊、马、驴、骡、家兔较少。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

吉林省中部地区畜禽养殖量数据来自中国经济社会大数据研究平台(http：//data.cnki.net/)。

2.2 畜禽年均饲养量计算

IPCC(2006)报告指出，畜禽饲养过程中季节性的出生或屠宰可能会引起畜禽数量在1年中不同时间的增加或减少，因此应对生命周期不足1年的牲畜——猪、鸡(生命周期为110、49 d)的数量用出栏量作出调整：

(1)

式中：AAP为年均饲养量，头或只；NAPA为每年生产的家畜数量，头或只；Days_alive为畜禽平均生命周期，d。

2.3 畜禽肠道发酵CH4排放量的估算方法

在畜禽正常的代谢过程中，寄生在其消化道内的微生物发酵消化道内饲料时会产生CH4，反刍动物是动物肠道发酵CH4排放的主要排放源，非反刍禽类肠道CH4排放量小，IPCC和FAO推荐不予考虑。我国养猪数量较大，占世界存栏量的50%以上，吉林省数量位居全国第二。由于养猪数量较大，本研究计算猪肠道发酵CH4排放量。

2.3.1 排放因子计算 《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中推荐奶牛和其他牛根据总能摄取量和特定牲畜类别甲烷换算系数计算排放因子值，见公式(2)和公式(3)。

(2)

式中：EF为排放因子，kg/(头·年)；GE为总能量摄取，MJ/(头·d)；Ym为甲烷转化因子，即饲料中总能转化甲烷的百分比；55.65为甲烷的能量含量。

(3)

式中：GE为总能，MJ/d；NEm为家畜维持需要的净能，MJ/d；NEa为家畜活动净能，MJ/d；NE1为泌乳净能，MJ/d；NE劳动为劳动净能，MJ/d；NEp为妊娠所需的净能，MJ/d；REM为日粮中可供维持净能与消耗的可消化能的比例；NEg为生长所需净能，MJ/d；NE羊毛为产毛1年所需净能，MJ/d；REG为日粮中可供生长净能与消耗的可消化能的比。DE%为可消化能占总能的百分比。吉林省中部地区奶牛、其他牛肠道发酵CH4排放因子计算结果见表1。其他牲畜使用以前研究中推荐的排放因子值(表2)。

表1吉林省中部地区奶牛、其他牛肠道发酵CH4排放因子

注：数据取自第一次全国污染源普查产排污系数测算项目；参照《2006年IPCC国家温室气体清单指南》得出各类牲畜DE%=60%。

2.3.2 肠道发酵CH4排放量计算 畜禽肠道发酵CH4排放量等于各种牲畜的排放因子乘以年均饲养量的加和，根据公式(4)计算。

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

(4)

式中：ECH4，enteric，i为第i种动物甲烷排放量，万t/年；EFCH4，enteric，i为第i种动物的甲烷排放因子，kg/(头或只·年)；APi为第i种动物的数量，头或只。

2.4 畜禽粪便管理系统温室气体排放量的估算方法

畜禽粪便在施入到土壤之前的贮存和处理会产生CH4和N2O。采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中的推荐计算公式估算畜禽粪便管理中温室气体排放总量，见公式(5)。

ES粪便=∑EFS,manure,i×APi×10-7。

(5)

式中：ES粪便为动物粪便管理温室气体排放总量，S为CH4时，ES粪便为粪便管理CH4排放量(万t/年)，S为N2O时，ES粪便为粪便管理N2O排放量(万t/年)；EFS，manure，i为第i种动物粪便管理甲烷排放因子，kg/(头或只·年)。其中EF值数据来源于《省级温室气体清单编制指南》(表2)。

表2不同畜禽的排放因子kg/(头·年)

2.5 温室气体全球变暖潜势

IPCC用全球变暖潜势(global warming potential，简称GWP)的概念衡量温室气体对全球变暖的影响。将特定气体和相同质量的CO2比较，衡量各气体造成全球变暖的相对能力。以CO2的GWP值为1，CH4为25，N2O为298。畜禽温室气体排放量计算见公式(6)。

C=CCH4+CN2O=∑ECH4×25+∑EN2O×298。

(6)

式中：C为畜禽温室气体排放量，万t/年；CCH4为CH4温室气体排放量，万t/年；CN2O为N2O温室气体排放量，万t/年；ECH4为畜禽甲烷排放量，万t/年；EN2O为畜禽氧化亚氮排放量，万t/年；25和298分别为CH4和N2O转化为CO2当量的转化系数。

3 结果与分析

3.1 不同畜禽种类温室气体排放特征

本研究计算了吉林省中部19座城市2005—2015年11年间不同畜禽的温室气体排放量(表3)。畜禽肠道发酵中的CH4排放中其他牛和奶牛的年均温室气体排放量最大，分别为973.88万、77.07万t CO2-eq/年，分别占畜禽胃肠发酵CH4年均总排放量的85.1%、6.7%，非反刍牲畜猪、驴、骡温室气体排放量较小，分别占胃肠发酵CH4年均总排放量的0.6%、0.3%、0.2%。粪便管理过程中的CH4排放中其他牛的年均温室气体排放量最大为18.88万t CO2-eq/年，占粪便管理CH4年均总排放量的 61.3%，其次是猪，占年均总排放量的25.8%，这与猪的高养殖量密切相关。粪便管理过程中N2O排放中其他牛、猪、奶牛的年均温室气体排放量分别为201.46万、22.5万、7.36万t CO2-eq/年，分别占粪便管理中N2O年均总排放量的82.7%、9.2%、3.0%。

表32005—2015年不同畜禽温室气体排放量

3.2 畜禽温室气体排放时间变化特征

2005—2010年吉林省中部地区畜禽肠道发酵中的CH4温室气体排放量从1 005.34万t CO2-eq增加到1 443.93万t CO2-eq，到达峰值，2012年下降至967.83万t CO2-eq后排放量走势趋于平缓。畜禽粪便管理中的CH4温室气体排放量于2010年达到最大值38.85万t CO2-eq。粪便管理过程中N2O排放量与总排放量趋势相同，2010年达到最大值后走势趋于平缓(表4)。

表42005—2015年吉林省中部畜禽温室气体排放量

2005—2015年畜禽肠道发酵中的CH4温室气体年均排放量1 144.84万t CO2-eq/年，粪便管理过程中CH4温室气体年均排放量30.81万t CO2-eq/年，粪便管理过程中N2O温室气体年均排放量243.74万t CO2-eq/年，分别占总排放量的 80.7%、2.2%、17.2%。

3.3 畜禽温室气体排放空间变化特征

3.3.1 吉林省中部各地区畜禽温室气体排放 图2显示的是2005—2015年吉林省中部地区畜禽温室气体总排放量的空间分布，高排放集中市(县)为四平市、吉林市、榆树市、农安县、德惠市和辽源市，排放量较少的是永吉县、伊通满族自治县、桦甸市、东辽县、舒兰市和东丰县。其中肠道发酵甲烷排放量较大的市(县)依次为四平市(2 000.09万t CO2-eq)、吉林市(1 484.93万t CO2-eq)、榆树市(930.96万t CO2-eq)；粪便管理中甲烷排放量最大的为四平市(89.81万t CO2-eq)、吉林市(58.83万t CO2-eq)、农安县(35.45万t CO2-eq)；粪便管理中氧化亚氮排放量最大的为四平市(506.18万t CO2-eq)、吉林市(364.62万t CO2-eq)、榆树市(226.93万t CO2-eq)。结果综合显示，吉林省中部地区畜禽温室气体排放量大的地区主要集中在四平市、吉林市、榆树市和农安县。

3.3.2 吉林省中部各地区畜禽养殖温室气体排放强度 排放强度是衡量某地区单位面积内污染物的年排放量。计算公式(7)如下：

S=E温室气体/A。

(7)

式中：S代表单位面积温室气体年均排放强度，t CO2-eq/(km2·年)；E温室气体为某城市温室气体排放总量，t/年；A为某市面积，km2。

本研究的吉林省中部地区畜禽温室气体排放强度为区域11年平均温室气体排放量与区域面积的比值(图3)。其中，四平市、辽源市和吉林市是排放强度较大的3个市，排放强度分别为0.64万、0.37万、0.11万t CO2-eq/(km2·年)。四平市和辽源市中养殖场数量较多，年温室气体排放量大且区域面积小，排放强度大。排放强度较小的为舒兰市[0.009万t CO2-eq/(km2·年)]、桦甸市[(0.005万t CO2-eq/(km2·年)]和永吉县[0.003万t CO2-eq/(km2·年)]，这与当地的经济发展速度慢和人口对畜禽品的需求低有着密切的关系。

4 讨论与结论

全国畜禽养殖温室气体排放量计算多采用IPCC(2006)采用的经验值，估值的不确定性为±(30%～50%)，本研究根据吉林省畜禽养殖数量、排放因子贡献值特征和IPCC推荐的计算方法，计算了奶牛和其他牛的甲烷排放因子值，以增加结果的准确性。

但本研究关于计算温室气体排放量值仍存在着2个问题：(1)根据IPCC报告中年均饲养量计算公式计算年牲畜养殖量，虽然可一定程度上消除误差，却不能完全消除对不同牲畜年饲养量的高估或低估，2005—2015年吉林省畜禽养殖温室气体排放贡献比例较大的是畜禽肠道甲烷排放量，肠道甲烷排放量中其他牛、奶牛和山羊贡献量占96%，不足1年牲畜排放比例较小，过高或过低的估算牲畜饲养量对畜禽温室气体排放量值的计算和时间与空间维度的分析影响较小。(2)在排放因子计算中，未根据畜龄、生产类型和性别将每年牲畜种群分成若干亚类(如牛至少可分为3个主要亚类：成年奶牛、其他成年牛和生长家牛)。

根据2005—2015年吉林省中部温室气体排放特征，未来吉林省中部温室气体减排发展策略有以下几点：(1)畜禽品种改良，减少不足一年生的畜禽养殖周期，降低年均饲养量值，可减少温室气体排放量。(2)加快推进饲料产业发展，严格控制饲料营养配比，增加饲料中脂肪的浓度，降低饲料中纤维的含量，降低饲料转换率，可以有效地抑制畜禽肠道CH4的产生[18]。(3)统筹兼顾吉林省中部经济、社会、生态效益，均衡各县(市)畜牧业发展，将排放强度较大地区的畜牧企业，迁移至排放强度较小区域，带动地方经济增速，完善低碳农业的发展[19]。

2005—2015年吉林省中部温室气体排放量为15 612.91万t CO2-eq，其中其他牛排放量占84%，猪占3%，奶牛占6%。畜禽肠道CH4排放量占温室气体排放总量的80.66%；粪便管理中CH4排放量占温室气体排放总量2.17%，N2O占17.17%。对各畜禽温室气体排放量进行比较，其中反刍动物肠道发酵中CH4排放量是温室气体的重要来源，奶牛和其他牛是主要的温室气体排放源。同时由于吉林省中部人口对猪肉的大量需求，非反刍牲畜猪也是重要的温室气体来源。

从时间维度来看，2005—2015年吉林省中部温室气体排放量变化可分为2个阶段：第1阶段(2005—2010年)，温室气体排放量上升了30.6%；第2阶段(2011—2015年)，温室气体排放量有所回落后趋于平缓。从空间维度来看，吉林省中部地区各市(县)畜禽温室气体排放的区域集中在四平市、吉林市、榆树市、农安县和德惠市，排放量较小的依次为永吉县、伊通满族自治县、桦甸市和东辽县，排放强度最大的是四平市，排放强度最小的是永吉县。

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