成年奶牛温室气体排放分析

鞠鑫鑫， 郭建斌， 杨守军， 孙 辉， 董仁杰*

(1. 山东中农三月环保科技股份有限公司， 山东 烟台 264006； 2. 国家级生物质能科学与技术国际联合研究中心 农业农村部可再生能源清洁化利用技术重点实验室 中国农业大学工学院农业农村碳中和研究中心， 北京 100083； 3. 中国农业大学烟台研究院， 山东 烟台 264670)

联合国粮农组织报告显示，全球农业活动温室气体排放中，畜牧生产(肠道发酵和粪便管理利用)相关排放占比达67%[1]；我国2014年畜牧生产占农业活动温室气体排放的42%[2]。全球畜牧生产产生的甲烷量占人类活动排放甲烷总量的32%[3]，其中2017年仅奶牛养殖产生的温室气体(甲烷为主)即达到约5.99亿吨二氧化碳当量(CO2e)[4]，约占全球畜牧生产甲烷排放的17.6%。

在“碳达峰、碳中和”目标纳入我国生态文明建设整体布局的时代背景下，分析奶牛养殖业温室气体排放及减排具有明显的现实意义。2008年，我国国家发改委应对气候变化司依据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)提出的《IPCC 2006年国家温室气体清单指南》(下文简称《IPCC指南2006》)[5]，结合我国奶牛养殖情况分别提供了全国奶牛肠道发酵甲烷加权排放因子和粪便管理的甲烷及氧化亚氮加权排放因子，郑永辉[6]等在此基础上核算了全国奶牛肠道发酵和粪便管理的综合排放因子为2.6 tCO2e·头-1a-1，但是随着温室气体排放核算方法学的完善以及我国奶牛养殖规模和工艺技术的改进，上述因子已不能准确反应我国奶牛养殖业的温室气体排放现状；近年来，很多学者基于生命周期视角，开展了奶牛养殖业环境经济效益评价研究，例如王效琴[7]等应用生命周期评价法，分析了西安郊区典型规模化奶牛场的奶牛养殖系统温室气体排放特点和排放量；白玫[8]等评估了北京规模化奶牛养殖企业温室气体排放情况；黄显雷[9]等研究了基于生命周期视角的种养一体化奶牛场环境经济效益评估，但是这些研究主要集中于牛奶产品碳足迹或养殖场整体经济效益及环境效益，很少聚焦于奶牛产业温室气体排放本身。同时现有文献中也普遍存在核算方法更新不及时，相关参数或排放因子陈旧等问题。

以《IPCC指南2006》[5]和《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》(下文简称《IPCC指南2019修订版》)[10]为基础，结合IPCC第五次报告[11]以及我国相关统计数据，参考国内外最新研究成果，对不同粪污处理情境下一头成年奶牛年温室气体排放情况进行了核算，以期厘清我国奶牛养殖业现有温室气体排放水平、为规划奶牛养殖业减排路径提供指导，助力我国农业农村碳达峰、碳中和进程。

1 材料与方法

1.1 核算边界及排放源

核算边界包括：饲料生产加工系统(饲料种植基地、运输及饲料加工)、奶牛养殖生产系统(牛舍、挤奶厅)和粪污管理利用系统。主要温室气体排放源包括：奶牛饲料消费带来的排放(饲料种植和运输过程排放)；肠道发酵CH4排放；养殖场化石能源排放；养殖场外购电力排放；粪便管理过程CH4及N2O排放；粪污处理与循环利用中能源替代、化肥替代产生的减排以及有机质还田产生的土壤碳汇。

1.2 计算方法及数据来源

《IPCC指南2006》[5]规定了温室气体排放量核算方法：排放=AD×EF。其中AD为活动数据；EF为排放因子。活动数据优先选用国家统计数据或相关部门公布数据[12-14]，其次选用调研数据，再次选用文献数据，最后选用IPCC缺省数据。饲料种植排放因子来自国内近年的文献和学位论文；肠道甲烷和粪便管理排放因子来自《IPCC指南2006》[5]和《IPCC指南2019修订版》[10]；饲料运输和养殖场化石能源排放因子分别按照《陆上交通运输企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[15]、《中国食品、烟草及酒、饮料和精制茶企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[16]计算；养殖场外购电力排放因子选用全国电网平均排放因子[17]。

2 结果与分析

2.1 奶牛饲料消费带来的排放

2.1.1 奶牛干物质采食量需求

根据《IPCC指南2019修订版》[10]，成年奶牛干物质采食量为：

DMI=0.0185×BW+ 0.305×(0.4324×M+16.216×F)

(1)

式中：DMI为干物质采食量，kg·头-1d-1；BW为奶牛体重，按六大区产奶牛单体重的简单均值[12]，取621 kg ·头-1；M、F分别为鲜奶产量和乳脂量，kg·头-1d-1。

我国成年奶牛产奶水平为7800 kg·头-1a-1[18]，鲜奶乳脂率3.4%[19]，折脂肪校正奶产量约21 kg ·头-1d-1；则我国成年奶牛干物质采食量需求为6.53 t·头-1a-1。

2.1.2 饲料成分及配比

按成年奶牛饲料中，不同成分干物质占比分别为：青贮玉米40%、玉米29.5%、麸皮15.1%、豆粕12.9%、营养盐(食盐、碳酸钙、磷酸氢钙等)1.5%、预混料(维生素、微量元素等)1%[20-21]，核算奶牛饲料消费带来的温室气体间接排放量。

2.1.3 饲料种植过程产生的排放

饲料种植的温室气体排放环节主要包括化肥生产、氮肥施用田间排放、灌溉和农机能耗及残余作物排放。按成年奶牛干物质采食量6.53 t·头-1a-1，结合奶牛饲料成分配比，核算一头成年奶牛所需饲料种植过程温室气体排放量为2.742 tCO2e·a-1(见表1)。

2.1.4 饲料运输的排放

我国一头成年奶牛所需的饲料原料运输质量为14.88 t·a-1(见表1)。假定平均运输距离为50km[9,23]，运输车辆类型为大货车(载重≥20 t，百公里油耗35 L)[15]，则一头成年奶牛养殖过程饲料运输产生的温室气体排放量约0.034 tCO2e·a-1(见表2)。

表1 一头成年奶牛饲料消费量及其带来的饲料种植过程温室气体排放

表2 一头成年奶牛饲料消费带来的交通运输温室气体排放量

2.2 奶牛肠道发酵CH4排放

基于国家或者区域层面统计数据的奶牛肠道甲烷排放因子[10]：

(2)

式中：EF肠道为奶牛肠道甲烷排放因子， kgCH4·头-1a-1；DMI为奶牛干物质采食量， kg ·头-1d-1；MY为甲烷产生系数， g CH4·kg-1DMI，取值19～21.4[10]，此处取21。按照产奶量7800 kg·头-1a-1[18]、干物质采食量6.53 t·头-1a-1，核算我国成年奶牛肠道甲烷排放量为137.13 kgCH4·头-1a-1，即排放3.84 tCO2e·头-1a-1。

2.3 奶牛养殖场能源消费温室气体排放

奶牛养殖场的资源、能源消费包括水、电和化石燃料等，其中温室气体排放主要来自能源消费(外购电力和化石燃料燃烧)。根据《全国农产品成本资料收益汇编2019》[13]及2018～2019年度我国能源市场价位情况，核算我国一头成年奶牛能源消费相关温室气体排放量约0.622 tCO2e·a-1(见表3)。

表3 一头成年奶牛能源消费相关温室气体排放量

2.4 粪便管理系统温室气体排放

2.4.1 奶牛排污情况

粪便管理过程CH4和N2O的排放量与粪污中挥发性固体(VS)含量、氮含量及粪便管理方式密切相关。成年奶牛的产污系数取我国不同区域产奶牛产污系数的简单均值，即一头产奶牛每天产生粪便、尿液和全氮量分别为30.3 kg、14.8 L和250.04 g[12]。鲜粪含固率、总固体中VS占比及总有机碳含量按表4取值。

表4 奶牛粪便性质统计

2.4.2 奶牛粪便管理系统的CH4排放

根据《IPCC指南2019修订版》[10]，粪便管理系统甲烷排放因子计算公式为：

EFCH4=VS×365×B0×0.67×∑S(MCFS×AWMSS)

(3)

式中：EFCH4为粪便管理系统的甲烷排放因子，kgCH4·头-1a-1；VS为奶牛产生的粪污中挥发性干物质量，kg·头-1d-1； 365是计算VS产量的系数，即一年排污的天数；B0为奶牛粪便产甲烷潜力， m3CH4·kg-1VS； 0.67为甲烷密度，kg·m-3；S为粪便管理系统类别；MCFS为粪便管理系统S的甲烷转化因子；AWMSS为粪便管理系统S处理奶牛粪便的比例。

根据奶牛排污情况，忽略粪污收运过程的损失以及尿液中VS的含量，核算我国成年奶牛VS产量为4.466 kg·头-1d-1。结合《IPCC指南2019修订版》[10]提供的B0和MCF缺省值，可得我国一头成年奶牛粪便管理过程甲烷排放情况如表5。敞口厌氧塘模式下，CH4排放量最高，约5.504 tCO2e·头-1a-1；堆肥和沼气工程粪污处理模式与敞口厌氧塘模式相比可实现甲烷减排90%以上，其中集约化强制通风堆肥模式及沼液密闭贮存的沼气工程粪污处理模式下奶牛粪便管理甲烷排放量最低，仅为0.073 tCO2e·头-1a-1。

表5 不同粪便管理方式下一头成年奶牛年产粪污甲烷排放情况

2.4.3 奶牛粪便管理系统的N2O排放

粪便管理系统的N2O排放因子计算公式[10]如下：

(4)

(5)

(6)

式中：EFN2O-D为N2O直接排放因子，kgN2O ·头-1a-1；EFN2O-G为挥发引起的N2O间接排放因子，kgN2O ·头-1a-1；EFN2O-L为淋溶和径流引起的N2O间接排放因子， kgN2O ·头-1a-1；AWMSS为粪便管理系统S处理的奶牛粪便所占比例；Nex为1头奶牛每年N量排泄， kgN·头-1a-1，根据我国奶牛排污情况取值91.26；EF3,S为粪便管理系统S中，奶牛排泄N的N2O直接转化因子，kgN2O-N·kg-1排泄N；FracG,S为粪便管理系统S中挥发N占比；EF4，S为粪便管理系统S中挥发N的N2O转化因子，kgN2O-N·kg-1挥发N；FracL,S为粪便管理系统S中淋溶和径流N占比；EF5,S为粪便淋溶和径流N的N2O转化因子， kgN2O-N·kg-1淋溶和径流N； 44/28是将N2O-N排放量转换为N2O排放的系数。

公式(4)～(6)中参数取《IPCC指南2019修订版》[10]中的缺省值。固体堆贮模式下奶牛粪便N2O排放量最高，约为0.502 tCO2e·头-1a-1；沼气工程粪污处理模式下N2O排放量最低，仅为0.04～0.06 tCO2e·头-1a-1(见表6)。

表6 不同粪便管理方式下一头成年奶牛年产粪污N2O排放情况

2.4.4 粪便管理系统温室气体总排放

综合考虑CH4和N2O排放情况，核算不同粪便管理模式下一头成年奶牛年产粪污的温室气体排放情况如表7。敞口厌氧塘粪污管理模式下，温室气体排放量最高达到5.637 tCO2e·头-1a-1；沼液密闭贮存模式下的沼气工程粪污处理温室气体排放最低，仅为0.115 tCO2e·头-1a-1，与敞口厌氧塘模式相比，实现温室气体减排98%左右，其中甲烷减排贡献占98.3%，氧化亚氮减排贡献占1.7%。

表7 不同粪便管理模式下一头成年奶牛年产粪污温室气体排放情况

2.5 化肥、能源替代产生的减排与土壤固碳

2.5.1 粪肥、沼液沼渣还田替代化肥

奶牛粪便中含有丰富的有机质、氮、磷、钾等元素，粪污处理后还田，可替代化肥，减少化肥生产过程的温室气体排放[30]。表8和表9显示我国一头成年奶牛年产粪污中的养分含量折算化肥有效成分约0.185 t，替代化肥减排潜力可达0.604 tCO2e·a-1。

表8 一头成年奶牛年产粪污中的养分含量及化肥替代潜力

表9 一头成年奶牛年产粪污利用替代化肥生产减排潜力

奶牛粪便处理后还田替代化肥的减排潜力中95%左右来自氮肥替代。考虑不同粪便管理模式下N2O直接转化因子(EF3)、挥发N占比(FracG)和淋溶及径流N占比(FracL)，核算不同粪便管理模式下奶牛粪肥或沼液沼渣还田替代化肥生产的减排效益如表10。由于沼气工程处理过程氮损失远低于堆肥过程，沼液沼渣还田利用替代化肥生产减排效益最高可达0.575 tCO2e·头-1a-1，是堆肥后有机肥还田替代化肥生产减排效益的2倍以上。

表10 不同粪便管理模式下成年奶牛年产粪肥或沼液沼渣还田替代化肥的减排效益

2.5.2 沼气替代化石能源

一头成年奶牛年产粪污的最大产甲烷量为262 kg(见表5)。按照沼气工程甲烷泄漏4.38%估算(沼液敞口贮存的沼气工程)[10]，每年可回收甲烷约251 kg。

(1)沼气燃烧供热：甲烷的净发热值为50.4 MJ·kg-1[5]，沼气锅炉的供热效率取90%[32-33]，则251 kg甲烷(625 m3沼气)完全燃烧可提供热量11.39 GJ，热力排放因子按0.11 tCO2·GJ-1[17]计算，沼气燃烧供热可实现减排1.253 tCO2·a-1。

(2)沼气热电联产：按沼气耗率0.5 m3·kWh-1左右[34-35]、发电及供热效率比为1∶1[36-37]核算，625 m3沼气全部进行热电联产，可发电1250 kWh，同时获得余热4.5 MJ，按照电力排放因子0.6101 kgCO2·kWh-1、热力排放因子0.11 tCO2·GJ-1[17]计算，可得一头成年奶牛年产粪污通过沼气工程甲烷回收利用热电联产实现替代外购电力减排0.763 tCO2，同时替代外购热力减排0.495 tCO2，合计实现减排1.258 tCO2·a-1。

2.5.3 粪肥、沼液沼渣还田土壤固碳

粪肥、沼液沼渣等有机肥农用，可以提高农田土壤有机质含量，均有利于土壤固碳[38-41]，部分有机碳转化为土壤的有机组分——腐殖质[42]。粪肥、沼液沼渣还田的土壤固碳效益体现在3个方面： 1)粪肥或沼液沼渣中的有机碳矿化生成CO2替代了化肥施用时农田原有土壤中有机质的矿化，降低了土壤潜在矿化碳库，有利于土壤有机碳的稳定和累积[43-44]； 2)粪肥、沼液沼渣还田后难降解组分形成腐殖质等稳定结构留存在土壤中，形成土壤碳汇[38]； 3)粪肥、沼液沼渣还田后提高土壤肥力，增加植物根系发育，形成土壤固碳[39]。

按工信部《2020年国家鼓励发展的重大环保技术装备目录》[45]的要求，好氧装置的有机物降解率需大于50%，厌氧发酵装备有机物降解率应为50%～75%。按粪便管理过程有机质降解率均达到50%核算奶牛粪便处理后还田土壤固碳量，可得牛粪有机肥或沼液沼渣还田可以实现土壤固碳0.4742 tC·头-1a-1，相当于减排温室气体1.739 tCO2e·头-1a-1。

需要注意的是，土壤有机碳的动态平衡作为土壤碳循环的基本过程，奶牛粪便处理还田固碳效应还有待进一步深入研究。

3 主要结论

综合考虑奶牛养殖过程与温室气体排放及减排固碳相关的所有活动，统计一头成年奶牛年温室气体排放量如表11，且得到如下结论：

表11 一头成年奶牛年温室气体排放量统计

(1)不同粪污管理模式之间的温室气体排放差异巨大，以敞口厌氧塘粪便管理情景为基线核算一头成年奶牛年产粪便在处理过程中的减排量，“固体堆贮”、“堆肥+沼气工程”、“堆肥+敞口厌氧塘”、“沼液敞口贮存的沼气工程”以及“沼液密闭贮存的沼气工程”5种处理模式的减排量分别达到4.841、5.173、4.385、5.255和5.522 tCO2e·头-1a-1；沼气工程相关模式下可实现粪污管理系统温室气体减排90%以上，其中沼液密闭贮存的沼气工程可实现减排98%，其中甲烷减排贡献占98.3%，氧化亚氮减排贡献占1.7%。

(2)奶牛粪便处理产物利用时，通过化肥替代、能源替代和土壤固碳等途径可以进一步创造减排固碳效益，目前生产水平下，最大减排固碳能力达到3.611 tCO2e·头-1a-1，其中48%来自农田土壤固碳，40%来自可再生能源替代，12%来自化肥替代。

(3)从饲料到粪便管理利用的全链条考虑奶牛养殖过程与温室气体排放及减排固碳相关的所有活动，沼气工程粪污处理结合三沼利用模式下，温室气体减排效益显著，沼液密闭贮存模式下，一头成年奶牛年温室气体排放量仅为3.74 tCO2e·a-1，与最高排放水平的敞口厌氧塘粪污处理后还田利用模式相比减排65%；与堆肥结合粪肥还田模式相比减排30%以上。

(4)优先选用沼气工程作为奶牛粪便管理方案，同时加强沼气和沼液沼渣的回收利用，是实现奶牛养殖业温室气体是实现奶牛养殖业温室气体尤其是甲烷减排的有效途径。但是，奶牛粪肥、沼液沼渣还田土壤固碳的核算方法有待进一步完善，农田土壤中有机碳及各活性碳组分的变化与土壤类型、耕作方式、灌溉方式、作物类别等多种因素的交互作用以及奶牛粪便处理后还田对农田土壤N2O排放的影响等也有待进一步深入研究。