甘肃省青藏高原地区家畜生产碳排放时空变化分析

彭亚钊，燕振刚

(甘肃农业大学 信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

1894年，SvanteArrhenius首次向人类发出关于CO2排放导致温室效应的警告,主要围绕地球气温进一步深入分析空气中碳酸气体的有害作用展开论述[1]。在全球范围内，每年所排放的温室气体中有14.5%来源于畜牧业，每燃放1.44 t石油所排放的甲烷含量，相当于每年通过畜牧业排放到空气中甲烷含量[2]。随着社会经济的快速发展，畜牧业已经成为中国农业农村经济的支柱产业[3]。多数研究重点在畜牧业碳排放方面，但很少有针对畜牧业生命周期碳排放所展开的研究[4]。而青藏高原易受各种因素共同影响，是亚热带季风气候变化的敏感区[5]，因此，探究高原地区碳排放对全球气候变化具有重要意义。本文采用生命周期评价(life cycle assessment，LCA)方法，基于整个产业生态学[6]，从时空两个维度评估了2012-2016年甘肃青藏高原地区12个县域的家畜近5年碳排放值和排放规律，为该区域畜牧业低碳减排提供了决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取青藏高原地区甘肃境内的甘南藏族自治州、天祝藏族自治县等12个县的部分家畜为研究对象，按照500 m间隔划分海拔地带[7]，本研究在已有的划分研究基础上将12个县区划分为3 000 m以下、3 000～3 500 m、3 500以上3个海拔地带(表1)。

表1 本研究区不同海拔梯度内的区域划分和气候条件

1.2 数据来源

本文1991-2016年甘肃省12个县域有关牛、马、驴、猪、羊等各种畜禽年出栏数量、牲畜饲料消耗系数、畜禽产品年产量等数据均来自《甘肃统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。

1.3 家畜碳排放的测算

生命周期评价法(LCA)作为一种有效的环境管理工具，已被广泛运用于温室气体排放研究领域[8-13]。本文采用LCA法，参考姚成胜等[14]的研究，将畜牧业碳排放过程分为家畜饲料生产、饲料运输加工、牲畜胃肠发酵、粪便管理、畜禽产品加工5个系统边界，并利用相关碳排放系数计算得到该地区畜牧业的碳排放量。

1.4 家畜年平均饲养量

家畜年平均饲养量主要依据家畜饲养周期进行调整：若家畜饲养周期<1年，则调整年出栏量；若家畜饲养周期≥1年，则默认年平均饲养量即为年末存栏量，公式如下[15]：

(1)

式中:AP、Dayslivestock、Handlivestock、NAPA分别为家畜年均饲养量(头)、家畜饲养周期(年)、年末存栏量(头)、年出栏量(头)。

1.5 碳排放系数的确定

根据2006年IPCC国家温室气体清单指南表和省级温室气体清单编制指南[16]，确定相应的温室气体排放系数[4，17]。

1.6 基于生命周期的家畜碳排放测算

1.6.1 饲料粮种植和加工产生的碳排放总量 饲料原料一般需要经过晒干、筛选、运输、碾碎、配料、混合等一系列环节加工得到饲料。因此，在此过程中因能源消耗引起的温室气体排放同样需要计入计算范围。饲料因生产和运输加工产生的 CO2排放量[18]：

(2)

式中：FPPco2代表饲料生产和加工产生的温室气体排放总量(kg);ci为2012-2016年家畜饲料消耗系数[18-19]；Yi为i类家畜产品的年产量；yi为大豆、小麦、玉米等j类粮食在家畜饲料配方中的比例，具体来讲：牛精饲料中，饼类、玉米占比分别为14.6%、37%；猪精饲料中，玉米占56.15%；奶牛精饲料中，饼类、玉米占比分别为28.65%、46.79%；羊精饲料中，饼类、玉米占比分别为12.89%、62.61%[20]。efi2表示粮食在运输加工环节的CO2当量排放系数；i和j分别代表牲畜和饲料的类型。

1.6.2 肠道发酵产生的CH4排放总量 家畜胃肠道发酵产生的CH4排放量与家畜的消化道类型、年龄和体重以及所采食饲料的质量和数量等因素有关[21-22]。根据学者研究[20，23]，禽类胃肠发酵CH4排放量极微，本文不予考虑。家畜胃肠道发酵产生的CH4排放量总量计算公式[16]:

ACH4,intestine=∑AFCH4,intestine,i×APPi×10-7

(3)

ACH4,intestine、AFCH4,intestine,i的单位为分别为104t/CH4/年、KG/头/年，分别代表第i种动物肠道CH4排放量与排放系数；APPi的单位为头，代表第i种动物的数量。

1.6.3 粪便管理产生的温室气体排放量 厌氧条件下粪便降解主要会产生CH4气体[14]。因此，粪便管理系统产生的CH4排放计算公式[12]：

ACH4,faeces=∑AFCH4,faeces,i×APPi×10-7

(4)

式中：ACH4,faeces、AFCH4,faeces,i的单位为分别为104t/CH4/年、KG/头/年，分别代表第i种动物粪便管理CH4排放量与排放系数。

有氧条件下主要会产生N2O气体[14]，因此粪便管理产生的N2O排放总量计算公式[12]:

AN2Ofaeces=∑AFN2Ofaeces,i×APPi×10-7

(5)

AN2Ofaeces、AFN2Ofaeces,i的单位为分别为104t/N2O/年、KG/头/年，分别代表N2O排放量与排放系数。

家畜饲养产生的CO2排放总量计算[14]：

(6)

式中：i为家畜种类；pricee、pricec分别代表家畜饲养的电费、煤费单价(元)；costie代表每只第i类家畜在单位饲养周期内的用电支出(元)、costic代表每只第i类家畜在单位饲养周期内用煤支出(元)；APi为第i类家畜的年平均饲养量(万头)；efe、efc分别代表电能、煤炭消耗的CO2排放系数；ACsc为家畜饲养环节产生的CO2量(104t)。

1.6.4 畜产品加工过程产生的CO2排放 家畜经过运输加工制成畜产品，期间所消耗CO2排放量计算公式如下:

(7)

式中：MJu为第u类畜产品单位加工耗能系数(MJ/kg)；efe为电能消耗的CO2排放系数(t/t)；e为消耗单位电量产生的热值(MJ)；Yu为第u类畜产品的总年产量(104t)；ACsg 为加工环节CO2排放量(104t)。

单位元产值对应的畜产品的CO2排放

(8)

式中:Aco2RMB为单元收益的碳排放(kg·CO2-eq·￥)，Atotal(y)为第y年全生命周期的碳排放总量(kg·CO2-eq)，APproduct(i)为第i类畜产品的产量(kg)，Priceproduct(i)为第i类畜产品的产品价格，i为产品类别，产品价格以2016年的市场价格为基础。

1.6.5 标准碳排放总量 在整个生命周期中，家畜生命周期温室气体排放量计算公式为：

(9)

整个生命周期排放的的碳排放量应分为6个环节的CO2当量具体计算，即式中ECH4Enteric、EN2Omanure、TCsg、TCO2feed、ECH4manure、TCsc。FPPCO2、ACH4，intestine、ACH4，faeces、AN2O,faeces、ACSC、ACSg分别代表饲料种植、加工过程排放的CO2量、家畜胃肠发酵产生的CH4排放总量、粪便管理系统产生的CH4排放总量、粪便管理产生的NO2排放总量、家畜饲养所产生的CO2排放总量和畜产品加工过程中所排放的CO2排放总量；ATotal为家畜碳排放总量(104t)，etpf为单位CO2当量转化为标准碳的系数；GWPN2O、GWPCH4分别为N2O、CH4全球升温潜能值。

2 结果与分析

2.1 不同海拔单位千克畜产品碳排放量分析

由于家禽类相关数据统计不周全，加之本区域畜牧业以猪牛羊三种动物为主，分析单位千克猪肉、牛肉、羊肉的碳排放量。2012-2016年不同地区海拔家畜生产的碳排放结果如表2所示。

表2 2012-2016年甘肃青藏高原地区三个海拔畜产品二氧化碳(kg co2-eq/kg LW)

由表2可见，1 kg猪肉(LW)的碳排放量在海拔3 500 m以上显著高于海拔3 000 m以下、3 000～3 500 m(P<0.05)；1 kg羊肉(LW)的碳排放量在海拔3 000～3 500 m以下显著高于海拔3 000 m以下及3 500 m以上；1 kg牛肉(LW)的碳排放量在不同海拔高度差异性显著，海拔3 500 m以上显著高于3 000～3 500 m及3 000 m以下。

2.2 不同海拔单位元收益畜产品碳排放量分析

由表3可见，猪肉单位元收益碳排放量，在海拔3 500 m以上显著高于海拔3 000 m以下、3 000～3 500 m；羊肉单位元收益碳排放量，3 000 m以下显著高于3 000～3 500 m及3 500 m以上区域：牛肉单位元收益碳排量，3 500 m以上区域显著高3 000 m he 3 000～3 500 m。猪肉三个不同海拔区间的年均下降率为6.70%、7.19%、9.81%，牛肉的年均下降率为6.92%、7.96%、7.05%，羊肉的年均下降率为7.55%、7.50%、6.96%。

表3 2012年-2016年甘肃省青藏高原不同海拔区域单位收益畜产品温室气体排放量(kg·co2-eq/￥)

3 讨 论

本研究猪肉碳排量2.86 kg co2-eq/kg LW与周元清[24]研究值2.72 kg co2-eq/kg Lw，González-García[25]研究值 2.6 kg CO2-eq/kg LW，Kool[26]研究值2.52 kg CO2-eq/kg LW和Luo等[27]研究结果3.00 kg CO2-eq/kg LW接近，原因在于计算环节相同，因此结果相近；羊肉碳排量9.1 kg co2-eq/kg LW与Harrison[28]结果 9.3 kg co2-eq LW结果相近，远低于赵亮等[29]的结果13.07 kg co2-eq/kg LW；牛肉碳排量14.81 kg co2-eq/kg LW或26.92 kg co2-eq/胴体kg,略高于Vergé[30]的研究值10.4 kg CO2-eq/kg LW,也略高于Casey[31]的研究值11.26 kg CO2-eq/kg LW和马宗虎等[32]的研究值10.16 kg CO2-eq/kg LW，和Yan[33]研究值24.98～26.98 kg co2-eq/胴体kg相似,同时也在Mogensen等[34]报告的范围内23.10～29.17 kg co2-eq/胴体kg。

经对比发现，本文所计算的排放强度与其他文章略有差异，这主要原因在于涉及的时间范围中有所不同，赵亮等[29]研究定义涵盖了羊的整个生命过程即产品的原料是新生乳羊，产品的终末是屠宰，而本文计算是从新生乳羊或乳牛到出栏这一过程；而马宗虎等[32]所定义的是从购买架子牛到屠宰这一过程，即产品原料是有了一定体重的架子牛，产品的终末是屠宰；而Vergé等[30]研究中使用饲料多为精饲料，其牛的活重高于本文牛的活重，因此本文牛肉千克碳排量要略高于其公斤碳排量；另一方面是各个文章所采用计算的值不同，Casey等[35]的研究发现，不同取值计算的结果差别范围仅在3.7%～5.5%之间，可以忽略由此引发的误差。

2012-2016年甘肃青藏高原地区畜产品价格呈逐年上涨趋势，猪牛羊肉年均增长率均在7%左右，这一变化导致本研究选定的3个海拔区域的单位收益畜产品碳排逐年下降。从单位收益畜产品碳排来看，单位产值猪肉3 000 m以下和3 000～3 500 m海拔区域碳排较少，牛肉3 000 m以下和3 000～3 500 m海拔区域碳排较少，羊肉3 000～3 500 m和3 500 m以上海拔区域碳排较少。

4 结 论

(1)碳排放的增长趋势基本和动物数一致，主要由动物肠道发酵排放的碳为主导因素，2012-2016年海拔3 500 m上总碳排占比最高。

(2)2012-2016年，每单位元收益猪肉、牛肉、羊肉的碳排量逐年降低，每千克猪肉、牛肉、羊肉碳排放量在同一时期逐渐降低。