内蒙古21 年间家畜甲烷与氧化亚氮排放特征

陈昱龙，李锦菲，吴越强，张皓媛，祁 乐

（内蒙古大学生态与环境学院 / 蒙古高原生态学与资源利用教育部重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010021）

2015 年，《巴黎协定》确定了20 世纪后半叶实现碳净零排放的目标[1]，2020 年9 月第七十五届联合国大会一般性辩论上，我国为实现“双碳”目标的战略决策，积极响应《巴黎协定》应对气候变化，主动做出减排承诺[2]。农业是温室气体(greenhouse gas，GHG)排放的一个重要排放源，根据《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》[3]，2010 年中国甲烷(CH4)排放总量为1.127 × 1013t CO2当量，农业活动的CH4排放量为4.71 × 1012t CO2当量，占总排放量的41.79%；2010 年中国氧化亚氮(N2O)排放总量为5.47 × 1012t CO2当量，农业活动的N2O 排放量为3.58 × 1012t CO2当量，占总排放量的65.45%。畜牧业又是农业排放源中的主要温室气体排放源，放牧畜牧业(由草地生态系统和放牧家畜系统形成的草-畜复合系统) GHG 排放占全球人为温室气体排放的13%，仅次于交通运输业的14%[4]。

从农业活动排放的温室气体来看，CH4和N2O是我国畜牧业活动的主要排放气体，主要来源于动物的胃肠道发酵以及粪便排放[5]。根据《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》[3]，2010 年农业活动CH4排放量为2 241.40 万t，其中源自动物肠道发酵和动物粪便管理的CH4排放量为1 337.70万t，占农业活动总排放量的59.68%；2010 年农业活动N2O 排放量为115.40 万t，其中源自粪便管理的N2O 排放量为23.60 万t。近年来国内外大量学者逐步强化对畜牧业温室气体排放的研究，Truong 等[6]估计了2000－2015 年红河三角洲地区畜牧业的CH4、N2O 和氨排放量，排放量分别为132.0、8.30 和34.20 Gg。Kythreotou 等[7]研究了塞浦路斯牛、猪和家禽养殖对农牧业温室气体排放的贡献，发现畜牧业能源使用产生的排放占农牧业能源总排放量的16%。Carlos 等[8]对当地巴西牛肉生产生命周期评价进行分析，发现牛肉生产过程中的温室气体排放主要来自家畜温室气体排放(89%～98%)，其中67%～79%来自肠道发酵，20%～33%来自粪便分解。Beauchemin 等[9]也使用生命周期评价对加拿大西部牛肉生产的GHG 强度进行估算，发现肠道CH4占家畜GHG 总排放量的63%，土壤和粪便中的N2O占总排放量的27%。中国目前在一定区域上对家畜温室气体排放的研究较多，刘月仙等[10]对1978－2009 年期间北京地区畜禽养殖温室气体排放进行分析，发现牲畜肠道发酵产生的CH4、粪便排放的CH4和N2O 年平均排放量分别为400、200 和0.30 Gg CO2当量。刘哲等[11]对2005－2009 年期间沈阳市农村地区家畜温室气体排放进行了估算，发现5 年间由家畜产生的温室气体排放量呈现总体上升的趋势。张宝成和白艳芬[12]对2014 年贵州省遵义市的家畜温室气体排放估算结果为CH4年排放量8.81 ×10-2Gg，N2O 排放量1.07 × 10-3Gg。韦良焕等[13]对1980－2016 年新疆家畜的温室气体排放进行了估算，发现家畜肠道CH4排放是新疆地区家畜温室气体的主要贡献者，占温室气体排放总量的84%。李昭阳等[14]对2005－2014 年吉林省中部的家畜温室气体排放估算发现，温室气体排放量呈现先上升后下降最后趋于平缓的趋势。王月等[15]估算2007－2011 年5 年内蒙古自治区呼和浩特市的家畜养殖温室气体平均排放量为62.64 Gg。娜仁花等[16]估算2007－2011 年5 年间内蒙古自治区平均排放总量为758.29 Gg。从研究内容看主要集中于对区域尺度上的家畜温室气体排放以及其中排放源所占贡献率，且家畜肠道CH4已成为家畜温室气体中重要的排放源，反刍动物正成为排放源研究的焦点。

但目前对内蒙古自治区较长时间跨度的家畜温室气体排放的研究较少，不同家畜种类在不同温室气体排放中的占比以及变化规律尚不清楚。内蒙古作为我国第一大牧区，2000－2017 年生态环境效益与畜牧业经济效益均处于增加趋势[17]。一方面，草原畜牧业作为内蒙古自治区一大支柱产业有着重要的经济地位；另一方面，其高速发展同时伴随着家畜温室气体排放量的增加，与生态环境保护存在矛盾关系。因此本研究对2000－2020 年内蒙古家畜温室气体(肠道CH4、粪便CH4和N2O)排放及其变化趋势系统分析，进一步分析各类家畜与3 种温室气体排放之间的关系。并提出如下假设：作为家畜温室气体主要排放源的反刍动物，随着年末存栏数的增加，它们的肠道CH4排放量呈现逐年增长的趋势。本研究为内蒙古畜牧业集约化发展提供了家畜温室气体排放的数据参考，同时为实现碳减排提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古是我国跨经度最大的省级行政区，东起126°04′ E，西至97°12′ E，北起53°23′ N，南至37°24′ N[18]。内蒙古以高原为主，属典型的中温带季风气候，降水量少而不匀，寒暑变化剧烈[19]。

1.2 数据来源和排放源的确定

本研究数据主要援引《2006 年IPCC 国家温室气体清单编制指南》[20]、《省级温室气体编清单制指南(试行)》[21]、《中国畜牧兽医年鉴》[22]。排放源是依据《省级温室气体编清单制指南(试行)》[21]中各省畜牧业饲养的情况和数据的可获得性，确定奶牛、肉牛、马、驴、骡、骆驼、绵羊、山羊、猪为排放源。

1.3 温室气体估算方法

使用归纳划分后的排放因子乘以归纳划分后的种群数量，合计所有种群的排放量以估算总排放量。计算各类家畜的CH4排放量的公式如下：

式中：EF为CH4排放因子 [kg·(head·a)-1]；GE为总能 量 摄 取 [× 106J·(head·d)-1]；YM为CH4转 化 因 子(%)；55.65 为CH4的能量含量 (× 106J·kg-1)。

根据杨彦明等[23]的计算结果，内蒙古自治区奶牛和肉牛的CH4排放因子如表1 所列。

表1 内蒙古自治区奶牛和肉牛肠道CH4 排放因子Table 1 Intestinal methane emission factor of dairy and beef cattle in Inner Mongolia

马、驴、骡、骆、绵羊、山羊、猪的肠道CH4排放因子采用《省级温室气体编清单制指南(试行)》[21]中给出的推荐值(表2)。

表2 家畜温室气体排放因子Table 2 Greenhouse gas emission factors for livestock kg·(head·a)-1

计算家畜肠道CH4排放量的公式如下：

式中：CH4肠道为肠道CH4排放量(Gg·a-1)，即发酵过程 产 生 的CH4重 量(1 Gg = 106kg)；EF(T)为 肠 道CH4排放因子；N(T)为家畜数量；T代表具体某类家畜。

计算家畜的粪便CH4排放量的公式如下：

式中：CH4粪便为粪便CH4排放量(Gg·a-1)；EF(T)为粪便CH4排放因子；N(T)为家畜数量；T代表具体某类家畜。

温度、pH、理化性质和氧化还原电位等都会对动物粪便堆肥时产生的CH4有影响，根据已有的数据，计算选取合适的粪便CH4排放因子，如表2所列。

计算家畜粪便N2O 排放量的公式如下：

式中：N2O粪便为粪便N2O 排放量(Gg·a-1)；EF(T)为粪便N2O 排放因子；N(T)为家畜数量；T 代表某类家畜。

选出合适的粪便N2O 排放因子，如表2 所列。

2 结果与分析

2.1 内蒙古自治区2000－2020 年家畜存栏数

内蒙古自治区21 年间的家畜存栏数表明，内蒙古地区21 年间家畜年均存栏数为6 612.5 万头(图1)，以绵羊、山羊为主，分别占饲养总量的53.34%和25.26%。绵羊自2000 年起以年均243.61 万头的增加量在2006 年增加至高峰，之后回落，此后以年均115.68 万头的增加量增至2020 年的4 444.90 万头；山羊从2000 年的1 304.30 万头增至2007 年的2 237.89 万头，每年增速为5.21%，之后逐渐回落并趋于平稳。猪、牛、马、驴、骡的饲养量总体呈现平稳趋势，占总饲养量的21.40%。2020 年家畜年末存栏数较2000 年增加了33.04%，较2010 年增加了8.15%。

图1 内蒙古2000－2020 年家畜年末存栏数Figure 1 Year-end stocking rate of livestock in Inner Mongolia from 2000 to 2020

2.2 内蒙古自治区2000－2020 年家畜温室气体排放量的估算

2.2.1 家畜肠道CH4排放量

内蒙古自治区21 年间家畜肠道CH4排放量表明，2000－2020 年家畜肠道CH4排放量平均为808.60 Gg (图2)，其中绵羊为主要排放源，CH4排放量占总量的35.77%。2015 年家畜肠道CH4排放量最高，为920.95 Gg，其占比最大的绵羊占排放总量的37.17%，比排放量最低的骡高99.34%；2001 年家畜肠道CH4排放总量最低，为513.09 Gg，骆驼肠道CH4排放量最低占排放总量的0.80%，比排放量最高的绵羊低97.69%。内蒙古自治区的家畜肠道CH4排放量自2000 年起以年均5.61%增至2006 年达到高峰902.77 Gg，增长率39.26%，之后逐步回落至2008 年的790.63 Gg，较2006 年降低了12.42%。此后13 年间有所回升并保持平稳态势。受绵羊为主要排放源的影响，21 年间家畜肠道CH4排放变化趋势与绵羊年末存栏数变化趋势一致。2020 年家畜肠道CH4排放较2000 年增加了40.38%，较2010 年增加了3.61%。

图2 家畜肠道CH4 排放量Figure 2 Intestinal CH4 emissions from livestock

2.2.2 家畜粪便CH4排放量

内蒙古自治区21 年间家畜粪便CH4排放量表明，2000－2020 年家畜粪便CH4排放量平均为55.06 Gg (图3)，其中猪为主要排放源，CH4排放量占家畜粪便CH4排放年均总量的37.05%。2006 年家畜粪便CH4排放量最高，为65.63 Gg，其中猪的粪便CH4排放占当年家畜粪便CH4排放总量的35.67%，比骆驼的粪便CH4排放量高99.49%。2002 年家畜粪便CH4排放量最低，为43.05 Gg，其占比最低的骆驼占排放总量的0.23%，比排放量最高的猪低99.53%。相对于肉牛、绵羊，猪的粪便CH4排放因子更高；相对于奶牛，更高的猪饲养量导致了更高的家畜粪便CH4排放，可见猪是粪便CH4排放的主要排放源。整体变化趋势上，2015 年以前家畜粪便CH4排放与肠道CH4排放变化相似，2015 年后开始家畜粪便CH4排放以年均4.37%的速率降至2019 年 的47.34 Gg。2019 年 家 畜 粪 便CH4排 放 较2015 年降低了21.84%，但是2020 年比2019 年家畜粪便CH4排放增加了9.52%。2020 年家畜粪便CH4排放较2000年增加了11.89%，较2010 年降低了17.42%。

图3 家畜粪便CH4 排放量Figure 3 CH4 emissions from livestock manure

2.2.3 家畜粪便N2O 排放量

内蒙古自治区2000－2020 年家畜粪便N2O 排放量平均为13.63 Gg (图4)，其中奶牛为主要排放源，N2O 平均排放量占总量的28.46%。2006 年家畜粪便N2O 的排放量最高，为15.45 Gg，其占比最高的奶牛占当年排放总量的36.12%，比排放量最低的骆驼的排放量高99.92%；2001 年家畜粪便N2O 排放量最小，为8.68 Gg，其占比最低的骆驼占当年排放总量的0.35%，比排放量最高的绵羊低98.45%。内蒙古自治区的N2O 排放量从2000 年开始以年均5.72%的增长率增至2006 年的高峰，为15.45 Gg，后以年均0.55 Gg 降至2009 年的13.25 Gg，较2006年降低14.27%。在2015 年再次以年均2.62%呈降低趋势直至2019 年的13.0 Gg，在2020 年增加至13.76 Gg。2020 年家畜粪便N2O 排放较2000 年增加了32.64%，较2010 年增加了8.99%。

图4 家畜粪便N2O 排放量Figure 4 N2O emission of livestock manure

2.2.4 家畜温室气体排放总量

2000－2020 年内蒙古自治区家畜温室气体排放总量平均为877.29 Gg (图5)。肠道CH4是影响家畜温室气体排放量的主要组成部分，平均排放量为808.60 Gg，占总量的92.17%。而反刍动物又是家畜肠道CH4的主要排放源(图6)，平均排放量为776.84 Gg，占总量的96.07%。家畜温室气体排放量在2015 年最高，996.48 Gg，比平均温室气体排放量高11.96%。2020 年家畜温室气体排放总量较2000 年增加了38.76%，较2010 年增加了2.11%。

图5 家畜温室气体排放量Figure 5 Greenhouse gas emissions from livestock

图6 年末存栏数与家畜肠道CH4 排放总量关系Figure 6 Relationship between stocks at the end of the year and the total CH4 emission from the intestinal of livestock

3 讨论

3.1 内蒙古家畜温室气体排放

范敏等[24]采用联合国政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change，IPCC)推荐值计算出2011 年江西省生猪养殖系统中的粪便CH4的排放量占家畜总量的63.81%，高于本研究结论的37.05%。原因是江西主要以猪饲养为主，而内蒙古主要以羊饲养为主，造成了江西粪便CH4的排放量占比高于内蒙古。马龙等[25]采用IPCC 推荐值计算了2001－2013 年银川市庭院养殖动物的CH4和N2O 的排放量，发现畜禽肠道CH4占CH4排放总量86.49%，略低于本研究的92.17%，其原因与畜牧业生产的布局不同有关。谢婷等[26]采用 IPCC推荐的温室气体清单计算方法估算了2001－2015年华中地区畜牧业温室气体排放特征，其变化趋势与本研究基本一致。2000－2020 年内蒙古自治区家畜温室气体排放量整体呈上升趋势，从2000 年的603.67 Gg 增至2020 年的985.68 Gg。家畜肠道CH4作为主要排放源，排放量从548.31 Gg 增至919.61 Gg，所占比例从90.83%增至93.30%，从家畜种类上来说，反刍动物(牛、羊、骆驼)是家畜肠道CH4的主要排放源，排放量从3 915.2 Gg 增至6 758.8 Gg，所占比从78.70%增至90.96%。一方面与畜产品结构的持续优化有关[27]，21 年间牛、羊饲养量的年均增长率为2.25%、 1.98%， 猪的饲养量从801.30 万头下降至534.10 万头，内蒙古自治区的牛羊优势逐渐形成，畜牧业生产区域的布局更加明显合理[28]；另一方面，牛羊等反刍动物的肠道CH4排放远高于猪肠道CH4排放。畜牧业甲烷排放的最大来源主要是由反刍动物肠道发酵产生[29]。反刍动物区别于非反刍动物的显著特征是具有瘤胃，其特殊结构和生理功能是一个可容纳大量消化物的发酵罐，也是产生CH4的主要排放源[30]。相比于非反刍动物，反刍动物特有的瘤胃不仅是微生物生长和繁殖的重要场所，其适宜的温度和厌氧条件也有助于CH4的产生[31]；家畜粪便CH4排放量占平均总排放量的6.28%，其中以奶牛和猪的粪便CH4排放量最高，分别占平均总粪便CH4排放量的26.65%和37.05%。其排放结果与与陈芬等[32]和史金才等[33]的讨论结果有些差异，这很可能与日粮喂食种类的不同、个体转化以及存栏数的差异有关。家畜粪便CH4排放量与日粮的精粗比有关，合理分配日粮，通过提升精粗比来降低家畜粪便CH4排放量[34]；作为温室气体的潜在来源之一，N2O 单分子增温潜势为CO2的296 倍[35]，2000－2020 年平均家畜N2O 排放量从9.27 增至13.76 Gg，年均增长率为1.55%, 主要排放源奶牛和绵羊从14.35%和21.38%的占比量增至17.39%和29.08%，共占平均总N2O 排放量的52.68%，其排放结果与徐兴英等[36]的研究一致。根据李迎春等[37]的预测分析，从2000 年到2030 年，内蒙古地区的N2O 排放增加量会在3 万以上，相较于2000 年增加了77%。家畜饲养量变化趋势与我国畜牧业的发展有关，2005 年养殖业遭遇到高致病性禽流感、口蹄疫、猪链球菌病等重大动物疫情的冲击和影响，以及饲养周期、饲养成本比重的增加，以绵羊为代表的家畜饲养量在2005 年前后开始下降，此后2006 年陆续出台的《中华人民共和国畜牧法》[38]、《中华人民共和国草原法》[39]促使畜牧业持续快速发展，产业结构和产品结构不断改善，“十二五”期间，内蒙古自治区连续出台了一系列扶持政策，加大基础设施投入，使得畜牧业产业转型升级加快，家畜年末存栏数总体呈上升趋势。家畜粪便CH4排放变化趋势一方面受2015 年国务院《水污染防治行动计划》[40]养殖政策的影响，另一方面受2018 年8 月后非洲猪瘟疫情影响。2013 年，中国动物疫病预防控制中心制定《规模化养殖场主要动物疫病净化和无害化排放技术集成与示范》[41]净化全国动物疫情，2020 年1 月内蒙古自治区农牧厅印发《转发关于确保“菜篮子”产品和农业生产资料正常流通秩序的紧急通知》[42]支持畜牧产业迅速复工复产。家畜粪便N2O 的变化趋势取决于主要排放源奶牛饲养量变化：2005 年前后畜牧业结构不断优化，饲养5 头以上的奶牛规模化养殖比重达54.40%，2006 年后受禽流感影响奶牛饲养量持续走低，2010年畜牧业成功克服动物疫情和重大自然灾害，奶牛养殖户亏损面从年初31.10%下降至11 月份的26.10%，奶牛年末存栏数同比增长12.70%，2018 年受非洲猪瘟的影响，奶牛饲养量保持低位。

3.2 内蒙古畜牧业减排展望

作为实现碳达峰的关键时期，“十四五”通过实施CO2排放达峰行动计划，可推动“十四五”时期单位GDP 的CO2排放降低18%。未来畜牧业在面临“双碳”的严峻考验下，将逐步由数目增长转化为经济、生态、社会三管齐下的高质量增长。为了加快推进畜牧业粪便管理，国家先后出台《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017－2020年)》[43-44]等文件，重点支持200 个以上畜牧大县整县推进畜禽粪污资源化利用工作[45]。内蒙古作为全国畜牧养殖的重点区域，是全国羊肉产量最大的省，羊存栏数量和羊肉产量均位居全国首位，在2018 年就以占据全国22.40%羊肉产量的106.3 万t居于全国第一位[46]。据内蒙古统计局发布的报告显示[47]，在“十三五”期间 ，全区羊存栏规模一直稳定在6 000 万头以上，2020 年末，全区羊存栏为6 074.20万头，存栏量保持稳定发展；全区牛存栏从2015 年末的652.90 万头增加到2020 年末的671.1 万头，增长2.80%，年均增速0.60%；全区生猪存栏量从2015 年的473.70 万头增加到2020 年的534.10 万头，增长12.80%，年均增速2.40%；全区家禽存栏从2015 年末的4 282.20 万只增加到2020 年末的5 347万只，增长24.90%，年均增速保持在4.50%。因此，加快构建现代养殖业体系，继续实施畜禽遗传改良计划和现代种业提升工程，因地制宜推行粮改饲，制定主要畜禽品种规模化养殖设施装备配套技术规范等，是促进畜牧业高质量发展的重要因素[48]，也是实现“双碳”目标的重要一步。

4 结论

2000－2020 年，家畜年末存栏率平均为6 612.5万头，比2000 年家畜年末存栏率提升24.76%。2000－2020 年家畜肠道CH4、粪便CH4、粪便N2O 排放量平均为808.60、55.06 和13.63 Gg。相较于2000 年，2020 年家畜肠道CH4、粪便CH4、粪便N2O 排放量分别增加了40.38%、11.89%和32.64%，21 年间家畜温室气体排放总排放量平均为877.29 Gg，相较于2000 年家畜温室气体排放总平均量增加了31.19%。

家畜肠道CH4排放是家畜温室气体的主要排放源，占家畜总温室气体排放的90.80%～93.61%；反刍家畜肠道CH4排放是家畜肠道CH4的主要排放源，占家畜肠道CH4排放的92.30%～96.52%，占家畜总温室气体排放的83.83%～90.30%，反刍家畜年末存栏数和肠道CH4排放总体均呈先上升后平缓的趋势。因此未来应对碳排放内蒙古地区面临的机遇与挑战并存，应从减少反刍家畜肠道CH4排放和家畜年末存栏数的视角为实现“双碳”政策的目标提供减排策略，提倡内蒙古地区居民减少牛羊和骆驼肉的食用，改用猪肉等非反刍家畜作为主要肉食的膳食来源。