郭冬生

(湖南文理學(xué)院 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000)

1997年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》規(guī)定了溫室氣體的種類(lèi)，其中二氧化碳和甲烷是造成溫室效應(yīng)的主要元兇，溫室氣體能夠吸收太陽(yáng)紫外線，導(dǎo)致氣溫升高、冰川融化、暴雨干旱等自然災(zāi)害。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)報(bào)告指出，在1906-2005過(guò)去的100年期間，近地球表面溫度升高了(0.74±0.18) ℃[1]。

甲烷是僅次于CO2的溫室氣體，在微量溫室氣體中甲烷的大氣濃度排在首位，工業(yè)革命前甲烷大氣濃度大約700 ppbV，工業(yè)革命后甲烷濃度迅速上升，目前已經(jīng)達(dá)到約1 800 ppbv[1]。甲烷在大氣中的濃度雖然比CO2少很多，但其增長(zhǎng)率則很快。據(jù)IPCC 1996年公報(bào)，1750-1990年共240年間CO2增加了30%，而同期甲烷卻增加了145%。動(dòng)物生產(chǎn)也是甲烷的主要來(lái)源之一，尤其是反芻動(dòng)物生產(chǎn)，反芻動(dòng)物的瘤胃是一個(gè)厭氧發(fā)酵罐，寄居著大量的瘤胃微生物，瘤胃液中的產(chǎn)甲烷菌主要利用氫、CO2和乙酸等為底物，以CO2-H2還原途徑合成甲烷，通過(guò)噯氣而排出。研究指出，1頭牛每天排出的氣體中約有200 L甲烷，瘤胃中產(chǎn)甲烷菌有200多種。全球每年排入大氣的甲烷量約為0.4×108～0.6×108t，其中反芻動(dòng)物的甲烷排放量達(dá)到了800×104t，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)2%[2]。

本論文以《2017年中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒》中的主要畜禽出欄數(shù)和年末存欄數(shù)為統(tǒng)計(jì)基數(shù)，根據(jù)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》給出的不同畜禽溫室氣體排放系數(shù)，估測(cè)2016年全國(guó)主要畜禽養(yǎng)殖甲烷溫室氣體排放量，為甲烷消減提供理論依據(jù)和決策參考。

1 材料與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2016年全國(guó)31個(gè)省市豬、牛、羊、家禽的出欄數(shù)和年末存欄數(shù)之和分別為112005.8萬(wàn)頭、15778萬(wàn)頭、60806.8萬(wàn)只和1827219.8萬(wàn)羽。2016年四川省出欄生豬和年末存欄生豬共計(jì)11601.3萬(wàn)頭，排名第一；河南省出欄牛和年末存欄數(shù)共計(jì)1437.5萬(wàn)頭，排名第一；內(nèi)蒙古出欄羊和年末存欄數(shù)共計(jì)11477.5萬(wàn)只，排名第一；山東省出欄家禽和年末存欄數(shù)共計(jì)253347.1萬(wàn)羽，排名第一[3]。

1.2 畜禽甲烷排泄系數(shù)

《2017年中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒》中對(duì)動(dòng)物飼養(yǎng)方式和牛羊種類(lèi)未明確分類(lèi)，動(dòng)物腸道發(fā)酵甲烷排放因子取其平均值，豬1 kg/(n·y)，牛80 kg/(n·y)，羊8.2 kg/(n·y)；牛和羊動(dòng)物養(yǎng)殖糞便管理中甲烷排放因子分別取不同地區(qū)的平均值。

1.3 計(jì)算方法

畜禽甲烷溫室氣體排放量等于動(dòng)物出欄數(shù)和年末存欄數(shù)之和乘以甲烷排放因子(動(dòng)物腸道發(fā)酵甲烷排放因子+糞便管理甲烷排放因子)，然后將各種動(dòng)物的排放量求和得到總排放量[4]。計(jì)算公式：

式中：Ck為動(dòng)物腸道發(fā)酵甲烷排放因子,kg/(n·y)；Fk為糞便管理甲烷排放因子,kg/(n·y)；Nk為動(dòng)物出欄數(shù)(104)；Gk為動(dòng)物年末存欄數(shù)(104)；k為 動(dòng)物種類(lèi)(豬、牛、羊、家禽)；E為動(dòng)物甲烷溫室氣體排放總量(t)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2016年全國(guó)各省市主要畜禽甲烷排放量估測(cè)

根據(jù)《2017年中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒》中31個(gè)省市主要畜禽出欄數(shù)和年末存欄數(shù)、《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》甲烷溫室氣體排放因子，分別計(jì)算不同地區(qū)不同畜禽的甲烷排放量。表1為2016年全國(guó)31個(gè)省市主要畜禽甲烷排放量估測(cè)值。

表1 2016年各地區(qū)主要畜禽甲烷排放量估測(cè)值Table 1 Estimated methane emissions from major livestock and poultry in 2016 t

由于統(tǒng)計(jì)年鑒中是以出欄數(shù)和年末存欄數(shù)作為統(tǒng)計(jì)基數(shù)，這與動(dòng)物實(shí)際飼養(yǎng)情況會(huì)有一定差別，另外甲烷溫室氣體排放因子與地域、環(huán)境、飼料營(yíng)養(yǎng)和飼養(yǎng)方式等諸多因素有關(guān)，因此，甲烷實(shí)際排放量與上述估測(cè)值可能存在一定差別，準(zhǔn)確測(cè)定甲烷排放量有相當(dāng)難度，實(shí)際研究中只可能是從理論上盡可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2.2 2016年全國(guó)主要畜禽甲烷排放量

由表2可知，2016年全國(guó)31個(gè)省市豬、牛、羊和家禽甲烷排放量分別為616.6×104t、1335.6×104t、515.5×104t和32.4×104t，所占比例分別為24.7%、53.4%、20.6%和1.3%，其中豬和牛甲烷排放量占到了80%左右。

表2 2016年全國(guó)主要畜禽甲烷排放量Table 2 Methane emissions of major livestock in China in 2016

2.3 2016年全國(guó)主要畜禽不同甲烷排放途徑和百分比

由表3可知，2016年全國(guó)31個(gè)省市主要畜禽甲烷溫室氣體排放總量為2 500×104t，其中腸道發(fā)酵甲烷排放量(MEIF)為1872.8×104t，糞便管理甲烷排放量(MEMM)為627.2×104t，百分占比分別為74.9%和25.1%。腸道發(fā)酵甲烷排放量最多的為牛，糞便管理甲烷排放量最多的為豬。

表3 2016年全國(guó)主要畜禽不同甲烷排放途徑Table 3 Different methane emission pathways of major livestock in 2016

3 討 論

畜禽養(yǎng)殖中甲烷的排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)和資源浪費(fèi)，溫室效應(yīng)強(qiáng)度一般用全球變暖潛能值(GWP)衡量，潛能值越高溫室效應(yīng)越強(qiáng)，潛能值顯示的是某種溫室氣體一段時(shí)期內(nèi)的平均強(qiáng)度，IPCC在2006年報(bào)告中公布了各種溫室氣體的GWP值。按照慣例，以二氧化碳的GWP值為1，其余氣體與二氧化碳的比值作為該氣體GWP值，甲烷的GWP值為72，因此，甲烷相對(duì)于二氧化碳的溫室效應(yīng)強(qiáng)很多。畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中甲烷的排放實(shí)際上是飼料未被完全利用的中間產(chǎn)物，對(duì)飼料能量而言是一種浪費(fèi)，研究表明，反芻動(dòng)物以甲烷形式損失的能量占采食飼料總能的2%～15%[5]，這將導(dǎo)致飼料能量利用效率的低效。因此，消減、調(diào)控和利用畜禽養(yǎng)殖中排放的甲烷具有重要的意義[6]。

消減畜禽養(yǎng)殖污染的最直接的方式是退養(yǎng)和限養(yǎng)，近幾年來(lái)，為了更有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，很多地區(qū)啟動(dòng)了畜禽禁養(yǎng)、退養(yǎng)和限養(yǎng)等措施，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的減少必然會(huì)使畜禽甲烷溫室氣體排放量減少，這也是實(shí)現(xiàn)甲烷減排最直接和最快捷的方式。

調(diào)控主要是指通過(guò)飼料營(yíng)養(yǎng)、精粗比和飼養(yǎng)方式等的改變，以達(dá)到減少腸道發(fā)酵甲烷排放量的目的。研究發(fā)現(xiàn)，2016年全國(guó)主要畜禽通過(guò)腸道發(fā)酵甲烷排放量1872.8×104t，其中主要又是通過(guò)牛羊腸道發(fā)酵甲烷排放，數(shù)量達(dá)到1760.8×104t，百分比為94%。飼料經(jīng)過(guò)粉碎和制粒后減少在瘤胃內(nèi)停留時(shí)間，瘤胃甲烷合成數(shù)量也會(huì)降低；粗飼料尤其是低質(zhì)秸稈類(lèi)粗飼料經(jīng)過(guò)氨化、青貯和切短處理后也可以減少瘤胃甲烷合成量；莫能菌素等離子載體能夠改變瘤胃發(fā)酵模式，促進(jìn)丙酸產(chǎn)生，抑制細(xì)菌產(chǎn)生氫和甲酸，從而減少瘤胃甲烷合成量；添加脂肪尤其是過(guò)瘤胃脂肪能夠有效抑制瘤胃甲烷合成；原蟲(chóng)和產(chǎn)甲烷菌是一種共生關(guān)系，瘤胃去原蟲(chóng)是減少瘤胃甲烷合成最有效最直接的方法，反芻動(dòng)物日糧中添加硫酸鋅驅(qū)除原蟲(chóng)，可顯著降低瘤胃甲烷的產(chǎn)量[7]。

利用主要是指采用畜禽糞便發(fā)酵技術(shù)對(duì)畜禽糞便管理中的甲烷進(jìn)行合理化利用，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣主要成分為甲烷，一般含甲烷50%～70%，是可再生二次能源，研究發(fā)現(xiàn)，1 m3沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7 kg無(wú)煙煤提供的熱量。國(guó)家對(duì)農(nóng)村沼氣池的建設(shè)也給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助，《2013-2017年中國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，“十一五”以來(lái)，中央累計(jì)投入農(nóng)村沼氣建設(shè)資金212億元，沼氣池?cái)?shù)量以平均每年約17%的速度增長(zhǎng)發(fā)展。從而解決全國(guó)集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的污染治理問(wèn)題 ，使糞便得到資源化利用。當(dāng)然，我國(guó)農(nóng)村沼氣的利用也存在許多問(wèn)題和瓶頸[8]，比如建池技術(shù)及材料不過(guò)關(guān)，存在漏水漏氣問(wèn)題；技術(shù)力量薄弱，缺乏專(zhuān)業(yè)的后期管理和服務(wù)；利用率偏低，廢病池比例高；資金投入不足，限制了沼氣的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)農(nóng)村沼氣存在的閑置率偏高、產(chǎn)業(yè)布局不合理、整體運(yùn)行不佳等問(wèn)題[9]，需要國(guó)家相關(guān)部門(mén)進(jìn)行政策引導(dǎo)和技術(shù)支持，結(jié)合鄉(xiāng)村振興計(jì)劃推動(dòng)農(nóng)村沼氣的轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。