彭亞釗，燕振剛

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1894年，SvanteArrhenius首次向人類發(fā)出關(guān)于CO2排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)的警告,主要圍繞地球氣溫進(jìn)一步深入分析空氣中碳酸氣體的有害作用展開論述[1]。在全球范圍內(nèi)，每年所排放的溫室氣體中有14.5%來源于畜牧業(yè)，每燃放1.44 t石油所排放的甲烷含量，相當(dāng)于每年通過畜牧業(yè)排放到空氣中甲烷含量[2]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，畜牧業(yè)已經(jīng)成為中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)[3]。多數(shù)研究重點(diǎn)在畜牧業(yè)碳排放方面，但很少有針對畜牧業(yè)生命周期碳排放所展開的研究[4]。而青藏高原易受各種因素共同影響，是亞熱帶季風(fēng)氣候變化的敏感區(qū)[5]，因此，探究高原地區(qū)碳排放對全球氣候變化具有重要意義。本文采用生命周期評價(jià)(life cycle assessment，LCA)方法，基于整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)[6]，從時(shí)空兩個(gè)維度評估了2012-2016年甘肅青藏高原地區(qū)12個(gè)縣域的家畜近5年碳排放值和排放規(guī)律，為該區(qū)域畜牧業(yè)低碳減排提供了決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取青藏高原地區(qū)甘肅境內(nèi)的甘南藏族自治州、天祝藏族自治縣等12個(gè)縣的部分家畜為研究對象，按照500 m間隔劃分海拔地帶[7]，本研究在已有的劃分研究基礎(chǔ)上將12個(gè)縣區(qū)劃分為3 000 m以下、3 000～3 500 m、3 500以上3個(gè)海拔地帶(表1)。

表1 本研究區(qū)不同海拔梯度內(nèi)的區(qū)域劃分和氣候條件

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文1991-2016年甘肅省12個(gè)縣域有關(guān)牛、馬、驢、豬、羊等各種畜禽年出欄數(shù)量、牲畜飼料消耗系數(shù)、畜禽產(chǎn)品年產(chǎn)量等數(shù)據(jù)均來自《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》和《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》。

1.3 家畜碳排放的測算

生命周期評價(jià)法(LCA)作為一種有效的環(huán)境管理工具，已被廣泛運(yùn)用于溫室氣體排放研究領(lǐng)域[8-13]。本文采用LCA法，參考姚成勝等[14]的研究，將畜牧業(yè)碳排放過程分為家畜飼料生產(chǎn)、飼料運(yùn)輸加工、牲畜胃腸發(fā)酵、糞便管理、畜禽產(chǎn)品加工5個(gè)系統(tǒng)邊界，并利用相關(guān)碳排放系數(shù)計(jì)算得到該地區(qū)畜牧業(yè)的碳排放量。

1.4 家畜年平均飼養(yǎng)量

家畜年平均飼養(yǎng)量主要依據(jù)家畜飼養(yǎng)周期進(jìn)行調(diào)整：若家畜飼養(yǎng)周期<1年，則調(diào)整年出欄量；若家畜飼養(yǎng)周期≥1年，則默認(rèn)年平均飼養(yǎng)量即為年末存欄量，公式如下[15]：

(1)

式中:AP、Dayslivestock、Handlivestock、NAPA分別為家畜年均飼養(yǎng)量(頭)、家畜飼養(yǎng)周期(年)、年末存欄量(頭)、年出欄量(頭)。

1.5 碳排放系數(shù)的確定

根據(jù)2006年IPCC國家溫室氣體清單指南表和省級溫室氣體清單編制指南[16]，確定相應(yīng)的溫室氣體排放系數(shù)[4，17]。

1.6 基于生命周期的家畜碳排放測算

1.6.1 飼料糧種植和加工產(chǎn)生的碳排放總量 飼料原料一般需要經(jīng)過曬干、篩選、運(yùn)輸、碾碎、配料、混合等一系列環(huán)節(jié)加工得到飼料。因此，在此過程中因能源消耗引起的溫室氣體排放同樣需要計(jì)入計(jì)算范圍。飼料因生產(chǎn)和運(yùn)輸加工產(chǎn)生的 CO2排放量[18]：

(2)

式中：FPPco2代表飼料生產(chǎn)和加工產(chǎn)生的溫室氣體排放總量(kg);ci為2012-2016年家畜飼料消耗系數(shù)[18-19]；Yi為i類家畜產(chǎn)品的年產(chǎn)量；yi為大豆、小麥、玉米等j類糧食在家畜飼料配方中的比例，具體來講：牛精飼料中，餅類、玉米占比分別為14.6%、37%；豬精飼料中，玉米占56.15%；奶牛精飼料中，餅類、玉米占比分別為28.65%、46.79%；羊精飼料中，餅類、玉米占比分別為12.89%、62.61%[20]。efi2表示糧食在運(yùn)輸加工環(huán)節(jié)的CO2當(dāng)量排放系數(shù)；i和j分別代表牲畜和飼料的類型。

1.6.2 腸道發(fā)酵產(chǎn)生的CH4排放總量 家畜胃腸道發(fā)酵產(chǎn)生的CH4排放量與家畜的消化道類型、年齡和體重以及所采食飼料的質(zhì)量和數(shù)量等因素有關(guān)[21-22]。根據(jù)學(xué)者研究[20，23]，禽類胃腸發(fā)酵CH4排放量極微，本文不予考慮。家畜胃腸道發(fā)酵產(chǎn)生的CH4排放量總量計(jì)算公式[16]:

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

(3)

ACH4,intestine、AFCH4,intestine,i的單位為分別為104t/CH4/年、KG/頭/年，分別代表第i種動物腸道CH4排放量與排放系數(shù)；APPi的單位為頭，代表第i種動物的數(shù)量。

1.6.3 糞便管理產(chǎn)生的溫室氣體排放量 厭氧條件下糞便降解主要會產(chǎn)生CH4氣體[14]。因此，糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4排放計(jì)算公式[12]：

ACH4,faeces=∑AFCH4,faeces,i×APPi×10-7

(4)

式中：ACH4,faeces、AFCH4,faeces,i的單位為分別為104t/CH4/年、KG/頭/年，分別代表第i種動物糞便管理CH4排放量與排放系數(shù)。

有氧條件下主要會產(chǎn)生N2O氣體[14]，因此糞便管理產(chǎn)生的N2O排放總量計(jì)算公式[12]:

AN2Ofaeces=∑AFN2Ofaeces,i×APPi×10-7

(5)

AN2Ofaeces、AFN2Ofaeces,i的單位為分別為104t/N2O/年、KG/頭/年，分別代表N2O排放量與排放系數(shù)。

家畜飼養(yǎng)產(chǎn)生的CO2排放總量計(jì)算[14]：

(6)

式中：i為家畜種類；pricee、pricec分別代表家畜飼養(yǎng)的電費(fèi)、煤費(fèi)單價(jià)(元)；costie代表每只第i類家畜在單位飼養(yǎng)周期內(nèi)的用電支出(元)、costic代表每只第i類家畜在單位飼養(yǎng)周期內(nèi)用煤支出(元)；APi為第i類家畜的年平均飼養(yǎng)量(萬頭)；efe、efc分別代表電能、煤炭消耗的CO2排放系數(shù)；ACsc為家畜飼養(yǎng)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的CO2量(104t)。

1.6.4 畜產(chǎn)品加工過程產(chǎn)生的CO2排放 家畜經(jīng)過運(yùn)輸加工制成畜產(chǎn)品，期間所消耗CO2排放量計(jì)算公式如下:

(7)

式中：MJu為第u類畜產(chǎn)品單位加工耗能系數(shù)(MJ/kg)；efe為電能消耗的CO2排放系數(shù)(t/t)；e為消耗單位電量產(chǎn)生的熱值(MJ)；Yu為第u類畜產(chǎn)品的總年產(chǎn)量(104t)；ACsg 為加工環(huán)節(jié)CO2排放量(104t)。

單位元產(chǎn)值對應(yīng)的畜產(chǎn)品的CO2排放

(8)

式中:Aco2RMB為單元收益的碳排放(kg·CO2-eq·￥)，Atotal(y)為第y年全生命周期的碳排放總量(kg·CO2-eq)，APproduct(i)為第i類畜產(chǎn)品的產(chǎn)量(kg)，Priceproduct(i)為第i類畜產(chǎn)品的產(chǎn)品價(jià)格，i為產(chǎn)品類別，產(chǎn)品價(jià)格以2016年的市場價(jià)格為基礎(chǔ)。

1.6.5 標(biāo)準(zhǔn)碳排放總量 在整個(gè)生命周期中，家畜生命周期溫室氣體排放量計(jì)算公式為：

(9)

整個(gè)生命周期排放的的碳排放量應(yīng)分為6個(gè)環(huán)節(jié)的CO2當(dāng)量具體計(jì)算，即式中ECH4Enteric、EN2Omanure、TCsg、TCO2feed、ECH4manure、TCsc。FPPCO2、ACH4，intestine、ACH4，faeces、AN2O,faeces、ACSC、ACSg分別代表飼料種植、加工過程排放的CO2量、家畜胃腸發(fā)酵產(chǎn)生的CH4排放總量、糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4排放總量、糞便管理產(chǎn)生的NO2排放總量、家畜飼養(yǎng)所產(chǎn)生的CO2排放總量和畜產(chǎn)品加工過程中所排放的CO2排放總量；ATotal為家畜碳排放總量(104t)，etpf為單位CO2當(dāng)量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)碳的系數(shù)；GWPN2O、GWPCH4分別為N2O、CH4全球升溫潛能值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔單位千克畜產(chǎn)品碳排放量分析

由于家禽類相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不周全，加之本區(qū)域畜牧業(yè)以豬牛羊三種動物為主，分析單位千克豬肉、牛肉、羊肉的碳排放量。2012-2016年不同地區(qū)海拔家畜生產(chǎn)的碳排放結(jié)果如表2所示。

表2 2012-2016年甘肅青藏高原地區(qū)三個(gè)海拔畜產(chǎn)品二氧化碳(kg co2-eq/kg LW)

由表2可見，1 kg豬肉(LW)的碳排放量在海拔3 500 m以上顯著高于海拔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以下顯著高于海拔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異性顯著，海拔3 500 m以上顯著高于3 000～3 500 m及3 000 m以下。

2.2 不同海拔單位元收益畜產(chǎn)品碳排放量分析

由表3可見，豬肉單位元收益碳排放量，在海拔3 500 m以上顯著高于海拔3 000 m以下、3 000～3 500 m；羊肉單位元收益碳排放量，3 000 m以下顯著高于3 000～3 500 m及3 500 m以上區(qū)域：牛肉單位元收益碳排量，3 500 m以上區(qū)域顯著高3 000 m he 3 000～3 500 m。豬肉三個(gè)不同海拔區(qū)間的年均下降率為6.70%、7.19%、9.81%，牛肉的年均下降率為6.92%、7.96%、7.05%，羊肉的年均下降率為7.55%、7.50%、6.96%。

表3 2012年-2016年甘肅省青藏高原不同海拔區(qū)域單位收益畜產(chǎn)品溫室氣體排放量(kg·co2-eq/￥)

3 討 論

本研究豬肉碳排量2.86 kg co2-eq/kg LW與周元清[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]研究結(jié)果3.00 kg CO2-eq/kg LW接近，原因在于計(jì)算環(huán)節(jié)相同，因此結(jié)果相近；羊肉碳排量9.1 kg co2-eq/kg LW與Harrison[28]結(jié)果 9.3 kg co2-eq LW結(jié)果相近，遠(yuǎn)低于趙亮等[29]的結(jié)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/胴體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和馬宗虎等[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/胴體kg相似,同時(shí)也在Mogensen等[34]報(bào)告的范圍內(nèi)23.10～29.17 kg co2-eq/胴體kg。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，本文所計(jì)算的排放強(qiáng)度與其他文章略有差異，這主要原因在于涉及的時(shí)間范圍中有所不同，趙亮等[29]研究定義涵蓋了羊的整個(gè)生命過程即產(chǎn)品的原料是新生乳羊，產(chǎn)品的終末是屠宰，而本文計(jì)算是從新生乳羊或乳牛到出欄這一過程；而馬宗虎等[32]所定義的是從購買架子牛到屠宰這一過程，即產(chǎn)品原料是有了一定體重的架子牛，產(chǎn)品的終末是屠宰；而Vergé等[30]研究中使用飼料多為精飼料，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；另一方面是各個(gè)文章所采用計(jì)算的值不同，Casey等[35]的研究發(fā)現(xiàn)，不同取值計(jì)算的結(jié)果差別范圍僅在3.7%～5.5%之間，可以忽略由此引發(fā)的誤差。

2012-2016年甘肅青藏高原地區(qū)畜產(chǎn)品價(jià)格呈逐年上漲趨勢，豬牛羊肉年均增長率均在7%左右，這一變化導(dǎo)致本研究選定的3個(gè)海拔區(qū)域的單位收益畜產(chǎn)品碳排逐年下降。從單位收益畜產(chǎn)品碳排來看，單位產(chǎn)值豬肉3 000 m以下和3 000～3 500 m海拔區(qū)域碳排較少，牛肉3 000 m以下和3 000～3 500 m海拔區(qū)域碳排較少，羊肉3 000～3 500 m和3 500 m以上海拔區(qū)域碳排較少。

4 結(jié) 論

(1)碳排放的增長趨勢基本和動物數(shù)一致，主要由動物腸道發(fā)酵排放的碳為主導(dǎo)因素，2012-2016年海拔3 500 m上總碳排占比最高。

(2)2012-2016年，每單位元收益豬肉、牛肉、羊肉的碳排量逐年降低，每千克豬肉、牛肉、羊肉碳排放量在同一時(shí)期逐漸降低。