养殖业温室气体排放的影响因素及减排措施

养殖业温室气体排放的影响因素及减排措施

於江坤1,蔡丽媛1,张骥1,郭娇1,胡荣桂2,齐德生1*(1.华中农业大学 动物科技学院，2.华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070)

[基金项目] 农业部公益性行业(农业)科研专项资助项目(201203145);湖北省低碳农业模式研究(4005-35013020)

[摘要]21世纪以来温室气体大量排放造成的全球气候变暖已经引起了全世界的高度重视，如何减少二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)等温室气体(GHG)的排放，减缓温室气体带来的全球气候变暖已经成为亟待解决的战略性问题。养殖业温室气体的排放量，约占全球温室气体排放总量的18%，寻找有效途径减少温室气体排放迫在眉睫。本文主要从养殖场管理模式和粪污处理、不同家畜种类及其饲料组成，以及反刍动物瘤胃发酵调控等三方面阐述养殖业温室气体排放的影响因素，并据此提出温室气体减排措施。

[关键词]养殖业；温室气体；影响因素；减排措施

[收稿日期]`* 2014-12-01修回日期:2015-01-15

[作者简介]於江坤(1991-),男,湖北武汉人,在读硕士,主要从事反刍动物营养调控研究。E-mail:463243702@qq.com

[通讯作者]`* 齐德生(1965-),男,河南驻马店人,教授,博士生导师,主要从事动物营养与饲料科学、家畜环境卫生研究。E-mail:qdshzau@126.com

[中图分类号]S811.6

[文献标识码]A

[文章编号]1005-5228(2015)10-0080-06

Abstracts：Global warming caused by emissions of greenhouse gas has aroused research focus of countries all over the world，the methods to reduce carbon dioxide(CO2), methane(CH4), nitrous oxide(N2O) and other greenhouse gases(GHG)have become a strategic issue to solve. The emissions of green-house gases by livestocks accounted for 18% of total global greenhouse gas emissions， and the effective ways to reduce greenhouse gas emissions revealed imminent. This paper mainly expounded the influencing factors to the emissions of greenhouse gas from three aspects including the management model of farm and manure management， livestock types and their feed composition，and the regulation of rumen fermentation on ruminant，and then proposed countermeasures to reduce greenhouse gas emissions targeting at the above factors.

近年来，随着温室气体(greenhouse gas，GHG)的大量排放，全球气候变暖的趋势日益明显，逐渐成为制约人类发展的重大问题。根据政府间气候变化专业委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第三次工作组第四次报告，2004年农业占GHG排放的14%，农业是CH4的最大排放源，占全球排放量的50%， N2O占60%[1]，其中养殖业中由于动物呼吸代谢、反刍动物瘤胃发酵、动物粪便处理过程中直接或间接产生的 CO2、CH4、N2O是农业活动产生温室气体的主要来源之一。CH4和N2O是温室气体中的重要成员，其中CH4的温室效应是CO2的23倍左右，占温室气体对全球变暖贡献总份额的20%；N2O是一种痕量的长寿命温室气体，在100年尺度上，N2O的辐射效应常数是CO2的298倍[2]。另外，CH4具有较强的化学活性，能在对流层大气中参与许多重要的大气化学过程，影响大气的其它化学成分，间接引起气候变化[3]。本文对养殖业温室气体产生的影响因素进行总结，据此提出温室气体减排措施，为实际生产的减排行动提供参考。

1我国养殖业温室气体排放现状

我国养殖业发展迅猛，养殖规模逐年扩大，各类动物的数目及排泄物急剧增多，因此每年都会产生和排放大量的温室气体。养殖场温室气体主要是由动物的胃肠道发酵以及动物排泄粪便的处理过程等方面产生的，其中动物胃肠道发酵主要产生CH4，而粪便管理过程不仅会产生CH4，而且还会产生大量N2O。

动物胃肠道发酵产生CH4的排放量可以依据相关的公式进行估算[4]。规模化养殖条件下各类动物胃肠单发酵甲烷排放因子(kg/头/年)：奶牛88.1，黄牛52.9，水牛70.5，绵羊8.2，山羊8.9，猪1，马18，驴/骡10，骆驼46；农户散养条件下各类动物胃肠单发酵甲烷排放因子(kg/头/年)：奶牛89.3，黄牛67.9，水牛87.7，绵羊8.7，山羊9.4；放牧饲养条件下各类动物胃肠单发酵甲烷排放因子(kg/头/年)：奶牛99.3，黄牛85.3，绵羊7.5，山羊6.7[5]。按照国家畜牧业统计，2007年中国各类动物饲养量(万头，万只，万匹)分别为：猪30963.5，奶牛1151.1，黄牛7883.5，水牛1495.5，羊28467.3，马711.2，驴709.9，骡321.8[6]。全部按照最低排放因子估算，每年由动物肠道发酵产生CH4约911.4×104t。

动物粪便管理CH4和N2O排放量同样依据相关公式进行估算[4]。根据2006年IPCC国家间温室气体排放指南所示，各类动物粪便管理CH4排放因子(kg/头/年)为：奶牛16，水牛2，黄牛1，骡0.9，骆驼1.92，驴0.9，马1.64，猪3.5，羊0.16, 按照2007年中国各类动物饲养量来估算，由粪便管理产生的CH4排放量约为144.3×104t 。各类动物粪便管理N2O排放因子(kg/头/年)为：奶牛1.0，水牛1.34，黄牛1.39，骡1.39，骆驼1.39，驴1.39，马1.39，猪0.53，羊0.33[6]。按照2007年中国各类动物饲养量来估算，由粪便管理产生的产生的N2O约为42.34万吨。因此，以2007年养殖业规模来看，总共约产生1.06×107t CH4和42.34×104t N2O，相当于3.69×108t当量的CO2。而自2003年以来，我国年均碳排放量为13.9×108t[7]，以估算结果来看，2007年养殖业温室气体排放占全国温室气体排放的比例高达26.5%，由此可见，采取有效措施减少养殖业温室气体排放是很有必要的。

此外，随着粮食需求的增加和饮食结构的改变，未来世界农业领域温室气体排放量将呈增加趋势。据预测，到2030年动物饲养造成的CH4排放将增加60%；在2010~2020年期间，农业活动非CO2温室气体排放将增加10%～15%[8]。另外，据估计，从全球角度来看，农业排放 CH4占由于人类自身活动的CH4排放总量的50%，N2O占60%，如果不采取有效的农业减排政策，到2030年，农业源CH4和N2O排放量将在2005年的基础上分别增加60%和35%~60%[9-10]。因此，必须尽快采取有效措施减少养殖业温室气体的排放量。掌握养殖业中温室气体产生规律，并选择合理有效的方式减少温室气体的排放，对遏制全球温室气体带来的气候变暖，为人类带来舒适美好的生存环境有着重大的现实意义。

2饲养管理方式对温室气体排放的影响

2.1　养殖场管理模式对温室气体排放的影响

我国养殖业快速发展过程中，养殖方式也逐渐发生了改变，由早期分散的养殖户的散养模式逐渐过渡到高度集约化的养殖场生产模式。从中国的养猪业来看，20世纪90年代至今，以良种猪、企业化、规模化饲养为主，是中国养猪集约化、规模化、现代化、标准化发展的重要时期，从养殖规模来看， 农户生猪规模化养殖场越来越多，散户占的比例逐渐减少[11]。养殖方式的改变一定程度上提高了养殖的生产效率和经济效益，但大规模的养殖场废弃物也给环境治理和净化带了巨大的压力。例如，随着生猪养殖业规模的持续扩大，集约化程度不断提高，养殖场集中产生的粪尿污物量急剧增加，而污染控制在政策管理、法规建设和技术上都明显滞后于生猪产业发展速度，因而规模养殖及其养殖废弃物逐渐成为重要环境污染源与温室气体排放源头之一[12]。养殖管理对于控制温室气体产生和排放有明显的作用。合理地运用生产管理模式，能有效减少温室气体产生，Webb[13]的研究结果表明，采用现代管理技术能够在维持目前英国养殖业总体86%的生产水平的条件下，降低20%的温室气体排放量。此外，选择较好的养殖管理系统，能够在提高动物生育和雌性动物繁殖年限和繁殖力等条件下，提高动物年产奶量和饲料转化率等，从而降低7%～21%温室气体排放量[14]。Crosson[15]对前人所做的研究结果进行总结，也发现不同养殖模式下，肉牛或奶牛温室气体的产生量差异显著。因此，对于越来越多的集约化养殖场，选择现代化的先进的系统化管理模式，对养殖各环节进行全程控制和优化，能够整体上提高养殖业养殖效率，减少温室气体产生和排放。

2.2　清粪方式和粪污处理方式显著影响温室气体排放量

养殖场的清粪方式是影响养殖过程中温室气体产生的重要因素之一，目前常见的清粪方式主要有水冲粪法、水泡粪法、干清粪法、微生物发酵床等。对于水冲粪法、水泡粪法，不仅浪费水资源，而且粪便容易被微生物厌氧发酵产生甲烷、氧化亚氮等温室气体，相对于湿清粪，采用干清粪可以减少污水产生，减少进入厌氧环境的有机物总量，减少甲烷排放50%以上[8]。采用微生物发酵床的方式能够变废为宝，且更为环保，但由于微生物的发酵条件难以保证及菌种效果的不稳定等问题，该技术目前仍在开发和完善。Godbout等[16]研究结果表示，CH4主要在液体清粪方式下产生，而N2O则主要在固体清粪方式下产生。另外，董红敏等人表示，猪粪的甲烷产生潜力大于牛粪，液体粪便的贮存大于固体粪便的甲烷排放率[17]。养殖业产生的N2O远低于种植业化肥使用所产生，占农业活动N2O比例小，对于我国许多大型养猪场，选择干清粪法替代湿清粪的方式有利于减少温室气体排放。

养殖场粪污处理的方式也同样是养殖场温室气体产生的主要影响因素。目前较为常见的粪污处理方式主要是传统的堆肥或还田利用，采用生物发酵床，或建立沼气工程产沼气作能源使用等。研究表明，相比于堆肥或还田施肥利用以及微生物发酵床等方式，采用粪污厌氧发酵制沼气的粪污处理方式能大大减少温室气体的排放[18]。传统的堆肥处理，在堆肥规模较大时极易产生大量的CH4和N2O等温室气体，其原因是粪便堆积量较大时，容易造成堆积在中间部分粪便的厌氧发酵。有些研究表明，改变堆肥粪堆的规模会改变CH4的排放速率，因为CH4大部分在粪堆的中心部分产生，随着堆肥规模的增大，厌氧发酵的范围扩大，产生和排放的CH4也上升[19]。堆肥过程中的人为处理也将显著影响温室气体产生，翻堆和通风都增加了堆体内部含氧量，这可以有效的减少内部厌氧发酵，从而减少CH4产生，然而翻堆后会出现N2O排放的短期高峰,导致堆肥N2O排放总量升高[20]。采用有氧或厌氧处理对减少CH4、N2O产生具有明显的效果，马宗虎等[21]研究表明厌氧-好氧系统处理猪场粪便，排放的甲烷量相对于基准线情景减少了82.7%，项目活动排放的氧化亚氮相对于基准线减少了4.6%。有学者研究表明，猪场设立沼气池，对粪便进行无氧发酵能显著降低甲烷的排放，比预期效果甚至更好[22]。厌氧发酵的粪便管理方式具有降低CH4的排放量的潜力，并持续产生电能或热能，或为作物种植提供肥料[23]。大中型养殖厂通过建设大型沼气工程也可以减少温室气体排放，按照政府间气候变化专业委员会(IPPC)2006年推荐的方法，以一个建在我国南方的沼气工程为例进行计算，一个年出栏万头猪的养猪场因沼气工程而每年获得的温室气体减排效益为781 t CO2当量[24]。目前，使用畜禽粪便池生产沼气和有机肥的技术已经成熟，大力推广沼气工程不仅有能够产生沼气进行循环利用，从而节约能源，也是有效减少养殖场温室气体排放的绿色通道。

3不同家畜及其生长周期和饲料对温室气体排放的影响

3.1　不同家畜和生长周期对温室气体排放的影响

养殖业中畜禽产生的温室气体主要来源于动物胃肠道微生物发酵和畜禽粪便在微生物作用下无氧发酵等途径。Monteny 等[25]研究表明，奶牛、猪和家禽每个体每年平均分别会产生 CH484～123、4.8 和 0.26 kg，其中由胃肠道发酵生成的CH4量分别占75%～83%、30% 和0% ；这表明反刍动物生产中 CH4主要来源于瘤胃发酵，而单胃动物生产中CH4主要来源于粪便。并且，在由农业排放的CH4中，反刍动物被认为是主要的CH4排放源，全球反刍动物每年约产生CH48×107t，占全球人类活动CH4排放量的 28%[26]。不同种类家畜 CH4排放所占比重各异，其中水牛排放量占8%，其他牛排放量占74%，羊排放量占13%，骆驼排放量占1%[27]。此外，Mara的研究也表明，无论是动物胃肠道发酵还是粪便处理，不同品种动物CH4的产生量都有着明显的差异，其中牛是胃肠道发酵CH4产生量最大的，而非反刍动物尤其是猪，是粪便处理CH4产生最多的动物[28]。因此，不同家畜产生温室气体能力有着显著的差别。合理配置养殖动物的种类及数量，一定程度上能降低养殖业温室气体的排放量。

动物在不同的生长周期内，产生温室气体能力也可能存在着差异。不同生长周期，由于生理活动的不同，营养物质的摄取量不同，且营养物质利用途径与利用效率不同，因此产生甲烷等温室气体的能力不同。另外，由于排粪量不同，在粪便处理过程中产生的温室气体也不同，合理地对不同生长阶段的畜禽进行分类管理，能有效提高饲料利用效率和粪便管理效率，减少温室气体产生和排放。

3.2　饲料组成对温室气体产生排放的影响

动物的胃肠道发酵是养殖过程中温室气体产生的主要方式之一，尤其是反刍动物瘤胃发酵容易产生CH4等温室气体。反刍动物年产 CH4约为 7.7×107t，约占全球CH4排放总量的15%，仅次于CO2，反刍动物对全球气候变暖的综合贡献率达到19%[29]。通过改变动物日粮结构及组成，是一种减少动物CH4等温室气体的产生的有效途径。饲喂不同成分日粮动物产生温室气体量差别很大，反刍动物粗料类型的不同和日粮粗精比都会影响CH4的产生。牧草种类不同，动物的CH4产量也不相同；Eckard等认为提高牧草质量，饲喂含可溶性碳水化合物高，含纤维素少的牧草，或者饲喂鲜嫩的牧草都可以降低CH4排放[30]。娜仁花等人的研究也得出相同的结果，低质粗饲料CH4产生量大，饲喂青贮牧草比干草更容易降低CH4产生量[31]。玉米秸秆经青贮处理和适当增加日粮精料的比例有利于提高饲料消化性能，降低CH4的产生：日粮精粗比均为40∶60的条件下，粗料为玉米秸秆青贮的日粮CH4产生量、消化单位干物质的CH4产生量、单位消化能量的CH4产生量比粗料为干玉米秸秆的日粮分别减少了30%、37%、32%；粗料均为玉米秸秆青贮的条件下，精粗比为60∶40的日粮CH4产生量、消化单位干物质的CH4产生量、单位消化能量的CH4产生量比精粗比40∶60的日粮分别减少了21%、23%、23%[32]。龚飞飞等[33]也有相同的结论：当饲喂以粗料为主的日粮时，瘤胃中乙酸的含量有所提高；当饲喂以精料为主的日粮时，瘤胃中的丙酸含量增加，丙酸与CH4的生成之间呈负相关。Doreau等[34]试验结果：高精料日粮能显著降低年轻公牛CH4产生量。Clemens等[35]也有相似的观点，日粮的成分和总量常常会影响反刍动物生产性能，当饲料中以粗料为主时，奶牛产奶量较低，温室气体产生较多；当提高饲料中精料组成时，产奶量上升，温室气体产生减少。因此，选择优质的粗饲料，或适当的提高饲料精粗比都能有效降低动物CH4产生量，从而减少养殖业温室气体排放量。

4瘤胃发酵调控方式减少反刍动物温室气体排放

4.1　影响反刍动物瘤胃发酵CH 4产生的主要因素

反刍动物瘤胃微生物类群复杂，同时共存有纤维分解菌、产CH4菌和其他厌氧微生物。饲料经动物采食后在瘤胃中厌氧发酵，其中碳水化合物和其他植物纤维在瘤胃内微生物作用下发酵分解成酸性物质(如挥发性脂肪酸)、H2和 CO2等；CH4菌利用这些产物合成CH4[36]。CH4主要有三个生成途径:(1)CO2-H2还原途径：瘤胃中CH4主要来自CO2和H2在多种酶和辅酶的作用下, 与还原甲基呋喃化合, 经一系列反应，被H2和甲酸还原成CH4。瘤胃中约80%的CH4由此途径产生；(2)乙酸发酵途径：主要由甲酸、乙酸等VFA(挥发性脂肪酸 )形成，该途径主要在瘤胃发酵后期起作用，约有3~5%CH4由乙酸转变而来。(3)甲基转化途径：主要由甲醇、乙醇等果胶发醉产物分解而来。从发酵条件来看，影响瘤胃发酵的影响因素主要包括：瘤胃内理化环境(包括温度、pH值、离子浓度及氧化还原电位等)和微生物菌群的数量和种类及其生理状态，以及动物的摄食的种类和总量(发酵的底物)。改变反刍动物瘤胃内环境或动物进食量和饲料结构，或改变瘤胃内微生物的生理活性，都将显著影响反刍动物瘤胃发酵CH4产生量，减少其温室气体的产生和排放。

4.2　适当的饲料添加剂能减少温室气体排放

饲料添加剂种类繁多，功能也各不相同，有研究表明，在饲料中添加大蒜素和茶皂素都能抑制瘤胃微生物发酵，可分别减少CH4排放70%以上和16%，另外，莫能菌素、皂苷和降胆固醇药物也能抑制瘤胃微生物活性，减少CH4排放[8]。另外，Chatterjee等[37]发现，一些热带植物产生的次级代谢产物能够抑制反刍动物瘤胃发酵；番石榴叶子提取物能够显著降低反刍动物瘤胃发酵CH4的产量。微生态制剂等饲料添加剂也能减少发出动物CH4等温室气体的产生。乔国华[38]研究表明，添加直接饲喂微生物培养物地衣芽孢杆菌组和热带假丝酵母,可以显著降低瘤胃发酵CH4的产生量，其原因可能是添加培养物后减少了产CH4菌等用以产生CH4的氧气的产生量。研究表明，可以通过调节反刍动物瘤胃内环境，提高微生物活性，促进微生物对饲料的利用，或将植物中提取得到的一些物质能够调控反刍动物瘤胃微生物的发酵作用的提取物添加到动物饲料中，提高饲料的能量水平及蛋白的消化率，都能减少CH4气体的生成[36]。干物质降解率越高，瘤胃内的环境就越适合微生物发酵，越有利于提高饲料中营养物质的利用率；添加微生态制剂(EM)可提高人工瘤胃pH，促进微生物在良好的瘤胃内环境下增殖，可降低13～24 h人工瘤胃中CO2和CH4的产生量[39]。此外，通过添加阻断产CH4菌内CH4生成途径，抑制CH4生产过程中的关键酶和因子，也可有效降低CH4生成，如卤CH4与维生素B12反应后能抑制甲基转移[40]。因此，选择合适的饲料添加剂，如植物提取物和微生态和制剂，能够有效在提高饲料降解利用率，同时降低CH4等温室气体的产生和排放；或在饲料中添加某些酶活性抑制剂，也能有效抑制CH4产生。

5小结及展望

全球变暖的趋势越来越明显，寻求理想的降低温室气体排放的策略越来越紧迫，养殖业温室气体排放占整个农业活动温室气体排放的50%以上，其重点在于反刍动物瘤胃发酵的控制和单胃动物的粪便管理。通过改善养殖业的饲养管理模式，减少养殖场粪污中的温室气体产生量，或者通过营养的手段优化动物日粮组成，从而减少动物消化道发酵产生温室气体，以及通过调控反刍动物瘤胃发酵来减少产CH4菌产生CH4等方式，或者通过调整饲养动物的种类及结构，或选育产温室气体更少，饲料利用率更高的动物品种，都可以作为养殖场温室气体减排的有效措施。

不同于当前直接地对养殖动物这个排放源进行控制，越来越多的研究开始采用生命周期评估的方法对整个养殖系统中的温室气体排放量进行估算[15,41]，该方法纳入动物从出生到性成熟后繁殖整个生命周期中涉及的对温室气体排放有贡献的所有因素进行估算，其结果与前者相较，更为科学合理和有效。生命周期评估方法不仅估算了温室气体排放的直接因素所产生的温室气体量，还估算了许多间接因素，其目的是从系统整体上减少农业活动温室气体排放。尽管，生命周期评估的研究方法是对目前的研究手段的改进，但已有的大多数生命评估周期的研究模型并没有将植物和土壤的温室气体排放和消除计算在内，特别是低投入的放牧系统[42]。完善和推广生命周期评估方法，对养殖业甚至整个农业活动温室气体排放减排具有重大的现实意义。

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Influencing Factors to Greenhouse Gas Emissions and the Mitigation Measures in Aquaculture

YU Jiang-kun1，CAI Li-yuan1，ZHANG Ji1，GUO Jiao1，HU Rong-gui2，QI De-sheng1*

(1.CollegeofAnimalScience,HuazhongAgriculturalUniversity，

2.CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgricultureUniversity，Wuhan，Hubei430070)

Key words：aquaculture；greenhouse gas；influencing factors；mitigation measures