王成己,李艳春,刘岑薇,王义祥,黄毅斌
(福建省农业科学院农业生态研究所/农业部福州农业环境科学观测实验站,福州350013)
基于IPCC方法的福建省农业活动甲烷排放量估算
王成己,李艳春,刘岑薇,王义祥,黄毅斌
(福建省农业科学院农业生态研究所/农业部福州农业环境科学观测实验站,福州350013)
稻田和畜禽养殖是农业领域甲烷的重要排放源,估算省级农业活动甲烷的排放量,并分析其排放特征,对提出符合福建省农业发展的减排措施有重要意义。本研究基于福建省农业活动水平数据,采用IPCC方法,以2005年为基准年,估算了2005年和2010年福建省农业活动甲烷排放量。结果表明:2005年和2010年福建省农业活动甲烷排放量分别为39.75万t和32.74万t,2010年比2005年减少17.64%。与2005年相比,2010年稻田甲烷排放减少17.37%,动物肠道发酵甲烷排放减少31.59%,动物粪便管理甲烷排放增加1.11%。与2005年相比,2010年稻田面积减少及动物规模化养殖程度提高是农业活动甲烷排放减少的主要原因。稻田甲烷排放受水稻品种、土壤条件、水分状况、施肥管理以及气候条件等因素影响,可从上述途径减少稻田甲烷排放。控制和减少畜禽养殖甲烷排放的关键是优化畜牧业结构,提高规模化养殖水平,改良畜禽品种、改进动物饲养和畜禽排泄物处理技术,提高畜产品产出量,进而减少温室气体排放。研究结果可为决策者制定福建省农业活动甲烷排放控制政策、降低农业活动甲烷排放量提供基础资料。
农业活动;甲烷排放;IPCC方法;不确定性分析;福建省
近年来,以气候变暖为主要特征的全球气候变化对自然生态环境和人类生存环境产生了诸多不利影响,控制和减少温室气体排放成为全球共识。中国政府积极应对全球气候变化,于2007年颁布了《中国应对气候变化国家方案》,从国家层面部署了减缓和适应气候变化的政策和技术方案,并承诺到2020年中国单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%[1]。
IPCC第四次评估报告显示,全球农业排放的非CO2温室气体占人为排放的非CO2温室气体总量的14%,其中N2O占84%,CH4占47%[2]。研究表明,大气中CO2、CH4和N2O对全球变暖的贡献率分别为60%、15%和5%[3],大气中每年有5%~20%的CO2来源于土壤[4],农业土壤排放的N2O约占人类活动N2O总排放量的52%[5],稻田排放的CH4占全球人为CH4总排放量的12%~16%[6],农业生产对温室气体总排放的贡献率大约是20%[7]。1994年发布的国家温室气体清单中农业活动排放N2O占92%、CH4占50%[8]。因此,农业是非CO2温室气体的主要排放源,准确合理地核算农业非CO2温室气体的排放量,可以为科学合理地制定农业减排措施提供科学依据[9]。
当前,精确评估温室气体排放量成为国家及国际组织之间开展碳减排和碳交易谈判的重要前提[10]。温室气体的估算方法有生命周期评价法(LCA法)、基于大尺度的环境投入产出法(EIO法)、二者综合的投入产出—生命周期评价法(Hybrid model)、IPCC方法及碳足迹计算器等。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[11]发行后,IPCC方法迅速得到推广应用,国外学者[12-18]、国内学者[19-21]相继开展了IPCC方法学及国家或省级尺度温室气体排放的研究,并对IPCC第四次评估报告中不确定性的处理方法[22]以及省级清单编制中不确定性的计算方法进行了有益探索[23-24]。国家发展改革委的《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25]出台后,引起了各级政府及学术界的广泛关注。马翠梅等[26]、张晓梅等[27]、胡永成等[28]相继开展了省级温室气体清单编制方法学研究,南方的江苏省[29]、重庆市[30]、深圳市[31]、福建省[32]、安徽省[33]、海南省[34],北方的内蒙古[35]、宁夏[36]、陕西省[37]等相继开展了省(区、市)尺度上的温室气体排放核算工作,为国家尺度温室气体清单编制积累了经验。本研究采用IPCC和省级指南方法,以2005年为基准年,估算2005年和2010年福建省农业活动甲烷排放量,以期为福建省温室气体减排提供一定的决策参考。
1.1 农业活动甲烷排放源界定
1.1.1 稻田甲烷排放 稻田甲烷排放源指单季稻(中稻和一季晚稻)、双季早稻、双季晚稻,而且仅考虑水稻生长季甲烷排放[25]。
1.1.2 动物肠道发酵甲烷排放 动物肠道发酵甲烷排放源包括奶牛、非奶牛、水牛、山羊及猪[25]。福建省不考虑绵羊、马、驴、骡和骆驼。非反刍动物鸡、鸭因体重小忽略其肠道发酵排放的甲烷。
1.1.3 动物粪便管理甲烷排放 动物粪便管理甲烷排放源包括奶牛、非奶牛、水牛、山羊、猪、家禽等粪便管理-生产、处理过程中产生的甲烷[25]。福建省不考虑绵羊、马、驴、骡和骆驼的排放。粪便指家禽排泄的粪便和尿液。
1.2 排放量估算方法
1.2.1 稻田甲烷排放 按照《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25],稻田甲烷排放量根据公式(1)计算。
式中,ECH4为稻田甲烷排放总量(t);EFi为分类型稻田甲烷排放因子(kg/hm2);ADi为对应于该排放因子的水稻播种面积(×103hm2);i表示稻田类型,分别指单季水稻、双季早稻和双季晚稻。
1.2.2 动物肠道发酵甲烷排放 按照《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25],某种动物的肠道甲烷排放量等于动物存栏数乘以排放因子,采用公式(2)计算,然后将各种动物的排放量求和得到总排放量,采用公式(3)计算。
式中,ECH4,enteric,i为第i种动物甲烷排放量(万t CH4/ a);EFCH4,enteric,i为第i种动物的甲烷排放因子[kg/(头·a)];APi为第i种动物的数量(头(只))。
式中,ECH4为动物肠道甲烷总排放量(万t CH4/a);ECH4,enteric,i为第i种动物甲烷排放量(万t CH4/a)。
1.2.3 动物粪便管理甲烷排放 按照《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25],特定动物粪便管理甲烷排放量等于动物的存栏数乘以甲烷排放因子,采用公式(4)计算,然后将各种动物的排放量求和得到总排放量,采用公式(5)计算。
式中,ECH4,manure,i为第i种动物粪便管理甲烷排放量(万t CH4/a);EFCH4,manure,i为第i种动物粪便管理甲烷排放因子[kg/(头·a)];APi为第i种动物的数量(头(只))。
式中,ECH4为动物粪便管理甲烷总排放量(万t CH4/a);ECH4,manure,i为第i种动物甲烷排放量(万t CH4/a)。
1.3 活动水平数据确定
1.3.1 稻田甲烷排放活动水平数据 根据《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25],稻田甲烷排放计算所需活动水平数据为单季稻、双季早稻和双季晚稻的播种面积,来源于《福建经济与社会统计年鉴2006(农村篇)》[38]和《福建农村统计年鉴2011》[39]。所需活动水平数据仅指不同水稻(一级分类)的播种面积数据,根据《中国温室气体清单研究》[40]的计算方法确定水稻播种面积。
1.3.2 动物肠道发酵甲烷排放活动水平数据 根据《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25],动物肠道发酵甲烷排放所需各种动物年末存栏数来源于《福建经济与社会统计年鉴2006(农村篇)》[38]和《福建农村统计年鉴2011》[39]。因福建省既不属于放牧区也不属于半放牧区,因此计算动物肠道发酵甲烷排放活动水平时,只考虑规模化饲养和农户散养,不考虑放牧饲养量。
根据《中国畜牧业年鉴2006》[41]、《中国畜牧业年鉴2011》[42]、《中国农村统计年鉴2006》[43]、《中国农村统计年鉴2011》[44]统计方法,并结合福建省畜牧业发展的实际情况,本研究中规模化饲养的标准如下:奶牛≥20头,非奶牛≥10头,山羊≥30只,猪≥50头。畜禽规模化饲养与农户散养的比例依据《中国畜牧业年鉴2006》[41]和《中国畜牧业年鉴2011》[42]中福建省畜牧业相关数据计算获得。
1.3.3 动物粪便管理甲烷排放活动水平数据 动物粪便管理甲烷排放所需畜禽饲养量(年末存栏数)数据来源于《福建经济与社会统计年鉴2006(农村篇)》[38]和《福建农村统计年鉴2011》[39]。不同动物氮排泄氮量参考《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25](见表1)。
表1 不同动物氮排泄量 kg/(头·a)
1.4 排放因子确定
1.4.1 稻田甲烷排放因子 因福建省没有当地测定的稻田甲烷排放因子,因此稻田甲烷排放因子采用《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25]推荐的排放因子。单季稻取值215.5 kg/hm2(变化区间158.2~255.9 kg/hm2),双季早稻取值211.4kg/hm2(变化区间153.1~259.0kg/hm2),双季晚稻取值 224.0 kg/hm2(变化区间 143.4~261.3 kg/hm2)。
1.4.2 动物肠道发酵甲烷排放因子 福建省没有当地测定的动物肠道发酵甲烷排放因子,因此采用《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25]推荐的排放因子(见表2)。
表2 动物肠道发酵甲烷排放推荐排放因子 kg/(头·a)
1.4.3 动物粪便管理甲烷排放因子 动物粪便管理甲烷排放因子参考《省级温室气体清单编制指南(试行)》[25],采用符合福建实际情况的排放因子,见表3。
表3 动物粪便管理甲烷排放推荐排放因子 kg/(头·a)
1.5 统计分析
数据处理用Microsoft Excel 2003进行,采用T检验进行差异显著性检验(P<0.05及P<0.01)。
2.1 稻田甲烷排放
稻田甲烷排放量结果见图1。2005年福建省稻田甲烷排放量为22.40万t,其中双季早稻、双季晚稻和单季稻排放量分别为6.34万t(占28.30%)、6.72万t(占29.99%)和9.34万t(占41.71%)。从地区分布看,甲烷排放量大小排序为:南平市(18.90%)>龙岩市(16.73%)>三明市(15.72%)>泉州市(11.36%)>福州市(10.84%)>漳州市(10.73%)>宁德市(10.54%)>莆田市(4.42%)>厦门市(0.77%)。2010年福建省稻田甲烷排放量为18.51万t,其中双季早稻、双季晚稻和单季稻排放量分别为4.13万t(占22.30%)、4.37万t(占23.63%)和10.01万t(占54.07%)。从地区分布看,甲烷排放量大小排序为:南平市(22.04%)>三明市(17.20%)>龙岩市(17.00%)>泉州市(10.97%)>宁德市(10.37%)>漳州市(9.90%)>福州市(8.09%)>莆田市(3.93%)>厦门市(0.51%)。
2.2 动物肠道发酵甲烷排放
福建省主要动物肠道发酵甲烷排放量结果见表4。2005年甲烷排放量为10.13万t,其中规模化饲养动物排放3.14万t(占31.01%),农户散养动物排放6.99万t(占68.99%);从动物种类看,奶牛、非奶牛、山羊及猪的甲烷排放比例分别为6.09%、68.98%、12.32%及12.61%,非奶牛甲烷排放比例最大。2010年甲烷排放量为6.93万t,其中规模化饲养动物排放2.75万t(占39.63%),农户散养动物排放4.18万t(占60.37%);从动物种类看,奶牛、非奶牛、山羊及猪的甲烷排放比例分别为6.43%、60.22%、14.04%及19.31%,非奶牛甲烷排放比例最大。
2.3 动物粪便管理甲烷排放
福建省主要动物粪便管理甲烷排放量见表5。2005年甲烷排放量为7.22万t,从动物种类看,排放量大小顺序为:猪(占89.89%)>非奶牛(占5.56%)>家禽(占3.21%)>奶牛(占0.80%)>山羊(占0.53%);从区域分布看,龙岩市甲烷排放量最大(占23.41%),厦门市最小(占4.34%)。2010年甲烷排放量为7.30万t,从动物种类看,排放量大小顺序为:猪(占93.15%)>非奶牛(占2.95%)>家禽(占2.91%)>奶牛(占0.57%)>山羊(占0.41%)。从区域分布看,龙岩市甲烷排放量最大(占24.71%),厦门市最小(占2.79%)。
图1 福建省稻田甲烷排放量地区分布
表4 福建省动物肠道发酵甲烷排放量 t
2.4 福建省农业活动甲烷排放量
综合以上数据,得出2005年和2010年福建省农业活动甲烷排放总量(见表6)。2005年福建省农业活动甲烷排放总量为39.75万t,其中稻田排放22.40万t(占56.35%),动物肠道发酵排放10.13万t(占25.48%),粪便管理排放7.22万t(占18.17%)。2010年福建省农业活动甲烷排放总量为32.74万t,其中稻田排放18.51万t(占56.54%),动物肠道发酵排放6.93万t(占21.17%),粪便管理排放7.30万t(占22.30%)。
采用《IPCC第二次评估报告》提供的全球变暖潜势值数据计算,2005年和2010年福建省农业活动排放甲烷分别相当于834.75万t和687.54万t二氧化碳当量。
2.5 甲烷排放量不确定性分析
不确定性分析是温室气体清单的重要组成部分,也是判断清单编制质量的依据。农业活动甲烷排放量的不确定性来源于多方面,受多种因素影响[2,45],本研究中只考虑活动水平及排放因子的不确定性。
2.5.1 甲烷排放量不确定性计算方法[25]
(1)活动水平的不确定性主要源于农业统计部门对稻田面积、畜禽存栏数统计产生的误差,其不确定性以±5%进行估算。
(2)稻田甲烷排放因子的不确定性按照表7进行计算。
表7 稻田甲烷排放因子的不确定性估算
(3)依据《IPCC国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》的要求,动物肠道发酵甲烷排放因子的不确定性以±50%进行估算。
(4)当某一估计值为n个估计值之积时,该估计值的不确定性采用公式(6)计算。
式中:Uc表示n个估计值之积的不确定性(%);Us1…Usn表示n个相乘的估计值的不确定性(%)。
(5)当某一估计值为n个估计值之和或差时,该估计值的不确定性采用误差传递公式(7)计算。
式中:μs1…μsn表示n个相加减的估计值。
2.5.2 甲烷排放量不确定性计算结果 根据公式(6)和公式(7)计算得到:
(1)2005年和2010年福建省单季稻、双季早稻和双季晚稻甲烷排放量计算结果的不确定性分别均为23.21%、25.54%和26.79%;2005年和2010年福建省稻田甲烷排放总量计算结果的不确定性分别为14.51%和15.17%。
(2)2005年和2010年福建省奶牛、非奶牛、山羊和猪的肠道发酵甲烷排放量计算结果的不确定性分别均为50.25%;2005年和2010年福建省动物肠道发酵甲烷排放总量的不确定性分别为26.74%和32.11%。
(3)2005年和2010年福建省奶牛、非奶牛、山羊、猪和家禽的粪便管理甲烷排放量计算结果的不确定性分别均为50.25%;2005年和2010年福建省主要动物粪便管理甲烷排放总量计算结果的不确定性分别为45.25%和46.86%。
(4)2005年和2010年福建省农业活动甲烷排放总量计算结果的总体不确定性分别为13.45%和15.13%。
3.1 福建省2005年和2010年农业活动甲烷排放变化
本研究表明:2005年和2010年福建省农业活动甲烷排放总量分别为39.75万t和32.74万t,2010年比2005年减少17.64%。和2005年相比,2010年稻田甲烷排放减少17.37%,动物肠道发酵甲烷排放减少31.59%,动物粪便管理甲烷排放增加1.11%。其主要原因为:(1)稻田面积的减少,2010年福建省稻田面积比2005年减少17.27%,其中双季早稻和晚稻各减少约34.89%,单季稻增加约7.11%;稻田甲烷排放还受栽培及施肥等因素影响。(2)动物规模化养殖程度提高,福建省主要动物的总体平均规模化养殖比例由2005年的59.39%提高到2010年的76.34%。
3.2 甲烷排放估算结果的不确定性分析
本研究中甲烷排放估算结果的精确度取决于活动水平和排放因子等参数的准确度,具体体现在:(1)农业基础资料和田间实测数据的完整性和准确性;(2)水稻品种、土壤条件、天气条件、灌溉和施肥管理等因素对稻田甲烷排放因子的影响[46-47];(3)反刍动物种类、生长发育阶段、饲养方式、饲料种类、饲料消化率及采食水平等因素对动物肠道发酵甲烷排放因子的影响;(4)粪便处理方式和气候条件对动物粪便管理甲烷排放因子的影响[48]。虽然本研究对福建省农业活动水平数据进行了系统收集及全面分析,但影响活动水平及排放因子的因素众多,因此估算结果仍存在较大的不确定性。
3.3 减少稻田甲烷排放的途径和方法
稻田甲烷排放受水稻品种、土壤条件、水分状况、施肥管理以及气候条件等因素影响[46-47]。黄耀[49]研究表明,不同品种水稻甲烷排放量差异达1.5~3.5倍,因此生产中应选择甲烷排量少、产量高的水稻新品种。傅志强等[50]研究证实超级稻甲烷排放量低于常规稻和杂交稻,杂交稻甲烷排放量低于常规稻。研究表明,少(免)耕措施可降低稻田甲烷排放[51-53]。旱育秧苗、人工插秧、强化栽培等措施有效降低了稻田甲烷排放[54-56]。水稻耕作管理中可适当减少稻田土壤的耕作强度,以减少甲烷排放。优化灌溉措施可改变稻田水分状况,降低稻田甲烷排放[57]。研究表明,稻田水分管理方式是决定整个稻田轮作周期内甲烷排放变化的主要因素[58]。调整肥料施用时间,如少水期施用农家肥或利用稻秆替代有机肥,既可以抑制甲烷排放,又能避免土壤营养元素流失[59]。
3.4 减少动物甲烷排放的途径和方法
影响动物甲烷排放的因素主要包括影响肠道甲烷和粪便甲烷排放的日粮类型、环境温度等一系列因素[60-62]。李艳春等[63]研究认为,控制和减少畜禽养殖甲烷排放的关键是优化畜牧业结构,提高规模化养殖水平,改良畜禽品种,改进动物饲养和畜禽排泄物处理技术,提升畜产品产出量,进而减少温室气体排放。
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Methane Emission Estimation of Fujian Agricultural Activities Based on IPCC Method
Wang Chengji,Li Yanchun,Liu Cenwei,Wang Yixiang,Huang Yibin
(Institute of Agricultural Ecology,Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fuzhou Scientific Observing and
Experimental Station of Agro-Environment,Ministry of Agriculture,Fuzhou 350013,Fujian,China)
Paddy fields and livestock are the important sources of atmospheric methane(CH4).Based on agricultural data of Fujian,according to the methodology guidelines of IPCC,the CH4emission from agricultural activities of Fujian was estimated and analyzed in 2005 and 2010,and the study could put forward suitable measures for mitigating CH4emission.The results showed that:CH4emission from agricultural activities in Fujian in 2005 and 2010 was 397500 t and 327400 t,respectively,17.64%less in 2010 than in 2005;compared with 2005,CH4emission in 2010 from paddy fields and animal intestinal fermentation decreased by 17.37%and 31.59%,respectively,while CH4emission from manure management increased by 1.11%;the decrease of paddy field area and increase of animal scale cultivation degree was the main cause of CH4emission reduction;CH4emission in paddy fields was influenced by variety,soil,water,fertilizer and climate factors,and CH4emission could be reduced from these aspects;the measures for mitigating CH4emission from livestock should be focused on the optimizating animal husbandry structure,promoting large-scale livestock raising,improving raising technologies and poultry waste treatment facilities,and improving livestock product output.The results will provide a scientific basis for policy makers to mitigate CH4emission from agricultural activities of Fujian.
Agricultural Activities;CH4Emission;IPCC Method;Uncertainty Analysis;Fujian
S181
A论文编号:cjas16090021
福建省公益类科研院所专项“福建省规模化养猪场碳足迹及清洁生产技术对策研究”(2015R1017-7);福建省发展改革委项目“2012年、2014年福建省农业温室气体清单编制”(闽发改区域[2016]166号)、“2005年、2010年福建省农业温室气体清单编制”(闽发改区域[2012]341号);福建省自然科学基金项目“烟秆生物质炭对烟田土壤的改良效应及调控机制研究”(2016J01179)。
王成己,男,1972年出生,甘肃民勤人,副研究员,博士,研究方向为土壤碳循环与气候变化。通信地址:350003福建省福州市五四路247号福建省农科院高新技术大楼906室,Tel:0591-83838023,E-mail:ecowcj@163.com。
黄毅斌,男,1964年出生,福建惠安人,研究员,博士,研究方向为农业生态。通信地址:350003福建省福州市五四路247号福建省农科院高新技术大楼917室,Tel:0591-83838001,E-mail:ecohyb@163.com。
2016-10-14,
2016-11-21。