基于IPCC方法的新疆畜禽温室气体排放时空分析

韦良焕，林 宁，张胜楠，莫治新

(喀什大学 化学与环境科学学院，新疆生物类固废资源化工程技术研究中心，新疆 喀什 844006)

畜禽温室气体排放主要包括畜禽养殖过程中肠道发酵甲烷排放、畜禽粪便管理过程中甲烷和氧化亚氮排放。联合国粮农组织(FAO)统计数据显示，全球每年畜禽养殖排放的温室气体约占全球温室气体排放的18%，其中反刍动物中牛的排放量最高[1]。目前国内已有很多学者对畜禽温室气体排放进行了大量研究，一方面针对畜禽温室气体排放及减排技术、研究进展等进行的总结[2-4]；另一方面是采用不同的研究方法和模型对畜禽温室气体时空特征的变化进行核算、预测和分析。姚成胜[5]、陈苏[6]、陈瑶[7]、郭娇[8]从不同角度分别对中国畜牧业、畜禽养殖温室气体排放的变化、影响因素、排放效率以及峰值进行了研究和预测；黑龙江[9]、湖北[10-11]、江苏[12]、四大牧区[13]、[20]、北京[14]、沈阳[15]、呼和浩特[16]等区域畜禽温室气体排放特征及减排研究，为区域畜牧业的低碳及绿色发展提供了理论支撑。新疆是我国四大牧区之一，生态环境脆弱，气候干燥、植被稀少，对全球气候变化的响应较为敏感[17]。随着新疆畜牧业的快速发展，大量畜禽粪便的不合理利用将会造成严重的环境污染和生态环境问题，对新疆的生态环境和气候变化造成很大的压力。本文在此基础上，对新疆1980～2016年期间畜禽养殖过程中温室气体排放的时空特征进行分析和研究，以期为其畜牧业温室气体减排和农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

新疆属温带大陆性干旱气候，温差大，光照足，降水量少，作为我国畜牧业五大产区之一，新疆草地资源和畜种资源都十分丰富[18]。目前，新疆有 87 个县(市)，其中，牧业县 22 个,半农半牧县 16 个,农业县 49 个；从事牧业人口有 135.71 万人，占乡村总人口的 12.6%；现有牧场 130 个；新疆天然草地面积 8.6 亿亩，占全国草地总面积的 14.6%，仅次于西藏和内蒙古自治区[19]。为新疆发展现代化畜牧业提供了物质基础。但是新疆畜牧业生产结构不合理，规模化养殖程度不高，大比例、小规模的分散饲养大多都是传统的养殖模式，生产设施不到位，管理粗放，畜禽养殖环境差等都成为新疆畜牧业现代化发展的制约因素[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽肠道甲烷及粪便管理甲烷排放 畜禽肠道发酵及粪便管理甲烷排放计算公式为：

Eae=∑(EFae·i×APi×10-3)

(1)

式中：Eae为肠道发酵或粪便管理温室气体( 以CH4计) 排放量(104t·a-1) ；EFae.i为i类牲畜的排放因子( 以 CH4计) ( kg/头/a) ，如表1所示，其中奶牛、非奶牛、绵羊及山羊的排放因子取自规模化饲养、农户散养以及放牧饲养的平均值；APi为 i 类牲畜的头数(104只) ，研究对象包括牛、马、驴、骡、猪、羊以及骆驼。

1.2.2 畜禽粪便管理氧化亚氮排放 畜禽粪便管理氧化亚氮排放计算公式为：

Eem=∑(EFi×APi×10-3)

(2)

式中：Eem为粪便管理温室气体( 以N2O计) 排放量(104t·a-1) ；EFi为i类牲畜的排放因子( 以 N2O计) (kg/头/a)，如表1所示；APi为 i 类牲畜的头数(104只) ，研究对象包括牛、马、驴、骡、猪、羊以及骆驼。

表1 畜禽甲烷和氧化亚氮排放因子Fig. 1 Emission factors of CH4 and N2O for livestock

2 结果与分析

2.1 数据来源

新疆畜禽数量通过查阅《中国统计年鉴》和《新疆统计年鉴》获得，计算中涉及的排放因子均来自《省级温室气体清单编制指南》，由于牛的数量并未分奶牛还是非奶牛，本文采用奶牛和非奶牛的平均值进行计算。另外，为了计算新疆畜禽温室气体排放总量以及对不同温室气体的来源进行比较，根据增温潜势，将CH4和N2O转化为CO2当量，分别乘以转化系数25和298。

2.2 新疆畜禽养殖数量年变化

从1980～2016年新疆畜禽养殖数量来看(图1)，新疆畜禽养殖主要以羊、牛为主，这主要是因为新疆作为我国的第二大少数民族牧区，其畜牧业主要以羊、牛的养殖为主。羊的数量从1980年的1927.34×104只增加到2006年的4359.5×104只，2007年开始有所回落，之后2011年又开始缓慢上升，到2016年羊的养殖数量为3915.7×104只，增幅为107.31%，年均增长2.05%。新疆羊的养殖主要包括绵羊和山羊，其中以绵羊为主，占羊的总数的81.53%～86.96%。其次是牛，牛的数量变化趋势与羊的变化趋势几乎相同，从1980年的222.39×104头持续增加到2005年的504.16×104头，2006年开始下降，之后从2011年又开始逐年增加至2016年的408.2×104头，增幅为78.47%，年均增长1.62%。然后是猪，猪的养殖数量从1978年到1985年略有下降，从1990年开始养殖数量变化趋势与羊、牛的相似。最后是驴、马、骆驼和骡，其数量变化趋势都比较平稳，没有大幅度的增加或减少。

2.3 新疆畜禽温室气体排放时间变化

2.3.1 新疆畜禽温室气体排放及构成 从新疆畜禽温室气体排放总量来看(图2)，新疆畜禽温室气体总的变化趋势与畜禽数量的变化趋势基本一致，呈现波动升高，可以分为三个阶段：第一阶段是1980～2005年直线增长阶段，从1980年的1224.01×104tCO2-eq增加到2005年的2380.39×104tCO2-eq，达到高峰，增幅为94.48%，年均增长2.70%；第二阶段是2006～2011年温室气体降低阶段，从2006年的2377.81×104tCO2-eq降低到2011年的1597.60×104tCO2-eq，降幅为32.81%；第三阶段又开始上升，从2012年的1849.13×104tCO2-eq上升到2016年的2032.80×104tCO2-eq，增幅为66.08%，年均增长1.42%。

图1畜禽养殖数量变化
Fig. 1 The change of livestock population

图2畜禽温室气体排放量变化
Fig. 2 The change of GHGs emission from livestock

从新疆畜禽温室气体排放的构成来看(图2)，畜禽甲烷排放量占总排放量的88%，其中畜禽肠道发酵甲烷排放是新疆畜禽温室气体的主要贡献者，占温室气体排放总量的84%；其次为畜禽粪便管理氧化亚氮，占温室气体排放总量的12%；畜禽粪便管理甲烷所占的比例最小，只有4%。

2.3.2 新疆畜禽肠道发酵甲烷排放量变化 从图3可以看出，新疆畜禽肠道发酵甲烷排放量从1980年41.25×104t增加到2005年80.30×104t达到高峰之后，开始下降到2011年的53.89×104t，之后又开始上升至2016年的68.39×104t，变化趋势和新疆畜禽数量变化以及温室气体排放总量变化趋势一致，从1980～2016年增幅为65.78%，年均增长为1.41%。其中以反刍动物牛和羊肠道发酵甲烷排放最多，且逐年增长，从1980年的20.08×104t和17.40×104t分别增加到2016年32.70×104t和32.39×104t，增幅分别为62.86%和86.23%，尤其是山羊的增幅比例，达到98.46%。其次是马和驴，但其肠道发酵甲烷排放呈现下降趋势，分别从1980年的1.92×104t和1.09×104t下降到2016年的1.60×104t和0.55×104t，马占总肠道发酵甲烷排放量从4.66%下降到2.34%，驴从2.64%下降到0.79%；最后依次是骆驼、猪和骡。骆驼和猪的甲烷排放量从1980～2016年缓慢增加，而骡呈现下降趋势。以2016年为例，它们肠道发酵甲烷排放量分别为0.84×104t、0.29×104t和0.008×104t，分别占到总量的1.22%、0.43%和0.01%。

2.3.3 新疆畜禽粪便管理甲烷排放量变化 新疆畜禽粪便管理甲烷排放量从1980年的1.95×104t波动增加到2016年3.38×104t，增幅为73.44%，年均增长1.54%。从图4可以看出，畜禽粪便管理甲烷排放中仍然以牛和羊为主，1980～2016年牛的粪便管理甲烷排放的百分比从50%波动下降到46.98%，羊的从33.69%波动上升到36.38%；其次是猪和马，1980年这两类畜禽粪便管理甲烷排放的百分比分别为5.98%和5.96%，之后马的粪便管理甲烷排放的百分比不断降低至2016年的2.86%，而猪的粪便管理甲烷排放百分比波动上升至2016年的12.11%；最后依次是驴、骆驼和骡，2016年粪便管理甲烷排放百分比分别为0.96%、0.69%和0.01%。

图3畜禽肠道甲烷排放量变化
Fig. 3 The change of CH4emission from enteric fermentation

2.3.4 新疆畜禽粪便管理氧化亚氮排放 新疆畜禽粪便管理N2O排放量从1980年的0.48×104t波动增加到2016年0.80×104t(图5)，增幅为65.73%，年均增长1.41%。从图5可以看出，牛和羊的粪便管理N2O为主要贡献者。牛的粪便管理N2O排放从1980年的0.24×104t增加到2016年0.41×104t，增幅为62.86%，年均增长为1.36%，占氧化亚氮排放量的50%～55%；羊的粪便管理N2O排放从1980年0.16×104t增加到2016年0.29×104t，增幅为85.98%，年均增长1.74%，占N2O排放量的32%～37%。其次是马、驴、猪、骆驼和骡。马、驴和骡的N2O排放量逐年下降，而猪和骆驼逐年上升，到2016年猪粪便管理的N2O排放量为0.06×104t，而马下降到0.03×104t，驴下降到0.01×104t，骆驼为0.006×104t。由于骡的氧化亚氮排放量占总的排放量的百分比非常小，2016年仅占氧化亚氮排放量的0.02%，未列出。

2.4 新疆畜禽温室气体排放空间变化

从表2中可以看出，温室气体排放量最多的依次是伊犁州直属县(市)、喀什地区、塔城地区、阿克苏地区、昌吉回族自治州、阿勒泰地区和和田地区；其次是巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒苏柯尔克孜自治州、博尔塔拉蒙古自治州、哈密地区、乌鲁木齐市和吐鲁番市；最少的是克拉玛依市。研究结果表明新疆畜禽温室气体排放区域差异性很大。在各区域温室气体排放的构成中肠道发酵甲烷的排放仍然是各地、州畜禽温室气体排放的主要贡献者，其次是粪便管理氧化亚氮的排放，最后是粪便管理甲烷排放；以伊犁州直属县(市)为例，畜禽肠道发酵甲烷排放占畜禽温室气体排放总量83.69%，粪便管理氧化亚氮排放占12.24%，粪便管理甲烷排放仅占4.07%。

表2 2015年新疆畜禽温室气体排放空间变化Tab 2 The spatial change of GHGs emissions from livestock and poultry in Xinjiang in 2015 104tCO2-eq

3 讨 论

本文利用IPCC提供的方法估算了新疆畜禽温室气体的排放。一方面畜禽养殖过程中不同的饲养方式、年龄、体重以及不同的饲料喂养等使其肠道甲烷的排放因子均是不同的，即使是同一物种不同种类甲烷和氧化亚氮的排放因子也是不一样的，而本文在计算的过程中均取了平均值；另一方面由于畜禽粪便不同的管理方式、不同的特性以及气候条件都会影响其甲烷和氧化亚氮的排放，本文在这方面没有进行详细的分类，这些在一定程度上都会导致计算结果产生一定误差和不确定性。

畜牧业作为新疆的传统产业，是新疆农业重要的组成部分，也是农牧民的主要经济收入来源之一。近几年，随着西部大开发的稳步推进及“一带一路”战略的顺利实施，给新疆畜牧业发展也带来前所未有的机遇，同时畜牧业在迅速发展的过程中给全球气候变暖带来的影响也绝对不可忽视。新疆维吾尔自治区一方面通过科学的、规模化的养殖方式来提高畜禽养殖效率[13]；另一方面也要对产生的大量畜禽粪便进行资源化和无害化处理，这样不仅可以减轻温室气体的排放，而且还可以实现畜禽粪便资源化利用，实现新疆畜牧业的可持续发展。

本文从时间尺度和空间尺度两方面对新疆畜禽温室气体排放进行了研究。结果表明，在时间尺度上新疆畜禽温室气体排放总量呈现波动增长的趋势，与畜禽数量变化趋势一致；同时在畜禽温室气体排放构成中以畜禽肠道甲烷的排放为主，其次是畜禽粪便管理氧化亚氮的排放，最后是畜禽粪便管理甲烷的排放。在空间尺度上新疆14个地(州、市)畜禽温室气体的排放以伊犁州直属县(市)畜禽温室气体排放量最多，克拉玛依市最少，且两者相差较大，说明新疆畜禽温室气体排放的空间差异较大。