规模化奶牛养殖场温室气体排放研究——以山西省某奶牛养殖场为例

刘翌晨郭涑娜朱法江马文林*

（ 1. 北京建筑大学环境与能源工程学院 北京应对气候变化人才培养基地，北京 100261；2. 运城市环境保护研究所，山西运城 044000； 3. 北京畜牧总站，北京 100029）

1 引言

气候变化是当今全球关注的重点环境问题，农业在应对气候变化中发挥着重要的作用， 减缓农业碳排放、 发挥农业碳汇潜力是减缓全球升温的重要举措之一［1］。 随着畜牧业的快速发展，畜牧业温室气体排放在农业活动温室气体排放中占比越来越大，最新评估得出目前全球畜牧业排放的温室气体占人类活动总排放量的18%［2-3］。 其中，来自于奶牛瘤胃的甲烷（ CH4）排放，以及来自于畜禽粪便的CH4与氧化亚氮（ N2O），是重要的农业温室气体排放源［4］。

根据国家统计年鉴数据［5］，我国2009—2013 年奶牛养殖量整体处于下降趋势， 平均每年降幅为2.9%，2013—2018 年趋于稳定，2018 年奶牛养殖数量为8 915.28 万头。虽然养殖数量在减少，但奶牛养殖品种和养殖技术的改善，使每头牛单产水平提高，因而我国每年的牛奶总产量并未下降，2009—2018年基本稳定在3 000 万—3 200 万t/a。

我国奶牛养殖业的另外一个发展趋势是奶牛养殖的规模和集约化程度都显著提高，在国民经济中的地位也明显上升，极大提升了国民的生活水平［6-7］。然而，奶牛养殖业集约化发展也带来了环境压力，大量的粪污未经处理随意堆砌，不但引发臭气、氮污染等环境空气问题，严重影响了附近居民的生活［8］，还增加了向环境排放温室气体的量。

本文基于IPCC《 国家温室气体清单指南》（ 2006）制定的核算方法和我国《 工业企业温室气体排放核算和报告通则》（ GB/T 32150—2015），以我国山西省某奶牛养殖企业为实例， 研究奶牛养殖企业温室气体排放的主要途径，提出减排措施，为奶牛养殖低碳化发展提供借鉴。

2 核算方法

2.1 奶牛养殖场概况

案例奶牛场饲养荷斯坦奶牛，养殖情况见表1。奶牛场针对各种类别牛群制作TMR 配方， 集中投料，自由采食，每日投料2 次（ 早晚各1 次）。 在牛群休息区设置卧床，每日清理维护，自由饮水。 利用养殖区域的有机废弃物作为原料， 经发酵后产生绿色能源沼气，沼液与沼渣作为有机肥使用。养殖污水由尿液池收集后排入沼气池。

表1 奶牛养殖情况

2.2 核算边界

奶牛养殖场边界内生产系统可以分为直接生产系统、 辅助生产系统和直接为生产服务的附属生产系统。其中，直接生产系统是指牛舍、挤奶厅，辅助生产系统包括饲料加工车间、粪污管理、水电供应、检验、机修、库房、运输等，附属生产系统包括奶牛养殖场办公区和场区内为生产服务的部门和单位。 发生在场界内的生活能耗导致的排放原则上不在核算范围内。

2.3 排放源识别

奶牛养殖场的主要温室气体排放源包括奶牛肠道、奶牛粪便管理、化石燃料燃烧、购入电力和沼气回收利用设施等工艺单元和场所。

产生的温室气体包括：奶牛通过口、鼻和直肠等消化道向体外排放CH4气体； 奶牛粪便在养殖场内贮存和处理过程中产生CH4和N2O 并排放到环境中；场界内各种类型的固定或移动燃烧设备（ 如锅炉、灶具、车辆等）燃烧煤炭、燃气、汽油、柴油等化石燃料产生CO2并排放到环境中， 以及消耗电力产生的CO2间接排放。

温室气体减排主要来源于牛粪沼气设施产生的沼气直接回收利用。

2.4 排放量计算方法

2.4.1 总排放量计算

奶牛养殖场温室气体排放总量按以下公式进行计算：

式中，EGHG为奶牛养殖企业温室气体排放总量，t CO2e；EEnte-CH4为奶牛肠道发酵CH4排放量，t CH4；EManu-CH4为奶牛粪便管理产生CH4排放，t CH4；EManu-N2O为奶牛粪便管理产生N2O 排放，t N2O；EFuel-CO2为化石燃料燃烧产生的CO2排放量，t CO2；EElec-CO2为购入电力对应的生产过程产生的CO2排放量，t CO2；REbiogas-reus，CH4为沼气回收利用减少的甲烷排放量，t CH4；GWPCH4，GWPN2O分 别 为CH4和N2O 相 比CO2的全球增温潜势值（ GWP），该数值根据IPCC 评估报告数据进行更新， 本研究中使用第4 次评估报告中的数据值，分别为25 和298。

2.4.2 奶牛肠道发酵CH4排放量

奶牛肠道发酵CH4排放量按照IPCC［9］方法2 计算。 各类别牛群日粮干重及总能量见表2。

表2 各类别牛群日粮干重及总能量

根据犊牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛5种牛的生长周期、体重、饲料等特征参数（ 表1 和表2），计算每种牛群的肠道CH4排放因子，根据年均饲养量与排放因子相乘计算奶牛场奶牛肠道发酵CH4排放总量。

2.4.3 奶牛粪便管理CH4和N2O 排放量

奶牛粪便管理过程CH4和N2O 排放量与粪便管理方式有关。根据调查结果，该牛场采用沼气设施处理粪便，产生的沼气作为绿色能源进行回用、沼液和沼渣作为有机肥施用到农田。

厌氧过程不发生硝化反应， 因此不产生N2O 排放。

利用IPCC［9］方法2 计算奶牛粪便管理过程CH4排放量，关键参数包括规模牛场的日粮特征参数（ 见表2）和粪便管理方式。

2.4.4 奶牛养殖能源消耗CO2排放量

案例奶牛养殖场生产消耗的能源包括电力和化石燃料，按照IPCC［9］方法1 计算能源消耗的CO2排放量。

该奶牛养殖企业地处山西省，归属华北区域电网， 我国华北区域电网2012 年外购电力排放因子为0.884 3 kg CO2/kW·h， 各种化石燃料排放相关CO2排放参数见表3。

表3 化石燃料相关参数值

2.4.5 沼气回用

奶牛养殖企业沼气回收利用的减排量等于回收并输送给第三方利用的沼气体积乘以沼气中CH4气体的体积浓度（ 以60%计算），再乘以沼气中CH4气体的体积浓度（ 以6.7%计算）。

3 结果与分析

3.1 奶牛肠道发酵CH4 排放量

奶牛肠道发酵CH4排放计算分以下三步进行：

第一步， 根据各个牛群每个月的月初存栏量与月末存栏量计算出该牛群的当月平均存栏量， 再计算12个月的平均存栏量作为年平均饲养量，案例奶牛场的犊牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的年均饲养量分别为14.75，38.67，42.71，7.96，21.25 头。

第二步， 根据每种牛每天摄入的总能量计算各种牛的肠道发酵CH4排放因子，结果见表4。

第三步， 用每种牛的年均饲养量乘以肠道CH4排放因子，得出每种奶牛的肠道发酵CH4排放量。

经计算，犊牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的肠道CH4排放量分别为0.32，2.66，5.33，1.04，4.78 t，得出该奶牛场的奶牛肠道发酵CH4排放总量为14.13 t，折合353.30 t CO2e。

表4 各种牛群的肠道CH4 排放因子

3.2 奶牛粪便管理CH4 排放量

采用表2 所示的各种牛群的日粮干重和总能量数据，按照IPCC［9］方法2 计算得出犊牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的粪便VS 值分别为0.66，2.09，3.80，3.99，6.84 kg DM/（ 头·d-1），进一步计算得出各类牛的粪便CH4排放量分别为0.058，0.47，0.95，0.19，0.85 t， 以及该奶牛场粪便管理CH4排放总量为2.52 t，折合63.06 t CO2e。

3.3 能源消耗的排放量

案例奶牛场的能源消耗排放主要包括生产期间化石燃料的燃烧与购入电力的排放， 按照《 工业企业温室气体排放核算和报告通则》（ GB/T 32150—2015）中的方法进行计算。 该奶牛场全年消耗0.3 t柴油，排放0.94 t CO2。 年用电量22.45 MW·h，采用华北区域电网排放因子0.884 3 t CO2/（ MW·h），得到年用电产生的CO2间接排放量为19.85 t。

3.4 沼气回收利用减排量

沼气回收利用的减排量等于回收并输送给第三方利用的沼气体积乘以沼气中CH4气体的体积浓度（ 以60%计算）， 再乘以沼气中CH4气体的体积质量换算系数（ 以6.7%计算）。 奶牛场年回收并输送给第三方利用的沼气体积为2.245 万标m3， 计算得到CH4减排量为25.41 t，折合635.16 t CO2e。

4 结果与讨论

4.1 排放量汇总

各个温室气体排放源产生的排放量见表5。 奶牛场的温室气体总排放量为437.15 t CO2e， 沼气外供产生的减排量为635.16 t CO2e， 因此奶牛场产生的温室气体净排放量为-198.01 t CO2e。

表5 排放量汇总

4.2 不同排放源的比较

将奶牛肠道发酵排放、 粪便管理排放和能源消耗排放分别统计并进行比较，结果如图1 所示。

图1 各排放源温室气体排放量

奶牛肠道CH4排放是奶牛场最主要的温室气体排放源，其次为粪便管理过程，这与李培培、孙亚男等人［10-11］的研究结果相似，由此说明降低奶牛肠道发酵CH4排放是奶牛场减排温室气体的主要途径，在生产过程中针对这一环节进行技术改造有利于养殖场温室气体减排。 孙凯佳［12］的研究表明，改善饲粮结构、使用添加剂、人为调控瘤胃菌群结构和免疫是减少反刍动物胃肠道CH4排放的几种途径。 许斌斌［13］的研究表明，在饲料中添加一定剂量酿酒酵母有利于减少肉牛胃肠道CH4排放。

同时该奶牛场对牛粪进行厌氧消化， 生产沼气自用并外供，形成635.16 t CO2e 的减排量，不仅抵消了奶牛养殖的温室气体排放， 还向外提供大量的沼气，说明粪便的厌氧处理减排效果显著，同时也能缓解养殖场和周边地区的能源压力， 是值得推广的措施，也符合国家推广粪便资源化的号召。

4.3 不同牛群排放量的比较

根据对奶牛肠道发酵CH4排放量和粪便管理CH4排放量的计算结果， 得出每种奶牛的排放量和每类牛群的排放量，见表6。

表6 不同牛和牛群的温室气体排放

根据表6 的数据可看出， 每头牛个体的温室气体排放量从低到高的顺序为犊牛＜育成牛＜青年牛＜干奶牛＜泌乳牛，其排序与牛的体重成正相关，个体大的牛，摄入日粮和排泄粪便的量都大，因而排放温室气体的量也大。

对于不同牛群的温室气体排放量， 从低到高的顺序为犊牛＜干奶牛＜育成牛＜泌乳牛＜青年牛。 青年牛群和泌乳牛群的排放量比其他牛群显著要高，分别占奶牛场总排放量的37.7%和33.8%，主要是青年牛群的存栏量最高，占总存栏量的34.1%；而泌乳牛群尽管存栏量仅是总存栏量的17.0%， 但泌乳牛单头排放量大，使得其牛群排放量显著高于犊牛群、干奶牛群和育成牛群。由于干奶牛数量较少，因此排放量占比较少，而犊牛和育成牛由于摄入的饲料较少，因此排放量占比较少。

5 结论

通过对奶牛场温室气体排放量核算， 得出以下3 项结论：

（ 1）该养殖场温室气体总排放量437.15 t CO2e，沼气外供产生减排量635.16 t CO2e，因此该养殖场产生的温室气体净排放量为-198.01 t CO2e。

（ 2）在各排放源中，奶牛肠道CH4排放是最主要的排放源，其次为粪便管理过程，同时牛粪沼气工程减排效果明显。

（ 3）奶牛场不同牛个体，温室气体排放量与其个体体重成正相关； 青年牛群和泌乳牛群的温室气体排放量较高，显著高于其他牛群的排放。