基于IPCC排放系数估测主要畜禽甲烷温室气体排放量

郭冬生

(湖南文理学院 生命与环境科学学院，湖南 常德 415000)

1997年《联合国气候变化框架公约》规定了温室气体的种类，其中二氧化碳和甲烷是造成温室效应的主要元凶，温室气体能够吸收太阳紫外线，导致气温升高、冰川融化、暴雨干旱等自然灾害。据联合国政府间气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)报告指出，在1906-2005过去的100年期间，近地球表面温度升高了(0.74±0.18) ℃[1]。

甲烷是仅次于CO2的温室气体，在微量温室气体中甲烷的大气浓度排在首位，工业革命前甲烷大气浓度大约700 ppbV，工业革命后甲烷浓度迅速上升，目前已经达到约1 800 ppbv[1]。甲烷在大气中的浓度虽然比CO2少很多，但其增长率则很快。据IPCC 1996年公报，1750-1990年共240年间CO2增加了30%，而同期甲烷却增加了145%。动物生产也是甲烷的主要来源之一，尤其是反刍动物生产，反刍动物的瘤胃是一个厌氧发酵罐，寄居着大量的瘤胃微生物，瘤胃液中的产甲烷菌主要利用氢、CO2和乙酸等为底物，以CO2-H2还原途径合成甲烷，通过嗳气而排出。研究指出，1头牛每天排出的气体中约有200 L甲烷，瘤胃中产甲烷菌有200多种。全球每年排入大气的甲烷量约为0.4×108～0.6×108t，其中反刍动物的甲烷排放量达到了800×104t，对全球温室效应的贡献达2%[2]。

本论文以《2017年中国农业年鉴》中的主要畜禽出栏数和年末存栏数为统计基数，根据《省级温室气体清单编制指南(试行)》给出的不同畜禽温室气体排放系数，估测2016年全国主要畜禽养殖甲烷温室气体排放量，为甲烷消减提供理论依据和决策参考。

1 材料与方法

1.1 基础数据

2016年全国31个省市猪、牛、羊、家禽的出栏数和年末存栏数之和分别为112005.8万头、15778万头、60806.8万只和1827219.8万羽。2016年四川省出栏生猪和年末存栏生猪共计11601.3万头，排名第一；河南省出栏牛和年末存栏数共计1437.5万头，排名第一；内蒙古出栏羊和年末存栏数共计11477.5万只，排名第一；山东省出栏家禽和年末存栏数共计253347.1万羽，排名第一[3]。

1.2 畜禽甲烷排泄系数

《2017年中国农业年鉴》中对动物饲养方式和牛羊种类未明确分类，动物肠道发酵甲烷排放因子取其平均值，猪1 kg/(n·y)，牛80 kg/(n·y)，羊8.2 kg/(n·y)；牛和羊动物养殖粪便管理中甲烷排放因子分别取不同地区的平均值。

1.3 计算方法

畜禽甲烷温室气体排放量等于动物出栏数和年末存栏数之和乘以甲烷排放因子(动物肠道发酵甲烷排放因子+粪便管理甲烷排放因子)，然后将各种动物的排放量求和得到总排放量[4]。计算公式：

式中：Ck为动物肠道发酵甲烷排放因子,kg/(n·y)；Fk为粪便管理甲烷排放因子,kg/(n·y)；Nk为动物出栏数(104)；Gk为动物年末存栏数(104)；k为 动物种类(猪、牛、羊、家禽)；E为动物甲烷温室气体排放总量(t)。

2 结果与分析

2.1 2016年全国各省市主要畜禽甲烷排放量估测

根据《2017年中国农业年鉴》中31个省市主要畜禽出栏数和年末存栏数、《省级温室气体清单编制指南(试行)》甲烷温室气体排放因子，分别计算不同地区不同畜禽的甲烷排放量。表1为2016年全国31个省市主要畜禽甲烷排放量估测值。

表1 2016年各地区主要畜禽甲烷排放量估测值Table 1 Estimated methane emissions from major livestock and poultry in 2016 t

由于统计年鉴中是以出栏数和年末存栏数作为统计基数，这与动物实际饲养情况会有一定差别，另外甲烷温室气体排放因子与地域、环境、饲料营养和饲养方式等诸多因素有关，因此，甲烷实际排放量与上述估测值可能存在一定差别，准确测定甲烷排放量有相当难度，实际研究中只可能是从理论上尽可能准确预测。

2.2 2016年全国主要畜禽甲烷排放量

由表2可知，2016年全国31个省市猪、牛、羊和家禽甲烷排放量分别为616.6×104t、1335.6×104t、515.5×104t和32.4×104t，所占比例分别为24.7%、53.4%、20.6%和1.3%，其中猪和牛甲烷排放量占到了80%左右。

表2 2016年全国主要畜禽甲烷排放量Table 2 Methane emissions of major livestock in China in 2016

2.3 2016年全国主要畜禽不同甲烷排放途径和百分比

由表3可知，2016年全国31个省市主要畜禽甲烷温室气体排放总量为2 500×104t，其中肠道发酵甲烷排放量(MEIF)为1872.8×104t，粪便管理甲烷排放量(MEMM)为627.2×104t，百分占比分别为74.9%和25.1%。肠道发酵甲烷排放量最多的为牛，粪便管理甲烷排放量最多的为猪。

表3 2016年全国主要畜禽不同甲烷排放途径Table 3 Different methane emission pathways of major livestock in 2016

3 讨 论

畜禽养殖中甲烷的排放导致温室效应和资源浪费，温室效应强度一般用全球变暖潜能值(GWP)衡量，潜能值越高温室效应越强，潜能值显示的是某种温室气体一段时期内的平均强度，IPCC在2006年报告中公布了各种温室气体的GWP值。按照惯例，以二氧化碳的GWP值为1，其余气体与二氧化碳的比值作为该气体GWP值，甲烷的GWP值为72，因此，甲烷相对于二氧化碳的温室效应强很多。畜禽养殖过程中甲烷的排放实际上是饲料未被完全利用的中间产物，对饲料能量而言是一种浪费，研究表明，反刍动物以甲烷形式损失的能量占采食饲料总能的2%～15%[5]，这将导致饲料能量利用效率的低效。因此，消减、调控和利用畜禽养殖中排放的甲烷具有重要的意义[6]。

消减畜禽养殖污染的最直接的方式是退养和限养，近几年来，为了更有效保护生态环境，很多地区启动了畜禽禁养、退养和限养等措施，畜禽养殖数量的减少必然会使畜禽甲烷温室气体排放量减少，这也是实现甲烷减排最直接和最快捷的方式。

调控主要是指通过饲料营养、精粗比和饲养方式等的改变，以达到减少肠道发酵甲烷排放量的目的。研究发现，2016年全国主要畜禽通过肠道发酵甲烷排放量1872.8×104t，其中主要又是通过牛羊肠道发酵甲烷排放，数量达到1760.8×104t，百分比为94%。饲料经过粉碎和制粒后减少在瘤胃内停留时间，瘤胃甲烷合成数量也会降低；粗饲料尤其是低质秸秆类粗饲料经过氨化、青贮和切短处理后也可以减少瘤胃甲烷合成量；莫能菌素等离子载体能够改变瘤胃发酵模式，促进丙酸产生，抑制细菌产生氢和甲酸，从而减少瘤胃甲烷合成量；添加脂肪尤其是过瘤胃脂肪能够有效抑制瘤胃甲烷合成；原虫和产甲烷菌是一种共生关系，瘤胃去原虫是减少瘤胃甲烷合成最有效最直接的方法，反刍动物日粮中添加硫酸锌驱除原虫，可显著降低瘤胃甲烷的产量[7]。

利用主要是指采用畜禽粪便发酵技术对畜禽粪便管理中的甲烷进行合理化利用，发酵产生的沼气主要成分为甲烷，一般含甲烷50%～70%，是可再生二次能源，研究发现，1 m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7 kg无烟煤提供的热量。国家对农村沼气池的建设也给予一定的经济补助，《2013-2017年中国沼气产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据显示，“十一五”以来，中央累计投入农村沼气建设资金212亿元，沼气池数量以平均每年约17%的速度增长发展。从而解决全国集约化养殖场的污染治理问题 ，使粪便得到资源化利用。当然，我国农村沼气的利用也存在许多问题和瓶颈[8]，比如建池技术及材料不过关，存在漏水漏气问题；技术力量薄弱，缺乏专业的后期管理和服务；利用率偏低，废病池比例高；资金投入不足，限制了沼气的可持续发展。针对农村沼气存在的闲置率偏高、产业布局不合理、整体运行不佳等问题[9]，需要国家相关部门进行政策引导和技术支持，结合乡村振兴计划推动农村沼气的转型升级和高质量发展。