基于IPCC2006法的縣域尺度農業源CH4排放量估算
——以湖北省天門市為例

沈體忠

(湖北省天門市農業環境保護站,湖北 天門 431700)

李春輝

(湖北省天門市耕地質量保護與肥料管理局,湖北 天門 431700)

吳海兵，江敏

(湖北省天門市農業科學院,湖北 天門 431700)

氣候變化是當今國際社會普遍關注的全球性問題,也是人類面臨的最為嚴峻的全球環境問題。氣候變化的主要原因是由于人類活動向大氣中排放過量的CO2、CH4和N2O等溫室氣體而引起的[1]。CH4是大氣中排放僅次于CO2的第2大溫室氣體,它對全球溫室效應的貢獻率為18%,以100a影響尺度計,單位質量CH4的增溫潛勢(Global Warming Potential,GWP)是CO2的25倍[2]。其大氣中CH4的全球平均濃度已從18世紀的約1.21mg/m3增加到目前的約2.26mg/m3,遠遠高于CO2濃度的增幅,且仍保持增長的態勢[3]。

根據受人類活動影響程度的大小,可將CH4排放源分為天然源(包括濕地、海洋、白蟻、甲烷水合物等)和人為源(包括稻田、動物以及化石燃料的生產、運輸和使用，生物質燃燒、垃圾填埋與污水處理等)[3,4]。中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報[5]顯示,1994年我國CH4排放總量為34287Gg(1Gg=109g)，其中50.15%來自農業源,27.33%和22.52%分別來自能源活動與廢棄物處置。在農業源排放中,動物腸道發酵占59.21%,水稻種植占35.75%,動物糞便管理系統占5.04%。由全球3000多名專家完成的政府間氣候變化專業委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第4次評估報告[6]表明,農業生產是溫室氣體的主要排放源,據估計,全球范圍內農業排放的CH4占人類活動排放總量的50%,如果不實施額外的農業政策，預計到2030年農業源CH4排放量將比2005年增加60%。因此,農業生產作為CH4重要的排放源,對全球氣候變化的影響不容忽視。

本研究基于相關農業活動水平數據,采用IPCC2006推薦的計算方法,對湖北省天門市2008～2014年縣域尺度農業源CH4排放量進行估算,旨在為研究區建立農業溫室氣體減排技術體系和管理措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天門市地處112°35′～113°28′E、 30°23′～30°54′N,位于江漢平原北部、漢江下游左岸,屬北亞熱帶季風氣候,具有氣候溫和、四季分明、熱量豐富、雨水充沛、光照充足且雨熱同季的特點。常年平均氣溫16.4℃,無霜期249.6d,年均日照時數1872.4h,年均降雨量1113.3mm。該研究區是一個農業大市,種植業和畜牧業發達,20世紀80年代以來就是我國優質棉、商品糧、商品豬的重要生產基地；在21世紀初我國優勢農產品區域布局中,又被列入長江流域水稻、棉花優勢區和長江中游“雙低”油菜優勢區以及我國中部生豬優勢區。研究區水稻生產以中稻為主,早晚稻連作為輔；而畜牧業生產則以飼養生豬、蛋雞、蛋鴨和役用牛為主。

1.2 數據來源

研究區2008～2014年耕地面積、農作物播種面積、農作物產量、畜禽飼養量和農作物機收面積等農業活動水平數據來源于《天門統計年鑒》與《天門農機化統計年報》。

1.3 研究方法

依據IPCC2006農業、林業和其他土地利用[7]中提供的農業CH4排放源目錄清單以及推薦的計算方法,對天門市水稻種植、畜禽養殖和秸稈露天焚燒3種CH4排放源的CH4排放量進行估算。

1.3.1 水稻種植CH4排放量的估算

稻田CH4主要是由CO2/H2及乙酸(CH3COO-)等底物在極端厭氧條件下被產甲烷菌利用還原所成[8],并主要通過水稻作物的傳輸作用釋放到大氣中[7]。水稻種植年度CH4排放量的計算公式[7]為：

(1)

式中:CH4(水稻)為水稻種植中的年度CH4排放量,t CH4/a；EFi,j,k為在i、j和k條件下稻田CH4的日排放因子,kg CH4/(hm2·d)；ti,j,k在i,j和k條件下水稻的種植期,d；Ai,j,k為在i,j和k條件下水稻的年收獲面積,hm2/a；i、j和k分別代表不同的生態系統、水分狀況和有機添加量,以及其他可以引起水稻CH4排放變化的條件。

稻田CH4日排放因子是一個重要的計算參數,一般會隨著稻田灌溉管理、有機添加物類型和數量、土壤條件與稻谷品種等因素的不同而發生變化。本研究采用式(2)[7]來調整稻田CH4日排放因子。

EFi=EFc×SFw×SFp×SFo×SFs,r

(2)

式中:EFi為特定收獲面積調整后的CH4日排放因子,kg CH4/(hm2·d)；EFc為水稻種植前180d內不灌水的田地以及種植期內無有機添加物的連續性灌水稻田的基準排放因子,IPCC缺省值為1.30kg CH4/(hm2·d)[7]；SFw為種植期不同水分狀況的換算系數；SFp為種植期季前不同水分狀況的換算系數；SFo為有機添加物類型和數量變化的換算系數；SFs,r為土壤類型、水稻品種等的換算系數。由于土壤類型、水稻品種無法獲得換算系數,故本研究不予考慮。

1)稻田水分狀況CH4排放換算系數的選擇 研究區在水稻種植期內,均采用間歇性灌水-單次落干(曬田)的灌溉方式；而水稻在種植期前，一般早、晚稻季前180d內不灌水,中稻則超過180d不灌水。IPCC給出的稻田不同水分狀況的CH4排放換算系數列于表1[7]。

表1 稻田不同水分狀況的CH4排放換算系數

2)秸稈還田CH4排放換算系數的調整 施入稻田土壤的有機添加物會增加CH4的排放，對CH4排放的影響主要取決于所施有機物的類型和數量[7]。由于研究區缺乏稻田施用外生源有機物人畜糞便、堆肥和內生源有機物綠肥等的數據,故本研究僅對內生源有機物秸稈還田進行研究。秸稈還田CH4換算系數的調整公式為：

SFo=(1+ROA×CFOA)0.59

(3)

式中:SFo為稻田秸稈還田的換算系數；ROA為稻田秸稈還田的干質量t·hm-2；CFOA為秸稈還田轉換為CH4的系數。

3)秸稈還田CH4轉換系數的選擇 在秸稈還田CH4轉換系數的選擇上,鑒于研究區稻田耕作制度為一年兩熟制,一般在前茬小麥或油菜機收秸稈還田后栽植中稻,早稻機收秸稈還田后栽植晚稻,故CFOA取IPCC缺省值1[7]；而早稻的前茬為上年晚稻機收秸稈還田后的冬閑田,其CFOA則取IPCC缺省值0.29[7]。

1.3.2 畜禽養殖CH4排放量的估算

在畜禽養殖過程中,動物腸道發酵CH4排放是食草動物消化道發酵的必然副產物,而畜禽糞便在儲存和管理過程中,厭氧條件下糞便的降解也會產生CH4。畜禽養殖年度CH4排放量的計算公式為：

(4)

式中:CH4(畜禽)為畜禽養殖中的年度CH4排放量,t CH4/a；i為某種畜禽；n為畜禽的種類數；j為某種CH4排放途徑；m為CH4排放的途徑數；EFij為第i種畜禽的第j種排放途徑CH4排放的排放因子,kg CH4/[頭(只)·a]；Ni為第i種畜禽的年飼養量,頭(只)/a。各種畜禽腸道發酵和糞便管理系統的CH4排放因子[9]列示于表2。

表2 不同畜禽種類的CH4排放因子[9]

注：禽類腸道發酵CH4排放量極微,本研究不考慮其CH4排放量。

需要指出的是,由于本研究以畜禽的飼養周期來確定各類畜禽的年飼養量,即飼養周期在1a及以上的畜禽將其年末存欄量視為該畜禽當年的飼養量；而飼養周期不足1a的畜禽將各自的出欄量計為當年的飼養量。鑒于生豬、兔、鵝的飼養周期不足1a,在計算CH4排放量時,為提高其精度,必須將它們的年飼養量進行調整。調整公式見式(5)[7]。

(5)

式中:AAP為調整后的畜禽年飼養量,頭(只)/a；Days_alive為調整前的年飼養量,頭(只)/a；NAPA為畜禽的平均飼養周期,d。

1.3.3 秸稈露天焚燒CH4排放量的估算

作物秸稈在露天焚燒過程中,CH4是從有機物的不完全燃燒中釋放出來的[7]。秸稈露天焚燒年度CH4排放量的計算公式為：

(6)

式中:CH4(秸稈)為作物秸稈露天焚燒中的年度CH4排放量,t CH4/a；k為某種作物秸稈；l為作物秸稈的種類數；Ak為第k種作物秸稈露天焚燒面積,hm2/a；Mk為第k種作物秸稈單位面積可以燃燒的燃料質量,t/hm2；Ck為第k種作物秸稈的燃燒因子,本研究取IPCC的缺省值稻草0.80、麥秸0.90、玉米秸0.80[7],由于IPCC沒有給出油菜秸的燃燒因子,本研究取0.95；Gk為第k種作物秸稈露天焚燒CH4排放的排放因子,本研究不分秸稈種類,統一按IPCC的缺省值2.70g CH4/kg[7]進行估算。

2 結果與分析

2.1 水稻種植CH4排放

2.1.1 不同稻作類型稻田CH4排放因子

2008～2014年天門市早、中、晚稻CH4排放因子的計算結果如表3所示。由表3可知,不同稻作類型的CH4日排放因子晚稻>早稻>中稻；相應地,排放通量也是晚稻>早稻>中稻。其中晚稻的CH4日排放因子和排放通量分別是早稻與中稻的1.86倍和2.52倍,而早稻則是中稻的1.35倍。這主要是由不同稻作類型不同的水分管理、不同的秸稈還田量以及秸稈不同的CH4轉換系數所致。而水稻CH4季節排放因子是水稻日排放因子與水稻本田期之乘積。結果表明，早稻與中稻的季節排放因子基本持平,而晚稻的季節排放因子則是早、中稻的1.98倍和2.00倍。如以耕作制度計,早稻—晚稻連作單位耕地面積季節排放因子之和為312.2 t CH4/(km2·a),是小麥(油菜)—中稻季節排放因子的3.01倍。有鑒于此,在保障糧食安全的前提下,雙季稻產區實行小麥—中稻與早稻—晚稻進行輪作,對減少稻田CH4排放量是一個不錯的選擇。

表3 2008～2014年天門市不同稻作類型稻田CH4排放因子

2.1.2 稻田CH4排放動態特征

2008～2014年天門市稻田CH4排放量的計算結果如圖1所示。由圖1可知,天門市稻田CH4排放量呈連年增加的變化趨勢,由2008年的6092.16t CH4逐年增加到2014年的8692.92t CH4,增幅高達42.69%,年均水稻種植CH4排放量為7351.42t CH4/a。

圖1 天門市水稻種植CH4排放量的動態變化

2.1.3不同稻作類型對水稻種植CH4排放的貢獻

從不同稻作類型稻田CH4排放量來看(圖1),明顯表現為中稻>晚稻>早稻。7年來,早、中、晚稻年均CH4排放量分別為1188.11、3668.65、2594.66 t CH4/a。其中中稻年均CH4排放量是早稻的3.00倍、晚稻的1.38倍,而晚稻是早稻的2.18倍。它們對水稻種植CH4排放的平均貢獻率早稻為16.16%、中稻為48.54%、晚稻為35.30%。這表明,中稻是水稻種植中CH4排放的最大貢獻者。而統計數據顯示,2008～2014年7a間,早稻播種面積占水稻復種總面積的19.50%、中稻占59.07%、晚稻占21.43%。這說明,中稻在日排放因子、排放通量和季節排放因子均不占優勢的條件下,憑借面積的優勢而成為水稻種植中CH4排放的最大貢獻者。

2.2 畜禽養殖CH4排放

2.2.1 畜禽養殖CH4排放動態特征

2008～2014年天門市畜禽養殖CH4排放量的計算結果如圖2所示。由圖2可知,天門市畜禽養殖CH4排放量呈波動上升的變化趨勢,由2008年的5579.44t CH4波動上升到2014年的6725.08t CH4,增幅20.53%,年均畜禽養殖CH4排放量為5843.19t CH4/a。

2.2.2 不同排放途徑對畜禽養殖CH4排放的貢獻

動物腸道發酵與糞便管理系統是畜禽養殖中的2大CH4排放途徑。在這2大排放途徑中,2008～2014年動物腸道發酵每年排放的CH4量均大于糞便管理系統(圖2)。7a間動物腸道發酵年均CH4排放量為3794.44t CH4/a,是糞便管理系統年均CH4排放量2048.75 t CH4/a的1.85倍。它們對畜禽養殖CH4排放的貢獻范圍動物腸道發酵為63.31～67.47%,糞便管理系統則為32.53%～36.6%,其平均貢獻率分別為64.94%和35.06%?？梢?在天門市現有畜禽養殖結構條件下,動物腸道發酵是畜禽養殖中CH4排放的主要途徑。

圖2 天門市畜禽養殖CH4排放量的動態變化

2.2.3 不同畜禽種類對畜禽養殖CH4排放的貢獻

2008～2014年天門市不同畜禽種類對畜禽養殖CH4排放的貢獻如表4所示。由表4可知,不同畜禽種類對動物腸道發酵CH4排放的貢獻為牛>生豬>羊>兔,糞便管理系為生豬>牛>禽類>羊>兔,而整個畜禽養殖則為牛>生豬>禽類>羊>兔。其中,牛對腸道發酵的貢獻率以及生豬對糞便管理系統的貢獻率分別為85.57%和83.93%,2者對畜禽養殖CH4排放的貢獻率高達95.08%。由此可見,牛和生豬是天門市畜禽養殖中的2大CH4排放貢獻者,只要抓好牛和生豬的各項農業減排措施,對減少畜禽養殖CH4的排放量就會起到事半功倍的效果。

表4 2008～2014年天門市不同畜禽種類對畜禽養殖CH4排放量的貢獻率

2.3 秸稈露天焚燒CH4排放

2008～2014年天門市農作物秸稈露天焚燒CH4排放量的計算結果如圖3所示。由圖3可知,7年來秸稈露天焚燒所排放的CH4呈明顯波動增加的變化趨勢,由2008年的632.19t CH4波動增加2014年的992.46t CH4,增幅56.99%,年均CH4排放量為876.09t CH4/a。與水稻種植、畜禽養殖相比,秸稈露天焚燒CH4排放量雖小,但由于秸稈露天焚燒具有很強的季節性,屬于高通量排放,易在短時間內造成嚴重的大氣環境污染問題。

圖3 天門市秸稈露天焚燒CH4排放量的動態變化

2.4 農業源CH4排放

2.4.1 農業源CH4排放與排放強度動態特征

2008～2014年天門市農業源(包括水稻種植、畜禽養殖、秸稈露天焚燒)CH4排放量與排放強度的計算結果如圖4所示。由圖4可知,天門市農業源CH4排放量與CH4排放強度總體上隨年份的遞進而逐年增加。其中CH4排放量由2008年的12303.79t CH4逐年增加到2014年的16410.46t CH4,增幅33.38%,年均農業源CH4排放量為14070.70t CH4/a。相應地, CH4排放強度由2008年的4.69t CH4/km2逐年增加到2014年的6.26t CH4/km2,增幅33.48%,年均CH4排放強度為5.37t CH4/(km2·a)。

圖4 天門市農業源CH4排放量與排入強度的動態變化

2.4.2 不同排放源對農業源CH4排放的貢獻

2008～2014年天門市不同CH4排放源對農業源CH4排放的貢獻如圖5所示。由圖5可知,水稻種植對農業源CH4排放的貢獻最大,占農業源CH4排放總量的49.52%～53.95%；畜禽養殖次之,占39.58%～45.34%(腸道發酵占25.50%～29.51%、糞便管理系統占13.33%～15.83%)；而秸稈露天焚燒貢獻最小,僅占5.14%～7.07%。其平均貢獻率水稻種植為52.24%、畜禽養殖為41.53%、秸稈露天焚燒為6.23%,水稻種植和畜禽養殖2者的貢獻率高達93.77%。這表明,水稻種植與畜禽養殖是天門市農業源CH4排放的主要貢獻者。生產上應以水稻種植和畜禽養殖為抓手,大力實施農業溫室氣體減排技術,減少農業源CH4排放對大氣環境的影響。

圖5 不同排放源對農業源CH4排放的貢獻率

3 討論與結論

3.1 討論

由于本研究按照國家尺度的計算方法估算縣域尺度農業源CH4排放量,可能會帶來估算結果的不確定性。同時,本研究農業源CH4排放量是采用IPCC排放因子法計算得來,但所選用的CH4排放因子不是國家尺度的平均值就是全球尺度的缺省值,而本研究采用這些排放因子來估算縣域尺度的農業源CH4排放量,也可能會帶來其結果的不確定性。

1)水稻種植CH4排放的影響因素 水稻種植是農業源CH4排放中不確定性較大的一類排放源。稻田CH4的排放機制十分復雜,它主要受土壤類型、灌溉管理、肥料管理和水稻品種等諸多因素的影響。研究表明,稻田間隙灌溉與長期淹灌相比,早、晚稻田可分別降低64.0%～74.2%和30.5%～35.4%的CH4排放量[10,11]。水稻施用控釋肥與施用尿素相比,早、晚稻田可分別降低47.6%和30.5%～49.6%的CH4排放量[10]。水稻重氮處理(早稻尿素200kg/hm2、晚稻112kg/hm2)的比少氮處理(早稻尿素133kg/hm2、晚稻90kg/hm2)的早、晚稻田CH4排放量分別增加63.5%和152.9%；有機肥處理(豬糞13330kg/hm2)的又分別比重氮處理的早稻田增加71.8%、晚稻田增加10.4%的CH4排放量[10,11]。而施用沼渣肥比施用有機肥(豬糞、紫云英、稻草)的CH4排放量則可減少54.8%～55.8%[12]。另外,由于水稻根系對CH4的氧化能力和植株對CH4排放能力差異很大,不同品種在相同土壤和栽培條件下,CH4排放強度有很大差異,最大相差一倍多[13]。一般情況下,稻田CH4排放和水稻的生物總量成反比關系[1]；與水稻植物高度呈正相關關系[13]；與水稻產量呈極顯著負相關關系[10]。中國科學院多年研究表明,雜交水稻比普通水稻的CH4排放率約低5%～37%[12]。但本研究在計算水稻CH4日排放因子時,只計算了稻田水分管理和有機添加物中的秸稈還田,其他有機添加物由于數據缺乏沒有計算,加之土壤類型和水稻品種以及稻田化肥施用等因無法獲得換算系數,也沒有進行計算,故導致CH4日排放因子的不確定性,更帶來了水稻種植CH4排放量的不確定性。

2)畜禽養殖CH4排放的影響因素 畜禽養殖也是農業源CH4排放中不確定性較大的一類排放源。動物腸道發酵CH4排放主要受動物種類、品種、體重、生長發育階段、飼料管理方式、生產水平、飼料消化率及采食水平等因素的影響[14]。一般動物體重越大,單個動物CH4排放量越大。而飼料采食量越大,飼料的消化率和生產力越低,單位畜產品的CH4排放量也越大[1]。本研究畜禽飼養量來源于《天門市統計年鑒》,但該統計年鑒只統計了畜禽當年的出欄量和年末存欄量,沒有對畜禽生長發育階段、體重、采食水平等進行分類統計。而研究區同一畜禽品種之間的個體差異、采食量的差異,規模化養殖與分散養殖的飼料差異等，都會帶來CH4排放因子的差異。同時,動物腸道發酵CH4的排放因子來源于IPCC(2006),IPCC指出該排放因子存在不確性,不確定幅度大約在正負30%～50%[9]。可見,CH4排放因子的不確定性,便會帶來動物腸道發酵CH4排放量的不確定性。

從畜禽糞便管理系統看,畜禽糞便在厭氧儲存和處理過程中均產生和排放CH[1]4,CH4排放通量主要取決于糞便CH4產生潛力、糞便處理方式和氣候條件[15]。CH4產生潛力包括糞便日排泄量、糞便中易揮發性固體(VS)的含量以及糞便的生物降解能力,這些因子與畜禽種類、飼養水平有關[16]。一般畜禽采食飼料的能量和消化率越高,糞便CH4產生潛力越大,如豬糞的CH4產生潛力大于牛糞。而貯存液體糞便大于固體糞便的CH4排放率,高溫環境大于低溫環境的CH4排放率[1]。特別是隨著集約化養殖業的發展,糞便管理方式更有利于CH4的產生和排放[7]。從研究區看,除同一畜禽品種規模化養殖與分散養殖采食飼料的能量不同外,糞便儲存和處理過程也各異,有的厭氧發酵、有的排入儲糞池、有的露天堆放、有的直接排入周邊水體等,其CH4排放因子也會各異。但本研究估算畜禽糞便管理系統所采用的CH4排放因子也是來源于IPCC(2006)公布的發展中國家年均氣溫在15～25℃條件下畜禽排泄物所產生的CH4量,加之這些排放因子也存在不確定性波動,范圍為±30%[9],這些都會帶來本研究畜禽糞便管理系統CH4排放量的不確定性。

3)秸稈露天焚燒CH4排放的影響因素 秸稈露天焚燒更是農業源CH4排放中不確定性較大的一類排放源。秸稈露天焚燒過程一般可分為高溫分解和可揮發性有機物釋放、火焰燃燒和冒煙燃燒3個階段。其中第1階段并不排放CH4,而后2個階段產生CH4的速度也有所不同,在冒煙燃燒時,CH4的釋放速率比火焰燃燒時高得多。因此,后2個階段持續時間的相對長短對于確定CH4的釋放量很重要[4]。而這2個階段持續的時間與秸稈種類、秸稈含水率和燃燒溫度以及環境風速、溫度等自然環境狀況有關[4,17]。本研究在估算稻草、麥秸、玉米秸和油菜秸露天焚燒CH4排放量時,均采用全球尺度的缺省值,但劉麗華等[18]研究表明,不同秸稈種類的CH4排放因子差異較大,如稻草為2.19g CH4/kg,油菜秸為3.40g CH4/kg，油菜秸的CH4排放因子是稻草的1.55倍?？梢?采用全球尺度的缺省值進行估算,必將帶來CH4排放量的不確定性。同時,即使是同一秸稈種類,收獲時作物成熟度不同,其秸稈含水率也不相同；而收獲期不同,如水稻中的早、中、晚稻,玉米中的夏、秋玉米,秸稈焚燒時環境氣溫也不相同等,均可造成CH4排放量的不確定性。

綜上所述,由于本研究農業源CH4排放因子的不確定性,帶來農業源CH4排放量的不確定性。因此,除開展農田溫室氣體排放測定外,還應按照IPCC提供的方法計算動物腸道發酵及畜禽糞便管理系統的溫室氣體排放因子,為農業源CH4排放估算提供準確的排放因子,實現排放因子區域化,這將對建立區域農業減排技術體系、發展低碳農業具有重要的意義。

3.2 結論

1)2008～2014年天門市農業源CH4排放量總體上呈現出隨年份的遞進而逐年增加,增幅為33.38%。

2)不同稻作類型對水稻種植CH4排放的貢獻為中稻>晚稻>早稻,中稻憑借面積的優勢成為天門市水稻種植中CH4排放的最大貢獻者。

3)不同排放途徑對畜禽養殖CH4排放的貢獻為動物腸道發酵>糞便管理系統,動物腸道發酵是天門市畜禽養殖中CH4排放的主要途徑；而不同畜禽種類對畜禽養殖CH4排放的貢獻為牛>生豬>禽類>羊>兔,牛和生豬是天門市畜禽養殖中CH4排放的主要貢獻者。

4)不同排放源對農業源CH4排放的貢獻為水稻種植(52.24%)>畜禽養殖(41.53%)>秸稈露天焚燒(6.23%),水稻種植和畜禽養殖是天門市農業源CH4排放的主要貢獻者。