四川奶牛溫室氣體CH4排放估算方法建立與應用

2019-03-28 03:10:12丁俊仁方東輝焦浩鵬閻天海陳天寶

四川農業科技 2019年2期

付敏，李琰，丁俊仁，李瑤，方東輝，焦浩鵬，閻天海，陳天寶*

(1.四川省畜牧科學研究院/動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川成都 610066；2. 新希望生態牧業有限公司，四川成都 610023；3. 英國農業食品和生物科學研究院，英國Co. Down BT26 6DR)

科學研究表明溫室氣體會導致全球氣候變暖,而氣候變暖對自然生態系統和人類生存環境產生的嚴峻影響，已成為當今人類社會亟待解決的重大難題。隨著畜牧業的快速發展，畜牧業溫室氣體排放在農業活動溫室氣體排放中占比越來越大，研究認為全球畜牧業排放的溫室氣體占人類活動總排放量的18%[1-2]。在養殖生產過程中，科學準確的測定溫室氣體排放因子是監測畜牧業溫室氣體排放量，制定長遠可行的畜牧業溫室氣體減排策略和低碳發展戰略的基礎。但目前，全省乃至全國都采用的是IPCC第二次評估報告值或《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》(國家發改委氣候司，2011年5月)給出的推薦值來預測溫室氣體排放量。由于各地區畜禽養殖種類、生產水平、畜禽糞便管理方式及氣候條件等迥異，其預測結果的準確性和針對性較差。因此，迫切需要建立科學準確的溫室氣體排放監測技術，精準預測畜禽溫室氣體排放因子，為畜牧業可持續發展規劃布局提供科學依據。

畜牧業溫室氣體主要來源于畜禽生產活動中產生的CO2、CH4、N2O等氣體。豬、牛、羊等大牲畜是溫室氣體的主要來源。研究表明，反芻動物牛羊生產活動中 CH4總產量約占全球動物和人類 CH4釋放總量的95%，而 CH4全球變暖潛值是 CO2的 21 倍[2]。反芻動物生產中CH4有大約89%來源于腸道發酵，其余來自糞便等排泄物厭氧發酵[3]，而且CH4不易被生物直接利用，進而在空氣中可停留9～15年[3]，對全球溫室效應影響極大。因此科學測定畜禽CH4年排放量至關重要。國際上通常將每頭牛每天攝入總能與排出的CH4能之間的比值系數稱為CH4排放因子，也表明牛攝入能量與排除CH4之間存在著顯著的相關性。目前，溫室氣體CH4排放量的測算主要有3種方法，第1種方法TR1是根據IPCC推薦的參數與該地區動物數量直接乘算，該種方法簡單，易操作，但是該參數針對性差，各地區牛的品種和飼養管理水平差異大，因此通過該參數計算的結果誤差大；第2種方法TR2是根據動物的體重、年齡階段、生長性能情況利用NRC或者AFRC營養需要標準計算出CH4能排放，預測CH4排放量[4]，NRC或者AFRC參數是基于美國和英國的特定生產條件下動物正常生長的最低營養需要量。而在實際生產中，因品種、飼養管理不一致，我國養殖場營養供給普遍高于NRC或者AFRC推薦量，因此通過第2種方法估算結果可能低于實際排放量；第3種方法TR3是通過動物呼吸代謝試驗，精確測定牛/羊CH4排放量、采食量、生產性能、養分消化率、能量消化率等，并通過大量精確測定數據建立數學模型，預測CH4排放與采食量、生理階段、體重等的相關性系數，進而計算CH4排放量。這種方法最準確，更具有實際意義，但是試驗成本高，時間較長[5]。

因此，本試驗與英國農業食品與生物科學研究院合作研究，通過對方試驗條件和技術的支持，還有20年的生產實踐數據的支撐，以荷斯坦牛為試驗對象，摸索建立了一套科學預測CH4排放量的數學模型，并將該成果應用于我省奶牛溫室氣體CH4排放量計算。

1 研究方法

1.1 代謝試驗測定荷斯坦牛各生理期CH4排放值

選擇20頭健康斷奶荷斯坦小奶牛，公母各半，飼喂常規日糧(青貯料+精料補充料)，在商業農場開展飼養試驗，記錄日采食量、周體重變化，在第6月(185d)，第12月(368d)，第18月(548d)，第22月(674d)進行為期4d的呼吸代謝試驗，測定日采食量、日增重、干物質攝入量、總能攝入量、有機物攝入量、CH4排放量。

選擇18頭泌乳牛開展了9個呼吸代謝試驗，測定日采食量、日增重、干物質攝入量、總能攝入量、有機物攝入量、CH4排放量。

1.2 科學建模，建立荷斯坦牛CH4預測模型

通過試驗數據前期分析，性別對CH4排放量無影響。因此，將所有試驗數據進行統計分析，通過數據模擬分析，建立CH4與體重、采食量、能量攝入等因素的回歸關系，建立CH4排放模型預測。計算出1頭奶牛出生到淘汰全程總CH4排放量。

1.3 調查獲取

2005～2016年四川省奶牛生產數據，獲得全省近年來奶牛CH4排放量及變化趨勢。

2 研究結果

2.1 荷斯坦牛各生長階段CH4排放量

由表1所示，荷斯坦奶牛在6月、12月、18月、22月齡CH4排放量分別為96.4g/d、160g/d、167g/d、184g/d；每千克代謝體重CH4排放量分別為2.01、2.14、1.62、1.59；攝入每千克干物質CH4排放量分別為23.8g/kg、24.3g/kg、24.6g/kg、22.8g/kg。泌乳奶牛在第1到第9個產奶周期CH4排放量平均為325.09g/d。

表1 奶牛、公牛不同階段CH4排泄量

2.2 荷斯坦小牛CH4排放預測模型

采食量與CH4排放量之間存在顯著的正相關關系：y=22.1x+9.6，R2=0.91,SE=12.1。

攝入總能與CH4排放量之間存在顯著的正相關關系：CH4-E(MJ day-1)=0.057GEintake(MJ day-1)+1.092，R2=0.90,SE=0.68。

體重與CH4排放量之間存在顯著的對數關系：y=6.14e0.0049x，R2=0.95。

CH4排放量與各階段體重之間有著顯著相關性，關系如下：

CH4(0-1)=0.078 BW12+10.6，R2=0.84；

CH4(0-1)=0.061 BW6+ 0.040 BW12+12.1，R2=0.95；

CH4(1-2)=0.039BW12+0.058 BW22+18.8，R2=0.75；

CH4(1-2)=0.018 BW12+0.044 BW18+0.035 BW22+17.1，R2=0.90；

CH4(0-2)=0.141 BW6+0.059 BW22+42.0 R2=0.75；

CH4(0-2)=0.043 BW6+0.072 BW12+0.041 BW18+0.033 BW22+30.0，R2=0.93。

攝入總能與荷斯坦泌乳奶牛CH4排放之間存在顯著的正相關關系：CH4-E=0.0547 GEI+13.2340，R2=0.846。

2.3 荷斯坦牛CH4排放量計算

由表2可見，在第1年和第2年每頭荷斯坦奶牛和荷斯坦公牛出生到6月齡CH4排放量分別為13.2Kg、12.1Kg，7到12月齡CH4排放量分別為23.4Kg和23.Kg，13～1月齡CH4排放量分別為29.9Kg、30.6Kg，19～24月齡CH4排放量分別為33.8Kg、34.2Kg。調查結果顯示，四川奶牛中荷斯坦奶牛占比為95%，平均1頭奶牛產奶6個周期淘汰。因此，全程CH4排放量為812.05kg，平均到每年為101.51kg。