中國(guó)畜禽糞便管理變化對(duì)溫室氣體排放的影響

朱志平，董紅敏，魏 莎，馬金智，薛鵬英

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，畜牧業(yè)也發(fā)展迅速，尤其是畜禽規(guī)模養(yǎng)殖水平增長(zhǎng)迅速，以生豬養(yǎng)殖為例，年出欄頭數(shù)大于50 頭的規(guī)?；壤龔?998 年的23.3%增加到2017 年的75.4%[1]。但由于小農(nóng)戶種植與規(guī)?；B(yǎng)殖脫節(jié)，畜禽規(guī)模養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞便、污水量持續(xù)增加以及不合理的處理利用已成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源。推進(jìn)畜禽糞污資源化利用，是貫徹落實(shí)黨的十九大重要戰(zhàn)略部署，是踐行“綠水青山就是金山銀山”理念的重要舉措，也是破解農(nóng)業(yè)農(nóng)村突出環(huán)境問(wèn)題、實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、建設(shè)生態(tài)文明國(guó)家的戰(zhàn)略選擇[1]。畜牧業(yè)也是農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的重要來(lái)源，Havlík等[2]的研究表明，全球畜牧業(yè)產(chǎn)生的CH4和N2O 占農(nóng)業(yè)非CO2溫室氣體排放量的80%，占全球人為溫室氣體排放總量的12%；畜禽糞污的不當(dāng)處置也會(huì)造成大量的溫室氣體排放，其排放量占農(nóng)業(yè)源排放總量的10%左右[3]。中國(guó)政府提交的《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)》中也明確提出，應(yīng)推進(jìn)農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展，推動(dòng)秸稈綜合利用、農(nóng)林廢棄物資源化利用和畜禽糞便綜合利用。掌握我國(guó)畜禽糞便管理過(guò)程中的溫室氣體排放特征，明確畜禽糞便管理過(guò)程中的溫室氣體排放貢獻(xiàn)，對(duì)控制溫室氣體排放、減緩和適應(yīng)全球氣候變化具有重要作用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)畜禽糞便管理過(guò)程中的溫室氣體排放進(jìn)行了大量研究，基本闡明了畜禽養(yǎng)殖管理與溫室氣體排放之間的關(guān)系[4-9]，但現(xiàn)有研究多基于單點(diǎn)研究和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘分析；并且對(duì)養(yǎng)殖方式和糞便管理方式變化影響的分析不夠深入，在指導(dǎo)中國(guó)測(cè)算畜禽糞便管理中的溫室氣體排放量和采取相應(yīng)的減排對(duì)策方面的研究還存在較大的不確定性。國(guó)務(wù)院先后于2007、2017 年組織開展了第一次、第二次全國(guó)污染源普查。畜禽養(yǎng)殖業(yè)作為主要排放源之一，兩次都被納入普查范圍，通過(guò)普查獲得了大量畜禽養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)和管理的數(shù)據(jù)。為此，本文基于兩次污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)有關(guān)普查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的實(shí)證研究進(jìn)展，綜合分析了我國(guó)畜禽規(guī)模養(yǎng)殖糞便管理方式的變化特征及其對(duì)溫室氣體排放的影響，以期為我國(guó)畜禽糞污資源化利用和溫室氣體協(xié)同減排技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用提供政策建議。

1 中國(guó)畜禽糞便管理中的溫室氣體排放狀況

畜禽糞便中含有大量的有機(jī)物、氮和水，它們是導(dǎo)致畜禽糞便中的CH4和N2O排放的3個(gè)基本要素[6]，其中CH4主要來(lái)自畜禽糞便中有機(jī)物在貯存和處理過(guò)程中厭氧環(huán)境下的產(chǎn)生和排放，而N2O 主要來(lái)自糞便中氮在硝化或反硝化過(guò)程中的產(chǎn)生和排放[10]，這2種溫室氣體排放在畜禽糞便管理過(guò)程中不可避免，但排放量的多少與多種因素有關(guān)。為科學(xué)測(cè)算中國(guó)畜牧業(yè)溫室氣體的排放情況，我國(guó)分別于1994、2005、2010、2012 年和2014 年核算編寫了5 次國(guó)家溫室氣體排放清單并提交聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約秘書處，這5 次清單均包括了畜禽糞便管理過(guò)程中的CH4和N2O 排放（圖1）。從圖1 可以看出，CH4排放呈逐步增加的趨勢(shì)，從1994 年的86.7 萬(wàn)t 增加到2014 年的315.5 萬(wàn)t，排放量增加了2.64 倍；而N2O 排放量則是2005 年最高，達(dá)到26.6 萬(wàn)t，是1994 年排放量的6.05倍，但最近3 次報(bào)告年度（2010、2012 年和2014 年），N2O 排放量均有一定程度降低，維持在23.0 萬(wàn)～25.0萬(wàn)t之間。但畜禽糞便管理溫室氣體排放占農(nóng)業(yè)源排放比例卻呈現(xiàn)了顯著增加的趨勢(shì)，從1994 年的5.3%逐漸增加到2014年的17.7%，表明我國(guó)畜禽糞便已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重要的溫室氣體排放源。基于《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）中動(dòng)物換算關(guān)系，將其他畜禽折算成豬單位，將各清單年份糞便管理溫室氣體排放量除以換算成豬單位的飼養(yǎng)量，計(jì)算得到單位動(dòng)物排放強(qiáng)度，結(jié)果表明：1994 年單位動(dòng)物糞便管理CH4和N2O 排放強(qiáng)度分別為14.4 kg CO2e和10.8 kg CO2e，不同年度的糞便管理溫室氣體排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)；2014 年單位動(dòng)物糞便管理CH4和N2O 排放強(qiáng)度分別為57.5 kg CO2e 和62.7 kg CO2e，是1994年的4.0倍和5.8倍。

圖1 中國(guó)5次畜禽糞便管理溫室氣體排放清單Figure 1 Five greenhouse gas inventories for manure management in China

畜禽糞便管理過(guò)程中的溫室氣體排放不僅與動(dòng)物養(yǎng)殖量變化有關(guān)，還與養(yǎng)殖方式、清糞工藝以及糞便貯存和處理工藝等密切相關(guān)。Aguirre-villegas 等[9]對(duì)美國(guó)奶牛糞便管理過(guò)程中的溫室氣體進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)糞便系統(tǒng)和管理實(shí)踐隨農(nóng)場(chǎng)規(guī)模的不同而存在很大差異，規(guī)?；膛?chǎng)80%的糞便以液體形式貯存和處理，而規(guī)模以下的奶牛戶70%都是固體方式貯存和處理，中國(guó)目前不同規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)處理利用方式也存在類似情形。我國(guó)一直是生豬養(yǎng)殖大國(guó)，年出欄的生豬量占全球總量的50%左右，且近20 年來(lái)生豬存欄量呈現(xiàn)小幅增加趨勢(shì)（圖2），但規(guī)模化比重顯著增加，年出欄500 頭的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)比例從1998年的8%增加到2017年的47%[1]。與生豬養(yǎng)殖量緩慢增加相比，近20 年，我國(guó)奶牛養(yǎng)殖量呈現(xiàn)了快速增加的趨勢(shì)，2017 年的存欄量是1994 年的2.8 倍，同時(shí)規(guī)模化比重也快速增加，存欄100 頭以上的規(guī)?；膛?chǎng)占比從2002 年的不足12%增加到2017 年的51%。從整體上看，單位動(dòng)物糞便管理溫室氣體排放強(qiáng)度逐年增加與規(guī)?；教岣叩内厔?shì)基本一致，說(shuō)明我國(guó)畜禽糞便管理溫室氣體排放量增加主要來(lái)自畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖比例的不斷提高，畜禽糞便從以固體貯存處理為主逐步轉(zhuǎn)向以液體貯存和處理為主。

2 清糞方式變化及其對(duì)溫室氣體排放的影響

我國(guó)畜禽糞便的收集方式主要有干清糞（包括人工干清糞和機(jī)械干清糞）、墊草墊料、高床養(yǎng)殖、水沖清糞和水泡糞等，其中前3 種清糞方式產(chǎn)生的糞污以固體為主，而后2 種清糞方式產(chǎn)生的糞污全部為液體糞污。通過(guò)比較2007年和2017年開展的污染源普查所獲得的全國(guó)主要畜禽的清糞方式占比情況（圖3），發(fā)現(xiàn)2017 年豬規(guī)模場(chǎng)干清糞比例顯著提高，干清糞比例增加了25.7%，用水量和污水產(chǎn)生量大的水沖清糞比例顯著降低，降幅達(dá)到33.8%。2017 年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，豬場(chǎng)采用水泡糞的比例達(dá)到8.1%，雖然水泡糞自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)主要方式，但由于其在畜舍地下的糞坑貯存時(shí)間長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致較高的CH4排放；在北美和西歐某些區(qū)域，盡管奶牛養(yǎng)殖總量在下降，但由于液體糞便管理方式比例的增加，導(dǎo)致糞便管理過(guò)程中溫室氣體排放總量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[11]。近10 年來(lái)，我國(guó)奶牛等畜禽的干清糞占比也得到了一定程度的增加，與2007 年相比，2017 年奶牛等畜禽干清糞方式提高了2.5%～10.7%，同樣可減少畜禽在后續(xù)糞便管理過(guò)程中的溫室氣體排放。與歐美國(guó)家相比，我國(guó)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞便干清糞比例明顯更高，Gerber 等[12]的研究顯示，美國(guó)奶牛場(chǎng)的固體糞便和液體糞便處理占比分別為31%和36%，西歐的比例也分別只有36%和38%，而我國(guó)奶牛場(chǎng)干清糞比例超過(guò)90%，這從源頭上減少了溫室氣體排放。

圖2 1994—2017年中國(guó)生豬和奶牛養(yǎng)殖量及規(guī)模變化情況Figure 2 Changes in the population and scale of pigs and dairy cows in China from 1994 to 2017

圖3 2007年和2017年主要畜禽清糞方式占比情況Figure 3 Percentage of livestock and poultry manure collection methods in 2007 and 2017

畜禽舍清糞方式?jīng)Q定畜禽糞污以何種形式進(jìn)行后續(xù)的貯存和處理，通過(guò)干清糞和固體液體分離改變清糞方式，不僅可以減少污水產(chǎn)生量，而且可以提高糞便收集率，減少了進(jìn)入?yún)捬醐h(huán)境的有機(jī)物總量，從而減少CH4排放[4]。有研究表明，人工干清糞的糞便收集率可達(dá)到60%[13]，但傳統(tǒng)的人工干清糞勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境差，隨著規(guī)?；降牟粩嗵岣?，人工干清糞逐漸被機(jī)械干清糞、水沖清糞和水泡糞等工藝所替代。水沖糞-固液系統(tǒng)因其故障少、效率高、利于舍內(nèi)衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)曾被廣泛應(yīng)用于規(guī)?；膛?chǎng)，但此系統(tǒng)產(chǎn)生的糞渣和糞水在貯存過(guò)程中會(huì)釋放出大量的溫室氣體，加劇全球溫室效應(yīng)。CH4是在厭氧條件下產(chǎn)生的，水泡糞或水沖清糞形成的液態(tài)糞便會(huì)形成厭氧環(huán)境，從而增加CH4的產(chǎn)生量[14]。同時(shí)，水沖清糞和水泡糞的方式，不僅會(huì)增加養(yǎng)殖場(chǎng)用水量，而且會(huì)增加糞污的產(chǎn)生量，使其更加難以處理和利用。干清糞的方式，不僅能夠減少糞污排泄量，節(jié)約用水，而且采用合理的糞便管理方式還會(huì)減少CH4的排放量。在我國(guó)畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中，干清糞、水泡糞、水沖糞3 種清糞方式都在應(yīng)用，近年來(lái)為了減少畜禽養(yǎng)殖過(guò)程污水，高床養(yǎng)殖和發(fā)酵床也在探索和實(shí)踐中，有研究表明，發(fā)酵床養(yǎng)殖的溫室氣體排放較傳統(tǒng)養(yǎng)殖舍內(nèi)溫室氣體排放少26.3%[15]?；诟汕寮S在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，近年國(guó)內(nèi)關(guān)于推進(jìn)畜禽糞污資源化利用的文件規(guī)范也基本主推干清糞工藝在養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用，這不僅可以減少液體糞污產(chǎn)生量，也可有效減少溫室氣體的排放。

3 糞便處理利用方式變化及其對(duì)溫室氣體排放的影響

規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)選擇合理的處理利用方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)畜禽糞污的資源化利用，最大程度地減少環(huán)境污染，同時(shí)也可以有效減少溫室氣體排放。基于2007 年和2017 年2 次污染源普查的規(guī)?；i場(chǎng)固體糞便和污水處理利用方式占比數(shù)據(jù)，本文進(jìn)行了比較分析（圖4），發(fā)現(xiàn)在固體糞便處理利用上，近年還是以簡(jiǎn)單堆漚肥后進(jìn)行還田利用為主，占比達(dá)到一半以上；規(guī)?；i場(chǎng)對(duì)固體糞便進(jìn)行好氧堆肥處理生產(chǎn)商品有機(jī)肥的比例也只有5%左右。但近年出現(xiàn)了一些其他利用方式，如發(fā)酵床處理[16-17]、黑水虻養(yǎng)殖[18]等。在污水處理利用方面，隨著國(guó)家環(huán)保政策越來(lái)越嚴(yán)，污水進(jìn)行處理與資源化利用的比例顯著提高，尤其污水肥水還田和污水厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的比例得到顯著提升，2種利用方式比例之和較2007年增加了50%以上；而污水未利用占比明顯降低，從74%下降到19.3%；但目前還有一定比例的畜禽養(yǎng)殖污水沒(méi)有得到有效處理與利用，對(duì)水體和大氣環(huán)境仍存在一定的污染。

圖4 2007年和2017年生豬規(guī)模養(yǎng)殖糞污處理利用方式占比Figure 4 Percentage of manure treatment and utilization for intensive pig farms in 2007 and 2017

針對(duì)我國(guó)目前畜禽糞便的主要處理利用方式，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓芾硪部梢酝綔p少溫室氣體排放。在固體糞便貯存方面，通過(guò)合理的管理可以有效減少貯存過(guò)程中溫室氣體排放，雷鳴等[19]研究了在豬糞貯存過(guò)程中，添加黃土、秸稈、生物炭和膨潤(rùn)土對(duì)溫室氣體排放的影響，結(jié)果表明，與不添加任何添加物對(duì)照相比，添加10%用量的生物炭和膨潤(rùn)土處理下豬糞的CO2累積排放量分別降低了15.4%和20.9%，N2O 累積排放量分別降低了19.8%和37.6%。對(duì)堆體進(jìn)行壓實(shí)和表層覆蓋也可有效降低固體糞便貯存過(guò)程中的N2O和NH3排放[20-21]，但固體貯存過(guò)程中增加堆體高度[22]，會(huì)增加溫室氣體排放。在好氧堆肥過(guò)程中通過(guò)翻堆和強(qiáng)制通風(fēng)，不僅加快糞肥的發(fā)酵速度，同時(shí)也可減少CH4和N2O 的排放，通過(guò)輔料添加可有效控制溫室氣體排放。研究發(fā)現(xiàn)，豬糞堆肥過(guò)程中的氣體排放CH4損失占初始總碳的4.3%，N2O 損失占初始總氮的0.72%，通過(guò)添加生物炭可以同步降低CH4和N2O 的排放，降低幅度分別達(dá)到19.0%和37.5%[7]。在污水處理方面，好氧達(dá)標(biāo)處理過(guò)程中雖然可以減少CH4排放，但同時(shí)好氧過(guò)程發(fā)生的硝化和反硝化過(guò)程，加速了氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化，研究表明污水好氧處理過(guò)程中，污水中19%的氮轉(zhuǎn)化成N2O 排放[23]；但如果畜禽糞污進(jìn)行厭氧發(fā)酵收集沼氣并進(jìn)行能源化利用，則能有效減少溫室氣體排放[2，4]。合理設(shè)計(jì)畜舍結(jié)構(gòu)、應(yīng)用干清糞工藝、糞便管理采用固液分離，液體部分進(jìn)行厭氧沼氣，固體部分進(jìn)行好氧堆肥，因地制宜地提高糞肥施用頻率、縮短液體糞肥貯存時(shí)間等，是減少溫室氣體排放的最有效手段，可實(shí)現(xiàn)畜禽糞污資源化利用和溫室氣體減排協(xié)同。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文分析了我國(guó)國(guó)家信息通報(bào)中報(bào)告的1994—2014 年畜禽糞便管理溫室氣體排放量變化，結(jié)果表明：我國(guó)畜禽糞便管理溫室氣體排放量占農(nóng)業(yè)源溫室排放總量的比例逐步提高，2014 年占比達(dá)到17.7%；單位動(dòng)物的糞便管理溫室氣體排放強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，2014 年單位動(dòng)物糞便管理CH4和N2O 排放強(qiáng)度分別為57.5 kg CO2e 和62.7 kg CO2e，是1994 年的4.0倍和5.8 倍；規(guī)?；教岣吆宛B(yǎng)殖場(chǎng)糞便管理方式改變是導(dǎo)致糞便管理溫室氣體排放增加的主要原因。

4.2 建議

2017 年6 月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》，提出了畜禽糞污要以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以就地就近用于農(nóng)村能源和農(nóng)用有機(jī)肥為主要使用方向。畜禽糞污進(jìn)行沼氣和有機(jī)肥生產(chǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)畜禽糞污的資源化和升值化利用，同時(shí)也可以最大程度地降低畜禽糞便管理過(guò)程中的溫室氣體排放。但我國(guó)畜禽養(yǎng)殖由于區(qū)域、養(yǎng)殖規(guī)模、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在較大差異，畜禽糞污處理利用方式還比較粗放，應(yīng)加強(qiáng)創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，通過(guò)源頭減量-過(guò)程控制-末端利用的全鏈條技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低碳養(yǎng)殖和畜牧業(yè)綠色發(fā)展。首先，加大對(duì)畜禽干清糞工藝技術(shù)的研發(fā)，重點(diǎn)研發(fā)糞尿自動(dòng)分離的新型畜舍、配套的刮糞設(shè)施、糞便和尿液輸送設(shè)施，最大限度地減少污水產(chǎn)生量，從源頭減少畜禽糞便在畜舍貯存過(guò)程中的溫室氣體排放；其次，開展厭氧發(fā)酵創(chuàng)新工藝研究，提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率，研發(fā)沼氣提純和發(fā)電技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)沼氣的能源化利用；研發(fā)密閉式快速好氧堆肥技術(shù)等，減少堆肥過(guò)程中的溫室氣體排放；最后，根據(jù)中國(guó)不同區(qū)域的農(nóng)田類型，研發(fā)輕簡(jiǎn)化的固體和液體糞肥還田利用設(shè)施，實(shí)現(xiàn)糞肥方便快捷還田，縮短糞肥貯存時(shí)間，進(jìn)一步降低溫室氣體排放；為畜禽糞污減量化、能源化和肥料化利用和溫室氣體協(xié)同控制提供技術(shù)支撐。