規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)溫室氣體排放研究
——以山西省某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)為例

劉翌晨郭涑娜朱法江馬文林*

（ 1. 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京應(yīng)對(duì)氣候變化人才培養(yǎng)基地，北京 100261；2. 運(yùn)城市環(huán)境保護(hù)研究所，山西運(yùn)城 044000； 3. 北京畜牧總站，北京 100029）

1 引言

氣候變化是當(dāng)今全球關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)境問(wèn)題，農(nóng)業(yè)在應(yīng)對(duì)氣候變化中發(fā)揮著重要的作用， 減緩農(nóng)業(yè)碳排放、 發(fā)揮農(nóng)業(yè)碳匯潛力是減緩全球升溫的重要舉措之一［1］。 隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜牧業(yè)溫室氣體排放在農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體排放中占比越來(lái)越大，最新評(píng)估得出目前全球畜牧業(yè)排放的溫室氣體占人類活動(dòng)總排放量的18%［2-3］。 其中，來(lái)自于奶牛瘤胃的甲烷（ CH4）排放，以及來(lái)自于畜禽糞便的CH4與氧化亞氮（ N2O），是重要的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放源［4］。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)［5］，我國(guó)2009—2013 年奶牛養(yǎng)殖量整體處于下降趨勢(shì)， 平均每年降幅為2.9%，2013—2018 年趨于穩(wěn)定，2018 年奶牛養(yǎng)殖數(shù)量為8 915.28 萬(wàn)頭。雖然養(yǎng)殖數(shù)量在減少，但奶牛養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖技術(shù)的改善，使每頭牛單產(chǎn)水平提高，因而我國(guó)每年的牛奶總產(chǎn)量并未下降，2009—2018年基本穩(wěn)定在3 000 萬(wàn)—3 200 萬(wàn)t/a。

我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的另外一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是奶牛養(yǎng)殖的規(guī)模和集約化程度都顯著提高，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位也明顯上升，極大提升了國(guó)民的生活水平［6-7］。然而，奶牛養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展也帶來(lái)了環(huán)境壓力，大量的糞污未經(jīng)處理隨意堆砌，不但引發(fā)臭氣、氮污染等環(huán)境空氣問(wèn)題，嚴(yán)重影響了附近居民的生活［8］，還增加了向環(huán)境排放溫室氣體的量。

本文基于IPCC《 國(guó)家溫室氣體清單指南》（ 2006）制定的核算方法和我國(guó)《 工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》（ GB/T 32150—2015），以我國(guó)山西省某奶牛養(yǎng)殖企業(yè)為實(shí)例， 研究奶牛養(yǎng)殖企業(yè)溫室氣體排放的主要途徑，提出減排措施，為奶牛養(yǎng)殖低碳化發(fā)展提供借鑒。

2 核算方法

2.1 奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)概況

案例奶牛場(chǎng)飼養(yǎng)荷斯坦奶牛，養(yǎng)殖情況見(jiàn)表1。奶牛場(chǎng)針對(duì)各種類別牛群制作TMR 配方， 集中投料，自由采食，每日投料2 次（ 早晚各1 次）。 在牛群休息區(qū)設(shè)置臥床，每日清理維護(hù)，自由飲水。 利用養(yǎng)殖區(qū)域的有機(jī)廢棄物作為原料， 經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生綠色能源沼氣，沼液與沼渣作為有機(jī)肥使用。養(yǎng)殖污水由尿液池收集后排入沼氣池。

表1 奶牛養(yǎng)殖情況

2.2 核算邊界

奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)邊界內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)可以分為直接生產(chǎn)系統(tǒng)、 輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和直接為生產(chǎn)服務(wù)的附屬生產(chǎn)系統(tǒng)。其中，直接生產(chǎn)系統(tǒng)是指牛舍、擠奶廳，輔助生產(chǎn)系統(tǒng)包括飼料加工車間、糞污管理、水電供應(yīng)、檢驗(yàn)、機(jī)修、庫(kù)房、運(yùn)輸?shù)龋綄偕a(chǎn)系統(tǒng)包括奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)辦公區(qū)和場(chǎng)區(qū)內(nèi)為生產(chǎn)服務(wù)的部門(mén)和單位。 發(fā)生在場(chǎng)界內(nèi)的生活能耗導(dǎo)致的排放原則上不在核算范圍內(nèi)。

2.3 排放源識(shí)別

奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的主要溫室氣體排放源包括奶牛腸道、奶牛糞便管理、化石燃料燃燒、購(gòu)入電力和沼氣回收利用設(shè)施等工藝單元和場(chǎng)所。

產(chǎn)生的溫室氣體包括：奶牛通過(guò)口、鼻和直腸等消化道向體外排放CH4氣體； 奶牛糞便在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)貯存和處理過(guò)程中產(chǎn)生CH4和N2O 并排放到環(huán)境中；場(chǎng)界內(nèi)各種類型的固定或移動(dòng)燃燒設(shè)備（ 如鍋爐、灶具、車輛等）燃燒煤炭、燃?xì)狻⑵汀⒉裼偷然剂袭a(chǎn)生CO2并排放到環(huán)境中， 以及消耗電力產(chǎn)生的CO2間接排放。

溫室氣體減排主要來(lái)源于牛糞沼氣設(shè)施產(chǎn)生的沼氣直接回收利用。

2.4 排放量計(jì)算方法

2.4.1 總排放量計(jì)算

奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)溫室氣體排放總量按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，EGHG為奶牛養(yǎng)殖企業(yè)溫室氣體排放總量，t CO2e；EEnte-CH4為奶牛腸道發(fā)酵CH4排放量，t CH4；EManu-CH4為奶牛糞便管理產(chǎn)生CH4排放，t CH4；EManu-N2O為奶牛糞便管理產(chǎn)生N2O 排放，t N2O；EFuel-CO2為化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t CO2；EElec-CO2為購(gòu)入電力對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的CO2排放量，t CO2；REbiogas-reus，CH4為沼氣回收利用減少的甲烷排放量，t CH4；GWPCH4，GWPN2O分 別 為CH4和N2O 相 比CO2的全球增溫潛勢(shì)值（ GWP），該數(shù)值根據(jù)IPCC 評(píng)估報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行更新， 本研究中使用第4 次評(píng)估報(bào)告中的數(shù)據(jù)值，分別為25 和298。

2.4.2 奶牛腸道發(fā)酵CH4排放量

奶牛腸道發(fā)酵CH4排放量按照IPCC［9］方法2 計(jì)算。 各類別牛群日糧干重及總能量見(jiàn)表2。

表2 各類別牛群日糧干重及總能量

根據(jù)犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛5種牛的生長(zhǎng)周期、體重、飼料等特征參數(shù)（ 表1 和表2），計(jì)算每種牛群的腸道CH4排放因子，根據(jù)年均飼養(yǎng)量與排放因子相乘計(jì)算奶牛場(chǎng)奶牛腸道發(fā)酵CH4排放總量。

2.4.3 奶牛糞便管理CH4和N2O 排放量

奶牛糞便管理過(guò)程CH4和N2O 排放量與糞便管理方式有關(guān)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，該牛場(chǎng)采用沼氣設(shè)施處理糞便，產(chǎn)生的沼氣作為綠色能源進(jìn)行回用、沼液和沼渣作為有機(jī)肥施用到農(nóng)田。

厭氧過(guò)程不發(fā)生硝化反應(yīng)， 因此不產(chǎn)生N2O 排放。

利用IPCC［9］方法2 計(jì)算奶牛糞便管理過(guò)程CH4排放量，關(guān)鍵參數(shù)包括規(guī)模牛場(chǎng)的日糧特征參數(shù)（ 見(jiàn)表2）和糞便管理方式。

2.4.4 奶牛養(yǎng)殖能源消耗CO2排放量

案例奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)消耗的能源包括電力和化石燃料，按照IPCC［9］方法1 計(jì)算能源消耗的CO2排放量。

該奶牛養(yǎng)殖企業(yè)地處山西省，歸屬華北區(qū)域電網(wǎng)， 我國(guó)華北區(qū)域電網(wǎng)2012 年外購(gòu)電力排放因子為0.884 3 kg CO2/kW·h， 各種化石燃料排放相關(guān)CO2排放參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 化石燃料相關(guān)參數(shù)值

2.4.5 沼氣回用

奶牛養(yǎng)殖企業(yè)沼氣回收利用的減排量等于回收并輸送給第三方利用的沼氣體積乘以沼氣中CH4氣體的體積濃度（ 以60%計(jì)算），再乘以沼氣中CH4氣體的體積濃度（ 以6.7%計(jì)算）。

3 結(jié)果與分析

3.1 奶牛腸道發(fā)酵CH4 排放量

奶牛腸道發(fā)酵CH4排放計(jì)算分以下三步進(jìn)行：

第一步， 根據(jù)各個(gè)牛群每個(gè)月的月初存欄量與月末存欄量計(jì)算出該牛群的當(dāng)月平均存欄量， 再計(jì)算12個(gè)月的平均存欄量作為年平均飼養(yǎng)量，案例奶牛場(chǎng)的犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的年均飼養(yǎng)量分別為14.75，38.67，42.71，7.96，21.25 頭。

第二步， 根據(jù)每種牛每天攝入的總能量計(jì)算各種牛的腸道發(fā)酵CH4排放因子，結(jié)果見(jiàn)表4。

第三步， 用每種牛的年均飼養(yǎng)量乘以腸道CH4排放因子，得出每種奶牛的腸道發(fā)酵CH4排放量。

經(jīng)計(jì)算，犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的腸道CH4排放量分別為0.32，2.66，5.33，1.04，4.78 t，得出該奶牛場(chǎng)的奶牛腸道發(fā)酵CH4排放總量為14.13 t，折合353.30 t CO2e。

表4 各種牛群的腸道CH4 排放因子

3.2 奶牛糞便管理CH4 排放量

采用表2 所示的各種牛群的日糧干重和總能量數(shù)據(jù)，按照IPCC［9］方法2 計(jì)算得出犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的糞便VS 值分別為0.66，2.09，3.80，3.99，6.84 kg DM/（ 頭·d-1），進(jìn)一步計(jì)算得出各類牛的糞便CH4排放量分別為0.058，0.47，0.95，0.19，0.85 t， 以及該奶牛場(chǎng)糞便管理CH4排放總量為2.52 t，折合63.06 t CO2e。

3.3 能源消耗的排放量

案例奶牛場(chǎng)的能源消耗排放主要包括生產(chǎn)期間化石燃料的燃燒與購(gòu)入電力的排放， 按照《 工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》（ GB/T 32150—2015）中的方法進(jìn)行計(jì)算。 該奶牛場(chǎng)全年消耗0.3 t柴油，排放0.94 t CO2。 年用電量22.45 MW·h，采用華北區(qū)域電網(wǎng)排放因子0.884 3 t CO2/（ MW·h），得到年用電產(chǎn)生的CO2間接排放量為19.85 t。

3.4 沼氣回收利用減排量

沼氣回收利用的減排量等于回收并輸送給第三方利用的沼氣體積乘以沼氣中CH4氣體的體積濃度（ 以60%計(jì)算）， 再乘以沼氣中CH4氣體的體積質(zhì)量換算系數(shù)（ 以6.7%計(jì)算）。 奶牛場(chǎng)年回收并輸送給第三方利用的沼氣體積為2.245 萬(wàn)標(biāo)m3， 計(jì)算得到CH4減排量為25.41 t，折合635.16 t CO2e。

4 結(jié)果與討論

4.1 排放量匯總

各個(gè)溫室氣體排放源產(chǎn)生的排放量見(jiàn)表5。 奶牛場(chǎng)的溫室氣體總排放量為437.15 t CO2e， 沼氣外供產(chǎn)生的減排量為635.16 t CO2e， 因此奶牛場(chǎng)產(chǎn)生的溫室氣體凈排放量為-198.01 t CO2e。

表5 排放量匯總

4.2 不同排放源的比較

將奶牛腸道發(fā)酵排放、 糞便管理排放和能源消耗排放分別統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 各排放源溫室氣體排放量

奶牛腸道CH4排放是奶牛場(chǎng)最主要的溫室氣體排放源，其次為糞便管理過(guò)程，這與李培培、孫亞男等人［10-11］的研究結(jié)果相似，由此說(shuō)明降低奶牛腸道發(fā)酵CH4排放是奶牛場(chǎng)減排溫室氣體的主要途徑，在生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)這一環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)改造有利于養(yǎng)殖場(chǎng)溫室氣體減排。 孫凱佳［12］的研究表明，改善飼糧結(jié)構(gòu)、使用添加劑、人為調(diào)控瘤胃菌群結(jié)構(gòu)和免疫是減少反芻動(dòng)物胃腸道CH4排放的幾種途徑。 許斌斌［13］的研究表明，在飼料中添加一定劑量釀酒酵母有利于減少肉牛胃腸道CH4排放。

同時(shí)該奶牛場(chǎng)對(duì)牛糞進(jìn)行厭氧消化， 生產(chǎn)沼氣自用并外供，形成635.16 t CO2e 的減排量，不僅抵消了奶牛養(yǎng)殖的溫室氣體排放， 還向外提供大量的沼氣，說(shuō)明糞便的厭氧處理減排效果顯著，同時(shí)也能緩解養(yǎng)殖場(chǎng)和周邊地區(qū)的能源壓力， 是值得推廣的措施，也符合國(guó)家推廣糞便資源化的號(hào)召。

4.3 不同牛群排放量的比較

根據(jù)對(duì)奶牛腸道發(fā)酵CH4排放量和糞便管理CH4排放量的計(jì)算結(jié)果， 得出每種奶牛的排放量和每類牛群的排放量，見(jiàn)表6。

表6 不同牛和牛群的溫室氣體排放

根據(jù)表6 的數(shù)據(jù)可看出， 每頭牛個(gè)體的溫室氣體排放量從低到高的順序?yàn)闋倥＃加膳＃记嗄昱＃几赡膛＃济谌榕＃渑判蚺c牛的體重成正相關(guān)，個(gè)體大的牛，攝入日糧和排泄糞便的量都大，因而排放溫室氣體的量也大。

對(duì)于不同牛群的溫室氣體排放量， 從低到高的順序?yàn)闋倥＃几赡膛＃加膳＃济谌榕＃记嗄昱！?青年牛群和泌乳牛群的排放量比其他牛群顯著要高，分別占奶牛場(chǎng)總排放量的37.7%和33.8%，主要是青年牛群的存欄量最高，占總存欄量的34.1%；而泌乳牛群盡管存欄量?jī)H是總存欄量的17.0%， 但泌乳牛單頭排放量大，使得其牛群排放量顯著高于犢牛群、干奶牛群和育成牛群。由于干奶牛數(shù)量較少，因此排放量占比較少，而犢牛和育成牛由于攝入的飼料較少，因此排放量占比較少。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)奶牛場(chǎng)溫室氣體排放量核算， 得出以下3 項(xiàng)結(jié)論：

（ 1）該養(yǎng)殖場(chǎng)溫室氣體總排放量437.15 t CO2e，沼氣外供產(chǎn)生減排量635.16 t CO2e，因此該養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的溫室氣體凈排放量為-198.01 t CO2e。

（ 2）在各排放源中，奶牛腸道CH4排放是最主要的排放源，其次為糞便管理過(guò)程，同時(shí)牛糞沼氣工程減排效果明顯。

（ 3）奶牛場(chǎng)不同牛個(gè)體，溫室氣體排放量與其個(gè)體體重成正相關(guān)； 青年牛群和泌乳牛群的溫室氣體排放量較高，顯著高于其他牛群的排放。