動(dòng)物在溫室氣體排放中的作用＊

李君宇，韓 英

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用是多方面的，它不僅能提高生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的效率和穩(wěn)定性，而且還影響著生態(tài)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，并在生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化體系中占有極為重要的地位，發(fā)揮著重要的作用［1］。它不僅能夠給人類提供生存所必需的物質(zhì)資源，而且在維持地球生物圈的生物多樣性方面具有重要作用，是包括人類在內(nèi)的一切生物生存所不可缺少的地球環(huán)境生態(tài)平衡條件。

百年來(lái)，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。特別是近50年來(lái)，人類活動(dòng)的加強(qiáng)導(dǎo)致溫室氣體排放增加從而引起全球變暖。溫室氣體是具有溫室效應(yīng)的氣體主要包括H2O、CO2、CH4、N2O和氯氟烴（Chloro fluoro－carbon，CFCs）等。溫室效應(yīng)的90%是由H2O和CO2引起的，其余10%是由CH4、N2O和CFCs等溫室氣體引起的［2］。這些溫室氣體能像溫室玻璃一樣，使地球表面溫度升高。工業(yè)革命以來(lái)，由于人類活動(dòng)的影響，使大氣中溫室氣體濃度明顯增加，引起全球變暖和氣候變化。那么，主要溫室氣體的排放源是什么？動(dòng)物在這些溫室氣體的排放中又起著怎樣的作用？對(duì)這一問(wèn)題的研究將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)動(dòng)物與大氣的生態(tài)關(guān)系以及重新認(rèn)識(shí)動(dòng)物在全球氣候變化中的作用。

1 動(dòng)物在CO2排放中的作用

CO2是最主要的溫室氣體之一。如果缺失CO2，地球的年平均氣溫（14～16℃）會(huì)降低20℃。但CO2濃度過(guò)高，也會(huì)形成“溫室效應(yīng)”。研究表明，由于人類活動(dòng)的影響，大氣CO2濃度持續(xù)升高，已從工業(yè)革命前的280μL／L增加到了目前的379μL／L，并以每年1～2μL／L的速度遞增，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，大氣濃度將會(huì)升高到目前的兩倍?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，今后大氣中CO2每增加1倍，全球平均氣溫將上升1.5～4.5℃，而兩極地區(qū)的氣溫升幅要比平均值高3倍左右［3］。

在自然界的碳循環(huán)中，綠色植物從空氣中獲得的CO2，經(jīng)過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過(guò)食物鏈的傳遞，成為動(dòng)物體的碳化合物。之后植物和動(dòng)物的呼吸作用把攝入體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為CO2釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機(jī)體或在機(jī)體內(nèi)貯存。動(dòng)、植物死后，殘?bào)w中的碳，通過(guò)微生物的分解作用也成為CO2而最終排入大氣。大氣中的CO2這樣循環(huán)一次約需20年。通過(guò)光合作用地球上的植物每年消耗175Pg（1P＝1015）的CO2，但是動(dòng)植物的呼吸過(guò)程以及它們尸體的腐化也會(huì)向大氣中釋放同等數(shù)量［4］。一部分（約千分之一）動(dòng)、植物殘?bào)w在被分解之前就被沉積物所掩埋而成為有機(jī)沉積物。這些沉積物經(jīng)過(guò)悠長(zhǎng)的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)變成礦物燃料－－煤、石油和天然氣等。它們?cè)陲L(fēng)化過(guò)程中或作為燃料時(shí)，其中的碳被氧化成為CO2排入大氣。人類生產(chǎn)活動(dòng)消耗大量礦物燃料對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響。從1949年到1969年，由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動(dòng)，估計(jì)每年CO2的生成量增加4.8%，其結(jié)果使大氣中CO2濃度升高，這樣就破壞了自然界原有的平衡，從而引起全球變暖［5］。

除了人類生產(chǎn)活動(dòng)通過(guò)消耗大量礦物燃料對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生影響以外，2006年12月FAO的一份報(bào)告指出，全球10.5億只牛是溫室效應(yīng)的元兇。每年由牛、羊、駱駝、馬、豬和家禽排放的溫室氣體約占全球溫室氣體總量的18%，其中牛比其他家畜動(dòng)物排放量還高，超越了人類的交通工具，如汽車、飛機(jī)等的CO2排放量［6］。不僅如此，2009年《世界觀察》雜志刊登的一篇題為《牲畜和氣候變化》的報(bào)告指出，牲畜及其副產(chǎn)品的溫室氣體排放至少占全球總排放的51%（包括人和動(dòng)物呼吸排放的溫室氣體），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了糧農(nóng)組織估計(jì)的數(shù)值18%［7］?？梢妱?dòng)物對(duì)大氣CO2等溫室氣體的排放貢獻(xiàn)不可忽視。

2 動(dòng)物在甲烷排放中的作用

甲烷（CH4）也是一種溫室效應(yīng)氣體，近200年來(lái)，其在大氣中的濃度大幅度上升。目前，大氣中CH4的平均濃度為1.8μL／L［8］。CH4不僅比CO2具有更高的增溫潛勢(shì)，其效力是CO2的23～25倍，而且將通過(guò)輻射過(guò)程直接引起氣候變化［9］；與CO2不同的是，它還是一種化學(xué)活性物質(zhì)，能引起許多大氣化學(xué)變化，從而間接地影響氣候變化。

大氣CH4的80%左右是由生物過(guò)程產(chǎn)生的，主要是微生物在厭氧條件下利用醋酸鹽或氫與CO2反應(yīng)生成的。因此CH4的最主要的來(lái)源是濕地和稻田［10］、垃圾場(chǎng)、污水處理廠，以及反芻動(dòng)物和白蟻的消化系統(tǒng)。據(jù)估算，天然濕地的CH4排放量約為280Tg／年，約占全球CH4排放量的1／3。稻田是最大的人為排放源，全球CH4年排放量約為300 Tg［10］。隨著人口的增長(zhǎng)，對(duì)糧食的需求增大，因此稻田將是不可忽視的大氣CH4排放源。此外，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，植物在逆境條件下也能排放一定量的甲烷［11］。生物物質(zhì)燃燒也是人為排放CH4的最大來(lái)源之一。有資料顯示，每年生物物質(zhì)燃燒將向大氣排放的CH4約為40Tg，主要來(lái)自熱帶農(nóng)業(yè)耕種、溫帶地區(qū)的森林火、農(nóng)田廢棄物的燃燒以及家用爐灶（木材、煤爐、火炭）等［12］。除了植物影響大氣CH4排放外，動(dòng)物，尤其是反芻動(dòng)物和一些昆蟲的腸發(fā)酵及其排泄物也是大氣CH4的重要排放源。據(jù)2010年全球人為CH4排放量的估計(jì)數(shù)據(jù)顯示：污水9%；其他農(nóng)業(yè)排放源7%；固定和移動(dòng)源1%；農(nóng)業(yè)（肥料）4%；煤礦6%；牲畜腸道發(fā)酵29%；垃圾填埋11%；生物物質(zhì)3%；水稻種植10%；石油和天然氣20%［13］。其中動(dòng)物的甲烷排放達(dá)29%左右，這部分排放主要來(lái)自兩部分，一是畜禽糞便的排放［9］。全球由畜禽糞便排放的CH4氣體總量占已知CH4排放總量的5.5%～8%［14］，而且糞便在堆放期間也會(huì)產(chǎn)生和排放CO2和CH4，通常堆放前期排放量高于中后期。二是反芻動(dòng)物消化道中的飼料經(jīng)微生物發(fā)酵也可產(chǎn)生CH4。

據(jù)報(bào)道，反芻動(dòng)物消化道能排放100多種氣體，但其中主要?dú)怏w是CH4。近年發(fā)現(xiàn)牛能排放大量的CH4，主要是通過(guò)其打嗝，少部分是通過(guò)腸胃脹氣排放。通過(guò)動(dòng)物胃腸道發(fā)酵排放的CH4占大氣CH4總排放量的29.7%［15］。奶牛的平均CH4排放量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)道不一，大約在100～500L／每天左右），可見這個(gè)數(shù)據(jù)是龐大的，相當(dāng)于一輛汽車一天所排放的CH4。此外，研究還發(fā)現(xiàn)牛在代謝過(guò)程中排放的100多種污染氣體中除了CH4氣體外，氨的排放量也占全球總量的2／3，而氨正是導(dǎo)致酸雨的重要原因之一［6］。因此，加州大學(xué)柏克萊分?！叭颦h(huán)境健康”教授寇克·史密斯博士（Dr.Kirk Smith）在長(zhǎng)達(dá)400頁(yè)題為《牲畜的巨大陰影：環(huán)境問(wèn)題與選擇》中指出，除了牛以外，其他多種牲畜，如羊、雞、豬等也會(huì)造成環(huán)境污染，所以畜牧業(yè)才是引起溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題的主要根源。結(jié)論是，數(shù)量迅速增加的牛對(duì)環(huán)境影響最大［6］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球現(xiàn)有15億頭牛和17億頭羊，且其數(shù)量還在繼續(xù)上升，特別是在發(fā)展中國(guó)家，全球肉制品可望在2001～2050年翻一倍［16］。

為減少反芻動(dòng)物的溫室氣體排放，各國(guó)積極采取措施。據(jù)2012年路透社報(bào)道，新西蘭采取讓農(nóng)民為養(yǎng)殖的上百萬(wàn)頭羊和牛放屁所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)支付490萬(wàn)美元／年的“放氣”稅［17］。新西蘭政府計(jì)劃征收的動(dòng)物的“放屁”稅，是為研究動(dòng)物放屁所導(dǎo)致溫室效應(yīng)的籌集經(jīng)費(fèi)。動(dòng)物排出的氣體中包括CH4和N2O，占新西蘭溫室氣體排放量的一大半。另有一些科學(xué)家們提出了幾種對(duì)環(huán)境更友好的家畜養(yǎng)殖方法。在新西蘭，研究人員正在檢測(cè)各種營(yíng)養(yǎng)方案、食物添加劑、藥方以及那些排放更少CH4的動(dòng)物；而澳大利亞的一支科學(xué)小組建議人類應(yīng)放棄食用牛羊肉，改吃袋鼠肉，因?yàn)榇蟛慌欧臗H4。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，反芻動(dòng)物在新陳代謝過(guò)程中，8%的能量用于生成CH4。如果不排放溫室氣體，那么這些能量可以用于來(lái)制造更多的肉［18］。德國(guó)的霍恩海姆大學(xué)的科學(xué)家們制造出一種藥片可以制止牛的瘤胃（牛的第一個(gè)胃）中產(chǎn)生氣體，并且把甲烷轉(zhuǎn)化成葡萄糖。但是這種藥物需要嚴(yán)格的飲食和有組織的喂養(yǎng)時(shí)間，所以這種設(shè)想似乎可行性不大。可見動(dòng)物是大氣CH4的重要排放源［19］。

3 動(dòng)物在氧化亞氮排放中的作用

氧化亞氮（N2O）又稱笑氣，與CO2相比，雖然N2O在大氣中的含量很低，但其單分子增溫潛勢(shì)卻是CO2的310倍；而且其在大氣中具有更長(zhǎng)的半衰期。因此，未來(lái)N2O對(duì)全球氣候的增溫效應(yīng)將越來(lái)越顯著，它們濃度的增加，已引起科學(xué)家的極大關(guān)注。2009年，美國(guó)一項(xiàng)最新研究顯示，這種無(wú)色有甜味的氣體已經(jīng)成為人類排放的首要消耗臭氧層物質(zhì)［20］。人類通過(guò)使用化肥、化石燃料等每年向大氣中排放約1000×104t N2O［21］，如果人類不采取措施限制其排放，它將成為21世紀(jì)破壞性最大的消耗臭氧層的物質(zhì)。

研究表明，土壤是大氣N2O的重要排放源，主要是通過(guò)微生物過(guò)程產(chǎn)生并排放到大氣的。植物根系的生長(zhǎng)不僅能通過(guò)刺激土壤微生物的生長(zhǎng)來(lái)促進(jìn)這一過(guò)程，而且植物本身也能起導(dǎo)管作用，促進(jìn)土壤N2O向大氣的排放［5－6］。研究發(fā)現(xiàn)植物自身也能產(chǎn)生和排放一定量的N2O［22］。人類通過(guò)農(nóng)業(yè)施肥也能促進(jìn)土壤微生物N2O的產(chǎn)生［23］。據(jù)報(bào)道，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，施氮肥引起的N2O排放量占人為年排放量的44%，這還不包括其他的氮輸入途徑，如：動(dòng)物廢棄物、生物N固定等，而且不同動(dòng)物排泄物對(duì)作物生長(zhǎng)期間N2O排放的影響也不同［24］。動(dòng)物糞便在處理和存放過(guò)程中也能排放大量的N2O。每年全球由動(dòng)物糞便排放的N2O約為200×104t，占人為排放源的14%左右［25］。中國(guó)是動(dòng)物飼養(yǎng)量最大的國(guó)家之一，每年動(dòng)物糞便N2O排放量約為24.6×104t［25］。2009年德國(guó)和丹麥科研人員研究發(fā)現(xiàn)，不僅人類和家畜能通過(guò)肛門排放“有害溫室氣體”，而且水生動(dòng)物也同樣釋放溫室氣體N2O［26］。德國(guó)馬克斯·普朗克研究所和丹麥奧爾胡斯大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水中有硝酸鹽存在時(shí)，蚌類、淡水蝸牛等水生生物也會(huì)排放N2O［26］。由此推測(cè)，污染水中硝酸鹽越多，排放的問(wèn)題氣體也就越多。

綜上所述，動(dòng)物在主要溫室氣體CO2、CH4和N2O的產(chǎn)生和排放中起著十分重要作用。它們既能通過(guò)代謝過(guò)程直接產(chǎn)生和排放三種溫室氣體，同時(shí)也能通過(guò)其排泄物直接或間接影響溫室氣體的排放，尤其是作為大氣CH4的新的重要的排放源的反芻動(dòng)物越來(lái)越引起科學(xué)界的重視，有關(guān)動(dòng)物作為大氣CH4和N2O排放源的強(qiáng)度及機(jī)理與對(duì)策的研究還有待于進(jìn)一步深入。

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