江蘇省畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放空間格局分析 *

芮菡藝，鞠昌華，朱 琳

(環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

溫室氣體排放是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，不僅影響著氣候變化，更關(guān)乎著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政治格局乃至公共健康安全[1-3]。畜禽養(yǎng)殖是溫室氣體排放的一個(gè)重要來源，隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖溫室氣體管控壓力巨大，2005年，我國畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放量4.45×108t，約占溫室氣體凈排放總量的6.32%[4]。

學(xué)術(shù)界對(duì)畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，并取得了諸多成果，主要集中在畜禽溫室氣體排放量估算和畜禽溫室氣體排放影響因素及減排政策兩方面。2006年政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)編制了《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，為牲畜和糞便管理過程中的溫室氣體排放量估算提供方法指南[5]，胡向東[6]、徐興英等[7]針對(duì)我國畜牧業(yè)發(fā)展實(shí)際，對(duì)排放系數(shù)進(jìn)行調(diào)整開展地區(qū)溫室氣體估算。在排放量測(cè)算基礎(chǔ)上，學(xué)者通過迪氏對(duì)數(shù)指標(biāo)分解法等數(shù)學(xué)模型及生命周期法等方法研究特定時(shí)間序列，對(duì)溫室氣體排放量的影響因素進(jìn)行分解，并從養(yǎng)殖技術(shù)、清潔生產(chǎn)機(jī)制、政策制定等方面開展畜禽溫室氣體減排措施研究[8-11]。但對(duì)畜禽溫室氣體排放空間格局的研究仍較少，缺乏空間視角，忽略了空間要素的影響，而事實(shí)上識(shí)別地區(qū)間畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放關(guān)聯(lián)性和差異性，對(duì)提出有針對(duì)性的溫室氣體減排措施具有重要意義。因此，本文基于江蘇省縣域畜禽養(yǎng)殖量數(shù)據(jù)，估算溫室氣體排放量，利用重心曲線和空間自相關(guān)，分析畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放空間分異特征，以期為溫室氣體減排政策制定提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

江蘇省位于我國東部沿海、長(zhǎng)江淮河下游，介于北緯30°45′～35°20′，東經(jīng)116°18′～121°57′之間，光熱條件豐富，自然條件優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)顯著，溫室氣體排放管控工作尤為關(guān)鍵。畜牧業(yè)是江蘇農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，2014年全省畜牧業(yè)總產(chǎn)值1182.69億元，占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的18.36%[12]。

本文以縣域?yàn)檠芯繂卧h級(jí)行政區(qū)劃界線矢量數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，比例尺1∶4 000 000，由于該矢量數(shù)據(jù)年代較早，為1994年數(shù)據(jù)，對(duì)照現(xiàn)行行政區(qū)劃進(jìn)行編輯調(diào)整，與2012年《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)口徑一致，共77個(gè)縣域單元(包括市轄區(qū)、區(qū)和縣)。溫室氣體排放量測(cè)算中各縣域奶牛、其他牛、羊、豬、家禽年末存欄數(shù)以及兔年內(nèi)出欄數(shù)來自2012年《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放量測(cè)算方法 畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放主要包括3個(gè)部分：畜禽腸道發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷(CH4)、畜禽廢棄物存儲(chǔ)或者管理中排放的甲烷以及氧化亞氮(N2O)。采用排放因子法，估算畜禽溫室氣體排放量。排放因子的確定，參照IPCC、胡向東及徐興英等[5-7]研究成果見表1。

甲烷或氧化亞氮排放總量由源排放量加和求得，計(jì)算公式如下：

EGHG=∑EFj,k·Nk/106

(1)

式中：EGHG為畜禽溫室氣體(甲烷、氧化亞氮)排放總量，Gg/年；EFj,k為j排放源的第k種牲畜種群甲烷或氧化亞氮排放系數(shù)，kg/(頭·年)；Nk為牲畜種類k的年末存欄數(shù)，頭或只；j可以為動(dòng)物腸道發(fā)酵或糞便管理；k為牲畜的種類。

表1 畜禽溫室氣體排放系數(shù)Table 1 Greenhouse gas emission factors of livestock and poultry breeding

為便于對(duì)比分析各縣域溫室氣體排放量，引入全球暖化潛勢(shì)(Global Warming Potential, GWP)，將各縣域畜禽養(yǎng)殖排放的CH4、N2O折算成CO2當(dāng)量(下文中的“排放量”無特別說明時(shí)，均指“排放的CO2當(dāng)量”)。全球暖化潛勢(shì)是根據(jù)某種溫室氣體在一定時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生的增溫效應(yīng)折換成等效的CO2，以百年時(shí)間尺度，CO2的全球暖化潛勢(shì)定義為1，CH4為25，N2O為298，計(jì)算公式為：

CCO2-eqv=25CCH4+298CN2O

(2)

式中：CCO2-eqv為溫室氣體排放量(以CO2計(jì))，Gg/年；CCH4為CH4排放量，Gg/年；CN2O為N2O排放量，Gg/年。

1.2.2 重心曲線 參照人口分布重心曲線[13]、耕地變化重心曲線[14]，本文提出江蘇省畜禽溫室氣體排放的重心曲線，直觀圖示溫室氣體排放量不同級(jí)別的縣域空間分布特征。采用等數(shù)量分級(jí)(Quantile)方法，將77個(gè)縣域單元按畜禽溫室氣體排放量由小到大排列，再等分為5個(gè)級(jí)別，保證每一級(jí)別中單元數(shù)一致，在此1～5級(jí)單元數(shù)分別為16、16、15、15、15。在分級(jí)圖基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的Mean Center工具，以各縣域單元溫室氣體排放量為權(quán)重，求取各級(jí)別縣域的重心，進(jìn)而得到重心曲線。

1.2.3 空間自相關(guān) 采用空間自相關(guān)(Spatial Autocorrelation)測(cè)度畜禽溫室氣體排放數(shù)據(jù)空間關(guān)聯(lián)特征，通過對(duì)同一變量在不同空間位置的值進(jìn)行相關(guān)性分析，定量判斷數(shù)據(jù)分布是否具有空間依賴性和空間異質(zhì)性。其中全局空間自相關(guān)(Global Moran's I指數(shù))用于探測(cè)畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放量在整個(gè)研究區(qū)域的空間關(guān)聯(lián)模式，局部空間自相關(guān)(Local Moran's I指數(shù))則用于識(shí)別各單個(gè)縣域畜禽溫室氣體排放量與周圍縣域的關(guān)聯(lián)程度，探索縣域單元的空間異質(zhì)性。

(1)Global Moran's I指數(shù)

(3)

Global Moran's I指數(shù)取值范圍介于[-1,1]，越接近1表示空間單元間關(guān)系越密切，性質(zhì)越相似，呈現(xiàn)集聚模式(高值聚集或低值聚集)，越接近-1則表示空間單元間差異程度越大，呈現(xiàn)離散模式，接近0則代表空間單元為隨機(jī)模式，空間不相關(guān)。計(jì)算出Global Moran's I 后，還需要用p值和Z得分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[15]。

(2)Local Moran's I指數(shù)

(4)

相關(guān)參數(shù)意義同于Global Moran's I，同樣必須用p值和Z得分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)Local Ii和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，局部空間關(guān)聯(lián)常有5種模式，“高-高”集聚(High-High，HH型)和“低-低”集聚(Low-Low，LL型)，即空間單元i和周圍單元的觀測(cè)值都相對(duì)較高或都相對(duì)較低；“高-低”集聚(High-Low，HL型)，即空間單元i的觀測(cè)值顯著高于周圍空間單元；“低-高”集聚(Low-High，LH型)，即周圍空間單元的觀測(cè)值顯著高于空間單元i的觀測(cè)值；不顯著(Not Significant，NS型)，即集聚模式不明顯。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽溫室氣體排放量概要分析

根據(jù)估算，2012年江蘇省畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放總量為10354.3 Gg CO2-eq，其中畜禽腸道發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷為2097.1 Gg CO2-eq，畜禽糞便管理產(chǎn)生的甲烷為1763.6 Gg CO2-eq，畜禽糞便管理產(chǎn)生的氧化亞氮為6493.6 Gg CO2-eq，分別占總排放量的20.3%、17.0%和62.7%。從中看出：在溫室氣體來源方面，畜禽糞便管理產(chǎn)生的排放量遠(yuǎn)高于腸道發(fā)酵產(chǎn)生的排放量；從氣體成分上看，排放的氧化亞氮折合的CO2當(dāng)量高于甲烷折合的CO2當(dāng)量。

各縣域畜禽溫室氣體排放量見表2。由表2可知，77個(gè)縣域空間構(gòu)成的排放量數(shù)據(jù)集，標(biāo)準(zhǔn)方差達(dá)到114.2，數(shù)據(jù)離散程度高，其中排放量最大值出現(xiàn)在徐州邳州市(488.8Gg CO2-eq)，最小值為無錫錫山區(qū)(11.8 Gg CO2-eq)，最大值是最小值的41.4倍之多。說明江蘇全省各縣域畜禽溫室氣體排放量存在較大差距，最大值與最小值差異顯著。

表2 各縣域畜禽溫室氣體排放量 Table 2 Greenhouse gas emissions from livestock and poultry breeding in different counties

2.2 基于分級(jí)圖的畜禽溫室氣體重心曲線

表3為江蘇省縣域畜禽溫室氣體排放量等數(shù)量分級(jí)結(jié)果，圖1反映了排放量不同級(jí)別的縣域空間分布及重心曲線?？梢钥闯觯欧帕肯鄬?duì)較小的1級(jí)、2級(jí)縣域多集中在蘇南、蘇中地區(qū)，而排放量最大的5級(jí)集中分布在徐州、鹽城、南通等地，位于蘇北及沿海地區(qū)。從重心曲線上看，隨著溫室氣體排放量從小到大(級(jí)別1-5)，相應(yīng)的重心一直向北移動(dòng)，表明江蘇省畜禽溫室氣體排放量空間格局總體呈現(xiàn)北高南低的特征。

表3 畜禽溫室氣體排放等數(shù)量分級(jí)結(jié)果Table 3 The quantile classification results of greenhouse gas emissions from livestock and poultry breeding

圖1 畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放分級(jí)及重心曲線Fig.1 The quantile classification map and gravity curve of greenhouse gas emissions from livestock and poultry breeding

2.3 畜禽溫室氣體空間自相關(guān)分析

2.3.1 全局空間格局特征 采用Global Moran's I對(duì)畜禽溫室氣體排放進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析，結(jié)果顯示Global Moran's I指數(shù)為0.5324>0，說明該空間變量呈空間正相關(guān)P值約為0<0.01，Z得分為7.759>2.58，即通過了顯著性水平α=0.01(檢驗(yàn)臨界值為2.58)的檢驗(yàn)，說明畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放在江蘇省省域空間上存在著顯著的正的空間自相關(guān)性，具有明顯的空間集聚特征。

2.3.2 局部空間自相關(guān)分析 利用Local Moran's I計(jì)算江蘇省2012年各縣域畜禽溫室氣體排放量局部空間自相關(guān)，測(cè)度每個(gè)縣域單元與其鄰近單元的集聚或離散程度，并在顯著性水平α=0.1下，繪制局部空間關(guān)聯(lián)度圖(圖2)，圖示各縣域單元與其鄰近單元同質(zhì)和異質(zhì)的局部特征變化。

由圖2可見，江蘇省各縣域與鄰近縣域在畜禽溫室氣體排放上的相關(guān)性，表現(xiàn)為“高-高”集聚、“低-低”集聚和不顯著三種情況，其中近75.3%的縣域與周圍鄰近縣域的關(guān)聯(lián)度不明顯，24.7%的縣域與鄰近縣域表現(xiàn)出同質(zhì)性，即高值與高值聚集、低值與低值聚集。

圖2 縣域畜禽溫室氣體排放量局部空間關(guān)聯(lián)度 (顯著性水平α=0.1)Fig.2 The regional spatial correlation map of greenhouse gas emission from livestock and poultry breeding of Jiangsu at county level (α=0.1)

從空間分布上看，全省畜禽溫室氣體排放呈現(xiàn)“雙熱點(diǎn)-雙冷點(diǎn)”的空間格局。“雙熱點(diǎn)”，即排放量大的聚集區(qū)，主要分布在江蘇省西北部和沿海地區(qū)，位于渠北農(nóng)業(yè)區(qū)和沿海農(nóng)業(yè)帶，“雙冷點(diǎn)”，即排放量小的聚集區(qū)，主要集中在江蘇省南部沿江地區(qū)及太湖地區(qū)，位于沿江農(nóng)業(yè)帶和太湖農(nóng)業(yè)區(qū)。

3 畜禽溫室氣體地區(qū)差別化管控

畜禽溫室氣體減排常采用畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的規(guī)劃、畜禽舍的選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、養(yǎng)殖機(jī)械設(shè)備的選型與使用、畜禽糞便無害化處理等措施，而基于畜禽溫室氣體構(gòu)成來源及排放空間格局的綜合分析，識(shí)別排放熱點(diǎn)地區(qū)，判別各地區(qū)畜禽溫室氣體排放特征，更有利于提出有針對(duì)性的、差別化的畜禽溫室氣體管控措施。

表4 熱點(diǎn)片區(qū)畜禽溫室氣體排放情況Table 4 Greenhouse gas emissions from livestock and poultry breeding in hot spot

畜禽溫室氣體排放熱點(diǎn)區(qū)作為高值集聚區(qū)，是溫室氣體減排管控的重點(diǎn)區(qū)域。在此，對(duì)江蘇省西北熱點(diǎn)片區(qū)和沿海熱點(diǎn)片區(qū)，分別計(jì)算不同畜禽種類的溫室氣體排放量，結(jié)果見表4。結(jié)果表明，兩熱點(diǎn)片區(qū)排放量大體相當(dāng)，豬、家禽和羊排放量占比均位于前3位，但西北熱點(diǎn)片區(qū)中牛養(yǎng)殖溫室氣體排放量明顯高于沿海熱點(diǎn)片區(qū)。因此，在采取合理規(guī)劃布局，重視優(yōu)化畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制牲畜養(yǎng)殖量等共性管控措施基礎(chǔ)上，應(yīng)開展針對(duì)性分區(qū)治理。將沿海片區(qū)規(guī)劃為畜禽糞便管控區(qū)，西北片區(qū)規(guī)劃為畜禽糞便與反芻動(dòng)物養(yǎng)殖雙控區(qū)。沿海片區(qū)作為畜禽糞便管控區(qū)，主要強(qiáng)化配套建設(shè)畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用和污染治理措施，加強(qiáng)畜禽糞便無害化處理。在西北熱點(diǎn)片區(qū)，同時(shí)還要重視牛養(yǎng)殖的溫室氣體排放，針對(duì)牛作為反芻動(dòng)物，相比其他畜禽，腸道發(fā)酵甲烷排放量大的特性，從飼料秸稈處理、營(yíng)養(yǎng)成分的改善，以及采用集約化高產(chǎn)飼養(yǎng)技術(shù)等方面，推廣針對(duì)性畜禽溫室氣體管控技術(shù)。

在省域?qū)用?，針?duì)江蘇省畜禽糞便管理產(chǎn)生的溫室氣體排放量遠(yuǎn)高于腸道發(fā)酵產(chǎn)生的排放量的特點(diǎn)，結(jié)合畜禽養(yǎng)殖污染防治的要求，建議強(qiáng)化配套建設(shè)畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用和污染治理措施，加強(qiáng)畜禽糞便無害化處理，減少溫室氣體排放。

4 小 結(jié)

在估算2012年江蘇省縣域畜禽溫室氣體排放量的基礎(chǔ)上，采用重心曲線和空間自相關(guān)等方法對(duì)排放量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出排放特征如下：(1)江蘇省畜禽溫室氣體排放，從來源上看，畜禽糞便管理產(chǎn)生的排放量遠(yuǎn)高于腸道發(fā)酵產(chǎn)生的排放量；從氣體成分上看，排放的氧化亞氮折合的CO2當(dāng)量高于甲烷折合的CO2當(dāng)量；(2)全省各縣域畜禽溫室氣體排放量存在較大差距，最大值與最小值差異顯著，總體呈現(xiàn)北高南低的特征；(3)根據(jù)全局和局部空間自相關(guān)計(jì)算參數(shù)，畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放在省域空間上存在著顯著的正的空間自相關(guān)性(以顯著性水平為0.01)，具有明顯的空間集聚特征，并在縣域尺度上存在四個(gè)聚集點(diǎn)(以顯著性水平為0.1)，“高-高”關(guān)聯(lián)的區(qū)域主要集中分布在徐州市、南通市和鹽城市，“低-低”關(guān)聯(lián)區(qū)域位于南京市市轄區(qū)、鎮(zhèn)江市、揚(yáng)州邗江區(qū)及蘇州市，形成“雙熱點(diǎn)-雙冷點(diǎn)”的空間格局。研究認(rèn)為，識(shí)別地區(qū)間畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放關(guān)聯(lián)性和差異性，了解排放量空間格局特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)畜禽溫室氣體差別化管控具有一定的啟示意義。

本文從空間視角對(duì)江蘇省畜禽溫室氣體排放格局進(jìn)行了分析，但僅選取一年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)畜禽溫室氣體排放這一動(dòng)態(tài)過程僅是一個(gè)時(shí)間截面的研究，對(duì)空間格局在時(shí)間維度上的變化研究尚顯不足，在長(zhǎng)時(shí)間序列上探討畜禽溫室氣體排放空間格局的動(dòng)態(tài)變化是下一步研究方向。同時(shí)由于影響畜禽溫室氣體排放的因素較多，畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)難以精確統(tǒng)計(jì)，存在一定變動(dòng)和誤差，且我國還未制定統(tǒng)一的符合我國現(xiàn)狀的畜禽溫室氣體的特定排放系數(shù)等條件限制，畜禽溫室氣體測(cè)算仍存在一定的不確定性，這些都待今后進(jìn)一步研究確定。

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