豬場糞便循環(huán)利用項目溫室氣體碳減排量核算方法學(xué)研究

孫志巖 ，張文 ，于家伊 ，柴西龍

（1.北京嘉博文生物科技有限公司，北京 100015；2.北京嘉婭低碳農(nóng)業(yè)研究中心，北京 100015；3.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100015）

近年來，我國畜禽糞便污染問題非常嚴重，尤其是規(guī)模養(yǎng)殖地區(qū)以及廣大農(nóng)村地區(qū)，導(dǎo)致生活衛(wèi)生環(huán)境惡劣，面源污染嚴重，溫室氣體排放量較高。據(jù)統(tǒng)計，我國2010年畜禽糞便的總量達22.28億t[1]，引起了嚴重的土壤、水體和大氣污染[2]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式下，農(nóng)業(yè)源已成為溫室氣體排放的第二大重要來源，占全球溫室氣體排放總量約為14.9%，中國農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量的17%，其中甲烷和氧化亞氮分別占全國總量的50.15%和92.47%[3]，而畜禽糞便管理不善導(dǎo)致的甲烷排放占總甲烷排放的5%[2]。目前，我國畜禽糞便處理方式主要包括肥料化、能源化、飼料化、基料化等，其中，較常見的處理及資源化利用方式主要有直接還田、高溫烘干以制作肥料、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣及好氧堆肥處理[4]。畜禽糞便經(jīng)資源化處理后再還田，既可以在畜禽糞便處理環(huán)節(jié)減少溫室氣體的排放，還可以通過土壤固碳的方式減少溫室氣體排放，對有效控制農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放，改善環(huán)境污染有重要意義。

目前，針對我國畜禽糞便管理的項目方法學(xué)有：CM-086-V01通過將多個地點的糞便收集后進行集中處理減排溫室氣體、CM-090-V01糞便管理系統(tǒng)中的溫室氣體減排（第一版）、CMS-021-V01動物糞便管理系統(tǒng)甲烷回收（第一版）、CMS-074-V01從污水或糞便處理系統(tǒng)中分析固體避免甲烷排放、CMS-075-V01通過堆肥避免甲烷排放（第一版）、利用糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣制取并利用生物天然氣溫室氣體減排方法學(xué)、畜禽糞便堆肥管理減排項目方法學(xué)，以上這些方法學(xué)在碳減排量核算時都是主要考慮畜禽糞便處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的減排，并沒有計算還田利用環(huán)節(jié)所減少的溫室氣體排放。因此，本研究針對目前方法學(xué)存在的問題以及畜禽糞便肥料化還田的實際情況，增加還田利用環(huán)節(jié)的土壤固碳及氧化亞氮排放的核算，以期為全國各地畜禽糞便循環(huán)利用項目減排核算提供參考。

1 研究方法

畜禽糞便循環(huán)利用項目溫室氣體碳減排量主要包含兩部分，分別是養(yǎng)殖業(yè)中畜禽糞便管理系統(tǒng)的減排量和種植業(yè)中的肥料還田帶來的土壤固碳量。

1.1 核算方法

1.1.1 減排量計算

減排量為項目排放的變化量與土壤固碳量之和，按式（1）計算：

式中：REy—項目生產(chǎn)過程中溫室氣體減排量，tCO2e/年；

BEy—基準線排放量，tCO2e/年；

PEy—項目排放量，tCO2e/年；

LEy—項目泄漏量，tCO2e/年；

ΔC—土壤固碳量即農(nóng)田土壤有機碳庫年度變化量，tCO2e/年。

1.1.2 基準線排放

式中：BEy—基準線情景下的溫室氣體排放量，tCO2e/年；

EComp，y—基準線情景下堆肥過程的 CH4，N2O 排放，CO2e/年；

EN2O，y—基準線情景下農(nóng)田土壤中施肥產(chǎn)生的N2O排放，tCO2e/年。

1.1.2 .1 堆肥過程中的CH4，N2O排放

根據(jù)UNFCCC[5]發(fā)布的堆肥導(dǎo)致的項目和泄漏排放計算工具中的方法，按投入系統(tǒng)的糞便量及排放因子計算 CH4，N2O 排放量，見公式（3）～（5）：

式（3）～（5）中：

GWPCH4—CH4的全球增溫潛勢，其值為25；

Qy—進入堆肥系統(tǒng)的糞便量，t；

EFCH4，y—畜禽糞便堆肥的 CH4排放因子，tCH4/t；

GWPN2O—N2O的全球增溫潛勢，其值為298；

EFN2O，y—畜禽糞便堆肥的N2O排放因子，tN2O/tN。

1.1.2.2 農(nóng)田土壤中施肥產(chǎn)生的N2O排放

根據(jù)中國農(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[6]開發(fā)的項目方法學(xué)中的方法，計算農(nóng)田土壤中施肥產(chǎn)生的N2O排放，計算公式見式（6）～（7）：

（1）施用有機肥產(chǎn)生的N2O排放。

式（6）～（7）中：

EN2OSN—農(nóng)田土壤中施用有機肥產(chǎn)生的N2O排放量，tN2O-N/年；

FOF—農(nóng)田土壤中有機肥施用量，tN/年；

EF2—有機肥N2O排放因子，tN2O-N/tN；

MOFq—有機肥類型q的施用量，t/hm2/年；

COFq—有機肥類型q的含氮量，tN/t有機肥；

AOFq—有機肥類型q的施用面積，hm2；

q—有機肥類型。

（2）施用無機氮肥產(chǎn)生的N2O排放。

式中（8）～（9）：

EN2OSN—農(nóng)田土壤中施用無機氮肥產(chǎn)生的N2O排放量，tN2O-N/年；

FSN—農(nóng)田土壤中無機氮肥施用量，tN/年；

EF1—無機氮肥N2O排放因子，tN2O-N/tN；

MSNP—無機氮肥類型p的年施用量，t/hm2/年；

CSNP—無機氮肥類型p的含氮量，tN/t無機氮肥；

ASNP—無機氮肥類型的施用面積，hm2；

p—無機氮肥類型。

（3）農(nóng)田土壤中施肥產(chǎn)生的N2O排放總量。

式中：EN2O，y—農(nóng)田土壤中施肥產(chǎn)生的N2O排放總量，tCO2e/年；

EN2OSN—農(nóng)田土壤中施用無機氮肥產(chǎn)生的N2O排放量，tN2O-N/年；

EN2OSN—農(nóng)田土壤中施用有機肥產(chǎn)生的N2O排放量，tN2O-N/年；

GWPN2O—N2O的全球增溫潛勢。

1.1.3 項目排放

式中：PEy—項目情景下的溫室氣體排放量，tCO2e/年；

EComp，y—項目情景下堆肥過程的 CH4，N2O 排放，tCO2e/年，參見式（3）～（5）；

EN2O，y—項目情景下農(nóng)田土壤中施肥產(chǎn)生的N2O排放，tCO2e/年，參見式（6）～（10）；

EEC，y—項目情景下的耗電排放，tCO2e/年；

EFC，y—項目情景下化石燃料消耗排放，tCO2e/年。

1.1.3.1 電力消耗排放

根據(jù)UNFCCC[7]的電力消耗排放計算工具中的方法計算，如式（12）：

式中：EEC，y—電力消耗的排放量，tCO2e/年；

EGPL—消耗的電量，MWh；

EFEC，CO2—電力排放因子，tCO2e/MWh。

1.1.3 .2 化石燃料燃燒排放

根據(jù)UNFCCC[8]的化石燃料燃燒排放計算工具中的方法計算，如式（13）：

式中：EFC，y—燃燒化石燃料產(chǎn)生的 CO2排放量，tCO2e/年；

FGi，y—燃燒的化石燃料 i的量，t，m3/年；

NCVi，y—化石燃料 i的凈熱值，GJ/t，m3；

EFFC，i，CO2—化石燃料 i的排放因子，tCO2e/GJ。

1.1.4 土壤固碳量

式中：ΔC—農(nóng)田土壤有機碳庫年度變化量，tCO2e/年；

SOCT—核算期最后一年的土壤有機碳庫，t C；

SOC0—核算期初始年的土壤有機碳庫，t C；

T—一個單獨核算期的年數(shù)，年；

式中：SOC—土壤有機碳庫，t C；

γ—被估算土地的土壤容重，g/cm3；

A—被估算農(nóng)田的面積，hm2；

OM—30 cm耕層土壤有機質(zhì)含量g/kg；

0.58—土壤有機碳與土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化系數(shù)；

0.1—單位換算系數(shù)。

1.2 研究案例與數(shù)據(jù)來源

本研究中選取4個種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)利用項目進行核算，案例1，2，3選取的是位于湖北省鄖陽的養(yǎng)豬場A，B，C，其養(yǎng)殖規(guī)模分別為7 200頭、6 600頭和5 647頭。案例4選取的是位于北京市大興區(qū)的某養(yǎng)豬場D，養(yǎng)殖規(guī)模為17 167頭；年糞便產(chǎn)生量、配套農(nóng)田面積、土壤有機質(zhì)含量的基本信息見表1。

表1 種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)利用項目基本情況

4個種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)利用項目案例的基準線情景為自然堆放，項目情景為充分好氧堆肥。生產(chǎn)的有機肥用于配套農(nóng)田的土壤改良，提升耕地質(zhì)量。

項目基準線為豬糞自然堆放，自然腐爛產(chǎn)生CH4，N2O并排入大氣中。項目活動為豬糞充分好氧堆肥。各養(yǎng)殖場糞便循環(huán)利用項目碳減排結(jié)果見表2。項目減排量結(jié)果見圖1。

2 結(jié)果與討論

表2 各養(yǎng)殖場糞便循環(huán)利用項目碳減排量 tCO2·年-1

圖1 養(yǎng)殖場循環(huán)利用項目減排量

由表2可以看出，養(yǎng)殖場A，B，C，D糞便自然堆放產(chǎn)生的排放分別為：3 009.54，2 758.74，2 360.40，6 969.03 t CO2e/年，項目排放量分別為 732.11，671.10，584.60，1 305.61 t CO2e/年，可見，對于豬糞處理環(huán)節(jié)，好氧堆肥的排放量遠遠低于自然堆放的排放量，后者占前者的比例分別為24%，24%，25%，19%。豬糞在氧氣充分的條件下，其甲烷和氧化亞氮排放因子遠遠小于氧氣不足條件下的排放因子，因此充分好氧堆肥的溫室氣體排放量遠遠小于自然堆放產(chǎn)生溫室氣體排放量。

由圖1和表2可以看出，養(yǎng)殖場A，B，C，D的糞便循環(huán)利用項目碳減排量分別為4 284.06，3 683.61，3 858.78，8 354.59 t CO2/年；土壤固碳量分別為 2 006.63，1 595.96，2 082.99，2 691.17 tCO2/年，約占項目減排量的46.84%，43.33%，53.98%，32.21%（見圖2）?？梢?，通過畜禽糞便循環(huán)利用項目將有機肥還田，能夠提升土壤肥力，提高土壤有機質(zhì)含量，進而提升土壤固碳量[9]，抵消部分項目減排量。學(xué)者黃鴻翔[10]也認為與傳統(tǒng)的施用化肥相比，提升有機肥的施用比例，能夠提升土壤固碳量，減少溫室氣體向大氣中的排放。

圖2 項目減排量中糞便處理過程減排量和土壤固碳量的占比圖

另外，由圖2可以看出，養(yǎng)殖場A，B，C，D在糞便處理過程產(chǎn)生的溫室氣體減排量與土壤固碳量相差不大，各自所占比例均在50%左右。可見，土壤固碳的減排效益占比很大，不容忽視。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大碳庫。土壤有機碳微小的變化，就會影響大氣中溫室氣體的濃度，進而引起全球氣候變化。

3 討論

目前，我國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的核算方法有很多，比如IPCC清單指南的方法、省級溫室氣體清單、利用糞便管理系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣制取并利用生物天然氣溫室氣體減排方法學(xué)等，這些方法都可以單獨用來計算豬糞處理過程的排放或農(nóng)田土壤固碳量，但是糞便循環(huán)利用項目碳減排量的核算方法中，并沒有將兩者一起核算的方法。而本研究中，糞便處理過程排放與農(nóng)田土壤固碳量都是必不可少的。很多學(xué)者認為，土壤固碳量作為碳減排量進行核算是不合理的，原因是土壤固碳中的碳并不是直接來源于大氣，因此，其在土壤中的固定不會對大氣中溫室氣體含量產(chǎn)生影響。但筆者認為，通過使用糞便處理生產(chǎn)的高質(zhì)量有機肥，土壤中的有機質(zhì)含量提高，土壤微環(huán)境改變，進而減少因頻繁耕作而導(dǎo)致的溫室氣體排放。2015年巴黎大會上法國政府提出，每年土壤有機碳儲量提升4‰，20年后即可扭轉(zhuǎn)全球變暖趨勢，因此，在進行糞便循環(huán)利用項目核算時，土壤固碳量核算是必不可少的。

文中部分參數(shù)（如CH4排放因子、N2O排放因子、氮排泄量等）采用了國內(nèi)學(xué)者的研究結(jié)果、或IPCC清單指南、已發(fā)布的方法學(xué)，這些參數(shù)缺省值的適用范圍太廣，對核算結(jié)果有一定的影響，因此，應(yīng)該根據(jù)某養(yǎng)殖場的實際情況進行監(jiān)測，進行深入研究，以期根據(jù)實際情況對這些參數(shù)進行調(diào)整。

4 結(jié)論

（1）養(yǎng)殖場A，B，C，D的糞便循環(huán)利用項目碳減排量分別為 4 284.06，3 683.61，3 858.78，8 354.59 tCO2/年；土壤固碳量分別為 2 006.63，1 595.96，2 082.99，2 691.17 tCO2/年，約占項目減排量的46.84%，43.33%，53.98%，32.21%，可見土壤固碳量對糞便循環(huán)利用項目減排量的貢獻為30%～55%，因此核算土壤固碳量是必不可少的。

（2）養(yǎng)殖場A，B，C，D的糞便循環(huán)利用項目的項目排放量分別為 732.11，671.10，584.60，1 305.61 tCO2e/年，分別占項目基準線排放的24%，24%，25%，19%，可見，改善項目處理過程工藝，能夠大幅降低溫室氣體排放。