基于IPCC方法的新疆畜禽溫室氣體排放時(shí)空分析

韋良煥，林 寧，張勝楠，莫治新

(喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆生物類(lèi)固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844006)

畜禽溫室氣體排放主要包括畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中腸道發(fā)酵甲烷排放、畜禽糞便管理過(guò)程中甲烷和氧化亞氮排放。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球每年畜禽養(yǎng)殖排放的溫室氣體約占全球溫室氣體排放的18%，其中反芻動(dòng)物中牛的排放量最高[1]。目前國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者對(duì)畜禽溫室氣體排放進(jìn)行了大量研究，一方面針對(duì)畜禽溫室氣體排放及減排技術(shù)、研究進(jìn)展等進(jìn)行的總結(jié)[2-4]；另一方面是采用不同的研究方法和模型對(duì)畜禽溫室氣體時(shí)空特征的變化進(jìn)行核算、預(yù)測(cè)和分析。姚成勝[5]、陳蘇[6]、陳瑤[7]、郭嬌[8]從不同角度分別對(duì)中國(guó)畜牧業(yè)、畜禽養(yǎng)殖溫室氣體排放的變化、影響因素、排放效率以及峰值進(jìn)行了研究和預(yù)測(cè)；黑龍江[9]、湖北[10-11]、江蘇[12]、四大牧區(qū)[13]、[20]、北京[14]、沈陽(yáng)[15]、呼和浩特[16]等區(qū)域畜禽溫室氣體排放特征及減排研究，為區(qū)域畜牧業(yè)的低碳及綠色發(fā)展提供了理論支撐。新疆是我國(guó)四大牧區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候干燥、植被稀少，對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)較為敏感[17]。隨著新疆畜牧業(yè)的快速發(fā)展，大量畜禽糞便的不合理利用將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)新疆的生態(tài)環(huán)境和氣候變化造成很大的壓力。本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)新疆1980～2016年期間畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中溫室氣體排放的時(shí)空特征進(jìn)行分析和研究，以期為其畜牧業(yè)溫室氣體減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

新疆屬溫帶大陸性干旱氣候，溫差大，光照足，降水量少，作為我國(guó)畜牧業(yè)五大產(chǎn)區(qū)之一，新疆草地資源和畜種資源都十分豐富[18]。目前，新疆有 87 個(gè)縣(市)，其中，牧業(yè)縣 22 個(gè),半農(nóng)半牧縣 16 個(gè),農(nóng)業(yè)縣 49 個(gè)；從事牧業(yè)人口有 135.71 萬(wàn)人，占鄉(xiāng)村總?cè)丝诘?12.6%；現(xiàn)有牧場(chǎng) 130 個(gè)；新疆天然草地面積 8.6 億畝，占全國(guó)草地總面積的 14.6%，僅次于西藏和內(nèi)蒙古自治區(qū)[19]。為新疆發(fā)展現(xiàn)代化畜牧業(yè)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。但是新疆畜牧業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不合理，規(guī)?；B(yǎng)殖程度不高，大比例、小規(guī)模的分散飼養(yǎng)大多都是傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式，生產(chǎn)設(shè)施不到位，管理粗放，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境差等都成為新疆畜牧業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的制約因素[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽腸道甲烷及糞便管理甲烷排放 畜禽腸道發(fā)酵及糞便管理甲烷排放計(jì)算公式為：

Eae=∑(EFae·i×APi×10-3)

(1)

式中：Eae為腸道發(fā)酵或糞便管理溫室氣體( 以CH4計(jì)) 排放量(104t·a-1) ；EFae.i為i類(lèi)牲畜的排放因子( 以 CH4計(jì)) ( kg/頭/a) ，如表1所示，其中奶牛、非奶牛、綿羊及山羊的排放因子取自規(guī)?；曫B(yǎng)、農(nóng)戶散養(yǎng)以及放牧飼養(yǎng)的平均值；APi為 i 類(lèi)牲畜的頭數(shù)(104只) ，研究對(duì)象包括牛、馬、驢、騾、豬、羊以及駱駝。

1.2.2 畜禽糞便管理氧化亞氮排放 畜禽糞便管理氧化亞氮排放計(jì)算公式為：

Eem=∑(EFi×APi×10-3)

(2)

式中：Eem為糞便管理溫室氣體( 以N2O計(jì)) 排放量(104t·a-1) ；EFi為i類(lèi)牲畜的排放因子( 以 N2O計(jì)) (kg/頭/a)，如表1所示；APi為 i 類(lèi)牲畜的頭數(shù)(104只) ，研究對(duì)象包括牛、馬、驢、騾、豬、羊以及駱駝。

表1 畜禽甲烷和氧化亞氮排放因子Fig. 1 Emission factors of CH4 and N2O for livestock

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

新疆畜禽數(shù)量通過(guò)查閱《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得，計(jì)算中涉及的排放因子均來(lái)自《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》，由于牛的數(shù)量并未分奶牛還是非奶牛，本文采用奶牛和非奶牛的平均值進(jìn)行計(jì)算。另外，為了計(jì)算新疆畜禽溫室氣體排放總量以及對(duì)不同溫室氣體的來(lái)源進(jìn)行比較，根據(jù)增溫潛勢(shì)，將CH4和N2O轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量，分別乘以轉(zhuǎn)化系數(shù)25和298。

2.2 新疆畜禽養(yǎng)殖數(shù)量年變化

從1980～2016年新疆畜禽養(yǎng)殖數(shù)量來(lái)看(圖1)，新疆畜禽養(yǎng)殖主要以羊、牛為主，這主要是因?yàn)樾陆鳛槲覈?guó)的第二大少數(shù)民族牧區(qū)，其畜牧業(yè)主要以羊、牛的養(yǎng)殖為主。羊的數(shù)量從1980年的1927.34×104只增加到2006年的4359.5×104只，2007年開(kāi)始有所回落，之后2011年又開(kāi)始緩慢上升，到2016年羊的養(yǎng)殖數(shù)量為3915.7×104只，增幅為107.31%，年均增長(zhǎng)2.05%。新疆羊的養(yǎng)殖主要包括綿羊和山羊，其中以綿羊?yàn)橹?，占羊的總?shù)的81.53%～86.96%。其次是牛，牛的數(shù)量變化趨勢(shì)與羊的變化趨勢(shì)幾乎相同，從1980年的222.39×104頭持續(xù)增加到2005年的504.16×104頭，2006年開(kāi)始下降，之后從2011年又開(kāi)始逐年增加至2016年的408.2×104頭，增幅為78.47%，年均增長(zhǎng)1.62%。然后是豬，豬的養(yǎng)殖數(shù)量從1978年到1985年略有下降，從1990年開(kāi)始養(yǎng)殖數(shù)量變化趨勢(shì)與羊、牛的相似。最后是驢、馬、駱駝和騾，其數(shù)量變化趨勢(shì)都比較平穩(wěn)，沒(méi)有大幅度的增加或減少。

2.3 新疆畜禽溫室氣體排放時(shí)間變化

2.3.1 新疆畜禽溫室氣體排放及構(gòu)成 從新疆畜禽溫室氣體排放總量來(lái)看(圖2)，新疆畜禽溫室氣體總的變化趨勢(shì)與畜禽數(shù)量的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)波動(dòng)升高，可以分為三個(gè)階段：第一階段是1980～2005年直線增長(zhǎng)階段，從1980年的1224.01×104tCO2-eq增加到2005年的2380.39×104tCO2-eq，達(dá)到高峰，增幅為94.48%，年均增長(zhǎng)2.70%；第二階段是2006～2011年溫室氣體降低階段，從2006年的2377.81×104tCO2-eq降低到2011年的1597.60×104tCO2-eq，降幅為32.81%；第三階段又開(kāi)始上升，從2012年的1849.13×104tCO2-eq上升到2016年的2032.80×104tCO2-eq，增幅為66.08%，年均增長(zhǎng)1.42%。

圖1畜禽養(yǎng)殖數(shù)量變化
Fig. 1 The change of livestock population

圖2畜禽溫室氣體排放量變化
Fig. 2 The change of GHGs emission from livestock

從新疆畜禽溫室氣體排放的構(gòu)成來(lái)看(圖2)，畜禽甲烷排放量占總排放量的88%，其中畜禽腸道發(fā)酵甲烷排放是新疆畜禽溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者，占溫室氣體排放總量的84%；其次為畜禽糞便管理氧化亞氮，占溫室氣體排放總量的12%；畜禽糞便管理甲烷所占的比例最小，只有4%。

2.3.2 新疆畜禽腸道發(fā)酵甲烷排放量變化 從圖3可以看出，新疆畜禽腸道發(fā)酵甲烷排放量從1980年41.25×104t增加到2005年80.30×104t達(dá)到高峰之后，開(kāi)始下降到2011年的53.89×104t，之后又開(kāi)始上升至2016年的68.39×104t，變化趨勢(shì)和新疆畜禽數(shù)量變化以及溫室氣體排放總量變化趨勢(shì)一致，從1980～2016年增幅為65.78%，年均增長(zhǎng)為1.41%。其中以反芻動(dòng)物牛和羊腸道發(fā)酵甲烷排放最多，且逐年增長(zhǎng)，從1980年的20.08×104t和17.40×104t分別增加到2016年32.70×104t和32.39×104t，增幅分別為62.86%和86.23%，尤其是山羊的增幅比例，達(dá)到98.46%。其次是馬和驢，但其腸道發(fā)酵甲烷排放呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別從1980年的1.92×104t和1.09×104t下降到2016年的1.60×104t和0.55×104t，馬占總腸道發(fā)酵甲烷排放量從4.66%下降到2.34%，驢從2.64%下降到0.79%；最后依次是駱駝、豬和騾。駱駝和豬的甲烷排放量從1980～2016年緩慢增加，而騾呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。以2016年為例，它們腸道發(fā)酵甲烷排放量分別為0.84×104t、0.29×104t和0.008×104t，分別占到總量的1.22%、0.43%和0.01%。

2.3.3 新疆畜禽糞便管理甲烷排放量變化 新疆畜禽糞便管理甲烷排放量從1980年的1.95×104t波動(dòng)增加到2016年3.38×104t，增幅為73.44%，年均增長(zhǎng)1.54%。從圖4可以看出，畜禽糞便管理甲烷排放中仍然以牛和羊?yàn)橹鳎?980～2016年牛的糞便管理甲烷排放的百分比從50%波動(dòng)下降到46.98%，羊的從33.69%波動(dòng)上升到36.38%；其次是豬和馬，1980年這兩類(lèi)畜禽糞便管理甲烷排放的百分比分別為5.98%和5.96%，之后馬的糞便管理甲烷排放的百分比不斷降低至2016年的2.86%，而豬的糞便管理甲烷排放百分比波動(dòng)上升至2016年的12.11%；最后依次是驢、駱駝和騾，2016年糞便管理甲烷排放百分比分別為0.96%、0.69%和0.01%。

圖3畜禽腸道甲烷排放量變化
Fig. 3 The change of CH4emission from enteric fermentation

2.3.4 新疆畜禽糞便管理氧化亞氮排放 新疆畜禽糞便管理N2O排放量從1980年的0.48×104t波動(dòng)增加到2016年0.80×104t(圖5)，增幅為65.73%，年均增長(zhǎng)1.41%。從圖5可以看出，牛和羊的糞便管理N2O為主要貢獻(xiàn)者。牛的糞便管理N2O排放從1980年的0.24×104t增加到2016年0.41×104t，增幅為62.86%，年均增長(zhǎng)為1.36%，占氧化亞氮排放量的50%～55%；羊的糞便管理N2O排放從1980年0.16×104t增加到2016年0.29×104t，增幅為85.98%，年均增長(zhǎng)1.74%，占N2O排放量的32%～37%。其次是馬、驢、豬、駱駝和騾。馬、驢和騾的N2O排放量逐年下降，而豬和駱駝逐年上升，到2016年豬糞便管理的N2O排放量為0.06×104t，而馬下降到0.03×104t，驢下降到0.01×104t，駱駝為0.006×104t。由于騾的氧化亞氮排放量占總的排放量的百分比非常小，2016年僅占氧化亞氮排放量的0.02%，未列出。

2.4 新疆畜禽溫室氣體排放空間變化

從表2中可以看出，溫室氣體排放量最多的依次是伊犁州直屬縣(市)、喀什地區(qū)、塔城地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、昌吉回族自治州、阿勒泰地區(qū)和和田地區(qū)；其次是巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?、博爾塔拉蒙古自治州、哈密地區(qū)、烏魯木齊市和吐魯番市；最少的是克拉瑪依市。研究結(jié)果表明新疆畜禽溫室氣體排放區(qū)域差異性很大。在各區(qū)域溫室氣體排放的構(gòu)成中腸道發(fā)酵甲烷的排放仍然是各地、州畜禽溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)者，其次是糞便管理氧化亞氮的排放，最后是糞便管理甲烷排放；以伊犁州直屬縣(市)為例，畜禽腸道發(fā)酵甲烷排放占畜禽溫室氣體排放總量83.69%，糞便管理氧化亞氮排放占12.24%，糞便管理甲烷排放僅占4.07%。

表2 2015年新疆畜禽溫室氣體排放空間變化Tab 2 The spatial change of GHGs emissions from livestock and poultry in Xinjiang in 2015 104tCO2-eq

3 討 論

本文利用IPCC提供的方法估算了新疆畜禽溫室氣體的排放。一方面畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中不同的飼養(yǎng)方式、年齡、體重以及不同的飼料喂養(yǎng)等使其腸道甲烷的排放因子均是不同的，即使是同一物種不同種類(lèi)甲烷和氧化亞氮的排放因子也是不一樣的，而本文在計(jì)算的過(guò)程中均取了平均值；另一方面由于畜禽糞便不同的管理方式、不同的特性以及氣候條件都會(huì)影響其甲烷和氧化亞氮的排放，本文在這方面沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的分類(lèi)，這些在一定程度上都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定誤差和不確定性。

畜牧業(yè)作為新疆的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是新疆農(nóng)業(yè)重要的組成部分，也是農(nóng)牧民的主要經(jīng)濟(jì)收入來(lái)源之一。近幾年，隨著西部大開(kāi)發(fā)的穩(wěn)步推進(jìn)及“一帶一路”戰(zhàn)略的順利實(shí)施，給新疆畜牧業(yè)發(fā)展也帶來(lái)前所未有的機(jī)遇，同時(shí)畜牧業(yè)在迅速發(fā)展的過(guò)程中給全球氣候變暖帶來(lái)的影響也絕對(duì)不可忽視。新疆維吾爾自治區(qū)一方面通過(guò)科學(xué)的、規(guī)?；酿B(yǎng)殖方式來(lái)提高畜禽養(yǎng)殖效率[13]；另一方面也要對(duì)產(chǎn)生的大量畜禽糞便進(jìn)行資源化和無(wú)害化處理，這樣不僅可以減輕溫室氣體的排放，而且還可以實(shí)現(xiàn)畜禽糞便資源化利用，實(shí)現(xiàn)新疆畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本文從時(shí)間尺度和空間尺度兩方面對(duì)新疆畜禽溫室氣體排放進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在時(shí)間尺度上新疆畜禽溫室氣體排放總量呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，與畜禽數(shù)量變化趨勢(shì)一致；同時(shí)在畜禽溫室氣體排放構(gòu)成中以畜禽腸道甲烷的排放為主，其次是畜禽糞便管理氧化亞氮的排放，最后是畜禽糞便管理甲烷的排放。在空間尺度上新疆14個(gè)地(州、市)畜禽溫室氣體的排放以伊犁州直屬縣(市)畜禽溫室氣體排放量最多，克拉瑪依市最少，且兩者相差較大，說(shuō)明新疆畜禽溫室氣體排放的空間差異較大。