奶牛場溫室氣體排放與減排措施

鄭永輝，鞠鑫鑫，孫 輝，郭建斌，董仁杰＊

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083

2 山東中農(nóng)三月環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆綎| 264006

0 引言

實(shí)現(xiàn)國家“碳達(dá)峰、碳中和”減排承諾，需要各行各業(yè)探索適于中國國情的低碳發(fā)展與應(yīng)用技術(shù)。農(nóng)業(yè)活動是非二氧化碳溫室氣體的重要排放來源，其甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）排放分別占全國排量的40.2%和59.5%[1]。畜禽養(yǎng)殖行業(yè)CH4和N2O排放量分別貢獻(xiàn)了其中的58.5%和19.9%[2]。我國奶牛養(yǎng)殖行業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，以規(guī)?；图s化養(yǎng)殖為發(fā)展的主要趨勢[3]，農(nóng)業(yè)活動總排放量為8.3億t CO2當(dāng)量，其中畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放3.45 億t CO2當(dāng)量[1]，按照“國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司”統(tǒng)計數(shù)據(jù)中奶牛腸道發(fā)酵和糞便管理加權(quán)排放因子計算[4]，全國加權(quán)奶牛溫室氣體排放因子為2.6 t CO2當(dāng)量/（頭·年），2018年底奶牛存欄量為1 079.8 萬頭[5]，則全國奶牛養(yǎng)殖排放的溫室氣體約2 805.0 萬t CO2當(dāng)量，占畜禽養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體排放近8.7%。本文梳理了奶牛養(yǎng)殖過程中主要排放源和具體減排措施，為奶牛養(yǎng)殖實(shí)現(xiàn)零碳或低碳發(fā)展提供借鑒。

1 奶牛養(yǎng)殖溫室氣體排放主要環(huán)節(jié)

奶牛養(yǎng)殖過程中的溫室氣體主要來源于奶?；顒雍团鋈粘＿\(yùn)行能源消耗排放。其中，奶?；顒訙厥覛怏w排放主要分為奶牛瘤胃腸道發(fā)酵和糞便管理（圖1）。

圖1 奶?；顒訙厥覛怏w排放

1.1 奶牛活動溫室氣體排放

1.1.1 腸道發(fā)酵

奶牛腸道發(fā)酵CH4排放是指奶牛在正常的代謝過程中，奶牛消化道內(nèi)的微生物發(fā)酵飼料時從奶?？?、鼻和直腸排出體外的CH4。

奶牛的腸道發(fā)酵CH4排放量根據(jù)《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》（以下簡稱《IPCC指南》）推薦的方法學(xué)計算，具體有三種層級方法學(xué)。層級方法1是一種簡化方法，利用《IPCC指南》中給出的缺省排放因子進(jìn)行估算，不確定性較大，不推薦使用。層級方法2根據(jù)特定的奶牛生產(chǎn)特性、飼料種類、采食量、飼料質(zhì)量、消化率等數(shù)據(jù)計算其發(fā)酵CH4排放因子，并考慮不同年齡階段對奶牛腸道發(fā)酵排放的影響。其中采食量和飼料質(zhì)量是影響奶牛腸道發(fā)酵CH4排放的最重要因素。層級方法3是在層級方法2的基礎(chǔ)上由各國自行改進(jìn)或創(chuàng)新以獲得更準(zhǔn)確的計算方法，但目前仍處于研究探索階段。當(dāng)前各國普遍采用層級方法2。

我國國家發(fā)展改革委員會，通過組織來自于各農(nóng)業(yè)大學(xué)、各省畜牧管理總站和農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站調(diào)研的人員，調(diào)研了全國不同區(qū)域65 個典型縣的奶牛生產(chǎn)特性，對獲得的不同飼養(yǎng)方式和飼養(yǎng)階段的奶牛腸道發(fā)酵CH4排放因子和活動水平數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)分析，得到全國加權(quán)奶牛腸道發(fā)酵CH4排放因子為89.7 kg CH4/（頭·年）[4]，該因子比歐美等發(fā)達(dá)國家的奶牛腸道發(fā)酵排放因子低約20%（表1），其主要原因是歐美地區(qū)奶牛的體型大、產(chǎn)奶量高[4]。

1.1.2 糞便管理

奶牛糞便管理排放是指奶牛糞便施入到土壤之前，在對奶牛糞便進(jìn)行收集、貯存和處理過程中，所產(chǎn)生的CH4和N2O排放。

糞便管理的CH4排放在《IPCC指南》中也有三種方法學(xué)。層級方法1根據(jù)氣候區(qū)和溫度劃分的缺省排放因子進(jìn)行估算。層級方法2采用通過統(tǒng)計家畜特性和糞肥管理方式的詳細(xì)資料進(jìn)行排放因子的確定，進(jìn)而計算其排放量。層級方法3同樣是鼓勵各國在層級方法2的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，當(dāng)前仍處于探索階段。

在編制我國溫室氣體排放清單時，國家發(fā)展改革委員會組織調(diào)研人員，根據(jù)各省的溫度和不同糞便管理方式的CH4轉(zhuǎn)化因子結(jié)合各地奶牛飼養(yǎng)方式，計算獲得不同省份各年齡段的奶牛糞便管理CH4排放因子，匯總的全國加權(quán)奶牛糞便管理CH4排放因子為6.9 kg CH4/（頭·年）[4]；相當(dāng)于排放172.5 kg CO2當(dāng)量/（頭·年），由于我國奶牛養(yǎng)殖主要采用干清糞工藝，與國外采用水沖糞和水泡糞工藝相比，不容易產(chǎn)生厭氧環(huán)境[4]，因此排放因子遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家（表1）。

糞便管理的N2O排放在《IPCC指南》雖然也有三種方法學(xué)，但本質(zhì)上都是通過計算總排泄氮量在各環(huán)節(jié)不同管理系統(tǒng)類型的排放因子，進(jìn)而計算系統(tǒng)總排放量。根據(jù)數(shù)據(jù)的采集精度分為三類。在核算中，N2O排放量主要取決于不同管理模式下的N2O排放因子。

依據(jù)《IPCC指南》推薦的方法，根據(jù)我國實(shí)際的奶牛糞便排泄量、不同糞便管理方式的N2O排放因子和各省奶牛糞便管理方式使用比例，我國奶牛糞便管理N2O排放因子全國加權(quán)值為0.74 kg N2O/（頭·年）[4]，相當(dāng)于排放229.4 kg CO2當(dāng)量/（頭·年），該值約為歐美國家奶牛糞便管理N2O排放因子的2 倍。其原因主要是由于糞便管理方式的不同，固然有統(tǒng)計方法差異的問題，但也表明我國奶牛糞便管理排放控制水平有待提升。

1.1.3 單位產(chǎn)奶量溫室氣體排放

國內(nèi)外眾多學(xué)者通過《IPCC指南》推薦的方法學(xué)估算脂肪和蛋白質(zhì)校正奶（Fat and Protein Correcting milk，F(xiàn)PCM）的溫室氣體排放量。原奶換算為FPCM公式如下：

根據(jù)FPCM換算公式和各國生乳標(biāo)準(zhǔn)（表2）得到我國標(biāo)準(zhǔn)奶產(chǎn)量為1 098.6 kg FPCM/（頭·年），結(jié)合IPCC溫室氣體排放數(shù)據(jù)（表1），計算得到我國每生產(chǎn)1 kg FPCM溫室氣體排放為2.41 kg CO2當(dāng)量，與西歐、美國單位產(chǎn)奶量溫室氣體排放量相比（表3），我國奶牛養(yǎng)殖單位FPCM溫室氣體排放仍有巨大減排空間。

表1 不同國家/地區(qū)各環(huán)節(jié)溫室氣體排放因子

表2 各國生乳標(biāo)準(zhǔn)

表3 不同國家/地區(qū)FPCM排放因子

1.2 能源消耗導(dǎo)致的溫室氣體排放

養(yǎng)殖場能源消耗取決于養(yǎng)殖場的設(shè)備工藝水平，包括奶牛場維持正常運(yùn)行的電力消耗和化石燃料燃燒，主要用于畜舍保溫、照明以及供水供料、擠奶、糞污收運(yùn)與處理等相關(guān)的機(jī)械設(shè)備，具體可分為兩部分進(jìn)行計算。電網(wǎng)購入電力耗電排放量可采用生態(tài)環(huán)保部公布的當(dāng)年中國區(qū)域平均排放因子計算[7]。化石燃料燃燒的排放因子可根據(jù)國標(biāo)《GB/T 32151.1 溫室氣體排放核算與報告要求》中的計算方式和參數(shù)推薦值確定。

2 奶牛養(yǎng)殖減排措施

根據(jù)對奶牛養(yǎng)殖溫室氣體排放主要環(huán)節(jié)的分析，奶牛場主要可從減少奶牛腸道發(fā)酵、優(yōu)化糞便管理方式、開發(fā)利用新能源等方面開展減排。

2.1 奶牛育種與飼喂優(yōu)化

提高飼料質(zhì)量和轉(zhuǎn)化效率是降低奶牛溫室氣體排放的重要方式，這將影響腸道發(fā)酵的排放系數(shù)和糞污中剩余的營養(yǎng)成分。主要的方式：（1）采用優(yōu)質(zhì)青貯飼料，有利于提高奶牛采食量和飼料消化率[8]，進(jìn)而降低了溫室氣體排放因子。（2）合理使用飼料添加劑，可以有效調(diào)控奶牛瘤胃發(fā)酵，促進(jìn)體內(nèi)微生態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)而提高飼料轉(zhuǎn)化率及氮的利用率，降低糞尿污染量[9]。（3）配置優(yōu)良的TMR全混合日糧，相比傳統(tǒng)的精粗分飼飼養(yǎng)方式，可有效提高奶牛乳脂率和產(chǎn)奶量10%以上[10]，單位產(chǎn)奶量可實(shí)現(xiàn)減排約8%。（4）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)改善飼喂方式，先粗后精、先粗后多次添加精料；牧草粉碎和制粒，滿足營養(yǎng)調(diào)控方面的需求，在提升飼料轉(zhuǎn)化率基礎(chǔ)上降低奶牛養(yǎng)殖中的糞尿污染。（5）利用疫苗驅(qū)蟲或抑制產(chǎn)甲烷菌劑降低奶牛腸道發(fā)酵。

2.2 高效糞污管理

對奶牛糞便進(jìn)行有效管理是降低奶牛場溫室氣體排放的關(guān)鍵，具體可分為以下兩個方面：

一是在糞污收集階段，優(yōu)先使用干清糞技術(shù)[11]減少糞污的產(chǎn)出量，可采用固定鏈?zhǔn)焦渭S板、機(jī)械鏟車、清糞罐車和滑移裝載機(jī)[12]等清糞工藝減少液體糞污的產(chǎn)出。同時通過增加清糞頻率可降低糞便在養(yǎng)殖區(qū)域滯留時間，進(jìn)而減少糞便處理前的溫室氣體產(chǎn)生量。

二是在糞污處理利用階段，可以通過好氧堆肥技術(shù)進(jìn)行無害化處理實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥料的產(chǎn)出，或者可以通過厭氧發(fā)酵工藝同步實(shí)現(xiàn)無害化處理、生產(chǎn)CH4和沼肥等[13]。翻堆堆肥相對于傳統(tǒng)的糞污儲存可實(shí)現(xiàn)CH4減排71%，N2O排放可實(shí)現(xiàn)減排約49%[14]。厭氧發(fā)酵可將糞污中的易降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣，作為清潔能源供給奶牛場運(yùn)行所需，進(jìn)而減少奶牛場外部的能源投入，沼氣利用全過程中CH4泄漏可控制在總產(chǎn)氣的1.0%以下[15]，減污降碳效果顯著。根據(jù)《2019年全國農(nóng)產(chǎn)品成本資料收益匯編》[16]，我國規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場平均電量消費(fèi)水平約600 kW·h/（頭·年），根據(jù)《IPCC指南》方法估算一頭奶牛年產(chǎn)糞便的沼氣生產(chǎn)潛力約800 m3，發(fā)電潛力達(dá)到1 600 kW·h/（頭·年），即養(yǎng)殖場所有電力可由沼氣工程發(fā)電全部提供。另外，養(yǎng)分、不易降解有機(jī)物、腐殖酸和植物激素等有益物質(zhì)存留在沼液沼渣中可作為農(nóng)用，沼液沼渣還田增加土壤有機(jī)質(zhì)提高耕地質(zhì)量，促進(jìn)土壤固碳。

2.3 優(yōu)化畜舍養(yǎng)殖環(huán)境

奶牛生產(chǎn)性能有20%～30%取決于所處的環(huán)境[17]。良好的飼養(yǎng)環(huán)境可以提高奶牛免疫力、日增重與飼料轉(zhuǎn)化率[18]。當(dāng)環(huán)境溫度降到5 ℃時，飼料消耗量增加7%；當(dāng)環(huán)境溫度降到-10 ℃時，飼料消耗量增加20%[19，20]。環(huán)境溫度為29.7 ℃和31.4 ℃時，奶牛平均直腸溫度為39 ℃（輕度體溫過高）和39.5 ℃（體溫過高）[21]，奶牛產(chǎn)奶量受到嚴(yán)重影響。在生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)奶牛養(yǎng)殖場本身容納力與實(shí)際環(huán)境情況，控制牛舍養(yǎng)殖規(guī)模，保證飼養(yǎng)空間，同時采用低碳建筑材料，封閉式奶牛養(yǎng)殖場在冬季保證牛舍溫度的同時，定期進(jìn)行牛舍通風(fēng)換氣以保持舍內(nèi)空氣清新，改善養(yǎng)殖場的飼養(yǎng)環(huán)境，有助于提升奶牛生產(chǎn)性能，增加飼料轉(zhuǎn)化率，間接減少奶牛養(yǎng)殖過程中溫室氣體的排放。

2.4 低碳農(nóng)機(jī)與新能源的開發(fā)與利用

奶牛養(yǎng)殖配套的機(jī)械設(shè)備以柴油為主要燃料，在工作時會產(chǎn)生大量溫室氣體排放，據(jù)統(tǒng)計，非種養(yǎng)結(jié)合養(yǎng)殖場（non-IPBS）和種養(yǎng)結(jié)合奶牛場（IPBS）中每產(chǎn)1 t FPCM，所需電量分別為108.577 kW·h和114.335 kW·h，所耗柴油分別為2.773 L和2.733 L[22]。利用清潔電能替代傳統(tǒng)的化石能源，可極大降低溫室氣體排放。現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械新能源的重點(diǎn)研究對象就是電能的利用，電動農(nóng)機(jī)的能量利用率高，節(jié)能效果明顯，比燃油農(nóng)機(jī)節(jié)能高達(dá)70%左右，能源費(fèi)用可節(jié)省50%左右[23]。目前已有電動農(nóng)機(jī)應(yīng)用在田間管理作業(yè)過程[24]，但養(yǎng)殖場電動農(nóng)用機(jī)械（飼料運(yùn)輸、糞污管理）需要進(jìn)一步研究和開發(fā)，以便于從根本上降低碳排放。另外，養(yǎng)殖場可利用場內(nèi)屋頂面積開發(fā)利用光伏資源，增強(qiáng)養(yǎng)殖場清潔能源替代供給能力。

3 結(jié)語

我國奶牛養(yǎng)殖具有極大的減排空間，通過在奶牛養(yǎng)殖過程中采用高效飼喂與糞污管理，舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控、清潔能源替代等溫室氣體減排技術(shù)等，可有效實(shí)現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖場溫室氣體減排。低碳乃至零碳奶牛養(yǎng)殖戰(zhàn)略將有效促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖行業(yè)可持續(xù)發(fā)展并助力我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。