鞠鑫鑫, 郭建斌, 楊守軍, 孫 輝, 董仁杰*
(1. 山東中農(nóng)三月環(huán)保科技股份有限公司, 山東 煙臺(tái) 264006; 2. 國(guó)家級(jí)生物質(zhì)能科學(xué)與技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部可再生能源清潔化利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳中和研究中心, 北京 100083; 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院, 山東 煙臺(tái) 264670)
聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織報(bào)告顯示,全球農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體排放中,畜牧生產(chǎn)(腸道發(fā)酵和糞便管理利用)相關(guān)排放占比達(dá)67%[1];我國(guó)2014年畜牧生產(chǎn)占農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體排放的42%[2]。全球畜牧生產(chǎn)產(chǎn)生的甲烷量占人類(lèi)活動(dòng)排放甲烷總量的32%[3],其中2017年僅奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)生的溫室氣體(甲烷為主)即達(dá)到約5.99億噸二氧化碳當(dāng)量(CO2e)[4],約占全球畜牧生產(chǎn)甲烷排放的17.6%。
在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)納入我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)整體布局的時(shí)代背景下,分析奶牛養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體排放及減排具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。2008年,我國(guó)國(guó)家發(fā)改委應(yīng)對(duì)氣候變化司依據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)提出的《IPCC 2006年國(guó)家溫室氣體清單指南》(下文簡(jiǎn)稱(chēng)《IPCC指南2006》)[5],結(jié)合我國(guó)奶牛養(yǎng)殖情況分別提供了全國(guó)奶牛腸道發(fā)酵甲烷加權(quán)排放因子和糞便管理的甲烷及氧化亞氮加權(quán)排放因子,鄭永輝[6]等在此基礎(chǔ)上核算了全國(guó)奶牛腸道發(fā)酵和糞便管理的綜合排放因子為2.6 tCO2e·頭-1a-1,但是隨著溫室氣體排放核算方法學(xué)的完善以及我國(guó)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模和工藝技術(shù)的改進(jìn),上述因子已不能準(zhǔn)確反應(yīng)我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的溫室氣體排放現(xiàn)狀;近年來(lái),很多學(xué)者基于生命周期視角,開(kāi)展了奶牛養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)研究,例如王效琴[7]等應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)法,分析了西安郊區(qū)典型規(guī)模化奶牛場(chǎng)的奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)溫室氣體排放特點(diǎn)和排放量;白玫[8]等評(píng)估了北京規(guī)?;膛pB(yǎng)殖企業(yè)溫室氣體排放情況;黃顯雷[9]等研究了基于生命周期視角的種養(yǎng)一體化奶牛場(chǎng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估,但是這些研究主要集中于牛奶產(chǎn)品碳足跡或養(yǎng)殖場(chǎng)整體經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益,很少聚焦于奶牛產(chǎn)業(yè)溫室氣體排放本身。同時(shí)現(xiàn)有文獻(xiàn)中也普遍存在核算方法更新不及時(shí),相關(guān)參數(shù)或排放因子陳舊等問(wèn)題。
以《IPCC指南2006》[5]和《IPCC 2006年國(guó)家溫室氣體清單指南2019修訂版》(下文簡(jiǎn)稱(chēng)《IPCC指南2019修訂版》)[10]為基礎(chǔ),結(jié)合IPCC第五次報(bào)告[11]以及我國(guó)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),參考國(guó)內(nèi)外最新研究成果,對(duì)不同糞污處理情境下一頭成年奶牛年溫室氣體排放情況進(jìn)行了核算,以期厘清我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)有溫室氣體排放水平、為規(guī)劃奶牛養(yǎng)殖業(yè)減排路徑提供指導(dǎo),助力我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)程。
核算邊界包括:飼料生產(chǎn)加工系統(tǒng)(飼料種植基地、運(yùn)輸及飼料加工)、奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)(牛舍、擠奶廳)和糞污管理利用系統(tǒng)。主要溫室氣體排放源包括:奶牛飼料消費(fèi)帶來(lái)的排放(飼料種植和運(yùn)輸過(guò)程排放);腸道發(fā)酵CH4排放;養(yǎng)殖場(chǎng)化石能源排放;養(yǎng)殖場(chǎng)外購(gòu)電力排放;糞便管理過(guò)程CH4及N2O排放;糞污處理與循環(huán)利用中能源替代、化肥替代產(chǎn)生的減排以及有機(jī)質(zhì)還田產(chǎn)生的土壤碳匯。
《IPCC指南2006》[5]規(guī)定了溫室氣體排放量核算方法:排放=AD×EF。其中AD為活動(dòng)數(shù)據(jù);EF為排放因子?;顒?dòng)數(shù)據(jù)優(yōu)先選用國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或相關(guān)部門(mén)公布數(shù)據(jù)[12-14],其次選用調(diào)研數(shù)據(jù),再次選用文獻(xiàn)數(shù)據(jù),最后選用IPCC缺省數(shù)據(jù)。飼料種植排放因子來(lái)自國(guó)內(nèi)近年的文獻(xiàn)和學(xué)位論文;腸道甲烷和糞便管理排放因子來(lái)自《IPCC指南2006》[5]和《IPCC指南2019修訂版》[10];飼料運(yùn)輸和養(yǎng)殖場(chǎng)化石能源排放因子分別按照《陸上交通運(yùn)輸企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》[15]、《中國(guó)食品、煙草及酒、飲料和精制茶企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南(試行)》[16]計(jì)算;養(yǎng)殖場(chǎng)外購(gòu)電力排放因子選用全國(guó)電網(wǎng)平均排放因子[17]。
2.1.1 奶牛干物質(zhì)采食量需求
根據(jù)《IPCC指南2019修訂版》[10],成年奶牛干物質(zhì)采食量為:
DMI=0.0185×BW+ 0.305×(0.4324×M+16.216×F)
(1)
式中:DMI為干物質(zhì)采食量,kg·頭-1d-1;BW為奶牛體重,按六大區(qū)產(chǎn)奶牛單體重的簡(jiǎn)單均值[12],取621 kg ·頭-1;M、F分別為鮮奶產(chǎn)量和乳脂量,kg·頭-1d-1。
我國(guó)成年奶牛產(chǎn)奶水平為7800 kg·頭-1a-1[18],鮮奶乳脂率3.4%[19],折脂肪校正奶產(chǎn)量約21 kg ·頭-1d-1;則我國(guó)成年奶牛干物質(zhì)采食量需求為6.53 t·頭-1a-1。
2.1.2 飼料成分及配比
按成年奶牛飼料中,不同成分干物質(zhì)占比分別為:青貯玉米40%、玉米29.5%、麩皮15.1%、豆粕12.9%、營(yíng)養(yǎng)鹽(食鹽、碳酸鈣、磷酸氫鈣等)1.5%、預(yù)混料(維生素、微量元素等)1%[20-21],核算奶牛飼料消費(fèi)帶來(lái)的溫室氣體間接排放量。
2.1.3 飼料種植過(guò)程產(chǎn)生的排放
飼料種植的溫室氣體排放環(huán)節(jié)主要包括化肥生產(chǎn)、氮肥施用田間排放、灌溉和農(nóng)機(jī)能耗及殘余作物排放。按成年奶牛干物質(zhì)采食量6.53 t·頭-1a-1,結(jié)合奶牛飼料成分配比,核算一頭成年奶牛所需飼料種植過(guò)程溫室氣體排放量為2.742 tCO2e·a-1(見(jiàn)表1)。
2.1.4 飼料運(yùn)輸?shù)呐欧?/p>
我國(guó)一頭成年奶牛所需的飼料原料運(yùn)輸質(zhì)量為14.88 t·a-1(見(jiàn)表1)。假定平均運(yùn)輸距離為50km[9,23],運(yùn)輸車(chē)輛類(lèi)型為大貨車(chē)(載重≥20 t,百公里油耗35 L)[15],則一頭成年奶牛養(yǎng)殖過(guò)程飼料運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放量約0.034 tCO2e·a-1(見(jiàn)表2)。
表1 一頭成年奶牛飼料消費(fèi)量及其帶來(lái)的飼料種植過(guò)程溫室氣體排放
表2 一頭成年奶牛飼料消費(fèi)帶來(lái)的交通運(yùn)輸溫室氣體排放量
基于國(guó)家或者區(qū)域?qū)用娼y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的奶牛腸道甲烷排放因子[10]:
(2)
式中:EF腸道為奶牛腸道甲烷排放因子, kgCH4·頭-1a-1;DMI為奶牛干物質(zhì)采食量, kg ·頭-1d-1;MY為甲烷產(chǎn)生系數(shù), g CH4·kg-1DMI,取值19~21.4[10],此處取21。按照產(chǎn)奶量7800 kg·頭-1a-1[18]、干物質(zhì)采食量6.53 t·頭-1a-1,核算我國(guó)成年奶牛腸道甲烷排放量為137.13 kgCH4·頭-1a-1,即排放3.84 tCO2e·頭-1a-1。
奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的資源、能源消費(fèi)包括水、電和化石燃料等,其中溫室氣體排放主要來(lái)自能源消費(fèi)(外購(gòu)電力和化石燃料燃燒)。根據(jù)《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本資料收益匯編2019》[13]及2018~2019年度我國(guó)能源市場(chǎng)價(jià)位情況,核算我國(guó)一頭成年奶牛能源消費(fèi)相關(guān)溫室氣體排放量約0.622 tCO2e·a-1(見(jiàn)表3)。
表3 一頭成年奶牛能源消費(fèi)相關(guān)溫室氣體排放量
2.4.1 奶牛排污情況
糞便管理過(guò)程CH4和N2O的排放量與糞污中揮發(fā)性固體(VS)含量、氮含量及糞便管理方式密切相關(guān)。成年奶牛的產(chǎn)污系數(shù)取我國(guó)不同區(qū)域產(chǎn)奶牛產(chǎn)污系數(shù)的簡(jiǎn)單均值,即一頭產(chǎn)奶牛每天產(chǎn)生糞便、尿液和全氮量分別為30.3 kg、14.8 L和250.04 g[12]。鮮糞含固率、總固體中VS占比及總有機(jī)碳含量按表4取值。
表4 奶牛糞便性質(zhì)統(tǒng)計(jì)
2.4.2 奶牛糞便管理系統(tǒng)的CH4排放
根據(jù)《IPCC指南2019修訂版》[10],糞便管理系統(tǒng)甲烷排放因子計(jì)算公式為:
EFCH4=VS×365×B0×0.67×∑S(MCFS×AWMSS)
(3)
式中:EFCH4為糞便管理系統(tǒng)的甲烷排放因子,kgCH4·頭-1a-1;VS為奶牛產(chǎn)生的糞污中揮發(fā)性干物質(zhì)量,kg·頭-1d-1; 365是計(jì)算VS產(chǎn)量的系數(shù),即一年排污的天數(shù);B0為奶牛糞便產(chǎn)甲烷潛力, m3CH4·kg-1VS; 0.67為甲烷密度,kg·m-3;S為糞便管理系統(tǒng)類(lèi)別;MCFS為糞便管理系統(tǒng)S的甲烷轉(zhuǎn)化因子;AWMSS為糞便管理系統(tǒng)S處理奶牛糞便的比例。
根據(jù)奶牛排污情況,忽略糞污收運(yùn)過(guò)程的損失以及尿液中VS的含量,核算我國(guó)成年奶牛VS產(chǎn)量為4.466 kg·頭-1d-1。結(jié)合《IPCC指南2019修訂版》[10]提供的B0和MCF缺省值,可得我國(guó)一頭成年奶牛糞便管理過(guò)程甲烷排放情況如表5。敞口厭氧塘模式下,CH4排放量最高,約5.504 tCO2e·頭-1a-1;堆肥和沼氣工程糞污處理模式與敞口厭氧塘模式相比可實(shí)現(xiàn)甲烷減排90%以上,其中集約化強(qiáng)制通風(fēng)堆肥模式及沼液密閉貯存的沼氣工程糞污處理模式下奶牛糞便管理甲烷排放量最低,僅為0.073 tCO2e·頭-1a-1。
表5 不同糞便管理方式下一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污甲烷排放情況
2.4.3 奶牛糞便管理系統(tǒng)的N2O排放
糞便管理系統(tǒng)的N2O排放因子計(jì)算公式[10]如下:
(4)
(5)
(6)
式中:EFN2O-D為N2O直接排放因子,kgN2O ·頭-1a-1;EFN2O-G為揮發(fā)引起的N2O間接排放因子,kgN2O ·頭-1a-1;EFN2O-L為淋溶和徑流引起的N2O間接排放因子, kgN2O ·頭-1a-1;AWMSS為糞便管理系統(tǒng)S處理的奶牛糞便所占比例;Nex為1頭奶牛每年N量排泄, kgN·頭-1a-1,根據(jù)我國(guó)奶牛排污情況取值91.26;EF3,S為糞便管理系統(tǒng)S中,奶牛排泄N的N2O直接轉(zhuǎn)化因子,kgN2O-N·kg-1排泄N;FracG,S為糞便管理系統(tǒng)S中揮發(fā)N占比;EF4,S為糞便管理系統(tǒng)S中揮發(fā)N的N2O轉(zhuǎn)化因子,kgN2O-N·kg-1揮發(fā)N;FracL,S為糞便管理系統(tǒng)S中淋溶和徑流N占比;EF5,S為糞便淋溶和徑流N的N2O轉(zhuǎn)化因子, kgN2O-N·kg-1淋溶和徑流N; 44/28是將N2O-N排放量轉(zhuǎn)換為N2O排放的系數(shù)。
公式(4)~(6)中參數(shù)取《IPCC指南2019修訂版》[10]中的缺省值。固體堆貯模式下奶牛糞便N2O排放量最高,約為0.502 tCO2e·頭-1a-1;沼氣工程糞污處理模式下N2O排放量最低,僅為0.04~0.06 tCO2e·頭-1a-1(見(jiàn)表6)。
表6 不同糞便管理方式下一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污N2O排放情況
2.4.4 糞便管理系統(tǒng)溫室氣體總排放
綜合考慮CH4和N2O排放情況,核算不同糞便管理模式下一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污的溫室氣體排放情況如表7。敞口厭氧塘糞污管理模式下,溫室氣體排放量最高達(dá)到5.637 tCO2e·頭-1a-1;沼液密閉貯存模式下的沼氣工程糞污處理溫室氣體排放最低,僅為0.115 tCO2e·頭-1a-1,與敞口厭氧塘模式相比,實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排98%左右,其中甲烷減排貢獻(xiàn)占98.3%,氧化亞氮減排貢獻(xiàn)占1.7%。
表7 不同糞便管理模式下一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污溫室氣體排放情況
2.5.1 糞肥、沼液沼渣還田替代化肥
奶牛糞便中含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素,糞污處理后還田,可替代化肥,減少化肥生產(chǎn)過(guò)程的溫室氣體排放[30]。表8和表9顯示我國(guó)一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污中的養(yǎng)分含量折算化肥有效成分約0.185 t,替代化肥減排潛力可達(dá)0.604 tCO2e·a-1。
表8 一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污中的養(yǎng)分含量及化肥替代潛力
表9 一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污利用替代化肥生產(chǎn)減排潛力
奶牛糞便處理后還田替代化肥的減排潛力中95%左右來(lái)自氮肥替代??紤]不同糞便管理模式下N2O直接轉(zhuǎn)化因子(EF3)、揮發(fā)N占比(FracG)和淋溶及徑流N占比(FracL),核算不同糞便管理模式下奶牛糞肥或沼液沼渣還田替代化肥生產(chǎn)的減排效益如表10。由于沼氣工程處理過(guò)程氮損失遠(yuǎn)低于堆肥過(guò)程,沼液沼渣還田利用替代化肥生產(chǎn)減排效益最高可達(dá)0.575 tCO2e·頭-1a-1,是堆肥后有機(jī)肥還田替代化肥生產(chǎn)減排效益的2倍以上。
表10 不同糞便管理模式下成年奶牛年產(chǎn)糞肥或沼液沼渣還田替代化肥的減排效益
2.5.2 沼氣替代化石能源
一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污的最大產(chǎn)甲烷量為262 kg(見(jiàn)表5)。按照沼氣工程甲烷泄漏4.38%估算(沼液敞口貯存的沼氣工程)[10],每年可回收甲烷約251 kg。
(1)沼氣燃燒供熱:甲烷的凈發(fā)熱值為50.4 MJ·kg-1[5],沼氣鍋爐的供熱效率取90%[32-33],則251 kg甲烷(625 m3沼氣)完全燃燒可提供熱量11.39 GJ,熱力排放因子按0.11 tCO2·GJ-1[17]計(jì)算,沼氣燃燒供熱可實(shí)現(xiàn)減排1.253 tCO2·a-1。
(2)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn):按沼氣耗率0.5 m3·kWh-1左右[34-35]、發(fā)電及供熱效率比為1∶1[36-37]核算,625 m3沼氣全部進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn),可發(fā)電1250 kWh,同時(shí)獲得余熱4.5 MJ,按照電力排放因子0.6101 kgCO2·kWh-1、熱力排放因子0.11 tCO2·GJ-1[17]計(jì)算,可得一頭成年奶牛年產(chǎn)糞污通過(guò)沼氣工程甲烷回收利用熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)替代外購(gòu)電力減排0.763 tCO2,同時(shí)替代外購(gòu)熱力減排0.495 tCO2,合計(jì)實(shí)現(xiàn)減排1.258 tCO2·a-1。
2.5.3 糞肥、沼液沼渣還田土壤固碳
糞肥、沼液沼渣等有機(jī)肥農(nóng)用,可以提高農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量,均有利于土壤固碳[38-41],部分有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為土壤的有機(jī)組分——腐殖質(zhì)[42]。糞肥、沼液沼渣還田的土壤固碳效益體現(xiàn)在3個(gè)方面: 1)糞肥或沼液沼渣中的有機(jī)碳礦化生成CO2替代了化肥施用時(shí)農(nóng)田原有土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化,降低了土壤潛在礦化碳庫(kù),有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定和累積[43-44]; 2)糞肥、沼液沼渣還田后難降解組分形成腐殖質(zhì)等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)留存在土壤中,形成土壤碳匯[38]; 3)糞肥、沼液沼渣還田后提高土壤肥力,增加植物根系發(fā)育,形成土壤固碳[39]。
按工信部《2020年國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄》[45]的要求,好氧裝置的有機(jī)物降解率需大于50%,厭氧發(fā)酵裝備有機(jī)物降解率應(yīng)為50%~75%。按糞便管理過(guò)程有機(jī)質(zhì)降解率均達(dá)到50%核算奶牛糞便處理后還田土壤固碳量,可得牛糞有機(jī)肥或沼液沼渣還田可以實(shí)現(xiàn)土壤固碳0.4742 tC·頭-1a-1,相當(dāng)于減排溫室氣體1.739 tCO2e·頭-1a-1。
需要注意的是,土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)平衡作為土壤碳循環(huán)的基本過(guò)程,奶牛糞便處理還田固碳效應(yīng)還有待進(jìn)一步深入研究。
綜合考慮奶牛養(yǎng)殖過(guò)程與溫室氣體排放及減排固碳相關(guān)的所有活動(dòng),統(tǒng)計(jì)一頭成年奶牛年溫室氣體排放量如表11,且得到如下結(jié)論:
表11 一頭成年奶牛年溫室氣體排放量統(tǒng)計(jì)
(1)不同糞污管理模式之間的溫室氣體排放差異巨大,以敞口厭氧塘糞便管理情景為基線核算一頭成年奶牛年產(chǎn)糞便在處理過(guò)程中的減排量,“固體堆貯”、“堆肥+沼氣工程”、“堆肥+敞口厭氧塘”、“沼液敞口貯存的沼氣工程”以及“沼液密閉貯存的沼氣工程”5種處理模式的減排量分別達(dá)到4.841、5.173、4.385、5.255和5.522 tCO2e·頭-1a-1;沼氣工程相關(guān)模式下可實(shí)現(xiàn)糞污管理系統(tǒng)溫室氣體減排90%以上,其中沼液密閉貯存的沼氣工程可實(shí)現(xiàn)減排98%,其中甲烷減排貢獻(xiàn)占98.3%,氧化亞氮減排貢獻(xiàn)占1.7%。
(2)奶牛糞便處理產(chǎn)物利用時(shí),通過(guò)化肥替代、能源替代和土壤固碳等途徑可以進(jìn)一步創(chuàng)造減排固碳效益,目前生產(chǎn)水平下,最大減排固碳能力達(dá)到3.611 tCO2e·頭-1a-1,其中48%來(lái)自農(nóng)田土壤固碳,40%來(lái)自可再生能源替代,12%來(lái)自化肥替代。
(3)從飼料到糞便管理利用的全鏈條考慮奶牛養(yǎng)殖過(guò)程與溫室氣體排放及減排固碳相關(guān)的所有活動(dòng),沼氣工程糞污處理結(jié)合三沼利用模式下,溫室氣體減排效益顯著,沼液密閉貯存模式下,一頭成年奶牛年溫室氣體排放量?jī)H為3.74 tCO2e·a-1,與最高排放水平的敞口厭氧塘糞污處理后還田利用模式相比減排65%;與堆肥結(jié)合糞肥還田模式相比減排30%以上。
(4)優(yōu)先選用沼氣工程作為奶牛糞便管理方案,同時(shí)加強(qiáng)沼氣和沼液沼渣的回收利用,是實(shí)現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體是實(shí)現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體尤其是甲烷減排的有效途徑。但是,奶牛糞肥、沼液沼渣還田土壤固碳的核算方法有待進(jìn)一步完善,農(nóng)田土壤中有機(jī)碳及各活性碳組分的變化與土壤類(lèi)型、耕作方式、灌溉方式、作物類(lèi)別等多種因素的交互作用以及奶牛糞便處理后還田對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響等也有待進(jìn)一步深入研究。