2016, Vol. 36
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畜牧业是农业温室气体的重要排放源，根据联合国粮农组织(FAO)的报告，2010年其排放量占农业排放总量的50.30%(FAO，2013).随着社会对肉、蛋、奶等的需求量日益增大，畜牧业快速发展的同时，不合理的粪便管理方式带来了一系列的生态环境问题，其中，温室气体排放增加带来的环境影响尤为突出(Petersen et al.， 2013) .
影响畜禽粪便温室气体排放量的主要因素包括畜禽粪便特征、畜禽粪便量和粪便管理方式(IPCC，2006).相关研究表明，畜禽粪便特征主要与畜禽种类和饲料类型有关(Tubiello et al.， 2013) ，畜禽粪便量与畜禽养殖量有关，粪便管理方式则由粪便储存的环境条件和储存时间决定(Haeussermann et al.， 2006) .影响畜禽粪便管理过程中温室气体排放的环境条件包括环境温度、湿度、pH及氧气含量等(Jiang et al.， 2011； Kader et al.， 2007) .结合不同种类畜禽的粪便特征，改善粪便管理系统，能实现温室气体的有效减排(Clemens et al.， 2006) .与此同时，合理的畜禽粪便管理方式还能增加土壤肥力(Meer，2008)，减少环境污染并带来一定的经济效益(Wu et al.， 2013) .
当前，在养殖业温室气体排放的相关研究领域中畜禽粪便管理方式已成为研究热点.国外的相关研究侧重探讨畜禽粪便温室气体排放的影响因素(Sommer et al.， 2009) ，特定种类畜禽在不同粪便管理模式下的温室气体排放特征(Beauchemin et al.， 2010) ，以及畜禽粪便管理温室气体排放量的计算方法研究(Li et al.， 2012) 等.国内相关研究则多集中在全国(胡向东等，2010)、区域尺度(徐兴英等，2012；刘哲等，2013；刘月仙等，2013)的排放负荷分析方面.区域养殖结构通过影响粪便特征而改变温室气体排放负荷，各养殖模式适宜的粪便管理方式不同也将对温室气体排放特征产生显著影响.在区域尺度上，针对养殖模式及粪便管理方式改变对温室气体排放的影响，目前尚未开展深入研究.
因此，本文以湖北省为例，从区域畜禽粪便温室气体减排的角度，依据畜禽粪便温室气体排放的影响因素，结合区域自然条件和养殖模式，充分考虑管理方式优化的合理性和可操作性，筛选适宜的粪便管理方式，预测粪便管理方式优化所带来的温室气体减排潜力，以期为区域畜禽养殖业的低碳发展提供参考
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 区域概况湖北省位于长江中游，处于亚热带季风性湿润气候地带，总体上属于湿润农业区，年平均气温15~22 ℃，光热条件丰富，有利于畜禽养殖业的发展.近年来，湖北省的畜禽养殖发展迅速，养殖规模已逐渐从散养、放养走向了规模化、集约化、现代化的养殖，如2012年全省规模养猪比重就已达到74%，高于全国平均水平近10%(张郁等，2015).畜牧业快速发展的同时，由此产生的环境污染、温室气体排放等生态环境问题也日益突出.作为“十二五”期间全国畜禽粪便污染重点治理省份之一(新华网，2011)，在保障产业稳定健康发展的同时，区域畜禽粪便管理方式的改进已成为亟需解决的任务
2.2 数据来源畜禽粪便管理现状排放因子数据来自《省级温室气体排放清单指南》(湖北省发展和改革委员会，2011).畜禽年末存栏量、不同养殖规模所占比重数据来自《湖北省农村统计年鉴》(2000—2012) (《湖北省农村统计年鉴》编辑委员会，2001—2013) 和《中国畜牧业年鉴》(2000—2012) (中国畜牧业年鉴编辑委员会，2001—2013) .管理方式优化后排放因子测算所需的相关参数取值参见政府间气候变化专门委员会(IPCC)2006年发布的国家温室气体排放清单指南(IPCC，2006)
2.3 研究方法基于湖北省区域畜禽养殖和粪便管理现状，结合区域自然条件选取合理的指标进行粪便管理方式优化.以湖北省省级温室气体排放清单指南中的畜禽粪便排放因子(每头(只)畜禽每年经粪便排放的温室气体排放量)推荐值作为全省畜禽温室气体排放量计算的基础现值.运用IPCC(2006) 畜禽粪便温室气体排放因子测算模型，计算湖北省畜禽粪便管理方式调整后的排放因子.排放因子间的差值即为粪便经管理方式改变所带来的减排潜力.以湖北省2000—2012年各种畜禽养殖统计数据为基础，预测2020年养殖规模和结构，进而核算区域粪便管理方式优化所带来的减排潜力.
2.3.1 畜禽粪便管理方式优化区域畜禽粪便管理方式优化，在考虑减排潜力的基础上，还需兼顾地域环境特征、传统养殖模式、规模化养殖程度等多方位因素.采用实地调研、专家咨询和查阅文献相结合的方法，确定粪便管理方式的优化指标.不同规模养殖在选择适宜管理方式时，主要考虑技术层面和经济层面的限制(陈瑞蕊等，2012)，筛选指标如表 1所示.结合该优化指标并针对各种畜禽的粪便特点和不同的养殖规模特征筛选适宜的管理方式.
| 表 1 畜禽粪便管理模式优化指标 Table 1 Indicators for optimizing the management mode of livestock manure |
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畜禽粪便排放因子是指每头(只)畜禽每年经粪便排放CH4和N2O的量，以综合温室效应表示温室气体排放的贡献当量.温室气体减排量取决于粪便管理方式优化前后排放因子的差值和畜禽存栏量，具体计算公式如下：
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(1) |
式中，ΔY为畜禽粪便管理温室气体综合减排潜力(kg·a-1，以CO2当量计)；T为畜禽种类；EF0(T)为畜禽T粪便CH4(N2O)现状排放因子，本文采用省级温室气体清单推荐的排放因子(kg·头(只)-1·a-1，以CO2当量计)；EF(T)为畜禽T粪便管理方式经优化后的CH4(N2O)排放因子(kg·头(只)-1·a-1，以CO2当量计)；N(T) 为畜禽T养殖量，即活动水平数据(头(只)).
畜禽粪便管理优化包括针对不同区域条件的适宜粪便管理方式的筛选，以及各管理方式应用比例的调整，可表示为：
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(2) |
式中，S为不同粪便处理方式；k为不同区域；A(S，k)为k区域采用S管理方式的畜禽粪便占该区域粪便总量的比重；EF(S，k)为k区域自然条件下采用S管理方式处理畜禽粪便的温室气体排放因子.其中，CH4排放因子的具体计算参见IPCC(2006) 中粪便管理CH4排放因子计算公式；N2O排放因子包括直接排放与间接排放，对应具体计算参见IPCC(2006) 中粪便管理N2O排放因子计算公式.
本文对于减排潜力的分析，以不影响养殖业发展规模为前提，因此，文中的活动水平数据(畜禽年末存栏量N(T))的预测是根据湖北省1999—2012年各种畜禽养殖量进行线性外推，得出现有发展趋势下2020年的年末存栏量，结合2012年的规模化养殖程度，以此为基础进行减排潜力估算
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 畜禽粪便管理优化结果本文基于湖北省畜禽养殖现状进行畜禽的粪便管理方式的优化(表 2)，且充分考虑畜禽粪便特征和养殖模式的差异.依据实地调研及专家咨询结果，集约化养殖场推荐采用无氧发酵池与沼气工程连用的处理方式.由于集约化养殖场的技术和管理水平相对较高，受自然条件影响较小，且粪便产生量大而集中，若不人为加以利用，易造成严重环境影响.无氧发酵池与沼气工程连用的处理方式不仅环境污染小，而且在有效降低温室气体排放的同时，所产生的沼气还可作为养殖场的能源供给，实现资源的循环高效利用(耿维等，2013).
| 表 2 湖北省不同种类及不同养殖规模畜禽粪便适宜的管理方式 Table 2 Appropriate manure management modes for different livestock species and scale in Hubei Province |
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中小规模养殖场推荐选用在密闭容器中强行通风的堆肥方式进行处理.该方式运行成本较低，适于处理中小规模养殖场产生的较大量的畜禽粪便，且粪便经堆肥后出售还可为养殖场带来一定的经济效益.部分山区如神农架林区规模养殖量小且地处山区交通不便，不利于粪便的集中收集，故推荐牲畜圈养蓄粪池对畜禽粪便进行较简单的处理.由于家禽粪便含有大量未充分消化吸收的营养物质，含水量较低，推荐采用铺垫草方式存放，收集后可直接出售作饲料，实现资源的高效利用并兼顾了经济效益.
湖北省农户散养的畜禽粪便处理方式较为粗放，多为室内或室外堆放后还田(汪厚安等，2009).生猪粪便管理方式的调整，对部分存在生猪放养的区域，推荐采用山地自然消解方式处理；圈养部分对于存栏量较大(≥5头)的农户则采用无运行成本的厚垫草模式或借助沼气补贴政策的优惠(周光龙，2006)，将现有普通农户沼气处理改造为无氧发酵与沼气工程连用方式，存栏量较小(＜5头)的农户则采用每日散失的方式处理，在减少环境污染的同时还增加了农田土壤肥力.家禽饲养方式以放养为主，其粪便的产生量少、含水量低，宜采用自然消解模式处理.其它牲畜圈养部分均适宜采用厚垫草模式处理，放养部分则选用自然消解较为合适.
3.2 畜禽粪便排放因子根据区域畜禽粪便管理方式筛选结果，结合排放因子计算模型，得出区域每种畜禽粪便的排放因子优化值(表 3).每种畜禽粪便管理经优化后的减排量占对应现状值的比例即减排比例.粪便管理方式的优化，带来温室气体排放量的显著降低，单位畜禽粪便温室气体排放量减少1.98~357.82 kg·头(只)-1·a-1(以CO2当量计)，综合减排比例在15.93%~76.45%之间.粪便管理方式优化对于不同畜禽品种粪便的减排效果差异显著，奶牛粪便管理方式的优化减少了357.82 kg·头-1·a-1(以CO2当量计)，单位畜禽减排潜力绝对值最大.家禽粪便管理方式优化后，排放当量仅为清单推荐值的23.55%，减排比例最高(图 1).
| 表 3 湖北省畜禽粪便管理方式优化前后温室气体排放因子 Table 3 GHG emission factors before and after the optimization of livestock manure managements in Hubei Provincekg·头(只)-1·a-1 |
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| 图 1 湖北省不同种类畜禽粪便优化管理后温室气体减排比例 Fig. 1 Proportion of mitigation potential of GHG emission with optimal manure management for different livestock species in Hubei Province |
粪便管理方式优化对CH4和N2O的减排效果差异显著.CH4减排0.19~57.12 kg·头(只)-1·a-1(以CO2当量计)，减排比例在32.19%~51.61%之间，而N2O减排1.79~300.70 kg·头(只)-1·a-1(以CO2当量计)，减排比例在2.33%~82.71%之间(图 1).N2O的减排与畜禽粪便特征的关系更为密切.对比同种畜禽的CH4和N2O的减排效果可以发现，家禽和奶牛减排潜力主要来自于N2O，其他牲畜的减排重点均为CH4排放量的控制
3.3 湖北省畜禽粪便温室气体减排潜力预测 3.3.1 养殖结构与减排潜力按照所推荐的粪便管理方式，结合畜禽养殖发展趋势，到2020年湖北省畜禽粪便温室气体排放量将减少322.78万t(以CO2当量计)，其中，CH4和N2O分别减少181.87和140.39万t(以CO2当量计).不同畜禽品种中，生猪粪便管理方式优化所带来的温室气体减排量占绝对优势，达到190.64万t(以CO2当量计)，占全省温室气体减排总量的59.06%(图 2).一方面与生猪的存栏量巨大，粪便产生量大有关；另一方面是源于当前湖北省生猪规模化养殖比例大，有利于采取更加先进、高效的粪便处理方式.家禽粪便的减排总量为90.94万t(以CO2当量计)，其中，N2O减排量占家禽粪便减排总量的89.21%.其它牲畜由于存栏量较小，尽管单位畜禽排放量有显著降低，但全省规模的减排总量仍较小.减少湖北省畜禽养殖业温室气体的排放，生猪和家禽粪便管理方式的改进应该成为重点.
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| 图 2 湖北省2020年养殖结构下畜禽粪便管理的减排潜力 Fig. 2 Mitigation potential of GHG emission in livestock manure management with the breeding structure in 2020 in Hubei Province |
畜禽粪便管理优化过程充分考虑了各养殖模式间技术经济实力的不同，加之养殖量的差别，模式间减排潜力总量及构成均存在较大差异(图 3).农户散养部分所推荐的管理方式，充分考虑了地区特征及粪便管理方式的可操作和可推广性.调整后CH4排放量增加28.69万t(以CO2当量计)，但同时产生了32.45万t(以CO2当量计)的 N2O减排，其温室气体排放总量降低了3.76 t(以CO2当量计)，占全省减排总量的1.17%.中小规模养殖的温室气体综合减排潜力最大，达192.13万t(以CO2当量计)，其中，86.85%的减排来自CH4减排.集约化养殖的畜禽粪便减排包括43.71万t(以CO2当量计)的CH4减排和70.49万t(以CO2当量计)的N2O减排，无氧发酵池与沼气工程联合处理畜禽粪便抑制其储存过程中的硝化作用，降低了N2O的直接排放，从而有效地控制温室气体尤其是N2O的排放.在兼顾技术、经济可行性的条件下，规模化养殖模式粪便管理方式的优化是减少温室气体排放的重点领域.
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| 图 3 湖北省2020年不同养殖规模的畜禽粪便管理的减排潜力 Fig. 3 Mitigation potential of GHG emission in livestock manure management for different breeding scales in 2020 in Hubei Province |
根据各地市的畜禽养殖情况及优化的粪便处理模式，预测2020年粪便CH4和N2O减排潜力的空间分布(图 4).减排潜力总量和构成主要与区域养殖规模、养殖结构、养殖模式及适宜的畜禽粪便管理方式有关.
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| 图 4 湖北省2020年畜禽粪便CH4(a)和N2O(b)减排潜力的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of mitigation potential of CH4(a)and N2O(b)emission in 2020 in Hubei Province |
襄阳市的CH4减排量达到29.35万t(以CO2当量计)，N2O减少18.98万t(以CO2当量计)，均为全省最高，合计占全省温室气体减排总潜力的15.00%.神农架畜禽粪便的CH4和N2O减排量均为全省最低，对应减排当量分别为574.94 t(以CO2当量计)和1714.59 t(以CO2当量计)，总计2289.53 t(以CO2当量计).养殖量的不同是造成这一结果的主要原因.
养殖结构将显著影响减排潜力构成.孝感市养殖以家禽为主，减排潜力主要来自于调整家禽粪便管理方式使N2O排放量显著降低.襄阳市CH4减排潜力的决定因素则是牛饲养过程中的粪便管理模式调整.另外，区域自然条件通过影响养殖模式及粪便管理方式的选择，而成为影响其减排潜力的主要因素之一，如恩施和宜昌的生猪养殖量相当，而在自然条件影响下适宜选取不同的粪便管理方式，使得两地生猪粪便减排当量相差18.48万t(以CO2当量计).鄂西山区存在畜禽放养的传统，该部分的畜禽粪便减排量达4.71万t(以CO2当量计)，占区域减排潜力总量的20.56%.襄阳市81.99%的减排量来自于牲畜规模化养殖.
4 讨论(Discussion)畜禽粪便管理方式会对其环境响应、温室气体排放负荷等产生显著影响(冯璐，2014).区域畜禽粪便管理方式的筛选，减排的同时还需充分考虑其区域适应性和可操作性，这是保障减排潜力得以实现的前提和基础.区域自然条件、养殖模式、养殖规模和地方相关政策等是影响筛选结果的主要限制因素(米松华等，2012；冯淑怡等，2013).其中，自然条件的差异主要影响粪便处理模式的适应性，如神农架由于气温低、湿度大且交通不便，部分畜禽粪便推荐选用简便的蓄粪池处理.而政策因素、养殖模式等则会对粪便管理方式的可操作性产生影响，恩施州放养和散养所占比重较高且有相关沼气扶持政策的激励，是其适宜的粪便处理方式不同于其它地区的关键(徐婉莹等，2013).
在同一畜禽粪便管理系统中，粪便CH4和N2O的排放存在一定的此消彼长关系(Karin et al.，2012) ，结合不同畜禽粪便特征处理好这一关系，也是实现区域温室气体有效减排的关键.对于含水量少、碳氮比低的家禽粪便产CH4能力有限(刘丹，2008)，以缩短储存时间控制N2O的排放应成为其粪便管理模式筛选的主要目标.而生猪和牛的粪便含水量大、碳氮比高且挥发性固体含量高，使其产CH4能力较强，同时粪便管理系统中硝化和反硝化过程都可能产生N2O的排放，过程相对复杂，反应条件不易控制，因此，其粪便处理方式，应首选通过增大粪便通气量、控制环境温度和湿度等措施减少CH4的排放(Blanes et al.， 2008；Leytem et al.， 2011) .
本文在分析畜禽粪便减排时，排放因子现状值采用省级温室气体清单编制指南中华中地区的推荐值，这一结果可能与全省实际的畜禽粪便管排放现状存在一定出入.但畜禽粪便管理模式优化后的排放因子，显著低于清单推荐值，表明通过改善粪便管理方式实现温室气体减排是可行的.由于省级温室气体排放清单中的排放因子推荐值是根据IPCC中亚洲畜禽粪便管理的统计数据估算得出，用于中国地区温室气体排放时存在一定误差(Liu et al.， 2015) ，因此，有必要根据当地粪便管理现状进行特征排放因子的估算
5 结论(Conclusions)1) 区域畜禽粪便温室气体的排放主要受养殖规模和粪便管理方式影响.结合国家粮食安全战略，在保障养殖业正常发展前提下，优化粪便管理方式可降低区域养殖业温室气体排放.粪便管理方式优化筛选过程要综合考虑区域自然条件和畜禽养殖模式等多种因素.
2 ) 通过粪便管理方式优化，湖北省单位畜禽粪便温室气体排放量减少1.98~357.82 kg·头(只)-1·a-1(以CO2当量计)，综合减排比例为15.93%~76.45%.基于畜禽养殖预测规模，2020年全省畜禽粪便温室气体排放量将减少322.78万t(以CO2当量计)，其中，CH4减排占56.35%，N2O减排占43.65%.
3) 由于各种畜禽的粪便特征不同，适宜的管理方式和温室气体减排各有侧重.对于含水量少的家禽粪便侧重通过缩短粪便储存时间，降低N2O的排放，而生猪和牛等粪便含水量较大的牲畜，重点是以增大粪便通气量、控制环境温度和湿度的方式控制CH4的排放.基于区域自然条件、养殖模式、养殖结构和规模等的差异，山区的减排重点为农户散养，其他地区则需重点关注当地主要养殖品种的规模化养殖企业粪便管理方式改进.
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