基于IPCC方法的福建省農業活動甲烷排放量估算

王成己，李艷春，劉岑薇，王義祥，黃毅斌

（福建省農業科學院農業生態研究所/農業部福州農業環境科學觀測實驗站，福州350013）

基于IPCC方法的福建省農業活動甲烷排放量估算

王成己，李艷春，劉岑薇，王義祥，黃毅斌

（福建省農業科學院農業生態研究所/農業部福州農業環境科學觀測實驗站，福州350013）

稻田和畜禽養殖是農業領域甲烷的重要排放源，估算省級農業活動甲烷的排放量，并分析其排放特征，對提出符合福建省農業發展的減排措施有重要意義。本研究基于福建省農業活動水平數據，采用IPCC方法，以2005年為基準年，估算了2005年和2010年福建省農業活動甲烷排放量。結果表明：2005年和2010年福建省農業活動甲烷排放量分別為39.75萬t和32.74萬t，2010年比2005年減少17.64%。與2005年相比，2010年稻田甲烷排放減少17.37%，動物腸道發酵甲烷排放減少31.59%，動物糞便管理甲烷排放增加1.11%。與2005年相比，2010年稻田面積減少及動物規模化養殖程度提高是農業活動甲烷排放減少的主要原因。稻田甲烷排放受水稻品種、土壤條件、水分狀況、施肥管理以及氣候條件等因素影響，可從上述途徑減少稻田甲烷排放。控制和減少畜禽養殖甲烷排放的關鍵是優化畜牧業結構，提高規模化養殖水平，改良畜禽品種、改進動物飼養和畜禽排泄物處理技術，提高畜產品產出量，進而減少溫室氣體排放。研究結果可為決策者制定福建省農業活動甲烷排放控制政策、降低農業活動甲烷排放量提供基礎資料。

農業活動；甲烷排放；IPCC方法；不確定性分析；福建省

0 引言

近年來，以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化對自然生態環境和人類生存環境產生了諸多不利影響，控制和減少溫室氣體排放成為全球共識。中國政府積極應對全球氣候變化，于2007年頒布了《中國應對氣候變化國家方案》，從國家層面部署了減緩和適應氣候變化的政策和技術方案，并承諾到2020年中國單位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%[1]。

IPCC第四次評估報告顯示，全球農業排放的非CO2溫室氣體占人為排放的非CO2溫室氣體總量的14%，其中N2O占84%，CH4占47%[2]。研究表明，大氣中CO2、CH4和N2O對全球變暖的貢獻率分別為60%、15%和5%[3]，大氣中每年有5%～20%的CO2來源于土壤[4]，農業土壤排放的N2O約占人類活動N2O總排放量的52%[5]，稻田排放的CH4占全球人為CH4總排放量的12%～16%[6]，農業生產對溫室氣體總排放的貢獻率大約是20%[7]。1994年發布的國家溫室氣體清單中農業活動排放N2O占92%、CH4占50%[8]。因此，農業是非CO2溫室氣體的主要排放源，準確合理地核算農業非CO2溫室氣體的排放量，可以為科學合理地制定農業減排措施提供科學依據[9]。

當前，精確評估溫室氣體排放量成為國家及國際組織之間開展碳減排和碳交易談判的重要前提[10]。溫室氣體的估算方法有生命周期評價法（LCA法）、基于大尺度的環境投入產出法（EIO法）、二者綜合的投入產出—生命周期評價法(Hybrid model)、IPCC方法及碳足跡計算器等。《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[11]發行后，IPCC方法迅速得到推廣應用，國外學者[12-18]、國內學者[19-21]相繼開展了IPCC方法學及國家或省級尺度溫室氣體排放的研究，并對IPCC第四次評估報告中不確定性的處理方法[22]以及省級清單編制中不確定性的計算方法進行了有益探索[23-24]。國家發展改革委的《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]出臺后，引起了各級政府及學術界的廣泛關注。馬翠梅等[26]、張曉梅等[27]、胡永成等[28]相繼開展了省級溫室氣體清單編制方法學研究，南方的江蘇省[29]、重慶市[30]、深圳市[31]、福建省[32]、安徽省[33]、海南省[34]，北方的內蒙古[35]、寧夏[36]、陜西省[37]等相繼開展了省（區、市）尺度上的溫室氣體排放核算工作，為國家尺度溫室氣體清單編制積累了經驗。本研究采用IPCC和省級指南方法，以2005年為基準年，估算2005年和2010年福建省農業活動甲烷排放量，以期為福建省溫室氣體減排提供一定的決策參考。

1 材料與方法

1.1 農業活動甲烷排放源界定

1.1.1 稻田甲烷排放 稻田甲烷排放源指單季稻（中稻和一季晚稻）、雙季早稻、雙季晚稻，而且僅考慮水稻生長季甲烷排放[25]。

1.1.2 動物腸道發酵甲烷排放 動物腸道發酵甲烷排放源包括奶牛、非奶牛、水牛、山羊及豬[25]。福建省不考慮綿羊、馬、驢、騾和駱駝。非反芻動物雞、鴨因體重小忽略其腸道發酵排放的甲烷。

1.1.3 動物糞便管理甲烷排放 動物糞便管理甲烷排放源包括奶牛、非奶牛、水牛、山羊、豬、家禽等糞便管理-生產、處理過程中產生的甲烷[25]。福建省不考慮綿羊、馬、驢、騾和駱駝的排放。糞便指家禽排泄的糞便和尿液。

1.2 排放量估算方法

1.2.1 稻田甲烷排放 按照《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]，稻田甲烷排放量根據公式(1)計算。

式中，ECH4為稻田甲烷排放總量(t)；EFi為分類型稻田甲烷排放因子(kg/hm2)；ADi為對應于該排放因子的水稻播種面積(×103hm2)；i表示稻田類型，分別指單季水稻、雙季早稻和雙季晚稻。

1.2.2 動物腸道發酵甲烷排放 按照《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]，某種動物的腸道甲烷排放量等于動物存欄數乘以排放因子，采用公式(2)計算，然后將各種動物的排放量求和得到總排放量，采用公式(3)計算。

式中，ECH4,enteric,i為第i種動物甲烷排放量(萬t CH4/ a)；EFCH4,enteric,i為第i種動物的甲烷排放因子[kg/(頭·a)]；APi為第i種動物的數量（頭（只））。

式中，ECH4為動物腸道甲烷總排放量(萬t CH4/a)；ECH4,enteric,i為第i種動物甲烷排放量(萬t CH4/a)。

1.2.3 動物糞便管理甲烷排放 按照《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]，特定動物糞便管理甲烷排放量等于動物的存欄數乘以甲烷排放因子，采用公式(4)計算，然后將各種動物的排放量求和得到總排放量，采用公式(5)計算。

式中，ECH4,manure,i為第i種動物糞便管理甲烷排放量(萬t CH4/a)；EFCH4,manure,i為第i種動物糞便管理甲烷排放因子[kg/(頭·a)]；APi為第i種動物的數量（頭（只））。

式中，ECH4為動物糞便管理甲烷總排放量(萬t CH4/a)；ECH4,manure,i為第i種動物甲烷排放量(萬t CH4/a)。

1.3 活動水平數據確定

1.3.1 稻田甲烷排放活動水平數據 根據《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]，稻田甲烷排放計算所需活動水平數據為單季稻、雙季早稻和雙季晚稻的播種面積，來源于《福建經濟與社會統計年鑒2006（農村篇）》[38]和《福建農村統計年鑒2011》[39]。所需活動水平數據僅指不同水稻（一級分類）的播種面積數據，根據《中國溫室氣體清單研究》[40]的計算方法確定水稻播種面積。

1.3.2 動物腸道發酵甲烷排放活動水平數據 根據《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]，動物腸道發酵甲烷排放所需各種動物年末存欄數來源于《福建經濟與社會統計年鑒2006（農村篇）》[38]和《福建農村統計年鑒2011》[39]。因福建省既不屬于放牧區也不屬于半放牧區，因此計算動物腸道發酵甲烷排放活動水平時，只考慮規模化飼養和農戶散養，不考慮放牧飼養量。

根據《中國畜牧業年鑒2006》[41]、《中國畜牧業年鑒2011》[42]、《中國農村統計年鑒2006》[43]、《中國農村統計年鑒2011》[44]統計方法，并結合福建省畜牧業發展的實際情況，本研究中規模化飼養的標準如下：奶牛≥20頭，非奶牛≥10頭，山羊≥30只，豬≥50頭。畜禽規模化飼養與農戶散養的比例依據《中國畜牧業年鑒2006》[41]和《中國畜牧業年鑒2011》[42]中福建省畜牧業相關數據計算獲得。

1.3.3 動物糞便管理甲烷排放活動水平數據 動物糞便管理甲烷排放所需畜禽飼養量（年末存欄數）數據來源于《福建經濟與社會統計年鑒2006（農村篇）》[38]和《福建農村統計年鑒2011》[39]。不同動物氮排泄氮量參考《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]（見表1）。

表1 不同動物氮排泄量 kg/(頭·a)

1.4 排放因子確定

1.4.1 稻田甲烷排放因子 因福建省沒有當地測定的稻田甲烷排放因子，因此稻田甲烷排放因子采用《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]推薦的排放因子。單季稻取值215.5 kg/hm2（變化區間158.2～255.9 kg/hm2），雙季早稻取值211.4kg/hm2（變化區間153.1～259.0kg/hm2），雙季晚稻取值 224.0 kg/hm2（變化區間 143.4～261.3 kg/hm2）。

1.4.2 動物腸道發酵甲烷排放因子 福建省沒有當地測定的動物腸道發酵甲烷排放因子，因此采用《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]推薦的排放因子（見表2）。

表2 動物腸道發酵甲烷排放推薦排放因子 kg/(頭·a)

1.4.3 動物糞便管理甲烷排放因子 動物糞便管理甲烷排放因子參考《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》[25]，采用符合福建實際情況的排放因子，見表3。

表3 動物糞便管理甲烷排放推薦排放因子 kg/(頭·a)

1.5 統計分析

數據處理用Microsoft Excel 2003進行，采用T檢驗進行差異顯著性檢驗(P＜0.05及P＜0.01)。

2 結果與分析

2.1 稻田甲烷排放

稻田甲烷排放量結果見圖1。2005年福建省稻田甲烷排放量為22.40萬t，其中雙季早稻、雙季晚稻和單季稻排放量分別為6.34萬t（占28.30%）、6.72萬t（占29.99%）和9.34萬t（占41.71%）。從地區分布看，甲烷排放量大小排序為：南平市(18.90%)＞龍巖市(16.73%)＞三明市(15.72%)＞泉州市(11.36%)＞福州市(10.84%)＞漳州市(10.73%)＞寧德市(10.54%)＞莆田市(4.42%)＞廈門市(0.77%)。2010年福建省稻田甲烷排放量為18.51萬t，其中雙季早稻、雙季晚稻和單季稻排放量分別為4.13萬t（占22.30%）、4.37萬t（占23.63%）和10.01萬t（占54.07%）。從地區分布看，甲烷排放量大小排序為：南平市(22.04%)＞三明市(17.20%)＞龍巖市(17.00%)＞泉州市(10.97%)＞寧德市(10.37%)＞漳州市(9.90%)＞福州市(8.09%)＞莆田市(3.93%)＞廈門市(0.51%)。

2.2 動物腸道發酵甲烷排放

福建省主要動物腸道發酵甲烷排放量結果見表4。2005年甲烷排放量為10.13萬t，其中規模化飼養動物排放3.14萬t（占31.01%），農戶散養動物排放6.99萬t（占68.99%）；從動物種類看，奶牛、非奶牛、山羊及豬的甲烷排放比例分別為6.09%、68.98%、12.32%及12.61%，非奶牛甲烷排放比例最大。2010年甲烷排放量為6.93萬t，其中規模化飼養動物排放2.75萬t（占39.63%），農戶散養動物排放4.18萬t（占60.37%）；從動物種類看，奶牛、非奶牛、山羊及豬的甲烷排放比例分別為6.43%、60.22%、14.04%及19.31%，非奶牛甲烷排放比例最大。

2.3 動物糞便管理甲烷排放

福建省主要動物糞便管理甲烷排放量見表5。2005年甲烷排放量為7.22萬t，從動物種類看，排放量大小順序為：豬（占89.89%）＞非奶牛（占5.56%）＞家禽（占3.21%）＞奶牛（占0.80%）＞山羊（占0.53%）；從區域分布看，龍巖市甲烷排放量最大（占23.41%），廈門市最小（占4.34%）。2010年甲烷排放量為7.30萬t，從動物種類看，排放量大小順序為：豬（占93.15%）＞非奶牛（占2.95%）＞家禽（占2.91%）＞奶牛（占0.57%）＞山羊（占0.41%）。從區域分布看，龍巖市甲烷排放量最大（占24.71%），廈門市最小（占2.79%）。

圖1 福建省稻田甲烷排放量地區分布

表4 福建省動物腸道發酵甲烷排放量 t

2.4 福建省農業活動甲烷排放量

綜合以上數據，得出2005年和2010年福建省農業活動甲烷排放總量（見表6）。2005年福建省農業活動甲烷排放總量為39.75萬t，其中稻田排放22.40萬t（占56.35%），動物腸道發酵排放10.13萬t（占25.48%），糞便管理排放7.22萬t（占18.17%）。2010年福建省農業活動甲烷排放總量為32.74萬t，其中稻田排放18.51萬t（占56.54%），動物腸道發酵排放6.93萬t（占21.17%），糞便管理排放7.30萬t（占22.30%）。

采用《IPCC第二次評估報告》提供的全球變暖潛勢值數據計算，2005年和2010年福建省農業活動排放甲烷分別相當于834.75萬t和687.54萬t二氧化碳當量。

2.5 甲烷排放量不確定性分析

不確定性分析是溫室氣體清單的重要組成部分，也是判斷清單編制質量的依據。農業活動甲烷排放量的不確定性來源于多方面，受多種因素影響[2,45]，本研究中只考慮活動水平及排放因子的不確定性。

2.5.1 甲烷排放量不確定性計算方法[25]

（1）活動水平的不確定性主要源于農業統計部門對稻田面積、畜禽存欄數統計產生的誤差，其不確定性以±5%進行估算。

（2）稻田甲烷排放因子的不確定性按照表7進行計算。

表7 稻田甲烷排放因子的不確定性估算

（3）依據《IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》的要求，動物腸道發酵甲烷排放因子的不確定性以±50%進行估算。

（4）當某一估計值為n個估計值之積時，該估計值的不確定性采用公式(6)計算。

式中：Uc表示n個估計值之積的不確定性(%)；Us1…Usn表示n個相乘的估計值的不確定性(%)。

（5）當某一估計值為n個估計值之和或差時，該估計值的不確定性采用誤差傳遞公式(7)計算。

式中：μs1…μsn表示n個相加減的估計值。

2.5.2 甲烷排放量不確定性計算結果 根據公式(6)和公式(7)計算得到：

（1）2005年和2010年福建省單季稻、雙季早稻和雙季晚稻甲烷排放量計算結果的不確定性分別均為23.21%、25.54%和26.79%；2005年和2010年福建省稻田甲烷排放總量計算結果的不確定性分別為14.51%和15.17%。

（2）2005年和2010年福建省奶牛、非奶牛、山羊和豬的腸道發酵甲烷排放量計算結果的不確定性分別均為50.25%；2005年和2010年福建省動物腸道發酵甲烷排放總量的不確定性分別為26.74%和32.11%。

（3）2005年和2010年福建省奶牛、非奶牛、山羊、豬和家禽的糞便管理甲烷排放量計算結果的不確定性分別均為50.25%；2005年和2010年福建省主要動物糞便管理甲烷排放總量計算結果的不確定性分別為45.25%和46.86%。

（4）2005年和2010年福建省農業活動甲烷排放總量計算結果的總體不確定性分別為13.45%和15.13%。

3 討論與結論

3.1 福建省2005年和2010年農業活動甲烷排放變化

本研究表明：2005年和2010年福建省農業活動甲烷排放總量分別為39.75萬t和32.74萬t，2010年比2005年減少17.64%。和2005年相比，2010年稻田甲烷排放減少17.37%，動物腸道發酵甲烷排放減少31.59%，動物糞便管理甲烷排放增加1.11%。其主要原因為：（1）稻田面積的減少，2010年福建省稻田面積比2005年減少17.27%，其中雙季早稻和晚稻各減少約34.89%，單季稻增加約7.11%；稻田甲烷排放還受栽培及施肥等因素影響。（2）動物規模化養殖程度提高，福建省主要動物的總體平均規模化養殖比例由2005年的59.39%提高到2010年的76.34%。

3.2 甲烷排放估算結果的不確定性分析

本研究中甲烷排放估算結果的精確度取決于活動水平和排放因子等參數的準確度，具體體現在：（1）農業基礎資料和田間實測數據的完整性和準確性；（2）水稻品種、土壤條件、天氣條件、灌溉和施肥管理等因素對稻田甲烷排放因子的影響[46-47]；（3）反芻動物種類、生長發育階段、飼養方式、飼料種類、飼料消化率及采食水平等因素對動物腸道發酵甲烷排放因子的影響；（4）糞便處理方式和氣候條件對動物糞便管理甲烷排放因子的影響[48]。雖然本研究對福建省農業活動水平數據進行了系統收集及全面分析，但影響活動水平及排放因子的因素眾多，因此估算結果仍存在較大的不確定性。

3.3 減少稻田甲烷排放的途徑和方法

稻田甲烷排放受水稻品種、土壤條件、水分狀況、施肥管理以及氣候條件等因素影響[46-47]。黃耀[49]研究表明，不同品種水稻甲烷排放量差異達1.5～3.5倍，因此生產中應選擇甲烷排量少、產量高的水稻新品種。傅志強等[50]研究證實超級稻甲烷排放量低于常規稻和雜交稻，雜交稻甲烷排放量低于常規稻。研究表明，少（免）耕措施可降低稻田甲烷排放[51-53]。旱育秧苗、人工插秧、強化栽培等措施有效降低了稻田甲烷排放[54-56]。水稻耕作管理中可適當減少稻田土壤的耕作強度，以減少甲烷排放。優化灌溉措施可改變稻田水分狀況，降低稻田甲烷排放[57]。研究表明，稻田水分管理方式是決定整個稻田輪作周期內甲烷排放變化的主要因素[58]。調整肥料施用時間，如少水期施用農家肥或利用稻稈替代有機肥，既可以抑制甲烷排放，又能避免土壤營養元素流失[59]。

3.4 減少動物甲烷排放的途徑和方法

影響動物甲烷排放的因素主要包括影響腸道甲烷和糞便甲烷排放的日糧類型、環境溫度等一系列因素[60-62]。李艷春等[63]研究認為，控制和減少畜禽養殖甲烷排放的關鍵是優化畜牧業結構，提高規模化養殖水平，改良畜禽品種，改進動物飼養和畜禽排泄物處理技術，提升畜產品產出量，進而減少溫室氣體排放。

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Methane Emission Estimation of Fujian Agricultural Activities Based on IPCC Method

Wang Chengji,Li Yanchun,Liu Cenwei,Wang Yixiang,Huang Yibin
(Institute of Agricultural Ecology,Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fuzhou Scientific Observing and
Experimental Station of Agro-Environment,Ministry of Agriculture,Fuzhou 350013,Fujian,China)

Paddy fields and livestock are the important sources of atmospheric methane(CH4).Based on agricultural data of Fujian,according to the methodology guidelines of IPCC,the CH4emission from agricultural activities of Fujian was estimated and analyzed in 2005 and 2010,and the study could put forward suitable measures for mitigating CH4emission.The results showed that:CH4emission from agricultural activities in Fujian in 2005 and 2010 was 397500 t and 327400 t,respectively,17.64%less in 2010 than in 2005;compared with 2005,CH4emission in 2010 from paddy fields and animal intestinal fermentation decreased by 17.37%and 31.59%,respectively,while CH4emission from manure management increased by 1.11%;the decrease of paddy field area and increase of animal scale cultivation degree was the main cause of CH4emission reduction;CH4emission in paddy fields was influenced by variety,soil,water,fertilizer and climate factors,and CH4emission could be reduced from these aspects;the measures for mitigating CH4emission from livestock should be focused on the optimizating animal husbandry structure,promoting large-scale livestock raising,improving raising technologies and poultry waste treatment facilities,and improving livestock product output.The results will provide a scientific basis for policy makers to mitigate CH4emission from agricultural activities of Fujian.

Agricultural Activities;CH4Emission;IPCC Method;Uncertainty Analysis;Fujian

S181

A論文編號：cjas16090021

福建省公益類科研院所專項“福建省規模化養豬場碳足跡及清潔生產技術對策研究”(2015R1017-7)；福建省發展改革委項目“2012年、2014年福建省農業溫室氣體清單編制”（閩發改區域[2016]166號）、“2005年、2010年福建省農業溫室氣體清單編制”（閩發改區域[2012]341號）；福建省自然科學基金項目“煙稈生物質炭對煙田土壤的改良效應及調控機制研究”(2016J01179)。

王成己，男，1972年出生，甘肅民勤人，副研究員，博士，研究方向為土壤碳循環與氣候變化。通信地址：350003福建省福州市五四路247號福建省農科院高新技術大樓906室，Tel：0591-83838023，E-mail：ecowcj@163.com。

黃毅斌，男，1964年出生，福建惠安人，研究員，博士，研究方向為農業生態。通信地址：350003福建省福州市五四路247號福建省農科院高新技術大樓917室，Tel：0591-83838001，E-mail：ecohyb@163.com。

2016-10-14，

2016-11-21。