四川奶牛溫室氣體CH4排放估算方法建立與應(yīng)用

付 敏，李 琰，丁俊仁，李 瑤，方東輝，焦浩鵬，閻天海，陳天寶*

(1.四川省畜牧科學(xué)研究院/動(dòng)物遺傳育種四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066；2. 新希望生態(tài)牧業(yè)有限公司，四川 成都 610023；3. 英國農(nóng)業(yè)食品和生物科學(xué)研究院，英國Co. Down BT26 6DR)

科學(xué)研究表明溫室氣體會(huì)導(dǎo)致全球氣候變暖,而氣候變暖對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生的嚴(yán)峻影響，已成為當(dāng)今人類社會(huì)亟待解決的重大難題。隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜牧業(yè)溫室氣體排放在農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體排放中占比越來越大，研究認(rèn)為全球畜牧業(yè)排放的溫室氣體占人類活動(dòng)總排放量的18%[1-2]。在養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，科學(xué)準(zhǔn)確的測(cè)定溫室氣體排放因子是監(jiān)測(cè)畜牧業(yè)溫室氣體排放量，制定長遠(yuǎn)可行的畜牧業(yè)溫室氣體減排策略和低碳發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。但目前，全省乃至全國都采用的是IPCC第二次評(píng)估報(bào)告值或《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》(國家發(fā)改委氣候司，2011年5月)給出的推薦值來預(yù)測(cè)溫室氣體排放量。由于各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖種類、生產(chǎn)水平、畜禽糞便管理方式及氣候條件等迥異，其預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和針對(duì)性較差。因此，迫切需要建立科學(xué)準(zhǔn)確的溫室氣體排放監(jiān)測(cè)技術(shù)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)畜禽溫室氣體排放因子，為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃布局提供科學(xué)依據(jù)。

畜牧業(yè)溫室氣體主要來源于畜禽生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的CO2、CH4、N2O等氣體。豬、牛、羊等大牲畜是溫室氣體的主要來源。研究表明，反芻動(dòng)物牛羊生產(chǎn)活動(dòng)中 CH4總產(chǎn)量約占全球動(dòng)物和人類 CH4釋放總量的95%，而 CH4全球變暖潛值是 CO2的 21 倍[2]。反芻動(dòng)物生產(chǎn)中CH4有大約89%來源于腸道發(fā)酵，其余來自糞便等排泄物厭氧發(fā)酵[3]，而且CH4不易被生物直接利用，進(jìn)而在空氣中可停留9～15年[3]，對(duì)全球溫室效應(yīng)影響極大。因此科學(xué)測(cè)定畜禽CH4年排放量至關(guān)重要。國際上通常將每頭牛每天攝入總能與排出的CH4能之間的比值系數(shù)稱為CH4排放因子，也表明牛攝入能量與排除CH4之間存在著顯著的相關(guān)性。目前，溫室氣體CH4排放量的測(cè)算主要有3種方法，第1種方法TR1是根據(jù)IPCC推薦的參數(shù)與該地區(qū)動(dòng)物數(shù)量直接乘算，該種方法簡單，易操作，但是該參數(shù)針對(duì)性差，各地區(qū)牛的品種和飼養(yǎng)管理水平差異大，因此通過該參數(shù)計(jì)算的結(jié)果誤差大；第2種方法TR2是根據(jù)動(dòng)物的體重、年齡階段、生長性能情況利用NRC或者AFRC營養(yǎng)需要標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出CH4能排放，預(yù)測(cè)CH4排放量[4]，NRC或者AFRC參數(shù)是基于美國和英國的特定生產(chǎn)條件下動(dòng)物正常生長的最低營養(yǎng)需要量。而在實(shí)際生產(chǎn)中，因品種、飼養(yǎng)管理不一致，我國養(yǎng)殖場(chǎng)營養(yǎng)供給普遍高于NRC或者AFRC推薦量，因此通過第2種方法估算結(jié)果可能低于實(shí)際排放量；第3種方法TR3是通過動(dòng)物呼吸代謝試驗(yàn)，精確測(cè)定牛/羊CH4排放量、采食量、生產(chǎn)性能、養(yǎng)分消化率、能量消化率等，并通過大量精確測(cè)定數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)CH4排放與采食量、生理階段、體重等的相關(guān)性系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算CH4排放量。這種方法最準(zhǔn)確，更具有實(shí)際意義，但是試驗(yàn)成本高，時(shí)間較長[5]。

因此，本試驗(yàn)與英國農(nóng)業(yè)食品與生物科學(xué)研究院合作研究，通過對(duì)方試驗(yàn)條件和技術(shù)的支持，還有20年的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)的支撐，以荷斯坦牛為試驗(yàn)對(duì)象，摸索建立了一套科學(xué)預(yù)測(cè)CH4排放量的數(shù)學(xué)模型，并將該成果應(yīng)用于我省奶牛溫室氣體CH4排放量計(jì)算。

1 研究方法

1.1 代謝試驗(yàn)測(cè)定荷斯坦牛各生理期CH4排放值

選擇20頭健康斷奶荷斯坦小奶牛，公母各半，飼喂常規(guī)日糧(青貯料+精料補(bǔ)充料)，在商業(yè)農(nóng)場(chǎng)開展飼養(yǎng)試驗(yàn)，記錄日采食量、周體重變化，在第6月(185d)，第12月(368d)，第18月(548d)，第22月(674d)進(jìn)行為期4d的呼吸代謝試驗(yàn)，測(cè)定日采食量、日增重、干物質(zhì)攝入量、總能攝入量、有機(jī)物攝入量、CH4排放量。

選擇18頭泌乳牛開展了9個(gè)呼吸代謝試驗(yàn)，測(cè)定日采食量、日增重、干物質(zhì)攝入量、總能攝入量、有機(jī)物攝入量、CH4排放量。

1.2 科學(xué)建模，建立荷斯坦牛CH4預(yù)測(cè)模型

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)前期分析，性別對(duì)CH4排放量無影響。因此，將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過數(shù)據(jù)模擬分析，建立CH4與體重、采食量、能量攝入等因素的回歸關(guān)系，建立CH4排放模型預(yù)測(cè)。計(jì)算出1頭奶牛出生到淘汰全程總CH4排放量。

1.3 調(diào)查獲取

2005～2016年四川省奶牛生產(chǎn)數(shù)據(jù)，獲得全省近年來奶牛CH4排放量及變化趨勢(shì)。

2 研究結(jié)果

2.1 荷斯坦牛各生長階段CH4排放量

由表1所示，荷斯坦奶牛在6月、12月、18月、22月齡CH4排放量分別為96.4g/d、160g/d、167g/d、184g/d；每千克代謝體重CH4排放量分別為2.01、2.14、1.62、1.59；攝入每千克干物質(zhì)CH4排放量分別為23.8g/kg、24.3g/kg、24.6g/kg、22.8g/kg。泌乳奶牛在第1到第9個(gè)產(chǎn)奶周期CH4排放量平均為325.09g/d。

表1 奶牛、公牛不同階段CH4排泄量

2.2 荷斯坦小牛CH4排放預(yù)測(cè)模型

采食量與CH4排放量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系：y=22.1x+9.6，R2=0.91,SE=12.1。

攝入總能與CH4排放量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系：CH4-E(MJ day-1)=0.057GEintake(MJ day-1)+1.092，R2=0.90,SE=0.68。

體重與CH4排放量之間存在顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系：y=6.14e0.0049x，R2=0.95。

CH4排放量與各階段體重之間有著顯著相關(guān)性，關(guān)系如下：

CH4(0-1)=0.078 BW12+10.6，R2=0.84；

CH4(0-1)=0.061 BW6+ 0.040 BW12+12.1，R2=0.95；

CH4(1-2)=0.039BW12+0.058 BW22+18.8，R2=0.75；

CH4(1-2)=0.018 BW12+0.044 BW18+0.035 BW22+17.1，R2=0.90；

CH4(0-2)=0.141 BW6+0.059 BW22+42.0 R2=0.75；

CH4(0-2)=0.043 BW6+0.072 BW12+0.041 BW18+0.033 BW22+30.0，R2=0.93。

攝入總能與荷斯坦泌乳奶牛CH4排放之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系：CH4-E=0.0547 GEI+13.2340，R2=0.846。

2.3 荷斯坦牛CH4排放量計(jì)算

由表2可見，在第1年和第2年每頭荷斯坦奶牛和荷斯坦公牛出生到6月齡CH4排放量分別為13.2Kg、12.1Kg，7到12月齡CH4排放量分別為23.4Kg和23.Kg，13～1月齡CH4排放量分別為29.9Kg、30.6Kg，19～24月齡CH4排放量分別為33.8Kg、34.2Kg。調(diào)查結(jié)果顯示，四川奶牛中荷斯坦奶牛占比為95%，平均1頭奶牛產(chǎn)奶6個(gè)周期淘汰。因此，全程CH4排放量為812.05kg，平均到每年為101.51kg。

表2 每頭荷斯坦牛每6個(gè)月的CH4排放量

2.4 2005～2016年四川奶牛CH4排放量

2005年～2016年四川省奶牛數(shù)量及CH4排放量見表3，奶牛數(shù)量來源于《畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

表3 2005～2016年四川奶牛數(shù)量及CH4排放量

3 分析與討論