規模化奶牛養殖場溫室氣體排放研究
——以山西省某奶牛養殖場為例

劉翌晨郭涑娜朱法江馬文林*

（ 1. 北京建筑大學環境與能源工程學院 北京應對氣候變化人才培養基地，北京 100261；2. 運城市環境保護研究所，山西運城 044000； 3. 北京畜牧總站，北京 100029）

1 引言

氣候變化是當今全球關注的重點環境問題，農業在應對氣候變化中發揮著重要的作用， 減緩農業碳排放、 發揮農業碳匯潛力是減緩全球升溫的重要舉措之一［1］。 隨著畜牧業的快速發展，畜牧業溫室氣體排放在農業活動溫室氣體排放中占比越來越大，最新評估得出目前全球畜牧業排放的溫室氣體占人類活動總排放量的18%［2-3］。 其中，來自于奶牛瘤胃的甲烷（ CH4）排放，以及來自于畜禽糞便的CH4與氧化亞氮（ N2O），是重要的農業溫室氣體排放源［4］。

根據國家統計年鑒數據［5］，我國2009—2013 年奶牛養殖量整體處于下降趨勢， 平均每年降幅為2.9%，2013—2018 年趨于穩定，2018 年奶牛養殖數量為8 915.28 萬頭。雖然養殖數量在減少，但奶牛養殖品種和養殖技術的改善，使每頭牛單產水平提高，因而我國每年的牛奶總產量并未下降，2009—2018年基本穩定在3 000 萬—3 200 萬t/a。

我國奶牛養殖業的另外一個發展趨勢是奶牛養殖的規模和集約化程度都顯著提高，在國民經濟中的地位也明顯上升，極大提升了國民的生活水平［6-7］。然而，奶牛養殖業集約化發展也帶來了環境壓力，大量的糞污未經處理隨意堆砌，不但引發臭氣、氮污染等環境空氣問題，嚴重影響了附近居民的生活［8］，還增加了向環境排放溫室氣體的量。

本文基于IPCC《 國家溫室氣體清單指南》（ 2006）制定的核算方法和我國《 工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》（ GB/T 32150—2015），以我國山西省某奶牛養殖企業為實例， 研究奶牛養殖企業溫室氣體排放的主要途徑，提出減排措施，為奶牛養殖低碳化發展提供借鑒。

2 核算方法

2.1 奶牛養殖場概況

案例奶牛場飼養荷斯坦奶牛，養殖情況見表1。奶牛場針對各種類別牛群制作TMR 配方， 集中投料，自由采食，每日投料2 次（ 早晚各1 次）。 在牛群休息區設置臥床，每日清理維護，自由飲水。 利用養殖區域的有機廢棄物作為原料， 經發酵后產生綠色能源沼氣，沼液與沼渣作為有機肥使用。養殖污水由尿液池收集后排入沼氣池。

表1 奶牛養殖情況

2.2 核算邊界

奶牛養殖場邊界內生產系統可以分為直接生產系統、 輔助生產系統和直接為生產服務的附屬生產系統。其中，直接生產系統是指牛舍、擠奶廳，輔助生產系統包括飼料加工車間、糞污管理、水電供應、檢驗、機修、庫房、運輸等，附屬生產系統包括奶牛養殖場辦公區和場區內為生產服務的部門和單位。 發生在場界內的生活能耗導致的排放原則上不在核算范圍內。

2.3 排放源識別

奶牛養殖場的主要溫室氣體排放源包括奶牛腸道、奶牛糞便管理、化石燃料燃燒、購入電力和沼氣回收利用設施等工藝單元和場所。

產生的溫室氣體包括：奶牛通過口、鼻和直腸等消化道向體外排放CH4氣體； 奶牛糞便在養殖場內貯存和處理過程中產生CH4和N2O 并排放到環境中；場界內各種類型的固定或移動燃燒設備（ 如鍋爐、灶具、車輛等）燃燒煤炭、燃氣、汽油、柴油等化石燃料產生CO2并排放到環境中， 以及消耗電力產生的CO2間接排放。

溫室氣體減排主要來源于牛糞沼氣設施產生的沼氣直接回收利用。

2.4 排放量計算方法

2.4.1 總排放量計算

奶牛養殖場溫室氣體排放總量按以下公式進行計算：

式中，EGHG為奶牛養殖企業溫室氣體排放總量，t CO2e；EEnte-CH4為奶牛腸道發酵CH4排放量，t CH4；EManu-CH4為奶牛糞便管理產生CH4排放，t CH4；EManu-N2O為奶牛糞便管理產生N2O 排放，t N2O；EFuel-CO2為化石燃料燃燒產生的CO2排放量，t CO2；EElec-CO2為購入電力對應的生產過程產生的CO2排放量，t CO2；REbiogas-reus，CH4為沼氣回收利用減少的甲烷排放量，t CH4；GWPCH4，GWPN2O分 別 為CH4和N2O 相 比CO2的全球增溫潛勢值（ GWP），該數值根據IPCC 評估報告數據進行更新， 本研究中使用第4 次評估報告中的數據值，分別為25 和298。

2.4.2 奶牛腸道發酵CH4排放量

奶牛腸道發酵CH4排放量按照IPCC［9］方法2 計算。 各類別牛群日糧干重及總能量見表2。

表2 各類別牛群日糧干重及總能量

根據犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛5種牛的生長周期、體重、飼料等特征參數（ 表1 和表2），計算每種牛群的腸道CH4排放因子，根據年均飼養量與排放因子相乘計算奶牛場奶牛腸道發酵CH4排放總量。

2.4.3 奶牛糞便管理CH4和N2O 排放量

奶牛糞便管理過程CH4和N2O 排放量與糞便管理方式有關。根據調查結果，該牛場采用沼氣設施處理糞便，產生的沼氣作為綠色能源進行回用、沼液和沼渣作為有機肥施用到農田。

厭氧過程不發生硝化反應， 因此不產生N2O 排放。

利用IPCC［9］方法2 計算奶牛糞便管理過程CH4排放量，關鍵參數包括規模牛場的日糧特征參數（ 見表2）和糞便管理方式。

2.4.4 奶牛養殖能源消耗CO2排放量

案例奶牛養殖場生產消耗的能源包括電力和化石燃料，按照IPCC［9］方法1 計算能源消耗的CO2排放量。

該奶牛養殖企業地處山西省，歸屬華北區域電網， 我國華北區域電網2012 年外購電力排放因子為0.884 3 kg CO2/kW·h， 各種化石燃料排放相關CO2排放參數見表3。

表3 化石燃料相關參數值

2.4.5 沼氣回用

奶牛養殖企業沼氣回收利用的減排量等于回收并輸送給第三方利用的沼氣體積乘以沼氣中CH4氣體的體積濃度（ 以60%計算），再乘以沼氣中CH4氣體的體積濃度（ 以6.7%計算）。

3 結果與分析

3.1 奶牛腸道發酵CH4 排放量

奶牛腸道發酵CH4排放計算分以下三步進行：

第一步， 根據各個牛群每個月的月初存欄量與月末存欄量計算出該牛群的當月平均存欄量， 再計算12個月的平均存欄量作為年平均飼養量，案例奶牛場的犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的年均飼養量分別為14.75，38.67，42.71，7.96，21.25 頭。

第二步， 根據每種牛每天攝入的總能量計算各種牛的腸道發酵CH4排放因子，結果見表4。

第三步， 用每種牛的年均飼養量乘以腸道CH4排放因子，得出每種奶牛的腸道發酵CH4排放量。

經計算，犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的腸道CH4排放量分別為0.32，2.66，5.33，1.04，4.78 t，得出該奶牛場的奶牛腸道發酵CH4排放總量為14.13 t，折合353.30 t CO2e。

表4 各種牛群的腸道CH4 排放因子

3.2 奶牛糞便管理CH4 排放量

采用表2 所示的各種牛群的日糧干重和總能量數據，按照IPCC［9］方法2 計算得出犢牛、育成牛、青年牛、干奶牛和泌乳牛的糞便VS 值分別為0.66，2.09，3.80，3.99，6.84 kg DM/（ 頭·d-1），進一步計算得出各類牛的糞便CH4排放量分別為0.058，0.47，0.95，0.19，0.85 t， 以及該奶牛場糞便管理CH4排放總量為2.52 t，折合63.06 t CO2e。

3.3 能源消耗的排放量

案例奶牛場的能源消耗排放主要包括生產期間化石燃料的燃燒與購入電力的排放， 按照《 工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》（ GB/T 32150—2015）中的方法進行計算。 該奶牛場全年消耗0.3 t柴油，排放0.94 t CO2。 年用電量22.45 MW·h，采用華北區域電網排放因子0.884 3 t CO2/（ MW·h），得到年用電產生的CO2間接排放量為19.85 t。

3.4 沼氣回收利用減排量

沼氣回收利用的減排量等于回收并輸送給第三方利用的沼氣體積乘以沼氣中CH4氣體的體積濃度（ 以60%計算）， 再乘以沼氣中CH4氣體的體積質量換算系數（ 以6.7%計算）。 奶牛場年回收并輸送給第三方利用的沼氣體積為2.245 萬標m3， 計算得到CH4減排量為25.41 t，折合635.16 t CO2e。

4 結果與討論

4.1 排放量匯總

各個溫室氣體排放源產生的排放量見表5。 奶牛場的溫室氣體總排放量為437.15 t CO2e， 沼氣外供產生的減排量為635.16 t CO2e， 因此奶牛場產生的溫室氣體凈排放量為-198.01 t CO2e。

表5 排放量匯總

4.2 不同排放源的比較

將奶牛腸道發酵排放、 糞便管理排放和能源消耗排放分別統計并進行比較，結果如圖1 所示。

圖1 各排放源溫室氣體排放量

奶牛腸道CH4排放是奶牛場最主要的溫室氣體排放源，其次為糞便管理過程，這與李培培、孫亞男等人［10-11］的研究結果相似，由此說明降低奶牛腸道發酵CH4排放是奶牛場減排溫室氣體的主要途徑，在生產過程中針對這一環節進行技術改造有利于養殖場溫室氣體減排。 孫凱佳［12］的研究表明，改善飼糧結構、使用添加劑、人為調控瘤胃菌群結構和免疫是減少反芻動物胃腸道CH4排放的幾種途徑。 許斌斌［13］的研究表明，在飼料中添加一定劑量釀酒酵母有利于減少肉牛胃腸道CH4排放。

同時該奶牛場對牛糞進行厭氧消化， 生產沼氣自用并外供，形成635.16 t CO2e 的減排量，不僅抵消了奶牛養殖的溫室氣體排放， 還向外提供大量的沼氣，說明糞便的厭氧處理減排效果顯著，同時也能緩解養殖場和周邊地區的能源壓力， 是值得推廣的措施，也符合國家推廣糞便資源化的號召。

4.3 不同牛群排放量的比較

根據對奶牛腸道發酵CH4排放量和糞便管理CH4排放量的計算結果， 得出每種奶牛的排放量和每類牛群的排放量，見表6。

表6 不同牛和牛群的溫室氣體排放

根據表6 的數據可看出， 每頭牛個體的溫室氣體排放量從低到高的順序為犢牛＜育成牛＜青年牛＜干奶牛＜泌乳牛，其排序與牛的體重成正相關，個體大的牛，攝入日糧和排泄糞便的量都大，因而排放溫室氣體的量也大。

對于不同牛群的溫室氣體排放量， 從低到高的順序為犢牛＜干奶牛＜育成牛＜泌乳牛＜青年牛。 青年牛群和泌乳牛群的排放量比其他牛群顯著要高，分別占奶牛場總排放量的37.7%和33.8%，主要是青年牛群的存欄量最高，占總存欄量的34.1%；而泌乳牛群盡管存欄量僅是總存欄量的17.0%， 但泌乳牛單頭排放量大，使得其牛群排放量顯著高于犢牛群、干奶牛群和育成牛群。由于干奶牛數量較少，因此排放量占比較少，而犢牛和育成牛由于攝入的飼料較少，因此排放量占比較少。

5 結論

通過對奶牛場溫室氣體排放量核算， 得出以下3 項結論：

（ 1）該養殖場溫室氣體總排放量437.15 t CO2e，沼氣外供產生減排量635.16 t CO2e，因此該養殖場產生的溫室氣體凈排放量為-198.01 t CO2e。

（ 2）在各排放源中，奶牛腸道CH4排放是最主要的排放源，其次為糞便管理過程，同時牛糞沼氣工程減排效果明顯。

（ 3）奶牛場不同牛個體，溫室氣體排放量與其個體體重成正相關； 青年牛群和泌乳牛群的溫室氣體排放量較高，顯著高于其他牛群的排放。