奶牛場溫室氣體排放與減排措施

鄭永輝，鞠鑫鑫，孫 輝，郭建斌，董仁杰＊

1 中國農業大學工學院，北京 100083

2 山東中農三月環保科技股份有限公司，山東 264006

0 引言

實現國家“碳達峰、碳中和”減排承諾，需要各行各業探索適于中國國情的低碳發展與應用技術。農業活動是非二氧化碳溫室氣體的重要排放來源，其甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）排放分別占全國排量的40.2%和59.5%[1]。畜禽養殖行業CH4和N2O排放量分別貢獻了其中的58.5%和19.9%[2]。我國奶牛養殖行業起步較晚，但發展迅速，以規模化和集約化養殖為發展的主要趨勢[3]，農業活動總排放量為8.3億t CO2當量，其中畜禽養殖業排放3.45 億t CO2當量[1]，按照“國家發展和改革委員會應對氣候變化司”統計數據中奶牛腸道發酵和糞便管理加權排放因子計算[4]，全國加權奶牛溫室氣體排放因子為2.6 t CO2當量/（頭·年），2018年底奶牛存欄量為1 079.8 萬頭[5]，則全國奶牛養殖排放的溫室氣體約2 805.0 萬t CO2當量，占畜禽養殖業溫室氣體排放近8.7%。本文梳理了奶牛養殖過程中主要排放源和具體減排措施，為奶牛養殖實現零碳或低碳發展提供借鑒。

1 奶牛養殖溫室氣體排放主要環節

奶牛養殖過程中的溫室氣體主要來源于奶牛活動和牛場日常運行能源消耗排放。其中，奶牛活動溫室氣體排放主要分為奶牛瘤胃腸道發酵和糞便管理（圖1）。

圖1 奶牛活動溫室氣體排放

1.1 奶牛活動溫室氣體排放

1.1.1 腸道發酵

奶牛腸道發酵CH4排放是指奶牛在正常的代謝過程中，奶牛消化道內的微生物發酵飼料時從奶牛口、鼻和直腸排出體外的CH4。

奶牛的腸道發酵CH4排放量根據《IPCC國家溫室氣體排放清單指南》（以下簡稱《IPCC指南》）推薦的方法學計算，具體有三種層級方法學。層級方法1是一種簡化方法，利用《IPCC指南》中給出的缺省排放因子進行估算，不確定性較大，不推薦使用。層級方法2根據特定的奶牛生產特性、飼料種類、采食量、飼料質量、消化率等數據計算其發酵CH4排放因子，并考慮不同年齡階段對奶牛腸道發酵排放的影響。其中采食量和飼料質量是影響奶牛腸道發酵CH4排放的最重要因素。層級方法3是在層級方法2的基礎上由各國自行改進或創新以獲得更準確的計算方法，但目前仍處于研究探索階段。當前各國普遍采用層級方法2。

我國國家發展改革委員會，通過組織來自于各農業大學、各省畜牧管理總站和農業環境監測站調研的人員，調研了全國不同區域65 個典型縣的奶牛生產特性，對獲得的不同飼養方式和飼養階段的奶牛腸道發酵CH4排放因子和活動水平數據進行加權分析，得到全國加權奶牛腸道發酵CH4排放因子為89.7 kg CH4/（頭·年）[4]，該因子比歐美等發達國家的奶牛腸道發酵排放因子低約20%（表1），其主要原因是歐美地區奶牛的體型大、產奶量高[4]。

1.1.2 糞便管理

奶牛糞便管理排放是指奶牛糞便施入到土壤之前，在對奶牛糞便進行收集、貯存和處理過程中，所產生的CH4和N2O排放。

糞便管理的CH4排放在《IPCC指南》中也有三種方法學。層級方法1根據氣候區和溫度劃分的缺省排放因子進行估算。層級方法2采用通過統計家畜特性和糞肥管理方式的詳細資料進行排放因子的確定，進而計算其排放量。層級方法3同樣是鼓勵各國在層級方法2的基礎上進行改進與創新，當前仍處于探索階段。

在編制我國溫室氣體排放清單時，國家發展改革委員會組織調研人員，根據各省的溫度和不同糞便管理方式的CH4轉化因子結合各地奶牛飼養方式，計算獲得不同省份各年齡段的奶牛糞便管理CH4排放因子，匯總的全國加權奶牛糞便管理CH4排放因子為6.9 kg CH4/（頭·年）[4]；相當于排放172.5 kg CO2當量/（頭·年），由于我國奶牛養殖主要采用干清糞工藝，與國外采用水沖糞和水泡糞工藝相比，不容易產生厭氧環境[4]，因此排放因子遠低于歐美等發達國家（表1）。

糞便管理的N2O排放在《IPCC指南》雖然也有三種方法學，但本質上都是通過計算總排泄氮量在各環節不同管理系統類型的排放因子，進而計算系統總排放量。根據數據的采集精度分為三類。在核算中，N2O排放量主要取決于不同管理模式下的N2O排放因子。

依據《IPCC指南》推薦的方法，根據我國實際的奶牛糞便排泄量、不同糞便管理方式的N2O排放因子和各省奶牛糞便管理方式使用比例，我國奶牛糞便管理N2O排放因子全國加權值為0.74 kg N2O/（頭·年）[4]，相當于排放229.4 kg CO2當量/（頭·年），該值約為歐美國家奶牛糞便管理N2O排放因子的2 倍。其原因主要是由于糞便管理方式的不同，固然有統計方法差異的問題，但也表明我國奶牛糞便管理排放控制水平有待提升。

1.1.3 單位產奶量溫室氣體排放

國內外眾多學者通過《IPCC指南》推薦的方法學估算脂肪和蛋白質校正奶（Fat and Protein Correcting milk，FPCM）的溫室氣體排放量。原奶換算為FPCM公式如下：

根據FPCM換算公式和各國生乳標準（表2）得到我國標準奶產量為1 098.6 kg FPCM/（頭·年），結合IPCC溫室氣體排放數據（表1），計算得到我國每生產1 kg FPCM溫室氣體排放為2.41 kg CO2當量，與西歐、美國單位產奶量溫室氣體排放量相比（表3），我國奶牛養殖單位FPCM溫室氣體排放仍有巨大減排空間。

表1 不同國家/地區各環節溫室氣體排放因子

表2 各國生乳標準

表3 不同國家/地區FPCM排放因子

1.2 能源消耗導致的溫室氣體排放

養殖場能源消耗取決于養殖場的設備工藝水平，包括奶牛場維持正常運行的電力消耗和化石燃料燃燒，主要用于畜舍保溫、照明以及供水供料、擠奶、糞污收運與處理等相關的機械設備，具體可分為兩部分進行計算。電網購入電力耗電排放量可采用生態環保部公布的當年中國區域平均排放因子計算[7]。化石燃料燃燒的排放因子可根據國標《GB/T 32151.1 溫室氣體排放核算與報告要求》中的計算方式和參數推薦值確定。

2 奶牛養殖減排措施

根據對奶牛養殖溫室氣體排放主要環節的分析，奶牛場主要可從減少奶牛腸道發酵、優化糞便管理方式、開發利用新能源等方面開展減排。

2.1 奶牛育種與飼喂優化

提高飼料質量和轉化效率是降低奶牛溫室氣體排放的重要方式，這將影響腸道發酵的排放系數和糞污中剩余的營養成分。主要的方式：（1）采用優質青貯飼料，有利于提高奶牛采食量和飼料消化率[8]，進而降低了溫室氣體排放因子。（2）合理使用飼料添加劑，可以有效調控奶牛瘤胃發酵，促進體內微生態穩定，進而提高飼料轉化率及氮的利用率，降低糞尿污染量[9]。（3）配置優良的TMR全混合日糧，相比傳統的精粗分飼飼養方式，可有效提高奶牛乳脂率和產奶量10%以上[10]，單位產奶量可實現減排約8%。（4）根據實際生產經驗改善飼喂方式，先粗后精、先粗后多次添加精料；牧草粉碎和制粒，滿足營養調控方面的需求，在提升飼料轉化率基礎上降低奶牛養殖中的糞尿污染。（5）利用疫苗驅蟲或抑制產甲烷菌劑降低奶牛腸道發酵。

2.2 高效糞污管理

對奶牛糞便進行有效管理是降低奶牛場溫室氣體排放的關鍵，具體可分為以下兩個方面：

一是在糞污收集階段，優先使用干清糞技術[11]減少糞污的產出量，可采用固定鏈式刮糞板、機械鏟車、清糞罐車和滑移裝載機[12]等清糞工藝減少液體糞污的產出。同時通過增加清糞頻率可降低糞便在養殖區域滯留時間，進而減少糞便處理前的溫室氣體產生量。

二是在糞污處理利用階段，可以通過好氧堆肥技術進行無害化處理實現有機肥料的產出，或者可以通過厭氧發酵工藝同步實現無害化處理、生產CH4和沼肥等[13]。翻堆堆肥相對于傳統的糞污儲存可實現CH4減排71%，N2O排放可實現減排約49%[14]。厭氧發酵可將糞污中的易降解有機物轉化為沼氣，作為清潔能源供給奶牛場運行所需，進而減少奶牛場外部的能源投入，沼氣利用全過程中CH4泄漏可控制在總產氣的1.0%以下[15]，減污降碳效果顯著。根據《2019年全國農產品成本資料收益匯編》[16]，我國規模化奶牛養殖場平均電量消費水平約600 kW·h/（頭·年），根據《IPCC指南》方法估算一頭奶牛年產糞便的沼氣生產潛力約800 m3，發電潛力達到1 600 kW·h/（頭·年），即養殖場所有電力可由沼氣工程發電全部提供。另外，養分、不易降解有機物、腐殖酸和植物激素等有益物質存留在沼液沼渣中可作為農用，沼液沼渣還田增加土壤有機質提高耕地質量，促進土壤固碳。

2.3 優化畜舍養殖環境

奶牛生產性能有20%～30%取決于所處的環境[17]。良好的飼養環境可以提高奶牛免疫力、日增重與飼料轉化率[18]。當環境溫度降到5 ℃時，飼料消耗量增加7%；當環境溫度降到-10 ℃時，飼料消耗量增加20%[19，20]。環境溫度為29.7 ℃和31.4 ℃時，奶牛平均直腸溫度為39 ℃（輕度體溫過高）和39.5 ℃（體溫過高）[21]，奶牛產奶量受到嚴重影響。在生產中，應根據奶牛養殖場本身容納力與實際環境情況，控制牛舍養殖規模，保證飼養空間，同時采用低碳建筑材料，封閉式奶牛養殖場在冬季保證牛舍溫度的同時，定期進行牛舍通風換氣以保持舍內空氣清新，改善養殖場的飼養環境，有助于提升奶牛生產性能，增加飼料轉化率，間接減少奶牛養殖過程中溫室氣體的排放。

2.4 低碳農機與新能源的開發與利用

奶牛養殖配套的機械設備以柴油為主要燃料，在工作時會產生大量溫室氣體排放，據統計，非種養結合養殖場（non-IPBS）和種養結合奶牛場（IPBS）中每產1 t FPCM，所需電量分別為108.577 kW·h和114.335 kW·h，所耗柴油分別為2.773 L和2.733 L[22]。利用清潔電能替代傳統的化石能源，可極大降低溫室氣體排放。現階段農業機械新能源的重點研究對象就是電能的利用，電動農機的能量利用率高，節能效果明顯，比燃油農機節能高達70%左右，能源費用可節省50%左右[23]。目前已有電動農機應用在田間管理作業過程[24]，但養殖場電動農用機械（飼料運輸、糞污管理）需要進一步研究和開發，以便于從根本上降低碳排放。另外，養殖場可利用場內屋頂面積開發利用光伏資源，增強養殖場清潔能源替代供給能力。

3 結語

我國奶牛養殖具有極大的減排空間，通過在奶牛養殖過程中采用高效飼喂與糞污管理，舍內環境調控、清潔能源替代等溫室氣體減排技術等，可有效實現奶牛養殖場溫室氣體減排。低碳乃至零碳奶牛養殖戰略將有效促進奶牛養殖行業可持續發展并助力我國農業領域雙碳戰略目標的實現。