动物生产中温室气体的来源及减排措施

动物生产中温室气体的来源及减排措施汪水平;王文娟;苏光华;周沛【摘要】Agricultureproduction,especiallyanimalhusbandry,contributessignificantlytotheemissionsofnon-C02greenhousegases.Thernmainsourcesofmethaneandnitrousoxideandreducingemissionmeasuresweresummarized,therelationshipbetweengreenhousegasesandrnnitrogenreducingwasdiscussed.%在农业生产过程中，特别是动物生产,会排放大量非二氧化碳的温室气体.总结了动物生产中甲烷和一氧化二氮的主要来源及减排措施，探讨了温室气体减排与氮减排的关系.【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷)，期】2012(040)033【总页数】4页(P16149-16151,16234)【关键词】动物生产;甲烷;一氧化二氮【作者】汪水平;王文娟;苏光华;周沛【作者单位】西南大学荣昌校区，重庆402460;西南大学重庆市牧草与草食家畜重点实验室，重庆400716;西南大学荣昌校区，重庆402460;重庆市种畜场，重庆400020;西南大学荣昌校区，重庆402460【正文语种】中文【中图分类】S811.5在过去的150年内，地球大气中主要的温室气体(Greenhousegas,GHG)(如二氧化碳(Carbondioxide，CO2)、甲烷(Methane，CH4)和一氧化二氮(Nitrousoxide，N2O))的浓度急剧增加，引起全球气候变暖，导致人类的生存环境发生了前所未有的变化。因此，降低GHG的排放已成为世界各国的普遍共识。农业生产排出的GHG量占全球排出总量的20%~35%，而农业生产排出的GHG中CH4和N2O的量分别高于40%和50%［1］。在农业生产中，CH4主要来源于动物及其排泄物，而N2O主要来源于施用化肥或厩肥的田地与使用秸秆和褥草作为垫料的动物圈舍［2］。笔者总结了动物生产中CH4和N2O的主要来源及减排措施。CH4和N2O的主要来源CH4通常由饲料和粪便碳组分消化过程中降解生成，而N2O主要是在化肥和厩肥的氮循环中产生。CH4饲料在动物胃肠道内发酵可生成CH4，反刍动物的主要生成部位是瘤胃，单胃动物则是大肠。动物粪便在堆积时也会生成CH4。Monteny等［3］研究表明奶牛、猪和家禽每个体每年平均分别会产生CH484~123、4.8和0.26kg，其中由胃肠道发酵生成的CH4量分别占75%~83%、30%和0%。这表明反刍动物生产中CH4主要来源于瘤胃发酵，而单胃动物生产中CH4主要来源于粪便。反刍动物瘤胃CH4生成量与饲料干物质进食量(Drymatterintake,DMI)、能量浓度及化学组成有关，反映到瘤胃层次就是可发酵有机物的比例、生成的挥发性脂肪酸(Volatilefattyacid,VFA)的类型及微生物合成效率。可发酵有机物的比例受饲料DMI水平和碳水化合物组分降解特性的影响。Mills等［4］给奶牛饲喂禾本科青贮料与精料的比例为50:50的日粮，当DMI从10kg/d增加到24kg/d,尽管CH4产量增加，但是生成CH4消耗的能量占奶牛进食能量的比例由6.6%下降到6.0%，其部分原因是饲料DMI增加降低了瘤胃营养物质的消化率，进而降低了饲料可发酵OM的比例，另一部分原因是饲料DMI增加改变了生成的VFA的类型或瘤胃发酵模式。由于VFA和CH4的合成均需要氢，因此瘤胃内VFA产量增加意味着CH4产量降低。Bannink等［5］利用泌乳奶牛瘤胃液测定了不同底物发酵生成VFA的系数。Mills等［4］研究表明用淀粉替代精料中的粗纤维，可使CH4产量降低14.7%，此时日粮可发酵有机物的比例升高，瘤胃pH下降，丙酸产量提高。目前的饲料评价体系多假定瘤胃微生物合成效率为稳定的常数，如荷兰蛋白质评价体系规定瘤胃内每千克可发酵有机物可合成150g蛋白质。然而，Dijkstra等［6］证实瘤胃内环境对微生物合成效率的影响很大。日粮调控措施通常会对瘤胃内环境产生影响，进而影响到微生物的生长状况，由此影响了可发酵有机物转化成VFA或CH4的数量。在微生物合成时，氢生成或利用的数量还取决于作为氮源的氨或氨基酸。氮源会影响瘤胃氢平衡，从而影响碳的分流［4］。单胃动物（如猪）仅仅是大肠发酵可产生CH4，当过剩的碳水化合物流进大肠，就会被大肠微生物降解。尽管大肠发酵环境不同于瘤胃，但微生物发酵和CH4生成的原理相一致。Bakker［7］研究表明猪大肠发酵产生的能量中有10%以CH4的形式流失，占猪进食总能的0.5%~1.9%。由此可见，猪胃肠道内发酵生成的CH4最多占总能进食量的2%，而反刍动物占7%［4,8］。动物粪便消化是厌氧发酵过程，大致分为以下2个步骤:①产酸菌的快速繁殖。产酸菌可在3~70°C温度范围内存活，最适温度是30°C，能将底物分解生成有机酸、氢和CO2;②适应不同温度的产甲烷菌（嗜冷菌株，＜20°C;嗜温菌株，20~40C;嗜热菌株，＞40°C）将有机酸分解成CH4［9-10］。环境温度越高，动物粪便生物降解就越彻底，则所生成的CH4（即沼气）量越多。但是，为提高CH4产量而供热并不可取，因此粪便质量对CH4产量具有决定作用，其中最重要的因素是适宜的pH和碳与氮比例（13:1-28:1为最佳）［10］。N2ON2O主要来源于施用到田地的氮肥和厩肥、放牧动物的排泄物、动物圈舍内夕卜积存的粪便及堆积的青贮料［2］。N2O是由需氧和厌氧的混合发酵过程产生，因此N2O生成的所需条件严格。N2O的生成大致分为2个步骤:①铵转变成硝酸盐，此时需氧，为硝化作用;②硝酸盐还原生成氮气，此时厌氧，为脱氮作用［11］。因此，N2O的生成受环境条件（如氧气状况、温度、含水量及土壤状态等）的影响。通常情况下，动物粪便堆肥处于严格厌氧状况，不会生成N2O。但是，当粪便含水量过高或堆肥不实，就会出现硝化作用和脱氮作用。另外，在使用秸秆和褥草作为垫料的动物圈舍里，或采用粪尿集中、定时清理的清洁工艺时，硝化作用和脱氮作用不能人为控制［12］。在这种情况下，尽管氨的排放量减少，但是N2O和CH4的排放量会增多，致使氮的净排放量较传统圈舍或工艺要高［12］。CH4和N2O的减排措施2.1CH4从理论上讲，只要使动物将进食的能量或营养物质更多地用于生产，更少地用于维持，即提高生产与维持的比例，均可降低单位动物产品的CH4排放量。虽然，降低动物群体数量，但是提高个体生产性能，从而维持群体产品产量，也可降低单位动物产品的CH4排放量。日粮结构（如粗精比及饲料搭配）或组成（碳水化合物、蛋白质和脂肪的来源和含量）的改变，会影响反刍动物瘤胃发酵及生产性能，也会影响进入单胃动物大肠的营养物质类型与数量及大肠发酵。然而，单胃动物大肠发酵能力有限，CH4的生成能力较反刍动物瘤胃要弱得多。因此，饲喂措施对规模化养殖场GHG排放量有很大的影响。对于反刍动物，理论上降低瘤胃CH4产量的主要措施包括:①提高日粮瘤胃快速降解碳水化合物的含量，从而提高丙酸产量，通过竞争利用氢来降低CH4的形成;②改变日粮进食量和组成，尽可能提高动物的生产性能;③添加不饱和脂肪或刺激产乙酸的细菌增殖，以降低可利用氢;④通过各类添加剂调控瘤胃甲烷菌或原虫数量和活性。目前，前2个措施已在生产中应用，而后2个措施要么处于理论或研究状态，要么难于推广应用［13］。Mills等［4］调查表明在集约化饲养下乳牛自由采食时305d乳产量为9150kg,而在粗放饲养下乳牛限制饲喂，305d乳产量为6100kg，尽管后者每头乳牛每天CH4的排放量较前者约少20%，但由于达到相同的阶段乳产量，前者需要的群体较小，因此前者群体CH4排放量较后者约降低21%。实际上，任何措施应先在个体甚至瘤胃水平上进行评估，再从群体生产性能、营养物质消化利用及应用成本的角度进行考察，最后在群体水平上作出综合判断。CH4几乎不溶于水，因此圈舍内生成的CH4会立即释放到空气中。降低圈舍内CH4产量的主要措施有:①尽快将动物粪便冷却至10°C以下，或借助添加剂降低粪便pH，以抑制发酵产气;②频繁彻底地清除圈舍内的粪便，避免堆积;③及时清除秸秆和褥草等垫料，加强堆肥管理。措施①通常需要额外的装备，以便从粪便中吸取热量，或者需要使用添加剂。Sommer等［14］研究表明，与不冷却相比，对猪圈舍内粪便进行冷却处理可使CH4和N2O的排放量降低21%。另外，使用添加剂(如乳酸和石灰石)甚至可使CH4和N2O的排放量降低80%［15］。措施②切实可行且有效，但需要充足的室外粪便堆积场所，而且也需采取额外措施来阻止CH4和N2O的排放，如厌氧消化生产沼气、直接或间接燃烧及特定微生物利用后再生产等［16］。结合养殖场电力或天然气设备，利用粪便来生产沼气，供养殖场内部或周边使用，是非常值得推广的措施，但是这种做法依赖于养殖场沼气生产量及周围电力或天然气设备的配置。措施③切实可行且有效，但是需要更多的劳动力。N2ON2O的排放与肥料类型、硝化抑制剂、田地排水管理、固体粪便的贮存、N2O与氮气(Nitrogengas,N2)的比例及动物圈舍类型与管理有关。与主要成分为铵盐的肥料相比，主要成分为硝酸盐的肥料N2O释放系数较高。Eichner［17］研究表明硝酸铵N2O释放系数为0.44%，而尿素为0.11%。Dobbie和Smith［18］研究表明在牧草地上使用尿素，与使用硝酸铵相比，可降低N2O的排放，而且使用尿素的成本更低。目前，已研制出缓释尿素。与普通尿素相比，缓释尿素释放氮的速度较慢，能与植物氮吸收与利用同步化，能较好地满足植物需要。Smith等［19］研究表明包被的缓释硝酸铵和硫酸铵与不包被的相比，N2O释放量显著降低(Pv0.05)。硝化抑制剂(Nitrificationinhibitor,NI)可添加到尿素或铵盐肥料中。Dobbie和Smith［18］研究表明在尿素中添加NI,可降低N2O的排放。氯啶、双氰胺、3,4-二甲基毗唑磷酸盐(3,4-dimethylpyrazolephosphate,DMPP),均可作为NI,对降低N2O从肥料和动物粪便中释放具有良好效果［20］。与在粪便表面喷洒相比，在粪便深层注入NI,可显著降低氨的释放量(P<0.05)，但会显著增加N2O的释放量(P<0.05)［11］。Dittert等［21］研究表明经DMPP处理的粪便用于牧草地，可使N2O排放量降低32%,而15N标记表明DMPP处理主要抑制粪便氮生成N2O。在牧场使用NI也有效果。Di和Cameron［22］给牧场草地喷洒双氰胺显著降低了沉积粪尿的N2O排放量伊<0.05)。田地具有良好的排水性能，可显著降低N2O的排放量(P<0.05)［23］。因此，需要改善土壤的物理条件，降低土壤湿度，特别是牧场草地。交通工具、人类耕作及家畜放牧的踩踏，会增加牧场草地土壤的致密度，创造了厌氧环境，增强了脱氮作用，造成N2O的排放量增加［24］。固体粪便堆肥时进行严实处理，尽量减少入堆的氧气，尽早创造厌氧环境，施肥前避免翻动，可降低N2O的排放量。硝化作用可生成N2O，而脱氮作用可生成N2和N2O。改善对动物粪便的管理，可使N2生成量相对增多，N2O生成量相对减少。粪便所含碳的质量对生成的N2O与N2的比例影响很大，因此在粪便厌氧消化或贮存时，深入了解碳质量，以改进粪便管理措施，可有效降低N2O释放量［25］。Dobbie和Smith［18］研究表明与新鲜粪便相比，将粪便贮存6个月或先进行厌氧消化再施用到牧草地，可降低N2O的排放量。在贮存或厌氧消化时，粪便中快速可利用碳被微生物利用或以CO2或CH4形式损失，因此当粪便施用于田地时，粪便所含可利用碳较少，不能给脱氮作用提供燃料。动物粪便厌氧消化对降低CH4和N2O的排放量是双赢的管理措施，因为排放的CH4作为沼气可用于产热或供电，而处理后的粪便施用到田地时可降低N2O的排放量。动物饲养方式与清洁工艺也会影响GHG的排放，特别是对N2O排放的影响很大。为了改善动物福利，在圈舍内使用秸秆和褥草等垫料，不仅会增加垫料的用量和固体有机肥的产量，也会由于垫料和粪便混合难以分开造成粪便在圈舍内和贮存时生成更多的N2O［12］。许多养殖者为降低饲料成本和劳动力数量而延长奶牛和肉牛的放牧季节，虽不会影响CH4的排放，但是会增加N2O的排放和造成氮淋失［22］。GHG减排与氮减排的关系N2O减排与氮减排之间存在互作。Brink等［26］研究表明改良动物圈舍和粪便氮减排技术的应用，在降低氨排放量的同时可使N2O排放量减少15%。Groenestein和VanFaassen［12］研究表明牛圈舍内不使用垫料，虽然N2O的排放量会降低，但是氨的排放量会增加。Misselbrook等［27］研究表明用尿素替代硝酸铵会增加氨的释放。田地排水性能的改善会增加NO-3流失量，导致N2O释放量间接增加［23］。在植物生长季节，硝酸盐易损区通常会被施用大量厩肥，因此厩肥和硝酸盐肥料间会就N2O的释放产生互作。施用厩肥时，再使用硝酸盐肥料，会增加N2O的排放量，超过5%NO-3形式的氮会以N2O的形式损失掉［28］。氨减排通常不会对CH4的排放产生影响［26］。农业中碳和氮的循环基本独立，各自的减排措施差别很大。CH4的减排主要依靠调控胃肠道发酵的动物营养措施和动物圈舍内外的粪便管理措施，同时CH4是一种潜在的能源，养殖场厌氧消化产生的沼气可作为燃料使用，减少对矿物燃料的需求，间接为全球气候变化的改善作出贡献。另外，厌氧消化后的粪便含氨量虽然增加，但易于被植物摄取利用，而此时粪便快速可利用碳降低，施用后N2O排放量势必减少。另外，厌氧发酵会降解粪便所含的VFA，致使粪便散发的臭味减轻，改善了周边的环境。4小结在农业生产过程中，特别是动物生产，会排放大量非CO2的GHG。其中，CH4主要来源于反刍动物瘤胃和动物粪便，而N2O主要来源于施肥的田地和动物圈舍。从反刍动物瘤胃的角度来看，CH4减排措施主要有增加动物单产、减少动物数量、改变日粮、减少产甲烷菌数量和抑制微生物产CH4活性等;从动物粪便角度来看，CH4减排主要是加强粪便管理使之产生更多的沼气。对于来源于田地的N2O，可通过选用肥料、使用NI、改善排水性能及限制放牧等措施来减排;对于来源于动物圈舍的N2O，可通过加强粪便的堆肥管理、饲养方式的改变与粪便厌氧消化等措施来减排。动物粪便厌氧消化可同时降低CH4和N2O的排放量，具有推广价值。在控制GHG排放的同时，应尽量降低NO-3流失量和氨挥发量。参考文献[1]STEVENSRJ,LAUGHLINRJ.Cattleslurryappliedbeforefertilizernitratelowersnitrousoxideanddinitrogenemissions[J].SoilSciSocAmJ,2002,66:647-652.[2]BROWNL,ARMSTRONGBROWNS,JARVISSC,etal.AninventoryofnitrousoxideemissionsfromagricultureintheUKusingtheIPCCmethodology:emissionestimate,uncertaintyandsensitivityanalysis[J].AtmosEnviron,2001,35:1439-1449.[3]MONTENYGJ,GROENESTEINCM,HILHORSTMA.Interactionandcouplingbetweenemissionsofmethaneandnitrousoxidefromanimalhusbandry[J].NutrCyclAgroecosyst,2001,60:123-132.[4]MILLSJAN,DIJKSTRAJ,BANNINKA,etal.Amechanisticmodelofwhole-tractdigestionandmethanogenesisinthelactatingcow:modeldevelopment,evaluation,andapplication[J].JAnimSci,2001,79:1584-1597.[5]BANNINKA,KOGUTJ,DIJKSTRAJ,etal.Modellingproductionandportalappearanceofvolatilefattyacidsincows[C]//MCNAMARAJP,FRANCEJ,BEEVERDE,etal.ModellingNutrientUtilizationinFarmAnimals.Wallingford,UnitedKingdom:CABInternational,2000:87-102.[6]DIJKSTRAJ,STNEALHD,BEEVERDE,etal.Simulationofnutrientdigestion,absorptionandoutflowintherumen:modeldescription[J].JNutr,1992,122:2239-2256.[7]BAKKERGCM.InteractionBetweenCarbohydratesandFatinPigs:ImpactonEnergyEvaluationinFeeds[D].Wageningen,TheNetherlands:WageningenAgriculturalUniversity,1996:193-200.[8]PELCHENA,PETERSKJ,HOLTERJB.Predictionofmethaneemissionsfromlactatingdairycows[J].ArchTierzDummerstorf,1998,41:553-563.[9]BURTONCH.ManureManagement:TreatmentStrategiesforSustainableAgriculture[M].Bedford,UK:SilsoeResearchInstitute,1997:181-190.[10]M0LLERHB.AnaerobicDigestionandSeparationofLivestockSlurries-DanishExperiences:ManuscriptforMatresa[M].Horsens,Denmark:DanishInstituteofAgriculturalSciences,ResearchCentreBygholm,2001:65-85.[11]CHADWICKDR,SNEATHRW,PHILLIPSVR,etal.AUKinventoryofnitrousoxideemissionsfromfarmedlivestock[J].AtmosEnviron,1999,33:3345-3354.[12]GROENESTEINCM,VANFAASSENHG.Volatilizationofammonia,nitrousoxideandnitricoxideindeeplittersystemsforfatteningpigs[J].JAgricEngRes,1996,65:269-274.[13]SAUERFD,FELLNERV,KINSMANR,etal.MethaneoutputandlactationresponseinHolsteincattlewithmomensinorunsaturatedfataddedtothediet[J].JAnimSci,1998,76:906-914.[14]SOMMERSG,PETERSENSO,M0LLERHB.Algorithmsforcalculatingmethaneandnitrousoxideemissionsfrommanuremanagement[J].NutrCyclAgroecosyst,2004,69:143-154.[15]BERGW,PAZSICZKII.Reducingemissionsbycombiningslurrycoveringandacidification[C]//PEDERSEN.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonGaseousandodouremissionsfromanimalproductionfacilities.Denmark:HorsensPress,2003:460-468.[16]OSADAT,ROMHB,DAHLP.Continuousmeasurementofnitrousoxideandmethaneemissioninpigunitsbyinfraredphotoacousticdetection[J].TransASAE,1998,41:1109-1114.[17]EICHNERMJ.Nitrousoxideemissionsfromfertilizedsoils:asummaryofavailabledata[J].JEnvironQual,1990,19:272-280.[18]DOBBIEKE,SMITHKA.ImpactofdifferentformsofNfertilizeronN2Oemissionsfromintensivegrassland[J].NutrCyclingAgroecosyst,2003,67:37-46.[19]SMITHKA,MCTAGGARTIP,TSURUTAH.EmissionsofN2OandNOassociatedwithnitrogenfertilisationinintensiveagriculture,andthepotentialformitigation[J].SoilUseManage,1997,13:296-304.[20]PAINBF,MISSELBROOKTH,REESYJ.Effectsofnitrificationinhibitorandacidadditiontocattleslurryfollowingthesurfaceapplicationorinjectiontograssland[J].GrassForageSci,1994,49:209-215.[21]DITTERTK,BOLR,KINGR,etal.Useofanovelnitrificationinhibitortoreducenitrousoxideemissionsfrom15Nlabelleddairyslurryinjectedintothesoil.RapidCommun[J].MassSpec,2001,15:12911296.[22]DIHJ,CAME