畜牧业温室气体排放及其减排研究进展

发布时间：2022-05-31

　　[摘 要] 温室气体排放是造成当今全球气候变暖的重要原因，而畜牧业中的温室气体 (CO：、CH。、N：O等)特别是反刍动物中甲烷的排放是造成温室气体排放量增加的重要因素。大量温室气体的排放不仅加剧了温室效应，同时也造成动物饲料营养成分的损失和畜舍内环境的污染。本文综述了畜牧业温室效应的发展状况及减排影响的研究进展，以期为畜牧业的绿色发展提供参考。

　　[关键词] 畜牧业;温室效应;减排;甲烷;二氧化碳

　　2009年12月7日，192个国家的环境部长和各种官员在丹麦首都哥本哈根召开了引人关注的联合国气候会议。这次会议对全球气候变化将产生决定性的影响，被誉为“拯救世界的最后一次机会”的会议，其中一个重要议题就是像中国、印度这样的发展中国家如何控制温室气体排放。

　　温室效应(Greenhouse effect)是指因为太阳的短波辐射透过大气到达地面，地球表面吸收太阳辐射可见光之后，地表受热后向外放出的大量长波热辐射线被大气中温室气体吸收，影响了低层大气和地表温度，使其升温，形成类似农业中培育作物的温室，称为温室效应[1]。自工业革命以来，人类大量利用各种化工燃料，向空气中释放大量的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧、氯氟烃等造成温室效应的气体，已造成全球气候变暖等一系列严重问题。全球气候的变暖将造成因冰川的融化而使部分沿海低洼岛屿面临被淹没的风险。沿海地区是全球各国的重要经济中心和粮食主产区，温室效应影响世界的安全。温室效应造成气候的异常，部分地区洪涝灾害，而部分地区过度干旱。20世纪60年代末，非洲撒哈拉牧区的持续6年干旱，造成近150万人饿死。

　　畜牧业排放的CO。、CH。、N。O已成为全球气候变暖的主要来源[z]。温室效应引起严重的气候变化，影响人类的生存安全。据联合国粮农组织 (FAO)报告指出，全球10多亿头牛是全球温室效应的元凶，每年牛、羊、骆驼、马、猪和家禽排放的温室气体约占全球温室气体的18%，其中牛的排放量最高，不仅高于其他所有家畜，而且超越了交通工具，如汽车、飞机等的CO。排放量[3]。据统计，全球的CH。总排放量为5.5×108 t，而其中反刍动物 CH。排放量大约为8.5×107 tE 4|。FAO统计显示，全球牛头数从1961年的10.3亿头增长到2013年的16.6亿头，增长迅速，会成为今后温室气体重要来源。我国从1960年开始，每年有近80%的大豆需要进口，占世界大豆产量的60%，大豆主要用于畜禽的饲料，而我国进口的大豆主要来源于美洲亚马逊流域热带雨林地区的国家，我国不断增长的大豆进口意味着被称为“地球之肺”的亚马逊热带雨林更多地被破坏而用于满足我国畜牧发展的需求。因此关注和解决畜牧业温室气体的排放是当前畜牧业健康发展的重要议题。

　　1 全球畜牧业温室效应发展状况

　　1.1 全球农业中各大产业温室气体排放现状

　　据FAO报道，农业中各大专业1961—2012年 CO。当量的温室气体平均排放量如图1所示，其中肠道发酵占到最大比重41.1%达到17.67亿t/年，其次是留在牧场中的粪便，占14.7%，达到6.32亿 t。这两项都与畜牧业相关，一个是肠道发酵，另 一个是粪便。由此可见畜牧业是当前农业中温室气体排放的重要来源，降低当前畜牧业中温室气体的排放对减缓全球温室效应有至关重要的作用。

　　1.2 畜牧业中温室气体排放发展趋势

　　根据FAO的数据，1961—2012年全球畜牧业中肠道发酵引起的CO：当量排放趋势图如图2所示。在图中可以看出，全球畜牧业的温室气体排放量在近50年的过程中，除1994—1999年出现过短暂小幅度的下降外，整体处于上升阶段。1961年全球畜禽温室气体排放量为13.71亿t，而在2012年达到了20.35亿t，增加了48.43%，有较大幅度的上升。随着人们生活水平的提高，人们对肉、蛋、奶等高档营养品需求会越来越旺盛，特别是作为畜牧业高档营养品的牛羊肉、奶的需求会有更大幅度的提高，而牛羊类反刍动物瘤胃发酵，排放出大量的 CH。，而CH。的温室效应远高于CO。，因此未来一段时间内，畜牧业排放的温室气体量可能仍将处于 肠道发酵产生的甲烷占总量的29%‘7|。奶牛每天较大幅度的上升。 产生的CH。的含量统计报道数据不一，大约在100

　　2畜牧业温室气体排放的影响

　　2.1全球温室效应

　　动物体内的呼吸、发酵及排出粪便的微生物分解等过程产生大量的温室气体CO。、CH。、N。O等，这些气体对全球气候变暖起推动作用。在全球中， CO：量每增高l倍，平均气温要上升1.5～4.5。C，而两级地区的平均气温要升高3倍左右[5]。在CO。的循环过程中，CO。先通过绿色植物的光合作用合成葡萄糖，再经过植物体内的物质转换形成各种糖类、蛋白质、脂肪等有机物;植物被动物采食后，各种有机物在动物的食物链中不断代谢、转化、分解，并形成高一级动物的食物，最终死亡的植物、动物残体及动物的排泄物被微生物所分解。在整个过程中产生大量的温室气体，进而形成温室效应。甲烷是温室效应的重要气体，畜禽粪便在无氧条件下分解主要产生甲烷。反刍动物的瘤胃内有大量的产甲烷杆菌，能够分解各种有机物，产生甲烷。甲烷有比CO。更强的增温效应，其效力是CO。的20～25倍[6]。据2010年全球人为甲烷排放估计数据显示，牲畜的～500 L/d，相当于一辆汽车一天排放的温室气体当量[8]。羊也是重要的反刍动物，在畜牧业中的CH。排放量也有重要的影响。全球反刍动物每年约产生 CH。8000万t，占全球人类活动释放甲烷的 28%[9]。氧化亚氮在空气中的含量很低，但其单分子的增温效应是CO：的310倍，且在空气中难以被分解。动物的粪便在处理和存放过程中，内部残留的蛋白质等含氮有机物被分解为N。O，全球每年由动物粪便释放的N20约为200×104 t左右[1…。

　　温室效应影响全球的气候，造成全球气候变暖，两极及高山上的冰川融化，海平面升高，部分小岛国家被淹没，粮食作物减产，气候异常等情况，影响人类的生存安全。

　　2.2饲料中营养成分的损失

　　温室气体甲烷含有重要的能量，当饲料的有机物被分解为甲烷排出体外，根据能量守恒定律，造成饲料中的营养成分转化为无效物质。因此，甲烷释放的增加意味着营养物质转化为有效能的效率降低，用于人类的动物性产品的产量降低，经济效益下降。反刍动物在新陈代谢过程中，8%的能量生成了CH。。如果不排放温室气体，动物将可以利用这些能量用于合成更多的肉、奶等[8]，如果不排放温室气体，动物将可以利用这些能量用于合成更多的肉、奶等。同时当动物生产单位产品时，如果排放更多的温室气体，意味着需要消耗更多的饲料，造成饲料资源的浪费和经济利润的降低。

　　2.3畜舍内环境的污染

　　在畜牧业中，当前动物的养殖方式以密封的规模化舍饲养殖为主，且单个畜舍内均是高密度的养殖。在我国北方地区，为了保证舍内的温度，经常会降低通风量，动物呼出的大量CO：、CH。等温室气体存留于畜舍内，影响舍内的环境，进而影响动物健康。戴荣国等[1妇研究不同CO。浓度对肉鸡的影响时发现，在舍内CO：浓度0.12%以下时，随浓度升高生产性能指标和免疫力呈下降趋势，而舍内CO。浓度为0.12%以上时，鸡日增重显著低于低浓度组，料重比显著高于低浓度组，免疫分泌细胞明显呈下降趋势，生理生化指标显示试验鸡处于应激状态，血气分析表明鸡处于慢性呼吸性酸中毒;肺泡内有炎性细胞和脱落的上皮细胞，静脉血管严重淤血;死亡率高。由此可见，高浓度的舍内温室气体严重影响肉鸡的健康和生产性能。猪舍内的有害气体 (NH。、H。S、CO。、CO等)的大量蓄积，导致有害气体浓度超标，不仅对猪呼吸系统造成刺激性伤害，导致猪体免疫力下降‘”]，影响猪的生产性能m]，严重时还会造成猪的中毒甚至死亡。牛羊的养殖虽多数采用全开放或半开放的饲养方式，但过量温室气体的排放也会影响其健康。

　　3畜牧业温室气体的减排措施

　　畜牧业对人类的生活有重要的作用，特别是近年来，随着人们生活水平的提高，对肉、蛋、奶的需求不断增加，因此需要生产更多的畜产品。面对着世界各国达成的关于温室气体的减排要求和畜产品需求量增加可能引起温室气体排放量增加之间的矛盾，在畜牧业上必须采取有效措施，从根源降低温室气体排放。

　　3.1提高单产水平，减少养殖数量

　　单个动物生产水平的提高，当满足人类一定量的畜产品需要时，就可减少动物的饲养量，进而降低温室气体的排放量。同时由于动物的单产水平提高，生产者的经济效益也得到提高。提高动物的单产水平可通过以下几个方面入手：一是采用育种手段，以动物的生产性能为目标，选择性能优良的动物进行饲养;二是提高动物的繁殖性能，增加母畜的受胎率和产仔数，减短母畜的妊娠间隔，提高母畜的利用效率;三是加强饲养管理，提高动物的成活率，减少动物的疾病;四是采用现代繁育手段，如人工授精和胚胎移植，减少种公畜的饲养量，提高优良种源的后代数量;五是加强优胜劣汰，及时淘汰低生产性能的畜禽。

　　通过不断的技术创新，美国奶牛平均产奶水平不断得到提高。美国2007年的奶牛头数、饲料饲喂量和土地使用量分别只有1944年的21%、23%和 10%，粪便排放和碳足迹只有1944年的24%和 37%;而奶牛单产是1944年的443%[9]。2007年美国单头奶牛的CO。排放当量为26.2 kg/头·d，为 1944年13.5 kg/头·d当量的约2倍，但是奶牛的单产大幅提高，奶牛饲养头数降低，每千克牛奶的温室气体为1.31 kg，只有1944年的36%[1“。奶牛的遗传育种和饲养管理也有大的改进，通过人工授精技术的广泛应用，提高了公牛的利用效率，降低了种公牛的饲养量，减少了温室气体的排放。美国在保证奶牛产奶量连年增长的同时，奶牛的饲养头数大幅降低，减少了粪便和温室气体的排放，同时由于饲养头数降低，饲料的相对消耗量也同样降低，减少因过度开垦而造成树林草原的退化。

　　3.2合理配制Et粮，降低温室气体排放

　　日粮的营养成分对动物的温室气体排放有较大的影响，当动物的日粮组成成分发生改变时，其营养成分的发酵、代谢途径会发生变化，进而影响动物温室气体的排放。马燕芬等[15]研究饲粮非纤维性碳水化合物和中性洗涤纤维比(NFC/NDF)对奶山羊的甲烷和二氧化碳排放量的影响发现，CH。日排放量随奶山羊干物质采食量的增加而升高，随饲粮 NFC/NDF增加而降低;CO：日排放量随饲粮 NFC/NDF增加而升高，饲粮NFC/NDF对奶山羊的CH。和CO：排放量有显著影响。黎学琴等[16]研究低蛋白日粮对规模猪场温室气体减排的研究发现，采用低蛋白日粮养猪比普通饲料养猪饲料利用效率提高7.51%，猪粪便中氮和碳的含量分别减少 27.9 oA和1.84%，可实现温室气体减排量(0.82± 0.40)kg COz e/kg增重，其主要减排途径减少了管理过程中氧化亚氮的排放。楼灿等[17]研究了不同饲养水平下杜寒杂交母羊空怀期和妊娠期气体代谢的特点，发现饲喂水平与母羊的O。消耗量、CO。和 CH。生成量显著相关。赵一广等[18]通过研究不同营养物质含量和消化性能对肉羊甲烷排放量的影响时，表明日粮的精粗比或粗饲料含量会直接影响单位可消化有机物的甲烷排放量及甲烷能/总能、甲烷能/消化能之比。由此可见，饲料的营养成分对动物的温室气体排放有重要的作用。因此在养殖过程可通过保持动物生产性能的条件下，优化饲料组成，从而降低动物温室气体的排放，同时也可提高饲料的利用效率。

　　3.3抑制反刍动物瘤胃内甲烷的生成

　　反刍动物CH。的产生主要依靠瘤胃内的产甲烷杆菌通过CO。和氢气(H。)的还原反应产生[1州，因此可以通过抑制产甲烷杆菌而抑制瘤胃内甲烷的生成。

　　May等[2叩报道，添加溴氯甲烷和a一环式糊精的复合物可以长时间抑制牛、羊甲烷的生成。Van 等[21|总结6次试验结果发现，莫能菌素降低动物体内25%的甲烷产生，但长期试验表明其抑制效果不长久。张静等[22]研究壳聚糖对奶牛人工瘤胃温室气体排放的影响发现，添加适量的壳聚糖可以降低瘤胃CH。的产量。原虫与反刍动物甲烷的产生有重要的关系，与原虫共生的甲烷生成的甲烷量占甲烷总生成量的9%～25%，因此可通过去除瘤胃内的原虫以达到降低甲烷产生的目的。Hu等[2胡经体外试验发现，茶皂素对原虫有抑制作用，添加0.4 mg/mL茶皂素处理组的原虫数比对照组减少16. 39%，甲烷产量下降15.79%，微生物蛋白比对照组增加12.12%。陈丹丹等[24吒53采用Sable开路式循环测热系统进行气体代谢试验，研究大蒜素和茶皂素对肉羊气体代谢和甲烷排放的影响时发现，大蒜素和茶皂素在2.0 g/只·d时可分别降低肉羊甲烷排放量6.38%和9.57%;桑叶黄酮在添加水平2.0 g/(只·d)时降低每千克干物质采食量甲烷排放量 6.35%，白藜芦醇在添加水平0.250 g/d时降幅达 10.11%。因此，通过人工适当添加产甲烷菌的抑制剂可降低动物的甲烷产量，降低温室气体排放，同时可减少甲烷气体的无效能量的损耗。

　　3.4合理处理动物粪便，减少温室气体的生成

　　动物的粪便被排泄后，并且粪便内存在大量的各种分解菌来分解粪便，因粪便的处理方式和细菌的不同，产生的气体成分也存在差异，当大量产生甲烷、氧化亚氮等温室气体且直接排放到空气中时，则加重温室效应。动物粪便的常见的处理方式是堆放，但堆放的方式、高度、温度的不同，粪便可因条件的不同而产生不同量的CH。。Ahn等[263研究了静态堆肥与堆肥过程中混合的2种处理方式下奶牛粪便堆肥过程中温室气体排放情况，发现混合4次的堆肥堆比不混合的堆肥堆多产生20%的温室气体。实施养殖场粪便的厌氧发酵工程，可有效降低粪便的温室气体排放。动物粪便经厌氧发酵后生成甲烷等可燃性气体，可用于代替化石燃料作为能源?不仅降低了温室气体排放，同时也减少对化石燃料的依赖。欧洲大众型沼气工程发展成熟，值得我国借鉴。动物粪便经过微生物的厌氧发酵产生生物质的沼气，经提纯用于发电、加热、用作燃料等，剩余的沼液、沼渣作为有机肥还田。

　　相关期刊推荐：《农业环境科学学报》是由农业部主管,农业部环境保护科研监测所和中国农业生态环境保护协会联合主办的全国性学术类科技期刊。该刊主要刊登农业生态环境科学领域具有创新性的研究成果，包括新理论、新技术和新方法。设有专论与综述、研究报告、研究快报、学术争鸣。

　　畜禽粪便也是蝇蛆和蚯蚓等昆虫的优良生长地，而蝇蛆和蚯蚓经一定的处理后可作为优质动物性蛋白饲料，而其粪便是优质的有机肥，促进循环畜牧业的健康发展。郭瑞萍等[283研究了蝇蛆蛋白替代鱼粉对断奶仔猪生产性能、免疫功能和饲养经济效益的影响，结果表明，用蝇蛆50%和100%替代鱼粉降低了仔猪腹泻频率，提高外周血液T淋巴细胞和B淋巴细胞阳性率，蝇蛆蛋白替代50%鱼粉提高了仔猪生产性能和经济效益。当动物的粪便作为蝇蛆和蚯蚓的培养基自然会降低有机物转变为CH。的量，降低温室气体排放，还可解决部分畜牧业蛋白饲料资源缺乏的问题。

　　因此，转变粪便的处理方式，不仅使畜禽的粪便等废弃物降低温室气体的产生，同时经恰当处理还可转变为重要的资源，获得经济效益。

　　4 小 结

　　畜牧业是当今温室气体的重要来源，过量的温室气体排放不仅造成引人关注的全球温室效应，同时也是动物生产性能较低的特征，影响畜禽自身的健康。采取合理的措施减少畜禽的温室气体排放，可提高畜禽的生产性能，增加经济效益，减少对粮食资源的损耗，使得畜禽粪便转变为可利用的资源。因此，在绿色农业发展的大潮下，降低畜牧业温室气体排放是当前和今后的发展方向。——论文作者：张 帆，刁其玉“

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