四川奶牛温室气体CH4排放估算方法建立与应用

付 敏，李 琰，丁俊仁，李 瑶，方东辉，焦浩鹏，阎天海，陈天宝*

(1.四川省畜牧科学研究院/动物遗传育种四川省重点实验室，四川 成都 610066；2. 新希望生态牧业有限公司，四川 成都 610023；3. 英国农业食品和生物科学研究院，英国Co. Down BT26 6DR)

科学研究表明温室气体会导致全球气候变暖,而气候变暖对自然生态系统和人类生存环境产生的严峻影响，已成为当今人类社会亟待解决的重大难题。随着畜牧业的快速发展，畜牧业温室气体排放在农业活动温室气体排放中占比越来越大，研究认为全球畜牧业排放的温室气体占人类活动总排放量的18%[1-2]。在养殖生产过程中，科学准确的测定温室气体排放因子是监测畜牧业温室气体排放量，制定长远可行的畜牧业温室气体减排策略和低碳发展战略的基础。但目前，全省乃至全国都采用的是IPCC第二次评估报告值或《省级温室气体清单编制指南(试行)》(国家发改委气候司，2011年5月)给出的推荐值来预测温室气体排放量。由于各地区畜禽养殖种类、生产水平、畜禽粪便管理方式及气候条件等迥异，其预测结果的准确性和针对性较差。因此，迫切需要建立科学准确的温室气体排放监测技术，精准预测畜禽温室气体排放因子，为畜牧业可持续发展规划布局提供科学依据。

畜牧业温室气体主要来源于畜禽生产活动中产生的CO2、CH4、N2O等气体。猪、牛、羊等大牲畜是温室气体的主要来源。研究表明，反刍动物牛羊生产活动中 CH4总产量约占全球动物和人类 CH4释放总量的95%，而 CH4全球变暖潜值是 CO2的 21 倍[2]。反刍动物生产中CH4有大约89%来源于肠道发酵，其余来自粪便等排泄物厌氧发酵[3]，而且CH4不易被生物直接利用，进而在空气中可停留9～15年[3]，对全球温室效应影响极大。因此科学测定畜禽CH4年排放量至关重要。国际上通常将每头牛每天摄入总能与排出的CH4能之间的比值系数称为CH4排放因子，也表明牛摄入能量与排除CH4之间存在着显著的相关性。目前，温室气体CH4排放量的测算主要有3种方法，第1种方法TR1是根据IPCC推荐的参数与该地区动物数量直接乘算，该种方法简单，易操作，但是该参数针对性差，各地区牛的品种和饲养管理水平差异大，因此通过该参数计算的结果误差大；第2种方法TR2是根据动物的体重、年龄阶段、生长性能情况利用NRC或者AFRC营养需要标准计算出CH4能排放，预测CH4排放量[4]，NRC或者AFRC参数是基于美国和英国的特定生产条件下动物正常生长的最低营养需要量。而在实际生产中，因品种、饲养管理不一致，我国养殖场营养供给普遍高于NRC或者AFRC推荐量，因此通过第2种方法估算结果可能低于实际排放量；第3种方法TR3是通过动物呼吸代谢试验，精确测定牛/羊CH4排放量、采食量、生产性能、养分消化率、能量消化率等，并通过大量精确测定数据建立数学模型，预测CH4排放与采食量、生理阶段、体重等的相关性系数，进而计算CH4排放量。这种方法最准确，更具有实际意义，但是试验成本高，时间较长[5]。

因此，本试验与英国农业食品与生物科学研究院合作研究，通过对方试验条件和技术的支持，还有20年的生产实践数据的支撑，以荷斯坦牛为试验对象，摸索建立了一套科学预测CH4排放量的数学模型，并将该成果应用于我省奶牛温室气体CH4排放量计算。

1 研究方法

1.1 代谢试验测定荷斯坦牛各生理期CH4排放值

选择20头健康断奶荷斯坦小奶牛，公母各半，饲喂常规日粮(青贮料+精料补充料)，在商业农场开展饲养试验，记录日采食量、周体重变化，在第6月(185d)，第12月(368d)，第18月(548d)，第22月(674d)进行为期4d的呼吸代谢试验，测定日采食量、日增重、干物质摄入量、总能摄入量、有机物摄入量、CH4排放量。

选择18头泌乳牛开展了9个呼吸代谢试验，测定日采食量、日增重、干物质摄入量、总能摄入量、有机物摄入量、CH4排放量。

1.2 科学建模，建立荷斯坦牛CH4预测模型

通过试验数据前期分析，性别对CH4排放量无影响。因此，将所有试验数据进行统计分析，通过数据模拟分析，建立CH4与体重、采食量、能量摄入等因素的回归关系，建立CH4排放模型预测。计算出1头奶牛出生到淘汰全程总CH4排放量。

1.3 调查获取

2005～2016年四川省奶牛生产数据，获得全省近年来奶牛CH4排放量及变化趋势。

2 研究结果

2.1 荷斯坦牛各生长阶段CH4排放量

由表1所示，荷斯坦奶牛在6月、12月、18月、22月龄CH4排放量分别为96.4g/d、160g/d、167g/d、184g/d；每千克代谢体重CH4排放量分别为2.01、2.14、1.62、1.59；摄入每千克干物质CH4排放量分别为23.8g/kg、24.3g/kg、24.6g/kg、22.8g/kg。泌乳奶牛在第1到第9个产奶周期CH4排放量平均为325.09g/d。

表1 奶牛、公牛不同阶段CH4排泄量

2.2 荷斯坦小牛CH4排放预测模型

采食量与CH4排放量之间存在显著的正相关关系：y=22.1x+9.6，R2=0.91,SE=12.1。

摄入总能与CH4排放量之间存在显著的正相关关系：CH4-E(MJ day-1)=0.057GEintake(MJ day-1)+1.092，R2=0.90,SE=0.68。

体重与CH4排放量之间存在显著的对数关系：y=6.14e0.0049x，R2=0.95。

CH4排放量与各阶段体重之间有着显著相关性，关系如下：

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。

摄入总能与荷斯坦泌乳奶牛CH4排放之间存在显著的正相关关系：CH4-E=0.0547 GEI+13.2340，R2=0.846。

2.3 荷斯坦牛CH4排放量计算

由表2可见，在第1年和第2年每头荷斯坦奶牛和荷斯坦公牛出生到6月龄CH4排放量分别为13.2Kg、12.1Kg，7到12月龄CH4排放量分别为23.4Kg和23.Kg，13～1月龄CH4排放量分别为29.9Kg、30.6Kg，19～24月龄CH4排放量分别为33.8Kg、34.2Kg。调查结果显示，四川奶牛中荷斯坦奶牛占比为95%，平均1头奶牛产奶6个周期淘汰。因此，全程CH4排放量为812.05kg，平均到每年为101.51kg。

表2 每头荷斯坦牛每6个月的CH4排放量

2.4 2005～2016年四川奶牛CH4排放量

2005年～2016年四川省奶牛数量及CH4排放量见表3，奶牛数量来源于《畜牧业统计年鉴》。

表3 2005～2016年四川奶牛数量及CH4排放量

3 分析与讨论