奶牛场温室气体排放与减排措施

郑永辉，鞠鑫鑫，孙 辉，郭建斌，董仁杰＊

1 中国农业大学工学院，北京 100083

2 山东中农三月环保科技股份有限公司，山东 264006

0 引言

实现国家“碳达峰、碳中和”减排承诺，需要各行各业探索适于中国国情的低碳发展与应用技术。农业活动是非二氧化碳温室气体的重要排放来源，其甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）排放分别占全国排量的40.2%和59.5%[1]。畜禽养殖行业CH4和N2O排放量分别贡献了其中的58.5%和19.9%[2]。我国奶牛养殖行业起步较晚，但发展迅速，以规模化和集约化养殖为发展的主要趋势[3]，农业活动总排放量为8.3亿t CO2当量，其中畜禽养殖业排放3.45 亿t CO2当量[1]，按照“国家发展和改革委员会应对气候变化司”统计数据中奶牛肠道发酵和粪便管理加权排放因子计算[4]，全国加权奶牛温室气体排放因子为2.6 t CO2当量/（头·年），2018年底奶牛存栏量为1 079.8 万头[5]，则全国奶牛养殖排放的温室气体约2 805.0 万t CO2当量，占畜禽养殖业温室气体排放近8.7%。本文梳理了奶牛养殖过程中主要排放源和具体减排措施，为奶牛养殖实现零碳或低碳发展提供借鉴。

1 奶牛养殖温室气体排放主要环节

奶牛养殖过程中的温室气体主要来源于奶牛活动和牛场日常运行能源消耗排放。其中，奶牛活动温室气体排放主要分为奶牛瘤胃肠道发酵和粪便管理（图1）。

图1 奶牛活动温室气体排放

1.1 奶牛活动温室气体排放

1.1.1 肠道发酵

奶牛肠道发酵CH4排放是指奶牛在正常的代谢过程中，奶牛消化道内的微生物发酵饲料时从奶牛口、鼻和直肠排出体外的CH4。

奶牛的肠道发酵CH4排放量根据《IPCC国家温室气体排放清单指南》（以下简称《IPCC指南》）推荐的方法学计算，具体有三种层级方法学。层级方法1是一种简化方法，利用《IPCC指南》中给出的缺省排放因子进行估算，不确定性较大，不推荐使用。层级方法2根据特定的奶牛生产特性、饲料种类、采食量、饲料质量、消化率等数据计算其发酵CH4排放因子，并考虑不同年龄阶段对奶牛肠道发酵排放的影响。其中采食量和饲料质量是影响奶牛肠道发酵CH4排放的最重要因素。层级方法3是在层级方法2的基础上由各国自行改进或创新以获得更准确的计算方法，但目前仍处于研究探索阶段。当前各国普遍采用层级方法2。

我国国家发展改革委员会，通过组织来自于各农业大学、各省畜牧管理总站和农业环境监测站调研的人员，调研了全国不同区域65 个典型县的奶牛生产特性，对获得的不同饲养方式和饲养阶段的奶牛肠道发酵CH4排放因子和活动水平数据进行加权分析，得到全国加权奶牛肠道发酵CH4排放因子为89.7 kg CH4/（头·年）[4]，该因子比欧美等发达国家的奶牛肠道发酵排放因子低约20%（表1），其主要原因是欧美地区奶牛的体型大、产奶量高[4]。

1.1.2 粪便管理

奶牛粪便管理排放是指奶牛粪便施入到土壤之前，在对奶牛粪便进行收集、贮存和处理过程中，所产生的CH4和N2O排放。

粪便管理的CH4排放在《IPCC指南》中也有三种方法学。层级方法1根据气候区和温度划分的缺省排放因子进行估算。层级方法2采用通过统计家畜特性和粪肥管理方式的详细资料进行排放因子的确定，进而计算其排放量。层级方法3同样是鼓励各国在层级方法2的基础上进行改进与创新，当前仍处于探索阶段。

在编制我国温室气体排放清单时，国家发展改革委员会组织调研人员，根据各省的温度和不同粪便管理方式的CH4转化因子结合各地奶牛饲养方式，计算获得不同省份各年龄段的奶牛粪便管理CH4排放因子，汇总的全国加权奶牛粪便管理CH4排放因子为6.9 kg CH4/（头·年）[4]；相当于排放172.5 kg CO2当量/（头·年），由于我国奶牛养殖主要采用干清粪工艺，与国外采用水冲粪和水泡粪工艺相比，不容易产生厌氧环境[4]，因此排放因子远低于欧美等发达国家（表1）。

粪便管理的N2O排放在《IPCC指南》虽然也有三种方法学，但本质上都是通过计算总排泄氮量在各环节不同管理系统类型的排放因子，进而计算系统总排放量。根据数据的采集精度分为三类。在核算中，N2O排放量主要取决于不同管理模式下的N2O排放因子。

依据《IPCC指南》推荐的方法，根据我国实际的奶牛粪便排泄量、不同粪便管理方式的N2O排放因子和各省奶牛粪便管理方式使用比例，我国奶牛粪便管理N2O排放因子全国加权值为0.74 kg N2O/（头·年）[4]，相当于排放229.4 kg CO2当量/（头·年），该值约为欧美国家奶牛粪便管理N2O排放因子的2 倍。其原因主要是由于粪便管理方式的不同，固然有统计方法差异的问题，但也表明我国奶牛粪便管理排放控制水平有待提升。

1.1.3 单位产奶量温室气体排放

国内外众多学者通过《IPCC指南》推荐的方法学估算脂肪和蛋白质校正奶（Fat and Protein Correcting milk，FPCM）的温室气体排放量。原奶换算为FPCM公式如下：

根据FPCM换算公式和各国生乳标准（表2）得到我国标准奶产量为1 098.6 kg FPCM/（头·年），结合IPCC温室气体排放数据（表1），计算得到我国每生产1 kg FPCM温室气体排放为2.41 kg CO2当量，与西欧、美国单位产奶量温室气体排放量相比（表3），我国奶牛养殖单位FPCM温室气体排放仍有巨大减排空间。

表1 不同国家/地区各环节温室气体排放因子

表2 各国生乳标准

表3 不同国家/地区FPCM排放因子

1.2 能源消耗导致的温室气体排放

养殖场能源消耗取决于养殖场的设备工艺水平，包括奶牛场维持正常运行的电力消耗和化石燃料燃烧，主要用于畜舍保温、照明以及供水供料、挤奶、粪污收运与处理等相关的机械设备，具体可分为两部分进行计算。电网购入电力耗电排放量可采用生态环保部公布的当年中国区域平均排放因子计算[7]。化石燃料燃烧的排放因子可根据国标《GB/T 32151.1 温室气体排放核算与报告要求》中的计算方式和参数推荐值确定。

2 奶牛养殖减排措施

根据对奶牛养殖温室气体排放主要环节的分析，奶牛场主要可从减少奶牛肠道发酵、优化粪便管理方式、开发利用新能源等方面开展减排。

2.1 奶牛育种与饲喂优化

提高饲料质量和转化效率是降低奶牛温室气体排放的重要方式，这将影响肠道发酵的排放系数和粪污中剩余的营养成分。主要的方式：（1）采用优质青贮饲料，有利于提高奶牛采食量和饲料消化率[8]，进而降低了温室气体排放因子。（2）合理使用饲料添加剂，可以有效调控奶牛瘤胃发酵，促进体内微生态稳定，进而提高饲料转化率及氮的利用率，降低粪尿污染量[9]。（3）配置优良的TMR全混合日粮，相比传统的精粗分饲饲养方式，可有效提高奶牛乳脂率和产奶量10%以上[10]，单位产奶量可实现减排约8%。（4）根据实际生产经验改善饲喂方式，先粗后精、先粗后多次添加精料；牧草粉碎和制粒，满足营养调控方面的需求，在提升饲料转化率基础上降低奶牛养殖中的粪尿污染。（5）利用疫苗驱虫或抑制产甲烷菌剂降低奶牛肠道发酵。

2.2 高效粪污管理

对奶牛粪便进行有效管理是降低奶牛场温室气体排放的关键，具体可分为以下两个方面：

一是在粪污收集阶段，优先使用干清粪技术[11]减少粪污的产出量，可采用固定链式刮粪板、机械铲车、清粪罐车和滑移装载机[12]等清粪工艺减少液体粪污的产出。同时通过增加清粪频率可降低粪便在养殖区域滞留时间，进而减少粪便处理前的温室气体产生量。

二是在粪污处理利用阶段，可以通过好氧堆肥技术进行无害化处理实现有机肥料的产出，或者可以通过厌氧发酵工艺同步实现无害化处理、生产CH4和沼肥等[13]。翻堆堆肥相对于传统的粪污储存可实现CH4减排71%，N2O排放可实现减排约49%[14]。厌氧发酵可将粪污中的易降解有机物转化为沼气，作为清洁能源供给奶牛场运行所需，进而减少奶牛场外部的能源投入，沼气利用全过程中CH4泄漏可控制在总产气的1.0%以下[15]，减污降碳效果显著。根据《2019年全国农产品成本资料收益汇编》[16]，我国规模化奶牛养殖场平均电量消费水平约600 kW·h/（头·年），根据《IPCC指南》方法估算一头奶牛年产粪便的沼气生产潜力约800 m3，发电潜力达到1 600 kW·h/（头·年），即养殖场所有电力可由沼气工程发电全部提供。另外，养分、不易降解有机物、腐殖酸和植物激素等有益物质存留在沼液沼渣中可作为农用，沼液沼渣还田增加土壤有机质提高耕地质量，促进土壤固碳。

2.3 优化畜舍养殖环境

奶牛生产性能有20%～30%取决于所处的环境[17]。良好的饲养环境可以提高奶牛免疫力、日增重与饲料转化率[18]。当环境温度降到5 ℃时，饲料消耗量增加7%；当环境温度降到-10 ℃时，饲料消耗量增加20%[19，20]。环境温度为29.7 ℃和31.4 ℃时，奶牛平均直肠温度为39 ℃（轻度体温过高）和39.5 ℃（体温过高）[21]，奶牛产奶量受到严重影响。在生产中，应根据奶牛养殖场本身容纳力与实际环境情况，控制牛舍养殖规模，保证饲养空间，同时采用低碳建筑材料，封闭式奶牛养殖场在冬季保证牛舍温度的同时，定期进行牛舍通风换气以保持舍内空气清新，改善养殖场的饲养环境，有助于提升奶牛生产性能，增加饲料转化率，间接减少奶牛养殖过程中温室气体的排放。

2.4 低碳农机与新能源的开发与利用

奶牛养殖配套的机械设备以柴油为主要燃料，在工作时会产生大量温室气体排放，据统计，非种养结合养殖场（non-IPBS）和种养结合奶牛场（IPBS）中每产1 t FPCM，所需电量分别为108.577 kW·h和114.335 kW·h，所耗柴油分别为2.773 L和2.733 L[22]。利用清洁电能替代传统的化石能源，可极大降低温室气体排放。现阶段农业机械新能源的重点研究对象就是电能的利用，电动农机的能量利用率高，节能效果明显，比燃油农机节能高达70%左右，能源费用可节省50%左右[23]。目前已有电动农机应用在田间管理作业过程[24]，但养殖场电动农用机械（饲料运输、粪污管理）需要进一步研究和开发，以便于从根本上降低碳排放。另外，养殖场可利用场内屋顶面积开发利用光伏资源，增强养殖场清洁能源替代供给能力。

3 结语

我国奶牛养殖具有极大的减排空间，通过在奶牛养殖过程中采用高效饲喂与粪污管理，舍内环境调控、清洁能源替代等温室气体减排技术等，可有效实现奶牛养殖场温室气体减排。低碳乃至零碳奶牛养殖战略将有效促进奶牛养殖行业可持续发展并助力我国农业领域双碳战略目标的实现。