环境科学  2014, Vol.35 Issue (8): 3225-3229   PDF    
引用本文
汪诗平, 汪亚运, 白玲. 放牧阉牦牛提前出栏甲烷排放强度减排潜力探讨[J]. 环境科学, 2014, 35(8): 3225-3229.
WANG Shi-ping, Andreas Wilkes, WANG Ya-yun, BAI Ling. Discussion on Reduction Potential of CH4 Emission Intensity for Early Off-take Practice of Grazing Yak[J]. Environmental Science, 2014, 35(8): 3225-3229.
放牧阉牦牛提前出栏甲烷排放强度减排潜力探讨
汪诗平1, 汪亚运2, 白玲2     
1. 中国科学院青藏高原研究所高寒生态学和生物多样性实验室, 北京 100101;
2. 北京北贝母环境科技咨询中心, 北京 100193;
3. 西藏大学理学院, 拉萨 850000
收稿日期: 2013-11-28; 修订日期: 2014-2-18.
基金项目： 中国科学院战略性先导科技专项（XDA05070205）；亚洲开发银行东北亚区域草地碳金融项目（TA7534-REG）；西藏社会科学基金项目（13BJY001）
作者简介：汪诗平（1964~），男，博士，研究员，主要研究方向为气候变化和草原管理，E-mail：wangsp@itpcas.ac.cn
摘要：以阉牦牛提前出栏项目活动为例，按照2006年IPCC国家温室气体清单优良做法指南的计量方法，在同等牧草利用量的前提下，分别对4岁和7岁阉牦牛一生CH4排放总量和单位体重CH4排放量（即排放强度）进行了初步比较分析. 发现在同等牧草利用量的基础上，由于饲养一头7岁阉牦牛一生所消耗的牧草量相当于可饲养2.1头4岁的阉牦牛所消耗的牧草量，所以从CH4排放总量而言，前者一生排放CH4总量比后者少86.3 kg. 然而，由于后者总体重比前者重192 kg，所以，后者的单位体重CH4排放强度（以CH4/体重计）只有0.973 kg·kg-1，而前者为1.374 kg·kg-1. 根据排放强度的概念，在同等牧草消耗量的基础上，如果将一头7岁阉牦牛替代成饲养2.1头4岁的阉牦牛，可以多生产192 kg的活体重，在同样生产192 kg活重的基础上，利用替代法估算后者饲养方式比前者饲养方式可以实现77 kg CH4减排量，即相当于总减排1.6 t CO2当量. 因此，基于排放强度减排而不是总量减排的概念，提前出栏有较大的CH4减排潜力.
关键词： 草地畜牧业     低碳经济     甲烷排放强度     CH4减排潜力     牦牛提前出栏     青藏高原    
Discussion on Reduction Potential of CH4 Emission Intensity for Early Off-take Practice of Grazing Yak
WANG Shi-ping1, Andreas Wilkes2, WANG Ya-yun2, BAI Ling3    
1. Laboratory of Alpine Ecology and Biodiversity, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. Beijing Environmental Assets Management (BEAM) Consultant Center, Beijing 100193, China;
3. College of Science, University of Tibet, Lhasa 850000, China
Abstract: The case study preliminarily compared the CH4 reduction potential and CH4 emission intensity of 7 year-old and 4 year-old grazing yak after early off-take practice based on the 2006 IPCC GHG inventory guidelines and under the premise of equal herbage consumption. Our results showed that the total CH4 emission was greater by about 86.3 kg for 2.1 4-year yaks compared with 7 years old yak during their life assuming that their total herbage consumption was the same, because total herbage consumption for a 7-year yak was equal to that of 2.1 4-year yaks. However, CH4 emission per unit body weight (1.374 kg·kg-1) for a 7-year yak (i.e. emission intensity) was higher than that of 2.1 4-year yaks (0.973 kg·kg-1) because total body weight of 2.1 4-year yaks was higher by 192 kg than that of a 7-year yak. According to CH4 emission intensity, change of the early off-take practice from 7-year to 4-year yak could reduce 77 kg CH4 if producing 192 kg body weight through 2.1 4-year yaks compared with a 7-year yak, i.e. reduction potential was about 1600 kg CO2 equivalent under the same consuming forage. Therefore, for grassland-based animal husbandry, early off-take practice for grazing animals had a great reduction potential in the intensity of greenhouse gases (GHGs) emissions per unit output rather than total emissions of GHGs.
Key words: grassland-based animal husbandry     low carbon economy     CH4 reduction potential     CH4 emission intensity     early off-take of yak     Tibetan Plateau    

随着国内经济发展模式的转变，“低碳经济”发展模式将会成为全社会共识，在这种背景下，如何判断一种经济活动是否符合“低碳经济”的科学要求，就成为必须要回答的首要问题之一. 汪诗平等[1]以青海泽库县碳汇研究项目为案例，首次明确提出了“低碳型草地畜牧业”的概念及其内涵，即与“传统草地畜牧业生产模式相比，在同等或较高畜产品产量和质量前提下，降低单位畜产品生产过程中所排放的温室气体当量(即单位畜产品CO2当量排放强度)的草地畜牧业生产模式”[1]. 因此，“低碳型草地畜牧业”生产模式不是以限制生产水平和规模为目的的生产模式，而是一种定量化判断如何实现草地畜牧业生产-生态功能“双赢”的生产模式. 由于退化草地的恢复往往能减少土壤有机碳的丧失、 提高草地固碳功能[2, 3]，并且家畜生产力的提高往往能在同等畜产品产量条件下降低单位畜产品温室气体排放强度[4]. 因此，无论从政府层面还是从企业或牧民的角度，都迫切需要发展专门的计量和监测方法学用于对“低碳型草地畜牧业”生产模式下温室气体排放强度和/或总量进行科学的计量和监测，为“低碳型草地畜牧业”的减排指标进入国内碳贸易市场奠定“三可”原则(即可计量、 可监测、 可报告). 目前，草原地区饲养老龄家畜的现象依然普遍，尽管有研究表明提前出栏不仅可以提高牧草利用效率，而且可以降低成本、 提高经济效益[5, 6, 7]，但这种生产经营模式是否同时还具有较大的温室气体减排潜力还不得而知. 因此，为了探讨这个科学和实践问题，本研究以放牧阉牦牛提前出栏为案例，分别以甲烷(CH4)总量减排和排放强度减排的概念为基础，探讨提前出栏放牧家畜CH4减排潜力，以期为“低碳型草地畜牧业”生产模式提供理论基础. 1 材料与方法 1.1 不同年龄牦牛牧草消耗量与体重的关系

根据薛白等[6]的研究结果(表 1)，当阉牦牛饲养到4岁时其累计总牧草消耗量为8 086 kg左右，而当饲养到7岁时其牧草累计总消耗量为17 095 kg，牧草总消耗量增加了111%，然而其每头阉牦牛的活体重只增加了19%. 所以，假设以饲养7岁阉牦牛总牧草消耗量17 095 kg为基础，如果这些牧草都用于饲养4岁的阉牦牛(即缩短饲养周期、 提前出栏)[7]，则可以饲养2.1头4岁的阉牦牛，与饲养7岁的阉牦牛相比可以多生产192 kg活体重.

表 1 不同年龄的阉牦牛牧草消耗量和活体重变化 [6]

Table 1 Dynamics of herbage consumption and body weight of different years old yak
1.2 不同年龄阉牦牛甲烷(CH4)排放量计量

根据IPCC(2006)[8]国家温室气体排放清单优良做法指南中的有关模型来估算放牧牦牛的牧草总能量采食量：

式中，GE：牧草总能量采食量(MJ ·d-1); NEm：维持需要净能量(MJ ·d-1); REM：日粮中维持净能占牧草总消化能的比例; NEg：生长的净能需要(MJ ·d -1); REG：日粮中用于生长的净能占采食牧草总消化能的比例; DE%：牧草可消化能，为食入牧草总能的百分比.

式(1)中：NEm=cfi×(LW)0.75 MJ ·(d ·kg)-1 cfi：每种家畜的系数(i：不同家畜，牛为0.370，羔羊为0.236，>1岁的绵羊为0.217); LW：活体重(kg).

对于6岁以上的阉牦牛而言，由于体重基本稳定，即NEg=0; 但对于生长阉牦牛而言，根据AFRC(1993)对中型品种阉牛增重的能量沉积计算公式为：

因此，NEg=[C2×(4.1+0.033 2LW-0.000 009LW2)]/(1-C3×0.147 5ΔLW)×ΔLW(MJ ·d-1)

式中，LW：每一个年龄段阉牦牛的平均活体重(kg); ΔLW：生长阉牦牛的平均日增重(kg·d-1); 当饲养水平大于1时(如暖季良好状态)，C3=1; 当饲养水平小于1时，C3=0(如冷季枯草季节等). C2为阉牛品种类型校正系数(早熟品种为1.15; 中熟品种为1; 晚熟品种为0.85)[9]. 这里假设牦牛为中熟品种，即C2=1.

根据IPCC(2006)有关计算公式：

式中，DE%：牧草可消化能，为总能的百分比.

尽管牧草可消化能占净能比例的关系(DE%)随着牧草种类和季节而变化，但根据IPCC(2006)[8]指南中的有关数据(即DE%为55%~75%)，结合我国的有关实测数据[10]，本研究中阉牦牛的DE/GE% 按照57%计[处于文献［8]中的下限］; 同时，根据文献[9]，优质羊草和低质羊草饲喂肉牛的DE/GE%分别为60.3%和54.3%，均值为57.3%. 同时，根据中国农业大学发展的模型[10]，甲烷能与消化能间的关系为：甲烷能/DE(%)=17.343 7-0.108 6×(DE/GE,%)，所以甲烷能/DE的比例为11.15%，因此甲烷能/总能的比例为6.36%，即采食总能量的6.36%的比例以CH4能形式排放出去了.

根据公式(1)和上述有关数据，阉牛每日总能量需要量的计算公式可以换算成下列公式：

式中，GE: 每天每头牛采食的总能量(MJ ·d-1).

所以每天每头阉牛甲烷能生产量(MJ ·d-1)为：

因为1 L甲烷=39.75 kJ=0.717 g，故每天每头阉牛排放的CH4量(g ·d-1)为：

因此，每年每头阉牛排放的CH4量(kg ·a-1)为：

式中，CH4e: 每天每头阉牛排放的甲烷能(MJ ·d-1); CH4 w.d和CH4 w.a分别为每天每头阉牦牛和每年每头阉牦牛排放的甲烷量(g ·d-1和kg ·a-1); LW：每一年龄段阉牦牛的平均活体重(kg); ΔLW：生长阉牦牛的平均日增重(kg ·d-1); 当饲养水平大于1时(如暖季良好饲养状态)，C3=1; 当饲养水平小于1时(如冷季枯草季节)，C3=0. 由于目前我国牧区很多地区均实行了“草畜平衡”放牧管理措施，所以可以假设牧草利用适度，即C3=1. 因此，根据表 1不同年龄段的体重和增重的数据，依据公式(5)就可以计算出不同年龄段阉牦牛每年CH4排放量. 饲养到每个年龄的阉牦牛累计CH4排放量为不同年龄段的阉牦牛每年CH4排放量之和.

2 结果与分析

根据表 1的数据，2~7岁阉牦牛的每年平均增重分别为37、 40、 43、 24、 11、 5 kg; 因为不知道犊牛的初生重，但根据上述每年增重与年龄的关系：y=27.129+9.918x-1.946x2 (r2=0.91)，可以推算出1岁犊牛增重35 kg. 因此，1~7岁牦牛每日增重分别为0.096、 0.101、 0.110、 0.118、 0.066、 0.030和0.014 kg ·d-1，即随着年龄的增加其平均日增重是降低的.

2.1 7岁阉牦牛CH4排放总量

作为案例研究，这里以饲养一头7岁的阉牦牛为例(其他年龄结构的计算原理一样)，根据公式(5)的计算方法，7岁阉牦牛一生排放的总CH4量是1~7岁每年CH4排放量的总和，即为344.8 kg CH4(表 2)，其中1~7岁CH4排放量分别为36.1、 45.3、 56.2、 67.7、 55.2、 44.7和39.8 kg ·a-1. 由于饲养到7岁时阉牦牛的活体重为251 kg(表 1)，因此每累计净生产1 kg活体重其CH4排放量(即单位体重CH4排放量或排放强度)为1.374kg ·kg-1.

2.2 4岁阉牦牛CH4排放总量

类似的，4岁阉牦牛一生共排放的CH4量为其4年每年CH4排放量的总和，即205.3 kg CH4(表 2). 由于饲养到4岁时其活体重为211 kg(表 1)，因此4岁阉牦牛的CH4排放强度为0.973 kg ·kg-1.

2.3 提前出栏活动CH4减排量 2.3.1 总量减排量

根据表 1有关数据，可以推算出饲养一头7岁阉牦牛所消耗的牧草总量相当于可以饲养2.1头的4岁阉牦牛所消耗的牧草总量，所以，同等牧草利用量条件下饲养2.1头4岁牦牛共排放CH4 431.1 kg(表 2). 因此，在同等牧草利用量前提下，饲养2.1头的4岁阉牦牛CH4累计排放总量比饲养1头7岁阉牦牛的累计排放量多排放CH4 86.3 kg. 该结果说明，如果按照总量减排的概念进行温室气体排放控制的话，则发展畜产品生产的同时可能会伴随温室气体排放量的增加，从而无法实现总量减排的目的.

表 2 一头7岁阉牦牛提前至4岁出栏其CH4总量减排和排放强度减排情景的比较分析 Table 2 Comparative analyses of reduction potentials based on total CH4 emission and CH4 emission per unit body weight for off-take of 7-year grazing yak and early off-take of 4-year grazing yak
2.3.2 排放强度减排量

表 1显示，4岁阉牦牛平均累计消耗40 kg左右的牧草可以生产1 kg活体重，而饲养7岁的阉牦牛累计消耗71 kg牧草才能生产1 kg活体重，前者牧草利用效率是后者的1.8倍左右. 如果按照单位体重CH4排放量估算(即排放强度)，由于饲养4岁阉

牦牛其牧草利用率高，所以其生产单位体重的CH4排放量较低，与饲养7岁的阉牦牛相比，饲养4岁的阉牦牛CH4排放强度降低了0.4 kg ·kg-1体重. 由于在同等牧草消耗量的基础上，饲养2.1头4岁阉牦牛比饲养7岁阉牦牛多生产192.1 kg活体重(表 1)，如果按照饲养7岁阉牦牛的生产方式生产192.1 kg活体重则排放CH4 264 kg，然而如果饲养4岁阉牦牛同样生产192.1 kg体重则排放CH4

187 kg，两者相差CH4 77 kg. 也就是说，根据排放强度的概念，在同等牧草消耗量的基础上，将一头7岁阉牦牛提前到4岁出栏的话，就可以实现CH4 77 kg排放强度减排量(表 2). 由于CH4的增温潜势是CO2的21倍[8]，所以，将1头7岁的阉牦牛提前到4岁出栏，在消耗同等牧草量的前提下，由于提高牧草利用效率而达到多生产畜产品(即体重)，则相当于可以实现总减排1.6 t CO2当量(即CO2e)的潜力. 3 讨论 3.1 排放强度减排量的优点与不足

1992年6月在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会上，150多个国家共同制定了《联合国气候变化框架公约》，该公约是世界上第一个为全面控制二氧化碳等温室气体排放、 应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在应对全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架. 1997年12月在日本京都通过的《京都议定书》，对2012年前主要发达国家减排温室气体的种类、 减排时间表和额度等做出了具体规定. 这些法律框架要求实行温室气体总量减排以便达到减缓甚至降低大气中温室气体浓度增加的目的. 因此，排放强度的减排并没有真正达到减排大气中温室气体浓度的目的，相反，会随着生产规模的扩大大气中温室气体浓度将会继续增加，这也是目前国际上有关方面攻击排放强度减排的主要原因之一.

然而对于农业而言，其首要任务是保证人口的食物安全，而排放强度减排方法可以有效的将食物安全与气候变化减缓措施相结合[11]. 目前美国在农林等非强制减排领域也制定了很多法案，以鼓励进行温室气体排放强度减排达到环境友好型发展经济的目的，如2009年的“美国清洁能源和安全法案”(HR2454)，就包括单位农业生产产品温室气体排放强度的一些项目[11]. 加拿大Alberta省先后开发了3个与牛奶和牛肉生产相关的碳排放强度减排计量和监测方法学(http://environment.alberta.ca)，在这方面开展了有益的探索和尝试. 因此，无论是发达国家还是发展中国家，这种通过提高资源利用效率的相对减排量而不是总量减排的理念，对于非强制减排的企业或行业而言都是适宜的，也可以通过这种形式的减排，为强制性减排积累有关经验和模式. 尽管不同饲养模式、 不同畜别的排放强度潜力可能有所不同，本文只是试图从理念上探讨提前出栏的减排潜力，目前这方面的研究较少，有待进一步研究.

3.2 提前出栏老年家畜的减排碳收益

以前已有研究表明，提前出栏可以提高牧草的利用效率和经济效益[5, 6, 7]，实际上，通过目前潜在的碳市场贸易情况，如果能将减排的碳指标进行交易，还可以实现额外的经济收益. 据不完全统计，2009年，全球强制性碳交易市场达到了87亿t CO2或1 437亿美元的交易规模，其中交易量的72%是在欧盟交易体系中完成的. 欧盟交易体系只允许交易联合国气候变化公约京都协议书下认可的减排指标，如清洁发展机制(CDM)的减排指标. 2011年，欧盟进一步宣布2012年后，欧盟交易体系只认可来自最欠发达国家的CDM 项目，将中国排除在外了. 因此未来土地利用等项目碳交易的主要市场将是国内外的自愿交易市场. 2009年全球自愿交易市场只有4 600万t CO2或3.4 亿美元的交易规模，但2010年全球自愿减排交易量达到1.31亿t CO2，约占全球碳交易量的1%左右，增长速度较快. 中国的自愿交易市场更小，2009年和2010年分别只有23万t和21万t CO2的交易量，因此无论是国内还是国外，自愿交易市场都处于起步阶段[12]. 但是，从长远来看，自愿减排市场还是很乐观的，主要有以下2个原因：① 国家已经启动7省市碳交易试点工作，实施过程中会产生部分完成不了减排任务的企业对减排配额的需求，最终必然会逐渐形成碳的商品化和国内碳汇交易市场、 以及形成贸易价格机制和监督机制; ② 2012年开始，要求国有企业都必须公布一份企业社会责任报告，可能会产生部分国有企业对具有明显的环境、 社会经济和持续发展效益的碳汇项目逐渐感兴趣. 为了改善与当地有关部门和群众的关系，部分企业也有可能愿意把投资本地碳汇项目当做参与地方性生态补偿机制的一个途径. 从长远看，国内的自愿碳交易市场有可能会与全国强制性温室气体管理机制(包括碳交易)相结合. 按照目前自愿碳交易市场的每吨CO2当量平均60元 的交易价格计算，如果将7岁的老年阉牦牛提前至4岁出栏，在同等牧草消耗量的前提下可以减排1.6 t CO2当量，则可以获得96元的碳交易收益. 因此，通过提前出栏活动，既可以提高牧草的利用效率、 降低生产成本，又可以通过碳交易吸纳市场资金从而达到对国家生态补偿资金的有益补充，达到生态保护和草地畜牧业可持续发展的目的.

4 结论

在同等牧草利用量的基础上(即相当于不增加天然草原放牧率)，通过缩短饲养周期提前出栏、 降低单位体重CH4排放量(即降低排放强度)的方式实现减排的目的. 因此，应该以“排放强度”而不是“排放总量”的理念来衡量“低碳型草地畜牧业”发展模式. 然而，该领域的有关研究刚刚起步，有待进一步深入研究.

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