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2015 , Vol. 17 >Issue 9: 1071 - 1079

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.01072

Orginal Article

An Analysis of the Spatial Variations and Seasonal Changes of Methane Emission from Cattle in China

  • BIAN Junyan 1, 2 ,
  • WANG Xinsheng 1 ,
  • ZHANG Wen 2, *
Expand
  • 1. College of Resources and Environmental Science, Hubei University,Wuhan 430062, China
  • 2. State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
*Corresponding author: ZHANG Wen, E-mail:

Received date: 2014-04-09

  Request revised date: 2015-05-12

  Online published: 2015-09-07

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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Abstract

Ruminant livestock accounts for the major proportion of methane emissions within the agricultural sector. In China, cattle dominates the livestock due to its huge population and large size in comparison to sheep. The latest studies have paid little attention to the spatial variations and seasonal changes of the livestock methane emission factors, though a lot of direct measurements and modeling estiamtions have been made to improve the quality of the national inventories. In this study, we analyzed the spatial variarions and seasonal changes of the methane emission factors of cattle by studing the spatio-temporal differences in the body weight for 46 cattle species, the feeding and diet, and the draft and milk production in different places of China are also discussed . The Tier 2 equations of IPCC (2006) were used to calculate the methane emission factors from both the enteric and the manure management emissions. The calculation showed that the enteric emission factor was general low in summer (4.48 kg head-1 month-1) and high in other seasons, while the emission from manure management was high in summer (0.44 kg head-1 month-1) and low in other seasons. Spatially, northwestern China has a higher enteric methane emission factor (71.0 kg head-1 year-1) than southwestern China (55.2 kg head-1 year-1). The methane emission factor from manure management was low (0.1 kg head-1 year-1) in Tibetan plateau and high (5.4 kg head-1 year-1) in southeastern China.

Key words： cattle; methane; emission factor; spatial variation; seasonal change

Cite this article

BIAN Junyan , WANG Xinsheng , ZHANG Wen . An Analysis of the Spatial Variations and Seasonal Changes of Methane Emission from Cattle in China[J]. Journal of Geo-information Science, 2015 , 17(9) : 1071 -1079 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.01072

1 引言

CH4是仅次于CO2的最重要的温室气体之一,是大气中含量最丰富的有机痕量气体[1]。甲烷的全球增温趋势是CO2的25倍,在大气中的生命周期平均为12年,足够使排放出的甲烷在全球范围内输送混合[2]。畜牧业是CH4排放的重要来源,它贡献了约人类农业活动温室气体（GHG）排放总量的40%（FAO,http://faostat3.fao.org/home/E,2015）。尤其在20世纪80年代之后,畜牧业甲烷成为最大的人类甲烷排放源[3]。随着全球人口膨胀和大众对动物产品需求的增加,畜牧业的快速增加更多地向产业化发展,动物源CH4排放也进一步增加。在我国动物胃肠道发酵排放CH4量占其总排放量的29.7%[4],其中,牛的甲烷排放占到全国动物排放的54%[5]。
在我国反刍动物中,牛是饲养量最多的大型家畜,占到大型家畜的80%以上。2005-2010年间,我国平均牛存栏为1.3亿头,其中黄牛存栏8千万头左右。目前,关于反刍动物排放的估计,多采用测定的动物个体年排放因子法[6-9],但这种测定通量的简单外推方法,未能充分考虑动物个体特征的差异性及其空间分布特征的影响。在我国,不仅自然环 境和畜牧饲养管理方式存在较大的时间和区域 差异,即使同一种属不同亚类的动物,在个体特征方面也存在着很大的不同,这些将对动物甲烷排 放估算产生显著影响。本文以黄牛为例,在广泛收集不同黄牛特征及影响因素数据的基础上,分析其甲烷排放因子的空间差异及季节变化特征,以期为进一步降低国家清单编制的不确定性提供科学 支持。

2 研究方法及数据处理

2.1 甲烷排放估算方法

本研究根据IPCC清单指南[10]的净能计算方法（式（1）、（2））来估算甲烷排放量。
E = E F fi + E F mi × L P i × 10 - 6 = ∑ GE × Y m 100 × Days 55.65 × L P i × 10 - 6 + ∑ V S T × Days × B o T × 0.67 kg / m 3 × ∑ MC F S.k 100 × M S T , S , k
× L P i × 10 - 6 （1）
GE = N E m + N E a + N E 1 + N E 劳动 + N E p REM + N E g REG DE% 100 （2）
式（1）中,E为动物源CH4排放量;LPi为牲畜的活动水平（动物头数,heads）;EFfi为肠道发酵CH4排放因子（kg CH4/head）;EFmi是粪便管理系统CH4排放因子（kg CH4/head）;肠道发酵排放因子中,GE是总能量摄入（MJ CH4/head/d）;Ym为甲烷转化因子;Days是计算时间段的天数（d）。VS(T)为牲畜日挥发固体排泄物（kg DM/head/d）;Bo(T)是牲畜粪便的最大甲烷产生能力（m3 CH4/kg VS）;0.67为单位m3 CH4换算成单位kg CH4的系数;MCF(S,k)为气候区k内粪便管理系统S的甲烷转化因子（%）;MS(T,S,k)是气候区k内牲畜类别T的粪便用于管理系统S的比例。式（2）为总能计算公式,NEm、NEa、NE1、NE劳动、NEp、NEg分别为牲畜维持净能、活动净能、泌乳净能、劳役净能、妊娠净能、生长所需净能;REM为日粮中可供维持净能与消耗的可消化能的比例;REG为日粮中可供生长净能与消耗的可消化能的比例。
根据摄入的总能量计算肠道发酵排放因子,所需获取的牛个体特征参数有：体重、产奶量,以及有季节变化的要素（劳役时间、DE及Ym）,其中,DE及Ym与饲料质量密切相关。粪便管理的排放因子主要与动物粪便的处理方式（MCF(S,k),MS(T,S,k)）、日挥发固体排泄物（VS(T)）等有关,其中,MCF(S,k)还决定于所在地的温度。本研究中温度数据来源于全国820个气象站点的逐日气温,并利用高斯滤波算法插值[11]。LPi为2005年黄牛年末存栏量。其余参数均参考文 献[10]中的亚洲地区值。估算排放因子所需动物的个体特征数据、代表性分布区域等数据,均来源于文献记载[12-19]。

2.2数据源及处理

2.2.1 黄牛亚类及分区
牛是人类最早驯化的畜种之一,又经过自然和社会条件的长期选择,使得我国地方牛品种多样[20]。《中国畜禽遗传资源志牛志》[18]将我国牛种分为：黄牛、水牛、牦牛、奶牛、肉牛,其中,黄牛几乎遍布全国。本研究选取具有代表性、数量较多（地区县存栏数>1000头）的黄牛品种,并依据我国黄牛生存环境和体尺外貌差异,将黄牛分为：蒙古牛、鲁西牛、复州牛、秦川牛、晋南牛等46个亚类,它们都有其代表性分布区域（图1）。
Fig. 1 Spatial distribution of different categories of cattle in China

图1 黄牛亚类分布及Ⅶ个分区

在每个分区内,对其亚类的个体特征进行统计均值和标准差分析,用于计算排放因子均值及其不确定性。虽然不同黄牛亚类因地理分布区域或起源等方面存在联系,但由于我国地域辽阔且黄牛种类繁多,使得中国牛种的分区因不同的分类方法和依据而各异[19,21-23]。中国畜牧业综合区划根据饲料资源、自然环境、饲养技术和社会需要4个因素,将我国畜牧业分为Ⅶ个大区。本研究以此作为分区基础,结合“我国家畜品种及其生态特征”、与《牛志》[18]、及气温、降水等生态因子数据和重要的自然分界线（秦岭淮河一线、青藏高原分界线）、行政区划界线,对我国黄牛分布区域进行划分（图1）。
2.2.2 活动水平数据空间化
在我国除了约19%的沙质荒漠、戈壁、寒漠、永久积雪和冰川、石骨裸露山地,以及约7%的城市、工矿、交通用地以外,其余74%的国土都适于畜牧业[24]。这些适用性土地主要为高、中密度草地及农村居民点。对此,以2005年1 km分辨率的土地利用类型数据（中国科学院资源环境科学数据中心）,对单位栅格中的高、中密度草地,以及农村居民点面积进行比例统计（图1）。综合2005年县级牛年末存栏数据(中国农业科学院),以及各省牛年末存栏量（中国畜牧业统计）年鉴数据[25],依据分省的畜牧业统计年鉴数据,对分县的牛年末存栏量数据进行校正,并将其作为活动水平数据空间化的数据源。依据上述面积权重法进行分县统计数据的空间化[26],即以县为单位,统计适宜生存面积总和,将各县牛存栏量等密度地分配到该县的栅格中,从而计算出各栅格中黄牛量。

3 黄牛甲烷排放结果与分析

3.1 黄牛饲养及甲烷排放相关参数

表1为我国Ⅶ大黄牛分区的黄牛亚类分布及其个体特征参数。不同分区间及分区内黄牛各年龄段体重差异明显,东北区体重最大。除动物个体特征外,不同的饲养方式（散养、规模化）决定了饲料精粗比、数量、管理方式、牲畜采食的能量消耗,这些因素会影响到饲料消化率DE,以及动物肠道发酵甲烷转化系数Ym的取值。IPCC2006清单指南[10]给出了不同地区不同饲养方式（采食特征）下的Ym及DE,但是缺乏对其季节变化的描述。由于Ym及DE与饲料组成的关系最为密切,因此本研究假设在饲料质量较好的夏季Ym（DE）取低（高）值,而在冬季取较高（低）的值。表2为DE和Ym参数取值的季节差异性变化和农牧区各自的黄牛劳役时间季节变化[10,27-30]。在IPCC缺省值的范围内,考虑我国农区目前的饲料不再以简单加工秸秆等为支配性组份,而是更多地使用精粗比高的日粮,并且加工手段也更加细致[31-32],这些均有利于降低肠道甲烷的产生率[31],因此农区的Ym（DE）比牧区偏低（高）。
Tab. 1 Individual characteristics of cattle in different regions of China

表1 我国黄牛分区及其个体特征参数

分区 6个月 1岁 成年牛 产奶量 亚类
（kg） （kg） （kg） （kg/d）
Ⅰ 122~133 161~232 425~764 3.8 延边牛、蒙古牛、复州牛
Ⅱ 76~158 141~255 310~608 3.0 渤海黑牛、冀南牛、郏县红牛、鲁西牛、蒙山牛、南阳牛、徐州牛
Ⅲ 65~133 106~178 234~601 3.4 大别山牛、广丰牛、吉安牛、锦江牛、雷琼牛、闽南牛、皖南牛、温岭高峰牛
Ⅳ 79~145 149~229 263~660 3.5 晋南牛、平陆山地牛、秦川牛、太行牛、蒙古牛
Ⅴ 41~178 96~211 214~464 2.0 巴山牛、川南山地牛、滇中牛、峨边花牛、关岭牛、黎平牛、凉山牛、南丹牛、平武牛、威宁牛、文山牛、巫陵牛、务川牛、云南高峰牛、昭通牛、隆林牛
Ⅵ 64~137 105~175 290~540 3.1 阿勒泰牛、安西牛、哈萨克牛、乌珠穆沁牛、蒙古牛
Ⅶ 50~67 96~110 190~398 1.6 柴达木牛、迪庆牛、甘孜藏牛、西藏黄牛

注：数据来源于中国畜禽遗传资源志·牛志[18]

Tab. 2 Properties of cattle breeding in China and the parameters used for calculating the methane emission factors

表2 我国黄牛饲养及甲烷排放相关参数季节变化

月份
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
农区

 规模化饲养Ym（%） 6.5 6.5 6.5 6.5 6 5.5 5.5 5.5 5.5 6 6.5 6.5
散养Ym（%） 7.0 7.0 7.0 7.0 6.5 6.0 6.0 6.0 6.0 6.5 7.0 7.0
DE（%） 50 50 50 50 55 60 65 65 65 55 50 50
使役时间（h） 0.0 0.0 0.0 3.0 6.0 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 0.0 0.0
牧区
 规模化饲养Ym（%） 7.0 7.0 7.0 7.0 6.0 5.5 5.5 5.5 5.5 6.0 7.0 7.0
散养Ym（%） 7.5 7.5 7.5 7.5 6.5 6.0 6.0 6.0 6.0 6.5 7.5 7.5
DE（%） 45 45 45 45 50 55 55 55 55 50 45 45
使役时间（h） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

注:规模化标准为年出栏>50头[33]

3.2 黄牛甲烷排放因子的空间差异及其季节变化

3.2.1 农牧区甲烷排放因子空间差异及季节变化
农牧区的空间差异表现在：一年中,除4-6月外,大部分时间农区EFfi都低于牧区（图2（a））。原因在于4-6月农牧区大部分都处于枯草期,产草量不能完全满足牲畜需求,采食量都比较小;而在农区,春季有春耕活动,牛使役强度大时间长。在全年的其他时间,牧区以天然草场为主,相对于农区辅以较高比例农作物副产品、谷物等的饲料,牧区DE相对较小,Ym较高。本研究中有关Ym和DE季节变化及农牧区差异的简单假设,虽然仍有待更多试验研究,但是有利于初步了解包括它们在内的诸多因素所导致的黄牛肠道发酵甲烷排放季节变化特征。式（1）中计算甲烷排放因子所需的个体特征参数存在明显的空间差异,如北方黄牛体重明显高于南方黄牛体重[34-35]。这也是导致牧区EFfi较农区高的原因。对于EFmi（图2（b））,则是农区全年明显高于牧区,主要原因在于牧区各省市粪便多不经任何处理,或是自然风干,很少或基本不采用液基系统,农区液基系统则占有一定比例,尤其是在养殖业商品化程度较高的省市。
Fig. 2 Emission factors and the seasonal variations of the enteric and manure management systems of cattle

图2 黄牛肠道发酵和粪便管理的甲烷排放因子及其季节变化

DE和Ym的估算,是以牲畜主要饲料或牧草为基础,因此,DE和Ym存在季节差异性[36]。另外,饲料成分、劳役程度等因素也存在季节性变化,并导致排放因子也出现相应的波动。因此,季节变化方面,EFfi夏季最低,EFmi夏季最高。有研究对不同类型不同季节饲草的成分、动物消化能变化进行了详细描述[36]。由于牧草产量的季节差异,动物的采食量和采食结构有所不同。若谷物类精饲料的比例为80%时,则饲料能量中的3%~4%会随着甲烷的排放而损失;若全部供给纤维类粗饲料,则10%以上的能量随甲烷排放而损失[37]。夏季植被生长茂盛,饲料种类丰富,有利于提高饲料消化率,降低甲烷转化因子和肠道发酵甲烷排放因子。EFmi除受DE影响外,还与气候有直接关系。在温暖条件下,粪便按液体管理会促进甲烷的形成,而在寒冷气候条件下,按干物质管理的粪便不易产生甲烷。我国大部以季风气候为主,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,是形成EFmi夏季明显高于冬季的成因之一。
与IPCC（2006年）中EFfi相比,本文EFfi估算值较高。在IPCC的方法中,农区平均缺省排放因子对应的日均产奶量为1.1 kg,小于本文农牧区的3.3与2.3 kg产奶量,并且其农牧区的日均工作时数0.55 h和1.37 h 也小于本文的2.4 h与3.5 h。这些是造成本文估算值较高的主要原因。与2005年中国农业温室气体清单相比,本文的估计在6-9月较低,其他时间二者相近。其原因在于2种估算在饲养方式划分（规模化、农户散养、放牧饲养）、产奶量、工作时间等要素方面基本相等。但2005年国家清单中未反映出季节变化,而本文中DE、Ym及劳役时间（表2）,均对其季节差异进行了初步估算,夏季DE最大,Ym最小,因而,在夏季出现了排放因子偏低的估算结果。本文EFmi高于IPCC,尤其是农区,而牧区各月均值0.09与IPCC月均值0.08比较相近。虽然,本文估算中对Bo、ASH采用IPCC默认值（分别为0.1和0.08）,但是,IPCC亚洲粪便管理系统中将液基系统所占比例确定为0,而实际我国农区一些省市,由于规模化养殖,液基系统占有一定比例,如北京、广东、河南等商品化程度高的地区,采用粪池、液基池等液基系统占总体管理系统的15%以上,这对于EFmi,特别是农区估算有很大影响。
3.2.2 Ⅶ分区甲烷排放因子空间差异及其季节变化
Ⅶ个区域中,EFfi西南区最小,其次是青藏区（图3）,排放较高的区域是蒙新区、黄土高原区、东北区。原因主要是西南区、青藏区成年牛体重小,仅为232~328 kg,是所有区域中最小的;同时,西南区有草山草坡面积较大,占南方草山草坡面积的一半多,还有相当数量的动物性饲料资源,牧草繁茂,再生力强、青草期长、产草量高,是北方干旱草原不能比拟的。青藏区天然草地广阔、类型多样,虽然地区间载畜量不平衡,但是,该区牧草多数具有粗蛋白质高、粗脂肪高、无氮浸出物高、粗纤维低的特点[38]。排放较高的区域主要受黄牛体重与饲草质量、数量的影响。对于EFmi,青藏区最小,黄淮海区、东南区最高。这是由于青藏区生活习俗所致,海拔高气温低,牛粪多做燃料使用,粪便管理排放因子低甚至为0;而黄淮海区与东南地区,气温较高,同时经济较发达,牲畜养殖规模较大,导致液基系统占较大比例,粪便管理排放因子较高。
Fig. 3 Differences in the methane emissions from enteric and manure management systems in different regions of China

图3 不同地区黄牛的肠道发酵和粪便管理甲烷排放差异

各分区季节上存在明显差异,EFfi总体上依然呈波浪形变化,夏季依然处于最低值,同时各分区在3、4月与10月左右处于高峰值,其成因依旧与受饲料质量、数量影响的DE和Ym有密切关系,同时受到早春与秋收时期牲畜使役时间的影响。从各区EFmi来看,夏季基本都为最高值,但出现高峰值时间有先后,如黄淮海区出现在6月,西南区出现在5月,新疆地区则出现在7月;同时四季变化幅度因地而异,如黄淮海区有显著四季差异,而西南区与青藏区四季变化较为平缓。

3.3 黄牛的甲烷排放总量

全国各省黄牛肠道发酵和粪便管理甲烷排放总量（表3）中,河南、山东、四川肠道发酵甲烷排放量最大,北京和上海几乎零排放;河南与山东的粪便管理甲烷排放量也较多,最少的省市有北京、上海、西藏等。随着大众对动物产品的需求扩大,养殖数量增加,同时会引起较高的甲烷排放,这就要求养殖过程中必须改善管理措施、提高饲料消化率,以降低反刍动物甲烷排放。
Tab. 3 Emission factors and the total methane emissions in each province of China

表3 全国各省年甲烷排放因子（kg/head/a）及总排放量（Gg）

省市 肠道发酵排放 粪便管理排放 省市 肠道发酵排放 粪便管理排放
排放因子 排放量 排放因子 排放量 排放因子 排放量 排放因子 排放量
安徽 67.20 94.47 3.00 7.00 辽宁 65.64 109.70 1.92 3.00
北京 69.84 2.99 4.20 0.00 内蒙 69.36 110.69 3.12 6.00
福建 62.16 23.86 3.24 2.00 宁夏 67.44 30.49 0.96 1.00
甘肃 65.64 134.97 0.72 2.00 青海 63.48 84.58 0.12 0.00
广东 62.76 56.77 8.16 9.00 山东 75.24 375.54 5.64 39.00
广西 61.20 160.81 7.32 15.00 山西 69.24 97.74 3.84 7.00
贵州 56.64 192.39 0.72 3.00 陕西 71.28 114.06 0.72 2.00
海南 59.64 17.09 9.12 4.00 上海 64.20 0.01 3.12 0.00
河北 62.52 234.66 4.20 19.00 四川 60.36 41.29 0.60 5.00
河南 74.64 606.67 5.88 66.00 天津 69.36 10.80 5.16 0.00
黑龙江 71.16 150.65 1.56 3.00 西藏 57.96 60.80 0.00 0.00
湖北 64.08 61.22 5.76 10.00 新疆 75.36 265.21 0.72 2.00
湖南 62.28 113.03 6.12 17.00 云南 49.08 134.16 0.72 3.00
吉林 72.24 180.28 1.68 5.00 浙江 66.36 5.37 3.00 0.00
江苏 66.48 11.39 2.88 1.00 重庆 56.04 40.60 0.72 1.00
江西 61.80 67.91 6.36 12.00 总计 67.73 5638.20 3.24 244.00

3.4 黄牛的肉用趋势及其甲烷排放

我国的本土黄牛多为役牛或是役肉兼用牛,其中役肉性能比较好的品种有5个,称为“5大良种黄牛”,但都不是专用肉牛品种[39]。从肉用指数（BPI）来看,肉用型大于5.6,役肉兼用牛为3.6-4.5,我国地方品种黄牛BPI均值仅为3.26[40]。肉牛不存在因使役造成的能量消耗。饲料质量与数量上,黄牛以天然牧草为主,牧草存在季节不平衡性,存在半饥饿状态的可能,偶尔使役时补饲精料;肉牛则要求供给充足的养分,适时调整精粗料比例,加大精料供给量。饲养方式,黄牛农区多以舍饲、牧区以放牧为主;肉牛则属于规模化饲养。品种的年龄结构上也存在差异,为获蛋白含量高而脂肪含量适当的瘦嫩肉牛,肉牛的最佳屠宰年龄为18-24月龄[41],黄牛的寿命则相对较长。随着我国农业机械的广泛应用,黄牛肉用是未来发展的必然趋势。由于肉用黄牛在群体年龄结构、饲料组成及饲养方式与传统黄牛之间的差异,其甲烷排放也必然会有所不同,进一步分析这一趋势对我国畜牧业甲烷排放的影响,利于降低区域和国家尺度甲烷排放估计的不确定性。

4 结论

黄牛的个体特征存在着显著的季节与空间差异,进而影响到排放因子的变化。各地肠道发酵排放因子夏低冬高,而粪便管理的排放因子则为夏高冬低。黄牛肠道发酵排放因子除4-6月农区略高于牧区外,一年中的其他时间都低于牧区;黄牛粪便管理排放因子农区全年高于牧区。空间上,肠道发酵排放因子从大到小依次为黄土高原区、蒙新区、东北区、黄淮海区、东南区、青藏区和西南区;粪便管理排放因子从大到小依次为东南区、黄淮海区、黄土高原区、东北区、蒙新区、西南区、青藏区。
致谢：感谢中国农业科学院提供了县级年末黄牛存栏数据,中国科学院资源环境科学数据中心提供了土地利用类型数据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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