李勝利 金 鑫 范學(xué)珊 黃文明 曹志軍

(1.動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,北京100193;2.北京首都農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京100029)

2009年12月7日在哥本哈根舉行的世界氣候大會(huì),從來(lái)沒(méi)像今天這樣引起全球的關(guān)注——60億人都在翹首以待。溫室效應(yīng)引起的氣候惡化已成為21世紀(jì)全球面臨的最嚴(yán)重挑戰(zhàn)之一:30年來(lái)全球最大的食物價(jià)格上漲、50年來(lái)全球最低的谷物存量、澳大利亞百年不遇的干旱、太平洋地區(qū)已經(jīng)有數(shù)十個(gè)島國(guó)面臨消失的危險(xiǎn)等等,而今后數(shù)年內(nèi)環(huán)境問(wèn)題還可能造成某些地區(qū)人畜共患病流行以及人口大遷移,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)和政治動(dòng)蕩。因此,全球各國(guó)有必要采取共同措施,減少工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的碳排放,保護(hù)我們共同的家園。

1 全球碳排放情況與碳稅政策

世界氣象組織發(fā)布的公報(bào)顯示,從19世紀(jì)末到20世紀(jì)末的 100年中,全球年平均氣溫上升了0.7℃,而20世紀(jì)90年代是自1840年有正式氣象記錄以來(lái)最熱的十年[1]。目前,二氧化碳(CO2)每年的增長(zhǎng)速率約 0.5%(1.8μmol/mol);甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)則分別以每年1.1%和0.25%的速率增長(zhǎng)。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)主席帕喬里披露大氣中CO2濃度在2009年達(dá)到387μL/L,為歷史最高值[2]。

針對(duì)越發(fā)嚴(yán)重的溫室氣體排放問(wèn)題,國(guó)際上出臺(tái)了“碳稅”和“碳交易”等政策[3]。碳稅是針對(duì)化石燃料使用進(jìn)行征稅,旨在減少化石燃料消耗及CO2排放,避免由此引起的氣候變化。碳稅最先在北歐國(guó)家實(shí)施,瑞典、挪威、芬蘭、丹麥和荷蘭是先行者,并于1992年由歐盟推廣,目前已有阿爾巴尼亞、捷克 、丹麥 、愛(ài)沙尼亞 、芬蘭、德國(guó)、意大利、荷蘭、挪威、瑞典、瑞士和英國(guó)等國(guó)家開征碳稅或氣候變化相關(guān)稅[4]。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)通過(guò)艱難談判,于1992年5月9日通過(guò)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》(簡(jiǎn)稱《公約》)。1997年12月通過(guò)了《公約》的第1個(gè)附加協(xié)議,即《京都議定書》(簡(jiǎn)稱《議定書》)?！蹲h定書》把市場(chǎng)機(jī)制作為解決CO2為代表的溫室氣體減排的新路徑,即把CO2排放權(quán)作為一種商品,從而形成了CO2排放權(quán)的交易。其基本原理是:合同的一方通過(guò)支付另一方獲得溫室氣體減排額,買方可以將購(gòu)得的減排額用于減緩溫室效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)其減排的目標(biāo)。這種交易以每噸CO2當(dāng)量為計(jì)算單位,所以通稱為“碳交易”[5]。

2006年上半年,全球碳交易量已達(dá)到6.84×108t CO2當(dāng)量,超過(guò)2005年同期的5倍,碳交易額約為150×108美元,超過(guò)2005年碳交易總額[6]。

2 各國(guó)近期的減排目標(biāo)

發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)歷了發(fā)展中國(guó)家目前的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)階段,有義務(wù)對(duì)氣候惡化承擔(dān)更多責(zé)任,而且他們也擁有先進(jìn)的技術(shù)和雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力,所以聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)立的減排要求為15%～30%。當(dāng)然,發(fā)展中國(guó)家也不能重蹈覆轍。在這次哥本哈根會(huì)議期間,各個(gè)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體根據(jù)自己實(shí)際情況作出了預(yù)期的減排值。

2.1 美國(guó)

美國(guó)白宮2009年11月25日宣布,美國(guó)將在哥本哈根氣候變化大會(huì)上承諾2020年溫室氣體排放量在2005年的基礎(chǔ)上減少17%。據(jù)專家推算,這一目標(biāo)僅相當(dāng)于在1990年的基礎(chǔ)上減少4%,與發(fā)展中國(guó)家對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的要求相距甚遠(yuǎn)。白宮還表示,美國(guó)的減排目標(biāo)還包括到2025年減排30%,2030年減排42%,2050年減排83%。

2.2 歐盟

歐盟27個(gè)成員國(guó)已同意到2020年時(shí),將溫室氣體排放量在2005年的基礎(chǔ)上減少20%。如果其他世界強(qiáng)國(guó)簽署了類似的減排方案,歐盟將在2020年前進(jìn)一步削減到30%,2050年前削減溫室氣體排放80%～95%。而且還將采取強(qiáng)硬行動(dòng)制止毀林,并一致同意在2020年前,飛機(jī)制造業(yè)必須相對(duì)于2005年水平削減排放10%,船運(yùn)業(yè)削減排放20%。

2.3 韓國(guó)和日本

2009年11月17日,韓國(guó)政府推出了最新的減排計(jì)劃:2020年前,在2005年的基礎(chǔ)上減排30%。因此,韓國(guó)已成為目前設(shè)立了最高減排目標(biāo)的發(fā)達(dá)國(guó)家。但政府也坦承,這一減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并非易事。日本則表示,如果其他經(jīng)濟(jì)體愿意承諾類似目標(biāo),日本2020年時(shí)可以減排25%。

2.4 中國(guó)

國(guó)務(wù)院總理溫家寶2009年11月25日主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議,研究部署應(yīng)對(duì)氣候變化工作,決定到2020年的溫室氣體排放量比2005年下降40%～45%,而且將作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃,并制定相應(yīng)的國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)、考核辦法。會(huì)議還決定,通過(guò)大力發(fā)展可再生能源、積極推進(jìn)核電建設(shè)等行動(dòng),到2020年我國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%左右;通過(guò)植樹造林和加強(qiáng)森林管理,森林面積比2005年增加4 000萬(wàn)hm2,森林蓄積量比2005年增加13億m3。這是我國(guó)根據(jù)國(guó)情采取的自主行動(dòng),是我國(guó)為全球應(yīng)對(duì)氣候變化做出的巨大努力。第13個(gè)五年計(jì)劃期間,預(yù)計(jì)可以減少第1個(gè)50億t的CO2排放量。

2.5 印度

印度作為發(fā)展中大國(guó),減排也是大勢(shì)所趨。印度決定在2012年開始的第12個(gè)五年計(jì)劃中致力于發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降20%～25%,但不接受強(qiáng)制性減排協(xié)議。

2030年,全世界最起碼要減排 300億 t的CO2。根據(jù)各國(guó)現(xiàn)有的減排目標(biāo),我們對(duì)全世界做一個(gè)預(yù)算,利用現(xiàn)有的政策和技術(shù)可以達(dá)到減排300億t CO2的81%,這是可行的目標(biāo)。麥肯錫公司做的中國(guó)技術(shù)成本曲線顯示,中國(guó)在2030年的減排量可以占到全球應(yīng)減排300億噸的20%～25%,這是非常大的貢獻(xiàn)。

3 溫室氣體種類以及農(nóng)業(yè)對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)量

據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)的第2次評(píng)估報(bào)告稱,溫室氣體,如CO2、CH4和N2O,在大氣中的濃度從18世紀(jì)工業(yè)化時(shí)代以來(lái),已經(jīng)有了很大的增加。究其原因,在很大程度上是由人類活動(dòng),主要是礦物燃料的使用、土地使用的變化和農(nóng)業(yè)造成的。溫室氣體濃度的增加導(dǎo)致了大氣和地球表面的變暖。全球溫室氣體的排放量中,最大排放量的是能源利用,占24%;其次是砍伐森林轉(zhuǎn)化為土地,占18%;農(nóng)業(yè)、工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)同為第3,各占14%;然后是建筑占8%,其他能源占5%,廢棄物占3%。其中農(nóng)業(yè)、廢棄物和土地使用是非耗能的排放,而工業(yè)、建筑、運(yùn)輸、電力等則是耗能排放。

3.1 CO2

海洋是大氣中CO2的最重要來(lái)源,地幔是大氣中CO2的另一個(gè)來(lái)源。與人類活動(dòng)有關(guān)的3個(gè)主要來(lái)源是化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)和土地利用變化。工業(yè)化革命前大氣中的CO2濃度為280μL/L,到2005年,其濃度已經(jīng)達(dá)到379μL/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了過(guò)去65萬(wàn)年來(lái)自然因素引起的變化范圍[7]。

3.2 CH4

CH4是大氣中含量最為豐富的有機(jī)碳?xì)怏w,雖然在大氣中的濃度低于CO2,但全球變暖潛力指數(shù)(GWP)的分析顯示,以單位分子數(shù)(也就是同體積)而言,CH4的溫室效應(yīng)要比CO2大25倍(美國(guó)宇航局的研究人員在2009年10月30日出版的《科學(xué)》雜志上刊登的研究發(fā)現(xiàn),CH4對(duì)氣候變化的影響程度是CO2的33倍)。而且CH4不像CO2一樣可以被植物吸收進(jìn)入物質(zhì)循環(huán),會(huì)在大氣中不斷積累。因此,雖然CH4在大氣中的濃度只有1.7μL/L,與CO2的379μL/L相比要低得多,但其對(duì)當(dāng)前全球變暖的綜合貢獻(xiàn)率達(dá)到19%,僅次于CO2[7]。

全球CH 4釋放途徑有2種:一種是自然源,如沼澤和其他濕地中物質(zhì)的厭氧腐爛,其排放量不到CH4總排放量的25%;另一種是人為源,如水稻種植、家畜飼養(yǎng)、生物質(zhì)燃燒、化石燃料生成和使用、固體廢物堆存以及污水處理等。大氣中CH4的含量每年以0.8%～1.0%的速度增加,1990年全球大氣CH4的平均含量是1.72×10-3mg/kg,比1978年的1.52×10-3mg/kg增長(zhǎng)了12%,比工業(yè)革命前期的8.00×10-4mg/kg翻了一番。

3.3 N2O

2005年大氣中N2 O的濃度為0.319μL/L[7]。大氣中N 2O的濃度遠(yuǎn)小于CO2的濃度,但是N2O產(chǎn)生溫室效應(yīng)的能力是 CO2的310倍,因而N2O濃度的輕微增加就可造成很大的影響[8]。

N2O的來(lái)源包括天然來(lái)源(海洋、土壤、森林等)和人為來(lái)源。人類活動(dòng)中的N2O釋放源主要來(lái)自化肥使用、毀林(特別是森林變成牧場(chǎng)、農(nóng)田)、化石燃料和生物物質(zhì)的燃燒以及其他農(nóng)業(yè)活動(dòng)(可加速土壤中N2O的釋放)。

3.4 氟氯烷烴(CFCs)

CFCs是人造化學(xué)物質(zhì),它被廣泛用作制冷劑、噴霧劑、溶劑和塑料生產(chǎn)的發(fā)泡劑。大氣中原來(lái)基本不含CFCs,從20世紀(jì)以來(lái),人工合成的鹵素碳化物不斷大量排人大氣,使其在大氣中的濃度迅速上升。氟氯烷烴-11(CFC-11)和氟氯烷烴-12(CFC-12)是最重要的氟氯烷烴,由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,它們會(huì)在大氣中滯留100～200年[9]。研究表明,20世紀(jì)80年代氟氯烷烴導(dǎo)致的升溫占全球溫室效應(yīng)引起溫度升高部分的24%,如此下去,氟里昂將成為2l世紀(jì)僅次于CO2的溫室氣體。CFCs排放源較為簡(jiǎn)單,主要來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)。

4 動(dòng)物養(yǎng)殖與溫室氣體產(chǎn)生

根據(jù)食品與農(nóng)業(yè)組織(FAO)統(tǒng)計(jì),溫室氣體排放量的18%來(lái)自家畜。其中包括CO2排放量的9%、CH4排放量的37%和N2O排放量的65%[10]。全球反芻動(dòng)物每年約產(chǎn)生CH48 000萬(wàn)t,占全球人類活動(dòng)CH4排放量的28%。

對(duì)CH4的一項(xiàng)最新研究表明,肉類生產(chǎn)造成的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出當(dāng)前預(yù)測(cè)值。據(jù)英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》報(bào)道,肉食生產(chǎn)形成的CH 4排放量占全球排放總量的51%,而不是聯(lián)合國(guó)估計(jì)的18%;動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生了320億t CO2當(dāng)量,比工業(yè)和能源行業(yè)綜合的影響都要大。他們表示,聯(lián)合國(guó)的數(shù)據(jù)從CH 4排放、土地使用和呼吸作用這3個(gè)重要方面嚴(yán)重低估了數(shù)百億頭牛、羊、豬、家禽以及其他動(dòng)物排放的溫室氣體的影響。

科學(xué)家們?cè)絹?lái)越關(guān)注牲畜呼出的CH4。古德里和安航認(rèn)為,科學(xué)家大大低估了牲畜的CH4排放量。他們稱,按照CH4所發(fā)揮的快速溫室效應(yīng),其影響應(yīng)該以20年為期進(jìn)行評(píng)估,而不是2006年《牲畜的巨大陰影》報(bào)告中提出的100年。他們說(shuō),這將使牲畜的CH4排放計(jì)算結(jié)果增加50億 t CO2當(dāng)量,相當(dāng)于全球總排放量的7.9%。

在土地使用方面,如果將目前用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)的土地歸還給天然植被和森林,將可消除大氣中26億t CO2當(dāng)量的溫室氣體,相當(dāng)于溫室氣體總量的4.2%。

CH4通常是飼料在瘤胃發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生,其產(chǎn)量依賴于飼料發(fā)酵和轉(zhuǎn)化成動(dòng)物產(chǎn)品的效率。在發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中,乙酸和丁酸可生成CH 4和氫氣(H2);而丙酸可利用氫生成糖。產(chǎn)生的H2在生成CH4的過(guò)程中被產(chǎn)甲烷菌(古細(xì)菌)利用,隨后通過(guò)噯氣從動(dòng)物的嘴和鼻子中呼出,另外,乙酸還可被產(chǎn)甲烷菌直接轉(zhuǎn)化成CH4。

Sedorovich等[11]的試驗(yàn)表明,來(lái)自于47 hm2土地,其中70%為草場(chǎng),飼養(yǎng)奶牛80頭,每頭牛產(chǎn)奶8 200 kg(相當(dāng)于每公頃土地生產(chǎn)牛奶13 957 kg),每頭奶牛消耗精飼料1 865 kg的示范牧場(chǎng),其CH 4主要來(lái)自飼養(yǎng)奶牛(396 kg/hm2)和糞肥(171 kg/hm2),等效于 11 913 kg CO2;N2O主要來(lái)自糞肥(8.8 kg/hm2)、所施氮肥(5.4 kg/hm2)和收割的農(nóng)作物(1.5 kg/hm2),等效于 4 848 kg CO2;喂給奶牛的精料、施加到土地中的氮肥以及糞肥可產(chǎn)生3 434 kg CO2。所以該牧場(chǎng)每年每公頃土地總排出CO2等效當(dāng)量為20 195 kg,相當(dāng)于每生產(chǎn)1 kg牛奶產(chǎn)生1.45 kg CO2等效當(dāng)量。但Capper等[12]報(bào)道每生產(chǎn)1 kg牛奶可產(chǎn)生2.31 kg CO2等效當(dāng)量。

5 減少反芻動(dòng)物碳排放的技術(shù)措施

反芻動(dòng)物具有功能強(qiáng)大的瘤胃,可消化吸收豬、雞等單胃動(dòng)物不能利用的農(nóng)作物秸稈,我國(guó)每年有近6億t可利用的農(nóng)作物秸稈,而目前用作飼料的比例不足25%,大部分被焚燒還田,釋放出大量的溫室氣體。因此,反芻動(dòng)物(特別是奶牛、肉牛)被列為我國(guó)發(fā)展節(jié)糧型畜牧業(yè)和發(fā)展可持續(xù)畜牧業(yè)的首選畜種。但是瘤胃微生物在利用農(nóng)作物秸稈的同時(shí),飼料中的淀粉、細(xì)胞壁和蛋白質(zhì)在其他微生物的作用下,分解成乙酸、丙酸、丁酸、H 2和CO2,產(chǎn)甲烷菌將 CO2、H2、甲酸、乙酸 、甲胺、次甲胺 、甲醇及其他化合物轉(zhuǎn)化成 CH4和CO2。CH4化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,以噯氣的方式經(jīng)口鼻排出體外。據(jù)報(bào)導(dǎo),一頭體重250 kg的牛每天通過(guò)噯氣可排出超過(guò)200 L的CH 4。放牧的內(nèi)蒙古白絨山羊在牧草幼嫩期、旺盛期和枯黃期的甲烷產(chǎn)生量分別為16.76、19.02和33.92 g/d[13]。舍飼綿羊((25±5)kg)年排放CH4和CO2總量分別約為4.38 kg和53.66 kg[14]。內(nèi)蒙古雙峰駝在牧草生長(zhǎng)期的CH4排放量為295.87～502.09 g/d,結(jié)實(shí)期為316.94～713.75 g/d,枯草期為213.74～340.26 g/d,全年的 CH4排放量為137.7 kg[15]。反芻動(dòng)物的CH4產(chǎn)量約為全球動(dòng)物和人類CH4釋放總量的 95%,其中水牛排放量占8%,其他牛排放量占74%,羊排放量占13%,駱駝排放量占1%[16]。因此,降低反芻動(dòng)物養(yǎng)殖的溫室氣體排放量已迫在眉睫。

減少反芻動(dòng)物養(yǎng)殖的溫室氣體排放量可以從4個(gè)方面入手:1)提高單產(chǎn)水平,減少養(yǎng)殖數(shù)量,以提高養(yǎng)殖效益;2)調(diào)控日糧;3)調(diào)控瘤胃內(nèi)CH4的生成過(guò)程(包括2種方法:一種是直接抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng);另一種是通過(guò)減少生成CH4的底物H 2的生成量。);4)降低反芻動(dòng)物糞便的溫室氣體排放量。

5.1 提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能

提高反芻動(dòng)物的集約化、規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖水平,提高單產(chǎn)水平,降低奶牛養(yǎng)殖數(shù)量可以減少單位產(chǎn)品的溫室氣體排放量。大量研究表明動(dòng)物生產(chǎn)效率越高,每單位產(chǎn)品產(chǎn)生的溫室氣體越少。從美國(guó)1944年和2007年的奶牛養(yǎng)殖情況可以看出,2007年的奶牛頭數(shù)、飼料飼喂量和土地使用量分別只有1944年的21%、23%和10%;糞便排放和碳足跡分別只有1944年的24%和37%;而奶牛單產(chǎn)是1944年的443%(圖1)[12]。

從1944年到2007年,奶牛在遺傳育種和飼養(yǎng)管理上都有很大的進(jìn)步,奶牛頭數(shù)減少,牛群結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變,尤其公?？傤^數(shù)減少了15倍,但是奶牛用于維持需要的養(yǎng)分代謝效率并沒(méi)有顯著變化,也就是說(shuō)1944年和2007年產(chǎn)奶量相同的奶牛用于維持需要的營(yíng)養(yǎng)量是相同的,但由于單產(chǎn)的逐年增加,奶牛的維持需要量所占比例逐漸降低,從1944年的69%到1975年的49%,2007年僅僅占33%[12]。

圖1 以1944年為基準(zhǔn)對(duì)比全美2007年牛奶產(chǎn)量、資源利用與排放量Fig.1 2007 U.S.milk production,resource use and emissions expressed as a percentage of 1994

從圖2可以看出,2007年奶牛的CO2排放當(dāng)量為26.2 kg/(頭?d),相對(duì)于1944年的13.5 kg/(頭?d)增加了近2倍,但由于奶牛頭數(shù)的大幅減少、奶牛單產(chǎn)的提高以及相應(yīng)的在飼料、水、土地等資源的使用上使得糞便產(chǎn)生的溫室氣體量也有減少,每千克牛奶的溫室氣體排放量為1.31 kg,只有1944年的36%[12]。

圖2 每頭牛的碳足跡與每千克牛奶的碳足跡Fig.2 Carbon footprint per cow and per kilogram of milk

5.2 減少瘤胃中原蟲數(shù)量

減少瘤胃中的原蟲數(shù)量可以降低CH4的合成量,因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌大多是附著在原蟲表面,并且存在一個(gè)共生關(guān)系,利用氫轉(zhuǎn)化成CH4。研究表明,降低瘤胃原蟲數(shù)量可使CH4的產(chǎn)量降低20%～50%,而且改善了飼料利用率。有5種從瘤胃去除原蟲的方法:1)增加脂肪含量,因?yàn)橹緦?duì)原蟲有毒性,增加日糧脂肪水平可以減少原蟲數(shù)量;2)通過(guò)日糧手段來(lái)降低瘤胃p H,這是通?？紤]最簡(jiǎn)單可行的辦法,但要注意不能低于5.8,否則會(huì)造成亞臨床性酸中毒;3)增加日糧中皂角苷含量也能使原蟲數(shù)量大大降低,盡管這種方法有引起脹氣的危險(xiǎn);4)添加一些植物和植物提取物,包括從熱水中提取皂苷、絲蘭提取物、無(wú)患子果實(shí)和毛瓣無(wú)患子果實(shí)的甲醇提取物;5)灌注硫酸銅、十二烷基硫代硫酸鈉或者十二烷基硫酸鈉,但這幾種化學(xué)物質(zhì)沒(méi)有一種被證明是完全有效的。Machmǜller[17]的試驗(yàn)表明,在綿羊日糧中添加椰子油、葵花籽、亞麻籽可以明顯降低CH4產(chǎn)量和瘤胃原蟲數(shù)量。

5.3 抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)

正常生理狀態(tài)下產(chǎn)甲烷菌通過(guò)氫轉(zhuǎn)移不僅能保持瘤胃內(nèi)低水平的H2分壓,同時(shí)使單位底物發(fā)酵生成的ATP數(shù)量增多,進(jìn)而提高其他微生物特別是分解纖維素微生物的發(fā)酵能。如何選擇既可降低CH4的生成又不影響動(dòng)物健康和生產(chǎn)性能,這是今后的重要任務(wù)。

直接抑制CH 4生成的方法被廣泛報(bào)道,使用鹵化甲烷類似物、氯仿、水合氯醛、氨基三氯乙醛、溴氯甲烷、2-溴基已磺酸、三氯乙基三甲基乙酸鹽(TCEP)和三氯乙基己二酸(TCE-A),但是由于條件限制,沒(méi)有一種方法是有效的。氨基三氯乙醛是一種安全的CH4抑制劑并且能增加羊的活體重,然而隨著飼喂時(shí)間延長(zhǎng)它的抗菌活性下降。

5.4 降低瘤胃中H+濃度

降低瘤胃中生成CH4的前提物質(zhì)H+和甲酸等的濃度,可以減少CH4的生成量。研究表明,蘋果酸可以作為電子的受體,與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)H+,使CH4生成量下降。在日糧中添加不飽和脂肪酸也可降低瘤胃內(nèi)的H+濃度。另外,莫能菌素不但可以直接抑制產(chǎn)甲烷菌,還可抑制形成H 2和甲酸的細(xì)菌。

日本帶廣大學(xué)教授高橋潤(rùn)一在研究因食用含有硝酸鹽的飼料而中毒的家畜時(shí)發(fā)現(xiàn),食用含有大量硝酸鹽牧草的奶牛在噯氣時(shí)幾乎不排出CH4,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),如果在含硝酸鹽的牧草中摻入L-半胱氨酸,不僅可以防止動(dòng)物中毒,而且不會(huì)影響牛奶和動(dòng)物肉制品。這是由于添加硝酸鹽后促進(jìn)硝酸鹽還原菌在瘤胃內(nèi)的生長(zhǎng),與產(chǎn)甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)氫原子所致。因此,在動(dòng)物飼料中添加適當(dāng)比例的硝酸鹽和半胱氨酸有可能抑制瘤胃產(chǎn)生CH4而不產(chǎn)生毒性[18]。

5.5 調(diào)控日糧精粗比

日糧精粗比對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃CH4產(chǎn)量有較大影響。日糧精粗比影響乙酸和丙酸比例,進(jìn)而影響CH 4產(chǎn)量,當(dāng)飼喂以粗飼料為主的日糧時(shí),乙酸的含量提高;當(dāng)增加飼料中精料的比例時(shí)丙酸的含量增加。吸收的乙酸除一部分被用作合成乳脂的原料外,相當(dāng)大的部分被氧化供能,而丙酸主要經(jīng)肝臟轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織成分。乙酸經(jīng)氧化后產(chǎn)生的過(guò)多CO2又會(huì)被產(chǎn)甲烷菌合成CH 4,其中以乙酸為底物的CH4合成占60%以上,以H2和CO2為底物的CH4合成占30%。因此可通過(guò)調(diào)節(jié)日糧精粗比來(lái)降低CO2和CH 4的產(chǎn)量。日糧精料高有利于丙酸的產(chǎn)生,另外,精料可以降低瘤胃p H,可以達(dá)到除去某些原蟲的目的,從而降低CH4的產(chǎn)生。但是,當(dāng)丙酸的比例過(guò)高(33%以上)時(shí),就會(huì)影響生產(chǎn)性能[19],飼喂非常高的精料往往容易引起酸中毒、蹄葉炎、過(guò)肥等問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn),日糧中的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物水平增加25%可以降低CH 4產(chǎn)量約20%。楊在賓[20]的試驗(yàn)證明,谷物類精飼料的比例為80%時(shí),飼料能量的3%～4%以CH4的形式排放而損失;如全部供給纖維類粗飼料,則10%以上的能量隨CH 4排放而損失。精飼料種類不同,CH4排放量差異也很大,以大麥為基礎(chǔ)日糧時(shí),甲烷能占總能量的6.5%～12.0%;以玉米為基礎(chǔ)飼料時(shí),甲烷能在5%以下。韓繼福等[21]利用不同比例(0∶100、25∶75、50∶50、75∶25)的精料∶羊草日糧飼喂閹牛,由呼吸代謝室測(cè)試其CH4排放量,結(jié)果表明閹牛瘤胃內(nèi)丙酸和CH4產(chǎn)量分別為3.26、4.57、6.63、8.81 mol/d和 208.13、201.26、194.17、170.99 L/d,說(shuō)明日糧中精料增加有利于丙酸發(fā)酵,減少CH4排放量。汪水平等[22]分別飼喂泌乳奶牛精粗比約為30∶70的“高低質(zhì)粗料型”日糧、30∶70的混合型高青貯日糧、50∶50的精粗比例相當(dāng)日糧及65∶35的高精料日糧,測(cè)得其丙酸產(chǎn)量分別為 21.22、23.76、26.36和27.34 mmol/L,前2種日糧的瘤胃丙酸濃度分別與后2種日糧差異極顯著(P＜0.01)。張愛(ài)忠等[23]以青干草為粗飼料,分別飼喂絨山羊精粗比為3∶7和2∶8的日糧,發(fā)現(xiàn)2∶8的日糧組的丙酸產(chǎn)量明顯低于3∶7的日糧組。

Mathers等[24]和 Murray等[25-26]研究表明,CH4和CO2排放總量及其動(dòng)態(tài)也明顯反應(yīng)在飼喂方式上。在一定范圍內(nèi)少量多次飼喂有利于提高飼料利用率和吸收率,從而減小瘤胃內(nèi)p H的波動(dòng)幅度,較好地維持平衡狀態(tài),有利于瘤胃內(nèi)纖維物質(zhì)的降解和瘤胃發(fā)酵。先粗后精,以及先粗后多次添加精料的飼喂方式有利于瘤胃內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸以丙酸為主,不僅可以降低飼料損耗減少CH4和CO2的排放量,而且可以改善動(dòng)物生產(chǎn)性能。

改變精粗比雖然可以有效降低CH4的產(chǎn)量,但也產(chǎn)生了一定的副作用,如與人爭(zhēng)糧、增加了氮的投入與排放等,所以其他降低CH 4產(chǎn)量的方法還應(yīng)該進(jìn)一步研究。

5.6 日糧品質(zhì)及采食量

85-913-04-05攻關(guān)課題組(農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所,天津)[27]的研究表明,喂氨化飼料的牛比喂普通飼料的牛每頭每年少排放CH4 17.11 kg,且氨化飼料具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、易消化等優(yōu)點(diǎn),可使牛的飼養(yǎng)周期大大縮短,單位畜產(chǎn)品CH 4排放量明顯減少。游玉波[28]的試驗(yàn)表明,采食氨化、青貯和干玉米秸稈(日糧精粗比為50∶50)日糧的肉牛CH 4平均排放量分別為248.4、234.3和261.7 L/d,與采食青貯和干玉米秸的肉牛 CH4排放量差異顯著(P＜0.05)。

飼喂干草比飼喂青貯和粗切的牧草比細(xì)碎的牧草都能產(chǎn)生更多的CH4。動(dòng)物的生產(chǎn)率越高,每單位動(dòng)物產(chǎn)品產(chǎn)生的CH 4量越少。此外,蛋白質(zhì)在腸內(nèi)消化不產(chǎn)生CH4[29],可以添加過(guò)瘤胃蛋白以減少CH4產(chǎn)量。

牧草種類不同,山羊的CH 4產(chǎn)量也不相同。以內(nèi)蒙古白絨山羊?yàn)槔?豆科類牧草中CH 4產(chǎn)量依次為紫花苜蓿＞沙打旺＞中間錦雞兒＞牛枝子＞刺葉丙棘豆＞西藏錦雞兒＞紅寧角;禾本科類牧草的CH4產(chǎn)量依次為針茅＞羊草＞冰草＞賴草＞無(wú)芒隱子草＞中亞狼尾草＞芨芨草＞蘇丹草[13]。Waghorn等[30]的研究也表明采食黑麥草和白苜蓿的綿羊的CH4產(chǎn)量最高為25.7 g/kg DM,而采食蓮屬植物的甲烷產(chǎn)生量為11.5 g/kg DM,采食不同牧草CH4產(chǎn)量可產(chǎn)生2倍的差異。Animut等[31]的研究表明,飼喂含單寧較高的牧草也可以降低山羊的CH4產(chǎn)量。

CH4排放量隨采食量的增加而增加。內(nèi)蒙古白絨山羊的飼養(yǎng)試驗(yàn)表明,維持水平組(干物質(zhì)采食量(DMI)為0.581 kg/d)的CH4排放量為10.43 g/d,甲烷能占采食總能的比例為 8.98%;自由采食組(DMI為0.839 kg/d)的CH4排放量為15.07 g/d,甲烷能占采食總能的比例為6.28%[32]。

5.7 添加離子載體

離子載體是由放線菌產(chǎn)生的一種抗生素,它具有改變通過(guò)微生物生物膜離子流量的作用。革蘭氏陰性菌外膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常不受離子載體的影響;但革蘭氏陽(yáng)性菌缺乏典型的外膜,因而對(duì)離子載體極為敏感。離子載體,像莫能菌素、鹽霉素和拉沙里菌素可以改變瘤胃發(fā)酵,增加丙酸產(chǎn)量,減少CH 4生成量。為了比較莫能霉素、鹽霉素和拉沙里菌素3種離子載體對(duì)肉牛能量代謝的不同影響,以4頭西門塔爾×中國(guó)黃牛雜交一代公牛為試驗(yàn)動(dòng)物,結(jié)果表明:莫能霉素、鹽霉素和拉沙里菌素對(duì)總能消化率沒(méi)有顯著影響(P＞0.05);分別使消化能轉(zhuǎn)化為代謝能的效率提高 2.07%、1.85%和 2.07%(P＜0.05);使甲烷能與進(jìn)食總能比減小15.1%、17.6%和19.3%(P＜0.05);使代謝能產(chǎn)熱率降低1.76%、2.92%和3.87%(P ＞0.05);使日糧總能沉積率提高3.30%、5.62%和8.07%(P＞0.05)[33]。

5.8 減少糞便中溫室氣體的排放

全球動(dòng)物糞便排放的CH 4大約占已知CH4排放總量的5.5%～8.0%,排放的N2O大約占全球N2O排放總量的7%[34]。

牛糞便最常見(jiàn)的處理方式是堆放。研究表明堆放前期的CO2和CH4排放速率較大,中后期較慢;N2O在堆放前期的排放速率較慢,后期排放速度逐漸上升;堆放高度為50 cm的溫室氣體排放速度比25 cm的低[35]。Sommer等[19]的研究表明,表面覆蓋會(huì)減少液態(tài)糞便CH 4排放量,平均減少38%,但是當(dāng)溫度升高時(shí),表面覆蓋的影響會(huì)變小[36]。與表面覆蓋減少CH4排放相反,表面覆蓋增加N 2O的排放。當(dāng)沒(méi)有表面覆蓋時(shí),N2O的排放幾乎為0,然而當(dāng)形成天然表面外殼時(shí),N2O的排放增加。但陸日東等[37]的研究表明牛糞在堆放時(shí)覆蓋玉米秸稈會(huì)減少CO2、N2O的排放。另外,糞便的含水量影響糞便的硝化作用和反硝化作用。透氣性很好或很差均不利于硝化或反硝化過(guò)程中N2 O的生成,因此動(dòng)物糞便含水量很低和長(zhǎng)期淹水時(shí),N2O排放量都很小,但是糞便的干濕交替會(huì)促進(jìn)N2O的生成與排放[38]。

糞便堆放可產(chǎn)生大量的溫室氣體。目前,利用牛糞便生產(chǎn)沼氣和有機(jī)肥的技術(shù)已較成熟。沼氣工程不僅能減少溫室氣體排放,還能提供大量的有機(jī)肥和提供一定量的清潔能源。按照政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)2006年推薦的方法學(xué)[39]計(jì)算,在南方炎熱地區(qū),一個(gè)處理4頭豬糞便的戶用沼氣池,每年最大可減排溫室氣體2.0～4.1 t CO2當(dāng)量。

6 結(jié) 語(yǔ)

反芻動(dòng)物養(yǎng)殖是溫室氣體產(chǎn)生的一個(gè)重要來(lái)源,為達(dá)到全球氣溫上升幅度低于2℃的目標(biāo),探索降低反芻動(dòng)物溫室氣體排放量的方法已刻不容緩。

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