李君宇，韓 英

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

動物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用是多方面的，它不僅能提高生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的效率和穩(wěn)定性，而且還影響著生態(tài)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，并在生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同進化體系中占有極為重要的地位，發(fā)揮著重要的作用［1］。它不僅能夠給人類提供生存所必需的物質(zhì)資源，而且在維持地球生物圈的生物多樣性方面具有重要作用，是包括人類在內(nèi)的一切生物生存所不可缺少的地球環(huán)境生態(tài)平衡條件。

百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。特別是近50年來，人類活動的加強導(dǎo)致溫室氣體排放增加從而引起全球變暖。溫室氣體是具有溫室效應(yīng)的氣體主要包括H2O、CO2、CH4、N2O和氯氟烴（Chloro fluoro－carbon，CFCs）等。溫室效應(yīng)的90%是由H2O和CO2引起的，其余10%是由CH4、N2O和CFCs等溫室氣體引起的［2］。這些溫室氣體能像溫室玻璃一樣，使地球表面溫度升高。工業(yè)革命以來，由于人類活動的影響，使大氣中溫室氣體濃度明顯增加，引起全球變暖和氣候變化。那么，主要溫室氣體的排放源是什么？動物在這些溫室氣體的排放中又起著怎樣的作用？對這一問題的研究將有助于進一步認識動物與大氣的生態(tài)關(guān)系以及重新認識動物在全球氣候變化中的作用。

1 動物在CO2排放中的作用

CO2是最主要的溫室氣體之一。如果缺失CO2，地球的年平均氣溫（14～16℃）會降低20℃。但CO2濃度過高，也會形成“溫室效應(yīng)”。研究表明，由于人類活動的影響，大氣CO2濃度持續(xù)升高，已從工業(yè)革命前的280μL／L增加到了目前的379μL／L，并以每年1～2μL／L的速度遞增，預(yù)計到21世紀(jì)末，大氣濃度將會升高到目前的兩倍。科學(xué)家預(yù)測，今后大氣中CO2每增加1倍，全球平均氣溫將上升1.5～4.5℃，而兩極地區(qū)的氣溫升幅要比平均值高3倍左右［3］。

在自然界的碳循環(huán)中，綠色植物從空氣中獲得的CO2，經(jīng)過光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，再綜合成為植物體的碳化合物，經(jīng)過食物鏈的傳遞，成為動物體的碳化合物。之后植物和動物的呼吸作用把攝入體內(nèi)的一部分碳轉(zhuǎn)化為CO2釋放入大氣，另一部分則構(gòu)成生物的機體或在機體內(nèi)貯存。動、植物死后，殘體中的碳，通過微生物的分解作用也成為CO2而最終排入大氣。大氣中的CO2這樣循環(huán)一次約需20年。通過光合作用地球上的植物每年消耗175Pg（1P＝1015）的CO2，但是動植物的呼吸過程以及它們尸體的腐化也會向大氣中釋放同等數(shù)量［4］。一部分（約千分之一）動、植物殘體在被分解之前就被沉積物所掩埋而成為有機沉積物。這些沉積物經(jīng)過悠長的年代，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)變成礦物燃料－－煤、石油和天然氣等。它們在風(fēng)化過程中或作為燃料時，其中的碳被氧化成為CO2排入大氣。人類生產(chǎn)活動消耗大量礦物燃料對碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響。從1949年到1969年，由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動，估計每年CO2的生成量增加4.8%，其結(jié)果使大氣中CO2濃度升高，這樣就破壞了自然界原有的平衡，從而引起全球變暖［5］。

除了人類生產(chǎn)活動通過消耗大量礦物燃料對碳循環(huán)產(chǎn)生影響以外，2006年12月FAO的一份報告指出，全球10.5億只牛是溫室效應(yīng)的元兇。每年由牛、羊、駱駝、馬、豬和家禽排放的溫室氣體約占全球溫室氣體總量的18%，其中牛比其他家畜動物排放量還高，超越了人類的交通工具，如汽車、飛機等的CO2排放量［6］。不僅如此，2009年《世界觀察》雜志刊登的一篇題為《牲畜和氣候變化》的報告指出，牲畜及其副產(chǎn)品的溫室氣體排放至少占全球總排放的51%（包括人和動物呼吸排放的溫室氣體），遠遠超過了糧農(nóng)組織估計的數(shù)值18%［7］?？梢妱游飳Υ髿釩O2等溫室氣體的排放貢獻不可忽視。

2 動物在甲烷排放中的作用

甲烷（CH4）也是一種溫室效應(yīng)氣體，近200年來，其在大氣中的濃度大幅度上升。目前，大氣中CH4的平均濃度為1.8μL／L［8］。CH4不僅比CO2具有更高的增溫潛勢，其效力是CO2的23～25倍，而且將通過輻射過程直接引起氣候變化［9］；與CO2不同的是，它還是一種化學(xué)活性物質(zhì)，能引起許多大氣化學(xué)變化，從而間接地影響氣候變化。

大氣CH4的80%左右是由生物過程產(chǎn)生的，主要是微生物在厭氧條件下利用醋酸鹽或氫與CO2反應(yīng)生成的。因此CH4的最主要的來源是濕地和稻田［10］、垃圾場、污水處理廠，以及反芻動物和白蟻的消化系統(tǒng)。據(jù)估算，天然濕地的CH4排放量約為280Tg／年，約占全球CH4排放量的1／3。稻田是最大的人為排放源，全球CH4年排放量約為300 Tg［10］。隨著人口的增長，對糧食的需求增大，因此稻田將是不可忽視的大氣CH4排放源。此外，近年來發(fā)現(xiàn)，植物在逆境條件下也能排放一定量的甲烷［11］。生物物質(zhì)燃燒也是人為排放CH4的最大來源之一。有資料顯示，每年生物物質(zhì)燃燒將向大氣排放的CH4約為40Tg，主要來自熱帶農(nóng)業(yè)耕種、溫帶地區(qū)的森林火、農(nóng)田廢棄物的燃燒以及家用爐灶（木材、煤爐、火炭）等［12］。除了植物影響大氣CH4排放外，動物，尤其是反芻動物和一些昆蟲的腸發(fā)酵及其排泄物也是大氣CH4的重要排放源。據(jù)2010年全球人為CH4排放量的估計數(shù)據(jù)顯示：污水9%；其他農(nóng)業(yè)排放源7%；固定和移動源1%；農(nóng)業(yè)（肥料）4%；煤礦6%；牲畜腸道發(fā)酵29%；垃圾填埋11%；生物物質(zhì)3%；水稻種植10%；石油和天然氣20%［13］。其中動物的甲烷排放達29%左右，這部分排放主要來自兩部分，一是畜禽糞便的排放［9］。全球由畜禽糞便排放的CH4氣體總量占已知CH4排放總量的5.5%～8%［14］，而且糞便在堆放期間也會產(chǎn)生和排放CO2和CH4，通常堆放前期排放量高于中后期。二是反芻動物消化道中的飼料經(jīng)微生物發(fā)酵也可產(chǎn)生CH4。

據(jù)報道，反芻動物消化道能排放100多種氣體，但其中主要氣體是CH4。近年發(fā)現(xiàn)牛能排放大量的CH4，主要是通過其打嗝，少部分是通過腸胃脹氣排放。通過動物胃腸道發(fā)酵排放的CH4占大氣CH4總排放量的29.7%［15］。奶牛的平均CH4排放量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)報道不一，大約在100～500L／每天左右），可見這個數(shù)據(jù)是龐大的，相當(dāng)于一輛汽車一天所排放的CH4。此外，研究還發(fā)現(xiàn)牛在代謝過程中排放的100多種污染氣體中除了CH4氣體外，氨的排放量也占全球總量的2／3，而氨正是導(dǎo)致酸雨的重要原因之一［6］。因此，加州大學(xué)柏克萊分校“全球環(huán)境健康”教授寇克·史密斯博士（Dr.Kirk Smith）在長達400頁題為《牲畜的巨大陰影：環(huán)境問題與選擇》中指出，除了牛以外，其他多種牲畜，如羊、雞、豬等也會造成環(huán)境污染，所以畜牧業(yè)才是引起溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的主要根源。結(jié)論是，數(shù)量迅速增加的牛對環(huán)境影響最大［6］。據(jù)統(tǒng)計，全球現(xiàn)有15億頭牛和17億頭羊，且其數(shù)量還在繼續(xù)上升，特別是在發(fā)展中國家，全球肉制品可望在2001～2050年翻一倍［16］。

為減少反芻動物的溫室氣體排放，各國積極采取措施。據(jù)2012年路透社報道，新西蘭采取讓農(nóng)民為養(yǎng)殖的上百萬頭羊和牛放屁所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)支付490萬美元／年的“放氣”稅［17］。新西蘭政府計劃征收的動物的“放屁”稅，是為研究動物放屁所導(dǎo)致溫室效應(yīng)的籌集經(jīng)費。動物排出的氣體中包括CH4和N2O，占新西蘭溫室氣體排放量的一大半。另有一些科學(xué)家們提出了幾種對環(huán)境更友好的家畜養(yǎng)殖方法。在新西蘭，研究人員正在檢測各種營養(yǎng)方案、食物添加劑、藥方以及那些排放更少CH4的動物；而澳大利亞的一支科學(xué)小組建議人類應(yīng)放棄食用牛羊肉，改吃袋鼠肉，因為袋鼠不排放CH4?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，反芻動物在新陳代謝過程中，8%的能量用于生成CH4。如果不排放溫室氣體，那么這些能量可以用于來制造更多的肉［18］。德國的霍恩海姆大學(xué)的科學(xué)家們制造出一種藥片可以制止牛的瘤胃（牛的第一個胃）中產(chǎn)生氣體，并且把甲烷轉(zhuǎn)化成葡萄糖。但是這種藥物需要嚴格的飲食和有組織的喂養(yǎng)時間，所以這種設(shè)想似乎可行性不大。可見動物是大氣CH4的重要排放源［19］。

3 動物在氧化亞氮排放中的作用

氧化亞氮（N2O）又稱笑氣，與CO2相比，雖然N2O在大氣中的含量很低，但其單分子增溫潛勢卻是CO2的310倍；而且其在大氣中具有更長的半衰期。因此，未來N2O對全球氣候的增溫效應(yīng)將越來越顯著，它們濃度的增加，已引起科學(xué)家的極大關(guān)注。2009年，美國一項最新研究顯示，這種無色有甜味的氣體已經(jīng)成為人類排放的首要消耗臭氧層物質(zhì)［20］。人類通過使用化肥、化石燃料等每年向大氣中排放約1000×104t N2O［21］，如果人類不采取措施限制其排放，它將成為21世紀(jì)破壞性最大的消耗臭氧層的物質(zhì)。

研究表明，土壤是大氣N2O的重要排放源，主要是通過微生物過程產(chǎn)生并排放到大氣的。植物根系的生長不僅能通過刺激土壤微生物的生長來促進這一過程，而且植物本身也能起導(dǎo)管作用，促進土壤N2O向大氣的排放［5－6］。研究發(fā)現(xiàn)植物自身也能產(chǎn)生和排放一定量的N2O［22］。人類通過農(nóng)業(yè)施肥也能促進土壤微生物N2O的產(chǎn)生［23］。據(jù)報道，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，施氮肥引起的N2O排放量占人為年排放量的44%，這還不包括其他的氮輸入途徑，如：動物廢棄物、生物N固定等，而且不同動物排泄物對作物生長期間N2O排放的影響也不同［24］。動物糞便在處理和存放過程中也能排放大量的N2O。每年全球由動物糞便排放的N2O約為200×104t，占人為排放源的14%左右［25］。中國是動物飼養(yǎng)量最大的國家之一，每年動物糞便N2O排放量約為24.6×104t［25］。2009年德國和丹麥科研人員研究發(fā)現(xiàn)，不僅人類和家畜能通過肛門排放“有害溫室氣體”，而且水生動物也同樣釋放溫室氣體N2O［26］。德國馬克斯·普朗克研究所和丹麥奧爾胡斯大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水中有硝酸鹽存在時，蚌類、淡水蝸牛等水生生物也會排放N2O［26］。由此推測，污染水中硝酸鹽越多，排放的問題氣體也就越多。

綜上所述，動物在主要溫室氣體CO2、CH4和N2O的產(chǎn)生和排放中起著十分重要作用。它們既能通過代謝過程直接產(chǎn)生和排放三種溫室氣體，同時也能通過其排泄物直接或間接影響溫室氣體的排放，尤其是作為大氣CH4的新的重要的排放源的反芻動物越來越引起科學(xué)界的重視，有關(guān)動物作為大氣CH4和N2O排放源的強度及機理與對策的研究還有待于進一步深入。

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