FASE封面文章 | 碳中和视野下中国畜禽粪污管理

畜禽废弃物资源化与碳中和

Valorization of Livestock Waste and Carbon Neutrality

专 辑 文 章 介 绍

· 第一篇 ·

▎论文ID

Livestock and poultry manure management from the perspective of carbon neutrality in China

碳中和视野下中国畜禽粪污管理

发表年份：2023年

第一作者：张乐礼、额热艾汗

通讯作者：刘志丹

 : zdliu@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学水利与土木工程学院环境增值能源实验室，农业农村部设施农业工程重点实验室

Cite this article :

Leli ZHANG, Reaihan E, Mahmoud M. ALI, Hongjian LIN, Shuai ZHANG, Shuqin JIN, Zhiping ZHU, Jianjun HU, Yiqing YAO, Yong SUN, Shuiping YAN, Zhidan LIU. LIVESTOCK AND POULTRY MANURE MANAGEMENT FROM THE PERSPECTIVE OF CARBON NEUTRALITY IN CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 341‒362 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023509

 

· 文 章 摘 要 ·

     温室效应是全球面临的重大环境危机之一。畜禽养殖业是农业碳排放的重要来源，是气候变化的重要贡献者。在“双碳”战略视角下，本文聚焦于畜禽粪污管理系统，梳理了粪便收集、储存和处理阶段的温室气体及其它有害气体的排放现状，定性分析了粪肥管理技术的碳友好性。此外，与以往畜禽粪污处理相关的综述论文不同的是，本文从“以资源化为导向”的粪污处理思路深入到“以减污降碳协同为导向”的思路，归纳了畜禽粪污碳排放的影响因素及其影响机理，综述了碳交易体系现状及发展潜力，并从不同层面给出畜禽粪污减污降碳的建议和对策，旨在为中国畜禽粪污管理系统碳减排方法学的成立、碳交易体系的形成和发展提供思路。

 

· 文 章 亮 点 ·

1. 梳理了畜禽粪污处理技术及其碳减排潜力。

2. 总结了畜禽粪污碳排放及碳足迹的核算方法。

3. 分析了国内外碳交易市场发展现状。

4. 提出了提升畜禽粪污碳减排潜力的对策及建议。

 

· Graphical abstract ·

·研 究 内 容·

▎引言

       随着社会经济的发展与老百姓生活水平的显著提高，消费者对肉蛋奶等畜禽产品需求的日益增加不断刺激着畜禽养殖业的迅速发展，进而加剧了畜禽粪污所带来的温室效应等环境问题。在过去50年，我国畜牧业养殖方式从家庭散养向规模养殖加速转变，且畜牧业总产值占比提高了13.3%。中国平均每年产生的畜禽粪便总量高达38亿吨。畜禽粪污排放的CH₄和N₂O这两种“非二”类温室气体的全球变暖潜能值分别是CO₂的23倍和298倍，其温室效应不容忽视。

       联合国发布《2030年可持续发展议程》，鼓励世界各国通过合适的技术和管理方式推进可持续生产实践与科学研究，从而使畜禽养殖业的温室气体排放潜力降低30%。实现这一目标的关键在于推动畜禽养殖业的减污降碳和发展碳交易市场。减污降碳的主要途径是降低碳排放强度和可再生能源抵扣。核算畜禽粪污碳排放和碳足迹，确定畜禽粪污碳排放影响因素及其影响机理，从而逐步形成畜禽粪污碳减排方法学是降低碳排放强度的理论基础。强化畜禽粪污的能源化利用，使其转化为气体、液体、固体燃料，旨在抵扣生产生活使用的化石能源。畜禽养殖粪污资源化处理与碳中和及碳交易的结合是助力碳中和的重要途径，三者之间关系如图1所示。

图1 碳中和背景下畜禽粪便处理技术与碳核算和碳交易体系的关系
 

▎畜禽养殖业粪便管理关键技术

       本文讨论了畜禽粪污管理相关的各类技术，重点聚焦于畜禽粪污的收集、储存和利用阶段的碳排放及碳减排问题。

1. 粪污收集阶段

       本节讨论了粪污收集阶段不同技术的碳排放潜力，包含干清粪（人工或机械清粪）、水冲粪和水泡粪技术，对于低碳农业，推荐干清粪技术，但在设计和施工过程中还需要考虑许多因素，如生产规模、畜禽种类、建造和人工成本等。

2. 粪污储存阶段

       畜禽粪便储存过程中影响温室气体排放的因素包括储存条件（如密封性、温度和pH值等）、粪便类型和组成，以及控制氮和碳转化的调节因子。这些因素决定了CH₄、N₂O、CO₂和其他有害气体的排放。研究表明，酸化、压实、覆盖、添加调节剂（如生物炭）和储罐有助于减少储存阶段的温室气体排放。

3. 粪污处理阶段

       对于堆肥等开放系统，实现有害气体的源头减排仍有待研究。厌氧发酵技术虽然具有较高的经济效益和环境友好性，但低温CH₄生产投资成本高、效率低等问题阻碍了其推广。生物炭和微藻技术在碳减排领域和耦合系统中无疑具有巨大的潜力，但需要更详细的技术和经济评价。

       基于国内外学者的研究结果，本文梳理了畜禽粪污常用处理技术的原理，并对其碳友好性和技术成熟度进行了定性对比，如图2所示。

图2 畜禽粪便处理技术示意图（a）和对比分析（b）

 

▎畜禽粪污管理中的碳排放核算方法

1. 畜禽粪污碳排放影响因素分析

       (1) 区域分布和畜禽类型：根据《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南2019修订版》，世界各地区畜禽养殖业粪便管理系统温室气体排放因子因地区分布、国家发展程度、畜禽种类的不同而不同。

       (2) 粪便管理的季节和处理细节：温室气体排放系数在不同季节从高到底的排列为：秋‒夏‒春‒冬，且在秋、夏季远远高于春、冬季节。另外，堆放高度、堆放方式等处理细节也是重要的粪污碳排放影响因素。

       (3) 畜禽产品种类：欧盟委员会联合研究中心在研究报告中指出欧盟每 1 kg畜禽产品碳足迹顺序为：鸡蛋＜禽肉＜猪肉＜羊肉＜牛肉。

       (4) 社会因素：经济发展程度、政策倾向、人口、公民的环保意识等均会影响碳排放。

       (5) 其他：畜禽饲料；饲料添加剂的种类和添加量；畜禽的年龄、体重、性别、健康状况、生理周期等。

以上几个因素仅能够定性反映碳排放的影响因素。为了进一步研究各因素的影响程度，需要进行因素分解研究。经优化的费雪指数法能较好地解释碳排放量的变动，并运用该方法可以进一步分析经济增长、产业结构和能源消费结构对碳排放强度的影响。

2. 畜禽粪污碳排放核算方法

       针对质量平衡法、实测法、碳排放因子法（OECD、IPCC）、投入产出法（I-O）、生命周期评价法（LCA）等碳排放/碳足迹核算方法的优缺点及适用场景做了详细的对比分析。结合《2006 年 IPCC 国家温室气体清单指南》，详细列举了畜禽粪污管理系统中排放的主要温室气体CH₄和N₂O排放量的核算方法。影响粪污管理中碳排放与碳足迹核算结果准确性的因素涉及地区分布、所获得的数据的可靠性、温室气体种类等多个方面。从温室气体种类的角度来说，CH₄排放量的不确定性低于CO₂、N₂O排放量的不确定性。参数不确定性的众多量化方法中，对碳排放进行核算后，进行蒙特·卡洛模拟计算是一套相对完整的温室气体排放量估算方法及流程，用泰勒级数展开法减少蒙特·卡罗模拟的计算量。

3. 粪污处理阶段

       对于堆肥等开放系统，实现有害气体的源头减排仍有待研究。厌氧发酵技术虽然具有较高的经济效益和环境友好性，但低温CH4生产投资成本高、效率低等问题阻碍了其推广。生物炭和微藻技术在碳减排领域和耦合系统中无疑具有巨大的潜力，但需要更详细的技术和经济评价。

 

▎碳交易体系的发展现状

       碳交易作为一种新型市场化的节能机制，不仅可以达到节约能源控制污染的目的，还可促进低碳节能技术的推广，提高社会福利。中国是全球碳排放大国，又是国际碳排放交易市场最大的卖方。自2002年以来，中国碳市场前后经历了以下几个阶段，图3所示。

图3 中国碳交易市场的发展历程

       我国碳交易市场的交易形式为碳排放配额交易和CCER（Chinese-certified emission reduction）。CCER是一种碳抵消机制，即控排企业向实施“碳抵消”活动的企业购买可用于抵消自身碳排的核证量，其交易机制如图4所示。

图4 碳排放配额交易和CCER之间的交易机制
 

▎提升畜禽粪污碳减排潜力的建议及对策

       (1) 技术层面：加强粪污处理技术的低碳化发展；从源头减少、过程控制和最终应用的全周期碳排放管理；促进种养结合的有机发展。

       (2) 理论层面：加快完善畜禽养殖业碳核算方法学，并提高核算结果的精确性；在畜禽生产领域现有方法的基础上，开发更多更通用、更实用的温室气体减排方法；推进其他领域现有的碳减排方法在畜禽粪污管理系统中的整合与优化应用。

       (3) 体系层面：推动温室气体自愿减排体系的进一步发展，合理引导自愿减排项目的开发，提升自愿减排机制的运行效果；丰富中国温室气体自愿减排项目开发融资渠道；完善碳排放权抵消市场的建设；激励更多企业参与温室气体自愿减排行动。

       (4) 其他层面：调控低碳发展与畜禽产品供给之间形成动态平衡关系；科学引导群众，调整饮食结构，宣传用植物蛋白来代替动物蛋白的环境友好性；优化集约化畜禽养殖空间布局，引导畜禽养殖业向资源更丰富、环境承载力更大的地区转移。