文献阅读 | 1978–2017年中国畜牧业生产的氧化亚氮排放

题目

Policy-enabled stabilization of nitrous oxide emissions from livestock production in China over 1978–2017

作者

Peng Xu, Benjamin Z. Houlton, Yi Zheng, Feng Zhou, Lin Ma, Bin Li, Xu Liu, Geng Li, Haiyan Lu, Feng Quan, Shiyao Hu & Anping Chen

期刊

Nature Food

时间

2022年5月

一作

单位

School of Environmental Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China

链接

https://doi.org/10.1038/s43016-022-00513-y

摘要

减少畜牧业相关的一氧化二氮（N₂O）排放是中国实现2060年碳中和目标的关键。本研究综合分析了1978至2017年中国畜牧业 N₂O 排放的规模、时空变化和驱动因素。研究者设置了不同情景，探索减排潜力及相关的边际减排成本和社会效益。

研究发现，2006年，中国畜牧业N₂O排放的平均增长率约为每年4.6%，2007-2015年增速急剧下降，2017年由于人口和肉类消费增长率放缓增速因而缓慢下降。

研究者估计，2030年畜牧业N₂O排放的技术减排潜力为7-21% (23.1-70.9 Gg N₂O) ，实施成本为55亿至60亿美元。华北平原、东北平原和两湖平原是减排干预的优先区域。在各种减排方案中，厌氧消化（Anaerobic Digestion）提供了最大的社会效益，而低粗蛋白饲料（Low Crude Protein Feed）则是成本最有效的选择。

引言

大气中一氧化二氮(N₂O，一种长期存在的平流层臭氧消耗物质，其单位升温潜能值为273CO₂当量）的浓度已经从1750年的270ppb（十亿分之一）稳步增加到2017年的330ppb。

全球畜牧业生产是N₂O排放的主要来源，约占全球人为排放总量的24-44%(5.5-7.3 Tg N₂O-N yr^-1）。预计畜牧产品的消费量将随着人们日益富裕和城市化水平的提升而增加（特别是在发展中国家），而这可能进一步加速全球N₂O的排放。

为实现《巴黎协定》将全球气温上升幅度限制在工业化前水平1.5℃以下的目标，我们迫切需要在满足畜牧产品需求的同时减少其N₂O排放量。此外，畜牧业产生的 N₂O的减排潜力占农业、林业和土地利用部门全球技术减排潜力的50%。鉴于畜牧业部门技术缓解备选方案所需的投资和成本可能会限制其实施和应用，实际减排潜力可能会小很多。迄今为止，很少有研究从国家层面评估畜牧业的N₂O减排潜力以及相关的成本和效益，这是本研究的一个贡献点。

2007-2015年间，中国是世界上人为 N₂O 排放量最大的国家，平均排放量为1.3 Tg N₂O yr^-1，其中22%可追溯到畜牧业生产。中国畜产品的 N₂O 排放强度明显高于欧盟和美国。平均牲畜生产率低、对牲畜产品的需求不断增长以及牲畜粪便管理不善等因素导致中国畜牧业排放了大量的 N₂O。

中国需要加大力度减少N₂O的排放，特别要在2030年之前达到碳排放的峰值，在2060年前实现碳中和。一些研究估算了中国畜牧业生产中 N₂O 的排放量，主要使用的是自下而上的方法，但这些结果是高度不确定的，范围从0.17-0.68 Tg N₂O。主要的原因在于：首先，现有的使用自下而上方法的研究调查的是国家或省级的排放量，难以反映中国内部更细微尺度的异质性，几乎没有在更精确尺度（例如县级）上的研究。其次，之前的研究在估计N₂O排放趋势方面不一致。例如，先前的一些研究发现，2011年后，N₂O排放量呈上升趋势，而其他研究发现，N₂O的排放量呈下降或稳定趋势，这些差异主要是由于方法学、输入数据和排放因子（EFs）的差异引起的。第三，中国畜牧业N₂O排放量的时间趋势受到人类活动(例如城市化、经济增长和人口）的影响，然而，大多数之前的研究没有定量分析它们对 N₂O 排放量的相对贡献，因此对未来的预测不够可靠。

本研究利用食物链中的营养流动、环境与资源利用和质量平衡原理，根据1978-2016年县级和省级的活动数据以及各省的实际排放量，编制了一个新的中国畜牧业生产 N₂O 排放清单，包括一个1 km 分辨率的2017年网格地图。我们将我们的研究结果与之前的研究进行比较。采用人口、富裕和技术随机回归（Stochastic Impacts by Regression on Population, Affluence and Technology model, STIRPAT）模型，定量评价了四种社会经济驱动因素对中国畜牧业排放的贡献。通过情景分析和成本效益评估，我们探讨了中国未来畜牧业生产到2030年的减排途径。

2030年，中国人口预计将达到14. 5亿的峰值。本研究高质量、精确规模的清单有助于确定排放和减排热点，并建议采取有针对性的干预措施，通过重新调整牲畜和农田生产减少排放，对动物粪便加以循环利用。

主要结果

N₂O 排放量和相关指标的时间变化

中国畜牧业生产的 N₂O 排放总量(E_total)由1978年的105.8 Gg N₂O 增加到2017年的408.7 Gg N₂O (图1a) ，平均年增长率为3.7%。1996年、2006年和2015年的排放总量有波动，出现了三个时间峰值。

近几十年来，随着消费模式转向偏动物来源的食物，工业生产系统中畜牧产品的百分比有所增加，同时粪肥管理和种植技术也越来越先进。从1978年到1996年，N₂O排放量年均增长率为5.2% ; 从1997年到2006年，年均增长率为3.6%; 从2007年到2017年，年均增长率为1.1%。

N₂O在2015年达到排放峰值(428.1Gg) ，随后在2015年至2017年逐渐下降。2017年，肥料管理阶段对N₂O排放量的贡献包括畜舍(168.8 Gg N₂O)、粪便贮存(88.7 Gg N₂O)、粪肥田间施用(79.4 Gg N₂O)、粪肥处理(44.4 Gg N₂O)和户外放牧(27.5 Gg N₂O)。牛(肉牛、水牛及牵引牛)的养殖是畜牧业产生 N₂O 排放的最大来源，占36.1% ，其次是猪的养殖和家禽饲养。其他牲畜贡献的排放量较少，包括奶牛(5.8%)、绵羊和山羊(5.6%)、马(3.3%)、驴(2.8%)和骡子(1.4%)。

1978-2017年，中国国内生产总值(GDP)增长迅速，并随着时间的推移出现轻微波动。中国畜牧业生产的 N₂O 排放强度由797克 N₂O/美元降至94克 N₂O/美元，降为原来的1/8。动物蛋白质产量从1978年的1.6Tg 蛋白质增加到2017年的14.3Tg蛋白质，这比家畜数量的增加要快得多。从1978年到2017年，中国畜产品 N₂O 排放强度从65.2 g N₂O /kg蛋白下降到28.7 g N₂O/kg蛋白，反映了较高的整体效率收益。

图1a: 1978-2017年间中国畜牧业一氧化二氮排放量的变化。橙色阴影区域显示了从蒙特卡罗模拟得出的排放估计值。b: 1978-2017年期间中国畜牧业一氧化二氮排放量的年增长率。蓝色虚线是1978-1996年、1997-2006年和2007-2017年期间中国畜牧业一氧化二氮排放量的平均年增长率。c: 中国畜牧业一氧化二氮排放量占全球畜牧业一氧化二氮排放总量的比例。

N₂O 排放热点及空间分布趋势

图2是2017年中国2376个县畜牧业生产的 N₂O 总排放量。2017年县级N₂O排放量利用网格牲畜密度转化为1公里分辨率的数据。中国单位面积平均 N₂O 排放量为0.12 ± 0.29Mg N₂O km^-2 yr^-1。华南地区平均排放密度为0.19 ± 0.40 Mg N₂O km^-2 yr^-1，约为西北地区0.05 ± 0.11 Mg N₂O km^-2 yr^-1的4倍。中国的N₂O排放热点主要出现在东北平原、华北平原和两湖平原、 淮河盆地和广东、广西南部省份。

2017年，畜牧业产生的 N₂O 排放量最多的10个省份是辽宁、山东、黑龙江、河南、湖南、湖北、吉林、四川、河北和云南，这些省份加起来占总排放量的60.3%。累计排放总量的50%来自2376个县中的413个县，空间上，N₂O 排放热点地区覆盖了中国陆地面积的13.7%，413个县中有68.8%位于上述10个省份。

图2 a: 2017年中国畜牧业一氧化二氮排放的地理分布，分辨率为1 km × 1 km。b-g: 中国西北(b)、中国西南(c)、中国中南部(d)、中国东部(e)、中国东北(f)和中国北方(g)不同地区 N₂O 排放量的变化。

1978年，东北地区和华北地区分别贡献了最大（22.3%）和最小（8.3%）的N₂O排放量。2000年，中国东部、中南部和华北地区的排放份额分别增加到24.4% 、23.8% 和11.5%。中国西北地区和西南地区的排放份额显著下降，分别从1978年的12.3% 和21.0% 下降到2000年的7.4% 和14.4%。中国东部在这一增长中所占份额最大，其次是中南部。2010年，中国中南部的碳排放份额增加到27.6%。然而，与2000年的观测值相比，2010年中国西北和西南地区的排放份额继续下降。

2017年，华中南部和华东的排放份额分别达到27.7% 和21.6%，而广东和辽宁等高排放省份的排放份额分别下降了5.8% 和6.3%。各省之间的排放差距在2010年之前有所增加，然后逐渐趋于稳定。在国家层面上，2015年至2017年间，中国畜牧业生产产生的N₂O排放量减少了4.7%。在省一级，大多数省份在这段时间内 N₂O 排放量减少。排放增加的区域集中在浙江、安徽、福建、云南和陕西省 黑龙江、湖北、西藏、青海和台湾省的排放增加较少。

N₂O 排放量时间变化的驱动因素

利用多元回归分析不同驱动因素对 N₂O 排放的影响，结果显示：各解释变量(人口、膳食选择、城市化率和工业生产系统畜牧业百分比）的回归系数是显著的，组合R²值为0.936（p < 0.001），说明拟合优度具有良好的可靠性。

从1978年到2017年，中国人口以每年1.1%的速度增长，对应N₂O排放量每年增长1.3%，对N₂O排放量的年变化贡献了33.5%。人口对N₂O排放量的年度变化具有最大的潜在影响。在研究期间，工业生产系统中畜牧业的百分比比其他因素增加得更快（平均每年5.2%） ，对 N₂O 排放量的变化作出了14.8%的贡献。

中国人的饮食结构已经包括了更多的动物蛋白，动物产品在食品总消费量中的比例以每年4.7%的速度增长。这种饮食选择的转变与畜牧生产中的 N₂O排放量相关，导致 N₂O 排放量每年增加1.1% ，对 N₂O 排放量的年变化贡献了27.1%。

在研究时期内，城市化率每年增长2.7%，占模型中 N₂O 排放量变化的18.3%。研究者还研究了四个选定的个别因素对中国东北等热点地区 N₂O 排放的贡献，这些热点地区也被指定为增加畜牧业生产的潜在关键地区。研究发现，工业生产系统中畜牧业的百分比是增加 N₂O排放的最重要因素，在1978年至2017年间，它占 N₂O排放总量变化的35.4%。城市化率的变化导致人为 N₂O排放量每年增加1.6% ，贡献率为4.0%。饮食选择和人口对 N₂O 排放的贡献介于上述两个因素之间，分别占 N₂O 排放年变化的23.8% 和25.8%。

研究者进一步分析了这四个社会经济因素在不同时期对中国畜牧业生产 N₂O 排放量变化的贡献（图3）。1996年以前，城市化率是 N₂O 排放增加的主要驱动力，达37.0% (图3，蓝色条）。1996年至2017年间，中国畜牧业生产产生的 N₂O 排放量增加了51.9% ，主要是工业生产系统中畜牧业的百分比(图3，橙条），如果没有其他因素，这将导致1996-2006年和2006-2017年期间的排放量分别增加15.5% 和9.2%。从2006年到2017年，其他因素(例如，最新的政策干预和实际的技术采用）是抵消中国 N₂O 排放的最强有力的因素(图3，紫色条）。

图3 每个条的长度反映了每个驱动因素对相应期间 N₂O 排放量变化的贡献。其他因素可能包括最新的政策干预措施（例如1978-1996年度的“菜篮子”工程、1996-2006年度的禽畜饲养污染物排放标准、2006-2017年度的禽畜大规模饲养污染防治规例）和实际的技术应用。

预计减排和减排成本

研究者计算了在BAU情景和四个替代技术缓解情景(包括低粗蛋白饲料LCP、厌氧消化AD、堆肥和厌氧消化+堆肥，分别是情景S1，S2，S3，S4)下，到2030年 N₂O 的缓解潜力。

根据2030的BAU情景，N₂O 排放量为519.8 Gg N₂O yr^-1。在四种减缓情景下，为畜牧业生产实施 N₂O 减缓的费用约为55亿至60亿美元，占中国2030年预计国内生产总值的0.017-0.019%。

图4 a: 不同情景下牲畜类别的一氧化二氮排放量。S1代表 LCP 饲料，S2代表 AD，S3代表堆肥，S4代表 AD 和堆肥的组合。b: 根据表2中的数据，中国畜牧业生产产生的 N₂O 排放的边际减少成本曲线。Y 轴显示特定减缓备选方案引起的累计减排成本，X轴显示累计 N₂O 排放减排。蓝点表示引入特定的减缓方案，只显示具有实质缓解潜力（> 1Gg N₂O）的措施。插图显示了13.0千兆克 N₂O 的缓解可能通过 AD 和堆肥的负成本获得。

结果表明，中国养猪业的 N₂O 减排潜力最大，为8-36Gg N₂O，其次是养牛业（3ー13 Gg N₂O）和家禽养殖业（7ー10 Gg N₂O）。此外，情景2（19%）和情景4（26%）下奶牛 N₂O潜在减排量最大，情景3（17%）下家禽N₂O排放的潜在减排量最大。

在施肥阶段，情景2、3、4下的 N₂O 排放量与BAU 情景相比，分别增加了2.9% 、2.6% 和6.3%。奶牛生产的单位消减成本最高（每年每头牲畜13.4美元至17.9美元），而绵羊和山羊的单位消减成本仅为每年每头牲畜6.8美元至7.3美元。农业耕作方法、牲畜饲料和消化率方面的固有差异导致了四种减排情景在牲畜类别中单位减排成本方面的显著差异。猪的总减排成本最高（22.7亿美元至25亿美元），其次是家禽养殖（22.7亿美元至23.1亿美元）和其他养牛业（4.3亿美元至6亿美元）。

实现 N₂O 减排目标需要有效的战略。边际减排成本（MAC）是一个重要因素，它可以洞察减排的经济成本与潜力，并在确定战略优先顺序时支持进一步的决策。研究结果显示，畜牧业生产的平均减排潜力为178Gg N₂O，总成本为130亿美元（图4b）。对于畜牧业生产，通过厌氧消化和堆肥可以以负成本（节省成本）获得13.0 Gg 的N₂O减排量。下一次增量减排的执行费用，即6.1 Gg N₂O，可由这些节余支付。

厌氧消化和堆肥（S4）相结合能够消除70.9 Gg的N₂O排放，耗资33亿美元。厌氧消化（S2）可以减少 N₂O 排放42.4Gg，成本为69亿美元。在假设情景S1（低粗蛋白饲料）中，2030年的N₂O估计排放量比BAU情景中的排放量低41.7Gg，而且是以最低的减排成本（9亿美元）实现的。只堆肥（S3）的减排量最低（23.1Gg N₂O），成本为19亿美元。

以低粗蛋白饲料、厌氧消化、堆肥和厌氧消化+堆肥的综合措施为例， N₂O排放的热点地区(辽宁、黑龙江、河北、河南、湖南和山东） 在实施这些措施后具有最大的减排潜力的。研究还发现综合方案（S4）在减少 N₂O 排放方面取得了协同效应（Synergistic Effects），大于单独措施（S2和S3）的效果。如果只针对特定的排放源，那么不仅从上面讨论的经济成本角度，还是从减排潜力的角度来看，针对猪的堆肥都是最有效的（尽管其费用高昂）。此外，用于奶牛和家禽的低粗蛋白饲料可以非常有效地减少N₂O的排放，而且平均减排成本分别为每千克N₂O 7.1美元和9.0美元。

启示与思考

最开始看这篇文章只是因为本研中涉及了N₂O，想要具体了解一下我国N₂O的排放量以及来源，但里面有更多值得学习与借鉴的内容。

一方面是使用了回归的模型对驱动力进行了分解（STIRPAT模型），从不同角度剖析了排放的原因，另一方面则是在问题分析过程中引入了边际减排成本的概念，正好也可以与目前针对生物质能成本曲线的研究相对应。

对模型方法与情景设置感兴趣的读者可以阅读文献原文~

编辑&排版：房晨

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