育肥猪舍甲烷排放浓度和排放通量的测试与分析_董红敏

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【导读】第 22卷 第 1期 2006年 1月 农 业 工 程 学 报 Tr ansactions of the CSAE V ol. 22  N o. 1Jan.   2006 育肥猪舍甲烷排放浓度和...

第 22卷 第 1期 2006年 1月 农 业 工 程 学 报

Tr ansactions of the CSAE V ol. 22  N o. 1Jan.   2006

育肥猪舍甲烷排放浓度和排放通量的测试与分析

董红敏 1, 朱志平 1, 陶秀萍 1, 尚   斌 1, 康国虎 1, 朱海生 1, 石   谊 2

(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 , 北京 100081;   2. 北京顺义区北郎中种猪场 , 北京 101301) 摘   要 :畜禽养殖是重要的温室气体 排放源 , 畜禽养殖的甲烷排放量受动物生长特性 、 粪便收集方式和气候条件的影响 。 为 了探讨 中国特有 的饲养管理 方式下育 肥猪舍温室 气体排放 规律 , 为 减少甲烷 排放提 供依据 , 该研 究在北 京选择 一典型 猪 场 , 对不同季节育肥舍 的甲烷排放浓度进 行了试验测定 , 从 2004年 5月至 2005年 3月 , 每 2个 月一次连续 采集 72~80h 甲烷浓度和相关数据 , 并根据二氧化碳平衡原理 , 对猪 场的甲烷排放量进行了估算 。 结果表明 :育肥猪舍内甲 烷浓度有明显 的 季节 性和日 变化特 性 , 2005年 1月 舍内甲 烷的平 均浓度 为 (22. 98±10. 52) mg /m3, 7月舍 内甲烷 浓度为 (2. 68±0. 68) mg /m3; 每日最低甲烷浓度出现在 9:00am ~17:00pm 时段 ; 冬季舍内二氧 化碳浓度明显偏高 , 夜间比允 许浓度高 1倍 ; 每 头 育肥猪 饲养期 间的甲 烷排放 量为 68. 10~207. 01mg /h,折合每 标准动 物单位 排放量 :436~1185mg /h·(500kg ) , 在 I PCC 推荐的发展中国家猪呼吸代谢甲烷排放 1. 0kg /(a ·头 ) 范围内 。 关键词 :甲烷 ; 猪舍 ; 温室气体 ; 排放 中图分类号 :X 16     文献标识码 :A      文章 编号 :1002-6819(2006) 01-0123-06董红敏 , 朱志平 , 陶秀萍 , 等 . 育肥猪舍甲烷排放浓度和排放通量 的测试与分析 [J ].农业工程学报 , 2006, 22(1):123-128. Do ng Ho ng min, Zhu Zhiping , Tao Xiuping , et al. M easurement a nd a nalysis of methane concentra tio n and flux emitted fr om finishing pig ho use [J ].T ra nsactio ns o f the CSA E , 2006, 22(1):123-128. (in Chinese with Eng lish abstrac t )

收稿日期 :2005-07-22  修订日期 :2005-10-14

基金项目 :“ 十五 ” 国家科技攻关项目 (2002B A514A06) 资助

作者简介 :董红敏 , 博士 , 研究员 , 博士生导师 , 北京中关村南大街 12号   中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 , 100081。 :@. . . cn 0  引   言

《 京都议定书 》 已于 2005年 2月 16日生效 , 国际社 会开始正式执行第一个规定了减少温室气体排放指标 的国际法律文书 。 甲烷 (Methane , CH 4) 是重要的温室 气体 。 尽管大气中甲烷浓度远低于 CO 2浓度 , 但近百年

来甲烷每年正以 0. 9%的速度持续增长 [1]

, 且甲烷增温 潜势是二氧化碳 (Carbon dioxide , CO 2) 的 21倍 , 甲烷 被认为是仅次于二氧化碳的第二大温室气体 。 畜禽养殖 是重要的温室气体排放源 , 主要涉及畜禽呼吸代谢 、 动 物废弃物管理 [2,3]。 目前有关研究主要集中在反刍动物 肠道发酵 、 畜禽废弃物处理过程中的温室气体排放研 究 [4-7], 对畜禽在舍内饲养过程中温室气体排放研究很 少 , 英国西尔索研究所的 Sneath , R 对水泡粪育肥舍和 肉鸡舍的温室气体排放进行了 14d 的连续测试 , 没有

考虑季节的影响 [8]

, Osada 测定了机械通风条件下猪的 排放 [9], 本文作者曾对妊娠猪舍进行过温室气体浓度测 试研究 [10], 由于不同畜舍猪的生长状况和清粪方式不 同 , 温室气体的浓度也不同 。 因此 , 针对不同季节 、 不同 清粪方式和饲养模式进行温室气体测试和研究十分必 要 。

随着中国畜牧业的迅速发展 , 畜禽养殖数量在急剧 增加 , 根据联合国粮农组织的数据统计表明 , 中国猪的 存栏量占全世界的近 50%。 在集约化饲养的猪舍 , 猪本 身的呼吸和舍内粪便会排放大量的温室气体 , 了解和控

制猪舍温室气体排放对减轻全球气候变暖压力有着非

常重要的意义 。 本文通过在实际猪场甲烷气体排放相关 数据的一整年测定 , 了解中国典型的育肥猪舍甲烷浓度 的变化规律 , 初步定量育肥猪的甲烷排放通量 。

1  试验材料与方法

1. 1  试验设施

本试验在北京市顺义区北郎中种猪场的育肥猪舍 进行 , 育肥猪舍为有窗式猪舍 , 长 50m 、 宽 8m 、 檐口高 度 2. 4m , 猪舍东西走向 。 猪舍南墙设有 3m ×1. 5m 的 窗户 、 窗间墙距离为 0. 3m , 北墙窗户尺寸为 0. 8m ×1. 0m 、 窗间墙距离为 3m , 南北墙的窗台高度均为 1m; 舍内 沿南北墙分别 布置两列猪栏 , 中间 为 1m 宽的过 道 , 每侧分列栏位 16个 , 每个栏位尺寸为 3m ×3. 5m , 漏缝地板宽为 0. 5m 。 1. 2  猪的饲养方式

育肥猪饲养时间为 65日龄到 180日龄共 115d, 进 舍体重 25kg , 出栏时体重为 80~90kg 。 育肥猪饲养采 用饮水器自由饮水 , 料槽采食 , 日采 食量从 65日龄的 0. 7kg /头 逐步提高到 180日龄的 2. 5kg /头 。 各期试验 育肥猪基本情况如表 1。

表 1  各期试验育肥猪基本情况

Table 1  Basic info rmation about finishing

pigs in differ ent periods

时间 /年 -月 2004-052004-072004-092004-112005-012005-03猪只数 11518622590261101日龄 /d8011075145133150采食量

/kg·(头 ·日 ) -1

1. 31. 81. 52. 52. 22. 2平均体重 /kg

42

55

45

85

75

90

123

 

1. 3  猪舍的环境管理

该猪舍采用典型的中国式环境管理模式 。 人工清 粪 , 每天早 9:00及下午 4:00饲养员将粪便清除并直接 送到堆粪场 , 猪的尿液和饮水器漏水通过两侧漏缝地板 下的排粪沟及时排出舍外 , 不在舍内存留 。

猪舍为自然通风 。 夏季 , 南墙与北墙上的窗户全部 打开 , 通过热压和风压形成自然通风 ; 冬季即每年 11月 至次年 3月 , 猪舍的南北墙窗户基本处于关闭状态 , 仅 在中午温度较高时段开启南墙窗户换气 1~2h 。 春秋 季节即每年 9月至 11月以及 3月 ~5月份 , 北墙上的 窗户关闭 , 南墙上的窗户保持开启状态 。

1. 4  样品采集与分析

为了测定育肥猪舍中甲烷排放通量 , 首先需要测定 育肥猪舍内的甲烷浓度以及舍外的甲烷浓度 , 并通过通 风量计算育肥猪舍的甲烷排放通量 。 由于该试验舍采用 自然通风 , 通风量根据二氧化碳平衡法计算 , 因此采集 的猪舍内外的气体样品 , 需要同时分析甲烷浓度和二氧 化碳浓度 。

试验在 2004年 5月至 2005年 3月进行 , 试验期间 分别在 2004年 5月 、 2004年 7月 、 2004年 9月 、 2004年 11月 、 2005年 1月 、 2005年 3月进行为期 3~4d 的 连续测试 , 采样频率为每两小时 1次 , 每次采集的气体 样品直接采入已经用高纯氮气清洗后并抽真空的采气 袋中 , 采气袋材料为多层复合铝箔 、 体积为 1L , 采样点 为育肥猪舍的中心 , 采气高度为猪饲养高度即离地面 0. 3m , 每次采集 2个样品 。 考虑到周围大气浓度基本 稳定 , 每日只取一个气样作为参照 。

采集的气体样品及时运回中国农科院农业环境与 可 持 续 发 展 研 究 所 实 验 室 进 行 分 析 , 分 析 仪 器 为 HP6890气相色谱仪 , 仪器参数见表 2。 甲烷和二氧化碳 分析都采用氢火焰检测器 (FID) , 但 FID 不能直接分析 二氧化碳 , 而是先将二氧化碳通过镍触媒转化器 , 经氢 气转化成甲烷后被 FID 检测 。 在测定过程中每天用标 准气体进行标定 , 标准气体由国家标准物质中心提供 , 甲烷标气浓度分别为 1. 79. 8μL /L和 9. 8μL /L,二氧 化碳标气浓度分别为 310和 740μL /L。

, 但采样高度离地面 1. 5m, 温度和湿度测定 仪 器 为 Ho bo Pro T /RH(Onset Com puter Corpora-tio n, U. S. A. ) , 采样频率是每小时 1次 。

表 2  气体气相色谱仪参数设定

Table 2  GC set s para meter s fo r g as ana ly sis

气体 检测器 检测器温度 /℃ 分析柱类型 分析柱长度 /m分析柱温度 /℃ 载气 载气流量 /mL·m -1 C H 4FID 200PQ 填充柱 3. 070高纯氮气 35

CO 2FID 200PQ 填充柱 2. 070高纯氮气 10

2  甲烷排放通量的计算

甲烷排放通量指单位时间内单个动物的甲烷排放

速率 。 根据二氧化碳平衡法 , 甲烷排放通量计算公式为

Q C H

4

=V ×(C e , C H

4

-C I , C H

4

) ÷n (1)

式 中   Q C H

4

— — 单位 时间 内每 头猪 甲烷 排 放通 量 ,

m g /(h头 ); V —— 猪舍通风量 , m 3/h;n —— 猪舍中

饲 养猪的头数 , 头 ; C e , C H

4

, C i , C H

4

—— 分别为猪舍进排

气口的甲烷浓度 , mg /m3。

猪舍通风量则通过二氧化碳平衡法进行计算 。 其基

本计算公式如下所示

V =(2)

式中   V CO

2

—— 单位时间内猪舍内二氧化碳产生量 ,

m 3/h;C e , C O

2

, C i , CO

2

—— 分别为猪舍进排气口的二氧化

碳浓度 , mg /m3; d C O

2

—— 二氧化碳密度 , 1. 977kg /m3。

根据国际农业工程师协会 [11], 以及 Va n Ouw erk-

erk and Pedersen 研究结果 [12,13], 当呼吸商为 1. 0~1. 2

时 , 动物 产生 一个热 量单 位 (1hpu=1000w ) 可产 生

0. 17~0. 20m 3/h的二氧化碳 , 且因粪便 、 垫料 、 饲料等

分解产生的二氧化碳量不超过二氧化碳总量的 4%, 推

荐的二氧化碳产生量计算公式 [11]:

V CO

2

=

(3) 式中   T HP —— 单位时间 内猪代谢产热 量 , W /头 ; f c —— 由于动物活动产生的热量变化系数 ; RQ —— 猪 的呼吸商 , 具体数据见表 3; K m , C O

2

—— 猪舍内粪便 、 垫 料 、 饲料等分解产生的二氧化碳修正系数 , 根据国外的 研究结果 [12], K m , C O

2

=1. 04; T i —— 环境温度 , ℃。 采用国际农业工程师协会 (CIGR) 推荐的育肥猪 代谢产热量计算公式 [11]计算猪的产热量

T H P =[5.09W 0. 75+[1-(0. 47+0. 003W ) ] (m ×5. 09W 0. 75-5. 09W 0. 75) ]×K t , T HP (4) 式中   W —— 猪的体重 , kg; m —— 动物采食能量与维 持 能 量 的 相 关 系 数 , m 与 动 物 体 重 有 关 , 如 表 4; K t , T HP —— 环境温度影响猪产热的修正系数 。

K t , T HP =12×10-3×(20-T i ) +1(5)

f c =1-a ×

12

(t +6-t min ) (6) 式中   t —— 一天 24h 中的时刻 ; t min —— 猪活动量最 小的时间段 , h; a —— 二氧化碳浓度变化的振幅 , 最大 为 0. 2, 在本试验中由于缺乏动物活动数据 , 假定猪只 活动量基本不变 , 取 f c =1。

124农业工程学报 2006年  

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Measurement and analysis of methane concentration and flux emitted from finishing pig house

Dong H ongmin 1, Zhu Zhiping 1, Tao Xiuping 1, Shang Bin 1, Kang Guohu 1, Zhu H aisheng 1, Shi Yi 2

(1. Institute of Env ironment and Sustainable Development in Agriculture , Chinese Academy of

Agricultural Sciences , Beijing 100081, China ;   2. Bei L ang Zhong Pig Farm , Beijing 101301, China )

Abstract :Methane(CH 4) emissions from animal breeding has becom e a concern. The co ncentratio n and emissions per animal species are affected by animal cha racteristics, ho using type a nd manure collection ma nagement as w ell as the climate. To inv estig ate CH 4emissions from finishing pig s appro priate for China manag ement metho d and climate situa tio n, the C H 4concentra tion and related informa tion w ere m easured in Beijing during 2004~2005, six data co llectio n periods, 72~80ho urs each w ere scheduled thro ugh one year and fo ur measurement seasons. The emission per pig was estim ated based o n ventila tion rates which w as calculated by a pplicatio n of ca rbo n dioxide m ass balance method. The CH 4co ncentra tio n and emissio ns v aried diurna lly and seaso nally. M ean C H 4concentra-tion values were (22. 68±10. 52) mg /m3in January, (2. 68±0. 68) mg /m3in July. M ea n metha ne concentra tio n w as low er betw een 9:00am ~17:00pm, w hich was g reatly related to tempera ture a nd v entila tio n rate. CH 4emis-sio n from pig house va ried betw een 68. 10~207. 01mg /hper animal o r 436~1185mg /h(500kg ) liv e w eight. Key words :methane ; pig house; greenhouse g as; emissio n

128农业工程学报 2006年  

 

表 3  不同体重猪呼吸商推荐值

Table 3  Sugg ested respira tor y quo tients (RQ ) fo r

heat pr oduction estima tion

体重 /kg

饲料采食水平

高 20~500. 981. 0550~110

1. 02

1. 14

  注 :资料来源 :Ouw erkerk, 1994[12]。

表 4  CIG R 动物 产热计算公式系数

Ta ble 4  Co efficients used in the CIGR heat

pr oduction equa tions

体重 /kg

m 24. 1203. 0303. 4290

2. 65

  注 :资料来源 :CIGR 2002[11]。

3  结果分析与讨论

3. 1  育肥舍甲烷和二氧化碳浓度的季节变化

在饲养管理方式一定条件下 , 育肥舍甲烷浓度取决 于温度和舍内饲养的猪的头数 。 图 1表示了舍内甲烷和 二氧化碳浓度随舍外温度和不同月份的变化 。 温度较高 的季节 , 特别是夏季 , 为了降低舍内 温度 , 猪舍窗户常 开 , 通风量加大 , 舍内气体浓度较低且相对稳定 ; 舍外温 度较低的月份 , 特别是冬季 , 为了保持舍内温度 , 仅在温 度较高的中午通风换气 , 舍内气体浓度高且变化大 。 从 表 5可以看出 , 2004年 7月舍内甲烷的平均浓度和最 高浓度分别为 (2. 68±0. 68) mg /m3、 4. 41mg /m3, 相应 的二氧化碳的平均浓度和最高浓度分别为 (1330±219) mg /m3、 1818mg /m3; 2005年 1月舍内甲烷的平均浓度

和 最 高 浓 度 分 别 为 (22. 98±10. 52) mg /m3

、 36. 49

mg /m 3

, 1月份舍内的二氧化碳的平均浓度和最高浓度 分别为 (9533±3573) mg /m 3、 15469mg /m 3

图 1  不 同月份育肥舍内甲烷和二氧化碳浓度变化

Fig. 1  V a ria tio ns of m etha ne a nd ca rbo n diox ide co ncentra tio n o f finishing ho use

125

  第 1期 董红敏等 :育肥猪舍甲烷排放浓度和排放通量的测试与分析

 

图 2  不同月份育肥 猪舍内甲烷和二氧化碳浓度日变化

Fig . 2  Daily v a ria tions of me tha ne and ca rbon diox ide concentra tio n in finishing building

3. 3  甲烷排放通量分析

猪舍内甲烷排放是动物本身代谢和舍内粪尿分解 的共同产物 , 不仅受动物体重 、 舍内温度 、 饲料及活动状 况影响 , 还受舍内粪尿清理和通风换气状况的影响 。 表 6列出了不同月份育肥猪舍内的甲烷排放量 , 各月份的 甲烷排放通量数值是测试期间 3~4d 的平均值 。 根据 计算 , 单个育肥猪的平均甲烷排放通量分别为 68. 10~

207. 01mg /(h ·头 ) , 如果按国际惯例折合成标准动物 单 位 (AU) 即 500kg 体重计算 , 其排放通 量为 436~ 1185mg /(h ·标 准动物单位 ) , 猪的 排放通量 变化很 大 , 该结果与 Osada 研究的猪甲烷排放通量结果 0. 05 ~0. 45g /(h ·头 ) 具有可比性 , 在 IPCC 推荐的发展中 国家猪呼吸代谢甲烷排放 1. 0kg /(a ·头 ) 范围内 。

表 6  育肥猪舍内饲养阶段甲烷排放通量

T able 6  Estimation of me tha ne emissio n flux of finishing pig s in building

时间 /年 -月 2004-052004-072004-092004-112005-012005-03动物体重 /kg425545857590

甲烷排放通量 /mg·(h·头 ) -1

最高 125. 76254. 28270. 10253. 19275. 47255. 56最低 10. 2672. 8691. 6690. 62108. 40114. 29平均 68. 10158. 83194. 72160. 48225. 00207. 01标准差 35. 6153. 8055. 2341. 5546. 4144. 68变异系数 52%34%28%26%21%22%

每动物单位排放量

/mg·(h·标准动物单位 ) -1

436. 48831. 531185. 00606. 17933. 48749. 11

4  结   论

本研究在对典型育肥猪舍进行为期一年 , 每 2个月 进行一次连续 72~80h 甲烷浓度和相关数据的采集测 试分析的基础上 , 得出以下结论 :

1) 育肥猪舍内甲烷和二氧化碳浓度有明显季节变 化 。 本试验条件下 :冬季 1月舍内甲烷的平均浓度 (22. 98±10. 52) m g /m3, 夏季 7月舍内甲烷浓度为 (2. 68±0. 68) mg /m3; 1月份 舍内 的二 氧化 碳的 平均 浓度 为 (9533±3573) mg /m3, 7月 二 氧 化 碳 的 平 均 浓 度 为 (1330±219) mg /m 3;

2) 舍内甲烷和二氧化碳浓度有明显日变化特征 , 在本试验条件下 , 9:00am ~17:00pm 时段内较低 , 1月份除 9:00am ~15:00pm 时段外舍内二氧化碳浓度 均超过 10000mg /m 3超过 CIGR 推荐的舍内有限量标 准近 1倍 ;

3) 根据二氧化碳平衡法估算 , 育肥猪饲养期间的 / 物单位 436~1185mg /h·(500kg ) , 在 IPCC 推荐的发 展中国家猪呼吸代谢甲烷排放 1. 0kg /(a ·头 ) 范围内 。

[参   考   文   献 ]

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  第 1期 董红敏等 :育肥猪舍甲烷排放浓度和排放通量的测试与分析

 

表 5  不同月份育肥舍气体浓度

Table 5  Ga s co ncentra tio ns o f finishing ho use in differ ent months

参   数

2004-052004-072004-092004-112005-012005-03甲烷

/mg·m -

3

最高

12. 634. 416. 259. 9536. 4914. 66最低

1. 321. 761. 931. 903. 681. 99平均 3. 302. 683. 304. 2222. 986. 50标准差 2. 070. 681. 061. 5210. 523. 08变异系数 63%25%32%36%46%47%二氧化碳 /mg·m -3

最高 3377181820485597154696695最低

8219301087153425011320平均 185513301476293095333677标准差

638

219

214

921

3573

1629

变异系数 34%16%15%31%37%44%温度 /℃ 最高 27. 530. 726. 018. 325. 020. 7最低

17. 923. 616. 811. 022. 07. 5平均 23. 027. 121. 413. 823. 613. 1标准差 2. 92. 22. 81. 91. 03. 8变异系数

12%

8%

13%

14%

4%

29%

3. 2  育肥舍甲烷浓度和二氧化碳浓度日变化

图 2分别表示不同月份舍内甲烷和二氧化碳浓度 日变化 , 该日变化是各测试期间 3~4d 各时间点的平 均值 。 无论是炎热的夏季还是寒冷的冬季 , 舍内甲烷和 二氧化碳浓度在 9:00am ~17:00pm 时段内较低 , 除 该时段内室外温度高通风量大外 , 由于采用人工清粪 , 残留在舍内的粪便较少 , 动物本身的呼吸代谢产生的气 体比例加大 , 温度较高 , 动物的代谢产热低也是造成浓 度低的原因之一 ; 17:00pm 至次日 7:00am , 由于关窗 等原因造成舍内和舍外空气交换量减小 , 舍内甲烷和二

氧 化碳 浓度较高 。 夏季舍内 二氧化碳 浓度能够 满足

CIGR 推荐的舍内浓度标准 (5893mg /m 3

) 。 冬季 1月份 舍内气体浓度明显偏高 , 1月份除 9:00am ~15:00pm

时段外舍内二氧化碳浓度均超过 10000mg /m3

, 21:00至 23:00时 二 氧 化 碳 浓 度 高 达 13000m g /m3超 过 CIGR 推荐限量标准 1倍 。 虽目前还没有关于舍内甲烷 浓度的限制标准 , 但过高的甲烷含量对猪也有一定危 害 。 建议猪场在冬季适当通风换气 , 以满足猪生长需要 的空气质量

126农业工程学报

2006年  

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