Сельскохозяйственная биология, 2008, № 6, с. 59-65.

УДК 636:547.211:504.7

ОЦЕНКА ОБЪЕМОВ АНТРОПОГЕННОЙ ЭМИССИИ МЕТАНА В ЖИВОТНОВОДСТВЕ РОССИИ

А.А. РОМАНОВСКАЯ

Разработали методику расчета коэффициентов удельной эмиссии метана (СН₄) при кишечной ферментации у коров и других категорий крупного рогатого скота (КРС), а также коэффициентов выброса от систем хранения навоза для КРС и свиней на основе ежегодных статистических данных о потреблении животными разных видов кормов. Рассчитана ежегодная эмиссия СН₄ в животноводстве Российской Федерации за 1990-2004 годы.

Ключевые слова: метан, парниковые газы, животноводство, кишечная ферментация, эмиссии от навоза.

Метан (СН₄) — один из основных парниковых газов, способных воздействовать на перераспределение солнечной энергии в атмосфере Земли. В настоящее время величина мировой антропогенной эмиссии метана составляет около 350 млрд т/год, из которых 20 % приходится на выбросы от сельского хозяйства, в первую очередь от животноводства (1). Согласно рамочной Конвенции ООН об изменении климата (2) и Киотскому протоколу к ней (3), ратифицированным Российской Федерацией, следует проводить ежегодную инвентаризацию антропогенных выбросов парниковых газов во всех секторах экономики страны. На сегодняшний день предпринято несколько попыток оценить эмиссию метана от животноводческого сектора на территории России (4-8). Общий недостаток таких оценок — использование средних по стране коэффициентов удельной эмиссии на 1 гол. без учета специфики содержания и кормления животных разных видов и половозрастных групп. В то же время состав и особенности усвоения кормов влияют на интенсивность ферментативных процессов в пищеварительном тракте и величину непродуктивных потерь валовой энергии корма с кишечными газами (9-12).

Оценить энергетическую питательность кормов можно по обменной (физиологически полезной) энергии (сумме чистой энергии, идущей на удовлетворение потребностей животного, и затрат на усвоение питательных веществ) или исключительно по чистой энергии, получаемой из корма (МДж). Данная система распространена за рубежом (9) и рекомендуется Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) при расчете коэффициентов удельной эмиссии метана в животноводстве (13). В России в настоящее время используют оценку энергетической питательности кормов и рационов по обменной энергии, единицей измерения которой служит энергетическая кормовая единица (ЭКЕ) (14). Однако в ежегодной статистической отчетности Росстата применяют систему оценки по кормовым единицам (15), характеризующим  сумму всех переваримых веществ корма, которые оказывают полезное действие на продуктивность животного (12).

Для наиболее точной инвентаризации выброса метана в животноводстве необходимо использовать национальные статистические данные по питательности кормов и адаптировать международную методику МГЭИК. Анализ полученных ранее результатов (5, 7, 8) свидетельствует, что в России до 90 % выброса СН₄ от кишечной ферментации производится поголовьем крупного рогатого скота (КРС), а в выброс метана от систем хранения навоза существенный вклад вносят отходы свиноводческих ферм. Поэтому уточненную методологию расчета коэффициентов удельной эмиссии метана целесообразно разрабатывать именно для этих видов животных.

Целью настоящих исследований была разработка национальной методики расчета коэффициентов удельной эмиссии метана от кишечной ферментации и систем сбора и хранения навоза для коров, других категорий крупного рогатого скота и свиней, а также оценка выброса метана в животноводстве России за 1990-2004 годы.

Методика. Эмиссию метана от внутренней ферментации и от систем сбора и хранения навоза оценивали у основных видов сельскохозяйственных животных: КРС, свиней, овец, коз, мулов, ослов, лошадей, верблюдов, кроликов, северных оленей, лис, песцов, норок, нутрий и разных видов птицы. Данные об их численности за 1990-2004 годы взяты из отчетных материалов и официальных статистических изданий Росстата (15-19). Поголовье коз рассчитывали, используя сведения о численности овец и общем поголовье овец и коз во всех категориях хозяйств. Численность коз в 1990 году получена методом интерполяции на основе данных об их поголовье в 1986 и 1991 годах. Аналогично рассчитывали поголовье кроликов в 1990 году. Соотношение подкатегорий птицы (мясные куры и петухи, куры-несушки, цыплята, гуси, гусята, другая птица — взрослая и молодняк) во всех хозяйствах было принято равным их соотношению на сельскохозяйственных предприятиях.

Коэффициенты удельной эмиссии метана от кишечной ферментации для КРС и от систем сбора, хранения и использования навоза для КРС и свиней рассчитывали по следующим уравнениям (13):
EF = (GE•Ym)/55,65;
VS = [GE•(1 – DE/100) + UE•GE]•(1 – ASH)/18,4;
EFMMS = VS•Bo•0,67•Σ(MCF•MS),
где EF — коэффициент эмиссии метана от внутренней ферментации, кг СН₄•гол^–1•год^–1; GE — валовая энергия, МДж•гол^–1•год^–1; Ym — коэффициент преобразования СН4, фракция валовой энергии (0,06 для КРС); VS — выделение летучего вещества в пересчете на сухое, кг/год; DE — коэффициент перевариваемости корма, %; UE — потери энергии с мочой, фракция валовой энергии (0,04 для КРС и 0,02 для свиней); ASH — содержание золы в сухом веществе навоза (8 %); EFMMS — коэффициент эмиссии метана от систем сбора и хранения навоза, кг СН₄•гол^–1•год^–1; Bo — максимальный потенциал выброса СН₄ от навоза (0,24; 0,17 и 0,45 соответственно для навоза коров, другого поголовья КРС и свиней); MCF — коэффициенты пересчета СН₄ для разных систем сбора, хранения и использования навоза (жидкие системы, хранение в твердом виде и пастбища — соответственно 20; 2 и 1 %); MS — фракция навоза, содержащаяся в определенной системе сбора и хранения.
В связи с тем, что вклад эмиссии от внутренней ферментации свиней в общую эмиссию метана незначителен, а коэффициент Ym для этих животных отсутствует, мы использовали в расчетах коэффициент EF, рекомендуемый МГЭИК (13). Коэффициент выбросов метана от внутренней ферментации для северных оленей вычисляли как среднее между коэффициентами, использованными при проведении инвентаризаций в Финляндии, Норвегии и Швеции — соответственно 8,85; 11 и 7,7 кг CH₄•гол^–1•год^–1 (20-22). Коэффициенты эмиссии метана от систем сбора и хранения навоза для северных оленей и от внутренней ферментации для пушных зверей принимали равными значениям, использованным при инвентаризации парниковых газов в Норвегии (21), а от внутренней ферментации для кроликов — значениям, использованным в Португалии (23). Коэффициенты эмиссии от систем сбора и хранения отходов жизнедеятельности для разных подкатегорий птицы, пушных зверей и кроликов были взяты из других источников литературы (24-27). Расчет эмиссии СН₄ от всех остальных видов животных и птицы выполняли в соответствии с коэффициентами, рекомендуемыми МГЭИК для развитых стран Восточной Европы, расположенных в регионе с холодным климатом (13).

Для оценки валовой энергии кормов, потребляемой в расчете на 1 гол. в год, использовали ежегодные статистические данные по расходу разных видов кормов (концентраты, комбикорма, грубые и сочные корма) в кормовых единицах. Расход пастбищных кормов для коров и другого КРС и животных кормов для свиней вычисляли как разницу между общим количеством  кормов, потребленных за год, и суммой расходов известных видов кормов. На основе полученного соотношения разных видов кормов в годовом рационе и статистических данных по суммарному расходу кормов на 1 гол. животного определяли годовое потребление каждого вида корма на 1 гол.

Перевод потребления энергии из кормовых единиц в МДж осуществляли на основании оценки общего количества сухого вещества в кормах, потребленных за год животными. Расчет коэффициентов среднего содержания кормовых единиц в 1 кг сухого вещества и коэффициентов перевариваемости для разных видов кормов выполняли по данным справочной литературы (28). Для КРС и свиней эти коэффициенты рассчитывали отдельно. Проанализировано 317 кормов из рациона свиней и 443 — из рациона КРС. Используя полученные пересчетные коэффициенты и среднее содержание валовой энергии в 1 кг сухого вещества кормов (18,4 МДж) (13), рассчитывали ежегодные значения валовой энергии потребляемых кормов для коров, другого поголовья КРС и свиней.

Количество навоза, остающееся на местах летнего выпаса КРС, определяли, исходя из допущения, что животные получали пастбищные корма только на местах выпаса, и доля этих кормов в рационе соответствовала доле годового времени, проведенного на пастбищах. Помимо пастбищ, навоз КРС хранился в жидких системах (при стойловом содержании молодых животных на откорме) и твердом виде, между которыми распределялась оставшаяся величина в соотношении соответственно для КРС – 6,4:76,4 %; для свиней —  23,9:76,1 % (29).

Результаты. Коэффициент выбросов метана от внутренней ферментации для северных оленей, рассчитанный нами, и коэффициенты удельной эмиссии метана от внутренней ферментации и систем сбора и хранения навоза для других животных, взятые из источников литературы, приведены в таблице 1. В таблице 2 представлен пример расчета валовой энергии и коэффициентов переваримости кормов, потребленных разными категориями КРС и свиньями, за 2004 год.

Рассчитанные коэффициенты удельной эмиссии метана от кишечной ферментации для коров и других категорий КРС, а также коэффициенты от систем сбора и хранения навоза для коров, другого КРС и свиней приведены в таблице 3. Для коров они оказались достаточно высокими при сравнительно низких надоях молока, по-видимому, вследствие наличия в рационах значительного количества грубого корма, потребление которого может снижать отношение обменной энергии к валовой и, соответственно, увеличивать потери с СН₄. В течение 1990-2004 годов изменение рассчитанных коэффициентов эмиссии метана от внутренней ферментации у коров положительно коррелировало с надоями молока (r = 0,81) (рис. 1).

C 2001 года наметилась тенденция увеличения надоев молока без значительного роста выбросов СН₄, что можно объяснить несколькими причинами. По сравнению с серединой 1990-х годов улучшились условия содержания животных, уменьшился процент яловых коров в общем поголовье молочного скота. В то же время доля поголовья КРС, содержащегося в фермерских и частных хозяйств, где идет тщательный отбор высокопродуктивных коров, за 1990-2004 годы увеличилась с 17,3 до 47,3 % от общего поголовья в стране (15-19). Повышение эффективности использования энергии корма не связано с изменением рационов, так как доля концентратов и комбикормов в них к 2004 году сократилась, грубых кормов — увеличилась на 5 % по сравнению с 1990 годом.

Национальные коэффициенты эмиссии метана от систем сбора и хранения навоза для исследованных категорий животных (см. табл. 3) были несколько ниже предложенных для коров,  других категорий КРС и свиней (соответственно 6; 4 и 4 кг СН₄•гол^–1•год^–1), (13). Такая разница обусловлена преобладанием в России систем хранения навоза в твердом виде, которые характеризуются более слабыми выбросами метана по сравнению с анаэробными и жидкими системами хранения, распространенными в западных странах.

В разработанной методике величина коэффициентов удельной эмиссии метана для КРС и свиней зависит от состава и норм годовых рационов животных, что позволяет учитывать любые изменения в кормлении, а также оценивать рационы с точки зрения получения максимальной продуктивности при минимальном выбросе СН₄. Увеличение доли кормов с высокими коэффициентами перевариваемости (концентратов, комбикормов) позволит снизить эмиссию метана, подбор рационов с более высокой концентрацией энергии в 1 кг сухого вещества корма — повысить продуктивность (11). Содержание меньшего поголовья высокопродуктивных животных выгодно как с экономической, так и с экологической точки зрения. Следовательно, в России есть значительный потенциал снижения выброса метана в животноводстве с одновременным наращиванием объемов продукции при некоторой смене рациона животных и общей интенсификации производства.

На основании полученных коэффициентов удельной эмиссии метана и данных по численности всех рассматриваемых видов животных и птицы была рассчитана общая эмиссия СН₄ в животноводстве России за 1990-2004 годы (рис. 2).

Интенсивность суммарной эмиссии метана в животноводстве определялась преимущественно процессами внутренней ферментации у животных, вклад навоза и птичьего помета был менее значителен. Так, в 1990 году общая антропогенная эмиссия CH₄ в животноводстве составила 4865 тыс. т, из которых 4512 тыс. т образованы внутренней ферментацией и 353 тыс. т — системами сбора и хранения отходов жизнедеятельности (навоз, помет). В течение последующих лет выбросы снижались и в 2004 году не превышали 44 % от уровня 1990 года (1979,7 тыс. т СН₄ — кишечная ферментация, 164,9 тыс. т — навоз и помет). Cокращение выброса метана было обусловлено резким уменьшением поголовья животных и птицы в результате спада производства в агропромышленном комплексе.

Точность расчета эмиссии метана в животноводстве Российской Федерации оценена по методу Монте-Карло (30): ее величина составила ±12 % (доверительный интервал 95 %). Неопределенность расчета с использованием коэффициентов, рекомендованных МГЭИК, для всех сельскохозяйственных животных равнялась ±30 % (13).

Таким образом, разработка национальных коэффициентов удельной эмиссии метана от кишечной ферментации и систем сбора и хранения навоза для коров, других категорий крупного рогатого скота и свиней позволила уточнить общие оценки эмиссии парниковых газов в животноводстве Российской Федерации.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Climate change 2001. IPCC 2001. Synthesis Report of the IPCC Third assessment report. United Kingdom and New York. Cambridge, 2001.
2. UN Framework Convention on Climate Change. UN, UNEP/IUC, 1998.
3. Киотский протокол к Конвенции об изменении климата. UN-FCCC, UNEP/IUC, 1998.
4. П е р е м я т о в а  Н.А. Актуальные проблемы охраны природы и радиоэкологической безопасности. М., 1992.
5. А р т е м о в  В.М.,  Н а х у т и н  А.И. Эмиссия метана в животноводстве на территории России в течение 125 лет. Докл. РАСХН, 2000, 1: 24-27.
6. К о з ь м и н  Г.В.,  Г о н ч а р и к  Н.В.,  А л е к с а х и н  Р.М. и др. Эмиссия углекислого газа в животноводстве на территории Российской Федерации. Докл. РАСХН, 1998, 2: 42-44.
7. Р о м а н о в с к а я  А.А. Эмиссии парниковых газов в аграрном секторе России. В сб.: Использование и охрана природных ресурсов в России. М., 2003, 7-8: 65-70.
8. R o m a n o v s k a y a  A.A. GHG fluxes from agriculture and land-use change in Russia. In:  Proc. Workshop on agricultural air quality: state of the science. Potomac, Maryland, USA, 2006: 1059-1069.
9. Б а к а н о в  В.Н.,  М е н ь к и н  В.К. Кормление сельскохозяйственных животных. М, 1989.
10. Б о г д а н о в  Г.А. Кормление сельскохозяйственных животных. М, 1990.
11. Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных. Справ. пос. 3-е изд., перераб. и доп. /Под ред. А.П. Калашникова, В.И. Фисинина, В.В. Щеглова и др. М., 2003.
12. Использование питательных веществ жвачными животными. Пер. с нем. Н.С. Гельман. /Под ред. А.М. Холманова. М, 1978.
13. Good practice guidance and uncertainty management in national greenhouse gas inventories. IPCC-IGES-OECD-IEA, Japan, Tsukuba, 2000.
14. П о п о в  В.В. Об «энергетической кормовой единице». Кормопроизводство, 2006, 6: 31-32.
15. Сельское хозяйство, охота и лесоводство в России. Стат. сборник. М, 2004.
16. Сельское хозяйство в России. Стат. сборник. М, 1995.
17. Сельское хозяйство в России. Стат. сборник. М, 1998.
18. Сельское хозяйство в России. Стат. сборник. М, 2000.
19. Сельское хозяйство в России. Стат. сборник. М, 2002.
20. Greenhouse gas emissions in Finland 1990-2002. National inventory report. Finland, Helsinki, 2004.
21. National inventory report 2004. Norway, Oslo, 2004.
22. Sweden’s national inventory report 2004. Sweden, Stockholm, 2004 (www.naturvardsverket.se).
23. Portuguese national inventory report on greenhouse gases 1990-2002. Portugal, Lisbon, 2004.
24. USDA Agricultural waste management field handbook, National engineering handbook (NEH). Part 651. U.S. Depart. of Agricult., Natur. Resour. Conserv. Serv. USA, Washington, 1996.
25. H i l l  D.T. Design of digestion systems for maximum methane production. Transactions of the ASAE, 1982, 25(1): 226-230.
26. H i l l  D.T. Methane productivity of the major animal types. Transactions of the ASAE, 1984, 27(2): 530-540.
27. ASAE Standards. 46th Edition. American Society of Agricultural Engineers. USA, St. Joseph, 1999.
28. Кормовые нормы и состав кормов. Справ. пос. /Под ред. А.П. Шпакова, В.К. Назарова, И.Л. Певзнера и др. Минск, 1991.
29. Г и т а р с к и й  М.Л.,  Л о д ж у н  Ж.Н.,  Н а х у т и н  А.И. и др. Эмиссия парниковых газов от сельскохозяйственных животных и птицы в аграрном секторе России. С.-х. биол., 2001, 6: 73-79.
30. M e t r o p o l i s  N.,  U l a m  S. The Monte Carlo method. J. Amer. Statist. Assoc., 1949, 44(247): 335-341.

ESTIMATION OF VOLUMES OF ANTHROPOGENIC EMISSIONS OF METHANE IN RUSSIAN ANIMAL HUSBANDRY

A.A. Romanovskaya

The procedure was developed for the calculations of the methane (СН₄) specific emission factor during intestinal fermentation in cows and others species of cattle and also the emission factors from dung storage for cattle and pigs on the basis of annual statistics about consumption by animals of different categories of forage. The annual emission of СН₄ in animal husbandry of Russian Federation for 1990-2004 years was calculated.

Key words: methane, greenhouse gases, husbandry, enteric fermentation, emissions from manure.

Оформление электронного оттиска