近百年来人类社会生产活动引起的温室气体排放是引起全球气候变暖的主要原因，其中CO₂对温室效应的贡献率最大，约占60%，是最重要的温室气体^[1]；其次是CH₄和N₂O，其增温潜能分别是CO₂的23倍和296倍^[2]，CH₄和N₂O对温室效应的贡献率分别约占15%^[3]和5%~6%^[4]。据联合国粮农组织（FAO）统计，畜禽养殖产生的温室气体占全球温室气体排放总量的18%^[5]。随着畜牧生产集约化、规模化程度不断的提高，畜禽养殖过程中温室气体的排放已引起高度关注。

起源于日本的发酵床养猪是基于控制畜禽粪便及污染排放的一种生态养殖模式。目前，国外已有不少专家对发酵床养猪过程中的温室气体排放情况进行了研究，Osada等^[6]测定了猪育肥阶段的CH₄、CO₂与N₂O的排放情况，Jeppsson^[7]研究了育肥猪舍CO₂、NH₃、水蒸气的日变化情况，Philippe等^[8]测定了发酵床和水泥漏缝地面猪舍的NH₃及温室气体排放情况；国内也有学者对育肥猪舍温室气体的排放^{[9, 10, 11]}以及猪粪自然堆放下含氮气体排放^[12]进行了研究，但对我国传统水泥地面猪舍的温室气体排放情况鲜有报道^[13]，发酵床和传统养殖方式温室气体排放的比较研究更为缺乏。本文以发酵床和传统水泥地面养殖猪舍为背景，研究不同类型猪舍温室气体含量变化及排放情况，为评价不同猪舍饲养环境以及控制温室气体排放提供依据。 1 试验材料与方法 1.1 试验设施

试验在江苏省农业科学研究院六合动物科学基地猪养殖场进行，发酵床育肥猪舍的垫料以木屑、稻壳接种生物菌剂制成。猪舍长30 m、宽8 m，东西走向，东西两端各设一个高1.9 m、宽1.0 m的门，舍内布置东西走向4个栏位，栏间用铁栅栏隔开，每栏水泥睡台8 m²，垫料区40 m²。传统水泥地面猪舍为东西走向，猪舍长60 m、宽8.5 m，东西两端各设一门，南北墙设有窗户。 1.2 饲养方式及管理

发酵床和传统猪舍均采用鸭嘴式饮水器自由饮水，料槽自由采食。发酵床于2013年6月3日进猪，进猪平均体重为30 kg，10月30日出栏，其平均体重为98 kg。传统猪场进、出栏时间为6月6日和11月1日，进、出栏猪平均体重分别为35、90 kg。8月6日至10月17日，发酵床和传统猪舍饲养密度范围分别为0.172~0.224、0.19~0.333 头·m^-2，10月30日发酵床试验猪全部出栏，传统猪舍试验猪大部分出栏，密度为0.07 头·m^-2。

发酵床猪舍与传统猪舍均采取自然通风。发酵床猪舍通过敞开东西两端的门以及向上卷起南北两侧的聚乙烯膜达到通风目的，传统猪舍通过敞开东西两端的门及南北窗（每个窗户开一半）来通风。试验期间，通风时间为9：00—17：00，夜间两猪舍为了保温，适当关闭通风设施。发酵床猪粪便被垫料吸收分解，饮水器漏水通过饮水槽排出。传统猪舍每天上午8：00进行人工清粪，清出的粪便以堆肥方式处理；猪尿液、饮水器漏水以及冲洗水通过猪舍内的凹槽排出，其中仅含有少量猪粪，其温室气体排放情况以化粪池固液分离管理方式进行估算。 1.3 样品的采集与分析

为确定合理的采样频率、采样方式，进行了预备试验。设置3个采样点、4个高度（距饲养地面0.5、1、1.5、2 m），每4 h为一周期，前2 h每20 min采集1次，后2 h不采样，连续采集24 h，分析发现9：00—11：00时段内1 m和2 m处舍内温室气体平均排放通量与全天的平均排放通量最为接近。同时，通过连续3 d的样品采集分析，发现每天舍内温室气体的平均排放通量变化不明显。因此，将样品采集时间分别设置为2013年8月6日（0 d）、9月3日（28 d）、9月18日（43 d）、10月3日（58 d）、10月17日（72 d）以及11月3日（89 d），共采集6批样品，采样时间间隔约15 d。采样时间为每天上午9：00—11：00，采样点为猪舍的中心位置及中心位置东西两侧10 m处，采样高度为距离猪舍饲养地面1 m和2 m处，用20 mL注射器采样并注入体积为18.5 mL的真空玻璃瓶，每次采集6个样品，以1 m和2 m处测量的平均值代表这个时刻舍内气体的浓度。每20 min采集1次，连续采集2 h（采样过程中尽量避免人为干扰），共采集42个气样，用同一点位同一高度的7个气样浓度值的平均值代表该点位该高度日平均浓度，共3个重复。为保证环境温室气体浓度不受猪舍温室气体的影响，同时考虑到周围大气浓度基本稳定，每日采集3个上风向距猪舍50 m处的环境气体样品作为参照。

舍内通风量采用国际通用二氧化碳平衡法计算，董红敏等^[10]对该方法进行了详细的描述，根据CIGR选择具体参数^[14]。采集的气体样品在一周内完成测定，使用仪器为HP7890A气相色谱仪。每天用标准气体进行标定，标准气体由南京晨虹特气集团提供。

数据分析采用SPSS 18.0及Excel 2010软件，Origin8.5制图。方差分析采用单因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan新复极差法检验不同试验间的显著性差异，显著水平为P<0.05。 1.4 排放通量的计算

本文以单位时间内单个育肥猪温室气体的排放通量代表养殖过程中猪舍的气体排放情况。根据二氧化碳平衡法，其计算公式为：

E=24×10^-3×V×（C_i－C_e）/n

式中：E为单位时间内每头猪温室气体的排放通量，g·头^-1·d^-1；V为猪舍通风量，m³·h^-1；n为猪舍中饲养猪的头数，头；C_i，C_e分别为猪舍内外的不同气体浓度，mg·m^-3。按照增温潜能的不同，把CH₄、CO₂和N₂O转化为CO₂当量排放，试验期间每天每头猪排放的CO₂当量的温室气体总量计算公式为：

由图 1（a）可知，随时间推移发酵床猪舍和传统猪舍1 m和2 m处CH₄浓度都呈先升高后降低趋势。发酵床猪舍1 m和2 m处CH₄浓度分别从第0 d的1.41、1.47 mg·m^-3增加到第72 d时2.02、2.14 mg·m^-3，增幅分别为41.6%和45.8%；传统猪舍相应的增幅分别为241.3%、205.7%，其变化幅度较发酵床大。试验期间，发酵床舍内平均CH₄浓度为1.59 mg·m^-3，低于传统猪舍的2.60 mg·m^-3，是传统猪舍的61.2%。舍外CH₄浓度相对稳定，变化范围为1.23~1.37 mg·m^-3。

图 1 舍内外 CH4、 CO2、 N2O 浓度变化 Figure 1 Changes of CH4 ,CO2 and N2O concentrations inside and outside barns

图选项

由图 1（b）可知，发酵床猪舍1 m和2 m处CO₂浓度分别由第0 d的753.77、746.99 mg·m^-3增加到第72 d的1 088.95、1 189.40 mg·m^-3，分别增加了335.18、442.41 mg·m^-3；传统猪舍第72 d时 1 m和2 m处CO₂浓度分别为1 787.59、1 611.68 mg·m^-3。发酵床舍内平均CO₂浓度（893.95 mg·m^-3）要低于传统猪舍（1 137.71 mg·m^-3），是传统猪舍的78.6%。舍外CO₂浓度呈先平稳后升高趋势，在第89 d时的浓度为795.19 mg·m^-3。值得注意的是，舍内CO₂浓度变化趋势与CH₄的变化具有一致性。

由图 1（c）可知，发酵床猪舍1 m和2 m处N₂O浓度呈先升高后降低的趋势。分别由第0 d的0.77、0.75 mg·m^-3增加到第72 d的1.40、1.55 mg·m^-3，分别增加0.63、0.80 mg·m^-3。传统猪舍1 m和2 m处N₂O浓度变化不大，其范围分别为0.77~0.89、0.74~0.86 mg·m^-3。在28 d前发酵床舍内N₂O浓度低于传统猪舍，28 d后相反。发酵床舍内平均N₂O浓度（1.0 mg·m^-3）是传统猪舍（0.80 mg·m^-3）的125.0%。舍外N₂O浓度起初偏低，后期稳定在0.72 mg·m^-3左右。 2.2 猪舍内温室气体排放通量分析

试验期间发酵床和传统猪舍不同气体的排放情况如表 1。发酵床和传统猪舍内CH₄排放通量分别为2.98~3.89 g·头^-1·d^-1和4.68~6.29 g·头^-1·d^-1，N₂O为2.68~5.06 g·头^-1·d^-1和0.22~0.46 g·头^-1·d^-1，CO₂为1.96~2.40 kg·头^-1·d^-1和1.39~1.78 kg·头^-1·d^-1。比较而言，发酵床猪舍内平均CH₄排放通量较传统猪舍少1.97 g·头^-1·d^-1，是其63.6%（P<0.05），而N₂O和CO₂平均排放通量分别是传统猪舍10倍和1.4倍（P<0.05）。

表 1 发酵床和传统猪舍温室气体排放通量的变化 Table 1 Changes of greenhouse gas fluxes in bio-bed and traditional barns

表选项

由表 2可知，堆肥中CO₂、N₂O、CH₄排放通量变化范围分别为56.70~137.70、0.16~2.30、0.15~5.10 g·头^-1·d^-1，其平均排放通量分别为97.20、1.05、2.53 g·头^-1·d^-1。总体而言，堆肥管理中97.5%的C以CO₂形式被氧化，以CH₄形式损失的C仅占2.5%；CO₂、CH₄是化粪池排放的主要温室气体，N₂O排放可以忽略^[15]。

表 2 猪粪便堆肥及化粪池管理过程中温室气体的 排放通量 （ g · 头^-1· d^-1） Table 2 Greenhouse gas fluxes from pig manure composting and swine lagoons

表选项

由于试验限制，以前人研究结果的平均值表示传统猪场粪便、污水等温室气体排放情况（表 3）。发酵床猪场每天每头猪排放CO₂当量的温室气体总量为3.27 kg·头^-1·d^-1，CO₂排放量所占比例最大，达65.0%，其次是N₂O占33.0%，CH₄所占比例最低，仅为2.0%。传统猪场每天每头猪排放CO₂当量的温室气体总量为2.59 kg·头^-1·d^-1，其中CO₂、N₂O、CH₄排放量所占的比例分别为63.2%、16.1%、20.7%，CO₂排放量所占比例最大，与发酵床的研究结果一致。然而传统猪场CH₄的排放总量中有15.31 g·头^-1·d^-1来源于化粪池，对传统猪场CH₄的排放具有较大的影响。在不同来源中，猪舍的温室气体排放量较大，占总量-CO₂当量的67.6%，堆肥、化粪池分别占18.1%、14.3%。总体而言，发酵床和传统养猪过程中CO₂的排放对CO₂当量的温室气体总量贡献率较大，发酵床猪场每天每头猪排放的CO₂当量的温室气体总量较传统猪场多26.3%即0.68 kg·头^-1·d^-1。

表 3 发酵床和传统猪场温室气体排放情况 Table 3 Comparison of greenhouse gas emissions from bio-bed and traditional farms

表选项

试验期间，发酵床舍内CH₄、CO₂、N₂O的平均浓度分别是传统猪舍的61%、79%、125%。两种猪舍舍内CH₄与CO₂变化趋势具有一致性，而且前者浓度较低。林而达等^[21]认为动物粪便在厌氧条件下生成CH₄分三个阶段完成，分别为水解、产酸和产甲烷过程，其化学反应式如下：

①C₆H₁₂O₆+2H₂O=2CH₃COOH+2CO₂+4H₂

②CH₃COOH=CH₄+CO₂

③4H₂+CO₂= CH₄+2H₂O

从反应方程式中可以看出粪便产生CH₄含量低于CO₂含量，且相对滞后。研究发现同一批次的发酵床舍内1 m和2 m处的平均CO₂含量均低于传统猪舍，第72 d时发酵床和传统猪舍平均CO₂浓度达到最大值，分别为1 139.18、1 699.63 mg·m^-3，传统猪场CO₂含量已超过畜禽舍环境质量标准中CO₂含量的限制标准1500 mg·m^-3（NY/T 388—1999），舍内CO₂含量过高会影响猪的生产效率，并且不利于饲养管理员的健康^[22]。舍内气体的浓度与饲养密度、通风换气情况密切相关，因此传统猪舍应注意舍内通风状况。第89 d时发酵床和传统猪舍气体浓度均有不同程度的下降，主要是因为发酵床舍内猪出栏无新的排泄物产生，传统猪舍猪头数显著减少导致。

试验期间，发酵床猪舍每天每头猪的温室气体排放总量较传统猪舍多1.52 kg·头^-1·d^-1，CO₂、N₂O分别比传统猪舍多600、3.25 g·头^-1·d^-1，CH₄则少1.97 g·头^-1·d^-1（表 3）。发酵床舍内CO₂主要由微生物降解有机质和猪呼吸产生，CH₄主要源自猪粪便、垫料在厌氧条件下发酵分解产生。木屑、稻壳都是多孔结构，有利于发酵床垫料创造有氧环境，同时猪的翻拱使猪粪尿与垫料充分混合，在有氧环境下实现猪粪尿快速发酵分解，增加CO₂产生的同时减少CH₄产生；同步监测表明，该发酵床床体10 cm深度温度在29~45 ℃（数据未列出）范围内，这有利于微生物的大量繁殖，增加CO₂的产生。因此，发酵床猪舍CO₂排放通量要高于传统水泥地面猪舍（约1.4倍），CH₄则低于传统猪舍，是其63.6%。N₂O主要是通过生物硝化及反硝化过程产生，其过程受温度、水分含量、pH、有机质等诸多因素的影响^[23]，粪便的管理方式^[13]及总N输入量^[24]亦会影响N₂O的产生。传统猪舍每天采取人工清粪，粪便不会在猪舍内累积残留，减少了N₂O在舍内的排放，而发酵床猪粪尿直接排放到垫料中，猪粪尿在垫料中的累积增加了N₂O的产生。此外，发酵床垫料中的N素为N₂O的排放提供了大量N源。这些因素导致了发酵床猪舍N₂O排放通量大于传统猪舍，也是发酵床舍内N₂O浓度呈上升趋势的一个原因。需要指出的是，发酵床舍内有一部分温室气体来源于垫料的分解，如能在研究中扣除垫料分解产生的排放量，可更准确地获得发酵床养殖条件下动物本身的排放量。

猪舍温室气体的排放是发酵床养猪模式温室气体的源，亦是传统猪场养殖模式下温室气体排放的一个场所，但猪粪便及污水后续管理过程同样会产生大量的温室气体。堆肥是粪便管理的一个主要途径，由于试验地点、方法、猪粪便的性质等因素影响，不同文献堆肥的温室气体排放情况差异较大（表 2）。化粪池是污水排放温室气体的主要场所，其中CH₄是化粪池CO₂当量温室气体排放总量的主要贡献者。在综合考虑粪便堆肥和化粪池温室气体的排放情况后，发酵床养猪模式每天每头猪排放的CO₂当量温室气体的总量仍高于传统养猪模式，与Philippe等^[8]研究结果一致，其中发酵床养猪模式的CO₂、N₂O分别比传统猪场多486.57、2.2 g·头^-1·d^-1。这可能与发酵床垫料、粪便的清理方式有关。相对的，CH₄则少19.81 g·头^-1·d^-1，这主要是因为化粪池产生较多的CH₄导致。虽然通过引用前人的研究结果估算了堆肥以及化粪池管理中温室气体的排放，但考虑到文献的局限性，尤其对猪粪尿、生产污水固液分离后化粪池温室气体排放的研究较少，国内仅见李娜等^[20]做了相关研究。因此，要合理、准确估算传统猪场养殖模式下温室气体的排放情况有待进一步研究。 4 结论

（1）发酵床舍内CH₄、CO₂、N₂O的平均浓度分别是传统猪舍的61.2%、78.6%、125.0%。

（2）发酵床猪舍内平均CH₄排放通量是传统猪舍的63.6%，而N₂O和CO₂平均排放通量分别是传统猪舍10倍和1.4倍。

（3）在综合考虑传统养猪模式粪便堆肥和化粪池温室气体的排放情况后，发酵床每天每头猪排放的CO₂当量的温室气体总量较传统养猪模式多26.3%，CO₂是发酵床温室气体排放总量的主要贡献者，其次是N₂O。