曾錦^1，2，魯藝¹，徐銳¹，孫蓉¹，劉瑩¹，曾維慶³，岳志強³，周鷹⁴

（1.云南師范大學能源與環境科學學院，昆明650500；2.江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，南京210014；3.玉溪市農業環境保護和農村能源工作站，云南玉溪653100；4.九溪鎮規劃建設和環境保護中心，云南玉溪652604）

　　摘要：本研究結合國際應對氣候變化的大背景，滿足國內生態文明建設及自主減排的需求，通過明確沼氣項目的減排機制，對甲烷轉換因子及其應用案例作了介紹，指出了甲烷轉換因子的重要性以及地區缺省甲烷轉換因子在核算碳減排量過程中的局限性，為進一步探究典型沼氣發酵生態系統甲烷轉換因子計算模型的建立奠定了基礎。

　　2016年據相關部門統計，每年在中國產生38億噸的畜禽糞污量，但是它們的綜合利用率卻不到60％[1]，可見畜禽養殖廢棄物在我國并沒有得到廣泛有效利用。畜禽養殖廢棄物如果得不到妥善處理，可能會對周邊環境造成嚴重污染，排放出大量的溫室氣體[2-3]，其中的痕量氣體CH₄對全球變暖的貢獻率達22%，僅次于CO₂[4]，但它的溫室效應是CO₂的25倍[5]。2016年12月，在習近平總書記主持召開的中央財經領導小組第十四次會議中強調：加快推進畜禽養殖廢棄物處理和資源化，關系6億多農村居民生產生活環境，關系農村能源革命，關系能不能不斷改善土壤地力、治理好農業面源污染，是一件利國利民利長遠的大好事。要堅持政府支持、企業主體、市場化運作的方針，以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以就地就近用于農村能源和農用有機肥為主要使用方向，力爭在“十三五”時期，基本解決大規模畜禽養殖場糞污處理和資源化問題[6]。在提高農業產量、增加農民收入的同時，如何做好生態環境的保護，已經成為制約農業可持續發展的重要瓶頸，而沼氣建設作為解決農村環境問題、農村能源問題的重要途徑，一直以來備受國家領導人的重視。在現階段，中國統籌推進“五位一體”的總體布局下，國家把生態文明建設擺在至關重要的戰略位置，而農村是生態文明建設的主陣地[7]，因此農村沼氣建設也必將在快速發展的新時代發揮不可或缺的作用。據調查，截至2016年底，全國戶用沼氣池已達4160多萬個，擁有11.3萬處各種類型的沼氣工程，年生產沼氣約145億立方米[8]，可見我國沼氣建設項目在碳減排市場上具有很大的潛力。

　　發展沼氣建設項目既能夠加快畜禽養殖廢棄物的資源化利用，保護好農村的生活環境，同時也能夠減少溫室氣體排放，符合國際碳減排趨勢。而在沼氣項目減排量的核準過程中，涉及方法學的建立與運用，選擇合適的方法學、優化減排量核心指標對準確掌握項目實際減排量具有示范意義。針對以沼氣項目為載體的新方法學的開發是一項系統工程，需要明確糞便管理方式（如厭氧條件、水力滯留時間、發酵周期等）、年度氣溫變化情況、糞便特性等相關數據，然后依據特定情境下的減排量公式進行計算，再結合實地排放通量監測數據進行校正。而在減排量計算過程涉及的眾多指標中，尤以甲烷轉化因子（Methane Conversion Factor,MCF）最為關鍵，且建立過程極為復雜。因為MCF的計算過程受到眾多因素的影響，例如氣候條件、儲存時間、滯留期、糞便特性等10余項指標[9]，而且除了基本模型計算外，仍需要實地監測，同時根據管理操作方式（Manage?ment & Design Practices,MDP）進行校正。因此，MCF值在多數發展中國家是缺省的，而在政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的評估報告以及《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中，所采用糞便管理系統的MCF值大多以經驗值或估算值為主，且僅以糞便管理系統的類別和年平均溫度作為粗略的劃分標準，與項目實地MCF值存在較大偏差。因此，本研究結合國際應對氣候變化的大背景，滿足國內生態文明建設及自主減排的需求，通過明確沼氣項目的減排機制，對甲烷轉換因子及其應用案例作了介紹，為進一步探究典型沼氣發酵生態系統甲烷轉換因子計算模型的建立奠定基礎。

　　1國際碳減排的發展

　　1988年12月6日聯合國大會《為今世后代保護全球氣候》的決議指出：“氣候變化是人類共同關切之事項，因為氣候是維持地球上生命的關鍵條件[10]。”自工業革命以來，人類的經濟得到了飛躍式發展，與此同時因人類大量使用化石燃料，過度排放了CO₂、CH₄等溫室氣體，最終導致全球氣候變暖。據分析：人類如果繼續任由全球氣溫升高，保守估計全球每年因氣候變化帶來的危害相當于損失5％的全球國內生產總值（Gross Do?mestic Product,GDP），如果將更為廣泛的風險因素再做進一步考慮，這一數字可能升至20％[11]。地球的自然生態系統和人類的社會經濟均因全球氣候變暖受到了不同程度的影響[12-13]，海平面上升、冰川融化、極端天氣頻發、糧食減產等一一牽動著世界各國人民的心，氣候變化問題甚至還影響著世界的地緣政治格局[14]，現已成為國際上關注的重點議題，因此相關國際組織于1998年組建了IPCC以應對全球氣候變暖[15]。相關研究表明，近百年全球氣候變暖的主要原因是人為溫室氣體過度排放的結果[16]。越來越多的國家和地區加入《聯合國氣候變化框架公約》《京都議定書》和《巴黎協定》三大國際公約，推動國際碳減排已成為大勢所趨，爭取實現將全球氣候升溫限制在2℃以內的范圍[17]。在經歷了多年的發展已經日趨成熟的國際碳市場上，迄今為止已經發展出CDM(Clean Development Mechanism)、GS(Gold Standard)和國內的PS(Panda Standard)等多種交易平臺和標準[18]。碳金融機制的引入為國際碳匯市場注入了穩定而有活力的可持續發展力，在一定程度上加快推動了世界各國減排的進程。

　　2沼氣項目的減排機制

　　2.1沼氣發酵原理

　　沼氣發酵技術屬于厭氧消化技術中的一種[19]，即在厭氧的條件下，滿足一定的酸堿度和溫度等條件，利用厭氧微生物消化分解沼氣池內的有機物質，從而產生沼氣的過程。沼氣的主要成分是CH₄和CO₂，還含有少量的CO、H₂S、N₂等氣體[20]。沼氣發酵是一個極其復雜的過程，依靠多種菌群協同共生代謝[21]，關于沼氣發酵過程的階段劃分有二階段學說、三階段學說和四階段學說，其中三階段學說得到了學術界的普遍認可和運用。沼氣發酵的三階段學說包括水解階段（第一階段），產酸階段（第二階段），產甲烷階段（第三階段），具體代謝過程如圖1所示。微生物菌群在沼氣發酵過程中扮演著舉足輕重的角色，它們在一定程度上影響著沼氣發酵的效率。

　　2.2沼氣項目減排效果

　　以沼氣項目為載體的溫室氣體減排主要體現在碳減排效應上，一般沼氣項目被認為具有直接減排效果和間接減排效果。畜禽糞便及其他有機廢棄物如果未經任何處理直接暴露在空氣中，經微生物的消耗分解會產生大量甲烷，這些甲烷無法收集直接排放到大氣中，在一定程度上加劇了溫室效應。如果這些有機廢棄物通過沼氣發酵技術處理再經過沼氣項目收集利用，可以直接減少CH₄的排放量，減緩溫室效應，即所述的沼氣項目的直接減排效果；產生的沼氣具有作燃料或發電等多種利用方式，減少了薪柴、煤炭的使用，進而減少了溫室氣體的排放，起到了能源替代效果，即所述的沼氣項目的間接減排效果?，F階段，被廣泛使用的戶用沼氣池在實際使用過程中，會因輸氣管道或池體的破損等發生沼氣泄露，同時因戶用沼氣池的進料口和出料口都與外界空氣直接接觸，所以仍存在進料液面和出料液面會逸散出小部分甲烷氣體，而這一部分往往因技術的限制被相關研究者所忽視，因此在核算戶用沼氣池實際減排量時往往會存在較大偏差。

　　2.3沼氣項目減排方法

　　楊艷麗等[22]利用復合回歸模型模擬預測了中國沼氣產業對減排CO₂的貢獻作用；王明新、陳紹晴等[23-24]利用生命周期分析(Life cycle analysis,LCA)的評價方法對戶用沼氣模式進行了減排清單和節能減排的相關分析；麥文雋等[25]采用投入產出-生命周期模型（EIO-LCA），對戶用沼氣池整個生命周期的完全碳排放量進行評估；曾國揆等[26]探討了沼氣技術的減排效果與沼氣CDM項目的合格性，魏成金等[27]結合清潔發展機制估算了農村戶用沼氣的減排量。沼氣項目的減排量因使用的計算模型或評價方法不同，存在著大同小異的現象，近年來隨著清潔發展機制的引入與運用，越來越多受國際認可的方法學被確立，開發沼氣項目成為CDM項目，經核實的碳減排量（CER）更具準確性和參考性。沼氣項目的減排量核準過程如圖2所示。

　　3甲烷轉換因子及其應用

　　3.1甲烷轉換因子

　　甲烷轉換因子（Methane Conversion Factor,MCF）是指有機質中總能量轉化為CH₄的百分比，是溫室氣體排放量計算的重要參數。目前，針對糞便管理類項目碳排放量計算所采用的MCF值主要有兩個來源[28]：一是通過實地測量CH₄生產量、CH₄使用量、CH₄燃燒量、動靜態下的總CH₄產量和總碳含量等監測指標，結合數學計算過程和特定情境描述（如溫度、海拔、氣壓、發酵）而獲得的；二是在無測量條件的情況下（大多數發展中國家），參考水分含量、環境溫度、pH等相似管理情境下源于專家或文獻的公開值，具有較強的隨意性和估值性。研究表明MCF值會受到溫度、滯留時間、管理方式等非生物因子的影響，而針對沼氣發酵系統的MCF值可能會受到原料類型、發酵罐型、發酵濃度以及沼氣建設規模等影響[29-30]。而所有非生物因子影響的實質是能夠導致不同代謝途徑的產CH₄貢獻率發生改變。因此，除環境和管理等外部因素外，MCF變化的實質則是由微生物主導的“差異型”產CH₄貢獻率造成的。不同的CH₄生成途徑對CH₄生成量的相對貢獻率會因生物因子、非生物因子及其協同作用的不同而發生較大變化，繼而影響CH₄排放通量[28-29]。雖然非生物因子導致微生物群落功能差異，并最終導致產CH₄能力和排放通量的差異已經成為共識，但多數理論仍停留在定性概括的層面，對產CH₄相對貢獻率與CH₄產生能力和排放通量的相關性和具體作用方面的研究仍然比較匱乏。甲烷轉換因子的微觀變化主要通過宏觀的甲烷排放通量的變化來體現，因此對微生物群落分布、甲烷轉化途徑與甲烷排放通量的關系研究將有助于揭示MCF變化規律。根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》第10章（牲畜和糞便管理過程中的排放）表10.17關于無氧發酵池MCF值的計算方法[30]，其計算公式為：

　　又因為針對典型沼氣發酵生態系統進料口、出料口均有不同程度的甲烷泄漏，因此CH₄生產量不僅包括發酵間的CH₄產量，而且包括進料口、出料口的CH₄泄漏量。因此，在后續的研究中，可嘗試利用常規技術和靜態箱技術相結合的方法，以特定畜禽的糞便為原料，長期監測沼氣項目的進料口甲烷排放通量、出料口甲烷排放通量和總的甲烷排放通量，再結合生物因子和非生物因子對沼氣項目甲烷排放通量的影響，進一步優化典型沼氣發酵生態系統甲烷轉換因子的計算模型，可直接計算出監測地區沼氣項目的MCF值，為部分地區缺省MCF值提供了參考。

　　3.2應用案例

　　天津薊州區大巨各莊主要利用厭氧消化產沼氣技術來處理農村畜禽糞便，盧學強等[31]根據IPCC的相關報告以及CDM執行理事會（EB）批準的整合方法學AM006（糞便管理系統溫室氣體減排)和AM0016（封閉性動物飼養操作中改良的動物糞便管理系統溫室氣體減排），分析了天津薊縣大巨各莊農村畜禽糞便CDM項目溫室氣體減排的核算方法、額外性和經濟效益，據估算該項目實施后，每年可以減少溫室氣體排放約為1296.19tCO₂-e，每年可以獲益9.84萬元。項目首先設置基準線情景，然后確定項目邊界，最終通過選擇合適的CDM方法學核算項目的溫室氣體減排量。該項目所選用方法學的CH₄排放公式為：

　　目前沒有公開出版中國特定的與甲烷排放相關的參數，該項目所采用的MCF值主要來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，對不同牲畜種類糞便采取厭氧發酵的管理方式，MCF值均取10％，這樣取值既缺乏代表性又具有局限性，不能準確地反映當地不同糞便不同管理方式對MCF值的影響，最終影響項目減排量的精準性。山東民和集約化養雞場原采用開放式厭氧氧化塘處理雞糞，現轉變成利用密閉式厭氧沼氣反應器處理，厭氧消化產生的沼氣主要用來發電上網。李玉娥等[32]以山東民和集約化養雞場為例利用《聯合國氣候變化框架公約》EB批準的方法學ACM0010（糞便管理系統減少溫室氣體排放整合方法學）分析了沼氣項目處理雞場糞污和沼氣發電CDM項目對減少溫室氣體排放的潛力及其經濟效益。據估算項目每年可減排84666tCO₂-e溫室氣體，減排效益達到593萬元/年，同時每年售電可獲利767萬元。該項目在確定基線情景下CH₄排放時，利用公式（4）計算：

　　由于該規模化養雞場CDM項目沒有公開發表的MCF參數，因此參照《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》的方法，根據當地溫度，選取了基線情景下糞便管理方式的MCF值為70％。

　　綜上所述，MCF被廣泛運用于CDM項目中，而從項目采用方法學的計算和分析中，不難看出MCF在其中起到的關鍵性作用，我國各地區的MCF值仍然比較缺失，而IPCC提供方法學所采用的MCF值又難以和我國的實際情況相吻合，不能切實滿足情景的需要，會造成項目評估存在較大偏差，因此提出適合中國國情的MCF值將具有很好的實用價值。

　　4結論與建議

　　節能減排應對氣候變化既迫在眉睫又勢在必行，通過碳匯交易促進開發CDM項目，而MCF在核算沼氣項目的碳減排量過程中起到關鍵性作用，如果繼續使用缺省的MCF值核算項目減排量將影響精準性，使項目評估存在較大偏差。因此，在厘清MCF建立原則的基礎上，未來可結合沼氣項目的甲烷排放通量監測，分析甲烷轉換途徑和沼氣項目內部微生物群落的變化，以典型沼氣發酵生態系統為載體研究并建立甲烷轉換因子計算模型，為《中國國家排放指南》中缺省的中國地區MCF相關數據庫的建立提供參考，同時也將為沼氣類碳金融項目新方法學的開發、修正和規?；?，產業結構調整項目碳減排量的精確計算提供必要的理論依據和方法學基礎。