关键词 生物能源；粮食安全；温室气体；燃料乙醇；生物柴油
中图分类号 S216 文献标识码 A 文章编号1002-2104(2009)03-0003-05
2008年初，国际粮价一度暴涨。由此引发了对生物能源主要是玉米制乙醇和食用油料制生物柴油的众多质疑。在国内外反思生物乙醇的讨论中，一些似是而非的说法被广泛流传。实际上，不少说法源于对生物能源的片面甚至错误的看法，有的则是误解，还有的则是媒体的炒作。主要的说法有：①生物能源就是乙醇和生物柴油；而且必定会争地、争粮／油，从而威胁粮食安全；②发展生物燃料就是为了替代一部分石油；③生物燃料的环境和减排效益远小于原来所说，甚至是碳净排放；④中国发展生物能源是对发达国家的“跟风”。
1 生物能源绝非仅是乙醇和生物柴油，全面看待其与粮食安全的关系
曾在媒体上广泛流传的说法――“就是把美国全部的耕地都改种玉米等，也只能满足其石油年需量的11％”，典型地反映了目前一般习惯于将生物能源直接与粮食／食油划等号的思维。
首先，美国和欧盟当前用玉米及食油制生物燃油，是市场经济规律决定的。市场经济法则――追求利润最大化是不以人们主观意志为转移的。在国际石油价格升到50美元／桶以上、汽油价一度超过1000美元／t的情况下，想要让美国农民停止用自产的、卖饲料仅能得100美元／t多一点的玉米来制取乙醇是不可能的。因为每吨乙醇只需用约3.5 t玉米，而且每吨乙醇还能得到320美元的财税补贴。况且即便如此，玉米制乙醇也还远未到失控的程度。据美国农业部门的资料，当前用于乙醇的玉米占总量的比例为25％左右；玉米的出口数量也并未有明显减少。
有文章预言，美国发展生物乙醇将用掉自产玉米的大部分。事实上，美国的有关方面就从未设想过今后主要靠玉米制燃料乙醇。在某种意义上说，用玉米制乙醇只是权宜之计。除了在2007年总统国情咨文中，寄巨大希望于“第二代生物乙醇”――由木质纤维类原料制取乙醇，要求5年内达到工业化生产规模之外，美有关部门从未有过今后要大量增加用玉米等粮食制取生物燃料的计划。相反，由美国能源部(DOE)和农业部(USDA)完成的未来30年生物能源原料的规划研究宣布，要在2030―2050年期间，使生物质能满足替代年石油消费量的30％的目标：①替代5％的燃油发电量；②替代20％的交通运输用燃油；③替代25％的石化材料工业用石油。并完全可以在不影响食物、饲料和玉米、大豆等出口的情况下，提供10亿多万吨生物质原料。其中，用于生物燃料的谷物仅为每年8700万t，仅比当前的用量多出不到1000万t。
国际上正在如火如荼研发的第三代生物燃油(含油藻类制乙／丁醇、生物柴油)，预示了生物燃料不会与农业争耕地的前景。据Seibert M.King等发表的最新研究结果表明，对第一代(玉米)乙醇而言，用相当于目前玉米种植面积的4倍的耕地，能全部取代美国的汽油。第二代(纤维类)乙醇要全部取代汽油消费量，需要稍大于目前的玉米种植面积的边际土地。至于第三代燃油，所需的废地／水面面积更是只相当于美国国土面积的约3％。
其次，谷物乙醇与粮食安全的关系真的像有些人描述的那样，是绝对势不两立，对中国来说是洪水猛兽?否。
不少不了解农业的人，以为用玉米制乙醇意味着消耗掉玉米所有的内容物。然而情况并非如此。例如，用玉米制乙醇并非将其生物质全部耗尽，所消耗的只是绝大部分淀粉和可溶性糖分。还有占籽粒重约25％的其他成分，特别是蛋白、脂肪和半纤维素等，最终以玉米蛋白饲料(Distiller’s Dry Grain Solubles，DDGS)的形式产出和被进一步利用。假设用1000 t玉米制生物乙醇，在获得250 t燃料的同时，还可获得近250 t的经过微生物强度活动(发酵)后产生的玉米蛋白饲料(又称干酒糟饲料)。其蛋白含量高达27％，脂肪8％，还有大量维生素和生物活性物质；用它加上适量的作物秸秆饲养草食畜，所得的肉、蛋、奶，数量几乎不会比直接用1000 t玉米作饲料产出的肉、蛋、奶少。
当前我国玉米最主要的消费对象是畜、禽和水产饲养业。2007年，用作饲料的玉米，占玉米总产量的60％。而且饲用玉米量仍在以每年400万t以上的速度增加。预计2008年将占到玉米总产量的66％。我国饲料业最短缺的就是蛋白原料，为此不得不每年进口3500万t大豆和超过100万t的鱼粉。今后蛋白饲料的缺口还将进一步扩大。
与发达国家的农民享受着高额的农业补贴完全不同，包括我国在内的发展中国家的农民长期以来饱受粮、油低价格之苦。发展生物能源客观上起到提高粮、油价格的作用，对他们来说可能并非坏事。国际农业发展基金会的高官尚塔努・马图尔2008年中曾说，与30年来食物价格一路下跌相比，我们现在高兴多了。国际社会应利用此次食物涨价的机会，在农村投资建一批好项目。“世界上大部分小农或雇农，绝大多数已开始从全球食品价格上涨中受益。如果各国政府让市场自由发挥作用，他们将受益更名，”
粮价提高必定有利于激发农民种粮积极性，最后因增产粮食而有利于国家。一些国际农业专家认为，生物能源能为发展中国家农业特别是粮食生产带来“复兴”。巴西总统卢拉在2008年G8集团峰会上，更用巴西多年来发展燃料乙醇减少了本国的贫困和饥饿的例子，有力地驳斥了在这个问题上的奇谈怪论。
2 美国等发展燃料乙醇只是为了替代一部分石油?
很多人并不了解，环境保护因素在美国等发达国家迅速发展以乙醇为代表的生物能源中起着重大的作用。美国在1990年为解决国内39个地区一氧化碳(汽车尾气的主要成分)超标问题，通过了“清洁空气法修正案”。强制性要求使用含氧量提高(达2.7％)的汽油。乙醇因其燃烧性能接近汽油而含氧量较高而成为首选(添加率7.7％)。紧接着，科学家又发现，被广泛使用以提高辛烷值的添加剂MTBE(甲基叔丁基醚)会造成很重的空气和地下水污染。美国一些空气污染严重的州如加利福
尼亚州，1997年率先颁布禁止使用MTBE的法律。替代性增氧剂有乙醇和以乙醇为原料加工而成的ETBE两种(中西部若干州指定用乙醇，联邦政府也通过免除其燃油税来鼓励使用)。2001年，美参议院通过在2004年起在全国全面禁用MTBE的法案。仅作汽油添加剂一项，全美每年就需要近700万t生物乙醇。是很大的一项消费需求。
2002年2月，美国能源部和农业部联合提出《生物质技术路线图》，提出到2020年，生物燃油替代全国燃油10％；生物基产品取代化石原料制品的25％，减少相当于7000万辆汽车碳排放量；每年增加农民收入200亿美元。美国政府对开发生物能源以振兴日趋衰败的农村社区和农村经济寄予厚望。可见，其开发生物燃料／材料计划的出发点，决不仅仅是为了替代一部分石油。
至于欧盟国家，更是将生物能源的减排温室气体效应，作为发展生物柴油等生物燃料的首要目标和议事出发点。因为它们都签署了具有国际约束力的“京都议定书”。而且在即将进人“后京都时代”之际，又都相继制定了更雄心勃勃的温室气体减排规划。瑞典首相2006年5月在该国举行的一次生物能源国际会议的开幕词中，除郑重宣布瑞典将在2020年“告别石油”之外，还将生物能源的开发利用上升到事关道德的高度。
3 否定生物燃料的环境和减排效益缺乏根据
一般公认，生物质能是典型的低碳燃料。就能源利用对大气环境造成的影响而言，生物质能有两大基本特点：一是燃烧时获单位能量所产生的温室气体量，只有化石能源的1／8左右；二是如从生物质能的全生命过程(Life cycle，指从植物的种植到最终被烧掉)来讲，生物质能的温室气体“投”“产”平衡，是所谓“碳中性(carbon-neutral)”的。
但近来有人在报刊上著文却宣称，原来所说的生物能源有利于减排二氧化碳的效应不但不存在，甚至是负值等等。
查阅文献发现，这类媒体文章对科学家的研究报告是断章取义，只引结论而不提结论的前提。关于“生物能源不但不能减排、反而会增排温室气体(二氧化碳)”说法的由来是，权威的学术刊物《科学》(Science)2008年2月发表了T.Searchinger等与J.Fargione，D.Tilman等的论文，介绍了测算东南亚地区在砍伐热带雨林和开垦湿地以种植能源作物后，会释放大量的碳封存量的研究结果，提出了“碳债”(Carbon debt)的概念。据此，有人片面指责印尼等国为生物柴油而大力发展油棕，进而肆意砍伐热带雨林和开垦湿地。事实上，种植能源作物绝不意味着必定要垦荒。至于某些国家为出口木材而伐林的事，早在生物能源问世前在印尼等国就一直存在。而且即便是发展棕榈油生产，大部分还是供食用而非制生物柴油。例如近年来中国年进口超过1000万t食用油，其中大部分就是棕榈油。十几年前，在国际食用油价格上涨、橡胶价格疲软的背景下，马来西亚等国都经历了大面积砍伐橡胶树林(更早年代垦荒的产物)改种油棕的过程。值得一提的是所引论文的作者之一D.Tilman，是个坚定地主张生物能源的种植和使用能显著减少碳排放的著名生态学家。此外，美国学者D.Morris根据Scarchinger等在论文中提供的数据推算得出，直到2007年，美国玉米乙醇的碳平衡仍是净排放负值；如果就第二代纤维类乙醇而言，即使其原料(柳枝稷等能源牧草)占用休耕地，减排温室气体的作用巨大。
美国《时代》周刊2008年4月27日刊登Michael Grunwald题为“清洁能源骗局(The Clean Energy Scam)”一文。称“生物燃料不是答案而是问题”。文中有意将巴西亚马逊热带雨林与Cerrado(热带富树草原，过去的几十年中已有一部分被开垦为牧场和种植大豆)混为一谈，以支持作者所谓“发展大豆生物柴油导致大量开垦亚马逊热带雨林，从而大量释放原储于土壤中的碳，以及破坏生物多样性”的结论。尽管在其文章中也引述了一位巴西专家的话，要作者别把美国发展玉米乙醇与巴西发展甘蔗乙醇相提并论；而且指出了并未对亚马逊热带雨林有什么影响。但他仍硬要把巴西开垦部分的热带富树草原与亚马逊热带雨林混为一谈，以误导那些不了解巴西农业地理的读者。事实上，文中提到的巴西大豆第一生产州――马托格罗索州的绝大部分，是位于巴西亚马逊热带雨林以南，大量分布着的是热带富树草原。况且据该州豆农协会2007年提供的资料，大豆面积不过占总面积的9.6％，根本谈不上因扩种大豆而大量垦伐热带雨林。
正如G Charles Dismukes等发表的评论所言，2008年初起，对生物能源的种种非难，是非理性并带个人情绪色彩的；是一些外行或“半瓶醋”学者在发难，而并不是严肃的科学家的意见。其后果是破坏了有关生物能源的决策。
4 中国发展生物能源是对发达国家的“跟风”?
在发展生物能源上，最常见的不少人将发达国家与中国划等号。他们不了解，在出发点、发展策略、重点领域等诸多方面，中国生物能源的内涵与发达国家有很大的不同。
(1)中国的国情决定了，至少在相当长的时期内生物能源的最重要领域并不是液体燃料，而是沼气，特别是代表发展方向的产业化沼气。
我国农民的人均一次能源的消费量水平目前只及城市居民的40％左右。考虑到8亿农民的巨大基数，一旦农民收入达到“小康”、农业初步现代化以及农村工业化水平大幅提高，如果不开辟包括现代生物质能在内的新能源资源，大幅增加供应，仅从能源一项看，农民的全面小康和新农村建设都是不可能实现的。
随着农民收入的提高，生活用能开始快速增长。1990年农村能源年消费量仅为5.7亿t标准煤(tce)，2000年为6，7亿t标准煤；而到2006年已增至9.2亿t标准煤。与1990―2000年间的平均年增率1.6％相比，而近6年的平均增长率高达5.4％，其中生产用能更达5.6％。从长远看，农村能源消费将成为全国商品能源重要的需求增量。
要农民过上真正的小康、文明的生活，总不能还是千百年来那样：每天天不亮就须出去打柴，过“愁完锅里愁锅底”的日子；厨房里则烟熏火燎，一天灰头土脸。城里人喜爱天然气，清洁又方便；那么难道农民就不懂天然气的好处?
但问题是我国有没有那么多的气源来供农民?回答是绝对没有。以全国2.5亿农户计，如果都用天然气，以每户每年至少用400 m3计，一年总消耗量将是1000亿m3。而现在天然气年总产量不过600亿m3。我国天然气总探明储量也不过1.5万亿m3。就算全都让农民用也仅仅能维持15年。2007年10月国家发改委下文，紧急叫停各种天然气化工和发电，规定只必保几个特大城市的民用，以及特别重要的工业。可见气源异常紧缺。据国
家发改委能源局预测，2010年和2020年我国天然气的年缺口将分别达到500亿m3和1000亿m3。
退一步说，即使有比较充足的天然气源，把输气管道铺设到分布在900多万平方千米的几亿农户，要多少投资?消耗多少钢材?显然是绝对不可能做到的。
“产业化沼气”可能是解决此难题的一个答案。所谓产业化沼气是指通过规模化加工方式，将畜禽粪便、高浓度工业有机废水、生活污水处理后的污泥、城、乡生活垃圾、秸秆等生物质原料转化为沼气，以便集中向农民供气，或发电及并网。它不同于目前已有很大发展的农户小型沼气池。由于资源量非常可观，产业化沼气在我国有着良好的发展前景。
(2)摒弃“生物能源争地”的绝对观点，寻求扩大种植能源作物的途径。能源作物是专指非食用的、可用于生产生物质能的特定作物，如甜高粱、木薯、某些木本油料(麻风树，黄连木)等。它们最大的特点，是能适应劣(次)等土地和较严酷的气候。是我国除农业废弃物和城乡垃圾有机物之外，数量最大、发展潜力也最大的生物质原料。能源作物与我国有大量“边际性土地”资源相匹配，使生物能源的资源潜力之大令人振奋。有专家初步研究认为，至少有相当于年产6000万t石油当量的潜力(石元春，2007)。但如何正确地挖掘能源作物如木薯和甜高粱等的生产潜力，还有待于探索。
中国农业大学生物质工程中心的科技人员和甜高粱乙醇企业合作，在内蒙古莫力达瓦旗探索大面积种植甜高粱的可能性。该县地处高纬度(北纬49°)、半干旱的农牧过渡带。以往在“以粮为纲”方针指导下，对草地过度开垦，使得耕地面积尽管多达700万亩，但因生长期相当短和干旱，粮食作物单产很低，形成了只能连续多年大面积广种薄收早熟大豆的格局。但大豆是必须轮作的作物，由于缺乏与大豆轮作倒茬的理想作物，该地大豆连年重茬，引发严重的病虫害，单产和效益不断下降。而甜高粱因对生长期的要求不严格，又十分耐旱，成为非常理想的一种轮作作物。近两年，该县甜高粱试种示范面积达6～7万亩。农民种植秆、粒两用甜高粱优种，亩效益至少增加400余元；县里建起了乙醇厂和造纸厂；用酒糟发展养牛业；也为彻底解决大豆重、迎茬的“顽症”带来了希望。
在广西木薯第一大产地――武鸣县，调研发现，扩种木薯面积的可行途径之一是木薯与西瓜、蔬菜等经济作物套作。由于木薯行距很宽，前期生长量小，在光照和土壤水分方面产生的竞争及抑制作用小；反过来，由于农民往往给经济作物施较多的水、肥，从而根本改变了长期以来木薯种植方式极粗放(不施肥，不灌溉)，因而单产很低的局面。通过扩大木薯套作，该县不但实际木薯种植面积接近50万亩，而且木薯的平均单产(3.2t/亩)远高于全国平均水平(1.2t/亩)。
可见，能源作物与粮食作物在耕地的利用上并不总是矛盾的，而是具有互补的可能性。关键在于要充分发挥研究的作用，寻找到具有“双赢”内涵的技术途径。
(3)在讨论生物能源时，最常见、也是最容易走偏方向的，就是只关注生物质能到底能提供或替代多少商品能源，而把生物能产业为农业内涵的拓展、农民增收、农村企业的建立以及真正的“工业反哺农业”所提供的前所没有的机遇放在一边，想不到或者根本就不理解其重要性。事实上，包括美国在内的生物能源开发走在前列的国家，都把生物能源对振兴乡村中、小工业和增加农民收入作为非常重要的目标。
现在大家公认的是，增加农民收入和为农村仍过剩的约1.5亿劳动力找出路是最最困难的事。然而，面对通过生物能源能一举多得地改善这些难题的好事，一些人却仍在犹豫观望，令人十分费解。
由生物质资源的高度分散性及其特殊的物理特点(如体积一能量密度很低)决定，生物质产业是典型的劳动力密集的产业。据估算，生产每百万吨标准油的能源需要的工作岗位，石油业为959个，煤炭业为925个，天然气业为430个；而生物质发电业为1650个，生物质固体燃料业为3000～5000个，生物柴油业则多达29000个。建设年产1000万t燃料乙醇的生产能力，需要100―150亿元投资和近50万个劳动力，年产值在630亿元左右。同时，还对机械加工、建筑、运输、电力、商业等许多国民经济部门起到很大的带动作用。据测算，若充分利用我国现有生物质能资源，可以年新增约3万亿元产值，提供约6000万个就业岗位。
关键词：幕墙；通风；节能
通风式（又称双层式、呼吸式）玻璃幕墙，它是由双层玻璃幕墙组成，在双层之间的“空腔”（或称为通道）里；空气起作隔离内外层玻璃幕墙因空气温差产生的冷热交换，当它受到外力（如抽风机）或自然通风的作用产生流动时可以被排出；排出“空腔”内受到外层玻璃幕墙传导的冷（热）空气；就能排除或减少其对内层玻璃幕墙外表面层气温的影响；也就能保持室内空气温度相对稳定，从而减轻或不增加室内空调或采暖系统的运行负荷，以达到节能降耗的目的。特别在炎热的夏天或寒冷的冬天，室内外气温相差很大时这种节能降耗更显著，这是与单层玻璃幕墙的根本区别。
能不断排出“空腔”内受到外层玻璃幕墙传导的冷（热）空气；这是通风式玻璃幕墙功能的关键所在，除了要研发创新该项幕墙的构造技术、材料技术、控制技术外，该项幕墙通风原理的探讨；特别是探讨能以自然通风为主、电力通风为辅的排出方式更有意义。因仅靠自然通风的原理难以保持排风的有效性和持续性；靠电力通风排气会增加设备投资和运行费用；达不到节能降耗目的。
我们知道空气定向流动必须要在流动方向的两端存在压力差，由压力高的地方流向压力低的地方，这种压力是空气自身的静压与外来的动压之和。而双层玻璃幕墙之间的“空腔”内，沿建筑物高度如何产生下高上低的空气压力差使空气由下而上地流动呢？在敞开式外循环体系通风式玻璃幕墙中；夏季“空腔”的空气在阳光照射下升温；幕墙上下开通风口使空气对流，产生“烟囟效应”，是利用等压过程中气温升高体积膨张（向各方向产生静压力）的原理。当打开“空腔”上下设置的进排风口，“空腔”内升温的空气在向其他方向膨张受阻的条件下；迫使它向上膨张形成空气上浮经排风口排出（并非是上下排气口之间有静压差），带走外界热空气对内层幕墙玻璃外表面气温的影响。冬季关闭外幕墙上设置的排风口，滞留“空腔”的空气；在阳光照射下升温产生“室温效应”，隔离外幕墙玻璃接受外界冷空气对内层幕墙玻璃外表气温的影响；以保护室内气温稳定。
上述冬季的“室温效应” 和夏季“烟囟效应” 是在有阳光照射下的条件形成的，而实际上还存在着无阳光照射；双层玻璃幕墙之间的“空腔”内难以形成冬季“室温效应” 和夏季“烟囟效应”。那么是否因无阳光照射双层玻璃幕墙内外之间无温差呢？其实不然。实际上在冬季无阳光照射的时段；如一天二十四小时中早上、晚上、夜间将有十几小时；还有降雪下雨天、多云阴天等。室内气温经空调采暖系统处理会保持一定的相对稳定的温度；比如C氏18—25度，而室外在无阳光照射下气温会更低；甚至于零下十几度、二十几度，双层玻璃幕墙内外温差更大，这些时段双层玻璃幕墙之间的“空腔”内无“室温效应”，“空腔”内的气温会大大降低内层幕墙玻璃外表层气温，从而降低或影响室内温度。若要保持室内稳定的温度就需要增加空调采暖负荷。既便夏季炎热的天气里无阳光照射的时段；晚上至夜间22时之前，由于地表在白天阳光照射下吸收大量的热量，到晚上夜间需要散热蒸发而使室外气温升高，这时段双层玻璃幕墙之间的“空腔”内；“烟囟效应”就没有白天阳光照射下那样的效果显著，“空腔”内的空气也会吸收内层幕墙玻璃外表面冷气温度而影响室内温度，若要保持室内稳定的温度也需要增加空调制冷负荷。
作为通风式（双层）玻璃幕墙的本质作用；是利用双层玻璃幕墙之间“空腔”内的空气隔离或减少外界冷（热）空气对室内气温的影响，使室内生活、工作有良好的相对稳定的舒适环境。而“空腔”内作为传媒介质的空气是分子运动较为活跃的物质之一；即对物质温度的传递（吸热或放热）异常活跃。利用这种“介质”本身就存在着矛盾，一方面利用它“隔离”外来冷（热）量，另一方面它又传递（吸收或释放）外来的冷（热）量。
利用双层玻璃幕墙之间“空腔”内的空气介质，就要利用它“隔离” 外来冷（热）空气的长处，避它传递（吸收或释放）外来冷（热）空气的短处，实质上就是让它的气温与室内气温相近，降低它向内层幕墙玻璃外表面传递冷（热）空气的能力，减少它对室内气温的影响。同时要让它在“空腔”内上浮流动，否则，它滞留在“空腔”内的时间长，会吸收外层幕墙玻璃传导的外界空气的冷（热）量；与内层幕墙玻璃外表面气温温差变大；影响室内气温的变化。在敞开式外循环体系通风式玻璃幕墙中，一般外层幕墙采用中空钢化玻璃和利用各种形式的遮阳板遮阳，其意义就在于夏季隔离和遮挡阳光照射使“空腔”内气温升高，减少“空腔”内气温与内层幕墙玻璃外表面气温的温差。打开外玻璃幕墙上下进排风口让“空腔”内热空气上浮流动；既带走内层幕墙玻璃外表层升温的空气，也减少“空腔”内气温与内层幕墙玻璃外表层气温的温差。
双层幕墙之间“空腔”内的空气气温与内层幕墙玻璃外表层气温温差越小；与内层幕墙玻璃外表层的冷（热）交换能力越弱；保护室内气温稳定的能力越强。冬季采取“室温效应” 和夏季采取遮阳换气的“烟囟效应”；都是在有阳光照射的条件下使“空腔”内的气温与内层幕墙玻璃外表层气温温差减小的措施。在无阳光照射的时段；如何调节“空腔”内的气温与内层幕墙玻璃外表气温相近？使冬季“室温效应” 和夏季“烟囟效应”不受无阳光照射的影响而发挥作用，本文将就此问题进行一下探讨。
我们知道建筑物地下室的气温相对于外界气温可谓“冬暖夏凉”，且一年四季保持相对稳定。它是由于地面层和建筑物长期隔离室外；不受室外气温冷暖变化的影响以及与“地气”的交换形成的，又因地下室与室内电梯井及消防安全楼梯通道相通，因此常年与室内气温相近。并且与停车场的进车道相通；由进车道通向外界可引进室外新鲜空气，故地下室空气可谓是无能耗资源。若把地下室空气引入双层玻璃幕墙之间“空腔”内作为介质；隔离内外层玻璃幕墙之间空气的冷（热）交换；对建筑物内空调采暖系统的节能降耗将更有意义。
在通风式玻璃幕墙中；“封闭式通风体系”外层玻璃幕墙为全封闭状态，内层玻璃幕墙下部开设通风口，室内空气经该风口进入双层玻璃幕墙之间“空腔”，“空腔”与室内空调采暖系统的抽风管相通，通过空调采暖系统风机的运行；强制性使“空腔”内空气流动循环，使内层幕墙玻璃外表面气温接近室内气温，以达到室内气温稳定。但这种以室内经过空调采暖系统制冷（或加温）的气体作为“隔离”介质是一种资源浪费，同时为使“空腔”内空气循环流动；需要借助专用设备的运行驱动又增加消耗能源。所以“封闭式通风体系”的玻璃幕墙不被采用也在情理之中。
利用空气压强P、体积V和温度T三者之间的关系，当室内外空气压强P不变时（其实对建筑物所在地；室内外的大气压是一样的）；空气的体积V随着空气温度T的升高而膨胀。敞开式外循环体系通风式玻璃幕墙夏季的“烟囟效应”；就是利用“空腔”内气体升温自然膨胀形成气流，故称自然通风。
利用“封闭式”和“敞开式”通风式玻璃幕墙各有的特点；引入地下室空气作为双层玻璃幕墙之间“空腔”的介质；来实现通风式玻璃幕墙节能；特别是针对无阳光照射条件下的节能很有现实意义。因为地下室的气温相对于外界气温是“冬暖夏凉”；常年与室内气温接近，用这种介质对保护内层幕墙玻璃外表气温不被散失；保持室内气温稳定，且在无阳光照射的条件下也能发挥冬季“室温效应”和夏季“烟囟效应”。
引入地下室空气到双层玻璃幕墙之间的“空腔”里，类似“封闭式”和“敞开式”通风式玻璃幕墙下端开风口；即在地下室护墙体上部开排气口；地下室空气通过排气口经构筑的风道（风道出口要高出室外地面1M左右，且在双层玻璃幕墙之间）进入“空腔”，在外层玻璃幕墙的顶部开设排气口，使地下室排气口与外层玻璃幕墙的顶部的排气口之间因温差而产生压力差，形成自然通风的效果（当然上下排气口需要装置防护网和控制风量风向导流百叶片）。这也是利用空气压强P、体积V和温度T三者之的关系中当体积V不变时气温T上升压强P增大的原理。
冬季在无阳光照射时段（这段时间比有阳光照射的时段更长；达十几小时），内外层玻璃幕墙之间气温相差很大（如果室内气温设置在C氏18—25度：室外气温会零下甚至于零下十几度、二十几度），双层幕墙之间“空腔”里的空气在内外层玻璃气温相差很大的条件下进行冷热交挽；会大量吸收内层幕墙玻璃外表面的热量而降低室内的气温。地下室气温“冬暖”与室内气温相近；将它引入双层幕墙之间“空腔”里；它与内层幕墙玻璃外表面的气温温差小；吸收内层幕墙玻璃外表面热量的能力低；以达到保持内层幕墙内侧气温稳定的作用。夏季在无阳光照射时段；利用地下室气温“夏凉”的特征；将它引入双层幕墙之间“空腔”里；它与内层幕墙玻璃外表面的气温温差也很小；与内层幕墙玻璃外表面的冷（热）交换能力低；同样对保持内层幕墙内侧气温的稳定起作用。
全球变暖(Global Warming)已成为受到各界广泛关注的话题，成为关系到人类命运的重大问题。厄尔尼偌(EIN1O)现象、全球性的极端干旱或洪水等天气事件，使人们不得不关注“全球变暖”是否是一个真实命题?全球变暖的科学基础是否可靠?如果全球气候真的存在变暖的趋势，人类活动到底对此有多大贡献?我们需要花费多少代价才能应对或适应上述变化?……同时，也有不同的声音认为“全球变暖”是个自然的气候波动过程，其影响被部分科学家过分夸大，我们完全没有必要“杞人人尤天”。在2009年哥本哈根会议期间爆出的“气候门事件”，使得上述疑问变得格外突出。
从目前国际主流观点看，国际社会普遍认为：近期全球气候的确存在变暖的趋势，而工业革命以来人类排放的二氧化碳等温室气体是加速变暖过程的重要因素。这一观点在由各国科学家和气候官员组成的IPCC(Intergovernmental Panel OnCl1mate Change)的四次科学评价报告中得到充分体现。
关于全球变暖的科学基础，还必须要追溯到2D0年以前。1827年，法国科学家Jean-BaDtlste Fourler就指出地球大气层存在与温室相似的热量保存机制，即所谓的“温室效应”(Greenhouse effects)。1860年，英国科学家通过测量二氧化碳和水蒸气对红外辐射的吸收，认为地球出现冰期的一个原因是由于大气二氧化碳浓度降低导致的热辐射减少。1896年，瑞典科学家Svante Arrhenius做了开创性工作，他建立模型计算了二氧化碳浓度与地球热量平衡的关系，他提出如果大气二氧化碳浓度翻倍，地球平均气温将增加5―6度。Svante Arrhenlus100年前的工作，与我们现在的认识基本一致，他也被视为气候变暖理论的最重要的奠基者之一。到1940年前后，英国科学家G.S。Ca]]endar首次计算了气候变暖与大气化石燃料排放二氧化碳量的关系。1957年，美国加利福利亚Scrlpps海洋研究所的Roger Revelle和Hans Suess指出人类获得正在“重建”大气二氧化碳平衡关系，该文章促进了同年在夏威夷Hauna Kea开展大气二氧化碳浓度监测，这项工作A延续至今，成为日后大气二氧化碳浓度与气候变化研究的重要基础。
温室效应与地球表面气温变化
科学研究数据表明，地球气候的长期变化与大气中的温室气体浓度波动有显著关系。如图1所示从对南极VOstok冰芯中40万年来气温记录的研究结果可以看出，地表温度的变化与大气中二氧化碳浓度、甲烷浓度的变化呈显著的正相关关系。
大气中二氧化碳等温室气体调节着地表系统的热量平衡。太阳辐射为地球提供了巨大的辐射能。根据太阳能与地表和大气的热红外辐射的热平衡计算，地球表面和大气的平均温度大致为－19℃，但是地表附近的实际温度大致为15℃。这是因为，太阳的短波辐射可以穿过大气层抵达地表，地表被加热后放出的短波热辐射被大气中的水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和臭氧(O2)等吸收，因此阻挡了地表辐射热量向外空间的耗散，而使地球表面大气温度上升，该过程被称为温室气体效应，而具有吸收热量长波辐射能力的气体被称为温室气体，主要的温室气体有水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)以及氟氯烃类(CFCs)等。
在地球近代演化过程，自然界的温室气体的汇、源转化，使大气中温室气体浓度维持在一个相对稳定的波动范围，大气二氧化碳气体温室效应使地表温度保持在相对适宜的水平，有利于地球生物及人类的繁衍生息。工业化以来，特别是上世纪中叶大规模工业化推动全球经济快速发展，人类活动(主要是化石燃料使用)使大气中二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体浓度迅速增加，氟氯烃类(CFCs)等新的人工合成温室气体也被排入大气，由此使大气温室效应极大地增强，导致近ZL4-年来气温增加远远超过历史气温的平均变化范围。
(1)二氧化碳(C02
(2)甲烷(CH4) 甲烷是另一种重要的温室气体，主要是由沼泽湿地、水田和土壤中草木腐烂、食草动物肠胃微生物活动产生。大气中的甲烷一直很低，200多年前大气中甲烷浓度大约700ppb(千分之一DDm)，明显的增长主要发生在最近二三十年间。如图2所示，工业革命以来，人类活动对全球环境变化的影响越来越明显，近期大气甲烷浓度的增长趋势与气温升高基本是一致的。1998年的观测数据表明，大气中的甲烷浓度已达到1730DDm(Dlugkencky等，1998)。
(3)氧化亚氮(N2O) 氧化亚氮作为温室效应强烈的温室气体，在大气中非常稳定，在大气中的寄宿时间可达130～150年。农业化学肥料和人类生产生活产生的含氮化合物的转化是大气氧化亚氮的主要来源。工业革命以前，大气中氧化亚氮的浓度估计在260―285Dpm(Fluckiger等，1999)，最近200年中，大气中的N2O浓度增加了大约15％，浓度上升到275ppb，目前以0.25％的速率增加(IPCC，1996)。氧化亚氮除本身为重要的温室气体外，还会引起平流层中O2减少，因此，具有双重温室效应作用。
科学家已建立了多种全球气候变化的预测模型，假定在2030年二氧化碳浓度加倍的情况下进行气候变化的预测分析。研究结果显示，随着大气中二氧化碳浓度加倍，全球气温将增高
1.5～4.5摄氏度。不同的温室气体具有的各自的全球变暖增温潜力(GWP)。所谓全球变暖增温潜力，是指不同温室气体相对于二氧化碳温室效应的贡献率。根据I PCC的评估报告(1996)，二氧化碳(CO2)对全球变暖的贡献率为63.7％，甲烷(C Hd)为19.2％，CFCs为10.2％，氧化亚氮(N2O)为5.7％，其他因素为1.2％。
人为活动对全球变暖的影响
大气中二氧化碳等温室气体的浓度水平依赖于地球系统中碳循环的生物地球化学过程。通过生物代谢、火山喷发等过程，海洋、陆地生态系统、岩石圈中二氧化碳、甲烷进入大气圈。而另一些相反的过程，如植物吸收同化、地球化学沉积，又使大气中的温室气体回到海洋和陆地生态系统。在自然条件下，地球系统的不同环境蓄体(大气、海洋、陆地生态系统)中二氧化碳、甲烷处于相对平衡的动态物质交换状态，因此，至少在近百万年的地质尺度上大气中二氧化碳、甲烷等的浓度水平在相对稳定的范围内变动。地球环境中碳的自然循环过程中，大气、海洋和陆地等主要“碳库”的大小及其相互之间的碳交换通量关系(见图4)。
工业革命以来的人类活动，如化石燃料使用、水泥工业、土壤利用类型改变等，极大地干扰了碳循环的自然平衡。人类活动成为导致大气中二氧化碳增加的一个重要的源，初步估算工业革命以来人类活动排放的二氧化碳在大气的净增量为405+30(×109gC)，大气二氧化碳浓度呈显著增加趋势。
工业生产过程中排放的温室气体会造成全球变暖现象，但全球变暖与工业排放在时间上具有一定的滞后效应.通过分析地球、大气、太阳三者热平衡体系的辐射换热，建立了地球及其大气的动态数学模型；利用此模型考察了造成地球温度变化的主要原因和变暖滞后的现象.结果表明：工业温室气体的过度排放会造成大气对地球辐射的吸收系数提高，导致地球温度升高；同时，太阳辐射能量增加，地球和大气对太阳辐射吸收增加，导致地球温度升高.结合近年来人为因素造成的地球温度升高现象进行了定量热分析，预测了温室气体CO2体积分数线性增加条件下的地球温度走势.
关键词：
全球变暖； 辐射换热； 滞后现象
中图分类号：TM 124 文献标志码：A
Analysis of dynamic characteristics and hysteresis of global warming
HUANG Xiao-huang1， CUI Guo-min1， ZHANG Zhi-qin1， HUA Ze-zhao1， XU Jia-liang2
（1.Institute of New Energy Science and Technology，University of Shanghai for Science and Technology，
Shanghai 200093，China； 2.Shanghai Meteorological Bureau，Shanghai 200030，China）
Abstract：
The greenhouse gases generated by industrial production processes can result in the global warming.However， compared with the discharge of industrial waste gases， the global warming has a certain lag on time.Through an analysis of radiative heat transfer in the heat balance system of the earth， the atmosphere and the sun， a dynamic， mathematical model was established in this paper.The main reasons of changes in the earth’s temperature and the hysteresis of global warming were analyzed by this model.The results showed that an excessive discharge of industrial greenhouse gases can increase the atmospheric absorption of earth’s radiation and lead to an increase in the earth’s temperature.At the same time， the increase of solar radiation energy can raise the absorption of the earth and the atmosphere to the solar radiation and makes the earth temperature to rise.A quantitative analysis of the earth’s temperature rising phenomenon caused by human factors in recent years was carried out and the earth temperature change trend was predicted under the condition of a linear increase in the volume fraction of greenhouse gase CO2.
Key words：
global warming； radiative heat transfer； hysteresis phenomena
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次报告[1]表明，工业革命百年以来，全球温度平均升高了0.74±0.18℃.其产生的根源是由于人类活动造成温室气体浓度大幅提高的结果[2-3].地球上的温室气体主要包括H2O、CO2、CH4、N2O、O3以及氟氯烃等.其中水蒸气是体积分数最大的温室气体，但是由于其产生并非人为造成的，因此一般在探讨气候变暖时都不予考虑.而其它的温室气体，其浓度的变化都与人类的活动密切相关，因此是造成地球变暖的主要原因.目前，由于全球变暖的形势变得越来越严峻，由其产生的气候和环境问题也已经逐渐显现，因此，正确预测温室气体浓度及其产生的地球变暖，并据此给出人类排放的控制时间表，是目前解决环境保护与社会发展之间矛盾的首要问题.鉴于此，气象学家采用多种气候模型预测了地球未来的温度趋势，几乎都得到了令人不安的结果：如果不能有效地控制CO2的排放，到2100年地球表面温度可能再升高1.1～6.4℃.这将导致灾难性结果[1，4-5].
但是，尽管各种预测模型都得到了地球未来将升温的结论，然而各种结果的差异却很大.虽然最终的1.1～6.4℃的升温都是不可接受的，但是预测结果差异也表明这些模型的不确定性.同时在具体数值上的差异也是很明显的，例如，比较文献[6]和文献[7]可以看出，有些项目的数据之间存在着较大的差别，如大气层向地面的辐射能量、地球表面向外的辐射能量分别相差9 W·m-2、7 W·m-2.这些都会影响地球表面温度的变化，进而使得预测结果出现很大的差别.究其原因，是由于问题本身的复杂性以及内在机理的不确定性使然.从上述分析来看，一种准确严密的预测模型需依赖于对地球、大气、太阳构成的系统的准确数学建模，才能揭示温室效应产生的全球变暖的阶段性以及最终结果.
鉴于此，本文通过能量守恒原理分析地球、大气、太阳三者热平衡体系的能量平衡关系，基于自动控制理论建立地球及其大气的动态数学模型，考察造成地球温度变化的主要原因及其代价和滞后现象，据此揭示地球升温过程的本质和过程特点.
1 地球及其大气升温的动态数学模型
近年来，由于工业排放的作用，地球大气中的温室气体浓度出现了明显的增加，其中以CO2、CH4和N2O的增加最为明显，这主要是因为工业排放量大，并且三者都具有很长的自然滞留时间的缘故.这些温室气体的增加，无疑将导致大气对于地球辐射温室效应的增强，并且最终导致地球温度的升高.为了考察地球温度随着不同的温室效应变化（由温室气体浓度的变化决定）的规律，以地球和大气为研究对象，建立其温度变化的动态模型.忽略地球表面水蒸气蒸发潜热以及对流换热作用，地球本体得到的能量包括太阳辐射吸收部分以及温室效应造成的大气逆辐射部分，发射的能量是基于自身平均温度的黑体发射力；而对于大气来说，其能量平衡则是太阳辐射以及地球辐射能量的吸收等于其自身的发射.
根据地球及其大气能量收支关系，如果达到平衡，则有
式中，Qout为最终由地球大气系统向外太空辐射的总能量；Qnet，earth，out、Qnet，atm，out分别为地球辐射穿过大气进入太空的能量和大气辐射进入太空的部分，具有如下能量平衡关系
式中，Qearth，emit为地球本身的辐射能量； Qgreenhouse effect为由于大气温室效应吸收的能量； Qatm，emit为大气的辐射能量； Qatmsun，a为大气对太阳辐射的吸收能量； Qearth，emit为地球本身发射能量； Qearthsun，a为地球吸收太阳辐射能量； Qearthatm，a为地球吸收大气辐射能量.
当处于平衡状态时，这些能量维持上述平衡关系.但是一旦某一能量发生变化（一般都来自于发射体的温度变化），这种平衡就将被破坏，从而带来地球或者大气温度的变化，并通过改变其辐射量来平衡热量的变化.
总的来说，地球表面温度Tearth的变化与大气温度Tatm的变化存在以下关系
式中，ΔTearth为地球的温升；ΔTatm为大气的温升；A为常数.
从式（3）可以看出，地球表面的温升与大气的温升在数值上不一定相等，但是存在一定的正比例关系.这里，以“持续升温”模型，得到在外部强迫作用下地球温度升高的动态数学模型为
式中，Qatm，emit为大气温度的函数，表示为f′（Tatm）.
由式（6）、式（7）构成了地球表面和大气温度变化的动态方程组，其中Tearth和Tatm为未知量，两者存在着强烈的耦合效应.根据式（6）、式（7），可以揭示地球表面升温的两个主要原因：
（1） αatm-earth提高，此时大气对地球发射的红外辐射的吸收增加，导致更为强烈的温室效应，从而将使地球温度升高.而导致αatm-earth升高的直接作用就是工业温室气体的过度排放，因此这一作用是地球升温的内因；
（2） 地球和大气对太阳辐射吸收Qsun，a提高，其包括地球和大气对太阳辐射吸收的增加.从式（6）和式（7）中可以看出，当太阳辐射增加以后，地球和大气温度都将受到影响.这一作用一般与太阳的活动周期密切相关，属于地球升温的外因.
2 温室气体造成的地球升温的滞后效应分析
由于太阳活动周期具有一定的规律，而且与人类活动没有关系，所以这里只讨论由于温室效应增强带来的地球表面升温的滞后效应.
2.1 地球和大气升温的时间常数
根据自动控制理论，将式（6）和式（7）等号右边的热量差处理扰动作用，则地球表面和大气的升温过程呈现为典型的积分环节特性，两者的传递函数分别为
从式（10）、式（11）可以看出，由于地球和大气的总热容量不同，因此在扰动作用下的地球和大气的升温也将不完全同步，存在一定的相位差.而平衡此不同步作用的方式除了大气与地球之间的辐射传热以外，对流换热将起到更大的作用，这里不作深入讨论.取地球的总质量的1/10参与升温作用，则其质量为5.69×1023 kg，并取其平均比热容为0.85 kJ·kg-1·℃-1，则其时间常数为30.49 a；取大气的总质量为5.136×1018 kg，其平均比热容为1 kJ·kg-1·℃-1，则其时间常数为2.78 h.由时间常数可见，大气和地球动态温度变化具有很大的滞后特性，而相比于大气来说，地球的滞后作用更为明显.
2.2 温室气体浓度升高后的地球温度变化
由于工业革命以来温室气体的浓度逐年升高，导致了其温室效应的逐步提高，这样就破坏了地球和大气系统的热平衡，从而导致地球的升温.鉴于此，将热量扰动与温室气体浓度升高产生的温室效应增强联系起来.以CO2为例，在近50年内其体积分数从3.20×10-4增加到3.80×10-4，假设其增加为线性变化[1]，根据大气压缩模型方案[8]，得到温室效应增强量ΔQ与距离1960年的时间间隔t的变化关系如图1所示.可见，其总热量基本呈现为线性变化，拟合公式为
将τearth=30 a代入式（15），得到地球在当前CO2体积分数增加情况下地球表面的温度响应，如图2所示.
从图2可知，因为人为的CO2等温室气体排放的增加，地球温度自1960年以来一直呈现上升的趋势，至2010年，气温升高了0.617 ℃，这与IPCC报告给出的数据基本相符；另一方面，由于大气中的CO2体积分数近年来基本呈线性关系变化，地球表面温度响应的滞后特性在未来将被极大地体现出来，其温度的升高在未来多年将得到一定延续，并且会出现升温加速的现象，除非其自身辐射抵消温室效应为止.此时，地球表面温度将维持在一个新的较高的水平，即所谓的“积分保持”作用，除非温室气体体积分数有所下降.因此，如何减少CO2等温室气体的排放问题已经被列入各国政府、联合国会议的首要议题，放在优先考虑的地位，成为全球亟待解决的重大战略课题[9].
3 结论
基于能量守恒及自动控制原理建立了地球变暖动态数学模型，通过此模型，考察造成地球温度变化的两个主要原因，即：温室气体的过度排放会造成地球升温加剧；太阳辐射能量增强会造成地球一定的温升.在此动态特性基础上，对于地球变暖与温室气体排放时间上的滞后现象进行了分析，得出大气和地球动态温度变化具有很大的滞后特性，大气温度变化滞后时间为2.78 h，地球表面温度变化滞后时间为30.49 a.可见，温室气体的排放，对于全球变暖具有很大的滞后效应.
根据全球变暖动态模型，本文结合现有温室气体CO2的排放水平，预测了地球温度的未来走势.结果表明，根据地球变暖滞后时间常数，可以得到任意时间的地球温度变化.同时，地球环境温度对于温室气体体积分数的响应具有显著的滞后效应，在现有排放水平不变的情况下，地球表面温度仍将进一步升高.
参考文献：
[1] OLOMON S，QIN D，MANNING M，et al.Intergovernmental Panel on Climate Change，Climate Change Physical Science Basis[R].New York：Cambridge University Press，2007.
[2] LE T H，SOMERVILLE R，CUBASCH U，et al.2007：Historical Overview of Climate Change.In：Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R].New York ：Cambridge University Press，2007.
[3] FORSTER P，RAMASWAMY V，ARTAXO P，et al.2007：Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing.In：Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R].New York ：Cambridge University Press，2007.
[4] MYHRE G，HIGHWOOD E J，SHINE K P，et al.New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases [J].Geophysical Research Letters，1998，25（14）：2715-2718.
[5] HAIGH J D，WINNING A R，TOUMI R，et al.An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate[J].Nature，2010，467（7）：696-699.
[6] KIEHL J T，KEVIN E T.Earth’s annual global mean energy budget[J].Bulletin of the American Meteorological Society，1997，78（2）：197-208.
[7] KEVIN E T，JOHN T F，JEFFREY K.Earth’s global energy budget[J].Bulletin of the American Meteorological Society，2009，90（3）：311-323.
什么是温室效应
说起温室，大家一定会联想到玻璃花房和塑料大棚。那玻璃、塑料薄膜，可以让太阳光直接照射进去，加热里面的空气，却又不让花房(或大棚)内的热空气向外散发，使里面的温度保持高于外面的状态，以提供有利于植物快速生长的条件，尤其是在冬季，本应生长于其它三季的花草、蔬菜仍能在里面正常生长而免受冻害。鉴于它们的保温功效，人们称它为暖房或温室。显然，温室有两个特点，一是室内温度比室外要高，二是保温不会散热。可见，从植物生长和对人们生活来说，温室是有功之臣。
我们都知道，地球的大气层也像无形的玻璃罩包围着地球，对地球起着保暖作用。大气的这种保暖作用正与上面所说的玻璃花房和塑料大棚极为相似，所以称为温室效应。
并不是大气中每种气体都能强烈吸收地球长波辐射，能够起到温室作用的气体称为温室气体，主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、水汽等，其中又以二氧化碳的温室作用最为显著。
人类不能没有
温室效应
如今在人们的印象中，温室效应总是与灾难联系在一起的，以至于人们都欲除之而后快。其实，温室效应本来的意义与被人们认为是“灾变”的气候变暖不是一回事。相反，它是地球上众多生命的“保护神”，是地球上生命赖以生存的必要条件，如同玻璃花房和塑料大棚与里面生长的植物一样。
以月球为例，由于月球没有大气包围，白天月亮接收太阳短波辐射，温度可以猛升到127℃；夜里月球放出长波辐射，而没有大气长波辐射来补偿，致使温度骤降到零下183℃，这种奇热奇冷的剧烈变化使任何生命都难以生存，导致整个月亮成为万籁俱寂的不毛之地。
人类又不能忍受
过度的温室效应
作为生命保护伞的温室效应一旦过度，也会有负面影响。
如果由于某些原因，使得甲烷、臭氧等能强烈吸收地球长波辐射的起到温室作用的温室气体，二氧化碳大气中含量失去动态平衡，比如说二氧化碳含量过大，导致温室效应过度，就会出现金星那样表面温度高达525℃的情况。那么，地球上的生物，包括人类在内就都会灭绝了。
时时敲响“善意的温室警钟”
关键词：日光温室；增降温技术；现状；展望
中图分类号 S625.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）06- 71-03
日光温室作为集中我国广大农民智慧结晶的特色农业生产设施，具有充分利用太阳资源、不加温或少加温即可在冬季进行正常生产的优点，已成为我国现代农业生产的重要标志之一。据2015年统计[1]，我国日光温室面积达92.7万hm2。但目前日光温室仍然存在土地利用率低、耕层土壤破坏严重、光热条件不均匀、太阳能利用率不高、保温蓄热能力有限、自动化程度低等问题。因此，基于现阶段日光温室保温蓄热构件与性能的各个创新实践，笔者认为，亟需研发优型日光温室类型、保温结构、材料与设施设备，尤其是要高效地利用可再生的太阳能资源，研发农民朋友可以用得起的日光温室保温蓄热构件与设备，这些问题将逐步成为日光温室的主要研究方向。
1 日光温室增温和降温技术发展现状及研究进展
日光温室自从20世纪80年展以来，众多科研院所和高校学者对日光温室采光保温结构进行了大量创新研究，在日光温室的整体结构、建造方式、材料等方面都取得了重大进展。其中一些日光温室结构和材料得到广大农户的认可，应用较为广泛。下文从我国北方地区日光温室的冬季的增温与夏季降温2个方面对保温蓄热构件与性能的研究发展成果进行综述：
1.1 增温技术 太阳辐射可通过日光温室前屋面的透明覆盖材料进入日光温室，形成温室效应来增加日光温室室内气温。然而当寒冷冬季来临时，仅仅靠前屋面透明覆盖材料的自然采光往往很难达到理想的增温效果，这就需要改善保温蓄热构件或增加设施设备进行有效增温，以确保室内达到适宜的温度供植物正常生长。
1.1.1 通过改良自身结构增温
1.1.1.1 开挖防寒沟 该方法是在南面挖一道与温室等长，宽约30～40cm，深约50cm左右（可根据当地冻土层设计）的防寒沟阻断地中传热，在北墙后堆放1～6m厚的防寒土或粘贴10cm厚的聚苯泡沫板，增强后墙的保温能力。
1.1.1.2 提高前屋面透明覆盖材料的透光率，减少太阳光损失、增加总入射量 在山东等灰尘天气较多且或昼夜温差大的地区普遍采用防尘无滴的多功能膜，增加棚膜透光率。此外，山东地区农民开发了一种前屋面清洁方法。该方法是在棚膜上绑上若干条松紧合适的布条，布条间隔80cm左右。通过布条在自然风的吹拂下来回摆动即可清扫吸附在棚膜表面的灰尘。该方法除尘效果明显，可有效减少棚膜灰尘累积而造成的的光损耗。
1.1.1.3 采用彩钢板保温 彩钢板保温装配式温室，东西山墙采用可滑动开合的岩棉彩钢板，北半边山墙为固定山墙，南半边山墙能通过滑道向后滑动开合：早晨，随着太阳升起、气温升高至适宜温度，可沿滑道推置于北边，光线可以射到最北面一段底部，充分采光、提高室内温度，东侧山墙沿滑道向后打开，以保证温室东部采光集热；下午，西侧山墙打开，改善西侧光温条件；夜间可全部关闭保温。
1.1.1.4 增加温室墙体的白天储热量 最简单的方法是将内墙面涂黑，增强墙体吸热量，待太阳下山后气温下降时缓慢释放出来提高室内温度。另外，京鹏环球科技公司在温室墙体方面也进行了创新尝试，通过用蜂窝状墙面代替日光温室后墙面的平面结构，使后墙有效受光表面积增大，墙体蓄热量可提高10%～15%。管勇等[2]发现在0.8m厚黏土砖墙内侧粘贴新型相变蓄热墙体材料板可使后墙表面温度平均提高2.1～4.3℃，室内0～20cm耕作层土壤温度平均提高0.5～1.4℃。李明等[3]提出在北墙采用200mm的发泡水泥加厚砖墙可有效提高墙体保温性能，增加了白天蓄热量减少了热损失，使得墙体夜间释放热量增多，室内温度得到提升。
1.1.1.5 余热再利用技术 将白天蓄存在土壤、蓄热水池、墙体等蓄热媒介中的热能在夜间降温时再释放出来，提高室内气温。该类余热再利用技术，夜间能提高气温5.7℃，提高地温2.9℃[4-6]。热能可以在土壤中蓄存多天，以备在阴雨雪天等光照弱、日光温室蓄热不足的时期来维持较高室内气温，促进作物早熟、高产。
1.1.2 通过装备辅助机械设施设备增温 （1）土壤浅层地热的使用并配合半地下式温室。在夜间利用可再生浅层地热，后墙布设空气管道，白天将棚顶的热量通过地下传送到室内前部分，增加温室前部温度[7]。（2）张勇等提出了一种可跟随不同季节的太阳高度角改变前屋面倾角的日光温室[8]。该日光温室的前屋面是一个活动面，倾角可以在电机的带动下改变大小，以保证在不同季节最大限度的采光，充分利用太阳能，增大了白天的采光量。与对照温室相比，可变前屋面倾角日光温室在晴天和多云天气的采光率和太阳辐射照度，最大可提高41.75%的和69.54W/m2，室内温度也提高了3℃左右。（3）孙周平等研发的彩钢板保温节能日光温室[9]，该温室整体呈半圆弧形，上部覆盖面采用三段滑动式岩棉彩钢板，东西两侧采用可移动开合的东西山墙，最大限度的的采光，提高了太阳能的利用率，室内外温差可高达39.1℃，保温隔热好，增温效果明显。采用彩钢板来代替土墙和砖墙等保温蓄热墙体，以水为蓄放热载体，配合空气-地下土壤热交换系统进行增温，保温蓄热效果好、增温灵活。（4）方慧等设计建造了一套地源热泵与地板散热方式相结合的加热系统[4]，室内水平方向气温相对较均匀，作物生长整齐。（5）丁小明等设计了一套基于毛细管换热器的加温系统[10]，水平放置应用于日光温室中时散热量最大，单位面积散热量可达到307～381W。（6）利用太阳能发电加热。戴巧利的主动式太阳能空气集热――土壤蓄热温室加温系统[7]。该系统将太阳能转化为空气的热能，通过风机导入地下蓄存。当室内气温降低到预定温度时，智能控制系统自动利用白天蓄存在地下的热能加热温室。由于土壤热容量大，可以在白天蓄存的热能，满足夜间热能的供应，使室内温度保持在较适宜的水平。（7）众多学者将研究方向定在了如何将白天的太阳辐射能在夜间供暖，以提高夜间温室内温度。张义等将水幕帘应用于日光温室后墙上[6]，把热量贮存在地下土壤和水池里；王宏丽等将建筑材料与相变材料有机混合，制成蓄热砖块[11]，建造相变蓄热温室，白天将热空气蓄存在墙体内；张勇等[12]的无机相变材料，管勇等[2]的三重结构蓄热相变墙体，在白天吸收蓄存富余的太阳辐射以供夜间加温。
1.2 降温技术 日光温室由后墙和后坡面及东西侧山墙，各种骨架材料支撑的不规则前屋曲面和透明及不透明保温覆盖材料组成，散热少、保温蓄热性能好。当高温夏季来临时，由于透明棚膜可吸收透过短波辐射，阻挡长波辐射散出，室内热量不断累积增温，有时可达40℃以上，因此，仅仅靠温室自然通风往往达不到理想的降温效果，还需要具备相应的放风散热结构，吸蓄热载体甚至机械设备，以减少太阳辐射、增加蒸发潜热放热或蓄存地下以及增加通风换气进行有效降温。
1.2.1 通过改良自身结构降温 在日光温室前屋面顶部和底部分块覆膜或在顶部开放风孔的方式，在温室前屋面近地面处和温室顶部自然放风降温。在日光温室外部架设遮阳网（幕），减少阳光入射量，降低室内的温度。
1.2.2 通过配备机械设施降温 其一，使用湿帘―风机通风降温：即利用风机使日光温室内形成正压或负压，带走室内高温热空气，外部空气经过水帘降温补充室内，既能通风换气，又可以降低温度、增加湿度。其二，部分温室通过在室内安装喷雾设备进行潮汐式喷雾，蒸发降温。
2 保温蓄热研究发展遇到的问题
2.1 前期建造温室时缺乏合理设计 日光温室保温蓄热构件设计参差不齐，在实际生产中，农户主要以模仿现有日光温室类型和保温蓄热构件的方式，并结合自己的多年生产经验和直观判断，在有限的资金基础上，采用简易廉价材料代替高品质材料进行建造。因此，在实际生产过程中保温蓄热效果有限。后期虽然吸纳了优秀的保温蓄热设计，不断投资设计改进，但由于前期的规划设计不当，且没能做到根据自身地域特点、现有温室本身的设计方式和生产管理技术进行设计改进，移花接木，往往无法发挥应有的保温蓄热效果，反而增加了建造和能耗成本，甚至造成减产减收，得不偿失。
2.2 日光温室结构及现有装备的不足 尽管目前研发的保温蓄热构件和设施设备各有其相应的效果，但由于技术本身的保温蓄热效果不理想、投资成本和使用费用过高、经济可行性不强等不足以至于的推广率不高。因此，还需要学者和技术人员进行进一步的研究，在保温蓄热效果、生产操作便利度、投资运营成本上进行优化完善，研发农民朋友会用、好用、用的起的结构和设备。
2.3 保温蓄热构件和设备推广的局限性 合理的日光温室结构和先进的设施装备主要集中在科研院所和高校，由于前期投资成本相对较高，农民对新事物的接受需要一个过程，这些结构和装备推广有限。广大农户的日光温室依然是以简易节能温室为主，建造大多简陋，几乎没有或很少有新保温蓄热构件和设施设备的引进。
3 发展趋势展望
（1）打破建筑设施界限，从先进的连栋温室甚至其他建筑中吸纳优秀的保温蓄热设计理念为我所用，综合运用热力学与传热学、作物栽培生理学、自动化控制等多个学科，研发具有中国特色的增温集热、保温蓄热材料及智能化、自动化设施设备，坚持走低成本、低能耗的发展路线，更好的为农民朋友谋利。
（2）随着设施农业的进一步发展和新型材料的出现，日光温室的保温蓄热构件设计将愈加完善、科学、合理，自动化智能控制系统也会随着计算机和云技术的日趋进步成熟，根据作物生产和环境控制专家系统制定的管理程序，实现控制的专家化、自动化、精准化，从（下转75页）（上接72页）而使室内温度保持在相对稳定的范围。另外，新型可再生能源的发现和应用，譬如当下较热的太阳能光伏技术，也将会逐步替代那些成本高、即将枯竭的、不可再生的化石燃料，给室内增降温技术多加一种选择。
（3）新型日光温室、保温蓄热构件和设施设备被研发出来并逐步完善。笔者借彩钢板保温节能日光温室采光保温蓄热的设计与广大朋友交流讨论：①通过温室自身结构的滑动开合来减少白天结构材料和墙体的遮光、增加太阳光入射量，夜间全闭合多层覆盖，实现最大程度的采光、提高太阳光的利用率，增加室内温度，从而达到理想的增温效果。②采用保温和蓄热性能好的材料并辅助其他设备，尤其是以水为蓄放热载体的系统，分别承担相应的功能，发挥材料自身的优势特性，将是未来日光温室在满足保温、蓄热和增降温需求的研究方向。③采用这种3块覆盖面的半圆形日光温室，通过增大半圆形半径增大温室空间，采光角度几乎不受影响，温室的热容量变大，温度变化更稳定，保温蓄热效果更显著，也将是日光温室提高土地利用率和大型化的重要参考研究方向。④该温室装配式构件可实现工厂化、规范化、标准化生产，逐步推动行业规范的建立。标准化的建立，有利于进行行业交流，促进日光温室增降温技术的高速发展进步。
参考文献
[1]中国市场报告网.2015年版中国日光温室市场现状调研与发展趋势分析报告[R].2015.
[2]管勇，陈超，李琢，等.相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善[J].农业工程学报，2012，28（10）.
[3]李明，魏晓明，周长吉，等.发泡水泥对日光温室黏土砖墙保温蓄热性能的改善效果[J].农业工程学报，2014，30（24）.
[4]方慧，杨其长，孙骥.地源热泵一地板散热系统在温室冬季供暖的应用[J].农业工程学报，2008，24（12）.
[5]方慧，杨其长，张义.基于热泵日光温室浅层土壤水媒蓄放热装置实验[J].农业工程学报，2012（20）.
[6]张义，杨其长，方慧.日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应实验研究[J].农业工程学报，2012（04）.
[7]戴巧利.主动式太阳能空气集热-土壤蓄热温室增温系统的研究[D].镇江：江苏大学，2009.
[8]张勇，邹志荣，李建明.倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验[J].农业工程学报，2014，30（1）.
[9]孙周平，黄文永，李天来，等.彩钢板保温装配式节能日光温室的温光性能[J].农业工程学报，2013，29（19）.
[10]丁小明，何芬，段静，等.基于毛细管换热器的日光温室低温供暖系统设计[J].农业工程学报，2013，29（19）.
[11]王宏丽，李晓野，邹志荣.相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果[J].农业工程学报，2011，27（5）.
[12]张勇，邹志荣，李建明，等.日光温室相变空心砌块的制备及功效[J].农业工程学报，2010，26（2）.
[13]王宏丽，邹志荣，陈红武，等.温室中应用相变储热技术研究进展[J].农业工程学校，2008，24（6）：304-307.
[14]方慧，张义，杨其长，等.日光温室金属膜集放热装置增温效果的性能测试[J].农业工程学报，2015.31（15）.
[15]孙维拓，张义，杨其长，等.温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析[J].农业工程学报，2014，30（14）.
[16]牛润萍，徐小龙.主动式太阳房相变蓄热地板供暖实测研究[J].建筑科学，2013，29（8）.
[17]曹晓波，王双喜.北方地区连栋温室采光保温结构与性能发展现状与展望[J].现代农业科技，2014，23.
[18]仉国栋，杨青顺，景明霞，等.高寒地区日光温室后墙采光保温结构与性能研究与应用[J].农机化研究，2015，12.
[19]杨其长.荷兰温室节能工程研究进展[J].农业工程技术・温室园艺，2007（1）.
[20]杨其长.中国设施农业的现状与发展趋势[J].农业机械，2002（1）.
[21]张书谦，刘卫明.论温室节能设计与运行[J].农业工程技术・温室园艺，2010（9）.
[22]高文波，张勇，邹志荣，等.主动采光蓄热型日光温室性能初探[J].农机化研究，2015，7.
关键词畜禽；温室气体；时空变化；LMDI模型
中图分类号S168文献标识码A文章编号1002-2104（2016）07-0093-08doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.07.012
20世纪90年代以来，全球气候变化成为人类经济社会可持续发展所面临的重大挑战，畜禽温室气体排放日益受到社会各界的关注。联合国粮农组织（FAO）2006年的报告显示，每年由牛、羊、马、骆驼、猪和家禽排放温室气体的CO2当量占全球排放量的18%[1]。而世界观察研究所2009年的报告指出，全球牲畜及其副产品排放温室气体的CO2当量约占全球总排放量的51%[2]，几乎是FAO估算量的3倍。可见，畜禽已成为重要的温室气体排放源，而畜禽温室气体主要源于动物肠道CH4排放、动物粪便处理过程中产生的CH4和N2O[3]，从动物类型来看，反刍动物产生的温室气体排放最多，其次为猪，最少的是鸡[4]。
国内外学者对畜禽温室气体排放量的测算及其影响因素进行了大量研究。在畜禽温室气体排放测算方面，董红敏[5]等采用OECD的测算方法对中国三个时点（1980年、1985年、1990年）的反刍类动物CH4排放量进行了估算；FAO[1]利用IPCC的方法和系数，估算了中国2004年主要畜禽的温室气体排放量；Zhou[6]等测算了中国1949-2003年畜禽的温室气体排放量；胡向东[7]等测算了中国2000-2007年以及各省区2007年畜禽温室气体排放量，结果表明，2000-2007年中国畜禽温室气体排放量总体呈下降趋势，各省区畜禽温室气体排放量呈现区域集点；闵继胜[8]等测算了中国1991-2008年以及各省份畜牧业温室气体排放量，结果表明，1991年以来，中国畜牧CH4和N2O排放量均呈先升后降的趋势；尚杰[9]等测算了1993-2011年中国畜禽温室气体排放量，结果表明，中国畜禽的CH4排放量整体呈波动上升趋势，N2O排放量持续增加。在畜禽温室气体排放的影响因素方面，谭秋成[10]研究表明，由于技术进步和技术效率的提高，单位肉类和牛奶排放的温室气体均有大幅度下降；陈瑶[11]等研究表明，经济因素是影响我国畜牧业温室气体排放的最大因素，短期内效率因素是我国畜牧业低碳化发展的最主要诱因，而从长期来看劳动力因素是我国畜牧业低碳化发展的最主要因素；尚杰[9]等研究表明，动物肠道发酵CH4、N2O排放的影响因素主要取决于动物种类、饲料特性、饲养方式和粪便管理方式等。
以上研究取得了有价值的结论，为本文深入研究提供了重要的参考数据和研究方法。但存在以下可以改进之处：一是研究对象大多侧重于国家层面畜禽温室气体排放量的测算，全面把握中国畜禽温室气体排放变化规律，不仅从总体上刻画其演变特征，更要分析区域差异；二是关于畜禽温室气体排放成因研究未及深入展开，考虑到畜禽温室气体排放的区域差异性，有必要对各地区畜禽温室气体排放的影响因素进行分析，以便找到进一步降低畜禽温室气体排放的方向和对策。基于此，本文测算分析了1991-2013年中国畜禽温室气体时空变化规律，并运用LMDI模型从温室气体排放强度、农业产业结构、农业经济水平和农业劳动力等方面进行因素分解，揭示畜禽温室气体排放时空变化的成因。
陈苏等：中国畜禽温室气体排放时空变化及影响因素研究中国人口・资源与环境2016年第7期1研究方法及数据来源
1.1畜禽温室气体排放量的测算方法
畜禽温室气体排放主要包括畜禽胃肠道内发酵的CH4、畜禽粪便处理产生的CH4和N2O和畜禽饲养过程中对化石能源等消耗产生的CO2[12]。鉴于畜禽生产过程中化石能源消耗相关数据的缺乏，本文选取牛、羊、马、骡、驴、骆驼、生猪、家禽和兔等动物作为研究对象，测算中国及各省（区、市）畜禽温室气体排放量，其具体的测算方法如下：
式中，C、CCH4和CN2O分别为畜禽温室气体排放量、CH4和N2O排放量；21和310分别为CH4和N2O转化为CO2当量的转化系数；Ni表示第i种畜禽的平均饲养量；αi和βi表示第i种畜禽的CH4和N2O排放因子。由于畜禽饲养周期不同，需要对畜禽年平均饲养量进行调整，参考胡向东[7]的计算方法。当出栏率大于或等于1时，畜禽年平均饲养量用出栏量除以365再乘以其生命周期，主要有生猪、家禽和兔，生命周期分别为200天[7]、55天[13]和105天[7]；当出栏率小于1时，畜禽年平均饲养量用本年末的存栏量表示，为消除单个时间点的影响，采取畜禽上年年末存栏量和本年末存栏量的平均数表示。借鉴已有研究关于各畜禽的温室气体排放系数，CH4排放系数来源于2006年IPCC国家间温室气体排放指南[14]，N2O排放系数来源于胡向东[7]，具体的排放系数见表1。
1.2畜禽温室气体排放影响因素的LMDI分解
因素分解方法作为研究事物变化特征及其作用机理的一种分析框架，在环境经济研究中得到广泛的应用。通行的分解方法主要有两类，一类是指数分解方法（Index Decomposition Analysis，IDA），另一类是结构分解方法（Structural Decomposition Analysis，SDA）。SDA方法利用投入产出表，以消费系数矩阵为基础，对数据要求较高；而IDA方法只需部门加总数据，适合分解含有较少因素的、包含时间序列数据的模型。IDA方法包括Laspeyres指数分解与Divisia指数分解等，但两者分解不彻底，存在分解剩余项，Ang[15]等在综合比较了各种IDA方法基础上，提出了对数平均迪氏指数法（Logarithmic Mean Divisia Index，LMDI），该方法最大特点在于不会产生分解剩余项，且允许数据中包含零值。因此，本文选用LMDI从温室气体排放强度、农业产业结构、农业经济水平和农业劳动力等方面量化分解影响畜禽温室气体排放的因素[16]。结合现有研究成果，将畜禽温室气体排放分解为：
C=CLS×LSAGRI×AGRIP×P（2）
式（2）中，C为畜禽温室气体排放量，LS为畜牧业产值，AGRI为农林牧渔业总产值，P为农业劳动力的数量。对各个分解因素进行定义，定义EI=C/LS为畜禽温室气体排放强度，即畜禽温室气体排放量与畜牧业产值之比；定义CI=LS/AGRI为农业产业结构，即畜牧业产值占农林牧渔业总产值比重；定义SI=AGRI/P为农业经济水平，即农业劳动力的人均农林牧渔业产值。则（2）式可进一步表述为：
C=EI×CI×SI×P（3）
由于LMDI的“乘积分解”和“加和分解”最终结果一致，而后者能较为清晰的分解出影响因素，因此，本文采用
放系数肠道发酵1.0068.0051.4018.0010.0046.005.000.254-粪便管理3.5016.001.501.640.901.920.160.080.02N2O
排放系数粪便管理0.531.001.371.391.391.390.330.020.02注：非奶牛取黄牛和水牛的平均值；羊取山羊和绵羊的平均数；家禽取鸡、鸭、鹅和火鸡的平均数。“加和分解”的方法（详细推导过程可参阅Ang[17]etc）：
ΔC=Ct-C0=ΔEI+ΔCI+ΔSI+ΔP（4）
式（4）中，C0为基期畜禽温室气体排放总量，Ct为T期温室气体排放总量，ΔC为畜禽温室气体排放总量变化。这种变化可分解为：ΔEI表示单位畜牧业产值排放温室气体变化，即强度效应；ΔCI表示单位农林牧渔业总产值的畜牧业产值变化，即结构效应；ΔSI表示人均农林牧渔业总产值变化，即经济效应；ΔP表示农业劳动力变化，即劳动力效应。由此，畜禽温室气体变化直接受制于4种因素的变化。其具体表达式分别为：
若ΔEI、ΔCI、ΔSI和ΔP的系数为正值，说明该效应对畜禽温室气体排放起到促进作用，反之，则起到抑制作用。
1.3数据来源及整理
本文以生猪、牛、马、骡、驴、骆驼、羊、兔和家禽为研究对象，选取30个省（区、市）（其中重庆市数据合并到四川省数据内）畜禽的出栏量、存栏量、畜牧业产值、农林牧渔业总产值以及农业劳动力数量等数据，这些数据来自于《中国农业年鉴》、《中国农村统计年鉴》、《中国畜牧业年鉴》。考虑到产值不具有纵向可比性，因此本文中的畜牧业产值和农林牧渔业总产值以1990年为基准年，换算为可比的实际产值。
2结果分析
2.1中国畜禽温室气体排放时序变化
2.1.1畜禽温室气体排放的阶段变化
依据畜禽温室气体排放测算公式、各个畜禽温室气体排放系数和畜禽的出栏、存栏相关数据，量化测算了中国1991-2013年的畜禽温室气体排放情况，并将其转化为CO2当量（图1）。图1表明，1991-2013年畜禽温室气体排放大致分为3个阶段，在此基础上，各阶段温室气体排放总量变化及各效应的影响程度见表2。
第一阶段（1991-1996年），畜禽温室气体排放量快速上升。由1991年的2 746.82万t上升到1996年的3 746.16万t，增加了999.34万t。该时期经济效应是促进温室气体排放最主要推动力为2 254.88万t；其他对温室气体排放起到抑制作用，其中强度效应抑制作用最大，为-939.47万t，其次是劳动力效应和结构效应，分别为图11991-2013年中国畜禽温室气体排放
总量变化趋势
第二阶段（1997-2006年），畜禽温室气体排放量稳定上升。受金融危机、通货紧缩等因素影响，1997年畜禽平均饲养量较上一年大幅度下降，强度效应抑制作用为-451.53万t，经济效应抑制作用为-202.35万t，实现了492.17万t畜禽温室气体的减排，随后逐年增加，到2006年畜禽温室气体排放总量达到峰值，为4 228.50万t，增加了482.34万t（需要说明的是：这里峰值出现的时间与胡向东等测算的结果不同，主要原因是后者2006年畜禽数据根据第二次农业普查结果进行了调整，而本文畜禽数据来源于《中国农业年鉴》，以保证数据来源的统一性）。该时期经济效应对温室气体排放促进作用最大，为801.21万t，其次是强度效应，为171.18万t。劳动力效应和结构效应对温室气体排放起到不同程度的抑制作用，分别为-329.14万t和-160.91万t。
第三阶段（2007-2013年），畜禽温室气体排放总量呈波动下降趋势。受饲养周期、饲料成本上涨、畜禽疫病（猪蓝耳病）及南方冰雪灾害等多种因素影响，2007年和2008年散户平均饲养量显著下降，强度效应抑制作用显著，分别为-845.23万t和-731.03万t，实现了830.70万t畜禽温室气体的减排。随后国家出台了一系列支持畜禽转型发展的政策，中国畜禽发展方式在逐年转变，到2013年畜禽温室气体排放总量为3 542.48万t，减少了686.02万t。该时期强度效应对温室气体排放抑制作用最大，为-1 933.07万t，其次是劳动力效应和结构效应，分别为-255.96万t和-133.83万t；而经济效应促进作用显著，为1 636.84万t。
总体来看，1991-2013年，经济效应对畜禽温室气体排放促进作用最大，为4 692.93万t；而强度效应抑制作用最大，为-2 701.36万t，其次是劳动力效应和结构效应，分别为-771.85万t和-424.06万t。
度呈显著的波动性（见图2）。从强度效应累计贡献值演变趋势来看，该效应对抑制畜禽温室气体排放的贡献呈倒“U”，且近几年其抑制作用呈增强趋势。1991-1997年，在国家宏观调控和环境治理影响下，强度效应抑制作用不断加强，累计减少了1 391.00万t温室气体；1998-2006年，受国际环境、高致病性禽流感以及国内农业政策支持乏力等因素影响，规模化畜禽养殖进程缓慢[18]，强度效应抑制作用放缓；2007-2013年，随着畜禽业以散养模式为主向现代养殖模式（专业户模式和规模化模式）转变，畜禽规模化养殖推进为温室气体排放的实施提供可能[7]，强度效应抑制作用呈增强趋势，该时期累计实现1 933.07万t畜禽温室气体的减排，占其总效应的281%。
劳动力效应是仅次于强度效应，是抑制畜禽温室气体排放的另一重要因素。该效应累计贡献值呈波动下降趋势，抑制作用越来越明显。随着城镇化和工业化的深入推进，农业比较效益显著降低，农业劳动力不断转移到非农产业，农业劳动力减少导致散养户大量退出，为畜禽规模化养殖提供可能；此外，伴随着畜禽养殖的规模化发展和管理模式的不断创新，对从事畜禽劳动力的素质有更高要求，进而导致转移更多的畜禽从业劳动力，单位劳动力产出大大增加，促进了畜禽温室气体的减排。1991-2013年，劳动力效应实现了771.85万t畜禽温室气体的减排。
结构效应累计贡献大致呈现低水平徘徊再高水平徘徊再波动下降阶段性特征，对畜禽温室气体排放的抑制作用也越来越明显。1991-1997年，结构效应对畜禽温室气体排放累计贡献处于低水平，年均累计贡献为-54.35万t；1998-2003年，1998年发生的长江全流域特大洪灾，西南地区、长江中下游地区畜禽养殖遭受巨大破坏，全国畜牧业产值占农业总产值较1997年下降了2.28%，结构效应累计净贡献为-290万t，随后几年受农业结构调整的影响，畜禽发展缓慢，结构效应累计贡献处于较高水平，年均为-269.24万t；2004-2013年，结构效应的抑制作用越来越明显，但波动性较大。主要是因为，一是伴随着农业产业结构调整，畜牧业产值占农业总产值由2004年2471%下降到2013年22.10%，下降了2.61%；二是城镇居民日益增长的畜禽产品消费，畜牧业在农业结构中的地位进一步提升。在这双重影响下，该时期结构效应的抑制作用波动较大。
经济效应累计贡献总体上经历了先快速上升再缓慢下降再逐步上升的变化趋势。1991-1996年，市场化改革取得重大进步，农业得到了快速发展，经济效应累计贡献快速上升，增加了2 254.88万t畜禽温室气体；1997-2000年，受亚洲金融危机、通货紧缩及自然灾害等因素影响，农业发展外部环境不佳，经济效应累计贡献缓慢下降，减少了502.53万t畜禽温室气体。2001-2013年，经济效应累计贡献逐步上升，基本呈指数增长的趋势，增加了 2 940.57万t畜禽温室气体。主要是因为，随着经济增长和人均收入稳定提高，城乡居民膳食结构发生变化，对动物性食品的消费需求不断增加，从而带动畜牧业的发展，畜禽温室气体排放不断增加。由此可见，未来一段时间内，伴随经济继续平稳发展和城乡居民收入倍增计划的实施并得到实现，经济效应依然是导致畜禽温室气体排放的最主要因素。
2.2中国畜禽温室气体排放的空间分异
2.2.1畜禽温室气体排放的空间比较
由于中国各省（区、市）资源禀赋差异及畜牧业结构不同，畜禽温室气体排放呈现不同的空间差异，受篇幅限制，本文只列出部分年份畜禽温室气体排放位居前10位的省（区、市）（表3）。
从表3可以看出，1991-2013年，畜禽温室气体排放大省（区、市）没有显著变化，排名前10位省（区、市）畜禽温室气体排放量占全国排放总量的比重约为57%-60%，说明中国畜禽温室气体排放的区域集中度较高。其中，四川和河南一直占据中国畜禽温室气体排放前三名，对畜禽温室气体排放贡献最大。山东、云南和内蒙古等省（区、市）的畜禽温室气体排放也一直靠前。
2.2.2畜禽温室气体排放各效应的空间差异
从1991-2013年中国省域强度效应来看（表4），除天津强度效应对畜禽温室气体排放起促进作用外，各省（区、市）均起到抑制作用。其中，四川、青海和云南规模化养殖处于发展阶段[18]，强度效应提升空间大，从而表现出对畜禽温室气体排放抑制作用显著，分别为-279.56万 t、-221.94万 t和-212.59万 t。除北京、上海、海南和宁夏因行政区划原因，强度效应对畜禽温室气体排放抑制作用较小外，辽宁、吉林和黑龙江规模化畜禽养殖程度较高，但缺少对规模化养殖的畜禽排泄物处理设施的改进[18]，强度效应的抑制作用较小，分别为-17.98万 t、-25.38万 t和-27.87万 t；剩余20个省（区、市）强度效应对畜禽温室气体排放抑制作用介于-200～-30万 t之间。
从结构效应来看，山东、四川和黑龙江属于粮食主产区，随着国家出台了一系列促进粮食生产的政策，畜牧业占农业比重不断下降，分别下降了43.77%、22.51%和
从经济效应来看，各省（区、市）经济效应对畜禽温室气体排放均起到促进作用，但作用强度有差异。四川、河南、内蒙古、山东、云南、湖南和河北畜禽温室气体排放位居全国前10位（见表3），属于畜牧业大省，但畜禽养殖方式仍以传统成分占主导，高投入、高排放发展模式依旧普遍存在，经济效应促进作用较大，分别为612.98万 t、313.64万 t、271.28万 t、269.47万 t、234.54万 t、220.69万 t和220.20万 t；而天津、上海和北京经济发展水平相对较高，但土地面积小，用于养殖空间有限，畜禽养殖方式向集约化、标准化转变[12] ，经济效应促进作用较小，分别为10.18万 t、11.88万 t和13.97万 t；海南促进作用也较小，为1289万 t；剩余19个省（区、市）对畜禽温室气体排放促进作用介于60-200万 t之间。
从劳动力效应来看，新疆、黑龙江和内蒙古作为全国畜禽产品的主要来源地，畜禽产品又是劳动密集型产品，为满足日益增加的畜禽产品需求，劳动力投入不断增加，分别增加了172.84万人、182.7万人和49.92万人，劳动力效应对畜禽温室气体排放促进作用显著，分别为7291万 t、3113万 t和1882万 t；、云南、海南、辽宁、吉林和山西对畜禽温室气体排放促进作用介于0-10万 t之间。四川、湖北、江苏和山东经济发展水平较高，非农就业机会多，畜禽养殖比较效益低，劳动力大量流出，造成散养户空栏或转产，为规模化畜禽养殖提供了可能，劳动力效应抑制作用显著，分别为-17055万 t、-5610万 t、-5294万 t和-4686万 t；剩余17个省（区、市）对畜禽温室气体排放抑制作用介于-40-0万 t之间。
3结论与讨论
本文基于LMDI模型系统分析了1991-2013年中国畜禽温室气体排放时空变化及其因素贡献，揭示了强度效应、结构效应、经济效应和劳动力效应对畜禽温室气体总效应的贡献，并识别了不同时段以及省域畜禽温室气体排放量变化的显著性贡献因素。结果表明：
（1）从时间维度来看，1991-2013年，中国畜禽温室气体排放经历了先快速上升后稳定上升再波动下降的变化特征，总体呈上升趋势。经济效应对畜禽温室气体排放表41991-2013年中国省域畜禽温室气体排放影响因素分解
效应和结构效应。期间，经济效应促进作用的累计贡献呈指数增长，而强度效应抑制作用的累计贡献呈倒“U”，是近几年畜禽温室气体增长趋势有所减缓的主要原因，劳动力效应和结构效应抑制作用不断加强。
（2）从空间维度来看，中国畜禽温室气体排放的区域集中度较高，四川、河南、山东、云南和内蒙古等省（区、市）畜禽温室气体排放一直位居全国前列。省域各效应作用方向和程度差异显著，四川、青海和云南强度效应抑制作用较大，辽宁、吉林和黑龙江抑制作用较小；山东、四川和黑龙江结构效应抑制作用显著，新疆和青海促进作用明显；四川、河南、内蒙古、山东、云南、湖南和河北经济效应促进作用较大，天津、上海、海南和北京促进作用较小；四川、湖北、江苏和山东劳动力效应抑制作用显著，新疆、黑龙江和内蒙古促进作用明显。
强度效应、结构效应、经济效应和劳动力效应空间上的叠加，形成了畜禽温室气体排放总效应的空间差异。未来中国畜禽温室气体减排的空间发展策略有以下几点：①四川、青海和云南等省（区、市）提高畜禽养殖的规模化、集约化和标准化，在减少散户养殖方式同时降低单位畜禽温室气体排放水平，有效提升畜禽养殖产出效率；辽宁、吉林和黑龙江等省（区、市）应制定特定性综合措施，强化畜禽粪便清洁处理技术的研发与应用。②新疆、青海、云南、陕西和江西等省（区、市）应充分发挥资源禀赋优势，优化农业产业结构，实行农牧业有机结合型畜牧业。③四川、河南、内蒙古、山东、云南、湖南和河北等省（区、市）要切实转变农业生产方式，加快推进低碳农业发展，实现农业生产中经济、社会、生态效益三者统筹兼顾，促进畜牧经济与气候资源环境的全面协调可持续发展。④新疆、黑龙江和内蒙古等省（区、市）草地资源丰富、奶牛业较为发达，因此，积极发展饲料加工业和牛奶加工业，推动农业劳动力转移。
参考文献（References）
[1]FAO. Livestock long shadow[R]. 2006： 97-110.
[2]GOODLAND R， ANHANG J. Livestock and climate change[J]. World watch， 2009， 22（6）： 10-19.
[3]OLESEN J E， SCHELDE K， WEISKE A. Modelling greenhouse gas emissions from european conventional and organic dairy farms[J]. Agrriculture， ecosystems and environment， 2006， 112： 207-220.
[4]IPCC. Greenhouse gas inventory reference manual： Revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[R]. 1996.
[5]董红敏， 林而达， 杨其长. 中国反刍动物甲烷排放量的初步估算及减缓技术[J]. 农村生态环境， 1995， 11（3）：4-7.[DONG Hongmin， LIN Erda， YANG Qichang. Methane emitted from ruminants in China and mitigation technologies[J]. Rural ecoenvironment， 1995， 11（3）：4-7.]
[6]ZHOU J B， JIANG M M， CHEN G Q. Estimation of methane and nitrous oxide emission from livestock and poltey in China during 1949-2003[J]. Energy policy， 2007， 35：3759-3767.
[7]胡向东， 王济民. 中国畜禽温室气体排放量估算[J]. 农业工程学报， 2010， 26（10）：247-252.[HU Xiangdong， WANG Jimin. Estimation of livestock greenhouse gases discharge in China[J]. Transactions of the CSAE， 2010， 26（10）： 247-252.]
[8]闵继胜， 胡浩. 中国农业生产温室气体排放量的测算[J]. 中国人口・资源与环境， 2012， 22（7）： 21-27.[MIN Jisheng， HU Hao. Caculation of greenhouse gases emission from agricultural production in China[J]. China population， resources and environment， 2012， 22（7）： 21-27.]
[9]尚杰， 杨果， 于法稳. 中国农业温室气体排放量测算及影响因素研究[J].中国生态农业学报， 2015， 23（3）： 354-364.[SHANG Jie， YANG Guo， YU Fawen. Agricultural greenhouse gases emissions and influencing factors in China[J]. Chinese journal of ecoagriculture， 2015， 23（3）： 354-364.]
[10]谭秋成. 中国农业温室气体排放： 现状及挑战[J]. 中国人口・资源与环境， 2011， 21（10）： 69-75.[TAN Qiucheng. Greenhouse gas emission in Chinas agriculture： situation and challenge[J]. China population， resources and environment， 2011， 21（10）： 69-75.]
[11]陈瑶， 尚杰. 中国畜牧业脱钩分析及影响因素研究[J]. 中国人口・资源与环境， 2014， 24（3）： 101-107.[CHEN Yao， SHANG Jie. Disconnect analysis and influence factors of animal husbandry in China[J]. China population， resources and environment， 2014， 24（3）： 101-107.]
[12]刘月仙， 刘娟， 吴文良. 北京地区畜禽温室气体排放的时空变化特征[J]. 中国生态农业学报， 2013， 21（7）： 891-897.[LIU Yuexian， LIU Juan， WU Wenlang. Spatiotemporal dynamics of greenhouse gases emissions from livestock and poultry in Beijing Area during 1978-2009[J]. Chinese journal of ecoagriculture， 2013， 21（7）： 891-897.]
[13]刘培芳， 陈振楼， 许世远，等. 长江三角洲城郊畜禽粪便的污染负荷及其防治对策[J]. 长江流域资源与环境， 2002， 11（5）：456-460.[LIU Peifang， CHEN Zhenlou， XU Shiyuan， et al. Waste loading and treatment strategies on the excreta of domestic animals in the Yangtze Delta[J]. Resources and environment in the Yangtze Basin， 2002， 11（5）：456-460.]
[14]IPCC. IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories Volume 4： agriculture， forestry and other land use[R]. Geneva， Switzerland： IPCC， 2006.
[15]ANG B W， LIU F L. A new energy decomposition method： perfect in decomposition and consistent in aggregation[J]. Energy， 2001， 26： 537-548.
[16]郭朝先. 中国碳排放因素分解： 基于LMDI分解技术[J]. 中国人口・资源与环境， 2010，20（12）： 4-9.[GUO Chaoxian. Decomposition of Chinas carbon emissions： based on LMDI method[J]. China population， resources and environment， 2010， 20（12）： 4-9.]
