动物营养学报 >

2025 , Vol. 37 >Issue 1: 101 - 114

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2025.009

综述

基于生命周期评价奶牛养殖过程中碳排放研究进展

  • 李佳艺 , 1 ,
  • 王琳 2 ,
  • 焦浩鹏 3 ,
  • 董利锋 , 1, *
展开
  • 1 中国农业科学院饲料研究所,反刍动物及其幼畜营养代谢中美联合研究中心,农业农村部饲料生物技术重点实验室,北京 100081
  • 2 扬州大学农业科技发展研究院(国际联合实验室),扬州 225009
  • 3 新希望乳业股份有限公司,乳品营养与功能四川省重点实验室,成都 610023
* 董利锋,研究员,硕士生导师,E-mail:

李佳艺(2001—),女,河北石家庄人,硕士研究生,从事反刍动物营养与饲料研究。E-mail:

Copy editor: 田艳明

收稿日期: 2024-07-15

  网络出版日期: 2025-01-10

基金资助

国家重点研发计划(2022YFE0130100)

国家重点研发计划(2023YFE0104900-4-2)

收起

Research Progress on Carbon Emissions in Dairy Production System Based on Life Cycle Assessment

  • LI Jiayi , 1 ,
  • WANG Lin 2 ,
  • JIAO Haopeng 3 ,
  • DONG Lifeng , 1, *
Expand
  • 1 Key Laboratory of Feed Biotechnology, The Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Sino-US Joint Lab on Nutrition and Metabolism of Ruminant, Feed Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
  • 2 Institutes of Agricultural Science and Technology Development (Joint International Research Laboratory of Agriculture & Agri-Product Safety), Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
  • 3 Key Laboratory of Dairy Nutrition and Function of Sichuan Province, New Hope Group, Chengdu 610023, China
* professor, E-mail:

Received date: 2024-07-15

  Online published: 2025-01-10

Fold

摘要

生命周期评价是综合量化评估整个生命周期环境影响和资源消耗的一种方法,广泛运用于多个行业中碳排放的相关研究。近年来,由于人为碳排放造成的极端性气候变化和粮食安全问题引起了全球性的关注。奶牛养殖业作为畜牧业的重要组成部分,也是碳排放的主要来源之一。本文基于生命周期评价方法重点总结了国内外奶牛养殖过程中饲料原料生产、胃肠道发酵、粪便管理及能源使用等环节的碳排放特征,分析了不同生产环节和不同种类的温室气体对奶牛整体碳排放的贡献,旨在为奶牛养殖过程中的碳减排研究和应用提供支撑,服务我国农业农村的绿色低碳转型和高质量发展。

关键词： 生命周期评价; 奶牛养殖; 碳排放; 可持续发展

本文引用格式

李佳艺 , 王琳 , 焦浩鹏 , 董利锋 . 基于生命周期评价奶牛养殖过程中碳排放研究进展[J]. 动物营养学报, 2025 , 37(1) : 101 -114 . DOI: 10.12418/CJAN2025.009

Abstract

Life cycle assessment is a comprehensive and quantitative methodology to evaluate the environmental impact and resource consumption of the whole life cycle, which is widely used in the research of carbon emissions in many industries. In recent years, the extreme climate change and food security issues caused by anthropogenic carbon emissions have aroused global concern. As one of the most fundamental part of livestock production system, dairy production system serves as the main source of carbon emissions. The current article summarized the characteristics of carbon emissions from the feed ingredients production, enteric fermentation, manure management, energy use in the dairy production system based on life cycle assessment, and investigated the contribution rates of carbon emissions from different production sources and different types of greenhouse gases. The main objective of this article is to support the carbon reduction research and application of carbon mitigation approaches in dairy farms, and to contribute to the green low-carbon transformation and high-quality development of agriculture and rural areas.

Key words： life cycle assessment; dairy production system; carbon emissions; sustainable development

奶牛养殖业是畜牧业的重要组成部分,在保障国家食物和畜产品安全等方面发挥重要作用[1]。随着人们生活质量的提高和饮食结构的优化,我国奶牛存栏量和牛奶需求量逐步上升。据国家统计局统计,2022年我国奶牛存栏数为1 160.8万头,较2021年增长6.1%;2023年牛奶产量为4 197万t,同比增加6.7%[2]。与此同时,奶牛养殖过程中除了胃肠道发酵产生的甲烷(CH4)之外,还涉及到由于化石能源使用所产生的二氧化碳(CO2)以及粪便管理过程中产生的氧化亚氮(N2O)等温室气体的排放。2019年,我国奶业生产系统的碳排放量为4 490万t,占畜牧业碳排放的15%[3]。此外,通过胃肠道发酵产生的CH4是奶牛饲料能量的重要损失,占饲粮总能摄入量的2%~15%[4]。因此,对奶牛养殖过程中碳排放开展科学评价,推动全生产链条的低碳减排,不仅有益于提高奶牛生产效率和养殖效益,还对推动我国畜牧业可持续和高质量发展具有重要意义。
生命周期评价(life cycle assessment,LCA)是用于评估产品从获取原材料、产品生产使用到产品最终处置的方法,以明确该产品对环境的影响[5]。相较于其他评价方法,LCA可以从系统的角度对系统边界中的碳排放量进行全面的量化分析,已被广泛应用于畜牧养殖业的碳排放评价。Rotz等[6]采用LCA方法对美国6个奶牛主产区的奶牛养殖场碳排放量进行了测算,发现每生产1 kg按脂肪和蛋白质校正奶的碳排放量[以CO2当量(CO2-eq)计]为(1.01±0.09) kg。王效琴等[7]采用LCA方法对西安地区奶牛养殖过程中胃肠道发酵、饲料生产加工、粪便管理和能源消耗等环节的碳排放进行分析,结果显示以上4个环节的碳排放量分别占碳排放总量的48.86%、18.97%、16.39%和15.78%。李凯旋[8]对2004—2020年新疆奶牛养殖业的碳排放总量进行了特征差异分析,提出了新疆奶业低碳转型发展的对策建议。本文围绕奶牛养殖过程中饲料原料生产、胃肠道发酵、粪便管理及能源使用等环节,综述了基于LCA方法的奶牛养殖场的碳排放特征,并对不同生产环节和不同种类的温室气体对奶牛碳排放的贡献进行了分析,旨在为规模化奶牛养殖场的碳减排研究和应用提供支撑。

1 LCA方法概述

1.1 LCA定义和特点

LCA是一种从“摇篮到坟墓”的用于评价环境压力的方法,也是一种对产品在整个生命周期过程中环境影响或潜在影响进行评价的工具[9]。与传统评价方法不同,LCA方法评价的范围是从获取原材料开始到产品最终处置返回环境结束的全过程分析,考察产品对环境带来的综合性影响,兼具全程性和综合性[10]。LCA的优势在于能够针对性地分析产品全生命周期造成的环境压力,评价结果较为详细,可以应用于不同产品之间的环境压力比较。

1.2 LCA系统边界

在LCA中,系统边界是规定系统包含要素的标准,包括时间边界和物理边界。时间边界是指研究周期的年限,奶牛碳排放核算的时间边界一般设定为5年,至少为连续3年的核算期,而物理边界指的是研究过程中所应考虑的所有的生产环节。大部分奶牛养殖场碳排放的LCA研究都是将系统边界设置为原料生产开始到产品售出结束,即“摇篮到大门”[11]。一般而言,奶牛养殖场中碳排放的系统边界主要分为饲料原料生产、胃肠道发酵、粪便管理以及能源消耗4个环节。奶牛养殖过程中碳排放的系统边界如图1所示。
图1 奶牛养殖过程中碳排放的系统边界

Fig.1 System boundary of carbon emissions in dairy production system

1.3 LCA功能单位

在LCA方法中,LCA可以将环境影响分担到某种特定产品进行描述,而作为度量单位的产品就称为功能单位[11]。采用功能单位的目的是比较不同生产系统或不同区域产品生产的碳排放量,是联系生产系统主要功能和环境压力之间的桥梁。目前,奶牛养殖过程的碳排放研究主要采用3种功能单位:1)1 kg牛奶;2)1 kg脂肪与蛋白质校正奶(fat and protein corrected milk,FPCM);3)1 kg能量校正奶(energy corrected milk,ECM)。其中,FPCM常作为奶牛养殖过程中LCA分析的功能单位[5,7]。

1.4 LCA分配方法

分配方法在LCA中指的是对主产品、副产品等共生产品进行负荷分摊的方式。国际标准化组织(ISO)生命周期指南中推荐的原则是尽可能避免分配,若无法避免分配,则优先选择物理分配(如蛋白质分配、质量分配等),其次再选择经济价值分配等分配方法。奶牛养殖过程中除了牛奶之外,还会产生牛肉等副产品。乳制品作为人类摄入蛋白质的主要来源产品,联合国粮食及农业组织(FAO)等组织和机构推荐采用蛋白质分配的方法以便于进行数据和结果比较。另外,在对饲料产品的碳排放进行分配的时候,一般选用经济价值分配,优点在于数据来源可靠,但由于饲料原料的价格不稳定,在对不同地区或时期的产品进行比较时,往往会造成一定的偏差[11]。

2 基于LCA方法的奶牛养殖过程碳排放

2.1 饲料原料生产过程中N2O和CO2的排放

奶牛生产过程中所需要的蛋白质、能量等营养物质需要由饲粮中的粗饲料和精饲料来提供。一般来说,精饲料主要由玉米、豆粕和麦麸等组成,粗饲料则主要包括青贮玉米、苜蓿干草等。根据LCA方法,饲料作物在种植、生产加工过程中的碳排放量主要包括以下几个部分:种植饲料作物过程中施用氮肥所产生的田间N2O排放;饲料种植过程中产生的CO2排放,氮、磷、钾肥生产过程中产生的CO2排放,氮肥中尿素分解产生的CO2排放以及饲料加工产生的CO2排放等。
饲料作物的种植区域、气候条件以及氮肥等投入品的施用量都是影响其碳排放的重要因素。Raana等[12]评估了美国半干旱平原地区14个玉米种植区域玉米籽粒的全生命周期碳排放量,发现1 kg玉米的碳排放量(0.271±0.046) g CO2-eq。罗玉婷等[13]基于2018—2021年在甘肃和宁夏地区的问卷调查数据发现,以1 t干物质籽粒为功能单位时,小麦、玉米和饲用玉米的排放量分别为1.160、0.618和0.295 kg CO2-eq。饲用玉米籽粒的排放量与Raana等[12]结果类似,但其排放量仅是普通玉米籽粒排放量的39.9%[14]和47.7%[13]。饲用玉米籽粒碳排放较少的原因可能是饲用玉米收割期提前,在蜡熟期就完成整株带穗收获与青贮,导致生产投入更低,降低了生产过程中化肥施用的投入,相较于普通玉米籽粒其平均化肥施用量减少了20.25%,从而显著降低了温室气体排放量。另外,Yan等[15]采用调查问卷的方式对江苏、辽宁、山东、山西以及河南5个不同气候条件的水稻、小麦和玉米的碳排放量进行了分析,3种作物的单位产量平均碳排放量分别为0.33、0.66和0.33 kg CO2-eq。对于玉米来说,山西(半干旱地区)的单位产量碳排放量为0.39 kg CO2-eq,河南、山东和辽宁(湿润地区)的单位产量碳排放量为0.28 kg CO2-eq。这是因为西安种植每公顷玉米需要增加94 kWh的灌溉用电以满足玉米的生长需求。除此之外,该地区的土壤养分较低,特别是在雨养条件下土壤中的磷含量较少,因此在种植玉米时需要投入更多的磷肥用量(平均每公顷玉米生产增加45.42%的磷肥投入)。由此可见,饲料种植区域和气候条件的不同也会造成饲料生产碳排放量存在差异。另外,氮肥田间施用的直接和间接排放也是影响饲料原料生产环节碳排放的主要因素之一。张传红等[16]对江苏省1990—2019年水稻、小麦、玉米、大豆和油菜5种作物生产过程各环节碳排放进行核算,以1 kg作物产量作为功能单位,其排放量分别为1.36、0.99、0.81、0.64和1.74 kg CO2-eq。其结果显著高于刘松等[14]和Yan等[15]中小麦和玉米的碳排放量。赵学娇等[17]分析了全国20个玉米主产省的化肥施用现状,发现江苏省的施用量为422 kg/hm2,高于全国平均的化肥施用量(382.2 kg/hm2)和陕西省的实际施用量(392 kg/hm2)。氮肥施到田间后会排放N2O,而其温室效应是CO2的265倍,这也是导致氮肥成为影响饲料生产过程中碳排放量的重要因素。
不同粗饲料在种植过程中的管理模式、氮肥需要量及生产性能等方面存在较大差异,其间的碳排放量也存在较大的不同。Wang等[18]采用LCA与CropWat模型相结合的方法分析了甘肃省4种不同种植模式下苜蓿干草的碳排放量,结果发现不施用化肥和不浇灌条件下碳排放量最低为0.042 kg CO2-eq/kg DM,而施用化肥和河水浇灌与施用化肥和井水浇灌条件下碳排放量分别为0.15和0.63 kg CO2-eq/kg DM。尽管在施肥和灌溉条件下,每公顷可以增加81.24%的苜蓿干草产量,但也无法抵消施肥和灌溉机械所带来的环境影响。在该条件下每生产1 hm2苜蓿干草就会多利用400.1 kg的化肥以及10 802.5 m3的灌溉水,进而使苜蓿生产环节的N2O和CO2排放增多。Adom等[19]对美国5个地区15种奶牛饲料原料的碳排放进行了LCA分析,其中苜蓿干草的平均排放量为0.17 kg CO2-eq/kg DM,苜蓿青贮为0.18 kg CO2-eq/kg DM,玉米青贮为0.20 kg CO2-eq/kg DM。该结果与刘松等[14]对关中平原地区玉米青贮的排放量一致(0.217 kg CO2-eq/kg DM),但低于苜蓿干草的排放量(0.382 kg CO2-eq/kg DM),主要原因是关中地区施用氮肥多,是国家推荐水平的5.15倍。若按照推荐水平进行施肥和氮肥生产,玉米、小麦和苜蓿的碳足迹降低幅度可超过20%以上。与此同时,关中地区的氮肥生产温室气体排放系数为4.77 kg/kg,远高于美国的3.871 kg/kg,这导致化肥施用成为影响饲料生产碳排放的另一个重要因素。因此,通过提高化肥利用效率来减少化肥使用量可作为降低牧场碳排放强度的一种潜在方法。刘松等[14]研究进一步证明,若把关中地区苜蓿生产的施肥量降到国家推荐水平(30 kg/hm2),氮肥生产的温室气体排放系数降至美国水平,那么苜蓿生产的碳排放可以降低42.9%。由此可见,化肥减施对于减少饲料作物种植过程中的碳排放具有很大的应用潜力。饲料作物种植的碳排放量见表1[12⇓-14,16,19,20-21]。
表1 饲料作物种植的碳排放量

Table 1 Carbon emissions from feed crop production

饲料种类
Feed types		 评估对象
Evaluation
objects		 特征描述
Feature
description		 种植区域
Planting area		 功能单位
Functional
unit		 碳排放量
Carbon emission/
kg CO2-eq		 参考文献
References
精饲料
Fine fodder		 玉米Maize 每公顷灌溉用水、施肥、播种
量和除草剂用量分别为5 512~
7 709 m3、191~342 kg、
11~15 kg和3 kg		 美国 1 kg
玉米产量		 0.27 [12]
玉米籽粒
Maize kernel		 每公顷灌溉用水、施肥、播
种量、农药和农膜用量分别为
483.76 t、11 876.22 kg、
32.11 kg、2.33 kg和99.39 kg		 甘肃、宁夏 1 kg干物质 0.62 [13]
小麦
Wheat		 每公顷灌溉用水、施肥、播种量、
农药和农膜用量分别为
366.68 t、8 893.14 kg、
253.77 kg、1.51 kg和4.13 kg		 1.16
玉米
Maize		 单位产量氮肥平均施用
强度为0.031 kg/kg		 江苏 1 kg作物产量 0.81 [16]
小麦
Wheat		 单位产量氮肥平均施
用强度为0.044 kg/kg		 0.99
大豆
Soybean		 单位产量氮肥平均施
用强度为0.019 kg/kg		 0.64
大豆
Soybean		 种植面积在1.5~15.0 hm2,
产量为1 762.5~3 420 kg/hm2,
每公顷播种量和有机肥施用量
分别为40~70 kg和125~4 116 kg		 巴西 1 kg大豆产量 0.19 [20]
粗饲料
Coarse
fodder		 苜蓿鲜草
Fresh alfalfa
grass		 大部分地区为温带大陆气候,
降水稀少;平均种植面积
0.65 hm2,平均产量8 067.2 kg,
每公顷播种量3.75 kg,氮肥
施用量48.2 kg,磷肥
施用量100.1 kg		 甘肃 1 kg苜蓿鲜草 0.21~0.58 [21]
青饲玉米
Green forage
maize		 每公顷产量63 907.3 kg,氮肥、
磷肥和钾肥投入量分别为
179.9、73.8和79.3 kg,
灌溉水用量为2 072.2 m3		 陕西 1 kg干物质 0.22 [14]
小麦秸秆
Wheat straw		 0.10
玉米秸秆青贮
Maize stalk silage		 0.08
苜蓿干草
Alfalfa hay		 每公顷产量10 952 kg,
氮肥、磷肥和钾肥投入量
分别为88.8、110.7和
29.9 kg,灌溉水用量
为5 021.9 m3		 甘肃 0.25
燕麦草
Oat grass		 每英亩产量为57~85 t,
化肥施用量为0.046~
0.073 kg/kg		 美国 1 kg作物产量 0.85 [19]
玉米青贮
Maize silage		 每英亩产量为16~17.67 t,
化肥施用量为0.004~
0.01 kg/kg		 0.20

2.2 胃肠道发酵过程中CH4排放

CH4是饲粮有机物在反刍动物胃肠道内分解代谢后的最终产物之一,不仅是饲粮能量的损失,也是重要的碳排放来源之一。奶牛胃肠道发酵过程中的CH4产生量受到奶牛品种和遗传性能、生理阶段以及饲粮中营养物质来源和组成的影响。王效琴等[7]采用LCA方法对全群奶牛的碳排放进行分析,并按照奶牛的生理阶段分为了泌乳奶牛、育成牛以及犊牛,结果发现奶牛胃肠道发酵的碳排放总量为2 478.750 t CO2-eq,占整体排放量的48.86%;该结果与黄文强[22]关于山东地区奶牛场的LCA分析结果一致,即每年胃肠道发酵的碳排放量占排放总量的41.18%。另外,王效琴等[7]的研究结果发现,平均每头奶牛的胃肠道发酵碳排放量为2.61 t CO2-eq,与黄文强[22]的结果类似(2.08 t CO2-eq),但低于Silvestre等[23]的结果(3.48 t CO2-eq)。不过上述研究均采用胃肠道发酵的碳排放总量与奶牛总存栏量的比值的结果,未考虑动物的生理阶段的差异。Uddin等[24]对美国37个州共1 355家奶牛养殖场的碳排放开展了LCA分析发现,胃肠道CH4排放量是奶牛养殖过程中最大的碳排放来源,占整体排放量的41%~48%。
胃肠道发酵过程中CH4排放量常采用奶牛的年均饲养量和CH4排放因子进行计算。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》层级2中对于不同地区的奶牛给出了相应的CH4排放因子。例如,北美地区的单头奶牛每年胃肠道发酵的CH4排放因子为121 kg,而新西兰地区单头放牧奶牛的年排放因子则为81 kg。Wei等[25]采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》层级2中推荐的CH4排放因子对我国内蒙古地区胃肠道CH4排放量进行分析发现,胃肠道的碳排放量占牧场奶牛总排放量的14%~25%。以往的研究表明,由于政府间气候变化专门委员会(IPCC)国家温室气体清单指南[26-27]是基于欧美等地区奶牛养殖模式和生产特征给出的CH4排放因子,因此,在对不同国家或地区奶牛碳排放量进行核算时,容易造成高估或者错估实际排放量的问题。王贝等[28⇓-30]采用六氟化硫示踪技术系统研究了荷斯坦奶牛胃肠道CH4排放规律,获得了不同饲粮类型和泌乳阶段的胃肠道CH4排放因子。同样的,Eugène等[31]基于法国奶牛饲养标准,建立了基于可消化有机物采食量的CH4排放因子,可以动态性地反映出奶牛消化率提高对CH4排放量的影响。另外,由于不同生理阶段奶牛的干物质采食量、营养物质消化率等存在显著差异,其胃肠道CH4的排放量也各有不同,因此,对奶牛群体的精准划分也可以提高碳排放核算的科学性和准确度。Dong等[32]研究发现,随着泌乳阶段的进行,荷斯坦泌乳奶牛胃肠道的CH4排放量存在差异,泌乳前期、中期和后期的单头奶牛每年胃肠道发酵的CH4排放因子分别为126.7、121.0和120.0 kg。该结果高于国家发展和改革委员会等发布的全国单头奶牛胃肠道发酵的CH4排放因子(89.7 kg),但低于西欧地区(126 kg)与北美地区奶牛的CH4排放因子(138 kg),原因可能是奶牛品种和遗传性能、饲粮结构等存在较大的差异。另外,王效琴等[7]在奶牛胃肠道CH4排放量进行计算时,根据牛群的不同年龄阶段划分为奶牛和犊牛,对应的年CH4排放因子为117和57 kg。不过,随着奶牛类别的划分,对CH4排放因子准确度和生产活动数据科学性的要求也在逐渐增加。
以往的研究表明,CH4排放因子可以基于实际测定值,年均饲养量可根据奶牛养殖场的实际情况进行划分,多数的研究是直接采用IPCC的推荐值来进行核算,例如孙亚男等[33]在测算奶牛胃肠道CH4排放时,由于其奶牛体质量、采食饲粮和产奶量与西欧国家类似,采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》推荐的西欧国家单头奶牛年CH4排放因子126 kg进行估算。国家发展和改革委员会等调研了全国不同区域65个典型县的奶牛生产特性,对获得的不同饲养方式和饲养阶段的奶牛胃肠道发酵CH4排放因子和活动水平数据进行加权分析,得到全国加权每头奶牛每年胃肠道发酵CH4排放因子为89.7 kg,低于西欧和美国每头奶牛每年的胃肠道发酵CH4排放因子126.0和138.0 kg,这可能是因为奶牛品种不同,欧美地区奶牛采食量大、产奶量较高[34]。不同地区奶牛胃肠道CH4排放因子见表2[26⇓⇓⇓-30,32,35⇓⇓-38]。
表2 不同地区奶牛胃肠道CH4排放因子

Table 2 Enteric methane emission factors of dairy cows from different regions

地区
Regions		 评估对象
Evaluation objects		 特征描述
Feature description		 甲烷排放因子
Methane emission
factor/[kg/(头·年)]		 参考文献
References
北美
North America		 奶牛Dairy cows 平均年产奶量=8 400 kg/头 128.0 [26]
西欧
Western Europe		 奶牛Dairy cows 平均年产奶量=6 000 kg/头 117.0
亚洲
Asia		 奶牛Dairy cows 平均年产奶量=1 650 kg/头 68.0
北美
North America		 奶牛Dairy cows 平均年产奶量=10 250 kg/头 138.0 [27]
西欧
Western Europe		 奶牛Dairy cows 平均年产奶量=7 410 kg/头 126.0
亚洲
Asia		 高产奶牛
High producing dairy cows		 平均年产奶量=5 000 kg/头 96.0
低产奶牛
Low producing dairy cows		 平均年产奶量=2 600 kg/头 71.0
欧洲
Europe		 奶牛Dairy cows 平均日产奶量=26.4 kg,
平均体重=614 kg		 143.1 [36]
美国
America		 奶牛Dairy cows 平均日产奶量=28.4 kg,
平均体重=611 kg		 124.1
中国
China		 奶牛Dairy cows 规模化养殖 88.1 [35]
奶牛Dairy cows 农户散养 89.3
奶牛Dairy cows 放牧饲养 99.3
山东
Shandong		 荷斯坦奶牛
Holstein cows		 平均泌乳天数=145 d,日产
奶量=38.3 kg,胎次=2.5		 146.4 [37]
山西
Shanxi		 犊牛Calf 平均体重=57.5 kg/头,初始体重=
35 kg/头,摄入总能量=55.5 MJ/(头·d)		 21.9 [38]
泌乳牛
Lactating cows		 平均体重=675 kg/头,初始体重=650 kg/头,
摄入总能量=571.2 MJ/(头·d)		 224.8
干奶牛
Dry cows		 平均体重=675 kg/头,初始体重=650 kg/头,
摄入总能量=333.2 MJ/(头·d)		 131.1
青年牛
Young dairy cows		 平均体重=475 kg/头,初始体重=350 kg/头,
摄入总能量=317.3 MJ/(头·d)		 124.9
育成牛
Growing cows		 平均体重=200 kg/头,初始体重=150 kg/头,
摄入总能量=174.5 MJ/(头·d)		 68.7
北京
Beijing		 泌乳高峰期
Peak lactation		 月龄=37.34,平均体重=564.04 kg,
胎次=1.58,泌乳天数=88 d,日产奶量=
20.83 kg,精粗比=1.14		 118.7 [28⇓-30]
月龄=37.34,平均体重=564.04 kg,
胎次=1.58,泌乳天数=88 d,日产
奶量=20.83 kg,精粗比=1.30		 126.7
月龄=37.34,平均体重=564.04 kg,
胎次=1.58,泌乳天数=88 d,日产奶量=
20.83 kg,精粗比=1.55		 143.0
泌乳中期
Middle lactation		 月龄=41.16,平均体重=649.54 kg,
胎次=1.42,泌乳天数=170.08 d,
日产奶量=18.46 kg,精粗比=1.44		 95.3
月龄=41.16,平均体重=649.54 kg,
胎次=1.42,泌乳天数=170.08 d,日产奶量=
18.46 kg,精粗比=1.65		 121.0
月龄=41.16,平均体重=649.54 kg,
胎次=1.42,泌乳天数=170.08 d,日产
奶量=18.46 kg,精粗比=1.82		 145.9
泌乳后期
Late lactation		 平均体重=777.46 kg,胎次=1.5,
泌乳天数=242.92 d,日产奶量=
18.75 kg,精粗比=1.52		 88.3
平均体重=777.46 kg,胎次=1.5,
泌乳天数=242.92 d,日产奶量=
18.75 kg,精粗比=1.96		 120.2
平均体重=777.46 kg,胎次=1.5,
泌乳天数=242.92 d,日产奶量=
18.75 kg,精粗比=2.10		 144.4
北京
Beijing		 泌乳前期
Early lactation		 体重=556.9~575.8 kg,
日产奶量=19.33~21.8 kg		 126.7 [32]
泌乳中期
Middle lactation		 体重=638.6~658.3 kg,
日产奶量=18.59~20.36 kg		 121.0
泌乳后期
Late lactation		 体重=632.1~664.9 kg,
日产奶量=16.06~17.31 kg		 120.0

2.3 粪便管理过程中CH4和N2O的排放

粪便管理过程中的碳排放主要来自以下几个部分:奶牛粪污排泄所产生的CH4和N2O排放;清粪时产生的CH4和直接、间接N2O排放;粪污暂时储存所带来的CH4和直接、间接N2O排放以及粪污处理过程中的CH4和N2O排放。我国畜禽粪便年排放量为1.64亿t,其中牛占总量的45.77%[39],并且大量粪便未得到有效的利用和管理,造成了严重的环境问题。
研究发现,奶牛粪便管理碳排放受清粪方式、预处理、堆肥模式以及粪污处理工艺等方面影响。张颖等[40]研究了好氧堆肥(一次性静态好氧堆肥技术)和厌氧发酵(湿法厌氧发酵工艺)2种奶牛粪便不同处理方式的碳排放量发现,由于好氧堆肥可将碳转化为腐殖质留存起来,其碳排放量可以显著低于厌氧发酵工艺,该结论与籍春蕾[41]的研究结果一致。Rivas-García等[42]采用LCA方法对直接施肥、厌氧发酵和强化厌氧发酵3种粪便管理模式进行分析发现,与传统直接施肥模式相比,厌氧发酵和强化厌氧发酵模式下的碳排放量分别减少12%和27%。这是因为厌氧发酵可以通过微生物作用将奶牛粪便中的有机物转化为沼气和沼液等,不仅可以作为牧场的替代能源使用,而且粪污还田之后可提高土壤中的有机质含量,有益于土壤固碳。段雪琴[43]运用LCA方法比较了陕西省和北京市奶牛养殖场不同粪便管理的碳排放发现,采用干清粪-好氧堆肥模式处理1 t粪污的碳排放量最小为5.753 kg CO2-eq,而水冲粪-固液分离系统和水泡粪模式的碳排放量分别为14.576和15.794 kg CO2-eq/t。另外,不同粪污处理模式的温室气体种类也存在差异,如干清粪-好氧堆肥模式主要的温室气体是N2O,而后2种模式的温室气体分别是CH4以及N2O和CH4。同样的,粪污管理方式结合沼气回收利用可以显著降低碳排放量。鞠鑫鑫等[44]发现,在传统的敞口厌氧塘粪污管理模式下,单头奶牛每年的碳排放量为5.637 t CO2-eq,通过沼气工程的密闭贮存条件下,奶牛的碳排放量下降45%。近年来的研究表明,通过将奶牛粪污管理方式与还田处理结果起来,可显著降低碳排放量。王莉等[45]对江苏省地区的奶牛养殖场为研究对象,采用LCA方法对达标排放和还田利用2种粪污处理模式进行评价,结果显示达标处理模式下,每处理1 t奶牛粪污就会产生189.34 kg CO2-eq,是还田处理模式的7.33倍。李丹阳等[46]发现,与达标处理相比,使用粪便还田模式每处理1 t奶牛粪便就可以减少约17.28 kg CO2排放,原因是粪便还田后可以充分利用畜禽粪尿中丰富的氮磷等养分和有机质资源,改善土壤理化性质,调节土壤的碳氮比进而改变碳排放量。

2.4 能源使用过程中CO2的排放

养殖场能源主要包括固定或移动的燃烧设备燃烧的煤炭、燃气、汽油和柴油等化石燃料,以及生产所必需的机械设备的电力能源。能源消耗的碳排放是单一的CO2气体,其排放量取决于养殖场规模、设备工艺水平和管理模式等。在对能源消耗的碳排放进行核算时,可以采用排放因子法或者物料平衡法进行计算。
黄文强[22]研究发现,单头奶牛每年由于能源消耗产生的碳排放量为0.44 t CO2-eq,占系统总排放量的8.74%。Rotz[47]比较了不同养殖模式条件下奶牛牧场能源消耗的碳排放量发现,在爱尔兰半放牧模式和美国宾夕法尼亚地区的舍饲模式下,单头奶牛每年的碳排放量分别为0.152和0.392 t CO2-eq,显著高于新西兰完全放牧饲养模式的碳排放量(0.08 t CO2-eq),原因可能是放牧条件下机械设备参与程度较低,减少了柴油、煤炭等能源的施用。刘翌晨等[38]发现,奶牛场消耗的柴油和用电所产生的年碳排放量为20.79 t CO2-eq,单头奶牛的年碳排放量为0.17 t CO2-eq,仅占牧场总排放量的4.75%,该研究中考虑了沼气回收利用的碳减排量,使得节约了牧场一部分的能量使用。Uddin等[24]对美国5个奶牛典型养殖区域的牛奶碳足迹开展了LCA分析,结果发现养殖场能源消耗的碳排放占牛奶碳足迹的4%~7%,平均贡献度为6%。而放牧条件下能源消耗的碳排放量略有增加,约占牛奶碳足迹的9%[48]。Wei等[25]对内蒙古地区15个奶牛养殖场碳排放量进行了LCA分析,其中能源消耗所占总排放量的比例与Uddin等[24]一致,约为9%。程松林[49]采用LCA方法对不同养殖规模的奶牛场的碳排放量进行了分析,结果发现随着奶牛产奶量和养殖场规模的提高,能源消耗所产生的碳排放占总排放量有下降的趋势,表明养殖效率和规模化水平的提升可以降低单位奶牛的能源消耗,从而降低整体的碳排放量。

3 奶牛养殖过程碳排放的贡献

3.1 不同生产环节的碳排放贡献率

通过汇总国内外研究在奶牛养殖系统中不同环节对碳排放的贡献率发现,奶牛胃肠道发酵是最主要的碳排放源。刘翌晨等[38]对山西某奶牛养殖场碳排放进行了研究,其中胃肠道发酵的排放量占总排放量的80.82%。黄文强[22]研究发现,胃肠道发酵作为最主要的碳排放源,但仅占总排放量的41.18%,低于刘翌晨等[38]的结果。刘翌晨等[38]的研究中未考虑饲料生产环节的碳排放,而黄文强[22]的研究中选用的平均胃肠道CH4排放因子为71.5 kg,低于刘翌晨等[38]的平均值(114.3 kg)。王效琴等[7]的研究结果与黄文强[22]类似,在考虑饲料原料生产的情况下,平均胃肠道CH4排放因子为87 kg,胃肠道发酵环节的贡献比例达到48.86%,是奶牛养殖系统中最主要的碳排放源。
饲料原料生产是除了胃肠道发酵环节外最大的碳排放源,饲料不仅直接影响饲料原料生产碳排放,还会侧面影响奶牛胃肠道发酵、粪便管理碳排放量以及产奶量等,是评估奶牛养殖系统碳排放的重要环节。李凯旋[8]发现,2020年新疆奶牛养殖系统中饲料种植生产环节的碳排放贡献率为10.74%;Casey等[50]核算出爱尔兰奶牛场的饲料原料生产环节的碳排放占总量的13%。而在黄文强[22]的研究中,饲料生产环节碳排放量相对较高,占总碳排放量的24.28%,但仍远低于奶牛胃肠道发酵环节的碳排放,这是因为相较于奶牛胃肠道发酵产生的CH4而言,饲料原料生产环节的温室气体(N2O、CO2)排放总量较小,并且CH4的温室效应是CO2的28倍,对环境影响更为显著。粪便管理以及能源消耗环节的碳排放贡献率相对较少,粪便管理的碳排放贡献在11.3%~25.8%,而能源消耗碳排放贡献最低,仅占8.7%~15.78%[7,22,51-52](图2)。
图2 不同生产环节的碳排放贡献率

Fig.2 Contribution rates of carbon emissions from different production sources

3.2 不同温室气体的碳排放贡献率

通过汇总国内外有关不同温室气体对奶牛养殖碳排放贡献率的研究发现,CH4是奶牛养殖系统碳贡献率最大的温室气体,占比为48.0%~74.5%;N2O是贡献率第二的温室气体,占排放总量的15.9%~32.0%;CO2的贡献率最小,占比为4.9%~20.0%(图3)[22,33,53-54]。CH4排放来源包括奶牛胃肠道发酵和粪便管理,在黄文强[22]的研究中CH4的贡献率达到总排放量的48%,其中87%是来自于奶牛胃肠道发酵。Abera等[53]研究的奶牛养殖系统中CH4排放量最大占74.5%,奶牛胃肠道发酵排放的CH4贡献率达到93%,CH4排放贡献率高主要是因为饲粮可以在奶牛瘤胃微生物的作用下转化为营养物质,并产生氢气(H2)等底物。瘤胃内的产甲烷菌利用这些底物产生大量CH4,但又无法被奶牛利用,最终只能通过口鼻腔和后肠道排放大气中。
图3 不同温室气体的碳排放贡献率

Fig.3 Contribution rates of carbon emissions by different greenhouse gases

N2O是奶牛养殖系统碳排放率第二大温室气体,主要来源于化肥施用和粪便管理。孙亚男等[33]研究河北保定某规模化奶牛养殖场碳排放中,N2O(15.9%)的贡献率明显低于CH4(69.8%),但略高于CO2(14.3%)。王效琴等[7]的研究中,N2O的碳排放贡献率为26.9%,主要来自于氮肥田间排放(37%)和粪便管理(63%)。之所以N2O贡献率高是因为化肥施用和粪便管理过程中会释放一部分的N2O,而其作为一种强效温室气体,温室效应是CO2的298倍,对环境影响也就更大。CO2在奶牛养殖系统中的贡献率最低,大部分来源于能源消耗和饲料生产。Feyissa等[53]的研究结果显示,CO2的贡献率较低仅为4%,而王效琴等[7]、黄文强[22]研究中的CO2排放量分别占17.54%和20%,主要来自于能源消耗和饲料生产可以达到系统的52%、56%和43%、44%。

4 小结与展望

近年来,LCA已广泛应用于畜牧业碳排放和生产管理方式改进等方面,对我国畜牧业LCA科学评估和实际应用都有较强的借鉴意义。在奶牛养殖系统中,每生产1 kg蛋白脂肪校正奶会释放0.71~1.34 kg CO2-eq[22,55],奶牛每增加1 kg体重会释放0.082 t CO2-eq[55]。对于不同牛群结构而言,其单头奶牛的碳排放量也存在差异,由低到高依次为犊牛(0.90 t CO2-eq)、育成牛(1.33 t CO2-eq)、青年牛(2.59 t CO2-eq)和泌乳牛(3.49 t CO2-eq)[55]。其中,奶牛胃肠道发酵是最大的碳排放源,其次是饲料种植与加工、粪便管理和能源消耗环节,不同环节产生的碳排放量受多种因素影响,因此在制定奶牛减排策略时,建议开展不同减排措施对整个系统的综合减排效果进行深入研究,系统评估奶牛养殖系统的碳足迹。目前,我国应用LCA方法评估奶牛养殖系统时使用的相关参数并不完全符合中国的实际情况,需要尽快建立和完善我国畜牧业养殖数据库,进一步提高LCA核算方法的精确度。同时,分配系数的不确定性也是碳排放评估领域面临的一个突出问题,在未来碳排放的深入研究中,亟需构建不同分配方法选择的统一标准,确保评估结果的一致性和可靠性。

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