基于LCA的呼伦贝尔生态草牧业技术集成示范效益评估

2020-07-31刘欣超王路路吴汝群辛晓平孙海莲姜明红李晓爽王淼刘云邵长亮

中国农业科学 2020年13期

刘欣超，王路路，吴汝群，辛晓平，孙海莲，姜明红，李晓爽，王淼，刘云，邵长亮

刘欣超1,2,3，王路路1,4，吴汝群1,5，辛晓平1，孙海莲2,3，姜明红6，李晓爽7，王淼1,4，刘云4，邵长亮1

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，中国北京 100081；2内蒙古农牧业科学院，中国呼和浩特 010031；3中国科学院内蒙古草业研究中心，中国呼和浩特 010031；4北京农学院生物与资源环境学院，中国北京 102206；5密歇根州立大学地理、环境和空间科学系/全球变化和地球观测中心，美国East Lansing MI 48824；6呼伦贝尔学院初等教育学院，中国内蒙古呼伦贝尔 021008；7内蒙古呼和浩特金谷农商银行股份有限公司，中国呼和浩特 010050）

【】对天然草场修复过程中的经济环境综合效益进行评估。基于全生命周期分析（LCA）方法对内蒙古呼伦贝尔市谢尔塔拉牧场奶牛集约化养殖-牲畜粪便处理（包括菌剂发酵有机肥、蚯蚓养殖生成有机肥和蘑菇种植3种模式），利用谢尔塔拉农场奶牛集约化养殖、牲畜粪便处理利用、天然草场改良数据和当地畜牧生产经营物料投入数据相结合，建立不同养殖模式下牛奶生产的生命周期清单，从畜牧生产全生命周期的角度对牲畜饲养、粪便处理利用和草场修复这整个草原畜牧生产循环过程中每生产1 t标准牛奶（FPCM）的资源环境综合成本（温室气体排放、土地占用、耗水量和不可再生能源消耗）和总体经济效益进行定量分析。牧户散养奶牛和集约化奶牛养殖场在出售牲畜和牛奶方面产生的毛收益分摊在每头成年母牛上分别为0.89和2.11万元，如扣除经营成本，两种乳牛饲养模式下每头成年母牛产生的净收益分别为0.42万元（牧户散养）和0.41万元（集约化养殖）。此外集约化养殖场每生产1 t FPCM造成的环境影响为：占用草场1.19 hm2、占用耕地0.15 hm2、耗水216.47 t、消耗化石燃料1 944.19 MJ、排放温室气体0.73 t二氧化碳当量（CO2eq）。当地散养牧户生产牛奶除去草场占用面积（3.25 hm2）外，造成的环境影响（占用耕地0.04 hm2、耗水70.70 t、消耗化石燃料892.80 MJ、排放温室气体0.55 t CO2eq）均小于集约化奶牛养殖场。开展天然打草场改良可显著增加每公顷草地牧草产出（增幅68.57%）和收益（增长10.71%），改良后生产1 t FPCM可降低40.50%的草场占用面积。但改良中施肥和燃料消耗的增加会造成温室气体排放（增加17.70倍）、燃料消耗（增加2.10倍）等环境问题。在牲畜粪便处理利用技术应用方面，集约化养殖场产生的牛粪通过发酵有机肥、蚯蚓处理牛粪和蘑菇种植等处理利用方式，在解决牲畜饲养中粪便污染问题的同时，创造的净收益相当于生产牛奶净收益的5%—12%，整体看带来的环境影响相对较少。集约化养殖场在提高草原利用效率方面优势明显，在提升饲料能量转化效率、提升牛奶产量和质量方面具有很大的潜力，但是会增加苜蓿、燕麦等高蛋白饲草料的种植面积，在控制牛奶生产中的温室气体排放、水资源和能源消耗等方面会产生不利影响。此外，天然打草场改良和牲畜粪便处理利用技术在呼伦贝尔当地畜牧产业中具有较大的应用潜力。

全生命周期分析；集约化养殖；季节性放牧；环境影响

0 引言

【研究意义】随着近年来全球牲畜存栏数和畜牧产品产量的逐年提高，由牲畜养殖带来的资源环境问题日益受到重视[1]。从全球的角度来看，畜牧生产被认为是当前重要的人为碳排放源（14.5%），每年牲畜饲养会产生7.1 Gt CO2eq的温室气体排放，其中牛奶生产中排放的温室气体达到了1.4 Gt CO2eq，主要是从奶牛肠道甲烷排放（46.5%）、牲畜粪便处理（17.0%）、饲料生产（10.9%）以及饲草料种植中的化肥使用（7.4%）等环节中产生[2]。此外，牛养殖规模的扩大，会带来的饲草料需求、牲畜粪污排放增加，如处理不当，可能会引发生物多样性降低、耕地资源短缺、水资源污染消耗等问题[3]。我国作为全球第三大牛奶生产国，也面临着牛奶产量和消费量不断增加所带来的各种资源和环境问题与挑战[4]。当前对我国奶牛养殖环境影响方面的研究较多，但主要集中在农区，作为我国重要优质牛奶产区的呼伦贝尔草甸草原牧区，相关研究尚不充分[5]，开展相关研究的需求更加迫切[4,6-7]。因此，评估内蒙古草原目前牛奶生产的环境影响和资源利用状况，探讨降低我国乳品生产资源利用和环境负担的措施，并寻找建立符合内蒙古草原牧区实际情况且在经济成本和环境效益上具有可行性的生态草牧业技术方法，对于当地农牧产业发展和环境保护具有重要的现实意义。【前人研究进展】全生命周期分析（life cycle assessment，LCA）方法可对某种产品或服务“从摇篮到摇篮”整个生命周期中的环境影响和资源消耗进行综合量化评估[8-10]，对于改善农业畜牧产品生产资源环境影响方面具有重要意义，因此，越来越多的研究开始利用LCA方法对整个牛奶产业的环境影响进行评估[3,11-15]。例如Battini等[16]比较了意大利北部地区一个集约型奶牛场不同经营管理方式对牛奶生产中温室气体排放、能源消耗、水资源消耗等环境成本的影响。Ledgard等[17]对新西兰和中国的奶牛农场碳、氮足迹进行的LCA分析结果表明，牲畜粪便管理过程是两国奶牛农场氮足迹主要贡献者，而饲草料的种植和生产环节也是两国降低牛奶生产过程中环境影响的关键点，对于中国奶牛养殖场来说，通过改变奶牛养殖场饲草料饲喂结构和提高牲畜粪便管理水平可以有效改善农场畜牧生产的环境效益。Wang等[4,18]在2016和2018年分别对我国关中平原和华北平原的集约化奶牛养殖场温室气体排放、土壤酸化和富营养化等环境影响开展了LCA评价，提出了可以通过提高饲喂效率、改善畜群结构、提高奶牛产奶能力以及改善牲畜粪便处理利用方式等途径来降低当地牛奶生产中温室气体排放的建议。但该研究也认为一些减排措施，如通过增加不施肥低产苜蓿的投入来增加奶牛产奶量进而降低温室气体排放，会引起土地占用增加，造成额外的环境影响。Zhang等[19]基于局部生命周期理论研究了不同处理方式有机肥替代化肥模式，及其对蔬菜生态系统产量、氧化亚氮（N2O）与氨气（NH3）的影响，提出合理的种养结合模式可以实现粪便资源化利用，提高蔬菜产量与减少环境负荷的多目标平衡。Xu等[20]对浙江利用牲畜粪便生成沼气这一处理方式的综合经济和环境效益开展了评估，从经济价值的角度论述了畜禽粪便技术利用的相关政策影响、成本效益和环境效益。【本研究切入点】目前的研究成果大多开展于农区或者农牧交错地区[21-22]，主要集中在评估环境影响方面，忽略了对政策和利益相关者层面等因素的讨论，关于对奶牛养殖中草场改良、牲畜粪便利用成本效益分析方面的研究也较少，还缺乏对适宜当地实际情况的奶牛养殖技术体系和模式的经济成本和环境效益的研究。【拟解决的关键问题】本研究基于LCA分析原理，从饲料种植、饲料加工运输、牲畜饲养、粪便处理等畜牧产业链主要环节评估在我国呼伦贝尔草甸草原退化治理中提出的草场改良、人工草地建设、牲畜粪便资源化利用等技术途径中的经济收益和环境效益，从整体上为我国草甸草原地区草牧业经营管理提供科学参考和决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及评价范围确定

本试验研究区域位于内蒙古呼伦贝尔市谢尔塔拉农场，坐落在大兴安岭西麓呼伦贝尔草甸草原向典型草原的过渡地带，属中温带半湿润半干旱大陆性季风气候，海拔640—860 m，地带性植被为温性草甸和温性典型草原，土壤类型主要为栗钙土和黑钙土。利用国家重大专项项目《北方草甸退化草地治理技术与示范项目》于2013—2018年在呼伦贝尔草甸草原开展的奶牛集约化养殖-牲畜粪便综合处理-天然草场生态修复技术模式课题的研究成果，对谢尔塔拉农场开展的奶牛集约化养殖、牲畜粪便处理利用和天然草场改良试验数据与当地畜牧生产经营物料投入数据相结合，对当地奶牛集约化养殖-牲畜粪便通过菌剂发酵、蚯蚓养殖和蘑菇饲养3种模式处理，以及天然草场修复这一过程中的经环境综合效益进行评估。

本研究的全生命周期系统边界包括了从天然草场改良、奶牛养殖过程中投入的所有物料生产运输以及牲畜粪便处理利用整个过程中的资源环境成本和经济效益（图1），通过将以上评估结果分摊到所生产的标准牛奶（FPCM）对牲畜粪便处理利用和天然草场改良技术模式在畜牧经营和生态环境保护综合效益开展评估。

1.2 生命周期清单分析

天然草地改良数据来自于中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测实验站2013—2018年在呼伦贝尔草甸草原地区开展的天然打草场改良试验。试验中物料投入和干草产出数据如表1所示，施肥周期为5年，其中第一年每hm2草场施加225 kg磷酸二铵底肥，并追施150 kg尿素，随后4年不施加肥料，每年8月中旬开始打草，每hm2草场打草消耗柴油6.6 L。本研究依据IPCC（2006）《国家温室气体清单指南》中的相关建议参数选择化肥氮输入N2O直接排放系数为：0.01（kg N2O-N/kg N），而农业机械柴油燃烧中温室气体排放因子为EFCO2：74 100 kg CO2-C/TJ，EFCH4：4.15 kg CH4/TJ，EFN2O：28.6 kg N2O/TJ。

牲畜粪便处理投入产出数据来自中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测实验站2015—2018年联合谢尔塔拉牧场，开展的牛粪通过菌剂发酵有机肥（FJ）、蚯蚓处理生成有机肥（QY）和牛粪种植蘑菇（MG）3种牛粪无害化处理利用试验的多年平均研究结果。

当地畜牧生产经营物料投入数据来自于2018年7月在呼伦贝尔市谢尔塔拉牧场针对当地牧民生产经营情况的问卷调查：结合本研究所评估内容选择当地7户散养牛牧户（SY）和一处集约化养殖（JY）场2016年秋季至2017年秋季的畜牧生产经营情况（表1）。

使用以上数据，可以从畜牧生产全生命周期的角度对牲畜饲养、粪便处理利用和草场修复整个草原畜牧生产循环过程中的资源环境综合成本和总体经济效益进行定量分析。对于牲畜饲养中的温室气体排放，采用IPCC（2006）《国家温室气体清单指南》中的方法1提供的参数计算泌乳奶牛、成年牛、牛犊和育肥牛全年饲养过程中肠道甲烷和粪便甲烷的排放情况，根据集约化养殖场和养牛牧户饲养奶牛的饲喂方式以及产奶量的差异选择，并且通过体重比值的0.75次方调整，本研究中采用的温室气体排放计算参数如表2所示。

1.3 效益评价

除了经济效益外，本研究主要探讨草甸草原乳牛养殖-粪污综合处理-天然草场生态修复技术模式中的温室气体排放、土地占用、耗水量和不可再生能源消耗这4方面的环境影响。其中对于温室气体排放，本研究基于IPCC（2006）《国家温室气体清单指南》中提供的牲畜饲养、粪便处理以及草场改良中温室气体排放的计算方法开展温室气体排放的计算，最后将通过数据标准化将结果换算为CO2当量表达（CO2eq）。土地占用主要计算乳肉牛养殖以及饲料作物种植中占用的草地和耕地面积，单位为公顷（hm2）。对于能源消耗来说，主要考察乳肉牛养殖-粪污综合处理-天然草场生态修复过程以及化肥制造过程中消耗的煤、柴油和电力等一、二次化石能源，单位为兆焦耳（MJ）。

图1 LCA分析系统边界

表1 集约化和牧户散养奶牛生产经营投入产出比较

表2 奶牛饲养温室气体排放计算参数

1）根据饲养方式和产奶量，采用北美和欧洲奶牛建议值的均值，非泌乳母牛采用两地其他牛的均值，牛犊和育肥牛通过体重比值的0.75次方调整；2）根据饲养方式和产奶量，泌乳母牛采用亚洲奶牛建议值，非泌乳母牛采用亚洲其他牛的均值，牛犊和育肥牛通过体重比值的0.75次方调整

1)According to the feeding method and milk yield, the mean value of the recommended value of North American and European cows is used, the mean value of other cows in the two places is used for non lactating cows, and the calf and fattening cattle are adjusted by 0.75 power of the weight ratio;2)According to the feeding method and milk yield, the recommended value of Asian cows is used for lactating cows, the mean value of other cows in Asia is used for non lactating cows, and the weight of calves and fattening cattle is used 0.75 power adjustment of the ratio

2 结果

2.1 不同乳牛养殖经营模式的经济效益与环境成本

本研究选择具有代表性的小规模牧户散养和大规模集约化养殖两种乳牛经营模式进行经济环境效益评估（表3）。结果表明，牧户散养奶牛在出售牲畜和牛奶方面产生的毛收益分摊在每头成年母牛上为0.89万元，远低于集约化养殖场每头成年母牛2.11万元的毛收益，但是扣除经营成本，两种乳牛饲养模式下每头成年母牛产生的净收益差别不大，分别为0.42万元（牧户散养）和0.41万元（集约化养殖）。

小规模牧户散养和大规模集约化养殖两种经营模式生产1 t FPCM所占用土地面积差异显著。当地小规模奶牛散养牧户所生产的牛奶主要通过私人流动奶贩转销，其售价远低于集约化养殖场。出于降低饲养成本的考虑，奶牛散养牧户夏季（6—9月）主要将奶牛驱赶至当地公共放牧场采食青草，在冬季舍饲阶段，散养牧户基本选择依靠自家打草场收获牧草并购买干草作为奶牛的主要食物，因此散养牧户生产1 t FPCM所需的草场面积为3.25 hm2，高于集约化养殖场1.19 hm2的草场占用面积。

集约化奶牛养殖厂牛奶主要供给当地乳品企业，对牛奶质量如乳脂、乳蛋白含量等指标要求较高，此外，集约化、标准化饲养模式下，需对饲料配方进行优化，提高了苜蓿、燕麦、青储玉米、精饲料等高质量饲草料的饲喂比例。生产以上饲料需要占用耕地资源，因此，集约化养殖场生产1 t FPCM占用的耕地面积（0.15 hm2）远高于散养牧户（0.04 hm2）。

表3 不同养殖模式下每头成年母牛产生的经济效益及生产1 t FPCM的环境成本

本表中数据来自于2018年呼伦贝尔市谢尔塔拉牧场牧民生产经营情况的问卷调查，按照FAO（2011）换算标准并根据中国奶业年鉴（2017）中数据将不同养殖模式下生产的牛奶矫正为4%乳脂和3.3%乳蛋白含量的FPCM标准牛奶

The data in this table are from the questionnaire survey on the production and operation of herdsmen in Xieertala ranch, Hulunber city in 2018. According to the FAO (2011) conversion standard and the data in China Dairy Yearbook (2017), the milk produced under different breeding modes is corrected to FPCM standard milk with 4% milk fat and 3.3% milk protein content

水资源消耗方面，无论是集约化养殖场还是奶牛散养牧户，牛奶生产中耗水量最大的部分来自于饲草料种植过程，分别占总耗水量的97.42%（集约化养殖场）和93.78%（奶牛散养牧户）。集约化养殖场生产1 t FPCM消耗水资源总量为216.47 t，为散养牧户生产1 t FPCM耗水量的3.06倍，两者间的巨大差异主要是由于种植集约化养殖场所需饲草料耗水远高于小规模散养牧户所致。但值得注意的是，如果只考虑养殖场或牧户直接消耗的水资源，集约化养殖场耗水量还要略低于散养牧户，生产同样数量FPCM耗水量为后者的97.70%，因此，如从谢尔塔拉牧场当地水资源消耗的角度来看，两种奶牛养殖模式无明显差异。

不可再生能源消耗方面，集约化养殖场生产1 t FPCM消耗能源1 944.19 MJ，相当于散养牧户的2.18倍。相应的集约化养牛场能源消耗带来的温室气体排放也达到了散养牧户的两倍左右，分别占两种养殖模式温室气体总体排放的10.91%（散养牧户）和16.44%（集约化养殖场）。两种奶牛养殖模式下，牛肠道甲烷排放是主要排放源，分别达到了总体排放的81.80%（散养牧户）和71.23%（集约化养殖场）。

2.2 不同牲畜粪便处理利用模式的环境效应

3种牲畜粪便处理利用模式的经济效益和环境影响如表4所示，对于直接发酵有机肥（FJ）、蚯蚓处理牛粪（QY）和蘑菇种植（MG）来说，处理1 t牛粪经济收益分别为85、126和178元。耗水量分别为0.98 t（MG）、1.00 t（QY）和1.40 t（FJ），对于化石能源消耗和相应的温室气体排放来说，牛粪种植蘑菇处理模式消耗能源（193.29 MJ）和温室气体排放最高（14.88 kg CO2eq），养殖蚯蚓消耗最低（74.87 MJ），同时温室气体排放也最低（5.76 kg CO2eq）。

在天然草场改良方面，通过施肥的方式进行草场改良与不进行任何处理的打草场相比，在处理后五年内，干草产量平均提高68.57%，每公顷打草场净收益增长10.71%（表5）。同时在环境影响方面，由于草场改良中施加化肥以及使用柴油的增加，相较对照草场每公顷不可再生能源消耗增加2.10倍，温室气体排放增加17.70倍。由于改良后产草量的增加，如将环境影响分摊到产出干草上，由草场改良带来的不可再生能源消耗和温室气体排放方面的环境影响增长分别降低至0.59倍和9.00倍（表6）。

表4 处理1 t干牛粪产生经济效益和环境影响

表5 天然打草场改良投入及产出数据

表6 天然打草场改良环境影响

2.3 奶牛集约化养殖-粪污综合处理-天然草场生态修复全产业链经济效益评价

本研究根据集约化奶牛养殖场的牲畜粪便生成量和饲草消耗情况，将奶牛集约化养殖、天然打草场改良和牲畜粪便处理利用这3个呼伦贝尔生态草牧业关键技术环节集成起来，估算整个产业链条上的综合环境影响和经济效益（表7）。从净收益来看，每生产1 tFPCM，集约化养殖场净收益为686.19元，未改良打草场出售牧草净收益为499.80元，合计经济收益1 185.99元。当集约化养殖场与打草场改良技术集成后，每生产1 t FPCM为改良打草场带来的净收益为329.22元，相较未改良草场净收益下降34.13%，但改良后生产1 t FPCM所需打草场面积仅为0.71 hm2，节约40.50%的草场占用面积。除草地占用外，天然打草场改良增加了能源消耗的10.48%和温室气体排放的14.86%。在牲畜粪便处理利用技术应用方面，集约化养殖场生产1 t FPCM所产生的牛粪通过发酵有机肥、蚯蚓处理牛粪和蘑菇种植，分别可创造净收益40.72、60.78和85.36元，相当于生产牛奶产生净收益的5.93%、8.86%和12.44%，与此同时，整体来看以上3种粪便处理方式带来的环境影响相对较少，用水量增幅不到1%，消耗不可再生能源分别增加2.22%（发酵）、1.72%（蚯蚓）和4.45%（蘑菇）。但同时需要说明的是，由于本研究中对于不同牲畜粪便处理方式中温室气体排放的情况并不明确，因此本文对于牛粪发酵有机肥、蚯蚓处理和蘑菇种植过程中相应温室气体排放情况没有开展进一步评估。

表7 呼伦贝尔生态草牧业技术集成生产1 t FPCM的综合环影响和经济效益

3 讨论

奶牛养殖业是呼伦贝尔畜牧业的基础性产业，利用LCA方法对当地奶牛养殖过程中的环境影响进行综合评估，对于改善当地奶牛养殖产业经济效益和环境影响方面具有积极的作用。近年来，我国对奶牛养殖各个环节的环境影响进行了评估，但大多采用传统方法，大部分研究局限于解决单个问题或改进某一生产环节，对畜牧生产全生命周期总体的环境影响和资源消耗缺乏准确的认识[6,23-25]；此外，在我国北方草原牧区，也很少对奶牛养殖产业在温室气体排放、环境富营养化、土地资源占用和水资源消耗等方面的综合环境影响进行全面评估。引入LCA方法，可以将畜牧产品生产、消费中的各个环节结合起来，权衡不同资源环境影响类别，综合考量畜牧产品全生命周期总体环境影响和资源损益，为以上问题的解决提供了新的视角和技术途径[8]。

关于集约化奶牛养殖场和传统季节性放牧牛奶生产系统的比较方面，当前部分研究结果表明集约化养殖场在温室气体排放、土地占用、粪便排放等方面要远低于小规模散养的牛奶生产系统[26-28]，其原因在于相比于传统季节性放牧奶牛牧场，集约化奶牛养殖场通过科学规范的养殖模式，在提高奶牛饲喂消化效率、提升奶牛产奶能力、改良畜群结构、改进牲畜粪便处理利用方面具有明显优势，使得在相同资源环境成本下，集约化养殖场牛奶产出更多，进而降低了单位产出的环境影响[28-29]，但同时也有学者认为集约化养殖场一些经营方式会增加牛奶生产中某些类别的环境影响，例如某些集约化养殖场通过种植不施肥低产苜蓿增加奶牛产奶量同时降低温室气体排放，但会引发牛奶生产过程中的耕地占用面积增加[18]。

本研究中集约化奶牛养殖厂生产同样数量FPCM的温室气体排放明显高于当地季节性放牧的奶牛养殖牧户。这与部分前人研究结论一致[30]，集约化养殖系统环境影响高于季节性放牧系统主要是由于集约化养殖系统大量使用精饲料，而精饲料的生产和作物种植需要施加大量化肥进而产生较高的温室气体排放，且精饲料种植过程中消耗较多的灌溉用水也会间接增加集约化养殖场生产牛奶的水资源消耗。同时，LCA评估中系统边界设定、数据分配方法和数据参数来源等评估方法手段的选择也会对LCA评估的结果产生明显影响[8,31]。本研究中关于集约化养殖与放牧系统两者间比较的结果与其他文献中不太一致，原因可能是由于本研究对于两种牛奶生产系统的出售牲畜和生产牛奶期间两种产品间环境影响数据分配的问题，出于数据来源可靠和方法可行性的考虑，本研究选择用不同产品经济价值来分配环境影响[17,28,30]。而在实地牧户调研期间，由于奶价较低且饲草料短缺等问题，当地小规模奶牛养殖户普遍减少了精饲料投入和生产牛奶数量，且增加了出售牲畜的数量，两相比较，使小规模奶牛养殖牧户经营收入中出售牛奶所占比重较低，造成了对小规模散养牧户牛奶生产环境影响评价结果偏低的情况。

目前，对于牲畜粪便及其处理利用造成的环境影响方面，国内外已有部分研究，结果表明牲畜粪便管理方式及其处理利用过程对于改善农业畜牧产品生产资源环境影响方面具有重要的意义。例如Kumar等[32]通过文献综述的方式对韩国畜禽粪便及不同处理利用方式在重金属和病原微生物污染水体和农田土壤方面的环境风险进行了阐述。而Jones等[33]通过对美国爱荷华州西部河流水体的硝酸盐含量、牲畜粪便中氮排放和肥料使用数据的分析，发现牲畜粪便管理方式对当地河流水质有极为显著的影响。国内禽畜养殖中的粪便污染问题也越来越受到重视，相关研究结果表明，从1978—2008年，中国由牲畜粪便引起的NH3排放从2.2 Tg·yr-1增长至7.3 Tg·yr-1[34]。张晓明[24]和朱宁[35]分别对国内奶牛养殖场和规模化养鸡场的粪便污染情况开展了研究。徐增让等[36]评估了我国藏北牧区牛粪燃用引起的有机质、养分直接排空流失效应。朱海生等[37]则对粪便储存中不同堆积高度的肉牛固体粪便温室气体排放进行了观测研究。

对于集约化养殖场来说，大量未经利用的牲畜粪便直接释放到环境中会引起水体富营养化、空气污染、温室气体排放和病原体传播等一系列环境和公共卫生问题[32]。禽畜粪便含有大量的有机质，氮、磷等养分，是一种重要的有机肥料资源，但是目前我国禽畜粪便利用程度较低，畜禽粪尿作为有机肥的还田率仅有40%—50%，随着我国畜牧产业集约化和规模化养殖程度的不断提高，导致农业生产中农牧分离问题的加剧，进一步限制了牲畜粪便的还田利用[38-40]。特别是在我国草甸草原牧区，随着当地牧民生活、生产能源结构的改变和牧户牲畜圈舍饲养规模的扩大，当地牲畜圈舍中积累的粪便能作为燃料利用的比例越来越少。由于当地自然条件的限制和草原生态保护的需要，并不适合开展大规模农业种植活动，牲畜粪便无法就近还田，运往农区处理经济成本较高。因此，在呼伦贝尔草甸草原地区大量无法处理的牲畜粪便就在圈舍旁边和牧民定居点附近堆弃，不仅导致当地草原生态系统的养分流失，还严重威胁着当地居民健康和生态环境。相关研究结果表明，通过改进牲畜粪便处理方式，将当前丢弃的粪便作为肥料进行有效利用，可将牛奶生产引发的与氮排放相关的环境影响减少30%以上，因此，寻找并建立符合我国草甸草原牧区实际情况且在经济成本和环境效益上具有可行性的牲畜粪便的无害化处理和资源化利用途径和技术方法，对于我国农牧产业发展和环境保护方面具有重要的现实意义[17,41]。但由于数据来源限制等原因，本研究中仅对其经济效益和燃料、水资源消耗方面的环境影响进行了评估，对于不同牲畜粪便处理方式产生的温室气体排放和不同养殖模式下牲畜粪便造成的环境污染情况并不明确，需要在今后相关研究中对这一部分内容逐步扩展和完善，进而得出更加准确的结论。

4 结论

集约化养殖场在提高草原利用效率方面优势明显，同时在提升饲料能量转化效率、提升牛奶产量和质量方面具有很大的潜力。但是与小规模养殖户相比，从单位FPCM产品的角度衡量集约化养殖场在温室气体排放、水资源消耗和燃料消耗方面的环境成本较大。对天然打草场进行改良可显著增加每公顷草地牧草产出和收益，但施肥和燃料消耗的增加会造成温室气体排放、富营养化和燃料消耗增加等环境问题。在牲畜粪便处理利用技术应用方面，集约化养殖场产生的牛粪通过发酵有机肥、蚯蚓处理牛粪和蘑菇养殖等处理利用方式，在解决牲畜饲养中粪便污染问题的同时，创造的净收益相当于生产牛奶产生净收益的5%—12%，整体来看带来的环境影响相对较少，在呼伦贝尔当地畜牧产业中的应用潜力较大。

[1] WATTIAUX M A, UDDIN M E, LETELIER P, JACKSON R D, LARSON R A. Emission and mitigation of greenhouse gases from dairy farms: The cow, the manure, and the field., 2019, 35(2): 238-254.

[2] GERBER P J, STEINFELD H, HENDERSON B, MOTTET A, OPIO C, DIJKMAN J, FALCUCCI A, TEMPIO G. Tackling climate change through livestock: A global assessment of emissions and mitigation opportunities. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), 2013.

[3] PIRLO G, LOLLI S. Environmental impact of milk production from samples of organic and conventional farms in Lombardy (Italy)., 2019, 211: 962-971.

[4] WANG X Q, LEDGARD S, LUO J F, GUO Y Q, ZHAO Z Q, GUO L, LIU S, ZHANG N N, DUAN X Q, MA L. Environmental impacts and resource use of milk production on the north China plain, based on life cycle assessment., 2018, 625: 486-495.

[5] 黄文强, 董红敏, 朱志平, 刘翀, 陶秀萍, 王悦. 畜禽产品碳足迹研究进展与分析. 中国农业科学, 2015, 48(1): 93-111.

HUANG W Q, DONG H M, ZHU Z P, LIU C, TAO X P, WANG Y. Research progress and analysis of carbon footprint of livestock products., 2015, 48(1): 93-111. (in Chinese)

[6] 刘松. 关中地区奶牛饲料作物环境影响生命周期评价[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2017.

LIU S. Life cycle assessment of dairy cattle feed crops in Guanzhong plain [D]. Yangling: Northwest A＆F University, 2017. (in Chinese)

[7] 倪茹. 呼和浩特奶牛养殖粪污排放与废水处理模式及其工艺改进[D]. 呼和浩特: 内蒙古大学, 2016.

NI R. Dairy farm waste emissions and improvement of treatment mode and process of wastewater in Hohhot [D]. Hohhot：Inner Mongolia University, 2016. (in Chinese)

[8] 姜明红, 刘欣超, 唐华俊, 辛晓平, 陈吉泉, 董刚, 吴汝群, 邵长亮. 生命周期评价在畜牧生产中的应用研究现状及展望. 中国农业科学, 2019, 52(9): 1635-1645.

JIANG M H, LIU X C, TANG H J, XIN X P, CHEN J Q, DONG G, WU R Q, SHAO C L. Research progress and prospect of life cycle assessment in animal husbandry., 2019, 52(9): 1635-1645. (in Chinese)

[9] NOTARNICOLA B, SALA S, ANTON A, MCLAREN S J, SAOUTER E, SONESSON U. The role of life cycle assessment in supporting sustainable agri-food systems: A review of the challenges., 2017, 140: 399-409.

[10] MCCLELLAND S C, ARNDT C, GORDON D R, THOMA G. Type and number of environmental impact categories used in livestock life cycle assessment: A systematic review., 2018, 209: 39-45.

[11] HELLER M C, KEOLEIAN G A. Life cycle energy and greenhouse gas analysis of a large-scale vertically integrated organic dairy in the United States., 2011, 45(5): 1903-1910.

[12] CHATTERTON J, GRAVES A, AUDSLEY E, MORRIS J, WILLIAMS A. Using systems-based life cycle assessment to investigate the environmental and economic impacts and benefits of the livestock sector in the UK., 2015, 86: 1-8.

[13] ESTEVES E M M, HERRERA A M N, ESTEVES V P P, MORGADO R V. Life cycle assessment of manure biogas production: A review., 2019, 219: 411-423.

[14] JOENSUU K, PULKKINEN H, KURPPA S, YPYÄ J, VIRTANEN Y. Applying the nutrient footprint method to the beef production and consumption chain., 2019, 24(1): 26-36.

[15] GROENESTEIN C M, HUTCHINGS N J, HAENEL H D, AMON B, MENZI H, MIKKELSEN M H, MISSELBROOK T H, VAN BRUGGEN C, KUPPER T, WEBB J. Comparison of ammonia emissions related to nitrogen use efficiency of livestock production in Europe., 2019, 211: 1162-1170.

[16] BATTINI F, AGOSTINI A, BOULAMANTI A K, GIUNTOLI J, AMADUCCI S. Mitigating the environmental impacts of milk production via anaerobic digestion of manure: Case study of a dairy farm in the Po Valley., 2014, 481: 196-208.

[17] LEDGARD S F, WEI S, WANG X Q, FALCONER S, ZHANG N N, ZHANG X Y, MA L. Nitrogen and carbon footprints of dairy farm systems in China and New Zealand, as influenced by productivity, feed sources and mitigations., 2019, 213: 155-163.

[18] WANG X Q, KRISTENSEN T, MOGENSEN L, KNUDSEN M T, WANG X D. Greenhouse gas emissions and land use from confinement dairy farms in the Guanzhong plain of China-Using a life cycle assessment approach., 2016, 113: 577-586.

[19] ZHANG J, ZHUANG M H, SHAN N, ZHAO Q, LI H, WANG L G. Substituting organic manure for compound fertilizer increases yield and decreases NH3and N2O emissions in an intensive vegetable production system., 2019, 670: 1184-1189.

[20] XU X B, MA Z, CHEN Y Q, GU X M, LIU Q Y, WANG Y T, SUN M M, CHANG D H. Circular economy pattern of livestock manure management in Longyou, China., 2018, 20(2): 1050-1062.

[21] 黄文强. 规模化养殖场牛奶生产碳足迹评估方法与案例分析[D]. 北京: 中国农业科学院, 2015.

HUANG W Q. Carbon footprint assessment methodology of milk production in intensive dairy farm and case study [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2015. (in Chinese)

[22] 曹正纲. 黑龙江省奶牛场生命周期评价[D]. 哈尔滨: 东北农业大学, 2012.

CAO Z G. Life cycle assessment of dairy farm in Heilongjiang province, China [D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2012. (in Chinese)

[23] 刘艳娜, 史莹华, 严学兵, 王成章, 梁明根, 周路. 苜蓿青干草替代部分精料对奶牛生产性能及经济效益的影响. 草业学报, 2013, 22(6): 190-197.

LIU Y N, SHI Y H, YAN X B, WANG C Z, LIANG M G, ZHOU L. Effect of alfafa hay substituting for part of the concentrate, on the production of cows and economic profit., 2013, 22(6): 190-197. (in Chinese)

[24] 张晓明. 奶牛养殖业对环境的污染及其控制. 中国畜牧杂志, 2011, 47(8): 38-42.

ZHANG X M.Environmental pollution and control of dairy farming., 2011, 47(8): 38-42. (in Chinese)

[25] 吕通. 内蒙古牲畜养殖粪污排放特征及其产沼和减排潜力分析[D]. 呼和浩特: 内蒙古大学, 2016.

LV T. Emission characteristics and biogas production and emission reduction potential of livestock manure in Inner Mongolia. Hohhot: Inner Mongolia University, 2016. (in Chinese)

[26] SALOU T, LE MOUËL C, VAN DER WERF. Environmental impacts of dairy system intensification: The functional unit matters., 2017, 140: 445-454.

[27] ROY P, NEI D, ORIKASA T, XU Q, OKADOME H, NAKAMURA N, SHIINA T. A review of life cycle assessment (LCA) on some food products., 2009, 90(1): 1-10.

[28] CAPPER J L, CADY R A, BAUMAN D E. The environmental impact of dairy production: 1944 compared with 2007., 2009, 87(6): 2160-2167.

[29] BRAGHIERI A, PACELLI C, BRAGAGLIO A, SABIA E, NAPOLITANO F. The hidden costs of livestock environmental sustainability: The case of Podolian Cattle VASTOLA A//-. Cham: Springer International Publishing, 2015: 47-56.

[30] O′BRIEN D, SHALLOO L, PATTON J, BUCKLEY F, GRAINGER C, WALLACE M. A life cycle assessment of seasonal grass-based and confinement dairy farms., 2012, 107: 33-46.

[31] TICHENOR N E, PETERS C J, NORRIS G A, THOMA G, GRIFFIN T S. Life cycle environmental consequences of grass-fed and dairy beef production systems in the Northeastern United States., 2017, 142: 1619-1628.

[32] KUMAR R R, PARK B J, CHO J Y. Application and environmental risks of livestock manure., 2013, 56(5): 497-503.

[33] JONES C S, DRAKE C W, HRUBY C E, SCHILLING K E, WOLTER C F. Livestock manure driving stream nitrate., 2019, 48: 1143-1153.

[34] XU P, KOLOUTSOU-VAKAKIS S, ROOD M J, LUAN S J. Projections of NH3emissions from manure generated by livestock production in China to 2030 under six mitigation scenarios., 2017, 607-608: 78-86.

[35] 朱宁. 畜禽规模养殖户污染防治问题研究[D]. 中国农业科学院, 2016.

ZHU N. Research on pollution prevention of livestock scale farmers: A case study in layer [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2016. (in Chinese)

[36] 徐增让, 成升魁, 高利伟, 陈远生. 藏北牧区畜粪燃烧与养分流失的生态效应研究. 资源科学, 2015, 37(1): 94-101.

XU Z R, CHENG S K, GAO L W, CHEN Y S. Yak dung use as fuel and nutrient loss in the Northern Tibetan Plateau., 2015, 37(1): 94-101. (in Chinese)

[37] 朱海生, 董红敏, 左福元, 袁丰, 饶骏. 覆盖及堆积高度对肉牛粪便温室气体排放的影响. 农业工程学报, 2014, 30(24): 225-231.

ZHU H S, DONG H M, ZUO F Y, YUAN F, RAO J. Effect of covering on greenhouse gas emissions from beef cattle solid manure stored at different stack heights., 2014, 30(24): 225-231. (in Chinese)

[38] 马林, 柏兆海, 王选, 曹玉博, 马文奇, 张福锁. 中国农牧系统养分管理研究的意义与重点. 中国农业科学, 2018, 51(3): 406-416.

MA L, BAI Z H, WANG X, CAO Y B, MA W Q, ZHANG F S. Significance and research priority of nutrient management in soil-crop-animal production system in China., 2018, 51(3): 406-416. (in Chinese)

[39] 张建杰, 郭彩霞, 李莲芬, 张强. 农牧交错带农牧系统氮素流动与环境效应-以山西省为例. 中国农业科学, 2018, 51(3): 456-467.

ZHANG J J, GUO C X, LI L F, ZHANG Q. Nutrient flow and environmental effects on crop-livestock system in farming-pastoral transition zone-A case study in Shanxi province., 2018, 51(3): 456-467. (in Chinese)

[40] GU B J, JU X T, CHANG J, GE Y, VITOUSEK P M. Integrated reactive nitrogen budgets and future trends in China., 2015, 112(28): 8792-8797.

[41] 王敬国, 林杉, 李保国. 氮循环与中国农业氮管理. 中国农业科学, 2016, 49(3): 503-517.

WANG J G, LIN S, LI B G. Nitrogen cycling and management strategies in Chinese agriculture., 2016, 49(3): 503-517. (in Chinese)

LCA-Based Assessment of Hulunber Ecological Grassland Technology Integration Demonstration

LIU XinChao1,2,3, WANG LuLu1,4, WU RuQun1,5, XIN XiaoPing1, SUN HaiLian2,3, JIANG MingHong6, LI XiaoShuang7, WANG Miao1,4, LIU Yun4, SHAO ChangLiang1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2Inner Mongolia Academy of Agricultural & Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China;3Inner Mongolia Prataculture Research Center, Chinese Academy of Sciences, Hohhot 010031, China;4School of Biology, Resources and Environment, Beijing Agricultural College, Beijing 102206, China;5Center for Global Change and Earth Observations, Department of Geography, Environment, and Spatial Sciences, Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA;6College of Primary Education, Hulunber University, Hulunber 021008, Inner Mongolia, China;7Inner Mongolia Hohhot Jingu Agricultural Commercial Bank Co., Ltd, Hohhot 010050, China)

【】This study evaluated the comprehensive environmental effect of the process of intensive cow breeding-livestock manure utilization-natural grassland improvement.【】At first, the life cycle inventory of the milk produced under different dairy cattle cultivation modes was established. Then the comprehensive environment effects (greenhouse gas emissions, land occupation, water consumption and non-renewable energy consumption) and overall economic benefits in the whole life cycle of milk production were quantitatively analyzed by combining the experimental data of intensive cow breeding, manure utilization (including microbial fermentation organic fertilizer, earthworm breeding organic fertilizer, and mushroom breeding) and natural grassland improvement with the input data of local animal production and management. The function unit was 1 ton of standard milk (FPCM) in this analysis.【】The results showed that the mean gross income of local herdsmen’s grazing farms and intensive dairy farms was 8 900 yuan and 211 yuan per adult cow, respectively. If the operating cost was deducted, the net income of each adult cow in the two modes was 4 200 yuan (herdsmen’s grazing farm) and 4 100 yuan (intensive farm), respectively. The environmental impact caused by the production of 1 ton FPCM in intensive farm was 1.19 hm2of grassland, 0.15 hm2of arable land, 216.47 t of water, 1 944.19 MJ of fossil fuel and 0.73 t of CO2eqof greenhouse gas. In addition to the grassland area (3.25 hm2), the environmental impact of milk production by herdsmen’s grazing farms were less than that of intensive dairy farms (0.04 hm2of cultivated land, 70.70 t of water, 892.80 MJ of fossil fuel and 0.55 t of CO2eqgreenhouse gas). Natural clipped grassland improvement could significantly increase the hay yield per hectare grassland (increased for 68.57%) and income (increased for 10.71%), it could reduce the grassland area occupied by 40.50%, but the increase of fertilization and fuel consumption in the improvement would cause environmental problems (such as more greenhouse gas emissions 17.70 times) and more fuel consumption (2.10 times).In terms of the application of livestock manure treatment and utilization technology, the cattle manure produced by intensive farms was treated and utilized through microbial fermentation, earthworm treatment and mushroom cultivation, the net income generated was equivalent to about 5%-12% of the net income generated by milk production, and the overall environmental impact was relatively small.【】Intensive farms had obvious advantages in improving grassland utilization efficiency, and had great potential in improving feed energy conversion efficiency, as well as milk yield and quality. However, intensive dairy farming would increase the planting area of alfalfa, oats and other high protein forages, and cause adverse environmental effects such as more greenhouse gas emissions, more water and energy consumption. In addition, the technology of natural grassland improvement and livestock manure treatment and utilization had great application potential in Hulunber animal husbandry.

life cycle assessment; intensive farming; seasonal grazing; environmental impact