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奶牛场技术选择对综合效益和碳排放的影响

2021-12-25杜欣怡盛灵娟施正香徐练海

中国乳业 2021年11期
关键词:能值奶牛场粪污

杜欣怡,盛灵娟,施正香*,于 静,徐练海

1 中国农业大学水利与土木工程学院,农业农村部设施农业工程重点实验室,北京 100083

2 北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心,北京 100083

3 天津梦得集团有限公司,天津 300400

4 天津神驰农牧发展有限公司,天津 300273

0 引言

在我国庞大的人口基数与社会经济水平迅速发展的前提下,碳中和目标为农业现代化的高质量、高水平发展提出了新的要求。奶牛养殖业面临保障优质奶源供应与绿色发展的双重压力,探索绿色高效的养殖模式,平衡经济与生态效益,已成为行业可持续发展的关键。作为我国目前规模化奶牛饲养的主力军,城郊型奶牛场和农区型奶牛场对我国奶业有着举足轻重的影响[1]。城郊型奶牛场以奶牛饲养为中心,具有整体性、系统性、集约性、高效性等特点[2];而农区型奶牛场以奶牛生产为中心,通过种养结合实现物质循环与能量的多级利用。传统的分析方法很少考虑自然资源的利用[3,4],不能对系统整体的经济生态效益做出综合评估。本文引入能值分析理论,将系统中从投入到产出的能量、商品、货币等转化为统一的能值单位[5],结合天津地区城郊型和农区型规模化奶牛场的自然资源、外部投入、能值产出等,分析奶牛场饲料投入、牛奶产出、粪污处理等重点环节对经济及环境效益的影响,以期为奶牛场合理选择技术工艺,提升综合效益及降低碳排放提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究选取天津地区典型城郊型奶牛场I和农区型奶牛场II,基本信息如表1所示。2 个奶牛场均采用散栏饲养、全混合日粮(TMR)饲喂、自动挤奶、粪污无害化处理等现代工艺和技术装备,其中奶牛场II另配备了饲草料种植收割设备。天津地区年均太阳辐射量6 128 MJ/m2,降水量为550~680 mm,夏季降水量约占全年降水量的80%。年均气温12.3 ℃,最热月平均气温26.0 ℃,最冷月-4.0 ℃。

表1 奶牛场I和II基本情况一览表

1.2 研究方法

本研究对2 个奶牛场2015年10月—2016年9月的生产全过程数据进行调研,分析1 个完整生产年度的能值投入、产出情况。依据能值分析理论,对奶牛场的能物流、货币流、信息流等进行换算并建立能值流图,通过能值评价指标对奶牛场经济及环境效益进行综合评价,并依此对奶牛场的技术选择提出优化方案,以提升单位产品的综合效益,减少碳排放。除太阳能、风能、雨水等沿用Odum团队[5]的能值转换率外,其他均以最新的全球能值基线12.00×1024Sej/年为基准进行相应转换[6]。能值-货币比率参照2004年,因太阳能、风能、雨水等可更新环境资源来源相同,只计最大项[7]。

1.3 主要评价指标

系统的能值评价指标及计算方法[5,8,9]如下所示。

1.3.1 能值转换率

能值转换率(Transformity,Tr),即产出1 J牛奶所需能值(公式1)。

式中:R为奶牛场投入的可更新自然资源总和,N为奶牛场投入的不可更新自然资源总和,F为奶牛场购买的投入品,Yj为奶牛场的年产奶量。

1.3.2 能值-货币价值

能值-货币价值(Emdollar value, Em$),即与奶牛场每年投入的能值总量相当的货币价值(公式2)。

式中:r为能值-货币比率。

1.3.3 能值产出率

能值产出率(Emergy Yield Ratio,EYR),即系统能值总产出与社会经济反馈能值投入之比,EYR越高,表明系统的生产效率越高(公式3)。

1.3.4 可更新能源投入率

可更新能源投入率(Renewable Input Ratio,RIR),即系统可更新能源投入总量与能源投入总量之比(公式4)。

式中:FR为投入品的可更新部分,计算方法为相应资源乘以对应的可更新比例系数(公式5)。

1.3.5 能值自给率

能值自给率(EmergySelf-sufficiency Ratio,ESR),即系统自然环境投入能值与能值投入总量之比(公式6),ESR越高,表明系统的自给能力越强。

1.3.6 环境负载率

环境负载率(Environmental Load Ratio,ELR),即系统不可更新能值投入总量与可更新能值投入总量之比(公式7),ELR越高,表明系统对环境的压力越大。

式中:R0为系统内部反馈能,FN为系统从外界购买投入品的不可更新部分,其值为外界投入品总能值减去可更新部分能值(公式8)。

1.3.7 系统可持续性

系统可持续性(Emergy Sustainability Index,ESI),即EYR与ELR的比值,ESI越大,表明系统可持续能力越强。

2 结果与分析

2.1 奶牛场综合效益分析

依据能值分析方法,本研究中奶牛场I和II的系统边界及各环节的能值输入、反馈和输出关系的能值流如图1、2所示。可以看出,奶牛场I系统内部主要包括奶牛养殖、沼气发酵、污水处理等单元,奶牛场II主要为饲草种植、奶牛养殖和垫料再生等单元。

图1 奶牛场I能值流图

图2 奶牛场II能值流图

奶牛场的能值投入主要分为可更新环境资源、不可更新环境资源、外界购买投入3部分。图3可以看出,2 个奶牛场利用的可更新环境资源主要有太阳能、风能和雨水;奶牛场I投入的不可更新环境资源主要为生产用水,奶牛场II主要为表土损耗和生产用水[7,10];奶牛场I外界购买投入主要为固定资产损耗(49%)与饲草料(40%)[9,11,12],奶牛场II中固定资产损耗(22%)、人力、地租、饲草料(12%)占比相对较多[11,13]。

图3 奶牛场I和II能值投入百分比柱形图

奶牛场II的能值密度较低,仅为6.67×1013Sej/m2,单位泌乳牛药品能值投入是奶牛场I的23.0 倍。推测可能是由于奶牛场II繁育及生产环境管理不合理,导致药品投入过多。奶牛场I和II单位泌乳牛牛奶产出能值分别为3.30×1016Sej/年和2.59×1016Sej/年。奶牛场I的系统内部反馈主要为沼气(93%)[14],奶牛场II主要为液态肥(91%)与牛床垫料[7,15]。

2.2 能值评价指标差异分析

本研究中,奶牛场I和II的能值评价指标计算结果如表2所示。可以看出,奶牛场II的Tr是奶牛场I的1.4 倍,说明奶牛场I对资源的利用效率较高。从经济效益来看,奶牛场I和II的EYR分别为1.12和1.01,但奶牛场I的Em$略高于奶牛场II,表明奶牛场I在产生较高经济回报率的同时,也增加了对外界经济投入的依赖性;奶牛场II拥有较大面积的饲草料种植区,青贮苜蓿、全株玉米等饲草料资源自给率较高,因而饲料资源投入仅占能值总投入的13%。

表2 奶牛场I和II主要能值指标评价表

奶牛场I和II的ELR分别为3.25和4.35,高于中国东北和中、西部11 个省市农业系统(2.39),ESI分别为0.35和0.23,低于东北和中、西部地区农业系统(0.69)[16],这反映出天津地区奶牛养殖系统对外界资源和经济投入的依赖性较强,区位优势不突出的特点。奶牛场I的RIR为15%,ESR为0.004,奶牛场II分别为13%和0.031,均低于全国农业系统的平均水平(分别为25%和0.43)[17],说明2 个奶牛场对自然资源利用率均较低,主要依靠外界输入能值,这也符合养殖类生态经济系统的一般特征。

2.3 奶牛养殖系统工艺优化

数据分析发现,城郊型奶牛场I的生产管理模式较为科学,在日粮配方、牛群配种、挤奶技术等方面均显示出较高水平,但饲料投入与环境负荷较高;农区型奶牛场II使用的粪污处理工艺通过系统反馈,节省了青贮、粗饲料及垫料的投入,同时避免了污水排放造成的污染,但土地利用较为粗放,且药品投入过多。

在粪污处理环节,奶牛场I采用“沼气+有机肥+达标排放”的模式,即粪污固液分离后的固体部分生产有机肥,液体部分经发酵产生的沼气供场内自用,废水作进一步处理后达标排放;奶牛场II采用“牛床垫料+液态肥+清洁回用”的模式,将粪污固液分离后分为3 部分,固体部分通过牛床垫料再生系统无害化处理后回用于牛舍卧床;液体部分大部分用于发酵制作液态肥回田灌溉饲草地;其余部分处理后用于回冲奶牛场管道。由于液态肥回田灌溉实现了营养元素的循环利用;垫料再生避免了发酵过程产生的大量温室气体排放;污水回冲降低了系统对环境的压力,提高了系统的可持续性,相较而言,奶牛场II的粪污处理模式增加了系统反馈,提升了清洁能源利用率,减少了污染物与碳排放。

因此,奶牛场I可将粪污处理工艺改为“牛床垫料+液态肥+清洁回用”模式,节省饲料与垫料成本,增加系统内部反馈,降低系统污染物与碳排放。方案优化后,奶牛场I每年可减少20 万元的资金投入,环境负荷也有所降低。奶牛场II则可适度提高饲养规模,合理利用土地,并改良日粮配方以提升奶牛的单产水平,还需通过更加科学合理的生产及环境管理减少药品的使用。此外,天津地区奶牛养殖系统区位优势不明显,可合理利用当地资源,提升风、光等清洁能源利用比例,抵扣生产生活中必要的碳排放,减少外界购买资源的输入,降低对外界资源与经济投入的依赖性,实现可持续发展。

3 结论

在奶牛场综合效益分析中,饲料投入的敏感性最高,日粮配方和饲料来源都是影响奶牛场效益的重要因素。得益于科学的管理方法与养殖技术的应用,城郊型奶牛场I的系统生产效率高于农区型奶牛场II,而奶牛场II通过“牛床垫料+液态肥+清洁回用”模式处理粪污,降低了饲草等的投入成本,减少了污染物排放。为降低奶牛养殖系统对外界环境与经济投入的依赖性,应增加清洁能源使用比例,发挥地区区位优势,在降低单位产品经济投入的同时,减少系统碳排放,实现经济与环境效益的综合提升。

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