气候和社会经济因素对全球畜禽氮排放的驱动研究

2022-05-25程露曦任琛琛张秀明谷保静

农业资源与环境学报 2022年3期

程露曦，任琛琛，张秀明，谷保静

（1.浙江大学公共管理学院，杭州 310058；2.浙江大学政策仿真实验室，杭州 310058；3.墨尔本大学农业与食品学院，墨尔本VIC 3010，澳大利亚；4.浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

畜禽养殖对人类营养和健康至关重要。畜牧业不仅供应给人类必需的蛋白质和微量元素[1]，也为人类提供了大量工作岗位[2-3]。但畜禽也是主要的氮污染排放源，每年产生的氮排放量约占全球人为总氮排放量的1/3[4]。畜牧业产生的氮排放主要来自饲料种植和畜禽养殖两个阶段。其中来自饲料种植的氮排放占主导地位，用于生产饲料的耕地占总耕地面积的2/3[5]，导致大量来自化肥和粪肥施用的氮流失。随着经济发展和人民生活水平的提高，居民对畜禽产品的需求日益增加[6]，由此产生的巨大氮排放将会给环境带来极大压力。因此，明确畜禽排放特点和探究畜禽氮排放的影响因素对控制畜禽氮排放至关重要。本研究分析了全球166 个国家畜禽氮排放强度和氮利用率（Nitrogen use efficiency，NUE），明确了畜禽氮排放的主要特点，进而利用计量经济学方法分析气候和社会因素与畜禽总氮排放的相关关系，旨在为畜禽氮减排提供科学依据和参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

（1）畜禽系统

各国畜禽数量和产量来自于联合国粮农组织数据库（FAOSTAT）[5]。全球牲畜栅格数据库（Global livestock of the world，GLW，网址https：//www.fao.org/land-water/land/land-governance/land-resources-plan⁃ning-toolbox/category/details/en/c/1236449）提供了根据养殖方式和养殖规模划分的具体畜禽养殖系统[7]，将猪按照养殖规模划分为散养猪、中等规模猪和工业猪三种养殖系统，将鸡按照养殖规模和种类分为散养鸡、工业蛋鸡和工业肉鸡，将反刍动物按照饲养方式划分为放牧和混合两大类。此外，畜禽产品分类和蛋白质含量来自全球牲畜排放评价模型（Glob⁃al livestock emission assessment model，GLEAM）[8]，畜禽产品主要包括来自猪、肉牛、肉水牛和肉羊的肉，来自奶牛、奶水牛和奶羊的奶，以及来自鸡的肉和蛋。

（2）农田系统

①农田主要氮输入数据：氮沉降数据来自文献[9-10]；灌溉含氮量通过使用IMAGE[11]和EDGAR 模型[12]的氮排放清单按比例获得；作物生物固氮率来自文献[10]。耕地面积来自FAOSTAT。②农田主要氮输出数据：各种粮食作物的产量和单产数据来自FAOSTAT。各种饲料的氮含量以及秸秆比例来自GLEAM模型[8]。

（3）草地系统

①草地主要氮输入数据：化肥氮输入来自国际化肥协会数据库[13]和文献[14]；自然生物固氮率来自文献[14]；计算草地和其他土地最大粪肥沉积量需要的土地面积来自GLC-SHARE 数据库（Global land cov⁃er-share）[15]。②草地主要氮输出数据：草的单产数据来自文献[14]，草的含氮量来自GLEAM模型。

1.2 计算方法

本研究计算的畜禽氮排放主要来自饲料种植和畜禽养殖两个阶段。饲料主要包括粮食作物和饲草两大类，饲料种植氮排放分为农田氮排放和草地氮排放两方面。

1.2.1 饲料种植阶段氮排放

根据各畜禽蛋白质总量以及饲料转化率计算畜禽饲料干物质需求量。饲料转化率数据来自MOTTET 等[1]的研究结果，各国发展水平、各畜禽养殖系统与养殖方式的不同导致饲料转化率存在较大差异。利用GLEAM 模型[8]中提供的各畜禽的饲料比例和含氮量分别计算出粮食作物、作物秸秆以及草的总氮需求。其中饲料粮食作物主要包括小麦、玉米、大豆、木薯、高粱、大米、大麦等作物，以及豆饼、棉籽饼和菜籽饼等副产品（均折算成对应的粮食作物）。

（1）农田氮排放

农田氮排放主要来自化肥输入、粪肥还田以及作物秸秆分解还田。通过计算农田系统NUE（NUEcrop）明确农田各项氮输入，计算公式来自CHANS模型[16]。

式中：Nharvest表示收获的粮食作物的含氮总量；NCBNF、Nirrigation、Ndeposition、Nfertilizer、Nmanure分别表示作物生物固氮量以及灌溉氮、氮沉降、化肥氮、粪肥氮的输入量，kg。

将畜禽粮食作物氮需求作为农田系统的氮输出，计算出粮食作物的化肥和粪肥氮输入量。利用GLEAM 模型提供的秸秆还田比例计算出秸秆还田含氮量，通过不同排放源的氮排放系数[8]（表1）得到作物氮排放总量。此外，根据氨挥发（NH3）、淋失和径流的氮（）间接排放N2O 的系数0.01 kg·kg-（1每千克氨挥发间接排放的N2O-N 量）、0.007 5 kg·kg-1（每千克氮淋失和径流间接排放的N2O-N 量）[8]估算N2O的间接排放量。

（2）草地氮排放

草地氮排放来自化肥和畜禽放牧沉积在草地上的粪肥，化肥和粪肥的量分别乘以表1 中的氮排放系数可得草地氮排放总量。

表1 饲料种植氮排放系数（kg·kg-1，以N计）Table 1 N emission factors for feed production（kg·kg-1，calculated in N）

1.2.2 畜禽养殖阶段氮排放

畜禽养殖阶段的氮排放综合利用GLEAM 模型[8]、IPCC 提供的排放清单[17]以及UWIZEYE 等[4]的方法来计算。根据各畜禽排泄比例（IPCC Volume 4，Chapter 10）[17]计算出畜禽的氮排泄量（Nx,i），根据消化率（IPCC Volume 4，Chapter 10）[17]计算出粪便氮量，氮排泄量减去粪便氮量即可得到尿液氮量；根据粪便矿化比例[4]和粪肥管理系统（MSS，GLEAM 模型中提供的11 种粪肥管理模式的比例）得出矿化粪便氮量，矿化粪便氮量加尿液氮量即为各畜禽总氨态氮排放量（TANi），进而得出各畜禽各形式的氮排放量，计算方法见公式（2）～（6）。

1.2.3 畜禽总氮利用率计算

各畜禽总氮利用率（NUEtotal）是综合考虑饲料种植和畜禽养殖两阶段的全链条氮利用率，氮输出仅包括畜禽产品总氮量（Nlivestock）。对于整个畜禽生产系统来说，氮输入即系统外的输入，不包括还田的秸秆以及该畜禽还田和还草的粪肥，主要包括生物固氮（NCBNF）、灌溉氮（Nirrigation）、氮沉降（Ndeposition）、化肥氮（Nfertilizer）、其他畜禽的粪肥氮（Nothermanure）、额外秸秆输入（Nothercropresidue，不属于该畜禽饲料种植过程中产生的秸秆）、泔水（Nswill）以及其他饲料（Notherfeed，包括合成氨基酸和鱼饼等），计算方法见公式（7）：

1.3 计量分析

运用StataMP 16进行畜禽氮排放与气候和社会经济因素数据的回归分析，通过控制变量法分别分析各因素对畜禽氮排放的驱动作用。以年均温度和年累积降水量代表气候因素，以城市化率和人均GDP代表社会经济水平，分别探究两类因素对畜禽各阶段氮排放的影响。其中，因城市化率与人均GDP存在显著的相关关系，为避免内生性问题，本研究针对每个因变量设置两个模型，将城市化率与人均GDP分开研究。

1.4 不确定性分析

本研究数据来源多样，适用的空间尺度存在较大差异。例如，统计官网提供的数据库（如FAOSTAT 和GLC-SHARE 等）可以涵盖所有国家，但饲料比例和畜禽粪便管理系统等参数主要是以具体大洲和地区为基本单位。因此，本研究将各国数据对应匹配每种参数的适用空间尺度（如将国家按照具体大洲和地区分类），同时运用不确定性分析方法确定结果范围，保证结果的科学性。

本研究运用Matlab 进行一万次Monte Carlo 模拟来确定畜禽氮排放量的不确定性范围。活动数据主要来自统计官网，其变异系数较小，为5%～10%；参数主要来自IPCC 排放清单和公开发表的文章，变异系数较高，大于20%。主要活动数据与参数的变异系数（CV）见表2。

表2 活动数据与主要参数的变异系数（CV）Table 2 Coefficient of variation（CV）of activity data and main parameters

2 结果与分析

2.1 畜禽氮排放

2.1.1 畜禽总氮排放

图1为全球畜禽氮输入输出流，由图1可见，2019年全球166 个国家共生产14 Tg（1 Tg=109kg）畜禽蛋白质（以N 计），排放98 Tg 氮。其中饲料种植氮排放量为77 Tg，占总排放量的78%。饲料种植NUE 较高（58%），因为反刍动物以作物秸秆为食，增加了农田的产出，提高了农田NUE。畜禽养殖阶段NUE 低（10%），产生了大量粪便形式的氮损失。整体来看，畜禽生产全链条氮流失量大，尤其在饲料种植阶段存在较大的减排潜力。

图1 2019年全球畜禽氮通量图（Tg）Figure 1 Global livestock nitrogen flux map in 2019（Tg）

在95%置信区间下，全球2019年总畜禽氮排放量处于85～112 Tg之间。其中，反刍动物氮排放量为40～58 Tg，单胃动物氮排放量为40～59 Tg；饲料种植氮排放量为66～88 Tg，畜禽养殖氮排放量为14～28 Tg。

2.1.2 畜禽氮排放强度

由图2 可知，不同种类畜禽在饲料种植和畜禽养殖两阶段总的氮排放强度（每千克蛋白质的氮排放量）差异较大。总体来看，反刍动物的氮排放强度（1.1 kg·kg-1）低于单胃动物（1.2 kg·kg-1）。尤其是小型反刍动物，即山羊和绵羊的氮排放强度最低（0.6 kg·kg-1），主要是由于其饲料以草和秸秆为主，从而降低了饲料种植的氮排放。猪的氮排放强度最高，因其饲料中粮食作物占比高（81%），且饲料转化率（每吨饲料可转化的蛋白质质量，以干物质量计）较低（29 kg·t-1），比鸡的饲料转化率低17.1%。从空间上看，不同国家的畜禽氮排放强度存在较大差异。美国、加拿大、澳大利亚等发达国家种植和养殖水平高，故总氮排放强度普遍偏低。在中国、印度、蒙古等亚洲国家，过量输入化肥导致饲料种植氮排放强度较高，而非洲则恰好相反，过低的氮肥输入显著降低了农地氮排放。

图2 全球各国畜禽氮排放强度Figure 2 Global livestock nitrogen emission intensity

续图2 全球各国畜禽氮排放强度Continued figure 2 Global livestock nitrogen emission intensity

同一种畜禽的养殖规模和方式不同，氮排放强度也存在较大差异。工业猪对粮食作物饲料的高需求量及其粪肥管理方式的高排放量导致其氮排放强度远高于中等规模猪、略高于散养猪，证明猪采用中等养殖规模最佳，养殖规模过大会带来种养分离的风险，养殖规模过小会降低饲料转化率。散养鸡在所有畜禽中氮排放强度最高（1.9 kg·kg-1），散养鸡相较于工业鸡，饲料转化率低且粮食作物饲料需求量大，因此，应扩大鸡的养殖规模（尤其是氮排放强度低的蛋鸡）。放牧反刍动物饲料干物质需求量较高，导致其氮排放强度高于混合反刍动物，例如混合牛和放牧牛每千克蛋白质对饲料干物质的需求量分别为171 kg 和195 kg，因此应适当提高混合养殖反刍动物的比例。

2.2 畜禽氮利用率

由图3 可知，单胃动物的总NUE 高于反刍动物，其中鸡的NUE 最高（9%），奶牛和奶水牛的NUE 最低（5%）。相较于单胃动物（34 kg·t-1），反刍动物在畜禽养殖阶段的饲料转化率（7 kg·t-1）较低，粪便排泄量大。但这些粪便可用来还田，是农田和草地必不可少的氮肥。

图3 全球各畜禽总氮利用率Figure 3 Global total nitrogen use efficiency of each livestock

续图3 全球各畜禽总氮利用率Continued figure 3 Global total nitrogen use efficiency of each livestock

从具体国家来看，美国、加拿大和澳大利亚等发达国家的畜禽NUE 普遍较高，一方面是由于这些国家化肥输入量少且农田作物产量高，另一方面因其养殖技术与设备先进而使得氮流失量少。中国和印度的畜禽总NUE 较低，过量化肥的施用极大降低了饲料种植NUE。然而在非洲大部分国家，氮肥输入量过少，农田NUE 过高，过度消耗土壤肥力，不利于农田的可持续生产。

各国畜禽氮排放强度以及NUE 差异很大，主要是因为社会经济和气候条件不同，产生的驱动作用也不同。因此，探究社会经济和气候因素对各阶段畜禽氮排放的具体影响可为针对性地制定减排措施提供参考依据。

2.3 社会经济和气候因素对畜禽排放的驱动分析

2.3.1 社会经济因素对畜禽排放的驱动作用

表3 和图4a、图4b 显示畜禽总氮排放强度与人均GDP、城市化率均存在极显著正相关关系，主要是因为饲料生产阶段的氮排放未与经济发展脱钩。人均GDP、城市化率代表社会经济发展水平，随着经济水平提升，即人均GDP、城市化率提高，农地的化肥投入增加，导致农田NUE 下降，证明当前大多数国家存在化肥输入不合理的问题。相反，畜禽养殖阶段的氮排放与人均GDP、城市化率显著负相关，经济发展水平提高会增加养殖投入，提高畜禽养殖水平和效率，推动畜禽养殖业的发展。

表3 畜禽各阶段排放与气候和社会经济因素模型Table 3 Models of livestock emissions driven by climate and socioeconomic factors at all stages

图4 畜禽氮排放强度与气候和社会经济因素的关系Figure 4 Livestock emission intensity in relation to climate and socioeconomic factors

2.3.2 气候因素对畜禽排放的驱动作用

畜禽排放与温度的关系不显著。仅通过国家的年平均气温来分析畜禽生产阶段的排放是不精确的，应深入探究土壤温度及圈舍温度对作物种植和畜禽养殖氮排放的影响。畜禽总氮排放强度与累积降雨量具有显著正相关关系。降雨量越大，土壤湿度越高，饲料种植阶段产生的氮排放量也越高。畜禽养殖阶段的氮排放强度与累积降雨量呈负相关关系，因为氨具有较高的水溶解度，湿度增加会多溶解部分氨。

3 讨论与建议

3.1 饲料种植阶段氮减排潜力大

饲料种植阶段氮排放强度高且未与经济发展脱钩，存在较大的减排潜力。优化饲料种植管理、降低氮损失至关重要。作物产量与氮肥输入存在倒U 型的库兹涅兹曲线关系，化肥过量会降低作物产量[10]。大多数国家农田NUE 随着氮输入强度的增加呈下降趋势，中国、印度等地区化肥输入过量问题尤为严重。因此减少化肥施用、提高化肥氮利用率是提升农田NUE 的关键途径。目前部分欧美国家已经过曲线拐点，采取多种举措减少化肥施用，农田NUE 稳步提升，农业面源污染大幅降低[18]。然而，由于资源缺乏，非洲氮肥输入量过少、农田NUE 过高[19]，会不断消耗土壤肥力，不利于农田可持续发展。因此非洲应大力推进种养结合，耦合作物种植和畜禽养殖以达到降低畜禽氮流失和提升农地肥力的双赢目标[20-21]。

3.2 社会经济发展推动畜禽养殖业发展

社会经济发展会降低畜禽养殖阶段氮排放强度，显著推动畜禽养殖业发展，因而建议从以下三方面推动畜禽养殖业发展：一是加大养殖设备投入，精确监测并充分回收利用畜禽养殖过程中流失的氮，提升畜禽养殖NUE；二是培育饲料转化率高、氮排放强度低的畜禽种类；三是培养专业养殖人才，建立规范化养殖流程和管理规范。此外，增加的减排投入会给生态、气候和人类健康带来巨大效益[22]。因此，各国应适度增加养殖固定成本投入，提升畜禽养殖NUE。

3.3 畜禽种类和养殖方式不同导致畜禽氮排放差异较大

各种畜禽间的饲料转化率、饲料比例及粪肥管理模式等均存在较大差异。单胃动物比反刍动物的饲料转化率高，因而NUE 也高，但单胃动物以大量粮食作物为食，又会导致饲料种植阶段氮排放强度高，而反刍动物排泄的粪便是农地必不可少的氮肥来源。因此应适当增加氮排放强度低的反刍动物养殖数量。此外，对于同一种畜禽，不同的养殖方式也会造成氮排放的显著差异。例如工业鸡比散养鸡饲料需求量低且饲料转化率高、氮流失量小；中等规模猪比散养猪和工业猪的氮排放强度都低；放牧反刍动物比混合反刍动物的饲料需求量高，导致氮排放强度也高。因此，各国应增加鸡的养殖规模，控制猪的养殖规模，将反刍动物的养殖方式由放牧转变为混合，以提高养殖效率。