基于LCA的江西省典型生猪供应链的碳排放测算

2022-11-08张振华曾德源

家畜生态学报 2022年10期

张振华,胡凯,曾德源,3*

(1. 九江学院江西开放型经济研究中心，江西九江 332005；2.国家邮政局发展研究中心，北京 100868；3. 海南大学经济学院，海南海口 570228)

温室气体效应是全球性热点问题，畜禽养殖生产是重要的温室气体排放源，它带来了全球9%的CO2、37%的CH4、65%的N2O[1]。2019年中国生猪出栏5.44×108头，年末存栏3.10×108头，约占世界生猪出栏总量的50%。规模化生猪产业被列入江西十大战略性新兴产业，2019年江西生猪出栏达到3.00×107头左右，产生大量的温室气体。随着鄱阳湖生态经济区的推进和对生态养殖要求的提出，江西生猪产业的碳减排成为一个紧迫而重大的课题。白林等[2]研究认为猪肉生产过程中的N2O和CH4温室气体排放源主要来自废物处置、饲料作物生产、动物生程中的排泄物。

目前生猪碳排放测算已取得如下主要成果：(1)基于因子法的宏观研究。由联合国粮农组织研发的基于排放因子的模型把全球畜禽碳排放对象分为6类。(2)基于质量平衡法的中观研究。廖誉[3]对规模化生猪养殖场生产过程中碳排放量的计算进行了研究，但他没涉及到全生命周期。(3)基于实测法微观研究。张哲瑜等[4]以北京市24家规模化猪场调研数据为基础，通过对肠道发酵甲烷排放核算方法、粪便管理过程甲烷和氧化亚氮排放核算方法的总结梳理。(4)生命周期评价法。周元清[5]基于生命周期评价方法原理，构建了规模化生猪养殖生产系统的碳足迹评估方法，探讨了饲料作物种植中不同分配方法对碳足迹的影响，并结合典型规模化猪场的实际生产数据，开展了规模化生猪养殖生产系统碳足迹核算和减排措施分析。

上述研究为本研究提供了很多有益的参考和借鉴，但是对于猪肉碳标签的计算问题，特别是以江西养殖条件为背景，基于全生命周期评价(LCA)视角的碳标签问题的综合性研究还比较缺乏。LCA研究贯穿于产品生命全过程，认为碳足迹是某一产品或服务从原材料购买到生产、运输销售、使用和回收处置的整个生命周期过程中所排放的温室气体量。它能够较全面的对产品整个生命周期内各阶段的资源消耗、能源消耗和温室气体排放情况做出计量。

1 研究框架与技术路线

本研究以ISO14040生命周期评价框架为指导，通过构建一个包含饲料种植、饲料加工运输、母猪饲养、肉猪饲养与运输、肉猪屠宰加工包装、猪肉分销与运输、猪肉零售、猪肉消费等从产生到最后消亡全生命周期的猪肉碳排放计算框架模型(图1)；并与企业深度合作，采用江西省鄱阳湖域的生猪产业的实际技术数据，对猪肉碳排放数量进行具体测算。

图1 生命周期下猪肉碳标签边界及碳源

2 实证测算

排放因子源于《IPCC2006年国家温室气体清单指南(2019修订版)》[6]。文中很多数据根据《中国碳核算数据库》[7]整理，该数据库调研出的行业数据和国际知名企业公布的数据，实用性和针对性强；另外还重点查询了《第二次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册(2020年试用版)》[8]，因数据库畜禽养殖业碳排放源及其因子的针对性很强。《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》(2019)[9]也为本文温室气体排放的研究提供了宏观的数据支持。虽然应控制的温室气体为二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6)，但本研究主要评估与生猪养殖生产活动密切相关的3种温室气体，分别是CO2、CH4和N2O。

2.1 饲料生产和运输过程中的碳排放

目前中国饲料工厂的加工工艺已经比较完善。主要流程是：从原料的准备、粉碎，再进一步配料、混合，继而制成颗粒，最后形成饲料成品[14]。在饲料加工过程中粮食生产和运输饲料加工及运输等环节都会产生碳排放。Cf表示生产饲料产生的碳排放，其计算公式为：

(1)

其中:i=s,m,t,Cfs表示因饲料原料种植产生的碳排放，Cfm表示因饲料加工产生的碳排放，Cft表示因饲料运输产生的碳排放。

2.1.1 饲料原料产生的碳排放

2.1.1.1 碳排放源及计算公式根据王文杰[15]、李娟[16]、吴狄华等[17]研究成果，结合江西饲料加工企业的调研数据，得出典型的猪配合饲料最主要的原粮是豆粕20%和玉米65%。在此先计算玉米种植产生的碳排放情况，其排放源主要是种植过程中的水、化肥、农药、灌溉及脱粒用电、收割耗油等。结合上述排放源，得到：

(2)

其中:j=w,e,o,f,p分别表示用水、电、油、煤、化肥、农药而产生的碳排放，Cfsw表示饲料原料种植过程中用水产生的碳排放，Cfse表示饲料原料种植过程中用电产生的碳排放，Cfso表示饲料原料种植过程中用油产生的碳排放，Cfsc表示饲料原料种植过程中用煤炭产生的碳排放，Cfsf表示饲料原料种植过程中用化肥产生的碳排放，Cfsp表示饲料原料种植过程中用农药产生的碳排放。

Cfsj=Ffsj×Qfsj

(3)

其中:Ffsj表示不同碳排放源的碳排放系数，Qfsj表示不同碳排放源消耗的数量。

2.1.1.2 实际测算结合公式(2)和(3)可以计算出生产1t玉米产生的碳排放量为：

(4)

结果如表2所示，1 t饲料原料(玉米)种植产生的碳排放量为357.5 kg。

表1 江西碳排放因子

表 2 生产1 t饲料消耗玉米产生的碳排放

饲料的主要原料除了玉米，还有豆粕。豆粕碳排放包含种植大豆和豆粕加工过程中产生的，大豆种植的碳排放取与玉米的碳排放相等数值，1 t饲料需要0.2 t豆粕；根据《清洁生产标准食用植物油工业豆油和豆粕(HJ/T 184-2006)》[20]，豆粕的出粕率约为80%。生产1 t饲料需要1 250 kg原料，而每1 t原料种植产生的碳排量为357.5 kg，因此生产1 t豆粕需要的大豆种植产生的碳排放为446.9 kg。

豆粕生产过程中主要是耗电、耗水和烧煤产生的碳排放，其消耗量如表3所示，根据公式(3)，得到加工0.2 t豆粕产生的碳排放数量为42.8 kg。为了得到0.2 t豆粕共产生碳排放数量为132.1 kg。故生产1 t配合饲料而所需的饲料原料产生的碳排放数为Cfs=489.6 kg。

表3 加工0.2 t豆粕产生的碳排放

2.1.2 饲料加工过程产生的碳排放

2.1.2.1 碳排放源及计算公式饲料加工环节包含粉碎、混合、挤压膨化、压制等阶段。在饲料加工过程中主要是耗水、耗电、耗煤等产生碳排放。根据上述排放源，有：

(5)

其中:j=w,e,c分别表示用水、电、煤而产生的碳排放，因此有Cfmw表示饲料加工过程中用水产生的碳排放，Cfme表示饲料加工过程中用电产生的碳排放，Cfmc表示饲料加工过程中用煤炭产生的碳排放。式中：

Cfsj=Ffmj×Qfmj

(6)

其中:Ffmj表示碳排放源的碳排放系数，Qfmj表示碳排放源消耗的数量。

2.1.2.2 实际测算在饲料加工过程中各种碳排放源的消耗量如表5所示，排放系数如表1所示，则根据式(2)和式(5)可以计算出生产1 t配合饲料产生的碳排放量：

(7)

结果如表4所示，1 t配合饲料加工过程产生的碳排放量为181.5 kg，水、电、煤产生的碳排放分别占0.12%，44.13%和55.75%。

表4 1 t配合饲料加工过程产生的碳排放

表5 运输1 t饲料产生的碳排放

2.1.3 粮食和饲料运输产生的碳排放

2.1.3.1 饲料成品运输的碳排放江西是饲料加工大省，特别是猪饲料的加工，云集了全国猪饲料的一线品牌如双胞胎、正邦集团等本土厂商，也有正大、希望等国内其它知名厂商，饲料厂的分布非常密集。根据陈丽能等[21]的研究结合笔者对行业内人士的调查结果，汇总后得出实际产品运输距离约为150 km，采用运输车辆大多为载重10 t柴油车，油耗约为18 L/100 km，实际折合每1 t饲料耗油2.7 L。

2.1.3.2 饲料原料运输的碳排放江西虽然是饲料生产大省，但是饲料原料中的玉米和豆粕基本都是从外省调入，比如玉米主要由东北经广东港口，再陆运到赣州，进而分销到江西各地。为了简便起见，我们只计算从广东到江西这段的运输过程，运输距离按照广州到江西的平均距离为735 km(广东到江西最北部的九江是980 km，到最南端的赣州是490 km)。采用的运输车辆为30～40 t的大货车(按实际载货30 t计算)，平均载重油耗约为45 L/100 km。江西的豆粕主要来源于广东、江苏、山东等地，因此基本同玉米运输的耗油量相等。这样，经过折算，每1 t饲料需要原料为1.2 t，平均耗油为13.2 L。

综合表5和表6，每1 t饲料因为运输产生的碳排放量为Cft=44.2 kg，其中饲料成品运输占17%，饲料原料运输占83%。

表6 运输1 t饲料的原料产生的碳排放

2.1.4 饲料产生的碳排放及其构成分析综上所述，根据公式(1)，可以得出饲料原料、加工和运输环节产生的碳排放为

(8)

其中由原料产生的碳排放占比68.45%，由饲料加工产生的碳排放占比25.37%，饲料运输产生的碳排放占比6.18%。

2.2 养殖阶段产生的碳排放

当前中国生猪养殖模式主要有3种：原生态放养模式(规模小)，免冲洗、漏缝板环保型养猪模式和高床产业化的“企业+养殖户”养殖模式。其中第3种是最值得提倡的一种养殖模式，其主要程序如下：生猪养殖企业给生猪养殖户提供一整套的生猪养殖技术体系，包括标准高床养殖场建设、提供生猪养殖的培训学习、幼崽猪统一供应、疫病的治疗和防控指导，生猪育肥出栏检疫合格后统一收购。这就使生猪养殖、管理、免疫的整个流程都在既定标准下进行。根据农业农村部颁布的《猪饲养标准》(NY/T 65-2004)[22]，笔者把规模企业生猪养殖过程中的碳排放来源归纳为4个：一是摄入饲料产生的碳排放；二是饲养过程中的水、电、煤等能源消耗产生的碳排放；三是生猪的肠道蠕动产生的碳排放；四是排泄物产生的碳排放。

(9)

其中:l=r,d分别表示生猪饲养投入过程和排泄物产生的碳排放，即Cbr表示生猪养殖过程中投入品产生的碳排放，Cbd表示生猪饲养过程中排泄物的碳排放。

2.2.1 养殖投入品产生的碳排放养殖投入品主要包含能源消耗(水、电、煤)和饲料、兽药等投入。这里只计算养殖过程中消耗水、电、煤产生的碳排放，饲料碳排放的情况在2.1部分已经介绍，这里不再将饲料的碳排放含在内。由于兽药的碳排放量很小，在此也不予计算。根据上述排放源，有：

(10)

其中:j=w,e,c，分别表示用水、电、煤而产生的碳排放，因此有Cbrw表示生猪养殖中用水产生的碳排放，Cbre表示生猪养殖中用电产生的碳排放，Cbrc表示生猪养殖中用煤产生的碳排放。有：

Cbrj=Fbrj×Qbrj

(11)

其中:Fbrj表示碳排放源的碳排放系数，Qbrj表示碳排放源消耗的数量，具体消耗量及计算结果如表7所示。

表7 单头生猪饲养过程中消耗的能源产生的碳排放

2.2.2 生猪肠道蠕动和排泄物产生的碳排放肠道蠕动和排泄物的碳排放包括两类，甲烷和氧化亚氮。

2.2.2.1 甲烷排放根据《IPCC国家温室气体清单指南》(2019修订)[6]，江西省的生猪养殖以规模养殖为主，且基本都修建了无氧发酵池(用于收集甲烷燃烧)，因此可以采用其中的方法1，即简化方法进行计算(其中包含母猪的间接排放)。肠道蠕动产生的甲烷排放因子为1.0 kg CH4/(头·a)，排泄物产生甲烷的排放因子为3.5 kg CH4/(头·a)[8]。

综上所述，甲烷排放量为4.5 kg CH4/(头·a)，而折合成每头生猪从出生到出栏的160 d周期，则单头生猪甲烷排放量应为4.5×160/365=1.97 kg CH4/头。

2.2.2.2 氧化亚氮排放氧化亚氮的排放主要来自于粪便管理系统，包括直接排放和间接排放(母猪)两大部分。根据《IPCC国家温室气体清单指南》(2019修订)[6]中公式10.25，可以将单头生猪氧化亚氮的直接排放公式改写成：

(12)

其中：N2Od为源自排泄物的N2O直接排放，单位是kg N2O/a；Nex为每头生猪的年均N排泄量，单位是kg N/(头·a)；MS是生猪年氮排泄的比例，无量纲，这里取7%；EF是指N2O直接排放的排放因子，单位是kg N2O-N/kg，这里取3.5；44/28=N2O-N排放转化为N2O排放的转换因子。

(13)

其中:Nrate为缺省氮(N)排泄率，单位是kg N/(1 000 kg动物质量·日)，取0.411；TAM=生猪存续期的平均质量，单位是kg/头，取28；160表示生猪从出生到出栏的生命周期为160 d[5]。因此每头生猪Nex为1.84 kg N/(头·a)，代回公式(12)，可得直接氧化亚氮的排放量为：

根据实际情况，间接氧化亚氮排放量忽略不计。

对于饲料消耗，按照每头生猪110 kg出栏计算，全程料肉比为2.8:1，则每头生猪直接消耗饲料为308 kg，生产母猪消耗的饲料为27.65 kg，综合饲料消耗量为335.65 kg；结合表8和表9，则单头生猪因为饲料产生240.09 kg的CO2碳排放。

表8 单头生猪肠道蠕动和排泄物产生的碳排放

表9 单头生猪屠宰加工过程中产生的碳排放

2.3 生猪运输产生的碳排放

生猪运输产生的碳排放主要来源于石油消耗。按照10 t耗柴油18 L/100 km，每升柴油产生2.778 kg CO2，以运输500 km计算，则每1 kg生猪运输产生的CO2为17/10000×2.7×5=0.025 kg，进一步计算出每头生猪运输环节产生2.75 kg的CO2碳排放。

2.4 屠宰及冷藏环节产生的碳排放

根据表9可得出，屠宰环节产生的碳排放为5.352 kg/头：其中用电碳排放比例为89.8%。此外，猪肉冷藏用电量为0.063 kW·h/kg，即产生0.0505 kg碳排放，合每头生猪约2.8 kg。

2.5 实证测算汇总

在基于全生命周期各个阶段实际测算的基础上，把江西生猪各阶段消耗及碳排放进行汇总，见表10和表11。

表 10 单头生猪各环节碳排放构成

表 11 单头生猪生产各种排放源的排放量及占比

按照全生命周期(饲料原料种植、饲料加工、生猪饲养过程、生猪屠宰，以及各阶段的运输等环节)进行碳排放测算，根据实证测算汇总数据得出如下结果：(1)单头生猪的碳排放总量为530.2 kg。按照生命周期各环节产生的碳排放占比来看：生猪饲养环节最大(包括排泄物、用水用电等)，占52.69%；其次是饲料消耗(包括饲料原料的种植、加工等)产生的碳排放量，占45.29%。折合成出售的每1 kg冷鲜肉的碳排放量约为7.3 kg，可以说猪肉的碳标签为7.3 CO2/kg，而现在流行的猪肉碳排放量只有1.4 kg，由此可见江西养猪实际碳标签明显偏高；(2)从排放源的角度来看：N2O产生的碳排放占比最大，为39.86%；其次是使用化肥产生的碳排放，占18.9%；排第3位的是用电产生的碳排放，占11.29%；排在第4位的是CH4产生的碳排放，占9.29%；(3)从能源消耗产生碳排放来看，在化肥生产、原料种植阶段电和灌溉用水构成主要因素，在饲料加工过程中电和煤的消耗带来大量碳排放。

3 讨论

3.1 江西生猪养殖碳排放偏高原因

测算结果表明，江西生猪养殖碳排放单头生猪为530.2 kg，猪肉的碳标签为7.3 CO2/kg，是现行猪肉碳排放量1.4 kg的5倍左右。主要原因分析如下：

3.1.1 原料种植期间碳排放较大种植期间存在乱施肥、滥施肥现象；缺乏玉米和大豆等标准田，灌溉技术以漫灌为主；病虫害预防用药过量等。

3.1.2 饲料加工工艺相对落后原料准备工序、粉碎工序、制粒工序方面饲料加工技术相对落后，饲料配方不够科学，出肉率不高。

3.1.3 饲养过程立体循环养殖欠缺立体循环养殖发展较慢，疾病防疫技术相对欠缺造成生猪生病率和死亡率偏高、母猪寿命较短和产仔率偏低。

3.1.4 主要依赖传统能源在饲料的种植、加工、运输以及生猪的养殖、屠宰等等过程中大多使用煤和电等传统能源。

3.2 建议

建议对土壤肥力进行检测，根据检测结果合理有效施肥。变漫灌为地埋管道、甚至滴管技术，节约灌溉用水。合理用药(包括要的种类、用量)，改进施药设备和技术，减少农药浪费。改进饲料加工技术，利用生猪养殖过程中的氨基酸需要量体系，作为制订饲料配方时的重要参考。大力发展“猪-沼-果、油、菜、粮”，“猪-鱼-果、粮”等各种形式的生猪立体循环养殖。实现猪舍建筑标准化(节能化)，减少对能源的消耗；多利用太阳能、天然气等清洁能源，合理安排饲料、生猪、猪肉运输时间和方式，减少运输环节空载率，提高单位油耗的运输量；革新饲料加工设备，提高单位能源(电、水等)的饲料加工量。改进屠宰期间的水循环利用技术，从而提高单位用水和用电的出肉率。