畜禽养殖业的水土碳足迹研究进展

陈欣悦 邓康龙 汪倩倩 曾小雨 徐裕焕

(安徽理工大学，安徽 淮南 232000)

引言

改革开放以来，中国社会高速发展。在经济高速发展的同时人民的物质消费需求也大幅上升。中国是全球最大的肉类生产国，2019年中国肉类产量占全球的22.5%。猪肉、羊肉产量位居世界第1，牛肉、禽肉产量也位列世界前3。人口的不断增长及新增的城镇居民消费将拉动我国肉蛋奶消费保持一定幅度增长。与此同时，畜牧业对各类资源的消耗也逐渐增加，造成了许多环境问题。联合国粮农组织在报告中指出，畜牧业占全球人类用水量的8%以上[1]。种植饲料作物和养殖场养殖除了直接、间接水消耗，也会造成大量的水污染，因该区域河网密布，人口密集，生猪产销量大，水环境治理任务重，农业部在《全国生猪生产发展规划(2016—2020)》中将南方水网区划为约束发展区[2]。畜牧业占全球土地面积的30%，占农业用地的70%，其中种植饲料作物的面积占总耕地面积的33%[1]。畜牧业的温室气体排放占全球总排放的18%[1]。全球气候变化是目前世界上由温室效应引起的最严重的环境问题之一，直接危害人类生存环境、生活质量和社会可持续性。作为碳排放大国，中国政府承诺到2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。畜禽养殖的碳排放和对水、土资源的污染及消耗成为了研究热点。近年来，国内外关于养殖业水-土-碳足迹的研究逐渐增多。本文介绍了水-土-碳足迹理论的基本概况，综述了国内外学者在畜禽产品等方面水-土-碳足迹的研究现状和进展，并对畜禽养殖及产品水-土-碳足迹的应用前景进行展望。

1 水土碳足迹概述

环境足迹研究是当前生态经济学和可持续发展领域的热点与前沿课题。足迹家族中有生态足迹、碳足迹、土地足迹、水足迹、能源足迹、氮足迹和生物多样性足迹等。生态足迹是足迹家族中最先提出的足迹方法。生态足迹方法是由加拿大生态经济学家William Rees及其学生Wackernagel在20世纪90年代提出并发展的，其通过测定现今人类为了维持自身生存而利用的自然的量来评估人类对生态系统的影响[3]。生态足迹方法是用来衡量人类对自然资源的利用程度和自然界向人类提供的生命支助服务功能的一种方法。许多学者将这一概念延伸到水足迹、土地足迹、碳足迹中，并在不同的社会领域和行业中实践了建模方法。

1.1 水足迹

在畜禽生产的各个环节中都离不开直接和间接的水消耗。为了衡量某种产品或部门的水消耗，Hoekstra和Chapagain等[4]在虚拟水的概念上提出了水足迹的概念。虚拟水的概念由Allan[5]提出，其指在生产产品和服务中所需要的水资源数量，即嵌在产品和服务中的虚拟水量。相比于传统的水资源消耗概念，虚拟水的特点是可以嵌入产品随产品贸易运输，通过贸易引导水资源短缺地区减少水赤字。水足迹是指生产产品所耗费的淡水量，包括产品生产链条上各个环节的用水量[6]，代表了维持人类产品和服务消耗所需的水资源的真实数量。目前在畜牧业的水足迹核算上，使用较多的是Mekonnen和Hoekstra提出的WFA(Water footprint assessment)法和ISO14046《环境管理——水足迹：原则、要求和指南》中通过遵循生命周期评估的概念，量化与水相关的潜在环境影响的LCA(Life cycle assessment)法。LCA方法注重产品的可持续性，是综合性的评价体系，但是LCA 方法需要很高的数据精度，因此通常不适用于区域和规模以上的足迹研究[7]。WFA法的优点在于原理简洁、可操作性高、适用范围广。WFA方法已广泛应用于过程、产品、流域、区域和国家尺度[8,9]。WFA的水足迹核算中将水足迹分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹。蓝水足迹是指生产产品对地表和地下水的消耗。绿色水足迹是指降水未形成径流或未补充地下水，储存于土壤或暂时留在土壤或植被表面的水。灰水足迹衡量水污染，是指给定自然背景浓度和现有环境水质标准，以此为基准需要稀释污染物达到环境标准的需水量[4]。

1.2 土地足迹

土地足迹是用于生产商品和服务的土地数量，以每单位产品的面积表示。产品的土地足迹反映了世界上任何地方用于生产该产品的实际土地数量[10]。水足迹和土地足迹都可以用来表明一个地方的消费对另一个地方的自然资源(水或土地)的依赖性，因为产品是交易的，而水和土地实际上是嵌入在该产品贸易中的[11]。生态足迹是足迹家族中另一个基于土地面积的量化指标。与土地足迹不同的是，生态足迹指在一定技术条件下，要维持某一物质消费水平下的某一人口的持续生存必需的生态生产性土地的面积，旨在定量测算特定人口对资源的消费需求[12]。

1.3 碳足迹

气候变暖是当今最受关注的全球性问题之一，碳足迹也逐渐成为了研究的热点。虽然在越来越多的碳足迹研究中，对碳足迹没有统一、明确的定义。综合Wiedmann[13]的研究和英国标准协会[14]的规定，可以将其定义为，一项活动中直接和间接的温室气体排放量。其中核算的温室气体包括CO2、N2O和CH4，在核算中将N2O和CH4转化为等价的CO2。与IPCC提出的碳排放核算方法相比，碳足迹核算方法延伸了碳排放核算链条，不仅关注畜牧业的生产过程，将前端的原材料生产过程和后端的畜产品加工、运输、消费等过程也纳入到碳排放核算中，进一步提高了碳排放核算的准确性。主要的碳足迹核算方法有生命周期评价法和投入产出法[15]。生命周期评价法根据界定的系统边界，利用碳排放因子和生命周期中的物质和活动核算碳足迹。生命周期评价法也是目前学者使用最多的。投入产出法利用投入产出表建立的数学模型核算碳足迹，是一种从上到下利用部门经济投入量和单位产值的碳排放强度计算部门碳排放量的方法[16]。

2 水土碳足迹研究现状

2.1 水土碳足迹的量化分析

2.1.1 多种畜禽产品的水土碳足迹对比

为了比较畜禽产品生产过程对环境的影响，一些学者比较了多种畜禽养殖的环境足迹。Guzmán-Luna比较了罗非鱼与猪肉、禽肉、牛肉的水足迹，结果表明，养殖罗非鱼养殖的水足迹更大[17]。Ibidhi评估了突尼斯4种不同农业系统中绵羊和鸡肉的水、土、碳足迹，结果证明，生产鸡肉比生产羊肉更有效[11]。Gerbens-Leenes计算了家禽、猪肉和牛肉的水足迹，比较了4个国家的不同生产系统，表明动物饲料是决定WF的重要因素，肉类的绿色WF大于蓝色和灰色WF。

2.1.2 各生产阶段对水土碳足迹的贡献

基于生命周期评价的环境足迹核算方法可以很好地比较各个生产阶段在整个生命周期过程中的贡献。如，Noya在对加泰罗尼亚猪肉生产的研究中，考虑从饲料生产到猪肉加工的整个生产链，饲料生产被证明是猪肉行业价值链中碳足迹和水足迹份额最高的子系统[18]。不同的畜禽产品对环境足迹贡献最高的子系统也不同。Luo在研究中比较了鸡蛋、牛奶、鸡肉、猪肉的碳足迹；鸡蛋、鸡肉生产过程中粪便管理对碳足迹的贡献最大，而牛奶生产过程中肠道发酵对碳足迹贡献最大，猪肉生产过程中则是饲料生产阶段对碳足迹的贡献最大[19]。通过核算全生命周期不同生产阶段的环境足迹，可以帮助了解生产过程中对环境影响最大的环节，有助于管理者针对关键阶段更有效地提出缓解环境问题的措施建议。

2.1.3 不同养殖模式下的水土碳对比

除了对生产周期中各个阶段的分析，许多学者还比较了不同养殖模式对环境的影响。国内关于生猪养殖的研究中，通常通过养殖规模来区分不同的养殖模式，分为农户散养和集约化养殖，或者按照统计年鉴中的划分标准分为散养、小规模、中规模和大规模。Luo在四川的鸡蛋、牛奶、鸡肉、猪肉农场进行了调研，比较了家庭式农场和综合性农场畜禽生产的碳足迹，结果表明，综合性农场畜禽生产的碳足迹明显低于家庭农场[19]。Chen比较了中国不同养殖规模的生猪养殖单位碳足迹，其中散养的单位碳足迹最大，小规模的单位碳足迹最小[20]。Xie的研究结果表明，大规模的生猪养殖系统中单位水足迹明显低于散养、小规模和中规模的养殖系统[21]。

除了根据养殖规模划分，也有学者根据养殖方式划分。Ibidhi根据突尼斯的3个气候带，将国家划分为北部、中部、南部3个区域；突尼斯年平均降雨量和草地生产力自北向南递减，导致耕作结构和草场结构不同，由此形成了3种不同的绵羊生产系统；Ibidhi分析了3种不同养殖系统下羊肉的水、土、碳足迹[11]。

2.1.4 畜禽养殖业水土碳足迹的时空变化

近年来，越来越多的学者分析了畜禽养殖业水土碳足迹的时空变化。Chen的研究表明，2000—2016年中国生猪养殖的单位碳足迹不断下降，其中散养模式下的单位碳足迹下降幅度最大，在研究期间下降了28.09%；小规模、中规模和大规模的单位碳足迹分别下降了11.89%、22.64%和18.35%[20]。Naranjo的研究表明，美国加州乳业与1964年相比2014年肠道甲烷排放减少了54.1%～55.7%，粪便温室气体排放量减少了8.73%～11.9%，总用水量减少了88.1%～89.9%，土地需求也减少了89.4%～89.7%[22]。Li比较了青藏高原畜牧业碳足迹的时空变化，并根据畜牧业碳足迹在县区层面的空间异质性提出合理布局放牧区、改革畜禽养殖技术和管理方式、改变畜禽种群格局等相关碳减排战略[23]。Xie比较了2005—2013年中国生猪养殖和猪肉生产的水足迹，生猪的单位水足迹、总水足迹和猪肉的总水足迹分别增长8%、25%和8%；其中，生猪养殖的单位灰水足迹和总灰水足迹分别增加了1%和14%，而猪肉的灰水保持不变。在空间上，2005—2013年水足迹较大的省份出现了南移[21]。

2.2 畜禽养殖业水土碳足迹的影响因素及优化

2.2.1 畜禽养殖业水土碳足迹的驱动因素及情景分析

畜禽养殖业环境足迹的时空变化趋势有助于人们认识过去几十年畜禽养殖业的发展以及对环境的影响程度的变化，为政策的制定提供依据和方向。但是具体要如何调整政策还需要分析导致这种时空变化的因素，设置相应的情景，分析预测未来的优化方向和趋势。Dai从技术进步、畜牧业结构调整、农业结构调整、富裕、人口增长5个方面探讨中国养猪业温室气体直接排放的驱动因素。分析结果表明，农业结构调整、日益富裕和人口增长导致猪肉生产的温室气体排放量分别增加了23Mt CO2eq、41Mt CO2eq和13Mt CO2eq；畜牧业的技术进步和结构变化分别使排放量减少了51Mt CO2eq和11Mt CO2eq[24]。Chen从猪肉需求变化、提升饲养技术、饲养模式变化的角度设置情景分析，研究表明，向集约化生猪生产转变，改进饲料作物种植和粪便管理系统是减少生猪生产系统温室气体排放的关键[20]。

饲料阶段是畜禽养殖生命周期中的一个重要阶段，许多学者希望通过优化饲料配方来降低畜禽养殖的环境影响。Arrieta比较了饲料中使用的2种豆粕，压榨机压榨豆粕和溶剂压榨豆粕，对碳足迹的影响[25]。Nakamura则是比较了传统饲料和使用氨基酸添加剂的低蛋白饲料；日本养猪业主要利用作物饲料饲养猪，因此增加了日本养猪业对环境的间接影响；相比之下，法国养猪业的养殖方式是给猪饲喂适量的低蛋白饲料，以减少谷物饲料种植对环境的影响；研究旨在评估法国模型中常规和低蛋白猪饲料的碳和水足迹，讨论将其应用到日本的生猪养殖业时可以缓解的环境影响；研究表明，当豆粕中的必需氨基酸部分被工业生产的氨基酸取代时(形成低蛋白饲料)，法国的碳足迹和水消耗足迹分别降低了0.41t·t-1饲料和100m3·t-1饲料。与传统饲料相比，低蛋白饲料的水富营养化足迹也降低了10%。基于这些发现，如果在日本广泛使用低蛋白饲料，养猪业将分别减少248000t·a-1的CO2排放和68000km3·a-1用水量[26]。

2.2.2 贸易对畜禽养殖业水土碳足迹的影响

在全球化不断加深的今天，饲料的贸易导致环境负担的转移。Sporchia在研究中表明，虽然欧盟内谷物生产满足了需求，但大豆等蛋白质成分主要是从南美等国家进口的，与此同时，将相关的环境负担外包出去，绿水和土地足迹主要外包给南美国家，蓝水则主要外包给非欧盟的欧洲国家以及北美国家，而来自欧盟以外国家的大多数饲料的资源使用强度高于欧盟，这意味着如果饲料在国内生产，可能会节省资源[27]。畜禽养殖的过程中，环境足迹的转移主要由饲料作物的贸易运输导致。Zhuo在研究中量化了生猪养殖中与玉米饲料贸易相关的省际水足迹流动[28]。

3 前景与展望

近年来越来越多的学者开始关注畜禽养殖业的水、土、碳足迹核算。在不断演化和完善中已经形成了一定规范的核算方法。但我国仍缺少一个规范的核算标准。如，生命周期系统边界的界定上不同研究选择的研究边界不同，造成一些差异，导致难以与已有的研究成果比较分析。我国在畜禽养殖业碳排放方面缺少基础数据和实测数据，在碳足迹的计算过程中，缺少国家层面计算畜牧业碳足迹的温室气体排放因子清单，学者们在进行核算时采用的温室气体排放因子不同，造成一定误差，也不利于进行比较和分析。今后应规范排放因子的选择，标准化畜牧业碳排放核算，建立数据库、提供国家标准，以利于更准确计算不同区域或不同养殖管理方式养殖企业的碳排放值。在全面核算从“摇篮”到“坟墓”的全生命周期环境足迹的同时也要避免学者重复核算畜禽养殖业的资源消耗和温室气体排放量，以便展开畜禽养殖业环境足迹其他方面的研究。综合运用畜禽养殖业环境足迹的相关核算方法，整合出一套更加完善的、弱化各种核算方法不足的环境足迹核算方法，使其能更加准确地反映畜禽养殖业对资源的利用和温室气体排放的真实情况。

畜禽养殖会带来多种环境影响，越来越多的学者在研究中综合分析多种环境足迹。但是不同的环境足迹时空变化和造成变化的驱动因素并不一致。为了更好地缓解畜禽养殖业带来的环境问题，如何将各种环境足迹进行耦合分析，如何确定各种环境足迹的权重等问题亟待解决。在研究内容上，过去的研究多是从宏观的角度量化某一区域的畜禽养殖业全生命周期的环境足迹。未来应加强对关键环节的优化分析，深入分析畜禽养殖业环境足迹的影响因素和驱动因子，提供具体解决方案，并分析方案的可行性，将理论分析运用到实践当中，为企业的发展和政府的决策提供方案和依据。