黃顯雷,師博揚(yáng),張英楠,龍昭宇,尹昌斌,2* (.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 0008；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究中心,北京 0008)

過(guò)去三十年,奶牛養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展,同時(shí)奶牛養(yǎng)殖所帶來(lái)的資源環(huán)境問(wèn)題日益受到重視[1-2].2018年,全球畜牧業(yè)的溫室氣體排放量約為 3.5Gt CO2當(dāng)量(CO2-eq),占農(nóng)業(yè)總溫室氣體排放量的66%,其中,奶牛養(yǎng)殖的溫室氣體排放量約為 0.6Gt CO2-eq[3].在中國(guó),2018年畜牧業(yè)的溫室氣體排放量約為0.3Gt CO2-eq,占我國(guó)農(nóng)業(yè)溫室氣體總排放量的47%,其中,奶牛養(yǎng)殖的溫室氣體排放量約為 0.02Gt CO2-eq[3].在奶牛養(yǎng)殖中,奶牛腸道 CH4排放、與飼料生產(chǎn)有關(guān)的排放、糞便管理的排放是主要溫室氣體排放源[4].目前,發(fā)達(dá)國(guó)家奶牛養(yǎng)殖已經(jīng)從追求產(chǎn)量轉(zhuǎn)向追求生產(chǎn)效率的提高和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[1].隨著人口的增長(zhǎng),未來(lái)牛奶生產(chǎn)將面臨更嚴(yán)峻的水、土地等資源緊缺、糧食與飼料之間競(jìng)爭(zhēng)、碳排放受限制等多重挑戰(zhàn)[5].在消費(fèi)方面,未來(lái)20年全球尤其是發(fā)展中國(guó)家對(duì)牛奶的需求依舊保持快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[5],這意味著奶牛場(chǎng)必須提高其資源利用效率和環(huán)境效益,以確保未來(lái)牛奶生產(chǎn)的可持續(xù)性.

在牛奶生產(chǎn)過(guò)程中,飼料的種植與加工、飼養(yǎng)過(guò)程的能源消耗、奶牛腸道呼吸、糞便的處理等各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)排放溫室氣體,且總體的排放量主要取決于飼料種植與奶牛養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率[6].種養(yǎng)一體化奶牛場(chǎng)(IPBS)通過(guò)青貯玉米種植與奶牛養(yǎng)殖,實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)糞便、秸稈和青貯玉米的循環(huán)利用,從而減少種植環(huán)節(jié)中化肥使用,降低飼料和糞便運(yùn)輸能耗,被認(rèn)為是一種可持續(xù)的生產(chǎn)模式,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[6-7].然而,現(xiàn)有的研究對(duì)這方面關(guān)注不足,尤其是IPBS的溫室氣體減排效果如何？資源節(jié)約程度如何？經(jīng)濟(jì)性能如何？如何降低該模式的資源消耗和環(huán)境負(fù)荷？如何提升該模式的經(jīng)濟(jì)效益？這對(duì)我國(guó) IPBS的發(fā)展和相關(guān)支持政策的制定具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

生命周期分析(LCA)是定量評(píng)價(jià)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程、活動(dòng)或產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂闭麄€(gè)生命周期環(huán)境影響的分析方法[8-9],目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10-15].相關(guān)研究認(rèn)為,飼料生產(chǎn)是影響牛奶生產(chǎn)中溫室氣體排放、能源消耗、土地占用和水資源消耗的決定性因素[11,13].養(yǎng)殖場(chǎng)自產(chǎn)青貯飼料有利于降低單位標(biāo)準(zhǔn)牛奶(FPCM)生產(chǎn)的溫室氣體排放、酸化潛力、水體富營(yíng)養(yǎng)化潛力、土地占用和能源消耗[6,16].養(yǎng)殖場(chǎng)自產(chǎn)青貯飼料能降低養(yǎng)殖飼料成本[17].奶牛場(chǎng)的種養(yǎng)結(jié)合模式能提高秸稈利用率、改善土壤肥力[7].

目前的研究主要集中在評(píng)估牛奶養(yǎng)殖的整體環(huán)境影響及各個(gè)環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)份額[11,13-15],但在具體關(guān)鍵環(huán)節(jié)上,很少研究場(chǎng)內(nèi)自產(chǎn)青貯飼料如何影響整體的環(huán)境績(jī)效[6,16],缺乏對(duì)比評(píng)估非種養(yǎng)一體化奶牛場(chǎng)(non-IPBS)與 IPBS在牛奶生產(chǎn)中的環(huán)境影響,同時(shí),缺乏從經(jīng)濟(jì)層面分析 2種模式牛奶生產(chǎn)的成本收益.現(xiàn)實(shí)中,奶牛場(chǎng)是否采取IPBS主要取決于其經(jīng)濟(jì)效果,全面準(zhǔn)確評(píng)估IPBS的經(jīng)濟(jì)性能與環(huán)境績(jī)效,是相關(guān)政策制定的基礎(chǔ),也是促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)低碳生產(chǎn)的關(guān)鍵.為此,本文基于LCA,以山東省青島市109家奶牛場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì) non-IPBS和IPBS在牛奶生產(chǎn)過(guò)程中的資源環(huán)境成本和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析.為我國(guó) IPBS經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)參考,為制定相關(guān)扶持政策提供決策依據(jù).

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況與種養(yǎng)一體化奶牛生產(chǎn)模式

于2020年7月～8月在山東省青島市進(jìn)行奶牛場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查.山東是中國(guó)最大的產(chǎn)奶省份之一,2019年,山東省奶牛數(shù)量約為90萬(wàn)頭,占全國(guó)奶?？倲?shù)的9%[18].從 2016年,山東開(kāi)始實(shí)施青貯玉米種植補(bǔ)貼政策,是國(guó)內(nèi)最早實(shí)施該補(bǔ)貼政策的省份之一,補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為 20～50元/t.2019年,山東省青貯玉米種植面積達(dá)1.41萬(wàn)hm2,占全國(guó)的7.3%.

研究地區(qū)主要有 2種牛奶生產(chǎn)模式:IPBS和non-IPBS,具體見(jiàn)圖1.non-IPBS中,養(yǎng)殖場(chǎng)只有飼養(yǎng)環(huán)節(jié)和糞污處理環(huán)節(jié),飼料全部來(lái)源于購(gòu)買(mǎi),糞便堆肥制成有機(jī)肥后全銷(xiāo)售給果農(nóng)和菜農(nóng).IPBS中,養(yǎng)殖場(chǎng)增加青貯玉米種植環(huán)節(jié),有機(jī)肥、液體肥主要施用于場(chǎng)內(nèi)農(nóng)田,剩余部分銷(xiāo)售給果農(nóng)和菜農(nóng)等.2種模式的區(qū)別:1)養(yǎng)殖場(chǎng)青貯玉米的來(lái)源不同,導(dǎo)致飼料運(yùn)輸距離和飼料成本不同;2)有機(jī)肥、液體肥的利用途徑不同,運(yùn)輸距離不同.本研究共調(diào)研奶牛場(chǎng) 109家,剔除不符合研究問(wèn)卷后,得 83份有效問(wèn)卷,其中non-IPBS為38家,IPBS為45家.

圖1 IPBS和non-IPBS的系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundary for IPBS and non-IPBS

由見(jiàn)表1可知,non-IPBS和IPBS的產(chǎn)奶量分別為8588和8781kg/頭,IPBS模式略高,但經(jīng)過(guò)t檢驗(yàn)之后,兩者無(wú)顯著性差異.2種模式的牛奶銷(xiāo)售價(jià)格、牛奶蛋白質(zhì)率、牛奶脂肪率等指標(biāo)均無(wú)明顯差別.在IPBS中,青貯玉米自給率僅為31.8%,有機(jī)肥自用率也僅為 28.9%,這說(shuō)明當(dāng)前奶牛場(chǎng)種養(yǎng)結(jié)合程度還比較低,未來(lái)需要流轉(zhuǎn)更多土地來(lái)提升青貯玉米自給率,以此獲得更多收益.

表1 2模式下奶牛場(chǎng)基本情況Table 1 Basic information of two systems

1.2 LCA的系統(tǒng)邊界、功能單位和環(huán)境影響分配規(guī)則

基于牛奶生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),確定IPBS系統(tǒng)邊界包括:1)青貯飼料種植;2)奶牛飼養(yǎng);3)糞便處理;4)飼料和有機(jī)肥運(yùn)輸,而在non-IPBS中無(wú)青貯飼料種植環(huán)節(jié).系統(tǒng)邊界如圖 1所示.研究選擇按照蛋白質(zhì)含量和脂肪含量糾正的1t FPCM 作為評(píng)價(jià)單位,公式如下[12]:

在所研究的 2種模式中,奶牛場(chǎng)收益除出售牛奶,還會(huì)出售公犢牛、淘汰母牛、肉用牛、有機(jī)肥等,在IPBS中,還會(huì)出售小麥.環(huán)境影響應(yīng)該分?jǐn)傇谌到y(tǒng)中的每類(lèi)產(chǎn)品上.關(guān)于牛奶和副產(chǎn)品之間的環(huán)境影響分配規(guī)則主要有三種[12],包括將所有影響都?xì)w功于牛奶的無(wú)分配規(guī)則、根據(jù)產(chǎn)品重量的質(zhì)量分配規(guī)則和根據(jù)產(chǎn)品價(jià)值的經(jīng)濟(jì)分配規(guī)則.考慮到本研究的產(chǎn)品是多種類(lèi)(牛奶、牛肉、小麥等),無(wú)分配原則并不適用,且還伴隨生產(chǎn)大量重量大而價(jià)值較低的產(chǎn)品(小麥、有機(jī)肥、液體肥等),因此,經(jīng)濟(jì)分配規(guī)則更適用于本研究,同時(shí)該分配規(guī)則也是LCA中最常用的分配規(guī)則之一[11-13,19].根據(jù)產(chǎn)品的銷(xiāo)售收入(表 12),non-IPBS和 IPBS中分配給牛奶的比例為89%和87%.

1.3 LCA清單分析

1.3.1 小麥-青貯玉米輪作種植環(huán)節(jié) 在 IPBS小麥-青貯玉米輪作種植中,生產(chǎn)資料投入主要有化肥、有機(jī)肥、農(nóng)藥、種子等,產(chǎn)品為小麥、麥秸和玉米青貯.產(chǎn)品中,小麥全部出售,麥秸全量還田,青貯玉米用于飼養(yǎng)奶牛.生產(chǎn)1tFPCM在IPBS種植環(huán)節(jié)的投入產(chǎn)出見(jiàn)表 2.種植的溫室氣體排放中,農(nóng)藥和種子的排放較小[11,19],可忽略.此環(huán)節(jié)的溫室氣體排放依據(jù)表3計(jì)算.

表2 IPBS小麥-青貯玉米種植(產(chǎn)1tFPCM)的投入與產(chǎn)出Table 2 Inputs and outputs for wheat-maize silage planting in IPBS (for per 1tFPCM)

表3 種植環(huán)節(jié)的溫室氣體排放因子Table 3 Emission factors for calculating GHG emissions in wheat-maize silage planting

1.3.2 奶牛飼養(yǎng)環(huán)節(jié) 在奶牛飼養(yǎng)中,2種模式的區(qū)別在于青貯玉米飼料的來(lái)源不同.在IPBS中,養(yǎng)殖場(chǎng)部分青貯玉米飼料來(lái)源于自產(chǎn),所調(diào)研養(yǎng)殖場(chǎng)中,有3家養(yǎng)殖場(chǎng)的青貯玉米自給率達(dá)100%.除青貯玉米外,2種模式的飼養(yǎng)過(guò)程相同,生產(chǎn)資料的投入主要有飼料、水、電、柴油等,產(chǎn)品有牛奶、公犢牛、淘汰母牛、肉用牛等(表4).具體來(lái)說(shuō),奶牛飼料主要有濃縮飼料(含30%的豆粕、50%的玉米粒、10%的麥麩和10%的其他物質(zhì))、玉米粒、麥麩、青貯玉米、棉籽、燕麥、苜蓿和羊草等.個(gè)別奶牛場(chǎng)還伴隨用酒糟和菜籽粕,但其用量少對(duì)整體環(huán)境影響可忽略不計(jì).濃縮飼料中的其他物質(zhì)用量少對(duì)整體環(huán)境影響可忽略不計(jì).奶牛飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的溫室氣體排放包括外購(gòu)飼料在其生產(chǎn)過(guò)程中的排放、養(yǎng)殖場(chǎng)能源消耗的排放(如養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)飼料加工、牛舍照明和通風(fēng)、水加熱、牛奶冷藏等)和奶牛腸道氣體排放及牛舍氣體排放.外購(gòu)飼料在其生產(chǎn)過(guò)程中的排放按表 5計(jì)算,養(yǎng)殖場(chǎng)能耗排放根據(jù)表 3計(jì)算,動(dòng)物腸道排放以及牛舍排放按表6計(jì)算.

表4 兩模式下奶牛飼養(yǎng)環(huán)節(jié)(產(chǎn)1tFPCM)的投入與產(chǎn)出Table 4 Inputs and outputs for cow breading in two systems(for per 1tFPCM)

表5 外購(gòu)飼料在生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響(每kg干物質(zhì))Table 5 Emission factors for calculating environmental impacts in purchased feed production (per kg-1DM)

表6 奶牛腸道CH4排放和牛舍糞便CH4排放Table 6 Emission factors for calculating CH4emissions in various cows

1.3.3 糞便處理環(huán)節(jié) 所調(diào)查的奶牛場(chǎng)均飼養(yǎng)荷斯坦奶牛,糞便排泄參數(shù)見(jiàn)表 7.在糞便處理環(huán)節(jié),2種模式的糞便處理方式相同,糞便均采用堆肥制成有機(jī)肥,尿液污水進(jìn)入氧化塘經(jīng)無(wú)害化處理制成液體肥,此環(huán)節(jié)投入主要是電和柴油(表8).此環(huán)節(jié)的排放包括糞肥儲(chǔ)存排放、有機(jī)肥生產(chǎn)能耗排放.尿液污水在氧化塘中的溫室氣體排放較小[25],可忽略.堆肥處理方式的溫室氣體排放根據(jù)表 9計(jì)算,有機(jī)肥生產(chǎn)能耗排放根據(jù)表3計(jì)算.

表7 奶牛場(chǎng)糞便的排泄系數(shù)[25-26]Table 7 Excreted parameters of manure for various cows

表8 兩模式下糞便管理(每產(chǎn)1tFPCM)的投入與產(chǎn)出Table 8 Manure management in two systems (for per 1tFPCM)

表9 堆肥的溫室氣體排放因子Table 9 Emission factors for calculating environmental impacts in manure composting

1.3.4 飼料和有機(jī)肥運(yùn)輸環(huán)節(jié) 在飼料和有機(jī)肥運(yùn)輸環(huán)節(jié)中,2種模式的不同之處在于青貯玉米和有機(jī)肥的運(yùn)輸.在non-IPBS中,青貯玉米全部來(lái)源于購(gòu)買(mǎi),假設(shè)平均運(yùn)輸距離為 30km,有機(jī)肥全部出售給果農(nóng)和菜農(nóng),平均運(yùn)輸距離為 20km.在 IPBS中,青貯玉米部分來(lái)源于自產(chǎn),有機(jī)肥部分用于養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)耕地,兩者運(yùn)輸距離均為1km.運(yùn)輸距離不同會(huì)導(dǎo)致能耗差異,由此對(duì)環(huán)境的影響不同.相關(guān)研究表明,有機(jī)肥長(zhǎng)距離運(yùn)輸會(huì)增加糞便中N和P的損失,增加水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[11].調(diào)研所知,液體肥的肥料價(jià)值低,菜農(nóng)果農(nóng)不愿意購(gòu)買(mǎi)液體肥,兩模式的液體肥均由養(yǎng)殖場(chǎng)用車(chē)將液體肥噴灑到周?chē)r(nóng)田或者養(yǎng)殖場(chǎng)耕地上,運(yùn)輸距離均為1km.2種模式的其他飼料運(yùn)輸距離相同,濃縮飼料、豆粕、玉米粒和麥麩來(lái)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng),運(yùn)輸距離約 50km.棉籽來(lái)自甘肅省,運(yùn)輸距離約 1830km.羊草來(lái)自黑龍江省,運(yùn)輸距離約 1720km.燕麥和苜蓿來(lái)自美國(guó),運(yùn)輸距離約18000km.表10列出所有飼料和有機(jī)肥運(yùn)輸?shù)那鍐?運(yùn)輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放根據(jù)Ecoinvent Database v3.7計(jì)算[29](表11).

表11 不同運(yùn)輸方式的溫室氣體排放與運(yùn)輸成本Table 11 Emission factors for calculating environmental impacts and transport costs in transportation

1.4 LCA環(huán)境效益評(píng)價(jià)

non-IPBS和IPBS的環(huán)境效益評(píng)價(jià),主要包括溫室氣體排放、土地占用、水消耗和能源消耗等方面.溫室氣體排放以 CO2-eq表述,根據(jù) IPCC(2013)[31],CH4、N2O和CO的 CO2-eq當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為30、265和2.兩模式的溫室氣體排放計(jì)算公式如下:

式中:IPBS生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放包括4部分:外購(gòu)飼料、養(yǎng)殖場(chǎng)種植、奶牛飼養(yǎng)過(guò)程、糞污處理過(guò)程、飼料和有機(jī)肥運(yùn)輸.產(chǎn)品有FPCM、小麥、有機(jī)肥、淘汰母牛、公犢牛、肉用牛,要根據(jù)經(jīng)濟(jì)分配規(guī)則排除出小麥、有機(jī)肥、淘汰母牛、公犢牛、肉用牛這部分外銷(xiāo)的碳削減之后剩下的單純每產(chǎn)1tFPCM的溫室氣體.

式中:non-IPBS生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放只包括3部分:外購(gòu)飼料、奶牛飼養(yǎng)過(guò)程、糞污處理過(guò)程、飼料和有機(jī)肥運(yùn)輸.產(chǎn)品有FPCM、有機(jī)肥、淘汰母牛、公犢牛、肉用牛,要根據(jù)經(jīng)濟(jì)分配規(guī)則排除出有機(jī)肥、淘汰母牛、公犢牛、肉用牛這部分外銷(xiāo)的碳削減之后剩下的單純每產(chǎn)1tFPCM的溫室氣體.

2 結(jié)果與討論

2.1 兩模式的總經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本

對(duì) non-IPBS和 IPBS的總經(jīng)濟(jì)效益分析表明,IPBS通過(guò)自產(chǎn)青貯玉米,降低飼料成本,從而提高養(yǎng)殖凈收益.non-IPBS生產(chǎn)1tFPCM的凈收益為1427元,而IPBS每生產(chǎn)1tFPCM的凈收益提高173元,如果不納入小麥的成本與收益,實(shí)際凈收益提高99元/t,提升率為7%(表12).如果考慮溫室氣體減排收益,按照中國(guó)試點(diǎn)市場(chǎng)碳交易平均價(jià) 30元/t[41]計(jì)算,相比non-IPBS,IPBS每生產(chǎn)1tFPCM的溫室氣體減排收益為 2元,隨著未來(lái)中國(guó)碳交易市場(chǎng)的逐漸完善以及碳交易價(jià)的提升,此項(xiàng)收益將得到提升.

表12 兩模式下每產(chǎn)1tFPCM的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境成本Table 12 Economic benefits and environmental costs for producing per 1t FPCM in two systems

在溫室氣體排放方面,non-IPBS生產(chǎn)1t FPCM的排放為1301kg CO2-eq(表12),和中國(guó)華北平原牛奶生產(chǎn)的溫室氣體排放量基本一致[11],低于中國(guó)關(guān)中平原牛奶生產(chǎn)的溫室氣體排放量[13],但高于歐洲和新西蘭牛奶生產(chǎn)的溫室氣體排放量[6,16].相比non-IPBS,IPBS每生產(chǎn)1t FPCM的溫室氣體排放減少6%,這主要是因?yàn)樽援a(chǎn)青貯玉米在種植過(guò)程中用較少的化肥(表2),由此降低整體環(huán)境影響.non-IPBS生產(chǎn)1t FPCM的能源消耗、水消耗、土地占用分別為4581MJ、405m3、1471m2,而IPBS相應(yīng)下降6%、5%、7%.總體來(lái)看,IPBS一方面在青貯玉米種植環(huán)節(jié)上減少化肥和灌溉水用量,另一方面在運(yùn)輸環(huán)節(jié)上減少青貯玉米和有機(jī)肥的運(yùn)輸能耗,整體上降低單位FPCM的溫室氣體排放、土地占用、水消耗和能源消耗.

2.2 兩模式下飼料環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本

在飼料環(huán)節(jié),IPBS通過(guò)施用場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)的有機(jī)肥、液體肥,從而減少種植環(huán)節(jié)的化肥施用量和農(nóng)業(yè)灌溉水用量,降低種植成本,由此降低飼料成本.在IPBS中,種植小麥-青貯玉米的氮肥(N)施用為269kg/hm2(表 2).根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品成本收益匯編2019》[32],當(dāng)前山東省小麥-玉米種植的氮肥(N)施用為 663kg/hm2,明顯高于本研究結(jié)果.在種植灌溉水上,相關(guān)研究指出華北平原的冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)每年灌溉水為 3000～7000m3/hm2[33-34],這也高于本研究結(jié)果(IPBS為 2740m3/hm2).如果養(yǎng)殖場(chǎng)不包含種植青貯玉米環(huán)節(jié),無(wú)需要?jiǎng)趧?dòng)力投入,節(jié)省的時(shí)間可以從事其他工作,為此,運(yùn)用勞動(dòng)機(jī)會(huì)成本的方法分析IPBS種植環(huán)節(jié)凈收入,相比non-IPBS,IPBS中每產(chǎn)1tFPCM總飼料成本減少166元,如果不考慮小麥成本與收益,則實(shí)際飼料成本減少92元(表13).說(shuō)明養(yǎng)殖場(chǎng)采用IPBS可以減少青貯玉米飼料成本,增加小麥銷(xiāo)售收入.

表13 兩模式每產(chǎn)1tFPCM在飼料環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境成本Table 13 Economic benefits and environmental costs in fodders production in two systems (for per 1tFPCM)

在環(huán)境成本方面,IPBS通過(guò)自產(chǎn)部分青貯玉米飼料,降低飼料環(huán)節(jié)環(huán)境成本,相比 non-IPBS,IPBS每產(chǎn)1tFPCM在飼料環(huán)節(jié)的溫室氣體排放、能源消耗、水消耗和土地占用分別下降 9%、6%、5%和7%(表 13).主要原因是,相比外購(gòu)青貯玉米的生產(chǎn)過(guò)程,在IPBS下自產(chǎn)青貯玉米過(guò)程中使用更少的化肥和灌溉水,從而降低環(huán)境成本.具體來(lái)說(shuō),IPBS中生產(chǎn)1t青貯玉米干物質(zhì)的溫室氣體排放、能源消耗、水消耗和土地占用分別為176kg CO2-eq、1461MJ、141m3和530m2,明顯低于常規(guī)青貯玉米種植的環(huán)境成本[20,34-38].

2.3 兩模式下奶牛飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本

在飼養(yǎng)環(huán)節(jié),non-IPBS與IPBS的FPCM銷(xiāo)售收入沒(méi)有顯著差別,分別為3723和3745元/tFPCM(表14),主要是因?yàn)閮赡Ｊ降呐Ｄ啼N(xiāo)售價(jià)格、牛奶蛋白質(zhì)率、牛奶脂肪率等不存在顯著差異(表 1).在環(huán)境成本方面,non-IPBS與IPBS在飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的溫室氣體排放、能源消耗、水消耗、土地占用方面沒(méi)有明顯差別.可能原因是此過(guò)程主要涉及到的混合飼料加工、牛棚照明通風(fēng)、牛飲用水加熱、擠奶、牛奶冷藏等步驟基本一致,造成環(huán)境成本沒(méi)有顯著差別.

表14 兩模式每產(chǎn)1tFPCM在飼養(yǎng)環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境成本Table 14 Economic benefits and environmental costs for cow breading in two systems (for per 1tFPCM)

2.4 兩模式下糞污處理環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本

在糞污處理環(huán)節(jié),non-IPBS和 IPBS中每產(chǎn)生1tFPCM會(huì)伴隨出現(xiàn)1.931和1.868t干糞便、11.215和10.753t尿液污水,將這些糞便收集堆肥、尿液污水無(wú)害化等處理會(huì)消耗電和柴油,由此產(chǎn)生的成本均為14元,而相應(yīng)的有機(jī)肥銷(xiāo)售收入為23和16元,調(diào)研所知,液體肥的肥料價(jià)值低,菜農(nóng)果農(nóng)不愿意購(gòu)買(mǎi)液體肥,液體肥均由養(yǎng)殖場(chǎng)用車(chē)將液體肥噴灑到周?chē)r(nóng)田或者養(yǎng)殖場(chǎng)耕地上,無(wú)任何收益(表 15),IPBS中有 28.9%的有機(jī)肥自用于奶牛場(chǎng)耕地導(dǎo)致其收益低于non-IPBS.可以看出,該部分的收益較低,歸根于所調(diào)研地區(qū)的有機(jī)肥銷(xiāo)售價(jià)格很低,甚至有很多奶牛場(chǎng)免費(fèi)給果農(nóng)菜農(nóng)提供有機(jī)肥,平均每噸有機(jī)肥的銷(xiāo)售價(jià)格僅約為30元,隨著未來(lái)農(nóng)戶(hù)對(duì)有機(jī)肥使用意愿的提升,該部分收益會(huì)有提升.

表15 兩模式每產(chǎn)1tFPCM在糞污處理環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)收益與環(huán)境成本Table 15 Economic benefits and environmental costs for manure management in two systems (for per 1tFPCM)

non-IPBS和IPBS中處理1.931和1.868t干糞便的溫室氣體排放分別為179和170kgCO2-eq,這與一些研究相似[39-40],考慮到有機(jī)肥銷(xiāo)售帶來(lái)的碳削減,則相應(yīng)的實(shí)際溫室氣體排放分別為136和140kg CO2-eq.在能源消耗方面,兩模式處理的能耗基本一致,主要是因?yàn)檫@兩模式的糞污處理方式都采用堆肥.在土地占用方面,IPBS處理1.868t干糞便的土地占用高于non-IPBS,可能原因是IPBS需要更多空地來(lái)存放有機(jī)肥.總體來(lái)看,當(dāng)前養(yǎng)殖場(chǎng)通過(guò)堆肥方式處理糞便帶來(lái)的收益不高,但是有機(jī)肥的使用能減少化肥的使用,具有顯著的碳減排潛力,應(yīng)值得推廣使用.

2.5 兩模式下運(yùn)輸環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本

在運(yùn)輸環(huán)節(jié),IPBS通過(guò)自產(chǎn)部分青貯玉米和使用部分有機(jī)肥,降低運(yùn)輸環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境成本,相比non-IPBS,每產(chǎn)1tFPCM的總運(yùn)輸成本、總運(yùn)輸溫室氣體排放、總運(yùn)輸能源消耗分別下降6%、8%和 8%(表 16).

表16 兩模式每產(chǎn)1tFPCM在運(yùn)輸環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)收益與環(huán)境成本Table 16 Economic benefits and environmental costs for transportation in two systems (for per 1tFPCM)

從不同環(huán)節(jié)的比較分析可以看出,飼料成本占總成本的 82%,飼料環(huán)節(jié)的環(huán)境影響是整個(gè)牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,飼料環(huán)節(jié)的溫室氣體排放、能源消耗、水消耗、土地占用分別占整體的45%、70%、98%和99%(表13).為此,引進(jìn)農(nóng)田自產(chǎn)青貯玉米是未來(lái)降低奶牛生產(chǎn)系統(tǒng)飼料成本和環(huán)境成本的可行策略.

2.6 耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)和青貯玉米價(jià)格變動(dòng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)收益的影響

奶牛場(chǎng)是否種植青貯玉米取決于其成本和收益.對(duì)影響種植收益的耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用進(jìn)行敏感性分析表明(表17),如果IPBS的耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用從當(dāng)前的9900元/hm2提升到 14695元/hm2,則種植青貯玉米的凈收益為0,此時(shí),IPBS每生產(chǎn)1tFPCM的凈收益與non-IPBS相同.對(duì)青貯玉米價(jià)格進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)青貯玉米的價(jià)格從當(dāng)前的 500元/t下降到379元/t時(shí),IPBS每生產(chǎn) 1t FPCM 的凈收益與non-IPBS相同.總體來(lái)看,相比non-IPBS,IPBS凈收益的提升率取決于耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用和青貯玉米價(jià)格,這是奶牛場(chǎng)是否采納IPBS的關(guān)鍵因素.

表17 耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)和青貯玉米價(jià)格變動(dòng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)收益的影響Table 17 Effects of land transfer cost and silage corn price changes on farm economic benefits

2.7 青貯玉米自給率變動(dòng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本的影響

當(dāng)前在IPBS中,青貯玉米飼料自給率僅為32%,如果提升到100%,相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成本變化見(jiàn)表 18.相比 non-IPBS,情景 3中 IPBS每生產(chǎn)1tFPCM的凈收益提升672元,如果不納入小麥成本與收益,每噸FPCM的凈收益提升276元,實(shí)際凈收益提升率為 19%.若考慮溫室氣體減排收益,情景 3每生產(chǎn)1tFPCM的溫室氣體減排收益為6元.在環(huán)境成本方面,相比non-IPBS,在情景3中IPBS每生產(chǎn)1t FPCM 的溫室氣體排放下降 16%,能源消耗下降16%,水消耗下降11%,土地占用下降14%.顯然,隨著奶牛場(chǎng)的青貯玉米自給率提升,單位牛奶生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益將明顯提升,且環(huán)境成本顯著下降.

表18 青貯玉米自給率變動(dòng)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境成本的影響Table 18 Effects of changes in silage self-sufficiency on farm economic benefits and environmental costs

2.8 討論

當(dāng)前我國(guó)牛奶生產(chǎn)的成本依然很高、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng),如何提升奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益是實(shí)現(xiàn)奶業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵.相關(guān)研究指出,2016年中國(guó)原料奶的收購(gòu)價(jià)格比美國(guó)、德國(guó)、新西蘭分別高46%、62%、114%,2017年國(guó)內(nèi)原料牛奶收購(gòu)價(jià)格比進(jìn)口奶粉折原料奶的到岸價(jià)格高 31%,更值得關(guān)注的是,國(guó)內(nèi)原料牛奶生產(chǎn)成本比進(jìn)口奶粉折原料牛奶的到岸價(jià)格還高 24%[42].較低的進(jìn)口奶粉折原料牛奶價(jià)格會(huì)倒逼國(guó)內(nèi)企業(yè)壓低國(guó)內(nèi)原料奶收購(gòu)價(jià)格,這不利于國(guó)內(nèi)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展.在牛奶生產(chǎn)中,飼料成本高低是決定其生產(chǎn)成本高低的關(guān)鍵因素,目前中國(guó)奶牛業(yè)飼料主要依賴(lài)購(gòu)買(mǎi),尤其是燕麥、苜蓿等還大量依賴(lài)進(jìn)口,自產(chǎn)的青貯飼料很少,造成飼料成本居高不下.本文結(jié)果表明,相比 non-IPBS,IPBS通過(guò)自產(chǎn)青貯玉米能提高每噸FPCM的凈收益達(dá)7%,如果青貯玉米自給率從當(dāng)前的32%提升100%,則能提高每噸FPCM19%的凈收益,這表明該模式在提升養(yǎng)殖場(chǎng)凈收益上潛力巨大.此外,研究還發(fā)現(xiàn),IPBS模式下每噸FPCM凈收益的提升率取決于耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用和青貯玉米價(jià)格,當(dāng)耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用上升到14695元/hm2或者青貯玉米價(jià)格下降到347元/t時(shí),其凈收益將與non-IPBS一致.這些研究發(fā)現(xiàn)為提升我國(guó)牛奶生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益提供新的視角.

同時(shí),牛奶生產(chǎn)系統(tǒng)還需要持續(xù)降低其環(huán)境影響,以更小的資源環(huán)境代價(jià)生產(chǎn)出更多的牛奶以滿(mǎn)足未來(lái)牛奶需求.相關(guān)研究指出,近20年來(lái), 中國(guó)畜牧業(yè)CO2-eq排放量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),并且飼養(yǎng)環(huán)節(jié)耗能、飼料糧種植環(huán)節(jié)排放、飼料糧運(yùn)輸環(huán)節(jié)排放的增長(zhǎng)幅度更顯著[43].2019年,全國(guó)共生產(chǎn)3201萬(wàn)t牛奶,占全國(guó)各類(lèi)鮮奶總量的 97%[18].根據(jù)乳業(yè)發(fā)展目標(biāo),到2025年,中國(guó)鮮奶產(chǎn)量要達(dá)4500萬(wàn)t[44],如果不降低當(dāng)前單位牛奶生產(chǎn)的溫室氣體排放量,未來(lái)牛奶生產(chǎn)的總溫室氣體排放將隨著牛奶產(chǎn)量的增加而增加,這不利于中國(guó)實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的 2030年碳減排計(jì)劃以及2060年的碳中和目標(biāo)[45-46].與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,目前我國(guó)牛奶生產(chǎn)效率低、環(huán)境代價(jià)大[47-48],降低牛奶生產(chǎn)的環(huán)境影響是未來(lái)中國(guó)奶業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵.本文結(jié)果表明,相比 non-IPBS,IPBS每生產(chǎn)1t FPCM的溫室氣體排放、能源消耗、水消耗、土地占用分別減少6%、6%、5%、7%,如果青貯玉米自給率升到 100%,則相應(yīng)減少 16%、16%、11%、14%,這表明該模式在降低養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境影響上有明顯優(yōu)勢(shì).這些研究發(fā)現(xiàn)為降低我國(guó)牛奶生產(chǎn)的環(huán)境損害提供新的技術(shù)途徑.

對(duì)于IPBS來(lái)說(shuō),通過(guò)種植青貯玉米,一方面可以消納養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污、降低種植環(huán)節(jié)的化肥投入、改善土壤質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)種植過(guò)程中的清潔化、綠色化;另一方面可以為養(yǎng)殖場(chǎng)提供成本低、質(zhì)量安全可控的青貯玉米飼料,保障奶牛的健康與牛奶生產(chǎn)的質(zhì)量安全.奶牛場(chǎng)采納IPBS更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.目前我國(guó)禽畜糞便利用程度較低,僅有 50%左右的糞便還田[49],但化肥用量卻非常高,占世界總用量的 1/3以上[50],較發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平高出 50%以上[51],耕地質(zhì)量保護(hù)與提升形勢(shì)依然很?chē)?yán)峻[52],盡管禽畜糞便還田有利于減少化肥使用、改善土壤質(zhì)量,然而,隨著種養(yǎng)分離、農(nóng)民種地習(xí)慣的改變,禽畜糞便還田不僅對(duì)中國(guó)乃至發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)都是一個(gè)重大挑戰(zhàn)[53],相關(guān)研究指出,兼有種植和畜禽養(yǎng)殖的農(nóng)村家庭所占比例從 1986年的 71%急劇下降到 2017年的12%[50].重塑牲畜和農(nóng)田之間的聯(lián)系是未來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,而IPBS是加強(qiáng)牲畜和農(nóng)田聯(lián)系的一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好方式.

3 結(jié)論

3.1 IPBS在提升養(yǎng)殖場(chǎng)凈收益上具有巨大潛力

non-IPBS生產(chǎn) 1tFPCM的凈收益為 1427元,IPBS可增加 7%的實(shí)際凈收益,如果青貯玉米自給率從當(dāng)前的32%提升到100%,則將會(huì)增加19%的實(shí)際凈收益.同時(shí),IPBS凈收益的提升率取決于耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用和青貯玉米價(jià)格,當(dāng)耕地流轉(zhuǎn)費(fèi)用上升到14695元/hm2或者青貯玉米價(jià)格下降到347元/t時(shí),其凈收益將與non-IPBS相同.

3.2 IPBS在減少養(yǎng)殖環(huán)境損害方面具有明顯優(yōu)勢(shì)

相比non-IPBS,IPBS每生產(chǎn)1t FPCM的溫室氣體排放、能源消耗、水消耗、土地占用分別減少6%、6%、5%、7%,如果青貯玉米自給率從當(dāng)前32%提升到100%,則相應(yīng)減少16%、16%、11%、14%.IPBS降低青貯玉米種植環(huán)節(jié)化肥施用、改善土壤質(zhì)量、解決糞便污染等,以更小的環(huán)境代價(jià)創(chuàng)造更高的凈收益,值得推廣.