陳欣悅 鄧康龍 汪倩倩 曾小雨 徐裕煥

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000)

引言

改革開放以來，中國社會(huì)高速發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)人民的物質(zhì)消費(fèi)需求也大幅上升。中國是全球最大的肉類生產(chǎn)國，2019年中國肉類產(chǎn)量占全球的22.5%。豬肉、羊肉產(chǎn)量位居世界第1，牛肉、禽肉產(chǎn)量也位列世界前3。人口的不斷增長(zhǎng)及新增的城鎮(zhèn)居民消費(fèi)將拉動(dòng)我國肉蛋奶消費(fèi)保持一定幅度增長(zhǎng)。與此同時(shí)，畜牧業(yè)對(duì)各類資源的消耗也逐漸增加，造成了許多環(huán)境問題。聯(lián)合國糧農(nóng)組織在報(bào)告中指出，畜牧業(yè)占全球人類用水量的8%以上[1]。種植飼料作物和養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖除了直接、間接水消耗，也會(huì)造成大量的水污染，因該區(qū)域河網(wǎng)密布，人口密集，生豬產(chǎn)銷量大，水環(huán)境治理任務(wù)重，農(nóng)業(yè)部在《全國生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》中將南方水網(wǎng)區(qū)劃為約束發(fā)展區(qū)[2]。畜牧業(yè)占全球土地面積的30%，占農(nóng)業(yè)用地的70%，其中種植飼料作物的面積占總耕地面積的33%[1]。畜牧業(yè)的溫室氣體排放占全球總排放的18%[1]。全球氣候變化是目前世界上由溫室效應(yīng)引起的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，直接危害人類生存環(huán)境、生活質(zhì)量和社會(huì)可持續(xù)性。作為碳排放大國，中國政府承諾到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。畜禽養(yǎng)殖的碳排放和對(duì)水、土資源的污染及消耗成為了研究熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外關(guān)于養(yǎng)殖業(yè)水-土-碳足跡的研究逐漸增多。本文介紹了水-土-碳足跡理論的基本概況，綜述了國內(nèi)外學(xué)者在畜禽產(chǎn)品等方面水-土-碳足跡的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，并對(duì)畜禽養(yǎng)殖及產(chǎn)品水-土-碳足跡的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 水土碳足跡概述

環(huán)境足跡研究是當(dāng)前生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的熱點(diǎn)與前沿課題。足跡家族中有生態(tài)足跡、碳足跡、土地足跡、水足跡、能源足跡、氮足跡和生物多樣性足跡等。生態(tài)足跡是足跡家族中最先提出的足跡方法。生態(tài)足跡方法是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees及其學(xué)生Wackernagel在20世紀(jì)90年代提出并發(fā)展的，其通過測(cè)定現(xiàn)今人類為了維持自身生存而利用的自然的量來評(píng)估人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[3]。生態(tài)足跡方法是用來衡量人類對(duì)自然資源的利用程度和自然界向人類提供的生命支助服務(wù)功能的一種方法。許多學(xué)者將這一概念延伸到水足跡、土地足跡、碳足跡中，并在不同的社會(huì)領(lǐng)域和行業(yè)中實(shí)踐了建模方法。

1.1 水足跡

在畜禽生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中都離不開直接和間接的水消耗。為了衡量某種產(chǎn)品或部門的水消耗，Hoekstra和Chapagain等[4]在虛擬水的概念上提出了水足跡的概念。虛擬水的概念由Allan[5]提出，其指在生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)中所需要的水資源數(shù)量，即嵌在產(chǎn)品和服務(wù)中的虛擬水量。相比于傳統(tǒng)的水資源消耗概念，虛擬水的特點(diǎn)是可以嵌入產(chǎn)品隨產(chǎn)品貿(mào)易運(yùn)輸，通過貿(mào)易引導(dǎo)水資源短缺地區(qū)減少水赤字。水足跡是指生產(chǎn)產(chǎn)品所耗費(fèi)的淡水量，包括產(chǎn)品生產(chǎn)鏈條上各個(gè)環(huán)節(jié)的用水量[6]，代表了維持人類產(chǎn)品和服務(wù)消耗所需的水資源的真實(shí)數(shù)量。目前在畜牧業(yè)的水足跡核算上，使用較多的是Mekonnen和Hoekstra提出的WFA(Water footprint assessment)法和ISO14046《環(huán)境管理——水足跡：原則、要求和指南》中通過遵循生命周期評(píng)估的概念，量化與水相關(guān)的潛在環(huán)境影響的LCA(Life cycle assessment)法。LCA方法注重產(chǎn)品的可持續(xù)性，是綜合性的評(píng)價(jià)體系，但是LCA 方法需要很高的數(shù)據(jù)精度，因此通常不適用于區(qū)域和規(guī)模以上的足跡研究[7]。WFA法的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)潔、可操作性高、適用范圍廣。WFA方法已廣泛應(yīng)用于過程、產(chǎn)品、流域、區(qū)域和國家尺度[8,9]。WFA的水足跡核算中將水足跡分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍(lán)水足跡是指生產(chǎn)產(chǎn)品對(duì)地表和地下水的消耗。綠色水足跡是指降水未形成徑流或未補(bǔ)充地下水，儲(chǔ)存于土壤或暫時(shí)留在土壤或植被表面的水?；宜阚E衡量水污染，是指給定自然背景濃度和現(xiàn)有環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以此為基準(zhǔn)需要稀釋污染物達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的需水量[4]。

1.2 土地足跡

土地足跡是用于生產(chǎn)商品和服務(wù)的土地?cái)?shù)量，以每單位產(chǎn)品的面積表示。產(chǎn)品的土地足跡反映了世界上任何地方用于生產(chǎn)該產(chǎn)品的實(shí)際土地?cái)?shù)量[10]。水足跡和土地足跡都可以用來表明一個(gè)地方的消費(fèi)對(duì)另一個(gè)地方的自然資源(水或土地)的依賴性，因?yàn)楫a(chǎn)品是交易的，而水和土地實(shí)際上是嵌入在該產(chǎn)品貿(mào)易中的[11]。生態(tài)足跡是足跡家族中另一個(gè)基于土地面積的量化指標(biāo)。與土地足跡不同的是，生態(tài)足跡指在一定技術(shù)條件下，要維持某一物質(zhì)消費(fèi)水平下的某一人口的持續(xù)生存必需的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積，旨在定量測(cè)算特定人口對(duì)資源的消費(fèi)需求[12]。

1.3 碳足跡

氣候變暖是當(dāng)今最受關(guān)注的全球性問題之一，碳足跡也逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。雖然在越來越多的碳足跡研究中，對(duì)碳足跡沒有統(tǒng)一、明確的定義。綜合Wiedmann[13]的研究和英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)[14]的規(guī)定，可以將其定義為，一項(xiàng)活動(dòng)中直接和間接的溫室氣體排放量。其中核算的溫室氣體包括CO2、N2O和CH4，在核算中將N2O和CH4轉(zhuǎn)化為等價(jià)的CO2。與IPCC提出的碳排放核算方法相比，碳足跡核算方法延伸了碳排放核算鏈條，不僅關(guān)注畜牧業(yè)的生產(chǎn)過程，將前端的原材料生產(chǎn)過程和后端的畜產(chǎn)品加工、運(yùn)輸、消費(fèi)等過程也納入到碳排放核算中，進(jìn)一步提高了碳排放核算的準(zhǔn)確性。主要的碳足跡核算方法有生命周期評(píng)價(jià)法和投入產(chǎn)出法[15]。生命周期評(píng)價(jià)法根據(jù)界定的系統(tǒng)邊界，利用碳排放因子和生命周期中的物質(zhì)和活動(dòng)核算碳足跡。生命周期評(píng)價(jià)法也是目前學(xué)者使用最多的。投入產(chǎn)出法利用投入產(chǎn)出表建立的數(shù)學(xué)模型核算碳足跡，是一種從上到下利用部門經(jīng)濟(jì)投入量和單位產(chǎn)值的碳排放強(qiáng)度計(jì)算部門碳排放量的方法[16]。

2 水土碳足跡研究現(xiàn)狀

2.1 水土碳足跡的量化分析

2.1.1 多種畜禽產(chǎn)品的水土碳足跡對(duì)比

為了比較畜禽產(chǎn)品生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的影響，一些學(xué)者比較了多種畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境足跡。Guzmán-Luna比較了羅非魚與豬肉、禽肉、牛肉的水足跡，結(jié)果表明，養(yǎng)殖羅非魚養(yǎng)殖的水足跡更大[17]。Ibidhi評(píng)估了突尼斯4種不同農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中綿羊和雞肉的水、土、碳足跡，結(jié)果證明，生產(chǎn)雞肉比生產(chǎn)羊肉更有效[11]。Gerbens-Leenes計(jì)算了家禽、豬肉和牛肉的水足跡，比較了4個(gè)國家的不同生產(chǎn)系統(tǒng)，表明動(dòng)物飼料是決定WF的重要因素，肉類的綠色WF大于藍(lán)色和灰色WF。

2.1.2 各生產(chǎn)階段對(duì)水土碳足跡的貢獻(xiàn)

基于生命周期評(píng)價(jià)的環(huán)境足跡核算方法可以很好地比較各個(gè)生產(chǎn)階段在整個(gè)生命周期過程中的貢獻(xiàn)。如，Noya在對(duì)加泰羅尼亞豬肉生產(chǎn)的研究中，考慮從飼料生產(chǎn)到豬肉加工的整個(gè)生產(chǎn)鏈，飼料生產(chǎn)被證明是豬肉行業(yè)價(jià)值鏈中碳足跡和水足跡份額最高的子系統(tǒng)[18]。不同的畜禽產(chǎn)品對(duì)環(huán)境足跡貢獻(xiàn)最高的子系統(tǒng)也不同。Luo在研究中比較了雞蛋、牛奶、雞肉、豬肉的碳足跡；雞蛋、雞肉生產(chǎn)過程中糞便管理對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)最大，而牛奶生產(chǎn)過程中腸道發(fā)酵對(duì)碳足跡貢獻(xiàn)最大，豬肉生產(chǎn)過程中則是飼料生產(chǎn)階段對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)最大[19]。通過核算全生命周期不同生產(chǎn)階段的環(huán)境足跡，可以幫助了解生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境影響最大的環(huán)節(jié)，有助于管理者針對(duì)關(guān)鍵階段更有效地提出緩解環(huán)境問題的措施建議。

2.1.3 不同養(yǎng)殖模式下的水土碳對(duì)比

除了對(duì)生產(chǎn)周期中各個(gè)階段的分析，許多學(xué)者還比較了不同養(yǎng)殖模式對(duì)環(huán)境的影響。國內(nèi)關(guān)于生豬養(yǎng)殖的研究中，通常通過養(yǎng)殖規(guī)模來區(qū)分不同的養(yǎng)殖模式，分為農(nóng)戶散養(yǎng)和集約化養(yǎng)殖，或者按照統(tǒng)計(jì)年鑒中的劃分標(biāo)準(zhǔn)分為散養(yǎng)、小規(guī)模、中規(guī)模和大規(guī)模。Luo在四川的雞蛋、牛奶、雞肉、豬肉農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研，比較了家庭式農(nóng)場(chǎng)和綜合性農(nóng)場(chǎng)畜禽生產(chǎn)的碳足跡，結(jié)果表明，綜合性農(nóng)場(chǎng)畜禽生產(chǎn)的碳足跡明顯低于家庭農(nóng)場(chǎng)[19]。Chen比較了中國不同養(yǎng)殖規(guī)模的生豬養(yǎng)殖單位碳足跡，其中散養(yǎng)的單位碳足跡最大，小規(guī)模的單位碳足跡最小[20]。Xie的研究結(jié)果表明，大規(guī)模的生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)中單位水足跡明顯低于散養(yǎng)、小規(guī)模和中規(guī)模的養(yǎng)殖系統(tǒng)[21]。

除了根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模劃分，也有學(xué)者根據(jù)養(yǎng)殖方式劃分。Ibidhi根據(jù)突尼斯的3個(gè)氣候帶，將國家劃分為北部、中部、南部3個(gè)區(qū)域；突尼斯年平均降雨量和草地生產(chǎn)力自北向南遞減，導(dǎo)致耕作結(jié)構(gòu)和草場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同，由此形成了3種不同的綿羊生產(chǎn)系統(tǒng)；Ibidhi分析了3種不同養(yǎng)殖系統(tǒng)下羊肉的水、土、碳足跡[11]。

2.1.4 畜禽養(yǎng)殖業(yè)水土碳足跡的時(shí)空變化

近年來，越來越多的學(xué)者分析了畜禽養(yǎng)殖業(yè)水土碳足跡的時(shí)空變化。Chen的研究表明，2000—2016年中國生豬養(yǎng)殖的單位碳足跡不斷下降，其中散養(yǎng)模式下的單位碳足跡下降幅度最大，在研究期間下降了28.09%；小規(guī)模、中規(guī)模和大規(guī)模的單位碳足跡分別下降了11.89%、22.64%和18.35%[20]。Naranjo的研究表明，美國加州乳業(yè)與1964年相比2014年腸道甲烷排放減少了54.1%～55.7%，糞便溫室氣體排放量減少了8.73%～11.9%，總用水量減少了88.1%～89.9%，土地需求也減少了89.4%～89.7%[22]。Li比較了青藏高原畜牧業(yè)碳足跡的時(shí)空變化，并根據(jù)畜牧業(yè)碳足跡在縣區(qū)層面的空間異質(zhì)性提出合理布局放牧區(qū)、改革畜禽養(yǎng)殖技術(shù)和管理方式、改變畜禽種群格局等相關(guān)碳減排戰(zhàn)略[23]。Xie比較了2005—2013年中國生豬養(yǎng)殖和豬肉生產(chǎn)的水足跡，生豬的單位水足跡、總水足跡和豬肉的總水足跡分別增長(zhǎng)8%、25%和8%；其中，生豬養(yǎng)殖的單位灰水足跡和總灰水足跡分別增加了1%和14%，而豬肉的灰水保持不變。在空間上，2005—2013年水足跡較大的省份出現(xiàn)了南移[21]。

2.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)水土碳足跡的影響因素及優(yōu)化

2.2.1 畜禽養(yǎng)殖業(yè)水土碳足跡的驅(qū)動(dòng)因素及情景分析

畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境足跡的時(shí)空變化趨勢(shì)有助于人們認(rèn)識(shí)過去幾十年畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展以及對(duì)環(huán)境的影響程度的變化，為政策的制定提供依據(jù)和方向。但是具體要如何調(diào)整政策還需要分析導(dǎo)致這種時(shí)空變化的因素，設(shè)置相應(yīng)的情景，分析預(yù)測(cè)未來的優(yōu)化方向和趨勢(shì)。Dai從技術(shù)進(jìn)步、畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、富裕、人口增長(zhǎng)5個(gè)方面探討中國養(yǎng)豬業(yè)溫室氣體直接排放的驅(qū)動(dòng)因素。分析結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、日益富裕和人口增長(zhǎng)導(dǎo)致豬肉生產(chǎn)的溫室氣體排放量分別增加了23Mt CO2eq、41Mt CO2eq和13Mt CO2eq；畜牧業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)變化分別使排放量減少了51Mt CO2eq和11Mt CO2eq[24]。Chen從豬肉需求變化、提升飼養(yǎng)技術(shù)、飼養(yǎng)模式變化的角度設(shè)置情景分析，研究表明，向集約化生豬生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，改進(jìn)飼料作物種植和糞便管理系統(tǒng)是減少生豬生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放的關(guān)鍵[20]。

飼料階段是畜禽養(yǎng)殖生命周期中的一個(gè)重要階段，許多學(xué)者希望通過優(yōu)化飼料配方來降低畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境影響。Arrieta比較了飼料中使用的2種豆粕，壓榨機(jī)壓榨豆粕和溶劑壓榨豆粕，對(duì)碳足跡的影響[25]。Nakamura則是比較了傳統(tǒng)飼料和使用氨基酸添加劑的低蛋白飼料；日本養(yǎng)豬業(yè)主要利用作物飼料飼養(yǎng)豬，因此增加了日本養(yǎng)豬業(yè)對(duì)環(huán)境的間接影響；相比之下，法國養(yǎng)豬業(yè)的養(yǎng)殖方式是給豬飼喂適量的低蛋白飼料，以減少谷物飼料種植對(duì)環(huán)境的影響；研究旨在評(píng)估法國模型中常規(guī)和低蛋白豬飼料的碳和水足跡，討論將其應(yīng)用到日本的生豬養(yǎng)殖業(yè)時(shí)可以緩解的環(huán)境影響；研究表明，當(dāng)豆粕中的必需氨基酸部分被工業(yè)生產(chǎn)的氨基酸取代時(shí)(形成低蛋白飼料)，法國的碳足跡和水消耗足跡分別降低了0.41t·t-1飼料和100m3·t-1飼料。與傳統(tǒng)飼料相比，低蛋白飼料的水富營(yíng)養(yǎng)化足跡也降低了10%?；谶@些發(fā)現(xiàn)，如果在日本廣泛使用低蛋白飼料，養(yǎng)豬業(yè)將分別減少248000t·a-1的CO2排放和68000km3·a-1用水量[26]。

2.2.2 貿(mào)易對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)水土碳足跡的影響

在全球化不斷加深的今天，飼料的貿(mào)易導(dǎo)致環(huán)境負(fù)擔(dān)的轉(zhuǎn)移。Sporchia在研究中表明，雖然歐盟內(nèi)谷物生產(chǎn)滿足了需求，但大豆等蛋白質(zhì)成分主要是從南美等國家進(jìn)口的，與此同時(shí)，將相關(guān)的環(huán)境負(fù)擔(dān)外包出去，綠水和土地足跡主要外包給南美國家，藍(lán)水則主要外包給非歐盟的歐洲國家以及北美國家，而來自歐盟以外國家的大多數(shù)飼料的資源使用強(qiáng)度高于歐盟，這意味著如果飼料在國內(nèi)生產(chǎn)，可能會(huì)節(jié)省資源[27]。畜禽養(yǎng)殖的過程中，環(huán)境足跡的轉(zhuǎn)移主要由飼料作物的貿(mào)易運(yùn)輸導(dǎo)致。Zhuo在研究中量化了生豬養(yǎng)殖中與玉米飼料貿(mào)易相關(guān)的省際水足跡流動(dòng)[28]。

3 前景與展望

近年來越來越多的學(xué)者開始關(guān)注畜禽養(yǎng)殖業(yè)的水、土、碳足跡核算。在不斷演化和完善中已經(jīng)形成了一定規(guī)范的核算方法。但我國仍缺少一個(gè)規(guī)范的核算標(biāo)準(zhǔn)。如，生命周期系統(tǒng)邊界的界定上不同研究選擇的研究邊界不同，造成一些差異，導(dǎo)致難以與已有的研究成果比較分析。我國在畜禽養(yǎng)殖業(yè)碳排放方面缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在碳足跡的計(jì)算過程中，缺少國家層面計(jì)算畜牧業(yè)碳足跡的溫室氣體排放因子清單，學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行核算時(shí)采用的溫室氣體排放因子不同，造成一定誤差，也不利于進(jìn)行比較和分析。今后應(yīng)規(guī)范排放因子的選擇，標(biāo)準(zhǔn)化畜牧業(yè)碳排放核算，建立數(shù)據(jù)庫、提供國家標(biāo)準(zhǔn)，以利于更準(zhǔn)確計(jì)算不同區(qū)域或不同養(yǎng)殖管理方式養(yǎng)殖企業(yè)的碳排放值。在全面核算從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡娜芷诃h(huán)境足跡的同時(shí)也要避免學(xué)者重復(fù)核算畜禽養(yǎng)殖業(yè)的資源消耗和溫室氣體排放量，以便展開畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境足跡其他方面的研究。綜合運(yùn)用畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境足跡的相關(guān)核算方法，整合出一套更加完善的、弱化各種核算方法不足的環(huán)境足跡核算方法，使其能更加準(zhǔn)確地反映畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)資源的利用和溫室氣體排放的真實(shí)情況。

畜禽養(yǎng)殖會(huì)帶來多種環(huán)境影響，越來越多的學(xué)者在研究中綜合分析多種環(huán)境足跡。但是不同的環(huán)境足跡時(shí)空變化和造成變化的驅(qū)動(dòng)因素并不一致。為了更好地緩解畜禽養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境問題，如何將各種環(huán)境足跡進(jìn)行耦合分析，如何確定各種環(huán)境足跡的權(quán)重等問題亟待解決。在研究?jī)?nèi)容上，過去的研究多是從宏觀的角度量化某一區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖業(yè)全生命周期的環(huán)境足跡。未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的優(yōu)化分析，深入分析畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境足跡的影響因素和驅(qū)動(dòng)因子，提供具體解決方案，并分析方案的可行性，將理論分析運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中，為企業(yè)的發(fā)展和政府的決策提供方案和依據(jù)。