奶牛場技術選擇對綜合效益和碳排放的影響

杜欣怡，盛靈娟，施正香＊，于 靜，徐練海

1 中國農業大學水利與土木工程學院，農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083

2 北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心，北京 100083

3 天津夢得集團有限公司，天津 300400

4 天津神馳農牧發展有限公司，天津 300273

0 引言

在我國龐大的人口基數與社會經濟水平迅速發展的前提下，碳中和目標為農業現代化的高質量、高水平發展提出了新的要求。奶牛養殖業面臨保障優質奶源供應與綠色發展的雙重壓力，探索綠色高效的養殖模式，平衡經濟與生態效益，已成為行業可持續發展的關鍵。作為我國目前規模化奶牛飼養的主力軍，城郊型奶牛場和農區型奶牛場對我國奶業有著舉足輕重的影響[1]。城郊型奶牛場以奶牛飼養為中心，具有整體性、系統性、集約性、高效性等特點[2]；而農區型奶牛場以奶牛生產為中心，通過種養結合實現物質循環與能量的多級利用。傳統的分析方法很少考慮自然資源的利用[3，4]，不能對系統整體的經濟生態效益做出綜合評估。本文引入能值分析理論，將系統中從投入到產出的能量、商品、貨幣等轉化為統一的能值單位[5]，結合天津地區城郊型和農區型規模化奶牛場的自然資源、外部投入、能值產出等，分析奶牛場飼料投入、牛奶產出、糞污處理等重點環節對經濟及環境效益的影響，以期為奶牛場合理選擇技術工藝，提升綜合效益及降低碳排放提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究選取天津地區典型城郊型奶牛場I和農區型奶牛場II，基本信息如表1所示。2 個奶牛場均采用散欄飼養、全混合日糧（TMR）飼喂、自動擠奶、糞污無害化處理等現代工藝和技術裝備，其中奶牛場II另配備了飼草料種植收割設備。天津地區年均太陽輻射量6 128 MJ/m2，降水量為550～680 mm，夏季降水量約占全年降水量的80%。年均氣溫12.3 ℃，最熱月平均氣溫26.0 ℃，最冷月-4.0 ℃。

表1 奶牛場I和II基本情況一覽表

1.2 研究方法

本研究對2 個奶牛場2015年10月—2016年9月的生產全過程數據進行調研，分析1 個完整生產年度的能值投入、產出情況。依據能值分析理論，對奶牛場的能物流、貨幣流、信息流等進行換算并建立能值流圖，通過能值評價指標對奶牛場經濟及環境效益進行綜合評價，并依此對奶牛場的技術選擇提出優化方案，以提升單位產品的綜合效益，減少碳排放。除太陽能、風能、雨水等沿用Odum團隊[5]的能值轉換率外，其他均以最新的全球能值基線12.00×1024Sej/年為基準進行相應轉換[6]。能值-貨幣比率參照2004年，因太陽能、風能、雨水等可更新環境資源來源相同，只計最大項[7]。

1.3 主要評價指標

系統的能值評價指標及計算方法[5，8，9]如下所示。

1.3.1 能值轉換率

能值轉換率（Transformity，Tr），即產出1 J牛奶所需能值（公式1）。

式中：R為奶牛場投入的可更新自然資源總和，N為奶牛場投入的不可更新自然資源總和，F為奶牛場購買的投入品，Yj為奶牛場的年產奶量。

1.3.2 能值-貨幣價值

能值-貨幣價值（Emdollar value， Em＄），即與奶牛場每年投入的能值總量相當的貨幣價值（公式2）。

式中：r為能值-貨幣比率。

1.3.3 能值產出率

能值產出率（Emergy Yield Ratio，EYR），即系統能值總產出與社會經濟反饋能值投入之比，EYR越高，表明系統的生產效率越高（公式3）。

1.3.4 可更新能源投入率

可更新能源投入率（Renewable Input Ratio，RIR），即系統可更新能源投入總量與能源投入總量之比（公式4）。

式中：FR為投入品的可更新部分，計算方法為相應資源乘以對應的可更新比例系數（公式5）。

1.3.5 能值自給率

能值自給率（EmergySelf-sufficiency Ratio，ESR），即系統自然環境投入能值與能值投入總量之比（公式6），ESR越高，表明系統的自給能力越強。

1.3.6 環境負載率

環境負載率（Environmental Load Ratio，ELR），即系統不可更新能值投入總量與可更新能值投入總量之比（公式7），ELR越高，表明系統對環境的壓力越大。

式中：R0為系統內部反饋能，FN為系統從外界購買投入品的不可更新部分，其值為外界投入品總能值減去可更新部分能值（公式8）。

1.3.7 系統可持續性

系統可持續性（Emergy Sustainability Index，ESI），即EYR與ELR的比值，ESI越大，表明系統可持續能力越強。

2 結果與分析

2.1 奶牛場綜合效益分析

依據能值分析方法，本研究中奶牛場I和II的系統邊界及各環節的能值輸入、反饋和輸出關系的能值流如圖1、2所示。可以看出，奶牛場I系統內部主要包括奶牛養殖、沼氣發酵、污水處理等單元，奶牛場II主要為飼草種植、奶牛養殖和墊料再生等單元。

圖1 奶牛場I能值流圖

圖2 奶牛場II能值流圖

奶牛場的能值投入主要分為可更新環境資源、不可更新環境資源、外界購買投入3部分。圖3可以看出，2 個奶牛場利用的可更新環境資源主要有太陽能、風能和雨水；奶牛場I投入的不可更新環境資源主要為生產用水，奶牛場II主要為表土損耗和生產用水[7，10]；奶牛場I外界購買投入主要為固定資產損耗（49%）與飼草料（40%）[9，11，12]，奶牛場II中固定資產損耗（22%）、人力、地租、飼草料（12%）占比相對較多[11，13]。

圖3 奶牛場I和II能值投入百分比柱形圖

奶牛場II的能值密度較低，僅為6.67×1013Sej/m2，單位泌乳牛藥品能值投入是奶牛場I的23.0 倍。推測可能是由于奶牛場II繁育及生產環境管理不合理，導致藥品投入過多。奶牛場I和II單位泌乳牛牛奶產出能值分別為3.30×1016Sej/年和2.59×1016Sej/年。奶牛場I的系統內部反饋主要為沼氣（93%）[14]，奶牛場II主要為液態肥（91%）與牛床墊料[7，15]。

2.2 能值評價指標差異分析

本研究中，奶牛場I和II的能值評價指標計算結果如表2所示。可以看出，奶牛場II的Tr是奶牛場I的1.4 倍，說明奶牛場I對資源的利用效率較高。從經濟效益來看，奶牛場I和II的EYR分別為1.12和1.01，但奶牛場I的Em＄略高于奶牛場II，表明奶牛場I在產生較高經濟回報率的同時，也增加了對外界經濟投入的依賴性；奶牛場II擁有較大面積的飼草料種植區，青貯苜蓿、全株玉米等飼草料資源自給率較高，因而飼料資源投入僅占能值總投入的13%。

表2 奶牛場I和II主要能值指標評價表

奶牛場I和II的ELR分別為3.25和4.35，高于中國東北和中、西部11 個省市農業系統（2.39），ESI分別為0.35和0.23，低于東北和中、西部地區農業系統（0.69）[16]，這反映出天津地區奶牛養殖系統對外界資源和經濟投入的依賴性較強，區位優勢不突出的特點。奶牛場I的RIR為15%，ESR為0.004，奶牛場II分別為13%和0.031，均低于全國農業系統的平均水平（分別為25%和0.43）[17]，說明2 個奶牛場對自然資源利用率均較低，主要依靠外界輸入能值，這也符合養殖類生態經濟系統的一般特征。

2.3 奶牛養殖系統工藝優化

數據分析發現，城郊型奶牛場I的生產管理模式較為科學，在日糧配方、牛群配種、擠奶技術等方面均顯示出較高水平，但飼料投入與環境負荷較高；農區型奶牛場II使用的糞污處理工藝通過系統反饋，節省了青貯、粗飼料及墊料的投入，同時避免了污水排放造成的污染，但土地利用較為粗放，且藥品投入過多。

在糞污處理環節，奶牛場I采用“沼氣+有機肥+達標排放”的模式，即糞污固液分離后的固體部分生產有機肥，液體部分經發酵產生的沼氣供場內自用，廢水作進一步處理后達標排放；奶牛場II采用“牛床墊料+液態肥+清潔回用”的模式，將糞污固液分離后分為3 部分，固體部分通過牛床墊料再生系統無害化處理后回用于牛舍臥床；液體部分大部分用于發酵制作液態肥回田灌溉飼草地；其余部分處理后用于回沖奶牛場管道。由于液態肥回田灌溉實現了營養元素的循環利用；墊料再生避免了發酵過程產生的大量溫室氣體排放；污水回沖降低了系統對環境的壓力，提高了系統的可持續性，相較而言，奶牛場II的糞污處理模式增加了系統反饋，提升了清潔能源利用率，減少了污染物與碳排放。

因此，奶牛場I可將糞污處理工藝改為“牛床墊料+液態肥+清潔回用”模式，節省飼料與墊料成本，增加系統內部反饋，降低系統污染物與碳排放。方案優化后，奶牛場I每年可減少20 萬元的資金投入，環境負荷也有所降低。奶牛場II則可適度提高飼養規模，合理利用土地，并改良日糧配方以提升奶牛的單產水平，還需通過更加科學合理的生產及環境管理減少藥品的使用。此外，天津地區奶牛養殖系統區位優勢不明顯，可合理利用當地資源，提升風、光等清潔能源利用比例，抵扣生產生活中必要的碳排放，減少外界購買資源的輸入，降低對外界資源與經濟投入的依賴性，實現可持續發展。

3 結論

在奶牛場綜合效益分析中，飼料投入的敏感性最高，日糧配方和飼料來源都是影響奶牛場效益的重要因素。得益于科學的管理方法與養殖技術的應用，城郊型奶牛場I的系統生產效率高于農區型奶牛場II，而奶牛場II通過“牛床墊料+液態肥+清潔回用”模式處理糞污，降低了飼草等的投入成本，減少了污染物排放。為降低奶牛養殖系統對外界環境與經濟投入的依賴性，應增加清潔能源使用比例，發揮地區區位優勢，在降低單位產品經濟投入的同時，減少系統碳排放，實現經濟與環境效益的綜合提升。