畜禽養殖業的水土碳足跡研究進展

陳欣悅 鄧康龍 汪倩倩 曾小雨 徐裕煥

(安徽理工大學，安徽 淮南 232000)

引言

改革開放以來，中國社會高速發展。在經濟高速發展的同時人民的物質消費需求也大幅上升。中國是全球最大的肉類生產國，2019年中國肉類產量占全球的22.5%。豬肉、羊肉產量位居世界第1，牛肉、禽肉產量也位列世界前3。人口的不斷增長及新增的城鎮居民消費將拉動我國肉蛋奶消費保持一定幅度增長。與此同時，畜牧業對各類資源的消耗也逐漸增加，造成了許多環境問題。聯合國糧農組織在報告中指出，畜牧業占全球人類用水量的8%以上[1]。種植飼料作物和養殖場養殖除了直接、間接水消耗，也會造成大量的水污染，因該區域河網密布，人口密集，生豬產銷量大，水環境治理任務重，農業部在《全國生豬生產發展規劃(2016—2020)》中將南方水網區劃為約束發展區[2]。畜牧業占全球土地面積的30%，占農業用地的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引起的最嚴重的環境問題之一，直接危害人類生存環境、生活質量和社會可持續性。作為碳排放大國，中國政府承諾到2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和。畜禽養殖的碳排放和對水、土資源的污染及消耗成為了研究熱點。近年來，國內外關于養殖業水-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，綜述了國內外學者在畜禽產品等方面水-土-碳足跡的研究現狀和進展，并對畜禽養殖及產品水-土-碳足跡的應用前景進行展望。

1 水土碳足跡概述

環境足跡研究是當前生態經濟學和可持續發展領域的熱點與前沿課題。足跡家族中有生態足跡、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。生態足跡是足跡家族中最先提出的足跡方法。生態足跡方法是由加拿大生態經濟學家William Rees及其學生Wackernagel在20世紀90年代提出并發展的，其通過測定現今人類為了維持自身生存而利用的自然的量來評估人類對生態系統的影響[3]。生態足跡方法是用來衡量人類對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功能的一種方法。許多學者將這一概念延伸到水足跡、土地足跡、碳足跡中，并在不同的社會領域和行業中實踐了建模方法。

1.1 水足跡

在畜禽生產的各個環節中都離不開直接和間接的水消耗。為了衡量某種產品或部門的水消耗，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，其指在生產產品和服務中所需要的水資源數量，即嵌在產品和服務中的虛擬水量。相比于傳統的水資源消耗概念，虛擬水的特點是可以嵌入產品隨產品貿易運輸，通過貿易引導水資源短缺地區減少水赤字。水足跡是指生產產品所耗費的淡水量，包括產品生產鏈條上各個環節的用水量[6]，代表了維持人類產品和服務消耗所需的水資源的真實數量。目前在畜牧業的水足跡核算上，使用較多的是Mekonnen和Hoekstra提出的WFA(Water footprint assessment)法和ISO14046《環境管理——水足跡：原則、要求和指南》中通過遵循生命周期評估的概念，量化與水相關的潛在環境影響的LCA(Life cycle assessment)法。LCA方法注重產品的可持續性，是綜合性的評價體系，但是LCA 方法需要很高的數據精度，因此通常不適用于區域和規模以上的足跡研究[7]。WFA法的優點在于原理簡潔、可操作性高、適用范圍廣。WFA方法已廣泛應用于過程、產品、流域、區域和國家尺度[8,9]。WFA的水足跡核算中將水足跡分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍水足跡是指生產產品對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充地下水，儲存于土壤或暫時留在土壤或植被表面的水。灰水足跡衡量水污染，是指給定自然背景濃度和現有環境水質標準，以此為基準需要稀釋污染物達到環境標準的需水量[4]。

1.2 土地足跡

土地足跡是用于生產商品和服務的土地數量，以每單位產品的面積表示。產品的土地足跡反映了世界上任何地方用于生產該產品的實際土地數量[10]。水足跡和土地足跡都可以用來表明一個地方的消費對另一個地方的自然資源(水或土地)的依賴性，因為產品是交易的，而水和土地實際上是嵌入在該產品貿易中的[11]。生態足跡是足跡家族中另一個基于土地面積的量化指標。與土地足跡不同的是，生態足跡指在一定技術條件下，要維持某一物質消費水平下的某一人口的持續生存必需的生態生產性土地的面積，旨在定量測算特定人口對資源的消費需求[12]。

1.3 碳足跡

氣候變暖是當今最受關注的全球性問題之一，碳足跡也逐漸成為了研究的熱點。雖然在越來越多的碳足跡研究中，對碳足跡沒有統一、明確的定義。綜合Wiedmann[13]的研究和英國標準協會[14]的規定，可以將其定義為，一項活動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轉化為等價的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，不僅關注畜牧業的生產過程，將前端的原材料生產過程和后端的畜產品加工、運輸、消費等過程也納入到碳排放核算中，進一步提高了碳排放核算的準確性。主要的碳足跡核算方法有生命周期評價法和投入產出法[15]。生命周期評價法根據界定的系統邊界，利用碳排放因子和生命周期中的物質和活動核算碳足跡。生命周期評價法也是目前學者使用最多的。投入產出法利用投入產出表建立的數學模型核算碳足跡，是一種從上到下利用部門經濟投入量和單位產值的碳排放強度計算部門碳排放量的方法[16]。

2 水土碳足跡研究現狀

2.1 水土碳足跡的量化分析

2.1.1 多種畜禽產品的水土碳足跡對比

為了比較畜禽產品生產過程對環境的影響，一些學者比較了多種畜禽養殖的環境足跡。Guzmán-Luna比較了羅非魚與豬肉、禽肉、牛肉的水足跡，結果表明，養殖羅非魚養殖的水足跡更大[17]。Ibidhi評估了突尼斯4種不同農業系統中綿羊和雞肉的水、土、碳足跡，結果證明，生產雞肉比生產羊肉更有效[11]。Gerbens-Leenes計算了家禽、豬肉和牛肉的水足跡，比較了4個國家的不同生產系統，表明動物飼料是決定WF的重要因素，肉類的綠色WF大于藍色和灰色WF。

2.1.2 各生產階段對水土碳足跡的貢獻

基于生命周期評價的環境足跡核算方法可以很好地比較各個生產階段在整個生命周期過程中的貢獻。如，Noya在對加泰羅尼亞豬肉生產的研究中，考慮從飼料生產到豬肉加工的整個生產鏈，飼料生產被證明是豬肉行業價值鏈中碳足跡和水足跡份額最高的子系統[18]。不同的畜禽產品對環境足跡貢獻最高的子系統也不同。Luo在研究中比較了雞蛋、牛奶、雞肉、豬肉的碳足跡；雞蛋、雞肉生產過程中糞便管理對碳足跡的貢獻最大，而牛奶生產過程中腸道發酵對碳足跡貢獻最大，豬肉生產過程中則是飼料生產階段對碳足跡的貢獻最大[19]。通過核算全生命周期不同生產階段的環境足跡，可以幫助了解生產過程中對環境影響最大的環節，有助于管理者針對關鍵階段更有效地提出緩解環境問題的措施建議。

2.1.3 不同養殖模式下的水土碳對比

除了對生產周期中各個階段的分析，許多學者還比較了不同養殖模式對環境的影響。國內關于生豬養殖的研究中，通常通過養殖規模來區分不同的養殖模式，分為農戶散養和集約化養殖，或者按照統計年鑒中的劃分標準分為散養、小規模、中規模和大規模。Luo在四川的雞蛋、牛奶、雞肉、豬肉農場進行了調研，比較了家庭式農場和綜合性農場畜禽生產的碳足跡，結果表明，綜合性農場畜禽生產的碳足跡明顯低于家庭農場[19]。Chen比較了中國不同養殖規模的生豬養殖單位碳足跡，其中散養的單位碳足跡最大，小規模的單位碳足跡最小[20]。Xie的研究結果表明，大規模的生豬養殖系統中單位水足跡明顯低于散養、小規模和中規模的養殖系統[21]。

除了根據養殖規模劃分，也有學者根據養殖方式劃分。Ibidhi根據突尼斯的3個氣候帶，將國家劃分為北部、中部、南部3個區域；突尼斯年平均降雨量和草地生產力自北向南遞減，導致耕作結構和草場結構不同，由此形成了3種不同的綿羊生產系統；Ibidhi分析了3種不同養殖系統下羊肉的水、土、碳足跡[11]。

2.1.4 畜禽養殖業水土碳足跡的時空變化

近年來，越來越多的學者分析了畜禽養殖業水土碳足跡的時空變化。Chen的研究表明，2000—2016年中國生豬養殖的單位碳足跡不斷下降，其中散養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%；小規模、中規模和大規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碳足跡的時空變化，并根據畜牧業碳足跡在縣區層面的空間異質性提出合理布局放牧區、改革畜禽養殖技術和管理方式、改變畜禽種群格局等相關碳減排戰略[23]。Xie比較了2005—2013年中國生豬養殖和豬肉生產的水足跡，生豬的單位水足跡、總水足跡和豬肉的總水足跡分別增長8%、25%和8%；其中，生豬養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了南移[21]。

2.2 畜禽養殖業水土碳足跡的影響因素及優化

2.2.1 畜禽養殖業水土碳足跡的驅動因素及情景分析

畜禽養殖業環境足跡的時空變化趨勢有助于人們認識過去幾十年畜禽養殖業的發展以及對環境的影響程度的變化，為政策的制定提供依據和方向。但是具體要如何調整政策還需要分析導致這種時空變化的因素，設置相應的情景，分析預測未來的優化方向和趨勢。Dai從技術進步、畜牧業結構調整、農業結構調整、富裕、人口增長5個方面探討中國養豬業溫室氣體直接排放的驅動因素。分析結果表明，農業結構調整、日益富裕和人口增長導致豬肉生產的溫室氣體排放量分別增加了23Mt CO2eq、41Mt CO2eq和13Mt CO2eq；畜牧業的技術進步和結構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、提升飼養技術、飼養模式變化的角度設置情景分析，研究表明，向集約化生豬生產轉變，改進飼料作物種植和糞便管理系統是減少生豬生產系統溫室氣體排放的關鍵[20]。

飼料階段是畜禽養殖生命周期中的一個重要階段，許多學者希望通過優化飼料配方來降低畜禽養殖的環境影響。Arrieta比較了飼料中使用的2種豆粕，壓榨機壓榨豆粕和溶劑壓榨豆粕，對碳足跡的影響[25]。Nakamura則是比較了傳統飼料和使用氨基酸添加劑的低蛋白飼料；日本養豬業主要利用作物飼料飼養豬，因此增加了日本養豬業對環境的間接影響；相比之下，法國養豬業的養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環境的影響；研究旨在評估法國模型中常規和低蛋白豬飼料的碳和水足跡，討論將其應用到日本的生豬養殖業時可以緩解的環境影響；研究表明，當豆粕中的必需氨基酸部分被工業生產的氨基酸取代時(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。與傳統飼料相比，低蛋白飼料的水富營養化足跡也降低了10%。基于這些發現，如果在日本廣泛使用低蛋白飼料，養豬業將分別減少248000t·a-1的CO2排放和68000km3·a-1用水量[26]。

2.2.2 貿易對畜禽養殖業水土碳足跡的影響

在全球化不斷加深的今天，飼料的貿易導致環境負擔的轉移。Sporchia在研究中表明，雖然歐盟內谷物生產滿足了需求，但大豆等蛋白質成分主要是從南美等國家進口的，與此同時，將相關的環境負擔外包出去，綠水和土地足跡主要外包給南美國家，藍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飼料的資源使用強度高于歐盟，這意味著如果飼料在國內生產，可能會節省資源[27]。畜禽養殖的過程中，環境足跡的轉移主要由飼料作物的貿易運輸導致。Zhuo在研究中量化了生豬養殖中與玉米飼料貿易相關的省際水足跡流動[28]。

3 前景與展望

近年來越來越多的學者開始關注畜禽養殖業的水、土、碳足跡核算。在不斷演化和完善中已經形成了一定規范的核算方法。但我國仍缺少一個規范的核算標準。如，生命周期系統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，導致難以與已有的研究成果比較分析。我國在畜禽養殖業碳排放方面缺少基礎數據和實測數據，在碳足跡的計算過程中，缺少國家層面計算畜牧業碳足跡的溫室氣體排放因子清單，學者們在進行核算時采用的溫室氣體排放因子不同，造成一定誤差，也不利于進行比較和分析。今后應規范排放因子的選擇，標準化畜牧業碳排放核算，建立數據庫、提供國家標準，以利于更準確計算不同區域或不同養殖管理方式養殖企業的碳排放值。在全面核算從“搖籃”到“墳墓”的全生命周期環境足跡的同時也要避免學者重復核算畜禽養殖業的資源消耗和溫室氣體排放量，以便展開畜禽養殖業環境足跡其他方面的研究。綜合運用畜禽養殖業環境足跡的相關核算方法，整合出一套更加完善的、弱化各種核算方法不足的環境足跡核算方法，使其能更加準確地反映畜禽養殖業對資源的利用和溫室氣體排放的真實情況。

畜禽養殖會帶來多種環境影響，越來越多的學者在研究中綜合分析多種環境足跡。但是不同的環境足跡時空變化和造成變化的驅動因素并不一致。為了更好地緩解畜禽養殖業帶來的環境問題，如何將各種環境足跡進行耦合分析，如何確定各種環境足跡的權重等問題亟待解決。在研究內容上，過去的研究多是從宏觀的角度量化某一區域的畜禽養殖業全生命周期的環境足跡。未來應加強對關鍵環節的優化分析，深入分析畜禽養殖業環境足跡的影響因素和驅動因子，提供具體解決方案，并分析方案的可行性，將理論分析運用到實踐當中，為企業的發展和政府的決策提供方案和依據。