奶牛場(chǎng)技術(shù)選擇對(duì)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

2 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083

3 天津夢(mèng)得集團(tuán)有限公司，天津 300400

4 天津神馳農(nóng)牧發(fā)展有限公司，天津 300273

0 引言

在我國(guó)龐大的人口基數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平迅速發(fā)展的前提下，碳中和目標(biāo)為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高質(zhì)量、高水平發(fā)展提出了新的要求。奶牛養(yǎng)殖業(yè)面臨保障優(yōu)質(zhì)奶源供應(yīng)與綠色發(fā)展的雙重壓力，探索綠色高效的養(yǎng)殖模式，平衡經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益，已成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。作為我國(guó)目前規(guī)模化奶牛飼養(yǎng)的主力軍，城郊型奶牛場(chǎng)和農(nóng)區(qū)型奶牛場(chǎng)對(duì)我國(guó)奶業(yè)有著舉足輕重的影響[1]。城郊型奶牛場(chǎng)以奶牛飼養(yǎng)為中心，具有整體性、系統(tǒng)性、集約性、高效性等特點(diǎn)[2]；而農(nóng)區(qū)型奶牛場(chǎng)以奶牛生產(chǎn)為中心，通過(guò)種養(yǎng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)與能量的多級(jí)利用。傳統(tǒng)的分析方法很少考慮自然資源的利用[3，4]，不能對(duì)系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益做出綜合評(píng)估。本文引入能值分析理論，將系統(tǒng)中從投入到產(chǎn)出的能量、商品、貨幣等轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的能值單位[5]，結(jié)合天津地區(qū)城郊型和農(nóng)區(qū)型規(guī)模化奶牛場(chǎng)的自然資源、外部投入、能值產(chǎn)出等，分析奶牛場(chǎng)飼料投入、牛奶產(chǎn)出、糞污處理等重點(diǎn)環(huán)節(jié)對(duì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益的影響，以期為奶牛場(chǎng)合理選擇技術(shù)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(duì)象

本研究選取天津地區(qū)典型城郊型奶牛場(chǎng)I和農(nóng)區(qū)型奶牛場(chǎng)II，基本信息如表1所示。2 個(gè)奶牛場(chǎng)均采用散欄飼養(yǎng)、全混合日糧（TMR）飼喂、自動(dòng)擠奶、糞污無(wú)害化處理等現(xiàn)代工藝和技術(shù)裝備，其中奶牛場(chǎng)II另配備了飼草料種植收割設(shè)備。天津地區(qū)年均太陽(yáng)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(chǎng)I和II基本情況一覽表

1.2 研究方法

本研究對(duì)2 個(gè)奶牛場(chǎng)2015年10月—2016年9月的生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，分析1 個(gè)完整生產(chǎn)年度的能值投入、產(chǎn)出情況。依據(jù)能值分析理論，對(duì)奶牛場(chǎng)的能物流、貨幣流、信息流等進(jìn)行換算并建立能值流圖，通過(guò)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)奶牛場(chǎng)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并依此對(duì)奶牛場(chǎng)的技術(shù)選擇提出優(yōu)化方案，以提升單位產(chǎn)品的綜合效益，減少碳排放。除太陽(yáng)能、風(fēng)能、雨水等沿用Odum團(tuán)隊(duì)[5]的能值轉(zhuǎn)換率外，其他均以最新的全球能值基線12.00×1024Sej/年為基準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換[6]。能值-貨幣比率參照2004年，因太陽(yáng)能、風(fēng)能、雨水等可更新環(huán)境資源來(lái)源相同，只計(jì)最大項(xiàng)[7]。

1.3 主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法[5，8，9]如下所示。

1.3.1 能值轉(zhuǎn)換率

能值轉(zhuǎn)換率（Transformity，Tr），即產(chǎn)出1 J牛奶所需能值（公式1）。

式中：R為奶牛場(chǎng)投入的可更新自然資源總和，N為奶牛場(chǎng)投入的不可更新自然資源總和，F(xiàn)為奶牛場(chǎng)購(gòu)買的投入品，Yj為奶牛場(chǎng)的年產(chǎn)奶量。

1.3.2 能值-貨幣價(jià)值

能值-貨幣價(jià)值（Emdollar value， Em＄），即與奶牛場(chǎng)每年投入的能值總量相當(dāng)?shù)呢泿艃r(jià)值（公式2）。

式中：r為能值-貨幣比率。

1.3.3 能值產(chǎn)出率

能值產(chǎn)出率（Emergy Yield Ratio，EYR），即系統(tǒng)能值總產(chǎn)出與社會(huì)經(jīng)濟(jì)反饋能值投入之比，EYR越高，表明系統(tǒng)的生產(chǎn)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(tǒng)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(jì)算方法為相應(yīng)資源乘以對(duì)應(yīng)的可更新比例系數(shù)（公式5）。

1.3.5 能值自給率

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

1.3.6 環(huán)境負(fù)載率

環(huán)境負(fù)載率（Environmental Load Ratio，ELR），即系統(tǒng)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(tǒng)對(duì)環(huán)境的壓力越大。

式中：R0為系統(tǒng)內(nèi)部反饋能，F(xiàn)N為系統(tǒng)從外界購(gòu)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(tǒng)可持續(xù)性

系統(tǒng)可持續(xù)性（Emergy Sustainability Index，ESI），即EYR與ELR的比值，ESI越大，表明系統(tǒng)可持續(xù)能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 奶牛場(chǎng)綜合效益分析

依據(jù)能值分析方法，本研究中奶牛場(chǎng)I和II的系統(tǒng)邊界及各環(huán)節(jié)的能值輸入、反饋和輸出關(guān)系的能值流如圖1、2所示。可以看出，奶牛場(chǎng)I系統(tǒng)內(nèi)部主要包括奶牛養(yǎng)殖、沼氣發(fā)酵、污水處理等單元，奶牛場(chǎng)II主要為飼草種植、奶牛養(yǎng)殖和墊料再生等單元。

圖1 奶牛場(chǎng)I能值流圖

圖2 奶牛場(chǎng)II能值流圖

奶牛場(chǎng)的能值投入主要分為可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、外界購(gòu)買投入3部分。圖3可以看出，2 個(gè)奶牛場(chǎng)利用的可更新環(huán)境資源主要有太陽(yáng)能、風(fēng)能和雨水；奶牛場(chǎng)I投入的不可更新環(huán)境資源主要為生產(chǎn)用水，奶牛場(chǎng)II主要為表土損耗和生產(chǎn)用水[7，10]；奶牛場(chǎng)I外界購(gòu)買投入主要為固定資產(chǎn)損耗（49%）與飼草料（40%）[9，11，12]，奶牛場(chǎng)II中固定資產(chǎn)損耗（22%）、人力、地租、飼草料（12%）占比相對(duì)較多[11，13]。

圖3 奶牛場(chǎng)I和II能值投入百分比柱形圖

奶牛場(chǎng)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(chǎng)I的23.0 倍。推測(cè)可能是由于奶牛場(chǎng)II繁育及生產(chǎn)環(huán)境管理不合理，導(dǎo)致藥品投入過(guò)多。奶牛場(chǎng)I和II單位泌乳牛牛奶產(chǎn)出能值分別為3.30×1016Sej/年和2.59×1016Sej/年。奶牛場(chǎng)I的系統(tǒng)內(nèi)部反饋主要為沼氣（93%）[14]，奶牛場(chǎng)II主要為液態(tài)肥（91%）與牛床墊料[7，15]。

2.2 能值評(píng)價(jià)指標(biāo)差異分析

本研究中，奶牛場(chǎng)I和II的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，奶牛場(chǎng)II的Tr是奶牛場(chǎng)I的1.4 倍，說(shuō)明奶牛場(chǎng)I對(duì)資源的利用效率較高。從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，奶牛場(chǎng)I和II的EYR分別為1.12和1.01，但奶牛場(chǎng)I的Em＄略高于奶牛場(chǎng)II，表明奶牛場(chǎng)I在產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)回報(bào)率的同時(shí)，也增加了對(duì)外界經(jīng)濟(jì)投入的依賴性；奶牛場(chǎng)II擁有較大面積的飼草料種植區(qū)，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(chǎng)I和II主要能值指標(biāo)評(píng)價(jià)表

奶牛場(chǎng)I和II的ELR分別為3.25和4.35，高于中國(guó)東北和中、西部11 個(gè)省市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（2.39），ESI分別為0.35和0.23，低于東北和中、西部地區(qū)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（0.69）[16]，這反映出天津地區(qū)奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)對(duì)外界資源和經(jīng)濟(jì)投入的依賴性較強(qiáng)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)不突出的特點(diǎn)。奶牛場(chǎng)I的RIR為15%，ESR為0.004，奶牛場(chǎng)II分別為13%和0.031，均低于全國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的平均水平（分別為25%和0.43）[17]，說(shuō)明2 個(gè)奶牛場(chǎng)對(duì)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(yǎng)殖類生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一般特征。

2.3 奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝優(yōu)化

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，城郊型奶牛場(chǎng)I的生產(chǎn)管理模式較為科學(xué)，在日糧配方、牛群配種、擠奶技術(shù)等方面均顯示出較高水平，但飼料投入與環(huán)境負(fù)荷較高；農(nóng)區(qū)型奶牛場(chǎng)II使用的糞污處理工藝通過(guò)系統(tǒng)反饋，節(jié)省了青貯、粗飼料及墊料的投入，同時(shí)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(guò)多。

在糞污處理環(huán)節(jié)，奶牛場(chǎng)I采用“沼氣+有機(jī)肥+達(dá)標(biāo)排放”的模式，即糞污固液分離后的固體部分生產(chǎn)有機(jī)肥，液體部分經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣供場(chǎng)內(nèi)自用，廢水作進(jìn)一步處理后達(dá)標(biāo)排放；奶牛場(chǎng)II采用“牛床墊料+液態(tài)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(guò)牛床墊料再生系統(tǒng)無(wú)害化處理后回用于牛舍臥床；液體部分大部分用于發(fā)酵制作液態(tài)肥回田灌溉飼草地；其余部分處理后用于回沖奶牛場(chǎng)管道。由于液態(tài)肥回田灌溉實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)利用；墊料再生避免了發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的大量溫室氣體排放；污水回沖降低了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的壓力，提高了系統(tǒng)的可持續(xù)性，相較而言，奶牛場(chǎng)II的糞污處理模式增加了系統(tǒng)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(chǎng)I可將糞污處理工藝改為“牛床墊料+液態(tài)肥+清潔回用”模式，節(jié)省飼料與墊料成本，增加系統(tǒng)內(nèi)部反饋，降低系統(tǒng)污染物與碳排放。方案優(yōu)化后，奶牛場(chǎng)I每年可減少20 萬(wàn)元的資金投入，環(huán)境負(fù)荷也有所降低。奶牛場(chǎng)II則可適度提高飼養(yǎng)規(guī)模，合理利用土地，并改良日糧配方以提升奶牛的單產(chǎn)水平，還需通過(guò)更加科學(xué)合理的生產(chǎn)及環(huán)境管理減少藥品的使用。此外，天津地區(qū)奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)區(qū)位優(yōu)勢(shì)不明顯，可合理利用當(dāng)?shù)刭Y源，提升風(fēng)、光等清潔能源利用比例，抵扣生產(chǎn)生活中必要的碳排放，減少外界購(gòu)買資源的輸入，降低對(duì)外界資源與經(jīng)濟(jì)投入的依賴性，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

在奶牛場(chǎng)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(lái)源都是影響奶牛場(chǎng)效益的重要因素。得益于科學(xué)的管理方法與養(yǎng)殖技術(shù)的應(yīng)用，城郊型奶牛場(chǎng)I的系統(tǒng)生產(chǎn)效率高于農(nóng)區(qū)型奶牛場(chǎng)II，而奶牛場(chǎng)II通過(guò)“牛床墊料+液態(tài)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(yǎng)殖系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境與經(jīng)濟(jì)投入的依賴性，應(yīng)增加清潔能源使用比例，發(fā)揮地區(qū)區(qū)位優(yōu)勢(shì)，在降低單位產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)投入的同時(shí)，減少系統(tǒng)碳排放，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的綜合提升。