巢湖流域生猪规模养殖碳氮足迹时空分析

巢湖流域生猪规模养殖碳氮足迹时空分析 朱慧敏，武慧君*，方维鑫，梅威，张宇 安徽理工大学，地球与环境学院，淮南232001 摘要：基于环境足迹的方法，从生命周期的角度构建了生猪规模养殖的碳氮足迹模型，分析了巢湖流域1990—2020年生猪规模养殖碳足迹和氮足迹的时空特征.生猪养殖的生命周期主要考虑了饲料作物种植、饲料加工、养殖场养殖以及粪便管理.功能单位为每千克活重（kg）猪，分别计算了总碳氮足迹以及单位碳氮足迹.结果表明：巢湖流域生猪规模养殖总碳足迹从1990年的1501.5Mkg CO2-eq快速下降至1995年的706.8Mkg CO2-eq，又稍波动变化至2020年的607.1Mkg CO2-eq；单位碳足迹从1990年的7.8kg⸱kg-1（以每千克活重产生的CO2-eq计，下同）下降到2020年的2.5kg⸱kg-1.总氮足迹从1990年的204.4Mkg Nr快速增长到2005年的359.8Mkg Nr，又总体下降至2020年的234.1Mkg Nr；单位氮足迹从1990年的119.0g⸱kg-1（以每千克活重产生的Nr计，下同）快速下降至2010年的99.3g⸱kg-1，又上升到2020年的106.0g⸱kg-1.饲料作物生产和粪便管理分别是碳足迹和氮足迹的最大贡献者，分别为70%~91%和60%~72%.从空间上来看，流域西北部特别是肥东县生猪规模养殖的碳氮足迹明显高于东南部.最后提出了平衡施肥、精准喂养、提高粪便管理的技术、集约化饲养等措施建议，以实现流域生猪规模养殖的可持续发展. 关键词：生猪规模养殖；生命周期评价；碳足迹；氮足迹；巢湖流域 文章编号：0253-2468（XXXX）XX-0001-12中图分类号：X321文献标识码：A Spatio-temporal carbon and nitrogen footprints of large-scale pig farming inChaohu Watershed ZHU Huimin，WU Huijun*，FANG Weixin，MEI Wei，ZHANG Yu School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan232001 Abstract：We used the environmental footprint method to develop a carbon and nitrogen footprint model of pig large-scale production from life-cycleperspective.We analyzed the spatial-temporal characteristics of both carbon footprint and nitrogen footprint for the large-scale pig production in ChaohuWatershed from1990to2020.The life cycle of large-scale pig production encompasses the stages of feed crop production，feed processing，pigfarming，and manure management.The functional unit（FU）is the weight of one kilogram of a live pig（LW）.We evaluated both total footprints andunit footprints.The results indicated that the total carbon footprint of large-scale pig production in Chaohu Watershed decreased rapidly from1501.5Mkg CO2-eq in1990to706.8Mkg CO2-eq in1995，followed by a slight fluctuation to607.1Mkg CO2-eq in2020.The unit carbon footprint decreasedfrom7.8kg⸱kg-1in1990to2.5kg⸱kg-1in2020.While the total nitrogen footprint increased rapidly from204.4Mkg Nr in1990to359.8Mkg Nr in2005，and then decreased to234.1Mkg Nr in2020.The unit nitrogen footprint decreased rapidly from119.0g⸱kg-1in1990to99.3g⸱kg-1in2010，andthen increased to106.0g⸱kg-1in2020.Feed crop production contributed the largest carbon footprint（70%~91%）and manure management contributedthe largest nitrogen footprint（60%~72%）.Both carbon footprint and nitrogen footprint of large-scale pig production in the northwest of the watershed，especially in Feidong County，were significantly higher than those in the southeast of the watershed.Finally，we put forward some recommendations toachieve sustainable development in large-scale pig production within the watershed.These include balancing fertilizer，feeding scientifically，improving manure management，and feeding intensively. Keywords：large-scale pig production；life cycle assessment；carbon footprint；nitrogen footprint；Chaohu Watershed 1引言（Introduction） 近年来，随着经济的快速发展和生活水平的提高，民众的饮食结构发生了巨大变化，对畜禽产品的需求 量增大（Baiet al.，2018；Liet al.，2021）.因此，畜禽养殖业快速发展.作为全球最大的养殖业之一（Govonietal.，2022），生猪行业占据了全球肉类产品产量的三分之一以上（Pexaset al.，2020）.中国是世界上最大的生猪生产国和猪肉消费国（Huet al.，2023），消费的猪肉产量占世界总产量的近50%（Wanget al.，2020；国家统计局，2020）.然而，生猪养殖特别是饲料资源的浪费以及粪便和粪浆的处置不当带来了许多环境问题（Zhanget al.，2021）.一 方 面，畜 牧 业 生 产 造 成 的 温 室 气 体 排 放，约 占 全 球 人 为 温 室 气 体 排 放 量 的18%（Steinfeldet al.，2006），而温室气体排放导致了极端气候（Andrettaet al.，2018；Liet al.，2022a）.另一方面，养 殖 废 物 的 氮 和 磷 排 放 引 发 了 酸 雨 和 大 气 氮 化 物 沉 降 以 及 富 营 养 化，对 生 态 系 统 的 健 康 造 成 威 胁（Mackenzieet al.，2016；Monteiroet al.，2017）. 环境足迹是人类活动对环境压力的指标，它已被广泛应用于农业和工业生产中（Qiet al.，2018）.环境足 迹 法 是 由William Rees和 他 的 学 生Wackernagel在20世 纪90年 代 提 出 的 生 态 足 迹 法 扩 展 而 来（Wackernagelet al.，1996）.足迹家族中有生态足迹、碳足迹、土地足迹、水足迹、能源足迹、氮足迹和生物多样性足迹等.越来越多的研究正在将氮足迹、碳足迹和磷足迹等应用到农业种植（Adewale et al.，2018；Chenet al.，2021a）以及畜牧业生产中（Liet al.，2022b），并在国家（Chenet al.，2021b）、流域（Luoet al.，2015）和城市（张哲瑜等，2019）等不同层面开展. 相关研究多关注某一种足迹，例如Li等（2022a）采用碳足迹与生命周期清单结合的方法核算了中国东部盐城生猪养殖的温室气体排放.或基于物质流分析方法来对单一元素或多个元素进行分析，如Wu等（2016）基于物质流分析的方法对巢湖流域3种作物生产中磷元素造成的环境影响进行评估；Wu等（2020）用物质流分析方法建立作物养分利用效率模型，对巢湖流域2015年9种主要作物的氮、磷利用效率进行考察.还有一些研究将农业生产的多个环境足迹整合进行研究，例如，Wu等（2023）利用环境足迹分析方法，从生命周期的角度建立了养猪生产系统的水-土地-碳足迹模型，并考察了贸易中嵌入的虚拟水、土地和碳流；Wang等（2020）使用质量流方法评估了华北平原养猪场之间的碳和氮流动.但这些研究较少同时对巢湖流域养猪业的多个足迹进行分析.因此，本研究采用环境足迹的方法，从生命周期的角度对巢湖流域生猪养殖的碳足迹和氮足迹进行分析. 水、土地、食物、能源等元素对生态系统来说都是重要的环境因素，前人对这些元素在人类活动中造成的环境影响展开了很多研究（Zhuet al.，2021；Huet al.，2024）.近年来巢湖水体富营养化一直不容忽视.研究表明，畜禽养殖产生的水体污染物主要包括有机物、氮、磷等物质（吴浩玮等，2020）.水体氮磷浓度过高是造成水体富营养化的主要原因（Shouet al.，2024），且温室气体排放造成的全球变暖会进一步加剧水体中的富营养化（Joneset al.，2014）.因此，本研究选择了对富营养化和全球变暖起到关键作用的碳足迹和氮足迹进行分析. 本研究的目的是以巢湖流域生猪规模养殖为研究对象，基于环境足迹中的碳氮足迹，构建生猪规模养殖的碳氮足迹分析模型.通过分析巢湖流域1990—2020年生猪规模养殖业的碳氮足迹时间空间分布特征，提出一些减少碳、氮足迹的措施和建议，对了解该地区农业生产对环境的影响以及寻找可持续发展的路径具有重要意义，也为巢湖流域的富营养化治理提供新视角. 2材料与方法（Materials and methods） 2.1研究区域概况 巢湖位于安徽省中部，长江和黄河之间，是安徽省第一大湖泊，流域面积13486km2.包括合肥市辖区、肥东县、肥西县、庐江县、巢湖市辖区、含山县、和县、无为市和舒城县9个县区，总人口1187万，占全省人口的19%（杨建军等，2008）.全流域经济和社会发展水平较高，是安徽省重要的商品粮生产和加工基地（阎伍玖等，2001）.近年来，巢湖流域畜禽养殖业发展迅速，生猪年末出栏量占全省畜禽出栏量的10%，但是生猪养殖比较分散、规模较小、管理较差，且粪便多数未经处理就排放，是巢湖水体富营养化的来源之一（彭军，2010）.巢湖的富营养化已经越来越受到政府的关注，2017年巢湖市划定禁养区和限养区，禁养区内的规模养殖场全部关闭和搬迁.《2018年安徽