影响混合农业系统中母羊奶环境影响的关键做法

《Cleaner Environmental Systems》：Key practices affecting the environmental impact of ewe milk in mixed farming systems

全球变暖潜能占比较高，达53.5%，表明反刍甲烷排放是主要环境驱动因素。多变量分析显示，高精饲料依赖（+18.9% GWP）、低放牧时间（+9.7% GWP）与高化石燃料消耗（+12.3% GWP）显著增加环境影响，而放牧时间延长（-15.3% GWP）和自产饲料使用（-8.2% GWP）可降低排放。研究发现地中海半集约化绵羊养殖中，优化饲料结构（精粗比0.6:1.4）、延长放牧时间（日均8小时）及减少化石能源依赖（燃料/公顷≤57升）是关键减排路径。

　　本研究围绕十二个位于意大利托斯卡纳大区格罗塞托省的混合型乳用山羊农场，探讨了这些农场的管理实践对环境影响的关键驱动因素。通过生命周期评估（LCA）和多元统计分析方法，研究人员旨在识别影响牛奶生产过程中各种环境指标的主要因素，包括大气排放、酸化、富营养化等。研究发现，平均每年每只母羊的脂肪和蛋白质校正奶（FPCM）产量与现有文献一致，达到190.7公斤。分析结果表明，各种环境影响因素普遍呈现出与生产规模和饲料管理方式正相关的趋势。具体而言，对动物补充饲料中浓缩饲料的依赖程度越高，环境影响也越大，这表明购买饲料的使用可能会加剧混合型乳用山羊农场的环境表现。

进一步的主成分分析（PCA）揭示，环境影响与每公顷土地的电力消耗和燃料使用量正相关。相反，放牧实践则与较低的环境影响相关，强调了放牧质量作为高能量饲料来源在某些情况下可能具有显著优势。研究还指出，在不利气候条件下，保存的牧草质量较差时，放牧作为能量丰富的饲料来源可以发挥积极作用。对于全球变暖潜力（GWP），研究发现，反刍动物的瘤胃甲烷排放占总排放量的53.5%以上，而平均GWP估计为每公斤FPCM 4.2公斤二氧化碳当量。这表明，准确收集牲畜特征、饲料组成、摄入量和饲养时间的数据对于估算生物源GWP具有重要意义。

研究的背景信息显示，农业部门是全球人为排放的重要来源之一，占近19%。其中，反刍动物如牛、羊和山羊的瘤胃发酵过程是农业生产中甲烷排放的主要来源。因此，研究可持续解决方案以减轻这一影响成为关键任务。在欧洲，乳用山羊养殖主要分布在北纬35度至45度和东经20度至50度之间，意大利完全位于这一地理范围内。乳用山羊养殖在农业经济中发挥重要作用，特别是在应对农村地区土地荒废方面。地中海地区的乳用山羊养殖通常采用半集约化系统，结合作物种植和放牧活动，这种系统往往位于资源有限的内陆地区，如水资源和土壤养分。

研究区域的气候特点决定了放牧的局限性，夏季高温干燥严重影响了放牧的可用性。降雨主要集中在春季和秋季，这又使得土壤湿度较高，影响了放牧活动。该地区主要的畜牧活动是乳用山羊养殖，格罗塞托省几乎占整个托斯卡纳地区乳用山羊总数的一半，而托斯卡纳是意大利第四大乳用山羊养殖区。该地区最常见的山羊品种是萨尔达羊，约占山羊总数的58%，其次是拉坎羊，占约14%。乳用山羊养殖的农场通常种植用于生产Pecorino Toscano PDO奶酪的鲜奶和保存饲料，同时也会种植谷物如硬粒小麦（Triticum durum Desf.）。

研究区域的农场通常采用两种产羔期：秋季和冬季末，因为公羊在4月至7月间被引入泌乳母羊群，而在9月至10月间被引入一年龄段母羊和非怀孕母羊群。这种繁殖管理方式使得奶酪行业能够获得超过10个月的牛奶供应。奶制品的副产品包括羔羊肉和羊毛，但后者对经济贡献微乎其微。因此，研究中采用了经济分配方法，以反映每种产品在系统中的实际经济相关性。对于每只母羊的奶产量，研究采用经济分配方法，将环境影响分配到奶和肉之间，比例分别为80%±8%和20%±7%。

研究还分析了不同农场的饲料构成和甲烷排放。在计算营养需求和每日饲料摄入量时，研究人员使用了母羊的品种、平均体重，以及泌乳母羊的平均日奶产量、脂肪和蛋白质含量和妊娠天数等数据。在放牧和休息期间的干物质摄入量通过康奈尔净碳水化合物和蛋白质系统（CNCPS）模型进行估算，该模型基于动物体重、能量校正奶产量和饲料中的纤维含量来计算动物的干物质摄入量。保存饲料和补充饲料的营养价值通过在农场直接分析饲料样本获得，使用了便携式近红外光谱仪（POLISPEC, ITPhotonics SRL, Vicenza, Italy）。新鲜牧草的摄入量通过收集选定农场的放牧时间数据和全年放牧天数进行估算。

在甲烷排放估算方面，研究采用了INRA（法国农业与食品研究所）提出的方程。这些方程考虑了饲料有机物的消化率、干物质摄入量与体重的关系以及饲料中浓缩饲料的比例。此外，研究还探讨了粪便管理对环境影响的贡献，包括甲烷和一氧化二氮的排放以及磷的流失。对于每只动物的粪便排放量，研究人员使用了固定的放牧时间和舍内时间比例，所有农场均采用永久性稻草垫料。粪便的每日量及其组成通过Cannas等（2004）开发的方程进行估算，并结合IPCC Tier 2方法（IPCC 2019a, 2019b）进行计算。

研究还分析了耕地作物的排放情况，采用了EPD（环境产品声明）方法（PCR, 2016）中的排放因子。首先，通过IPCC提出的方程估算了施肥后田间剩余的氮含量。然后，将剩余的氮量与田间施肥的排放因子相结合，以计算损失情况。氮转化为氨、氮氧化物和硝酸盐的排放因子在表3中列出。研究强调了准确收集数据的重要性，特别是针对牲畜特征、饲料组成、摄入量和饲养时间等关键因素，以提高农场特定环境表现的特征化精度。

在统计分析方面，研究使用了R软件进行分析。在分析之前，研究人员计算了次级指标，包括谷物种植面积占总利用农业面积（UAA）的百分比、每公斤FPCM使用的购买浓缩饲料量、每公斤FPCM的电力消耗、每公顷耕地的放牧率、每公顷耕地的燃料消耗量以及每公顷耕地的矿物肥料施用量。统计分析包括相关性分析、聚类分析和主成分分析（PCA），其中PCA揭示了前两个主成分解释了总方差的约52.5%。第一个主成分与环境影响类别、每公斤FPCM的浓缩饲料使用量、每公顷耕地的施肥和燃料使用量以及每公斤FPCM的电力使用量正相关。第二个主成分则与每只母羊的FPCM产量正相关，而与饲料中牧草与浓缩饲料的比例负相关。

聚类分析基于前两个主成分识别了三个不同的农场集群。第一个集群包括两个具有较高每公斤FPCM环境影响、较高每公斤FPCM浓缩饲料使用量和较高每公斤FPCM电力消耗的农场。第二个集群由六个农场组成，其环境影响低于第一个集群。第三个集群则包括四个农场，这些农场表现出更高的环境影响，较低的燃料每公顷使用效率和电力使用效率，以及较高的每公斤FPCM浓缩饲料依赖度。这些结果表明，提高每只母羊的奶产量、动物繁殖效率和优化投入使用是减少山羊奶生产环境影响的关键因素。然而，ANOVA分析并未发现集群之间在农场特征上的显著差异，这表明需要进一步的研究来更好地理解这些影响因素，并推广有效的解决方案。

研究还指出，饲料纤维含量的增加，由于牧草与浓缩饲料比例的提高或牧草质量的下降，通常与大气影响的增加相关。纤维含量在母羊饲料中与乙酸和丁酸瘤胃发酵途径相关，这些途径会产生更多的氢气，随后被瘤胃产甲烷微生物转化为甲烷。相反，富含淀粉或糖的饲料则促进瘤胃中的丙酸发酵途径，该途径不会产生氢气。富含淀粉或糖的饲料提供了更高的可消化能量，从而促进了更高的奶产量，这与降低GWP相关。研究发现，放牧的牧草由于其较低的纤维含量和较高的能量含量，通常比保存饲料具有更好的营养价值，因此较长的放牧时间与较低的环境影响相关。保存饲料的低营养价值是地中海半集约化农场的普遍特征，这主要是由于收获期较短，往往与不利的天气条件重合，导致收获延迟，从而产生过熟的牧草，其NDF（中性洗涤纤维）消化率和蛋白质含量较低。相反，直接通过放牧摄入新鲜生物量似乎更有效地满足奶产量和质量的营养需求，这可能是由于新鲜牧草通常具有更高的NDF消化率和更快的瘤胃通过率。

研究还发现，奶产量与饲料中牧草与浓缩饲料的比例呈负相关。这一趋势在文献中已被广泛记录，许多作者指出，由于浓缩饲料的能量含量和可消化性较高，增加饲料中浓缩饲料的比例会促进更高的净能量摄入，从而提高奶产量。然而，本研究的结果表明，浓缩饲料的来源同样对环境影响至关重要。正如Vagnoni等人（2024）所指出的，购买的饲料对环境影响的贡献显著高于自产饲料，尤其是在海洋富营养化类别中。因此，优化饲料管理策略，如提高保存饲料的营养价值和推广轮牧实践，对于减少环境影响具有重要意义。

此外，研究强调了提高燃料和电力使用效率的重要性。通过将年度牧草作物替换为临时草地和牧场，可以减少土壤耕作和相关投入需求。安装太阳能板或其他可再生能源系统可以显著降低混合型农场的环境影响。研究还指出，奶产量和放牧时间的增加可能有助于减少环境影响，但需要结合具体农场的管理实践和环境条件进行综合评估。研究结果表明，农场管理实践的选择对环境影响具有显著影响，因此在农业生态转型过程中，推广新的农场系统设计和优化饲料管理策略对于减少环境影响至关重要。