实现乳制品生产净零排放的路径：能否显著降低肠道甲烷排放？

《Annual Review of Animal Biosciences》：The Path to Net-Zero in Dairy Production: Are Pronounced Decreases in Enteric Methane Achievable?

净零乳业需多管齐下：通过遗传选育降低甲烷排放，优化饲料配方（如添加3-NOP或卤代化合物），改进粪便管理（如厌氧消化）及土壤固碳，同时需平衡减排与生产效益。当前技术可使甲烷减排30-50%，但完全消除需结合碳抵消。美国计划2050年实现乳业净零，但需突破成本与监管障碍。

　　### 实现乳制品生产的净零温室气体排放

在全球范围内，农业部门是温室气体（GHG）排放的重要来源之一，2021年的温室气体排放总量为53 Gt CO?e，其中农业部门贡献了7.5 Gt CO?e，占总排放量的14%。此外，农业相关的土地利用变化还带来了额外的3.1 Gt CO?e排放。在美国，农业部门在2021年的温室气体排放为0.60 Gt CO?e，占全国温室气体排放的9%，较1990年水平增加了9%。农业排放的主要温室气体包括二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O），其中农业来源占全球CH?排放的58%和N?O排放的52%。而来自反刍动物的肠道发酵和粪便管理，占全球人为CH?排放的31%。

尽管美国乳制品行业设定了2050年实现温室气体中和的目标，但要达到这一目标，需要采取一系列综合措施。首先，必须实现肠道甲烷排放超过50%的减少，同时消除饲料生产中的排放、增加碳固存、减少粪便排放、利用厌氧消化技术以及减少对化石燃料能源的依赖。然而，目前可供选择的减排策略仍然有限，且成本增加而收益不足成为实施这些策略的主要障碍。

### 净零的概念与挑战

净零的概念源于对全球变暖问题的深刻理解。二氧化碳排放具有累积性，即使减少80%仍可能导致气温持续上升，只是上升速度会减缓。因此，净零温室气体排放不仅包括CO?，还涵盖了CH?和N?O等其他温室气体。然而，由于这些气体的生命周期不同，其对气候的影响也有所不同。例如，甲烷的生命周期约为12年，而氧化亚氮则超过一个世纪。这意味着，使用全球变暖潜能（GWP100）等指标将不同温室气体转换为CO?e进行统一计算时，可能会导致对实际温度影响的误解。在某些情况下，即使实现了净零CO?e排放，由于甲烷和氧化亚氮的快速衰减，其累积效应仍可能对全球变暖产生影响。

因此，要真正实现净零目标，必须对不同生命周期的温室气体进行单独评估。长期的温室气体如CO?需要达到净零排放，而短期的温室气体如CH?和N?O只需减少即可。这一区别对于农业部门尤为重要，因为其主要排放来源是CH?和N?O，而这些气体的减少并不一定需要完全消除。

### 乳制品行业的排放结构

在美国，乳制品生产过程中，农场层面的排放占整个供应链排放的68%-75%。根据生命周期分析，美国的乳制品生产每千克牛奶的温室气体排放强度平均为1.04 kg CO?e，范围从0.69到1.45 kg CO?e。这一差异主要源于每头奶牛的产奶量、饲料组成和粪便处理方式。那些每头奶牛产奶量高、少有长期粪便储存和使用厌氧消化装置的农场，其温室气体排放较低。相比之下，长期液态粪便储存（如大型池塘或保留池）会增加单位牛奶的温室气体排放，尤其是在气候较温暖的地区。

肠道甲烷排放是乳制品生产过程中温室气体的主要来源之一，占总排放的35%-56%。这主要受到农场规模、饲料类型和管理方式的影响。粪便中的甲烷和氧化亚氮排放通常占乳制品温室气体排放的20%-33%，具体取决于饲养环境、粪便储存方式和处理技术。此外，饲料生产过程中的排放也占很大比例，平均占美国乳制品农场温室气体排放的26%，但其范围可能从10%到60%不等。这主要是由于饲料制造过程中的能源消耗和肥料使用带来的排放。而农场内能源使用的排放通常占整个供应链的不足15%。

### 实现净零乳制品生产的策略

为了实现乳制品生产的净零排放，需要采取多种策略，包括提高生产效率、基因选择、饲料管理、瘤胃发酵调控以及碳固存等。提高每头奶牛的产奶量可以显著降低单位牛奶的温室气体排放，因为随着产奶量的增加，饲料效率也随之提高。例如，过去80年中，美国乳制品行业通过提高生产效率，将每千克牛奶的温室气体排放强度降低了超过50%。然而，随着产奶量的进一步增加，这种效应可能会减弱，因为维持身体功能所需的能量也会增加。

基因选择是另一个重要的减排策略。通过选择低甲烷排放的奶牛品种，可以有效减少肠道甲烷排放。研究显示，甲烷排放具有遗传性，且在不同乳化阶段的遗传变异系数在0.1至0.5之间。然而，甲烷的产生与纤维发酵密切相关，因此在选择低甲烷排放的奶牛时，需要考虑其饲料类型和瘤胃微生物群的相互作用。

饲料管理也是减少甲烷排放的关键。研究表明，增加饲料中的脂肪含量可以有效降低甲烷产量，但脂肪的添加量通常被限制在不超过6%的水平，以避免影响奶牛的产奶量和饲料消化率。此外，通过改变饲料的化学组成和可消化性，也可以进一步降低甲烷排放。例如，早期泌乳期的饲料通常含有较高的淀粉和可溶性碳水化合物，从而减少甲烷产量。

瘤胃发酵调控是另一个重要的减排手段。通过使用外源化合物，如3-硝基丙醇（3-NOP）和卤素化合物，可以有效抑制甲烷生成。3-NOP是一种广泛研究的饲料添加剂，其通过抑制甲烷生成菌的关键酶，减少肠道甲烷排放20%-40%。然而，其在奶牛中的应用仍需进一步研究，特别是在长期使用和对奶牛健康影响方面。

### 面临的挑战与未来方向

尽管上述策略在实验室和小规模研究中显示出一定的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，许多减排技术尚未经过长期验证，其对奶牛健康、繁殖和生产性能的影响尚不清楚。其次，这些技术的实施成本较高，且可能影响奶牛的产奶量和饲料消化率，从而影响农场的经济收益。此外，消费者对合成饲料添加剂的接受度也是一个重要考量因素。

为了推动这些技术的广泛应用，政府和企业需要提供相应的经济激励。例如，碳定价机制可以显著提高减排技术的采用率。研究显示，当碳价格达到或超过100美元/吨CO?e时，与畜牧业相关的减排技术的采用率和减排潜力将大幅增加。因此，制定明确的温室气体减排目标，并将不同气体的减排目标分开，有助于更准确地评估其对全球变暖的影响。

此外，还需要进一步研究和开发新的减排技术，特别是在有机和放牧型乳制品生产系统中。这些系统目前缺乏有效的减排方案，但未来可能通过基因选择、疫苗开发和早期干预措施来改变瘤胃微生物群，从而降低甲烷排放。因此，乳制品行业需要在技术创新和政策支持方面进行更多投资，以实现其2050年的净零目标。

总之，实现乳制品生产的净零温室气体排放是一个复杂而长期的任务，需要综合考虑生产效率、基因选择、饲料管理、瘤胃发酵调控以及碳固存等多种策略。尽管存在挑战，但通过持续的研究和创新，以及政策和经济激励的推动，乳制品行业有望在未来实现这一目标。