加拿大肉牛养殖场温室气体排放与经济效益的关联性研究：基于基准农场模型的量化分析

本综述系统评估了加拿大肉牛养殖场（n=62）的财务绩效与温室气体（GHG）排放关系，通过Holos模型和TIPI-CAL经济模型量化排放强度（EI）与盈利能力的相关性。研究发现低排放强度（LEI）农场通过提高活重输出和淘汰率显著降低EI（23.1 kg CO2e/kg LW），同时实现更高收益（P<0.01）。研究强调提升生产力和降低折旧成本可同步改善环境与经济效率，为可持续畜牧业提供实证依据。

　　

摘要

本研究旨在量化加拿大肉牛养殖场的财务绩效、温室气体（GHG）排放及其相互关系。通过从225个养殖场中筛选出62个基准农场（按管理方式分组），使用Holos全农场排放模型估算排放量，并以每公斤售出活重（LW）的二氧化碳当量（kg CO₂e/kg LW）表示排放强度（EI）。经济分析采用TIPI-CAL模型评估财务指标。结果显示，低排放强度（LEI）农场（EI均值23.1 kg CO₂e/kg LW）比高排放强度（HEI）农场（EI均值38.4 kg CO₂e/kg LW）具有更高收益（P<0.01）和生产力指标。聚类分析表明LEI农场与中期利润、淘汰率、断奶体重和日均增重正相关，而HEI农场主要与直接/间接N₂O排放或肠道及粪便CH₄排放相关。研究结论指出，同步提升生产力和降低折旧成本可改善农场环境与经济效率。

引言

加拿大拥有约340万头肉牛，牛肉产业在2021–2023年间年均贡献290亿加元GDP，是全球第八大牛肉出口国。肉牛产业分为犊牛生产、背景化和育肥三个阶段，其中犊牛生产阶段以低投入、粗饲料为主的饲养模式为特征，但其贡献了全产业链80%的GHG排放。过去几十年中，通过提升牲畜和作物生产力、遗传选育及疾病管理，加拿大牛肉生产的EI已降低15%（1981–2011年），近期研究（2021年数据）显示EI进一步降至9.8 kg CO₂e/kg LW。然而，环境与经济绩效的协同评估研究仍较少。本研究填补了这一空白，旨在量化财务绩效与GHG排放的关系。

材料与方法

2.1 犊牛生产运营、基准农场与数据收集

研究基于2020–2022年加拿大犊牛生产成本网络的225个农场数据，通过管理方式（如犊牛出生日期、断奶日期、畜群规模、冬季饲料类型和饲喂天数）分组建立62个基准农场。数据通过生产者焦点小组讨论收集，涵盖农场人口统计、财务性能、牛只日粮、粪便处理和土地管理等信息。变量经标准化处理（如每头牛基准调整），并使用前向指数法将数据统一基准至2022年。

2.2 系统边界

系统边界涵盖从摇篮到农场门的排放，包括牲畜生产（肠道CH₄和粪便CH₄）、粪便处理（N₂O）和作物生产（直接/间接N₂O及能源CO₂）。外购饲料的生产排放也被纳入，但土壤碳变化因数据缺失未被包含。

2.3 模型描述与排放估算

使用Holos 4全农场排放模型（基于IPCC因子和加拿大生产系统适配）估算排放。排放源包括肠道发酵CH₄、粪便CH₄、肥料和粪便施用导致的N₂O、间接N₂O（淋溶和挥发）以及能源相关CO₂。外购饲料排放通过假设邻近农场生产估算，豆粕和酒精糟（DDG）采用经济分配法分配排放。全球变暖潜势值按CH₄（28倍）和N₂O（265倍）计算。

2.4 牛只类别饲料需求

基于干物质采食量（DMI）、饲喂期和牛只数量计算总饲料需求，并考虑田间和饲喂损失（谷物3%、粗饲料12%）。日粮使用CowBytes软件平衡以确保营养需求，饲料营养成分参考NASEM和发布数据。

2.5 TIPI-CAL模型经济分析

TIPI-CAL为基于Excel的动态生产与核算模型，提供10年现金流、生产力和盈利预测。经济指标关注犊牛企业的短期和中期利润，折旧按建筑物5%和机械设备10%年率计算，并按收入比例分配至犊牛企业。

2.6 统计分析

使用R软件进行描述性统计和Wilcoxon检验比较组间差异，通过Pearson相关和主成分分析（PCA）评估变量与EI的关系。按EI四分位定义高（HEI）和低（LEI）排放组（各16个农场）。

结果

3.1 基准农场属性

畜群规模中位数151头（范围35–950头），较大规模农场集中于西部省份。排放主要来自肠道CH₄（68%），其次为粪便CH₄（11%）、直接N₂O（9%）、间接N₂O（7%）和能源CO₂（4%）。牧场生产力均值160 kg LW/公顷，利润波动大（中期利润均值0.7加元/kg LW）。

3.2 LEI与HEI农场的GHG排放和经济性能

LEI农场EI显著低于HEI农场（23.1 vs. 38.4 kg CO₂e/kg LW, P<0.01）。LEI农场排放源中肠道CH₄占比更高（72% vs. 60%），而HEI农场在粪便CH₄、N₂O和能源CO₂占比更高。LEI农场生产力指标（断奶体重、牧场载畜量）和收益显著更优（P<0.01），中期利润更高（P<0.05），折旧成本是影响盈利的关键。

3.3 动物性能、经济指标与EI的关系

淘汰率、断奶体重、牧场生产力和收益均与EI负相关（r=-0.36至-0.45, P<0.05），中期利润与EI强负相关（r=-0.37, P<0.05）。日粮营养参数（TDN、CP）与EI无显著关联。

3.4 农场聚类

PCA显示LEI农场（Group 2）聚类于利润、收益、淘汰率和生长性能相关变量；HEI农场分两组：Group 1与直接/间接N₂O排放及折旧相关，Group 3与肠道/粪便CH₄及能源CO₂相关。

讨论

加拿大犊牛生产系统存在显著区域异质性，基准农场模型有效捕获了管理实践差异。本研究EI均值（30 kg CO₂e/kg LW）高于既往研究，源于系统边界和方法学差异。粪便管理系统（如深垫料vs.堆放）显著影响CH₄排放比例。LEI农场的更高收益主要源于活重输出而非成本差异，折旧成本是盈利分化的核心因素。提升淘汰率和断奶体重通过扩大输出降低EI，与Alemu等（2017）研究一致。PCA亚组分析表明HEI农场需针对排放源定制策略：Group 1需优化氮管理（如提高养分利用率、使用硝化抑制剂），Group 3需改善日粮消化率（如添加浓缩料、改良牧草）并调整粪便管理方式。技术采纳（如精准饲喂、数字记录）和经济激励可推动实践应用。研究局限性包括模型不确定性、SOC排除和单年经济数据，但整体为环境经济协同优化提供了实证基础。

结论

基准农场EI变异显著，粪便管理是主导CH₄排放和分组的关键因素。LEI农场通过更高活重输出实现低EI和高收益，折旧成本是盈利主要驱动力。提升生产力和降低机械成本可同步改善环境与经济效率。减排策略需针对特定排放源定制，避免“一刀切”政策。未来需优化粪便排放因子以反映实际冬季饲养实践。

致谢

感谢2021–2023年参与加拿大犊牛生产成本网络的生产者。