饲喂葡萄渣对加利福尼亚州奶牛碳足迹和环境影响的评估

《Journal of Dairy Science》：Carbon footprint and environmental impacts of feeding grape pomace to dairy cows in California

　　

用农业工业副产品替代传统饲料成分可能减少奶牛生产系统的环境影响。因此，本研究评估了与饲喂葡萄渣给奶牛相关的碳足迹以及选定与水和土壤使用及污染相关的环境影响。饲料成分生产的碳足迹和环境影响的估算采用生命周期评估（LCA），而肠道甲烷（CH₄）和粪便相关排放则遵循政府间气候变化专门委员会指南进行建模。评估的影响类别包括全球变暖潜势、水消耗、淡水生态毒性、淡水富营养化、土地利用、陆地生态毒性和陆地酸化。系统边界为从摇篮到农场大门，功能单位为1千克能量和蛋白质校正乳（ECM）。清单和生产数据来自文献，代表加利福尼亚州的奶牛生产系统，泌乳期日粮组成、采食量和产奶量主要基于Akter et al.（2025）最近的一次饲喂试验。评估了三种日粮情景：对照日粮、含10%葡萄渣（gp10%）的日粮和含15%葡萄渣（gp15%）的日粮（以干物质计）。进行了不确定性分析以评估清单数据的质量和稳健性。在所有日粮中，肠道CH₄排放是温室气体总排放的最大贡献者，其次是粪便管理产生的排放。然而，随着日粮中葡萄渣添加量的增加，总排放量下降。在饲料成分中，玉米、干草、杏仁壳、油菜籽和小麦对碳足迹贡献最大，部分用葡萄渣替代这些成分降低了排放。对照日粮、gp10%和gp15%日粮的碳足迹分别为1.297、1.092和1.047 kg CO₂e/kg ECM，相应减少15.8%和19.3%。与水相关的影响类别也观察到类似减少，gp10%日粮降低17.6%至23.2%，gp15%日粮降低23.8%至32.6%。与土壤相关的影响类别减少范围分别为：gp10%日粮17.3%至23.8%，gp15%日粮22.9%至34.6%。不确定性分析表明所选数据源内的变异性相对较低。然而，时间不确定性、地理外推和模型结构差异可能被谱系方法低估，在解释绝对值时应予以考虑。总体而言，在奶牛日粮中加入葡萄渣减少了碳足迹以及与水和土壤相关的环境影响，且未对产奶量产生不利影响。

**论文解读文章**

**研究背景**
全球乳制品生产中，美国贡献约11%的产量，而加利福尼亚州占美国牛奶产量的18%和奶牛存栏量的19%。奶牛生产系统在温室气体（GHG）排放方面贡献显著，同时也在水和土壤使用及污染方面产生环境影响，这些影响与日粮中饲料成分的种类和数量密切相关。传统的饲料作物（如玉米、小麦）种植依赖氮肥，导致氧化亚氮（N₂O）排放以及养分和重金属损失，且占用大量土地和水资源。利用农业工业副产品（如葡萄渣）作为替代饲料，可减少对传统作物的依赖并实现有机残留物的增值。加利福尼亚州生产美国约90%的酿酒葡萄，产生大量葡萄渣。已有研究表明，葡萄渣可降低肠道CH₄排放，但部分研究报道了产奶量下降。Akter et al.（2025）在10%添加水平下观察到肠道CH₄排放减少且产奶量增加，但关于葡萄渣对饲料上游排放及水/土壤资源影响的信息仍有限。因此，本研究旨在基于实测生产性能，量化10%和15%葡萄渣添加日粮对加州奶牛生产系统全生命周期环境的影响。论文发表在《Journal of Dairy Science》。

**主要技术方法**
研究人员采用生命周期评估（LCA）方法，依据ISO 14044标准，系统边界为从摇篮到农场大门，功能单位为1千克能量和蛋白质校正乳（ECM）。饲料生产阶段排放通过LCA估算，肠道CH₄和粪便排放依据政府间气候变化专门委员会（IPCC）2019年指南建模。清单数据来自文献，泌乳期数据主要基于Akter et al.（2025）在加州进行的对照饲喂试验（n=8头/处理），非泌乳期数据来自Naranjo et al.（2020）的加州代表性系统。评估三种日粮（对照、10%葡萄渣gp10%、15%葡萄渣gp15%），并采用蒙特卡洛模拟（1,000次迭代）进行不确定性分析。

**研究结果**

**饲料投入**
基于Akter et al.（2025）的采食量和生产数据，含葡萄渣日粮降低了每千克ECM的干物质采食量（DMI）：对照日粮需1.03 kg DMI/kg ECM，gp10%和gp15%分别减少15.0%和14.3%。玉米和苜蓿干草是主要成分，葡萄渣添加显著减少了小麦干草（86%）、苜蓿干草（28%-35%）和杏仁壳（24%-34%）的用量。

**温室气体排放**
在所有日粮中，肠道CH₄是总排放的最大贡献者。葡萄渣添加使总排放减少：gp10%降低0.0875 kg CO₂e/kg ECM，gp15%降低0.108 kg CO₂e/kg ECM，肠道CH₄相应降低约15%-18%。氮挥发损失占粪便相关排放的96%，间接N₂O排放约2%，这些排放分别降低16.8%和18.1%。粪便CH₄排放降幅最大（gp10%降低26.8%，gp15%降低35.1%）。

**系统碳足迹**
系统碳足迹为：对照1.297、gp10% 1.092、gp15% 1.047 kg CO₂e/kg ECM，分别降低15.84%和19.26%。肠道CH₄占总排放约45%，粪便相关排放占24%，饲料生产占21%-23%，电力占8%-9%。泌乳期贡献了系统总排放的83%-85%。在泌乳期，肠道CH₄占43%-44%，粪便排放占28%-29%，饲料生产占21%-23%，电力占5%-6%。葡萄渣添加使泌乳期肠道CH₄减少17.0%-21.5%，粪便相关排放减少16.9%-18.1%，饲料相关排放减少22%-30%。对各生产阶段的分析表明，肠道CH₄是犊牛、青年牛和干奶期的主要排放源，葡萄渣添加使这些阶段的排放减少5%-7.7%。

**水和土壤影响类别**
用葡萄渣替代传统饲料降低了与水和土壤相关的影响。水消耗：gp10%降低20.9%，gp15%降低32.3%；淡水生态毒性：gp10%降低23.2%，gp15%降低32.6%；淡水富营养化：gp10%降低17.6%，gp15%降低23.8%。土壤相关类别：土地利用：gp10%降低18.1%，gp15%降低23.6%；陆地生态毒性：gp10%降低23.8%，gp15%降低34.6%；陆地酸化：gp10%降低17.3%，gp15%降低22.9%。泌乳期贡献了系统水平影响的83%-92%，且系统总减少量的96%-98%归因于泌乳期的日粮变化。饲料成分中，玉米、杏仁壳和棉籽是剩余影响的主要贡献者。

**不确定性分析**
蒙特卡洛模拟（10,000次迭代）得出的变异系数范围为8.2%（碳足迹）至12.0%（土地利用），表明所选数据源内变异性较低。日粮间的比较排名在所有迭代中保持一致，但模型结构、2014年清单数据的时间代表性和地理外推（法国葡萄渣数据用于加州）等结构不确定性可能未被谱系方法完全捕捉。

**总结与结论**
研究讨论指出，葡萄渣添加通过降低DMI和替代碳足迹较高的饲料成分（如玉米、干草）来减少肠道CH₄和粪便相关排放，这与Akter et al.（2025）的试验结果一致。氮相关排放的减少归因于葡萄渣日粮中氮摄入量降低11.8%-13.8%。水和土壤影响的减少主要反映在饲料生产阶段，杏仁壳和棉籽成为剩余影响的主要贡献者，表明进一步减少这些成分可带来额外环境效益。研究结论翻译如下：基于与Akter et al.（2025）相似的加州奶牛系统实测性能，在泌乳牛日粮中加入葡萄渣降低了与牛奶生产相关的碳足迹以及水和土地利用的环境影响。相对于代表性加州日粮，含10%和15%葡萄渣的日粮碳足迹分别减少15.84%（0.205 kg CO₂e/kg ECM）和19.26%（0.25 kg CO₂e/kg ECM），这主要归因于肠道CH₄排放降低以及部分替代了碳足迹较高的饲料成分。同样，葡萄渣添加减少了水和土壤使用及污染的影响，系统水平减少量的96%-98%来自泌乳期的日粮变化。玉米和干草用量的减少是主要贡献因素。在含葡萄渣日粮中，杏仁壳和棉籽成为剩余影响的最大来源，提示进一步减少这些成分可带来额外环境效益。环境影响的减少是在不损害产奶量的前提下实现的，含葡萄渣日粮的产奶量仍较高。这些结果表明，葡萄渣可按照商业相关添加量纳入奶牛日粮以改善环境表现。总体而言，温室气体排放以及水和土壤使用及影响受日粮组成强烈影响，日粮配方策略不仅应考虑经济因素，还应考虑环境表现和饲料成分的区域可用性。在加州这样葡萄生产加工集中的地区，使用葡萄渣是一种在不需长途运输条件下减少环境影响的可行策略。在葡萄生产有限的地区，评估其环境效益时应明确考虑葡萄渣的运输。