用非传统饲料原料替代玉米和豆粕：中国生猪生产中的环境权衡与资源节约潜力

《Journal of Animal Science and Biotechnology》：Substituting maize and soybean meal with non-conventional feed ingredients: environmental trade-offs and resource-saving potential in China’s pig production

　　

背景：中国以不到全球9%的耕地生产了世界约四分之一的粮食，但其中超过一半用于动物饲料。同时，中国的饲料系统长期高度依赖玉米和豆粕等传统原料，导致饲料结构相对单一。在构建多元化饲料供应体系和促进可持续畜牧生产的双重目标下，扩大非传统饲料原料（NCFIs）的利用已成为一条重要途径。在此背景下，系统量化其温室气体减排潜力对于推进农业绿色低碳转型至关重要。研究人员以生长育肥猪增重1 kg活重为功能单位（FU），设计了三种情景，评估在25–120 kg猪的日粮中使用十种NCFIs替代玉米和豆粕在完整的“作物-猪-粪便”链中的生命周期碳足迹、氮足迹、土地利用和节粮效果。结果：在十种NCFIs中观察到环境特征存在显著的间型变异：碳足迹范围为2.46–2.84 kg CO₂-eq/FU，氮足迹范围为60.49–82.02 g N_r/FU，土地利用范围为5.43–8.42 m²/FU。用米糠和木薯替代玉米降低了碳足迹，而木薯替代还同时减少了氮排放和土地利用。所有六种NCFIs都在不同程度上降低了碳足迹，其中花生粕和棕榈仁粕还同时降低了氮足迹。同时，基于情景的模拟表明，大规模采用NCFIs替代每年可节省2700–9000万吨玉米或1584–3098万吨豆粕。结论：总体而言，NCFI策略表现出环境权衡：虽然总体上有利于碳减排，但缓解效果取决于饲料原料，并且必须管理氮排放和土地利用的不利影响。木薯表现出最大的减排潜力，而高粱则需要更谨慎的配方和供应链管理。这些发现证实了NCFIs具有显著的资源替代能力，并为开发低碳、资源节约型畜牧系统提供了定量基础。

论文解读文章

中国作为全球最大的猪肉生产国，其饲料体系长期高度依赖玉米和豆粕等传统原料，导致结构单一且对外部资源依赖严重。大豆进口量持续超过9000万吨，玉米进口也在2020年后显著增加，这给供应链和环境带来了双重压力。在推进多元化饲料供应和可持续畜牧生产的背景下，扩大非传统饲料原料（NCFIs）的利用成为重要路径。然而，不同NCFIs在产量、加工和运输过程中的环境排放差异显著，若仅关注替代率和营养等价而忽视全生命周期影响，可能会转移而非减轻环境负担。因此，系统量化NCFIs的温室气体减排潜力和资源节约效应，对于实现农业绿色低碳转型至关重要。

研究人员在《Journal of Animal Science and Biotechnology》上发表的研究中，以生长育肥猪增重1 kg活重为功能单位（FU），设计了三种情景（基准情景BAU、替代能量原料情景S1、替代蛋白质原料情景S2），采用“从摇篮到农场大门”的生命周期评估（LCA）方法，系统评估了十种NCFIs替代玉米和豆粕在25–120 kg猪日粮中对碳足迹、氮足迹、土地利用和节粮效果的影响。研究基于中国国家技术方案（MOA, 2023）规定的替代比例，利用Ecoinvent v3数据库、官方统计、文献数据及NUFER模型（NUtrient flows in Food chains, Environment and Resources use）构建排放因子，并考虑了三种粪便管理情景（T1: 原浆储存后还田；T2: 厌氧发酵后还田；T3: 固液分离后堆肥与厌氧发酵结合）。关键方法包括：采用经济分配法处理副产品环境负荷，以代谢能（ME）系统为基础进行日粮配方，并运用归一化敏感性系数检验关键参数（如饲料转化率FCR、作物产量、施肥量、运输距离等）的稳健性。样本数据涵盖国内主要作物种植结构（2021年）及全球蛋白饲料贸易流向，进口大豆来自巴西、美国、阿根廷，运输距离9,795–21,285 km，棕榈仁粕来自马来西亚和印度尼西亚。

研究结果如下：

**Basic data used for LCA analysis**（LCA分析基础数据）：通过分析2021年中国主要作物种植结构及近期全球蛋白饲料产量与消费数据，发现豆粕占中国蛋白饲料消费的58.3%，且超过90%依赖进口。天津港为大豆和棕榈仁原料主要进口枢纽，远洋运输距离差异显著，体现了饲料供应链的高度空间异质性。

**The carbon footprint of NCFIs**（NCFIs的碳足迹）：十种NCFIs的碳足迹范围为2.46–2.84 kg CO₂-eq/FU，其中S2（替代蛋白质原料）的平均值（2.54 kg CO₂-eq/FU）低于S1（替代能量原料，均值2.61 kg CO₂-eq/FU）。木薯添加（S1-4）和花生粕添加（S2-3）分别产生最低碳足迹（2.46和2.48 kg CO₂-eq/FU），而大麦添加（S1-2）和菜籽粕添加（S2-1）最高（2.84和2.57 kg CO₂-eq/FU）。与BAU相比，米糠和木薯添加使系统碳足迹降低4%，而高粱和大麦添加则增加碳足迹。

**The nitrogen footprint of NCFIs**（NCFIs的氮足迹）：氮足迹范围为60.49–82.02 g N_r/FU，S2平均值（66.07 g N_r/FU）低于S1（71.32 g N_r/FU）。木薯添加（S1-4）和棕榈仁粕添加（S2-6）氮足迹最低（60.96和60.49 g N_r/FU），大麦添加（S1-2）和葵花粕添加（S2-4）最高（82.02和75.81 g N_r/FU）。与BAU相比，木薯、花生粕和棕榈仁粕添加使氮足迹降低2%，其他方案则不同程度增加氮损失。

**The land use of NCFIs**（NCFIs的土地利用）：土地利用范围为5.43–8.42 m²/FU，S2平均值（6.51 m²/FU）低于S1（6.81 m²/FU）。木薯添加（S1-4）和花生粕添加（S2-3）土地利用最低（5.47和5.43 m²/FU），米糠添加（S1-3）和芝麻粕添加（S2-5）最高（8.42和7.16 m²/FU）。与BAU相比，木薯和花生粕添加使土地利用降低3%，其他方案则增加。

**The potential of NCFIs to substitute maize and soybean meal**（NCFIs替代玉米和豆粕的潜力）：基于全国饲料消费数据（2021年玉米约1.8×10⁸ t，豆粕约6.9×10⁷ t），S1中非传统能量原料添加11.06%–36.87%对应玉米替代率15%–50%，年可节约玉米2700–9000万吨；S2中非传统蛋白质原料添加5%–10%对应豆粕替代率23%–45%，年可节约豆粕1584–3098万吨。

**Sensitivity analysis**（敏感性分析）：饲料转化率（FCR）是最敏感参数，其±15%变化导致碳足迹和氮足迹波动?21%至15%，其他因素（作物产量、氮肥用量、运输距离、NH₃、N₂O、CH₄排放）的影响均在?5%至5%范围内。

讨论部分总结指出：NCFI策略存在环境权衡，碳减排效果因原料而异，木薯、花生粕和棕榈仁粕表现出较大减排潜力，但高粱和大麦等原料可能增加环境足迹。研究建议采用多目标优化技术整合环境、营养和经济维度，并推广精准饲喂系统（如净能NE系统）和循环农业模式（如覆膜堆肥、粪肥还田），以释放NCFIs的完全价值。研究结论翻译如下：当使用NCFIs替代玉米或豆粕时，猪肉生产全生命周期的环境排放特征存在显著差异。在满足猪营养需求的前提下，四种代表性非传统能量饲料原料的平均碳足迹为2.61 kg CO₂-eq/FU，氮足迹为71.32 g N_r/FU，土地利用为6.81 m²/FU；六种代表性非传统蛋白质饲料原料的对应平均值分别为2.54 kg CO₂-eq/FU、66.07 g N_r/FU和6.51 m²/FU。木薯、花生粕和棕榈仁粕展现出显著的减排潜力。基于本研究的场景分析和理想化模拟计算，推广NCFI替代措施每年可节约玉米2700–9000万吨或豆粕1584–3098万吨。用单一类型的非传统能量饲料原料替代玉米很可能会导致负面环境影响；而用单一类型NCFI替代豆粕可有效降低碳足迹，但氮足迹和土地利用的同步减缓不能保证，凸显了内在的环境权衡。未来研究应采用多目标优化技术进行NCFI配方，整合环境、营养和经济维度。通过扩大经实证验证的NCFI组合的应用，该方法有望进一步增强猪肉供应链的可持续性，在实现中国“双碳”目标（碳达峰和碳中和）和多元化饲料资源供应结构方面发挥关键作用。