中国畜牧业氮收支与非二氧化碳温室气体排放的协同管理：基于情景的评估

《Environmental Impact Assessment Review》：Synergistic management of nitrogen budgets and non-CO 2 greenhouse gas emissions in China's livestock sector: A scenario-based assessment

　　

摘要
畜牧业生产提供膳食蛋白质并支持农业发展，但同时也对氮污染和非二氧化碳温室气体（GHG）排放做出了显著贡献。在气候变化、资源稀缺和环境保护压力日益增大的背景下，提高氮利用效率和控制污染已成为畜牧业绿色转型的重要目标。本研究结合了以畜牧业为中心的耦合的人与自然系统（CHANS）核算框架、政府间气候变化专门委员会（IPCC）排放因子法和空间均衡贸易模型，量化了中国畜牧业在 2000 年至 2024 年间的省级氮预算、非二氧化碳温室气体排放以及贸易引起的环境压力虚拟转移。研究制定了常规路径（BAU）基准情景和四个减排情景，以评估到 2050 年膳食调整、提高饲料转化率、强化粪污回收及其综合实施的潜力。结果表明，畜牧业非二氧化碳温室气体排放总量在 2005 年达到峰值 546.98 兆吨二氧化碳当量，随后波动下降至 2024 年的 415.59 兆吨二氧化碳当量。肠道发酵产生的甲烷（CH4）是主要的非二氧化碳温室气体来源。畜牧业维持着持续的氮盈余，氨挥发仍然是主要的氮流失途径。相对于 2050 年的常规路径，膳食调整预计将使非二氧化碳温室气体排放减少约 42%，而提高饲料转化率和强化粪污回收预计将分别使氮流失减少约 28% 和 31%。综合减排情景预计将实现最强的协同减排效应，分别使非二氧化碳温室气体排放和氮流失减少约 45% 和 50%。这些发现表明，协调膳食调整、饲料效率提高和粪污管理优化可能在协同减少氮流失和非二氧化碳温室气体排放方面具有巨大潜力，为制定区域差异化、全产业链减排战略和中国畜牧业绿色转型提供了科学依据。

引言
畜牧业生产通过提供动物源食品和支持农村收入，对粮食和营养安全做出了贡献。这种持续增长也改变了众多发展中国家普遍存在的农业实践和食物消费习惯（Adesogan 等，2025）。这种扩张增加了氮通量和非二氧化碳温室气体排放，将畜牧业生产与农业集约化、养分循环和气候强迫联系起来（Bouwman 等，2013）。畜牧系统是人造活性氮释放和农业非二氧化碳温室气体排放的重要来源。这些压力通过多种途径发生，包括氨挥发、硝酸盐流失、氧化亚氮（N2O）形成和甲烷（CH4）排放（Frank 等，2019）。根据联合国粮农组织（FAO）的预测，全球牲畜数量到 2030 年预计比 2000 年增加 40%（Oenema 等，2005）。牲畜数量的持续增长可能会进一步加剧动物产品供应与污染控制之间的紧张关系。如果没有针对性的减排措施，这些压力可能会破坏与气候、水质和健康相关的可持续发展目标（Bonilla-Cedrez 等，2023）。一个核心挑战是在保持充足动物产品供应的同时，减少畜牧业产生的氮流失和非二氧化碳温室气体排放（Chen 等，2024）。

在动物生产中，氮既作为生产投入，也作为潜在的环境负担，因为只有一部分饲料氮被保留在动物产品中（Zhang 等，2021）。集约化畜牧系统通过饲料和牧草引入大量氮（Cheng 等，2026）。动物吸收后，氮被分配到产品、粪便以及随后的储存、处理和土地施用过程中的流失（Zhu 等，2022）。未被保留在畜产品中的氮会导致资源利用效率低下和区域环境压力（Cheng 等，2026）。大部分饲料氮仍被排泄而不是转化为可食用产品。饲料氮转化为畜产品的转化率远低于发达国家，大部分未利用的氮以粪便和尿液的形式排出。此外，中国牲畜粪便的养分回归率仅为 30-50%，剩余的大量氮通过氨挥发、N2O 排放、径流和淋溶流失。这些途径是相互耦合的，因为粪便氮可以通过挥发、硝化和反硝化转化为氨（NH3）、硝酸根（NO3?）和 N2O（Al Zahra 等，2024）。畜牧业贡献了中国农业超过一半的氨排放，是大气氨的主要来源（Chen 等，2025）。在大气中，氨与硫酸盐和硝酸盐反应形成二次无机气溶胶，这是细颗粒物（PM2.5）形成的重要前体物。其沉降还可以通过氮积累引起土壤酸化和水体富营养化，对人类健康、区域空气质量和生态系统稳定性造成许多不利影响（Han 等，2025）。畜牧业也显著贡献于全球温室气体排放，包括约 37% 的甲烷和 65% 的氧化亚氮排放（Herrero 等，2016）。氮以多种形式通过畜牧业生产流动，在氨和氧化亚氮排放之间建立了源级联系（Fu 等，2025；Weber 等，2024）。牲畜氮预算显示了氮如何进入系统、在产品中保留、通过粪便回收或释放到环境中；它还可以指示氮污染压力和相关非二氧化碳温室气体风险（Gu 等，2015）。

国际研究采用了互补的方法来评估农场、区域、国家和全球范围内与牲畜相关的氮和温室气体压力（Uwizeye 等，2020；Vingerhoets 等，2023；Ouatahar 等，2024）。农场规模的实验和基于过程的全农场模型可以表征饲料成分、动物生产力、粪便管理、土壤过程以及氨、甲烷和氧化亚氮排放之间的详细相互作用，但将其应用于有限的农场或生产系统限制了长期和大范围的比较（Ouatahar 等，2024, Ouatahar 等，2025）。区域氮预算和物质流分析可以量化氮输入、产品保留、粪便回收、环境流失和养分利用效率，但它们很少纳入贸易中介的再分配或前瞻性减排途径（Vingerhoets 等，2023）。跨国排放清单已经确定了生产结构和粪便管理实践对牲畜氮流失和排放强度的影响，而生命周期评估、空间明确的供应链模型和多区域投入产出模型则追溯了从生产地区到消费者的隐含氮和温室气体压力（Groenestein 等，2019；Oita 等，2016；Uwizeye 等，2020）。然而，这些更大规模的模型通常依赖于基准年数据或聚合的经济部门，限制了它们代表次国家级长期、牲畜特异性异质性的能力。荟萃分析和综合情景模型进一步评估了喂养策略、粪便管理技术和膳食变化的减排潜力，但它们很少与长期氮预算、温室气体清单和物理畜产品贸易流在一个统一的框架内联系起来（Hou 等，2015；Cao 等，2026）。

中国生产的畜产品多于任何其他国家，其肉类产量约占全球总量的 22%（Cheng 等，2026）。这在牲畜供应、粪便氮管理和减排之间造成了直接的紧张关系（He 等，2023b）。收入增长和膳食变化持续维持着对畜牧业生产的终端需求压力。同时，畜牧业生产空间集中，产生了局部的粪便过载和氮盈余。在牲畜集中地区，粪便产生量可能超过农田的吸收能力（Bai 等，2022；Jin 等，2020；Li 等，2025；Meng 等，2022）。省际肉类贸易进一步重新分配了隐含氮和非二氧化碳温室气体排放，将生产端的环境压力与消费端的需求分离开来（Chen 等，2023；Wang 等，2022）。这种分离要求进行评估，将基于生产的清单与贸易相关的环境流量核算联系起来（Zhou 等，2024）。

中国提出了 2030 年碳达峰和 2060 年碳中和的目标，并将这些目标纳入国家发展战略。当前的农业政策越来越强调资源效率、粪污回收和氮流失控制（Duan 等，2024）。它们还明确要求在维持畜牧业生产的同时，通过提高氮利用效率（NUE）来减少对环境中的氮流失。在此背景下，侧重于单一污染物或单一技术途径的管理方法已不再足以满足系统性减排需求（Ou 等，2021）。现有研究评估了各种措施的减排潜力，包括饲料成分调整、饲料转化率提高、粪便储存和土地施用方法改进以及膳食调整（Fu 等，2025）。大多数当前研究集中在单个阶段或单一减排措施。仍然缺乏对牲畜生产系统完整氮预算的整体理解。将氮污染控制与非二氧化碳温室气体排放协同减排相结合的系统性研究也仍然有限（Cheng 等，2023）。排放因子清单为估算甲烷和氧化亚氮排放提供了一致的依据，但并未独立重建完整的氮预算，也未识别减排措施是否在氨、甲烷、径流和淋溶之间转移了环境压力。为了更有效地控制氮流失和缓解非二氧化碳温室气体排放，应为不同地区设计管理策略。这些策略需要考虑环境条件、生产系统和资源禀赋的区域异质性（de Vries 等，2021；Luo 等，2021；He 等，2023a）。农业和食物系统内的温室气体减排研究探讨了消费足迹、膳食变化和作物 - 牲畜整合。 separate 研究还调查了与牲畜相关的温室气体排放、氮污染控制和贸易相关的环境转移（Li 等，2024a；Cai 等，2025；Zhang 等，2025；He 等，2023a；Wang 等，2022）。然而，这些调查中的大多数集中在农业整体、耦合的作物 - 牲畜系统或需求端食物系统。很少有研究在一致的次国家级框架内整合长期牲畜氮预算、非二氧化碳温室气体清单、物理肉类贸易流和未来减排情景。牲畜氮预算、非二氧化碳温室气体排放、贸易相关隐含流和未来减排途径之间的长期联系仍未得到充分探索。填补这一空白有助于设计区域定制的策略，以协同减少氮污染和与牲畜相关的温室气体排放。

在此背景下，本研究开发了一个涵盖 2000 年至 2024 年中国畜牧业的省级综合评估（见图 1）。使用以畜牧业为中心的耦合的人与自然系统（CHANS）模型重建氮预算，使用排放因子法估算非二氧化碳温室气体排放，并使用空间均衡模型模拟省际肉类流动，以量化贸易引起的氮和非二氧化碳温室气体排放的虚拟转移。该分析进一步考察了这些环境压力的时空演变，并评估了它们在常规路径基准和四个涵盖膳食调整、提高饲料转化率、强化粪污回收及其综合实施的减排途径下到 2050 年的减排潜力。通过连接基于生产的核算、贸易中介的再分配和前瞻性减排，所得框架为制定区域差异化的协调氮和气候管理策略提供了一致的基础。

章节片段
氮预算计算
牲畜氮流使用 CHANS 核算模型进行量化（Gu 等，2015；Chen 等，2026）。系统边界涵盖了畜牧业生产内的主要氮途径。它覆盖了饲料和牧草氮输入、保留在畜产品中的氮、归还到农田和草地的粪便氮，以及在粪便管理和土地施用期间释放到大气和水圈的氮。这种结构能够年度追踪牲畜

畜牧业非二氧化碳温室气体排放格局
明显的时序转变特征是牲畜非二氧化碳温室气体排放，在研究初期增加，2005 年达到峰值，随后波动下降至 2024 年的 415.59 兆吨二氧化碳当量（图 2）。
主要排放源的相对贡献在研究期间保持大致稳定。肠道甲烷在清单中占主导地位，贡献了总非二氧化碳温室气体排放的 68.94%。2018-2020 年的下降主要与生猪生产收缩后

结论与讨论
本研究将牲畜氮预算核算、非二氧化碳温室气体排放估算、省际肉类贸易模拟和情景分析整合到一个统一的评估框架中。它表征了中国畜牧业在 2000 年至 2024 年间的牲畜氮预算和非二氧化碳温室气体排放模式，并评估了非二氧化碳温室气体排放和氮流失协同减排的潜力。
中国畜牧业非二氧化碳温室气体排放的分布

利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本论文报道工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢
本研究由国家自然科学基金资助（批准号 72373139 和 72221002）。

徐怡 | 张凡 | 蔡英
中国科学院地理科学与资源研究所陆地表面格局与模拟重点实验室，北京 100101，中国