《Journal of Dairy Science》：Mitigating greenhouse gas emissions in Australian dairy farming: A modeling approach to evaluating stacking of current and emerging strategies
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摘要
奶业面临着日益增长的环境和监管压力，亟需减少温室气体（GHG）排放。本研究通过3个案例研究，评估了当前和新兴策略在澳大利亚牧场型奶牛场中的温室气体减排潜力。研究人员收集数据并使用奶牛场温室气体核算框架（Dairy Greenhouse Gas Acco
摘要
奶业面临着日益增长的环境和监管压力，亟需减少温室气体（GHG）排放。本研究通过3个案例研究，评估了当前和新兴策略在澳大利亚牧场型奶牛场中的温室气体减排潜力。研究人员收集数据并使用奶牛场温室气体核算框架（Dairy Greenhouse Gas Accounting Framework, D-GAF）进行分析。研究人员对农民现有可用的减排策略进行了建模，包括3-硝基氧丙醇（3-nitrooxypropanol, 3-NOP）添加剂、增效肥料（enhanced-efficiency fertilizers, EEF）和植树造林，同时还包括新兴选项，如选择性育种、使用聚合硫酸铁和硫酸处理污水池的化学处理技术（EcoPond技术）以及高单宁白三叶草（high-tannin white clover）牧场。本研究还对上述策略的实际采用时间线及其与农场系统的整合进行了建模。位于吉普斯兰（Gippsland）、北维多利亚（Northern Victoria, NVIC）和贝加（Bega）的农场基线年排放总量（范围1+2+3）分别为4,627、2,970和3,492吨二氧化碳当量（t CO2e）。基线排放以肠道甲烷（enteric methane）为主，占农场总排放的55%-58%，其次是粪便管理（12%-15%）。现有植被的碳封存对每个农场排放的抵消不足3.5%。结果表明，叠加减排策略可显著降低净温室气体排放，吉普斯兰农场在实施后18年达到最大年度减排量（到2043年减排72%），北维多利亚农场为14年（到2039年减排52%），贝加农场为15年（到2040年减排46%）。在所采用的策略中，植树造林对净排放减少的贡献最大，在减排峰值年份，树木碳封存分别抵消了吉普斯兰、北维多利亚和贝加农场总温室气体排放的45%、22%和18%。尽管植树造林具有减排效益，但在奶牛用地上大规模植树可能降低生产力，这凸显了采取平衡方法的必要性。虽然这些策略的逐步整合为奶牛养殖实现长期减排提供了可行路径，但全面实施所需的时间可能限制实现短期减排目标的潜力。
解读性摘要：本研究通过3个澳大利亚案例研究，评估了牧场型奶牛系统中减少温室气体排放的路径。研究人员对当前减排策略（饲料添加剂、增效肥料、植树造林）和新兴策略（选择性育种、污水治理、改良饲草）进行了建模。叠加这些互补方法可在14-18年内将净温室气体排放减少46%-72%，同时将排放强度降低49%-80%。这些发现为奶牛养殖系统实现长期气候目标提供了实用的、基于科学的指导，同时有助于维持生产力并支持可持续奶业发展。
**澳大利亚奶牛养殖温室气体减排：策略叠加的系统性评估与路径分析**
**一、研究背景与问题提出**
奶牛养殖在全球粮食安全、经济发展和农村生计中具有重要地位，但同时也面临着日益增长的温室气体减排压力。这一压力不仅源自COP21巴黎协定下的国家自主贡献（NDCs）等国际和国家气候承诺，也来自旨在与这些目标保持一致的供应链承诺。澳大利亚奶业是澳大利亚第三大农村产业，其奶牛场的直接温室气体排放约占澳大利亚农业温室气体排放的12%，而农场门前的排放（pre-farm gate emissions）约占牛奶及乳制品全生命周期总排放的90%。因此，在保持生产效率的同时降低绝对排放量和排放强度，成为实现有意义的气候与生产成果的关键。
澳大利亚大多数奶牛场采用以牧场为基础的养殖系统，辅以谷物或精料满足生产需求，主要集中在澳大利亚南部地区。在平均澳大利亚奶牛场中，肠道甲烷（CH4）占总排放的57%，粪便相关CH4和一氧化二氮（N2O）占21%。目前已有若干策略可用于减少这些来源的排放，例如3-硝基氧丙醇（3-NOP）等饲料添加剂、通过覆盖厌氧池改善粪便管理，以及通过植树实现碳封存。此外，还有一些新兴策略在试验层面显示出良好效果，可能在未来5-10年内可用，如高浓缩单宁（HiCT）白三叶草和低残余CH4生产性状的动物育种。
然而，这些策略在放牧型奶牛系统中对整个农场温室气体排放的影响尚未得到充分理解。近期研究证实，实现减排目标需要整合多种策略，且不同作用机制的策略在组合时可能具有叠加效应。虽然类似的可比性研究已在爱尔兰和新西兰等主要出口地区的牧场型奶牛系统中开展，但结果因当地管理实践、生产系统和碳封存的纳入情况而异，凸显了针对特定区域进行评估的重要性。此外，策略引入还需考虑实际因素，如HiCT牧草物种的引入通常每年限制在牧场面积的10-15%以避免生产力损失，而植树则需要长期规划和建立。
**二、研究目的与技术方法**
本研究旨在量化澳大利亚牧场型奶牛场通过实施当前和新兴减排策略（单独及组合）实现温室气体减排的潜力。核心假设是：通过叠加可行的短期和长期策略的系统特定方法，能够在温室气体排放和排放强度两方面实现显著减排。
研究采用的主要技术方法包括：
（1）**案例研究农场选择与数据收集**：选取澳大利亚南部主要奶牛产区的3个代表性牧场型奶牛场（Gippsland、NVIC和Bega），收集2021-2022年的动物相关数据（各畜群类别动物数量、活重、增重、产奶量、乳脂和乳蛋白含量）及年度投入数据（肥料、电力、燃料、外购饲料、除草剂和杀虫剂用量），同时记录粪便管理实践、环境/气候条件、土壤类型和农场树木类型及年龄。动物研究伦理许可由墨尔本大学研究伦理与诚信办公室（OREI）批准（ID: 24334）。
（2）**D-GAF排放核算框架**：采用奶牛场温室气体核算框架（D-GAF V14.6）估算以农场大门为边界的整个农场系统排放。使用IPCC第五次评估报告的全球增温潜势（GWP）值（CO2=1，CH4=28，N2O=265）将各温室气体转换为CO2当量（CO2e）。核算范围涵盖范围1（农场自有或控制的排放）、范围2（外购电力生产的间接排放）和范围3（农场控制之外但生产所必需的其他间接排放）。鸡粪施用产生的N2O排放因D-GAF未包含而单独计算，采用2019年IPCC指南修订版的Tier 1方法。
（3）**多种减排策略建模**：包括3-NOP饲料添加剂（基于指数衰减模型模拟脉冲饲喂效果）、增效肥料（EEF，按灌溉和非灌溉牧场分别采用11%和22%的N2O排放因子降低率）、植树造林（利用FullCAM模型估算新植树木的碳封存）、选择性育种（假设年肠道CH4减排率1%，累积效应在世代间最高达10%）、EcoPond污水治理技术（假设减少90%的污水储存CH4排放）以及HiCT白三叶草饲喂（基于与百脉根相当的CH4减排潜力，按4.3 g CH4/kg DMI的减少量计算）。各策略按预期可用时间线分阶段引入，并在2025-2057年间实施。
**三、研究结果**
**基线排放**
3个案例农场的基线总温室气体排放（范围1+2+3）分别为：Gippsland农场4,627 t CO2e/年、NVIC农场2,970 t CO2e/年、Bega农场3,492 t CO2e/年。肠道CH4贡献最大，分别占总排放的57%、55%和58%；粪便管理贡献分别为12%、15%和13%。来自1990年后植树造林的碳封存在Gippsland农场远大于NVIC和Bega农场。基线排放强度方面，Gippsland农场最高（13.57 kg CO2e/kg MS），其次为Bega农场（12.74）和NVIC农场（12.83）；按kg CO2e/kg FPCM计，Gippsland农场仍最高（0.95），NVIC和Bega农场相近（均为0.89）。
**各减排策略的效果**
2025年，3-NOP在Gippsland、NVIC和Bega农场的肠道CH4减排量分别为190、127和152 t CO2e/年，其范围3排放分别为10.1、7.3和9.0 t CO2e/年。EEF对全场减排影响最小（<0.4%），3个农场的减排量分别为20.5、2.4和2.8 t CO2e/年。育种策略从2028年开始逐步降低肠道CH4排放，到2057年所有畜群类别均实现基线排放10%的减排。EcoPond从2030年开始贡献显著减排，3个农场的年减排量分别为415、369和360 t CO2e/年。HiCT白三叶草逐步引入后，到2039年各农场的基线排放约减少12%。
**植树碳封存**
新植树木于2025年开始，首年碳封存影响甚微。Gippsland、NVIC和Bega农场的30年（2025-2054）平均碳封存速率分别为39.8、15.4和26.2 t CO2e/公顷/年。3个农场分别在2043年（2,077 t CO2e/年）、2039年（662 t CO2e/年）和2040年（614 t CO2e/年）达到峰值碳封存。在封存峰值期，树木分别抵消了Gippsland、NVIC和Bega农场基线总温室气体排放的45%、22%和18%。
**总排放和排放强度降低**
3个农场的净农场排放和排放强度均呈下降趋势。Gippsland农场净排放减少1,258 t CO2e/年，到2043年较基线年（2021）下降72%；NVIC和Bega农场分别在2039年和2040年达到最低排放水平1,405 t CO2e/年（减排52%）和1,873 t CO2e/年（减排46%）。减排峰值期，排放强度分别降至2.7（0.19）、5.6（0.38）和6.5（0.45）kg CO2e/kg MS（kg CO2e/kg FPCM），较基线分别下降80%、57%和49%。但在这些时间点之后，3个农场的净温室气体排放均开始略有上升。
**四、讨论与结论**
本研究证明，当前和新兴减排策略的组合可在14-18年时间线上使澳大利亚牧场型奶牛场的温室气体排放减少46%-72%。肠道CH4占总排放的55%-59%，是减排工作的优先重点。3-NOP饲喂在泌乳牛中实现约10%的肠道CH4减排；HiCT白三叶草纳入牧场可减少总农场排放11%-12%；选择性育种到2057年实现10%的肠道CH4减排，是一种长期策略；EEF的减排潜力较低（2.4-20.5 t CO2e/年）；EcoPond技术可减少360-415 t CO2e/年的废弃物CH4排放，净农场排放降低9%-12%。
逐步植树是实现净排放减少最有效的策略，其碳封存效果随时间分布，避免了单一峰值后的下降，有利于报告和满足抵消目标。但树木成熟后封存速率下降，导致2039-2043年后净排放略有上升，说明碳封存提供的是有时限的贡献而非永久替代直接减排。此外，环境植树还提供遮荫庇护、促进生物多样性、改善土壤健康和水质等多重协同效益。
策略叠加的有效性基于对策略兼容性和生物物理机制的深入理解。3-NOP抑制甲基辅酶M还原酶而不改变瘤胃发酵，而单宁通过改变发酵途径和氢可用性减少CH4，两者机制不冲突，因此减排效果可以叠加。然而，多个抗产甲烷剂同时作用时，第二个处理仅作用于第一个处理后的残余CH4，导致组合效果略低于单独效果之和。
减排策略的逐步采用限制了短期减排效果，强调长期规划的重要性。树木碳封存在达到峰值后下降，凸显了持续引入新策略的必要性。总体而言，逐步采用互补策略为减少奶牛养殖的温室气体排放和排放强度提供了实用且有效的路径，同时支持长期可持续性。研究也存在局限性，包括假设动物生产性能不变、未纳入部分范围3排放、基于3个案例农场可能未完全反映澳大利亚南部奶业的多样性，以及未考虑经济成本和农场盈利能力的权衡。未来研究应开展田间试验验证策略组合的实际交互效应，并评估经济可行性和在不同奶牛养殖系统中的可扩展性。
