与奶牛养殖系统整合的生物炼制厂的环境影响

《npj Sustainable Agriculture》：Environmental impacts of a biorefinery integrated into dairy farming system

　　

绿色生物炼制厂（green biorefineries, GBRs）旨在通过从饲草中提取蛋白质来减少对进口饲料的依赖。其环境绩效取决于副产品的利用情况，其中纤维渣含有初始生物质干物质（dry matter, DM）的70%。研究人员采用生命周期评估（life cycle assessment, LCA）方法，将传统奶牛系统与两个GBR整合系统进行比较，这两个系统的饲草生产土地可用性不同，纤维渣部分替代了奶牛日粮中的饲草，并使用北欧饲料评价系统（Nordic Feed Evaluation System）进行调整。与常规系统相比，两个GBR整合系统每千克牛奶的环境影响均更高，其驱动因素是为维持牛奶产量而增加的浓缩饲料投入或扩大的饲草生产用地。全球变暖潜势和土地使用的增幅分别高达7%和8%，而其他影响类别也呈现相似甚至更高的增幅。在系统外以GBR生产的蛋白质浓缩物替代豆粕，仅部分抵消了这些影响，不足以将影响降至常规系统之下。在敏感性分析中，单独提高纤维渣的饲喂价值或单独采用被替代豆粕的更高影响假设，均不足以使影响低于常规系统；只有当两者结合时，全球变暖潜势和土地使用才比常规系统低5%。

研究背景：全球农业面临降低环境影响的压力，同时需要提高生物质资源利用效率。绿色生物炼制厂（green biorefinery, GBR）通过机械压榨从青绿饲草中提取蛋白质浓缩物，旨在减少对进口蛋白质饲料的依赖。该工艺产生纤维渣、棕色汁等副产品，其中纤维渣占初始生物质干物质（dry matter, DM）的70%，是系统中最大的物质流，其利用方式直接决定GBR的环境绩效。在挪威，人工草地主要支持反刍动物生产，奶牛养殖占用约44%的栽培草地，且牛奶产量受农场配额限制，农户有维持满额产奶的强烈经济激励。将GBR整合进奶牛场会使部分饲草生物质流向蛋白质浓缩物和棕色汁，可能迫使农户通过增加浓缩饲料或扩大饲草用地来补偿，从而影响系统环境影响。已有饲喂试验对纤维渣替代全株青贮的效果结论不一，且以往LCA研究未在固定牛奶产量条件下评估GBR与现有奶牛系统的整合。为此，研究人员开展生命周期评估（life cycle assessment, LCA），设置基准、有限土地和扩展土地三种情景，以1 kg能量校正乳（energy-corrected milk, ECM）为功能单位，评估GBR整合对六类中点环境影响类别的影响。

研究内容与结论：研究人员以挪威中部Tuv试验农场的草-三叶草饲草为对象，基于2023年NIBIO中试生物炼制厂数据建立质量平衡，利用TINE OptiF?r/NorFor系统配制日粮，采用ReCiPe 2016中点法进行LCA。结果表明，与基准奶牛系统相比，两种GBR整合系统每千克ECM的六类环境影响均增加；有限土地情景主要由浓缩饲料投入增加驱动，扩展土地情景则源于饲草用地扩大和浓缩饲料增加。全球变暖潜势（global warming potential, GWP）在扩展土地情景增加7%，土地使用增加6%和8%，淡水富营养化增加10%和19%，化石资源稀缺性两类情景均增加23%。用GBR蛋白质浓缩物替代豆粕获得的环境信用不足以抵消上述额外负担。该研究表明，在固定牛奶产量条件下，GBR整合并不能降低牛奶环境影响，其可持续性高度依赖生产情景；系统层面评估对判断GBR是否真正有益至关重要。论文发表在《npj Sustainable Agriculture》。

主要技术方法：研究采用从摇篮到农场大门（cradle-to-farm gate）的生命周期评估，以1 kg ECM为功能单位，按国际乳业联合会生物物理分配法将影响在牛奶与肉之间分配（牛奶80%，肉20%）。样本数据来自挪威中部Tuv试验农场和NIBIO 2023年建立的中试GBR设施；日粮用TINE OptiF?r/NorFor系统配制；环境影响用ReCiPe 2016中点法；不确定性用1000次蒙特卡洛模拟；另设7项敏感性检验。

研究结果：
环境 impacts：两种GBR整合系统在全部六类影响类别中均高于基准。饲草种植和浓缩饲料生产是主要贡献者，肠道CH₄排放是GWP的最大单一来源，但三情景间肠道CH₄相近。有限土地情景中，浓缩饲料增加和GBR过程排放几乎被豆粕替代信用抵消，GWP与基准接近；扩展土地情景GWP增加7%，主要由农场饲草种植排放驱动。土地使用分别增加6%和8%。淡水富营养化增加10%和19%，海洋富营养化增加10%和11%，陆地酸化增加3%和7%，化石资源稀缺性均增加23%。

不确定性分析：配对蒙特卡洛模拟显示，基准情景在土地使用、淡水/海洋富营养化、陆地酸化和化石资源稀缺性方面以100%的迭代次数优于有限土地情景，在GWP方面为63%；基准情景在全部六类类别上几乎100%优于扩展土地情景。有限土地与扩展土地直接比较中，有限土地在GWP（99%）、淡水富营养化（100%）、陆地酸化（100%）方面高置信度更优，土地使用为87%，海洋富营养化73%，化石资源稀缺性55%。参数中饲草产量影响最大，N₂O排放仅影响GWP，绿色蛋白质消化率影响较小。

敏感性分析：当假设纤维渣与全株青贮饲喂价值相同并减少浓缩饲料（S1、S2）时，影响有所下降但仍高于基准。采用全球平均豆粕情景（S3）后，除有限土地情景GWP比调整后基准低2%外，其余仍高于基准。将减少浓缩饲料与全球豆粕情景结合（S4、S5）时，扩展土地情景的GWP和土地使用均比原始基准低5%，是唯一使多个类别低于基准的组合。提高蛋白质浓缩物回收率10%（S6）影响很小；改用边际电力组合（S7）使化石资源稀缺性大幅上升。总体上，土地使用、富营养化、酸化和化石资源稀缺性在所有敏感性检验中均未低于基准。

讨论部分指出，GBR整合未降低牛奶环境影响的结构性原因在于：当牛奶产量必须维持时，被分流至GBR的生物质需要由额外浓缩饲料或土地来补偿；纤维渣仅保留约63%的全作物DM，即使饲喂效率提高10%也不足以弥补37%的DM损失。豆粕替代信用受蛋白质消化率（1.39 kg DM GBR蛋白质浓缩物才能替代1 kg DM豆粕）和挪威低影响豆粕供应背景限制。若采用全球平均豆粕并假设纤维渣与全株饲草等值（S5），扩展土地情景的GWP和土地使用可下降5%，但有限土地情景不出现该逆转。棕色汁作为肥料回田可回收养分，也有进一步能源化利用潜力。与已有文献相比，本研究基线GWP为1.44 kg CO₂-eq kg^-1 ECM，处于挪威奶牛生产报告范围内；化石资源稀缺性低于Bakken等人，可能因系统边界不同。以往GBR的LCA多按单位生物量或粗蛋白评估并发现相对豆粕的优势，但未考虑与反刍动物饲料供应竞争土地的后果。

研究结论：本研究表明，在模型设定的条件下，将GBR整合进挪威奶牛生产系统并未降低牛奶生产的环境影响。为维持牛奶产量所需的补偿性投入，即额外浓缩饲料和农场饲草用地扩大，引入了超过用GBR蛋白质浓缩物替代豆粕所获环境信用的负担。这些发现强调，GBR的可持续性潜力高度依赖具体情境；当GBR生物质来源于已用于现有生产系统的土地时，系统层面评估至关重要。纤维渣青贮的饲喂价值与被替代豆粕的环境影响仍是关键不确定性，二者均影响影响幅度。