英文题目：Mitigation of Multiple Environmental Footprints for China’s Pig Production Using Different Land Use Strategie

中文题目：采用不同土地利用策略以减少中国生猪生产的多个环境足迹

第一作者：龙维桐、王红亮

通讯作者：侯勇

侯勇老师课题组合作在Environmental Science & Technology上发表了题为“Mitigation of Multiple Environmental Footprints for China’s Pig Production Using Different Land Use Strategies”的研究论文(DOI: 10.1021/acs.est.0c08359)。生猪生产对土地利用、温室气体（GHG）排放和活性氮（Nr）损失贡献很大。如今，土地利用策略被广泛提出，但对生物流（碳、氮）的溢出效应研究较少。本研究同时评估了2017年中国省级尺度生猪生产的碳、氮和农田足迹，并进一步评价了土地利用策略的环境影响。结果表明，在中国生产1千克生猪活重，平均产生1.9 kg二氧化碳当量（CO₂equiv）和59 g活性氮（Nr）损失量，并占用耕地3.5 m²，且区域间存在较大差异。如果同时采用集约化作物生产、提高饲料蛋白质利用效率和使用食物加工副产品作为猪饲料的综合土地利用策略，温室气体（58-64%）和活性氮（12-14%）和占用的耕地面积（10–11%）的将同时大幅减少。然而，采用单一的土地利用策略可能会给环境带来副作用。将综合土地利用策略“节约的”猪用作饲料的农田重新分配给替代食品生产，除了水稻和蔬菜种植以外，其他的植物食物替代品生产都能增加人类可食用能量（3-20倍）和蛋白质供给（1-5倍），并减少碳和氮足迹。将“节约的”农田重新分配给牛肉和牛奶生产，可减少能量和蛋白质的供应。因此，在不牺牲粮食供应的前提下，将土地利用策略进行适当组合，对于减少土地利用变化和养分损失至关重要。

本研究使用生命周期评价（LCA）方法评估了2017年中国省级尺度生猪生产的碳、氮和农田足迹，并评估了替代土地利用情景对这些环境足迹的影响，还探讨了重新分配“节约的”农田以生产动植物食品替代品的政策意义。

图文解读：

1.中国生猪生产的系统边界

Figure. 1. Illustration of simplified life-cycle system boundary of pig production in China, with the main processes for feed crop production, feed processing and transportation, pig production, and manure management and application. Copyright 2021 American Chemical Society.

图1： 我国生猪生产简化的生命周期系统边界主要包括：饲料作物生产、饲料加工和运输、生猪生产和粪便管理与利用。功能单位（FU）为1千克生猪活重，每功能单位的碳、氮和农田足迹分别表示为kg CO₂ equiv FU⁻¹、g Nr FU⁻¹和m² FU⁻¹。

2.中国生猪生产的全国环境足迹

Figure 2. National environmental footprint characteristics of China’s pig sector. The bar charts show the contribution of emission sources (overseas or domestic), three main pig breeding systems, and different processes in China’s pig supply chain to (a) total greenhouse gas (GHG; Tg CO₂ equiv) emissions, (b) total reactive nitrogen (Nr; Tg Nr) losses, and (c) total cropland occupation (CLO; Mha). The background maps indicate (a) per FU of GHG (kg CO₂ equiv FU⁻¹) emissions, (b) per FU of Nr (g Nr FU⁻¹) losses, and (c) per FU of CLO (m² FU⁻¹) in corresponding provinces of China (excluding Hongkong, Macao, Taiwan, and Nansha Islands). The pie charts within maps represent the contribution of three main pig breeding systems in each province of China to (a) total GHG (Tg CO₂ equiv) emissions, (b) total Nr (Tg Nr) losses, and (c) total CLO (Mha), and their sizes indicate the total amount of GHG, Nr, and CLO. FU = functional unit. NM = Inner Mongolia. LN = Liaoning. JL = Jilin. HL = Heilongjiang. BJ = Beijing. TJ = Tianjin. HE = Hebei. HA = Henan. SD = Shandong. SX = Shanxi. AH = Anhui. HN = Hunan. JX = Jiangxi. GD = Guangdong. HI = Hainan. JS = Jiangsu. ZJ = Zhejiang. FJ = Fujian. SH = Shanghai. HB = Hubei. SN = Shaanxi. GS = Gansu. QH = Qinghai. NX = Ningxia. XJ = Xinjiang. CQ = Chongqing. SC = Sichuan. YN = Yunan. GZ = Guizhou. XZ = Tibet. GX = Guangxi. HK = Hongkong. MC = Macao. TW = Taiwan. Copyright 2021 American Chemical Society.

2017年，中国生猪生产温室气体排放总量为152 Tg CO₂当量，活性氮损失总量为4.9 Tg Nr，占用农田总面积为29百万公顷。饲料生产是温室气体的主要贡献源，粪便管理是活性氮损失的主要贡献源，玉米种植占用了最大的农田面积。三种生猪养殖体系中，中等规模（50-3000头出栏量）的碳、氮和农田足迹最大，其次是大规模（>3000头出栏量），小规模（<50头出栏量）最小。这主要是因为小规模养殖体系下，生猪被饲喂了大量的泔水和食物垃圾，它们的环境影响显然要明显小于谷物的环境影响。温室气体排放强度的区域差异高达3倍。四川、云南和贵州（中国西南部）的温室气体排放强度相对较低，是因为这些地区的小规模生猪养殖体系占比较大。华东和华中地区活性氮损失强度相对较高，除了与不同生猪养殖体系的占比有关，还与不同省份间作物种植的氮肥施用量差异有关。

3.每功能单位下基准情景和不同土地利用情景的环境足迹

Table 1. Environmental Footprints (per Functional Unit) in the Reference and Land Use Scenarios. Copyright 2021 American Chemical Society.

4.不同土地利用情景下的碳、氮和农田足迹

Figure 3. Changes in per FU of (a) C footprint (kg CO₂ equiv FU⁻¹), (b) N footprint (g Nr FU⁻¹), and (c) cropland footprint (m² FU⁻¹) from the whole chain following the implementation of land use scenarios, relative to a situation without feed manipulation. FU = functional unit. DDGS = dried distillers grains with solubles, a co-product of maize processing into ethanol. Copyright 2021 American Chemical Society.

采用单一的土地利用策略（S1-S4）可减少中国生猪生产19-36%的碳足迹，主要是由于“土地的机会成本（19−30%）”造成的。除了土地利用的影响，集约化作物生产（S1）可额外减少5%来自饲料作物生产的温室气体排放。采用综合土地利用策略（S5-S7）可减少58−64%的碳足迹（如果排除土地利用影响，则减少7−8%）。与基准情景相比，集约作物生产（S1）可减少6%的活性氮损失（主要来自饲料作物生产）。饲料调控策略（S2-S4）可减少5−7%的活性氮损失，其中大部分来自粪便管理。和生态剩余物−玉米干酒精槽（S3）情景相比，生态剩余物−油籽粕（S4）情景下与饲料作物生产相关的活性氮损失量有所增加，是因为种植额外的油籽粕会增加排放。采用综合土地利用策略（S5-S7）可减少12−14%的活性氮损失总量。采用单一的土地利用策略（S1-S4）可减少4-6%的农田占用面积。集约化作物生产（S1）可减少6%的用于玉米种植的农田面积。饲料调控策略（S2-S4）可减少生产6−10%的用于大豆种植的农田面积（主要是海外大豆），但大部分被用于国内生产额外的玉米和食物加工副产品而增加的农田面积所抵消。采用综合土地利用策略（S5-S7）可减少10-11%的国内外农田占用面积。

5.中国生猪生产机会成本（能量和蛋白质输送、减少的碳和氮足迹）

Figure 4. Opportunity cost for China’s pig production calculated by global environmental footprints. (a) Alternative energy (kcal capita⁻¹week⁻¹) and (b) protein delivery (g capita⁻¹week⁻¹) associated with reallocating the saved land for the production of animal and plant food alternatives. The percentage (%) of (c) carbon (Tg CO₂ equiv) and (d) nitrogen footprint (Tg Nr) saved by cropland reallocation to animal and plant food alternatives. The positive values indicate the environmental footprints of animal and plant food alternatives under the combination of measures (S5−S7) are less than those in the reference scenario. Copyright 2021 American Chemical Society.

将综合土地利用策略“节约的”猪用作饲料的农田重新分配给植物食物替代品生产，将使能量输送（与猪肉相比）提高3-20倍，蛋白质输送提高1-5倍。同时，将“节约的”农田用于玉米、小麦和豆类种植可减少相关的环境影响（碳足迹减少5%，氮足迹减少5−12%），用于水稻和蔬菜种植则会增加相关的环境影响（碳足迹增加18−25%，氮足迹增加17−21%)。将“节约的”农田用于牛肉和牛奶生产，将减少能量和蛋白质供应，并减少11−14%的氮足迹。

总结

本研究阐明了将机会成本纳入生命周期评价的重要性，并为国家和地区的农业结构变化政策（包括种植的空间重新分配）提供了参考。我们认为，本研究中探讨的政策选择也适用于中国和其他面临相同畜牧业生产挑战国家的一些其他集约化畜牧系统（不单单指生猪）。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c08359