草原畜牧業(yè)溫室氣體排放現(xiàn)狀、問題及展望

莊明浩,貢布澤仁,張 靜,李文軍

1 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,北京 100193 2 西南財經(jīng)大學中國西部經(jīng)濟研究中心,成都 611130 3 北京林業(yè)大學草業(yè)與草原學院,北京 100083 4 北京大學環(huán)境科學與工程學院,北京 100871

世界天然草原面積約占陸地面積的40%[1],其所支撐的草原畜牧業(yè)為世界上約9.38 億的人口提供生計來源,同時也為社會提供了諸如涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、傳承文化等眾多的生態(tài)系統(tǒng)服務,是生態(tài)安全和食物安全的重要保障[2- 3]。然而,草原畜牧業(yè)在提供上述產(chǎn)品和服務的同時,也會產(chǎn)生大量的溫室氣體(二氧化碳、甲烷和氧化亞氮)[4]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織2006年的報告指出,依據(jù)生命周期理論估算天然放牧畜牧業(yè)(由草地生態(tài)系統(tǒng)和放牧家畜系統(tǒng)耦合形成的復合系統(tǒng))溫室氣體排放約為5.0 Gt 二氧化碳當量,占到全球人為溫室氣體排放的13%,僅次于交通運輸業(yè)的14%[2]。隨著人類對畜產(chǎn)品的需求增多,一方面,放牧家畜腸道甲烷以及糞便甲烷和氧化亞氮的排放量增加[5- 6]；另一方面,天然草地面臨更大的壓力,進而有可能導致大面積草地退化。草地退化可能會降低植被生產(chǎn)力和加速土壤有機質的分解,因而,可能會引起土壤碳輸入小于碳輸出,導致草原畜牧業(yè)釋放更多的溫室氣體[7]。因此,尋找既要維持甚至增加草原畜產(chǎn)品產(chǎn)量又能夠減緩溫室氣體排放的草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式,亦即低碳型草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式,成為目前學術界研究的熱點問題[8- 13],這對于制定科學合理的區(qū)域草地利用方式、改善畜牧業(yè)生產(chǎn)效率和減緩草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度均具有重要意義。

1 草原畜牧業(yè)溫室氣體研究框架體系及存在問題

草原畜牧業(yè)系統(tǒng)是以草地資源為基礎,由草地生態(tài)系統(tǒng)和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)耦合形成的復合系統(tǒng),包括地境-草地、草地-家畜和草畜系統(tǒng)-社會經(jīng)營管理三個界面。目前大多數(shù)的研究主要關注管理方式對單一的草地生態(tài)系統(tǒng)或者放牧家畜系統(tǒng)溫室氣體排放強度的研究[9,14- 18],缺乏對草地生態(tài)系統(tǒng)與畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)兩者耦合的整體系統(tǒng)進行研究,導致對草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放強度缺乏系統(tǒng)性的認識[17,19- 20]。由于一種生產(chǎn)經(jīng)營管理方式在降低放牧家畜系統(tǒng)溫室氣體排放量的同時,可能會增加草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體的排放,導致對草原畜牧業(yè)整體系統(tǒng)溫室氣體排放強度的影響存在較大的不確定性[21- 24]。例如,Del Prado等研究發(fā)現(xiàn),如果單純考慮家畜系統(tǒng),通過喂養(yǎng)精飼料可以減少牲畜飲食中的粗蛋白的含量,可以減少家畜系統(tǒng)甲烷和氧化亞氮的排放；而從草原畜牧業(yè)整體系統(tǒng)來講,考慮到精飼料的種植、加工等生產(chǎn)過程需要產(chǎn)生大量的溫室氣體,這一措施卻增加了單位產(chǎn)品溫室氣體排放強度[19]。顯然,如果將草原生態(tài)系統(tǒng)和畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)分開考慮,不能全面反映草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度的真實情況[19,20,25]。因此,需要尋找一種方法對草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度情況進行系統(tǒng)性的研究,包括草地土壤、家畜及其糞便、外部輸入等產(chǎn)生的溫室氣體。

為了從整體上評價草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度情況,選擇合適的評估方法是必不可少的[26]。生命周期評價方法被認為是系統(tǒng)評估草原畜牧業(yè)溫室氣體強度科學的、穩(wěn)健的方法[21,27-31],且已經(jīng)被應用于評估和比較不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式溫室氣體排放強度[32-36]。生命周期評價是一種用于評估產(chǎn)品從原材料的獲取、產(chǎn)品的生產(chǎn)直至使用后的處置的整個生命周期對環(huán)境影響的技術和方法,其具有兩大優(yōu)勢：一是可以量化不同系統(tǒng)的總體排放量,并進行比較,二是確定系統(tǒng)組分的最大效率[37]。

目前越來越多的研究采用生命周期理論的方法,以草原畜牧業(yè)為研究對象,開展不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式溫室氣體排放強度的研究,為低碳畜牧業(yè)發(fā)展提供思路[8,33-35,38-39]。然而,現(xiàn)有的研究框架體系至今還存在一些問題或者不足,主要表現(xiàn)在以下三方面：

首先,對于構成生命周期溫室氣體排放組分考慮得不夠全面,致使研究結果存在偏差。例如：由于肥料、電力、柴油等生產(chǎn)資料在生產(chǎn)過程中需要消耗能源,會產(chǎn)生溫室氣體排放,忽略這些溫室氣體排放可能會低估整個系統(tǒng)的排放[8,34]。

其次,絕大多數(shù)研究排放清單都忽略了草地土壤有機碳變化,致使研究所得的溫室氣體排放強度可能并不可靠。Henderson等[9]、Zhuang等[20]、McDermo和Elavarthi[40]、Meyer等[41]、Song等[42]等研究已經(jīng)證實土壤碳的變化在草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度評估中起到至關重要的作用。de Figueiredo等研究并比較了巴西三種不同的草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式下(退化草地放牧生產(chǎn)經(jīng)營模式、改善的草地放牧生產(chǎn)經(jīng)營模式和草地-放牧牲畜-森林耦合的生產(chǎn)經(jīng)營模式)的溫室氣體排放強度,發(fā)現(xiàn)若不考慮土壤碳,改善的草地放牧生產(chǎn)經(jīng)營模式具有較低的溫室氣體排放強度；如果考慮土壤有機碳,則是草地-放牧牲畜-森林耦合的生產(chǎn)經(jīng)營模式具有較低的溫室氣體排放強度[43]。O′Brien等研究也證實了不同生產(chǎn)管理模式下的草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度的差異主要在于是否考慮土壤有機碳的變化[44]。此外,由于先前排放清單上存在的不足,致使目前的很多研究結果存在爭議。例如,以天然放牧畜牧業(yè)和半集約草原畜牧業(yè)為例,Ogino等的研究結果顯示半集約草原畜牧業(yè)具有較低的溫室氣體排放強度[34]；而在Zhuang等的研究中則得出相反的結論[20]。分析上述兩個研究結果,發(fā)現(xiàn)差異的原因主要取決于：是否考慮草原畜牧業(yè)系統(tǒng)外的輸入和是否考慮土壤碳吸收的作用[20,34]。

第三,評估指標的選擇影響評估結果。溫室氣體排放單位指標的選擇對于結果的解讀具有重要的意義,尤其是對于不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的比較研究。有研究發(fā)現(xiàn),不同畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)采用不同的單位強度排放指標進行比較,結果可能不同[33-34,45]。如采用單位產(chǎn)品的排放強度,往往天然放牧畜牧業(yè)高于集約畜牧業(yè)；如采用單位面積的排放強度,則低于集約畜牧業(yè)。目前大多數(shù)研究將單位面積或者單位產(chǎn)品的溫室氣體排放強度作為評估指標,然而,對于這一指標是否適用于所有情況仍存在異議。雖然目前研究大多數(shù)認可單位產(chǎn)品的溫室氣體排放強度作為功能單元來闡釋低碳型草原畜牧業(yè)[19-20,33-34,46],然而,Bernués等[47]以及 Ripoll-Bosch等[48]指出天然放牧畜牧業(yè)與集約畜牧業(yè)的本質區(qū)別在于前者除了提供畜產(chǎn)品外還提供其他生態(tài)系統(tǒng)服務(可再生的自然資源、生物多樣性、傳統(tǒng)文化等),而后者則主要提供畜產(chǎn)品,生態(tài)系統(tǒng)服務功能方面則較弱。因此,他們的研究進一步指出,比較不同草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度大小時,需要考慮草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的本質差異來選擇合適的評估指標。

基于前文的介紹,發(fā)現(xiàn)絕大部分研究中排放清單的不完善和比較指標的差異限制了現(xiàn)有草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度結果的可靠性。因此,需要綜合考慮草原畜牧業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中所有的溫室氣體排放組分以及選擇合適的評估單元(如單位產(chǎn)品溫室氣體排放強度)等[20,43,49],進而量化和比較不同生產(chǎn)經(jīng)營模式的草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度,這對于篩選出有效的生產(chǎn)經(jīng)營模式和減緩草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度均具有重要意義,也是目前國際前沿熱點研究問題[12,34,43,50]。

2 草原畜牧業(yè)溫室氣體排放與減緩途徑研究現(xiàn)狀與問題

從生命周期角度來講,草原畜牧業(yè)是全球溫室氣體排放的主要貢獻者。因此,減緩畜牧業(yè)溫室氣體排放已成為當前眾多科學家研究關注的焦點[17,27]。目前,減緩畜牧業(yè)溫室氣體排放的途徑主要有以下三個：第一種途徑是通過技術和管理措施減緩畜牧業(yè)溫室氣體排放[17,28]；第二種途徑是草原畜牧業(yè)轉型和優(yōu)化管理[3,51]；第三種途徑是提高人們對飲食結構的認識,減少對畜產(chǎn)品的需求[3-4]。關于上述三種途徑,本綜述只關注第一種和第二種途徑的研究現(xiàn)狀與問題。

2.1 技術和管理層面的減緩措施

目前大多數(shù)研究只關注草原畜牧業(yè)某一環(huán)節(jié)的溫室氣體減排[17],例如：腸道甲烷排放的減緩措施(如：增加精飼料、飼草添加劑等)、草地氧化亞氮和甲烷排放的減緩措施(硝化抑制劑、改變放牧強度和時間等)、增加草地碳固持的措施(如：補播、施肥和優(yōu)化放牧管理等)。Gerber等[28]指出目前的研究較多關注減緩措施對草原畜牧業(yè)中某一環(huán)節(jié)的減排效果,缺少減緩措施對整個草原畜牧業(yè)的溫室氣體強度影響的量化研究。他們的研究進一步指出,草地畜牧業(yè)不同組分之間的關系較為復雜,且溫室氣體排放源之間存在強烈的交互作用。因此,盡管單一措施會降低某一環(huán)節(jié)溫室氣體排放量,但是有可能會增加另一環(huán)節(jié)的溫室氣體的排放,可能會造成整體溫室氣體排放強度增加。例如,Hristov等[17]指出,喂養(yǎng)優(yōu)質飼草和增加飼草添加劑等措施可以在一定程度上減少腸道甲烷的排放,但是可能增加了糞便中氮的含量則會導致糞便氧化亞氮的排放增加,從而有可能導致整體溫室氣體排放強度增加。Henderson等[9]研究指出,盡管改善放牧管理、豆科植物補播和施用氮肥管理可以增加土壤中碳儲量,但同時也會增加土壤中氧化亞氮的排放,進而可能導致整個草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放增加。如果進一步把畜牧業(yè)管理系統(tǒng)考慮在內(nèi)的話,這些措施對整個草地畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放強度目前尚不清晰。因此,未來有必要從草原畜牧業(yè)系統(tǒng)的角度去分析某個環(huán)節(jié)采取的減排措施對整個草原畜牧業(yè)溫室氣體減排是否有效,這樣有利于從系統(tǒng)的角度制定行之有效的減緩措施。

2.2 草原畜牧業(yè)轉型和優(yōu)化管理

從系統(tǒng)的角度探索草原畜牧業(yè)轉型對減緩草原畜牧業(yè)溫室氣體排放的途徑是目前研究者關注的重點,也是研究的熱點。關于草原畜牧業(yè)轉型的研究,天然放牧畜牧業(yè)普遍被認為是一種生產(chǎn)力相對較低和溫室氣體排放強度相對較高的草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)[27,52],將其轉變?yōu)榧s畜牧業(yè)被認為是提高生產(chǎn)力水平和減少溫室氣體排放強度的一種有效措施。因此,天然放牧畜牧業(yè)向集約畜牧業(yè)轉變已成為當今的一種主流思想[49,53-55]。然而,關于上述結論也有研究持不同觀點,Soussana等[8]、Soussana和Lemaire[18]、Zhuang等[20]、Bellarby等[27]、Meyer等[41]、Rotz等[56]等研究認為,相對于天然放牧畜牧業(yè),盡管集約畜牧業(yè)通過飼喂優(yōu)質飼料可以減少腸道甲烷排放,但天然放牧畜牧業(yè)溫室氣體排放強度仍低于集約畜牧業(yè)。主要有兩個原因：集約畜牧業(yè)可能會通過額外的輸入(包括飼草料、肥料、電力等)進而影響溫室氣體的排放,增加集約畜牧業(yè)溫室氣體排放總量和強度[20,34]。另外,先前的研究忽略了一個重要的因素,清單中并未考慮天然草地和人工飼草地中土壤碳吸收的差異情況。上述研究認為如果將土壤碳吸收的變化納入排放清單中,天然放牧畜牧業(yè)可能具有較低的溫室氣體排放強度,這在相關的研究中也得到證實[22,34,57]。更有研究指出如果將土地利用方式引起的碳損失考慮在內(nèi),集約畜牧業(yè)溫室氣體排放量會更大,遠高于天然放牧畜牧業(yè)[58]。但也有研究指出即使考慮土壤碳吸收的情況,天然放牧畜牧業(yè)溫室氣體強度仍然高于集約畜牧業(yè),主要原因在于草地土壤有機碳庫下降,導致更多的碳損失,進一步增加了天然放牧畜牧業(yè)溫室氣體排放強度[59]。上述研究表明,天然放牧畜牧業(yè)和集約畜牧業(yè)的溫室氣體排放孰高孰低,學術界尚無定論,仍處于爭議中。

除此之外,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和牧區(qū)相關政策(如游牧民定居政策、生態(tài)建設項目等)的實施,草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式正在發(fā)生改變,呈現(xiàn)多樣化的草原畜牧業(yè)管理模式。部分研究對已有的不同經(jīng)營模式的草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度進行了研究。例如：Sch?nbach等[60]系統(tǒng)分析了中國內(nèi)蒙古地區(qū)不同放牧強度下天然放牧畜牧業(yè)的溫室氣體排放強度,得出輕度放牧具有較低的溫室氣體排放強度,主要歸因于較低的牲畜腸道甲烷排放和較低的土壤有機碳排放；Zhuang等[31]研究發(fā)現(xiàn)中國青藏高原草場共用的四季移動天然放牧畜牧業(yè)向草場承包到戶的持續(xù)放牧的無季節(jié)移動天然放牧畜牧業(yè)轉變增加了草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度,主要原因為草場承包到戶的持續(xù)放牧的無季節(jié)移動天然放牧畜牧業(yè)較草場共用的四季移動天然放牧畜牧業(yè)直接改變了地表的植被特征,同時也改變了土壤環(huán)境(如溫度、含水量和透氣性等) 及其養(yǎng)分含量,從而使植物碳分配模式和土壤微生物代謝過程等發(fā)生改變,影響了草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程,最終影響了天然草地畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放強度的變化。雖然目前研究比較了不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放強度孰高孰低,并從自然科學的角度對結果差異進行了解讀。然而,草原畜牧業(yè)是一個集社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)耦合而成的復雜系統(tǒng)。目前對影響草原畜牧業(yè)溫室氣體排放差異的原因主要集中在生態(tài)系統(tǒng)層面的分析,忽略了社會系統(tǒng)的作用,無法反映草原畜牧業(yè)社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的相互反饋機制,無法深入解讀影響溫室氣體排放強度差異背后的機制。因此,未來迫切需要從社會生態(tài)系統(tǒng)角度分析不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式下溫室氣體排放強度差異的背后機制。

3 草原畜牧業(yè)溫室氣體研究展望

已有的草原畜牧業(yè)溫室氣體排放的研究對于低碳型草原畜牧業(yè)的發(fā)展具有借鑒意義。然而,草原畜牧業(yè)是一個包含著環(huán)境、資源、經(jīng)濟、社會、管理等多層面且系統(tǒng)內(nèi)部氣候-土壤-草地-家畜-管理之間相互作用的非常復雜的社會生態(tài)系統(tǒng)。未來需要在以下三個方面加強研究,具體如下：

(1)完善草原畜牧業(yè)溫室氣體排放研究框架體系及提升研究方法。目前的草原畜牧業(yè)溫室氣體排放分析框架體系尚不完善,限制了相關研究的開展。未來研究需要進一步完善已有的框架體系,包括考慮外部輸入、土壤有機碳的變化以及畜牧業(yè)溫室氣體排放強度衡量指標的選擇。在此基礎上,需要對草原畜牧業(yè)溫室氣體排放進行量化研究。目前量化草原畜牧業(yè)溫室氣體排放的方法主要是基于排放系數(shù)或者經(jīng)驗模型來計算各個部分草原畜牧業(yè)溫室氣體排放,然后累積加和獲得總體畜牧業(yè)溫室氣體排放。然而,這類方法存在兩方面的不足：一是無法反映系統(tǒng)內(nèi)部元素間的相互作用,即氣候-土壤-草地-家畜-管理；二是無法反映出區(qū)域氣候、土壤、管理水平等方面存在的時空變異性,致使很難對草原畜牧業(yè)具體減緩策略效果提供有效的評估[61-62]。為彌補目前研究方法的不足,依據(jù)生物化學循環(huán)過程建立的機理模型相繼出現(xiàn),如：可持續(xù)的放牧管理系統(tǒng)模型(Sustainable Grazing Systems,SGS,SGS)、反硝化-分解作用(Denitrification-Decomposition,DNDC)、 整合農(nóng)場系統(tǒng)模型(Integrated Farm System Model,IFSM)等。其優(yōu)點是可以反映具體的實際情況,包括氣候、植被、牲畜、管理等差異。然而,這些模型尚不完善,導致目前的研究結果存在較大的不確定性。隨著人們對機理過程的認識加深以及觀測數(shù)據(jù)的完善,機理模型將會更加完善并得到廣泛應用,為深入系統(tǒng)研究草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放提供方法指導。

(2)加強對草原畜牧業(yè)溫室氣體減緩措施的綜合評價。隨著牧區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展和草場政策的執(zhí)行,牧區(qū)與更大尺度上的社會經(jīng)濟之間的聯(lián)系更加緊密,對外界資源的依賴性也增強。同時,原本處于氣候多變的牧區(qū),愈發(fā)受到極端氣候(極端降雨、極端干旱、極端低溫等)的干擾。面對市場、政策和氣候等因素的多重影響,草原畜牧業(yè)的管理方式也在發(fā)生變化,但這些變化對草原畜牧業(yè)溫室氣體排放的影響尚不明晰。此外,越來越多的減緩措施(如提高精飼養(yǎng)比例、改善牲畜性能、添加硝化抑制劑、減少放牧時間和改變放牧方式等)應用于草原畜牧業(yè),但是這些措施對草原畜牧業(yè)整體溫室氣體排放的影響仍不清楚。目前研究主要側重對已有的草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放強度評估,未來需要充分考慮系統(tǒng)過程、市場、政策、技術和管理等因素,深入研究這些影響因素對草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度的綜合影響,為制定有效的減緩措施提供科學支撐。

(3)深入研究影響草原畜牧業(yè)溫室氣體排放強度差異的機制。社會生態(tài)系統(tǒng)是一個由社會和生態(tài)系統(tǒng)嵌套組成的、具有等級結構和復雜相互作用和反饋關系的系統(tǒng),用于理解社會和生態(tài)系統(tǒng)中的復雜聯(lián)系和互動關系[63-64]。草原畜牧業(yè)作為典型的社會生態(tài)系統(tǒng),然而,目前在解釋不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的差異的因素主要側重于自然生態(tài)系統(tǒng)層面,鮮有研究考慮社會系統(tǒng)的作用,致使無法反映草原畜牧業(yè)社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的相互反饋機制。未來需要從社會生態(tài)系統(tǒng)角度分析不同草原畜牧業(yè)生產(chǎn)模式溫室氣體排放強度差異的機制,深刻闡明這些差異背后的社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的相互反饋機制,試圖找出影響低碳畜牧業(yè)發(fā)展的關鍵因素,為政策的制定和設計提供指導。