畜牧业“碳排放”到“碳足迹”核算方法的研究进展お
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摘要
全球变暖趋势日益加剧，不仅影响农业可持续发展，而且威胁到人类生存。畜牧业碳排放因其在农业碳排放中乃至全球碳排放中占比较大而日益备受关注。准确核算畜牧业碳排放是制定切实可行的碳减排政策的前提，也为我国在气候变化下承担共同但有差别的减排责任提供话语权。本文基于研究范式的演进，对畜牧业碳排放到碳足迹核算方法的研究发展进行了系统梳理，研究表明，在学者的不断研究与质疑下，畜牧业碳排放到碳足迹的核算方法经历了从OECD核算法、IPCC系数法到生命周期法与投入-产出法的演变与完善，学术界认为区域异质性、养殖规模与管理方式均影响碳足迹；散养比规模化养殖产生更多的碳排放，舍饲比户外放牧排放更多的碳。畜牧业碳足迹核算能够更加全面地反映畜牧业全生命周期的碳排放情况，但由于研究假设、研究方法及研究样本等差异导致不同区域、不同畜产品的碳排放核算结果存在不确定性。运用生命周期法和投入-产出法对欧盟成员国畜牧业碳排放的核算结果基本一致，但运用IPCC系数法和全生命周期法对中国畜牧业碳排放核算中，牛、猪和羊的碳排放量排序结果不尽一致。鉴于核算结果的差异性，本研究对不同核算方法的起源、最早采用时间、特点、局限性等方面进行了归纳总结，并建议后续研究探讨基于生命周期评价的畜牧业碳足迹研究边界的延伸性，标准化畜牧业碳排放或碳足迹核算，避免学者重复核算畜牧业碳排放，以便深入展开畜牧业碳排放其他方面的研究。
关键词碳排放；碳足迹；生命周期法
中图分类号F307.3
文献标识码A文章编号1002-2104（2017）06-0036-06DOI：10.12062/cpre.20170308
作为全球第二大经济体和发展最快的发展中国家，中国的经济与碳排放在总量上持续增长，国际社会要求中国在气候变化问题上承担更大的国际责任。全球碳计划2013年度全球碳排放量数据指出中国是碳排放总量最大的国家，占29%，约104.4亿t[1]。而2015年发表于Nature的文章指出中国碳排放量在2000―2013年间被高估了15%[2]。此外，中承诺将实现温室气体排放量在2030年左右达到峰值。因此，准确核算碳排放有利于我国承担共同但有差别的减排责任。畜牧业是碳排放的最主要来源，是影响温室效应最主要的因素。联合国粮农组织在《牲畜的巨大阴影：环境问题与选择》中指出畜牧业的温室气体排放占全球总排放的18%，高于交通运输业的排放量[3]。Robert Goodland研究指出，牲畜及其副产品实际上至少排放了325.64亿tCO2e的温室气体，占世界总排放的51%，远远超过粮农组织先前的估计值[4]。学者对畜牧业碳排放问题不断深入探讨，认为准确核算畜牧业碳排放量是制定切实可行的碳减排政策的前提，不同的畜牧业碳排放核算方法会影响核算结果；畜牧业碳排放的核算范畴不仅局限于畜牧业生产环节，还应包括畜牧业的饲料种植、畜产品运输及消费等环节的碳排放情况，即畜牧业碳足迹。学术界对畜牧业碳排放及碳足迹核算方法已有研究，但一直比较分散，缺乏系统性总结。因此，本文试图厘清其发展脉络并追踪其前沿领域，为相关部门制定畜牧业碳减排政策提供理论依据，为相关领域学者研究提供经验借鉴。
1畜牧业碳排放核算方法
按照畜牧业碳排放与碳足迹核算方法的演进对其相关研究进行梳理，结果如见图1所示。
碳排放核算法主要包括排放因子法、质量平衡法和实测法。质量平衡法（MassBalance Approach）根据每年用于国家生产生活的新化学物质和设备，计算为满足新设备能力或替换去除气体而消耗的新化学物质份额。实测法基于排放源的现场实测基础数据，进行汇总从而得到相关碳排放量。目前应用比较广泛的是碳排放因子法，它依照碳排放清单列表，针对每一种排放源构造其活动数据与排放因子，以活动数据和排放因子的乘积作为该排放项目的碳排放量估算值[5]。具体到畜牧业中，即用畜牧业生产各环节的排放系数乘以相应的度量值（畜禽数量、粪污质量、耗电量等），整个系统的碳排放量为各环节排放量的加总。关键的排放系数，包括肠道发酵甲烷排放系数、粪便管理和粪肥田间施用中氧化亚氮的直接和间接排放系数等主要源于：试验测算、相关研究结论、IPCC提供的数据等。按其演变历程可以分为OECD法与IPCC系数法。
1.1OECD核算法
1991年经济合作与发展组织（OECD）提供了反刍动物甲烷排放量的简易估算方法，是畜牧业碳排放核算初期的简易方法，仅在上世纪末期被少数学者使用。董红敏依据中国典型反刍动物的采食总能量及Blaxter的公式计算了动物采食能量转化成甲烷的比例，在3个时间点（1980、1985和 1990 年）分类计算了我国的牛、羊及骆驼的甲烷排放量。由于中国反刍动物饲养及管理粗放、饲料消化率
低、生产力水平低下，对OECD提供的有些公式进行了适当修改[6]。
1.2IPCC系数法
IPCC系数法是根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）公布的碳排放系数对畜牧业生产的胃肠道发酵、舍内外粪污等碳排放进行核算，其核算范畴略优于OECD的简易方法，主要关注畜牧业生产过程中的碳排放情况，但未考虑畜牧业生产前端与后端的碳排放。
近二十年，学者不断核算畜牧业碳排放的情况并探究相关影响因素。学术界认同甲烷是畜牧业碳排放的主要来源，80%源于肠道发酵，剩余源于粪污管理。董红敏基于张耀民对动物甲烷排放的核算，综合采用了OECD 和IPCC国家温室气体排放清单编制指南的研究方法，估算了我国动物甲烷排放率。结果表明1990年我国反刍动物甲烷排放占全球的7.2%，畜禽粪便甲烷排放占全球的5%。部分学者认为畜禽数量与碳排放量呈正相关[7]，大型反刍动物饲养量与肠道甲烷排放量成正相关，生猪出栏量与粪便管理甲烷排放呈正相关[8]。由于中国畜禽年均
饲养量下降，尤其是反刍动物下降较大，导致全国畜禽碳排放量总体下降。从区域上看，内蒙古、和青海牧区的畜禽碳排放整体增加，新疆牧区则先增加后减少[9]。未来中国畜牧业碳排放下降速度可能会放慢[10]。气温升高
也与畜牧业甲烷排放正相关，平均气温较高是导致四川、湖南、广东甲烷排放量大的诱因之一[11]。IPCC不同层级的方法核算结果不同，基于IPCC的二级方法，2001年加拿大奶牛与肉牛的甲烷排放量分别为3.6 t CO2e和16.0 t CO2e，每年每头奶牛的碳排放为90 kg，比IPCC一级方法的核算结果多18 kg[12]。加拿大单位重量奶牛的碳排放量为4.55 mg CO2e。每公斤牛奶平均排放1 kg二氧化碳、19.31 kg甲烷，与现场测算结果基本一致[13]。
2畜牧业碳足迹核算方法
畜牧业碳排放核算方法是否准确呢？已有学者对IPCC提出的碳排放核算方法的全面性提出了质疑[14-15]，并建议畜牧业生产的前端与后端也应纳入碳排放核算，即碳足迹。碳足迹核算方法主要包括生命周期评价法和投入产出法。生命周期评价指产品在生产、使用及回收再利用等各阶段对环境产生的影响，包括能源使用、资源消耗、污染物排放等，是一种自下到上的、对产品及其“从开始到结束”的过程计算法。它被广泛运用于畜牧业碳足迹核算。而投入产出法是一种自上到下的计算方法。学术界倾向于用畜产品碳足迹来衡量畜牧业碳足迹情况。
2.1生命周期评价法
生命周期评价法（LCA）基于碳排放系数，在界定系统边界的基础上核算碳足迹。因此，作为整个评价结果的关键，不同系统边界导致结果存在误差。目前，LCA核算畜牧业碳足迹的边界主要有从摇篮到农场大门和从摇篮到消费者。
2.1.1部分生命周期（从摇篮到农场大门）
基于生命周期评价，学者们得到两点共识。
第一，区域异质性影响畜产品碳足迹。以牛奶为例，碳足迹贡献排名是胃肠道甲烷、电力、柴油及粪污排放和运输[16]。FAO计算全球每公斤牛奶碳足迹的平均水平为（2.4±0.624）kg CO2e/kg FPCM①。但在实证研究中，每公斤牛奶的碳足迹为0.41―2.46 kg CO2e[17-18]，发达国家与发展中国家存在一定差距：西班牙为0.84―2.07 kg CO2e[19]，欧盟为1.4 kg CO2e[20]，爱尔兰为1.5 kg CO2e/kg ECM②[21]，中国为1.01―1.52 kg CO2e[22]。但是，奶牛的常规养殖与有机养殖的碳足迹差异不明显。瑞典常规和有机奶牛场分别为0.76―1.26和0.73―
1.11 kg CO2e/kg ECM[23]，荷兰分别为1.4 kg CO2e/kg FPCM和1.5 kg CO2e/kg FPCM[24]。
除了牛奶外，其他畜禽产品的碳足迹也具有区域异质性。Franz Weiss， Adrian Leip运用CAPRI模型核算的欧盟27成员国畜产品碳足迹表明：牛肉占28%―29%，牛奶占28%―30%，猪肉占25%―27%[25]。欧盟27成员国每公斤牛肉、羊肉、猪肉、禽肉和鸡蛋的碳足迹分别为22、20、7.5、5、3 kg CO2e[20]，与G. Zervas的研究结果排序一致[26]，
英国传统农场羊肉和牛肉的碳足迹为8.1―31.7和 9.7―38.1 kg CO2e[27]，与欧盟的平均水平一致。也有W者认为欧洲每公斤猪肉的碳足迹为2.6―6.3 kg CO2e[28]，加拿大则为3.6 kg CO2e[29]。
第二，养殖规模与管理方式影响碳足迹。学者认为散养比规模养殖产生更多碳排放，中国四川省家庭农场每公斤鸡蛋、鸡肉和猪肉的碳足迹为3.7、20.02和5.42 kg CO2e，而规模化养殖场分别为3.46、7.86和4.29 kg CO2e[22]。
规模化养殖场的管理能够减少畜牧业碳排放，不同规模与管理方式的碳减排效果不同。西安、山东和四川规模化奶牛养殖场的碳足迹分别为1.52 kg CO2e/kgFPCM、1.34 kgCO2e/kg FPCM[30]和1.13 kg CO2e[22]。巴西肉牛养殖中89%―98%的碳排放源于动物本身，对于2 000头牛以内的牧场，单位体重肉牛的碳足迹为4.8―8.2 kg CO2e，2 000头牛以上的牧场，单位体重肉牛的碳足迹为5―7.2 kg CO2e[31]。基于Dairy GHG模型，在不同喂养和粪污处理方式下，美国不同规模奶牛养殖的碳排放范围为0.37―0.69 kg CO2e/kg ECM。舍饲比户外放牧排放更多的碳。瑞典舍饲系统碳足迹为1.16 kg CO2e，新西兰户外放牧系统碳足迹为1 kg CO2e。
2.1.2全生命周期（从摇篮到消费者）
随着生命周期评价法的演进，其研究范畴逐步由摇篮到农场大门延伸至摇篮到消费者，即将畜牧业生产后端碳排放也纳入范畴，但采用该种方法的学者较少。孟祥海、程国强、张俊飚运用全生命周期法，分析了我国畜牧业的碳排放的时空特征。研究表明，我国畜牧业碳排放量总体增长，但饲料粮运输加工和畜禽屠宰加工环节的排碳量占比均少于1.05%，胃肠道发酵和粪便管理排碳量占比降低，反刍家畜排碳量多于非反刍畜禽[32]。董红敏运用全生命周期法核算了中国畜产品的碳足迹，排序为牛肉、猪肉、鸡蛋和牛奶[30]。但两篇文章侧重点不同，前者偏重畜牧经济，后者偏重畜牧技术。
2.2投入-产出法
投入产出法（IO）根据投入产出表建立相应的数学模型，以此系统反映各部门的关系。结合各部门的碳排放数据，核算其在整个生产链上引起的碳排放量。J.P.Lesschen运用MITERRAEurope模型，分析了欧盟27个成员国的畜牧业碳排放情况，总量上，欧盟成员国的乳业部门碳排放最多，肉牛排第二位；单位重量排碳量排序为：牛肉、猪肉、鸡蛋、禽类、牛奶[33]。B.Henderson用随机前沿分析法（SFA）构建不同区域的生产边界，基于IO分析了非洲六国小农户的种植业-畜牧业混合经营产出差异及增加食物产出及减少食物碳排放强度的潜力。研究表明，如果缩小产出差异将降低产品碳排放强度[34]。
IO从宏观国民经济角度核算畜牧业碳排放量，基于经济投入量和单位产值的碳排放强度，输出最终畜牧业的碳排放量。此外，我国的投入-产出表每五年更新一次，加之研究区域畜牧业部门统计数据中的单位产值碳排放强度具有差异性，导致采用该方法核算畜牧业碳排放具时滞性与差异性。
3不同核算方法的比较
鉴于OECD法与IO法仅被少数学者用于畜牧业碳排放核算，且欧盟与中国均为最早关注气候变化的经济体，因此，以IPCC系数法与生命周期法为例对比两个经济体的畜牧业碳排放与碳足迹核算方法的结果。
部分学者运用生命周期法及CAPRI模型对欧盟27国畜牧业碳排放总量排序为：牛奶、牛肉、猪肉，这与运用IO及MITERRAEurope模型的结果一致，但欧洲各国的生产系统、喂养方式及饲料利用率等方面的差异性导致单位农产品的碳排放量有很大差异，基于IO的畜牧业碳排放单位量排序为：牛肉、猪肉、鸡蛋、牛奶。运用IPCC系数法与全生命周期法分别核算的中国2007年与1990―2011年的畜牧业碳排放排序为：牛、猪、羊[11，33]；也有学者基于IPCC系数法核算了2011年畜牧业碳排放情况，排序结果略有不同，即非奶牛（黄牛和水牛）、羊、猪、奶牛、马、兔、骆驼。
可见，运用不同核算方法及模型对欧洲畜牧业碳排放总量核算结果一致，对中国畜牧业碳排放总量的核算结果略有差异，牛的排放量最多，但猪和羊的排放量结果不尽一致。两经济体的单位农产品碳排放量也有差异，这些差异究竟由何种原因导致呢？不同核算方法有何区别？表1按照畜牧业碳排放到碳足迹的演进，对不同核算方法的起源、最早采用时间、特点、局限性等进行了归纳总结。从表1可以看出，尽管不同的系统边界会影响碳足迹核算结果，但历经了OECD法、IPCC法的演化，LCA法能相对准确地核算碳足迹，可行性较强，是现阶段碳足迹核算的主流方法；如果IO法能够解决数据滞后的问题，将促使碳足迹核算进一步演化，核算投入品的隐含碳。
4总结与研究展望
畜牧业经历了从碳排放到碳足迹核算方法的演化与完善，其中IPCC系数法及生命周期评价被学术界广泛使用，但鉴于研究边界、研究区域及研究方法特点等差异性，导致现阶段学术界核算的畜牧业碳排放量不尽一致。通
过对现有文献的梳理，可以发现畜牧业碳足迹能够更加全面的反映畜牧业全生命周期的碳排放情况，其中以生命周期评价法为代表，并以此为基础对畜牧业碳排放的其他方面展开研究。
上述综述性研究和结论对畜牧业碳排放核算的研究范式提供一定的解释，但仍需后续研究。首先，目前学术界对于碳足迹系统边界的界定是否准确，基于生命周期法的畜牧业碳足迹是否真正做到了从摇篮到坟墓的碳排放核算，在畜产品到达消费者是否就可以被视为畜产品的消亡？亦或还需要核算畜产品回收再利用阶段的碳排放，即消费者对畜产品加工直到畜产品再次以粪污的形式重新回归自然。其次，综合运用畜牧业碳排放与碳足迹的相关核算方法，整合出一套更加完善的、弱化各种核算方法不足的碳排放核算方法，使其能更加准确的反映畜牧业碳排放的真实情况。最后，亟需标准化畜牧业碳排放核算，即给出畜牧业碳排放核算的通式或是不同畜产品的碳足迹标准，避免学者重复核算畜牧业碳排放量，以便展开畜牧业碳排放其他方面的研究。
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Review of research from carbon emissions to carbon footprint in livestock husbandry
SHI ShuaiLI CuixiaLI Meiting
（School of Economy and Management， Northeast Agriculture University， Harbin Heilongjiang 150030，China）
AbstractThe increasing trend of global warming both affects the sustainable development of agriculture and threatens human survival. Livestock have caught growing concern for the large proportion in agricultural carbon emissions. Accurate calculation of livestock carbon emissions is the precondition of feasible reduction policy. It also provides voice for distinct responsibility of China in climate change. Based on the research paradigm evolution， this article presents the research development of livestock from carbon emissions to carbon footprint. The results show carbon emissions methods for livestock have experienced the OECD method， the IPCC coefficient method， the life cycle assessment （LCA） method and inputoutput method. Scholars thought the regional heterogeneity， the scale of farming and the management mode all affect the carbon footprint. Carbon emissions of livestock grazing are more than large scale livestock breeding. Shelter feeding has more carbon emissions than outdoor grazing. Carbon footprint assessment more fully reflects the whole life cycle carbon emissions of livestock husbandry. However， due to the differences of research hypothesis， methods and samples， there are uncertainties on carbon emissions assessment results of different regions and animal byproducts. Based on LCA and inputoutput methods， livestock carbon emissions of the European Union are basically identical， but it is different in China by the whole LCA and IPCC coefficient method in cattle， pigs and sheep. Therefore， this study makes the comparison of different methods in the origin， the earliest time used， characteristics， limitations， etc. The study also recommends the extended boundary of livestock based on LCA and standardized carbon footprint of livestock. Only in this way can the scholars avoid repeating accounting carbon emissions of livestock and expand further research in this field.
Key wordscarbon emission； carbon footprint； life cycle assessment