亮文解读 | 新西兰奶牛生产系统与环境影响研究
发布时间：2022-08-18
发布人：石 靓
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Integrating Crop and Livestock Production Systems
专 辑 文 章 介 绍
· 第十篇 ·
▎论文ID
NEW ZEALAND DAIRY FARM SYSTEMS AND KEY ENVIRONMENTAL EFFECTS
jiafa.luo@agresearch.co.nz
作者单位：新西兰皇家农业科学院Ruakura研究中心。
Cite this article :
Jiafa LUO, Stewart LEDGARD. NEW ZEALAND DAIRY FARM SYSTEMS AND KEY ENVIRONMENTAL EFFECTS. Front. Agr. Sci. Eng., 2021, 8(1): 148‒158 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2020372
本文概述了新西兰奶牛场放牧系统的类型，以及与日俱增的外源性饲料和氮肥等资源投入的变化情况，特别是增加投入后对氮素淋洗和温室气体排放等关键环境指标的影响。新西兰奶牛养殖系统主要是基于以全年放牧或在多年生黑麦草/三叶草轮牧的季节性进行奶牛养殖的模式。新西兰奶牛场的放养率自2000/2001年的每公顷2.62头增加到2015/2016年的每公顷2.85头。与此同时，每头奶牛的每年产奶量从315公斤增加到378公斤。在奶牛生产效率提高的同时，氮肥施用量大约增加了30％，外源性饲料用量增加了两倍。蛋白质含量较低的外源饲料（例如青贮玉米）可以提高氮素利用效率，并有可能减少每单位牛奶生产过程中的氮损失。在较潮湿的冬季，围场外设施（如栅栏或饲料垫）常被用来限制放牧。针对怀卡托地区（新西兰最大的牛奶生产区域）奶牛场进行系统分析发现：从土地利用角度来看，氮肥及外源性饲料投入的增加虽然可以提高每头牛产奶量，但是牛奶生产效率的变化却不大。此外，氮肥和外源性饲料投入的增加降低了11%的氮足迹（生产单位重量牛奶氮的排放量）、增加了2%的碳足迹（生产单位重量牛奶温室气体排放量）。
关键词：奶牛场、环境影响、放牧系统、集约化生产、缓解措施
1. 新西兰的奶牛养殖系统是在以多年生牧草（黑麦草/白三叶草）为基础的牧场进行全年放牧。
2. 在过去二十年，随着外源性饲料用量增加，每公顷农田牛奶产量增加了约29％。
3. 利用蛋白质含量较低的外源性饲料可减少生产每单位产量牛奶的N2O排放和氮淋洗损失。
4. 系统分析对于评估减排措施以最大限度维持各环境指标间的平衡非常重要。
过去冬天土壤潮湿时，农民很少把牲畜从牧场中转移出去，但在过去20年非常潮湿的时期，人们会让奶牛远离牧场，以保护牧场、土壤和奶牛。奶牛在牧场越冬会致使土壤被压实，从而降低土壤孔隙度和导流能力，增加容重。土壤压实也会降低牧草产量和牧场中白叶草的固氮水平。通常每天在清晨和傍晚进行两次挤奶，此过程要求奶牛沿着巷道走到挤奶棚，在挤奶棚里停留大约45分钟。当奶牛多次穿过牧场大门和走过巷道时，局部区域的土壤可能会被压实，并导致尿液和粪便沉积。沉积在巷道和挤奶棚的排泄物数量与在该区域停留的时间大致成正比，因此，估计约有5%–10%的排泄物沉积在挤奶棚和途径的院子里。来自挤奶棚和挤奶场的污水被冲入污水管理系统（通常是一个封闭的池塘系统）储存起来，然后经处理撒在土地上。早春产犊策略是一种常用的策略，其目的是使牧群的饲料需求与牧草生长高峰同步。因此，在深秋到冬季期间，整个牛群会有三个月的时间不能哺乳。科学家通过研究过去二十年中乳制品生产集约化带来的影响，概述了新西兰草原奶牛场的农业活动和环境绩效。
放牧压力会随着乳制品产量的提高而增加，这种趋势增加了土壤板结和牛蹄损害牧场的风险。同时，更多的排泄物也沉积到了牧场上。表1显示，在2000–2016年之间，新西兰奶牛场的平均年放养率从每公顷2.62头奶牛增加到每公顷2.85头。平均施肥量（氮）从2004/2005年每公顷115公斤增加到2018/2019年每公顷约140公斤（图1）。在同一时期，年平均化肥磷施用量从每公顷约50公斤下降到每公顷25公斤。在过去的15–20年里，许多新西兰奶农已经放弃了低外部饲料投入系统（即外部饲料来源较低的系统1和系统2）。新西兰奶牛场可以分为五类生产系统, 从饲料自给自足的系统1到使用25%–40%的外来饲料的系统5。系统1和2农场的比例在2000/2001年和2015/2016年之间减半。相反，中型系统3（即中度依赖外部饲料来源）占五类生产系统总量的比例从17%增加到43%。系统4和系统5农场所占比例也有小幅上升，从12%上升到21%。
集约化乳制品生产往往伴随着肥料投入、围场外设施和饲料投入的增加，这将对环境产生一系列的影响。增加农场的化肥氮投入可能导致氮盈余的增加。一些农场剩余的氮将暂时留存在土壤中，随后沥滤和挥发，造成经济和环境的不良影响。由于在潮湿的土壤中氮的损失（包括淋滤和一氧化二氮排放）最高，新西兰农民通常避免在晚秋至冬季施用氮肥。由于饲料投入外部化的增强，外源饲料在生产和使用过程中会产生温室气体排放和氮淋滤。与以放牧为基础养殖场相比，集约化引起的饲料来源外部化有可能造成农场系统环境的负面影响。与此同时，这些集约化生产系统也可能为改善环境效率提供机会。其原因为牧草（苜蓿）的蛋白质含量通常高于动物所需，导致在生产过程中可能会产生较多氮盈余。集约化养殖场中投入的低蛋白质和高代谢能含量的饲料与动物需求较为匹配，如玉米青贮饲料可以提高奶牛对氮的利用效率，并减少每单位产奶量的氮损失。
需采用全面系统分析的方法来评估与乳制品生产相关的资源使用情况和环境影响，分析时应考虑所有投入资源使用成本和环境成本，包括用于生产所有农业投入品（例如外部来源的饲料）的生产用地和在所有土地上使用的肥料和农用化学品的生产和运输成本。这通常会采用生命周期评估（LCA，Life cycle assessment）的方法，并考虑一系列的资源使用情况和环境影响指标。LCA方法的一个优点是当针对一个指标（例如富营养化）采取措施消除环境影响时，也可同时观测到其他环境指标的权衡变化。
在过去的20年中，新西兰对奶制品需求的增加导致了奶牛场向集约化转变（载畜率的提高、氮肥使用的增加和外部资源投入量的增加）。由于环境法规的限制，在过去五年中，集约化的增强趋势已经逐渐停滞。但与低投入的放牧系统相比，高投入的集约化系统导致了一系列的环境问题，包括水质恶化和温室气体排放增加。然而，使用外部来源蛋白质含量较低的饲料可以提高饲料利用效率，进而减少营养盈余。此外，增加外部来源饲料的投入量将增加每头奶牛的产奶量，但从土地利用的角度来看，牛奶生产效率并没有发生明显改变。
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