Опубликовано 7 часов назад

Оценка углеродного следа пастбищных систем молочного животноводства в Южной Африке

Оценка воздействия на окружающую среду интенсивных систем молочного животноводства в последнее время вызывает все больший интерес, поскольку сельское хозяйство оказывает несколько негативных воздействий на окружающую среду, включая эвтрофикацию, снижение биоразнообразия и загрязнение близлежащих водоемов. Молочное производство, в частности, характеризуется выбросами парниковых газов (ПГ), способствующих изменению климата.

В данном исследовании углеродный след южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства был оценен с использованием подхода оценки жизненного цикла (LCA) на уровне фермерских ворот. Всего было обследовано 82 пастбищных молочных фермы по всей Южной Африке (2012–2022 гг.). Средний углеродный след по всем системам молочного животноводства составил 1,36 ± 0,21 кг CO2-экв на кг произведенного молока, скорректированного по содержанию жира и белка (FPCM), что выше, чем в аналогичных исследованиях, проведенных за пределами Южной Африки. Наибольшее влияние на углеродный след оказала энтеральная ферментация, что указывает на ключевую роль метана как источника выбросов в животноводческих системах с преобладанием жвачных животных. Была выявлена разница в эффективности производства молока между системами животноводства с наименьшим и наибольшим углеродным следом. Пастбищные системы молочного животноводства должны управляться с применением адаптивных методов управления, таких как регенеративное сельское хозяйство. В будущих исследовательских программах следует изучить подходы к моделированию для оценки экономического и экологического воздействия молочного производства, формируя целостное понимание динамики системы, а также одновременно количественно определяя чистые выбросы углерода или его поглощение.

Прибыльность южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства постоянно находится под давлением из-за постоянно растущих затрат на такие ресурсы, как удобрения, электроэнергия, корма, рабочая сила и агрохимикаты (Galloway и др., 2018a; Viljoen и др., 2020). Чтобы устойчиво увеличивать чистый доход фермы, молочные фермеры должны обеспечивать оптимальное использование ресурсов (Capper и др., 2009), одновременно улучшая воздействие системы животноводства на окружающую среду. Связь между экономической жизнеспособностью и экологической осведомленностью для интенсивно управляемых пастбищных систем молочного животноводства имеет решающее значение для рассмотрения, поскольку обе играют ключевую роль в обеспечении непрерывного производства молока для удовлетворения глобальных и местных потребностей. Оценка воздействия молочного производства на окружающую среду в последнее время вызывает все больший интерес (Продовольственная и сельскохозяйственная организация и Глобальная молочная платформа, 2018; Mazzetto и др., 2022). Молочное животноводство в целом оказывает несколько негативных воздействий на окружающую среду, включая загрязнение водоемов питательными веществами (эвтрофикация) и стоком пестицидов, эрозию почвы и снижение биоразнообразия (Продовольственная и сельскохозяйственная организация, 2010). Молочное производство характеризуется выбросами парниковых газов (ПГ), таких как метан (CH4), закись азота (N2O) и диоксид углерода (CO2), и тщательно количественно оценивается во всем мире путем проведения исследований оценки жизненного цикла (LCA) на уровне фермерских ворот (Bartl и др., 2011; Pirlo и др., 2014; Guest и др., 2017; Hietala и др., 2021). Однако противоречивые результаты указывают на чувствительность метода LCA к различным подходам моделирования и расчетам ПГ (Flysjö и др., 2011). Более того, системы молочного животноводства подвержены широкому разнообразию климатических переменных, почвенных условий и агрономических методов управления, что приводит к различным входным данным моделирования и переменным, влияющим на расчеты (Flysjö и др., 2011; Mazzetto и др., 2022). Это очевидно из исследований LCA, проведенных в Европе, Австралазии и Северной Америке, где выбросы ПГ варьировались от 0,80 до 1,72 кг CO2-экв на кг произведенного молока, скорректированного по содержанию жира и белка (FPCM), для пастбищных молочных систем (O'Brien и др., 2014; Chobtang и др., 2017; Christie, 2019; Rotz и др., 2021). Несмотря на использование аналогичных показателей для количественной оценки выбросов ПГ в системах молочного животноводства, сравнение выбросов ПГ между молочными системами, расположенными в разных странах, приведет к неточным выводам из-за различий в методологических аспектах, таких как коэффициенты выбросов, что ограничивает прямое сравнение.

В недавнем систематическом обзоре Mazzetto и др. (2022) обнаружили, что в пастбищных молочных системах основными источниками выбросов ПГ были энтеральная ферментация, управление навозом, использование удобрений и производство кормов для скота, в зависимости от профиля ПГ конкретной страны. Сравнение углеродных следов систем молочного животноводства между странами является сложной задачей и может привести к ошибочным выводам. Стратегии смягчения последствий будут соответственно различаться между странами и многогранными системами молочного животноводства (O'Brien и др., 2010; Zehetmeier и др., 2014), такими как улучшенное управление выпасом и стоками, эффективные стратегии применения азотных удобрений и повышенная эффективность орошения (Galloway и др., 2018a; Viljoen и др., 2020; Phohlo и др., 2022). Galloway и др. (2018b) указали, что количественная оценка углеродного следа помогает изучить основные факторы, влияющие на прибыльность молочного производства, из-за корреляции между более низкими выбросами ПГ и более высокой валовой маржой.

Несмотря на растущий интерес к исследованиям углеродного следа в молочной отрасли во всем мире, оценки для южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства в настоящее время отсутствуют (Smit и др., 2021; Mazzetto и др., 2022), хотя на животноводство приходится ~50% годовых выбросов CH4 в Южной Африке (Департамент лесного хозяйства, рыболовства и окружающей среды, 2021). Кроме того, на молочный скот приходится ~12% ежегодно выбрасываемого энтерального CH4 от всего скота в Южной Африке (Tongwane и Moeletsi, 2020). Это указывает на критический пробел и подчеркивает необходимость оценки углеродного следа южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства для установления влияния текущих фермерских агрономических и животноводческих практик на окружающую среду (Du Toit и др., 2013). Цель данного исследования состояла в оценке углеродного следа южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства с использованием подхода LCA на уровне фермерских ворот. Наш анализ показал объем и диапазон выбросов ПГ, а также конкретные факторы, влияющие на выбросы ПГ. Представлены устойчивые возможности для снижения углеродного следа пастбищных систем молочного животноводства и варианты будущих исследований.

Источники данных и обзор

В оценку были включены в общей сложности 82 пастбищных системы молочного животноводства в трех провинциях Южной Африки, а именно в провинциях Западный Кейп, Восточный Кейп и Квазулу-Натал, представляющие данные за период с 2012 по 2022 год. Данные были собраны от фермеров, являющихся частью фермерской программы Trace & Save и Проекта устойчивого развития Woodlands Dairy (Trace and Save, 2023). Многие из этих ферм используют комплексный инструмент управления данными и отчетности под названием Fourth Quadrant (2023), который использовался для получения данных от фермеров. Точки данных включали поголовье молочного скота, производство молока, практику перемещения животных, общую норму внесения азотных удобрений, производство кормов и темпы роста травяного покрова. Выращивание телок в рамках каждой системы животноводства не было общепринятой практикой в различных системах. Поэтому, чтобы создать набор данных, репрезентативный для всей пастбищной системы молочного животноводства, и чтобы обеспечить возможность сопоставимого сравнения между фермами, наблюдения были удалены из набора данных на основе следующих критериев: (i) где доля телок во всем стаде составляла <17% (слишком мало телок для замены); (ii) где средний вес телок был <150 кг, а доля <30% (в случае, когда система животноводства выращивает много молодых телок, а более старые телки не находятся в системе собранных данных); и (iii) где доля сухостойных коров составляла <4,5%, что предполагает, что сухостойные коровы содержались на отдельной земле за пределами системы животноводства собранных данных. Поскольку фермеры сами заполняют наборы данных, например, в Fourth Q, проверка данных для обеспечения качества данных выполнялась вручную компанией Trace & Save, которая является частью операционных и профессиональных услуг, предоставляемых фермерам, и при возникновении любых расхождений фермеры связывались для разъяснений.

Оценка жизненного цикла выбросов парниковых газов на уровне фермерских ворот

Выбросы парниковых газов были оценены и классифицированы в соответствии с выбросами "от колыбели до ворот" Глобальной модели оценки воздействия животноводства на окружающую среду (GLEAM) Продовольственной и сельскохозяйственной организации (Продовольственная и сельскохозяйственная организация, 2021), а также с уточнениями МГЭИК 2019 года к Руководящим принципам МГЭИК 2006 года для национальных кадастров парниковых газов (Межправительственная группа по изменению климата, 2019a). Прямые выбросы включали энтеральную ферментацию и управление навозом, параметры производства пастбищ и сельскохозяйственных культур (т.е. использование N-удобрений; Межправительственная группа по изменению климата, 2006a,b, 2019a,b; Du Toit и др., 2013) и использование ископаемого топлива (Межправительственная группа по изменению климата, 2006c; Департамент по вопросам окружающей среды, 2017; Рисунок 1). Косвенные выбросы включали использование электроэнергии, производство покупных кормов (Продовольственная и сельскохозяйственная организация, 2018; Blignaut и др., 2019; Продовольственная и сельскохозяйственная организация, 2020a,b), производство удобрений и пестицидов (Audsley и др., 2009; Kool и др., 2012), транспортировку (Департамент окружающей среды, продовольствия и сельских дел и Департамент энергетики и изменения климата, 2022) и встроенную энергию (Продовольственная и сельскохозяйственная организация, 2018; Рисунок 2). Для распределения выбросов между производством молока и мяса используется метод физического распределения, как рекомендовано Международной молочной федерацией (2015). Поскольку оценка проводилась на уровне фермерских ворот, функциональной единицей для оценки выбросов ПГ был килограмм молока, скорректированного по содержанию жира и белка (Международная молочная федерация, 2015). Поэтому для установления углеродного следа и выбросов ПГ молочных продуктов из систем животноводства было определено количество эквивалентов диоксида углерода на килограмм произведенного молока, скорректированного по содержанию жира и белка (кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM). Согласно Шестому оценочному докладу МГЭИК (Межправительственная группа по изменению климата, 2021), 1 кг CH4 рассчитывается как 27 кг CO2-экв, а 1 кг N2O рассчитывается как 273 кг CO2-экв.

Рисунок 1 Блок-схема инвентаризации жизненного цикла с указанием точек данных о прямых выбросах ПГ, собранных с каждой системы молочного животноводства, для определения выбросов по источникам.

Рисунок 2 Блок-схема инвентаризации жизненного цикла с указанием точек данных о косвенных выбросах ПГ, собранных с каждой системы молочного животноводства, для определения выбросов по источникам.

Хотя мы признаем важность оценки воздействия молочного животноводства на единицу площади земли, используемой для производства, это выходит за рамки данного исследования и должно быть изучено в будущем.

Обработка данных и статистический анализ

Чтобы изучить диапазон выбросов ПГ и углеродных следов, возникающих в результате практики пастбищного молочного животноводства в Южной Африке, был рассчитан минимум, максимум и средние выбросы по терцилям для каждого источника выбросов. Терцили были созданы путем группировки наблюдений на трети, т.е. нижнюю треть, среднюю треть и верхнюю треть выбросов по каждому источнику. Затем было рассчитано среднее количество выбросов ПГ по терцилям для каждого источника.

Для изучения основных эффектов методов управления сельскохозяйственными культурами и животноводством на углеродный след в системах молочного животноводства использовались показатели частичной производительности. Были проведены корреляции Спирмена (данные не имели нормального распределения, Шапиро-Уилк = 0,826; P < 0,001) между выбросами ПГ и показателями частичной производительности. Показатели частичной производительности дополнительно использовались для изучения сходств между системами животноводства, характеризующимися значительно разными углеродными следами (высокий против низкого). Был рассчитан средний уровень всех показателей частичной производительности для систем животноводства с наименьшим углеродным следом (т.е. наблюдения с наименьшими 15% кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM) и ферм с наибольшими углеродными следами (т.е. наблюдения с наибольшими 15% кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM). Для проверки различий между средними показателями частичной производительности для групп с наименьшим и наибольшим углеродным следом использовался t-критерий Стьюдента (α = 0,05).

Углеродный след пастбищных систем молочного животноводства в ЮАР

Средний углеродный след по всем системам животноводства составил 1,36 ± 0,21 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM, что соответствует данным (Meissner и Ohlhoff, 2022), которые сообщили, что выбросы ПГ от производства молока в Южной Африке находятся в диапазоне от 1,2 до 1,4 кг CO2-экв кг⁻¹ молока. Smit и др. (2021) измеряли выбросы ПГ непосредственно из почвы в ответ на обработку N-удобрениями в провинции Западный Кейп (Южная Африка) и сообщили об углеродном следе 1,3 кг CO2-экв кг⁻¹ энергетически скорректированного молока для обработок, получающих <200 кг N га⁻¹ год⁻¹, и максимальном углеродном следе 2,6 кг CO2-экв кг⁻¹ ECM при внесении 800 кг N га⁻¹ год⁻¹. По сравнению с аналогичными исследованиями оценки жизненного цикла выбросов ПГ "от колыбели до фермерских ворот", проведенными за пределами Южной Африки, средний углеродный след, обнаруженный в нашей оценке, был больше. Например, средние выбросы ПГ с пастбищных молочных ферм в Ирландии составили 1,11 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM с диапазоном 0,87–1,72 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM (O'Brien и др., 2014). В Новой Зеландии (Chobtang и др., 2017) сообщили о средних выбросах ПГ 0,8 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM на основе 53 пастбищных систем молочного животноводства, в то время как (Christie, 2019) сообщил о значении 1,04 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM на основе 41 системы животноводства в Австралии. Аналогично, средние выбросы ПГ с молочных ферм, представляющих различные размеры и методы управления в шести регионах Соединенных Штатов Америки, составили 1,01 ± 0,09 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM (Rotz и др., 2021). По сравнению с глобальным углеродным следом для производства молока в 2015 году, углеродный след пастбищных систем молочного животноводства в Южной Африке был на 55,5% ниже и довольно похож на системы молочного животноводства, расположенные в регионе Океании (Продовольственная и сельскохозяйственная организация и Глобальная молочная платформа, 2018).

Источники выбросов ПГ

Вклад каждого источника выбросов в углеродный след показан в Таблице 1. Изучение этих факторов дает понимание для определения источников выбросов ПГ и разработки методов управления для их надлежащего регулирования или смягчения на уровне фермы (Mazzetto и др., 2022). Энтеральная ферментация оказала наибольшее влияние на углеродный след, что совпадает с выводами Pirlo и др. (2014) в Италии. Кроме того, Du Toit и др. (2013) обнаружили, что средний CH4, выбрасываемый на одну голову крупного рогатого скота, составлял 71,8 кг CH4 в год в южноафриканских пастбищных системах животноводства. Производство метана неизбежно в системах животноводства с жвачными животными, поскольку выделение CH4 является побочным продуктом в процессе энтеральной ферментации и позволяет молочному скоту усваивать белок и жирные кислоты из грубых кормов. На сегодняшний день было предложено несколько стратегий по снижению выбросов энтерального CH4 (Galloway и др., 2018b), в основном сосредоточенных на селекции, кормлении и диетических добавках (de Boer и др., 2011). Увеличение соотношения концентратов к грубым кормам может снизить выбросы энтерального CH4, однако дополнительные выбросы N2O и CO2, связанные с транспортировкой и производством больших объемов концентратов, могут ограничить общее чистое сокращение ПГ. Важно, что включение в рацион молочных коров таких кормовых культур, как белый клевер (Trifolium repens) или цикорий (Cichorium intybus), может снизить выбросы энтерального CH4. Хотя белый клевер производит очень низкие уровни танинов в листьях (Kagan, 2021), некоторые танины обнаруживаются в цветках и семенных оболочках. Предыдущие попытки селекции по увеличению содержания танинов в листве белого клевера были безуспешными, хотя был достигнут прогресс (Roldan и др., 2022). Было обнаружено, что танины влияют на метаногенез (Haque, 2018), ингибируя рост и активность популяции метаногенов, однако снижение продукции энтерального CH4 с использованием танинов было нестабильным (Bodas и др., 2012; Cieslak и др., 2013; Ku-Vera и др., 2020).

Таблица 1 Минимальные, максимальные и средние выбросы ПГ (кг CO2-экв кг⁻¹ молока, скорректированного по содержанию жира и белка) по терцилям (n = 119) по источникам выбросов на основе 357 наблюдений на 82 пастбищных системах молочного животноводства в Южной Африке.

Белый и красный (T. pratense) клевер и цикорий часто являются частью видового состава молочных пастбищ в провинциях Западный и Восточный Кейп (Viljoen и др., 2020), поскольку они адаптированы к более прохладной погоде, наблюдаемой вдоль прибрежных производственных зон. Фиксация азота клевером повышает плодородие почвы, что является ключевым преимуществом для продуктивных молочных пастбищ в условиях интенсивного выпаса молочными коровами (Botha и др., 2008a). Тем не менее, фермеры часто сталкиваются с двумя ограничениями, связанными с включением клевера: неоптимальное создание травостоя и сниженная продуктивность травяного покрова, особенно по сравнению со злаковыми видами. Примечательно, что эти ограничения обычно не наблюдаются у цикория, что подчеркивает важность тщательного выбора кормовых видов для оптимизации продуктивности и устойчивости пастбищ (Botha и др., 2008b; Van der Colf, 2011) в контексте молочного животноводства с низким углеродным следом.

Помимо энтеральной ферментации, значительный вклад в углеродный след также внесли управление навозом, производство сельскохозяйственных культур и пастбищ, управление удобрениями и водой, электроэнергия и производство покупных кормов. Навоз крупного рогатого скота является источником CH4, N2O, газа аммиака (NH3) и мочевины, и доступны ограниченные стратегии управления для снижения ПГ от навоза (Pirlo и др., 2014). Повышение эффективности использования N в молоке не только снижает количество N, выбрасываемого с навозом (и потери N в окружающую среду), но также снижает ненужные затраты, такие как корма и N-удобрения. Внесение N-удобрений для стимулирования продуктивности пастбищ производит значительные количества азотсодержащих газов, таких как N2O и NH3, что подчеркивает важность внедрения специфических для конкретных участков методов управления для повышения эффективности использования N и, следовательно, смягчения этих выбросов газов.

Взаимосвязь между управлением сельскохозяйственными культурами, пастбищами и животноводством также может опосредовать различные другие пути смягчения выбросов ПГ, такие как секвестрация органического углерода в почве (Soussana и др., 2010; Paustian и др., 2016; Brewer и др., 2023). Повышение содержания органического углерода в почве дает возможность отказаться от необходимости в больших объемах неорганических N-удобрений, что является характерной чертой этих интенсивно управляемых пастбищ. Более высокие уровни органического углерода в почве приводят к улучшению круговорота питательных веществ в почве и, следовательно, к улучшению доступных для растений питательных веществ, таких как N, фосфор и калий (Fageria, 2012; Lal, 2015). Действительно, отношение C:N в почве можно рассматривать как показатель относительной доступности N в почве (Terrer и др., 2019), где отношение 15:1 может использоваться как порог между относительно обильным или ограниченным N в почвах (Bai и др., 2023). Более высокое отношение может привести к плохой микробной активности почвы из-за ограниченных уровней N (Lal, 2015). Методы управления, улучшающие содержание органического углерода в почве, как правило, также менее интенсивно воздействуют на окружающую среду, такие как долгосрочные многолетние пастбища (постоянный почвенный покров и активно растущие корни), ротационный выпас с высокой плотностью, оптимальные нормы внесения удобрений и минимальная или нулевая обработка почвы (Badgery и др., 2014; Rutledge и др., 2015; Swanepoel и др., 2015). Недавнее исследование Frasier и др. (2022) подчеркнуло важность непрерывно растущих корней растений при восстановлении и повышении уровня органического углерода в почве в системах с преобладанием пастбищ наряду с минимальным нарушением почвы. Системы земледелия с большим поступлением корней, такие как смешанные бобово-злаковые культуры (Porwollik и др., 2022) при минимальной обработке почвы, могут привести к более высокому содержанию углерода в почве.

Эффективное производство молока

В Таблице 2 показаны средние показатели частичной производительности для наблюдений с наименьшими и наибольшими выбросами ПГ. В Таблице 3 представлен обзор взаимосвязи между показателями частичной производительности и различными источниками выбросов ПГ. Системы молочного животноводства с наименьшими углеродными следами имели среднюю эффективность производства молока 1323 л на 100 кг⁻¹ живой массы, 107 кг сухих веществ на 100 кг⁻¹ живой массы, 20,4 л на корову в день⁻¹ и 17 650 л га⁻¹, в отличие от систем животноводства с наибольшими углеродными следами, показавших среднюю эффективность производства молока 1052 л на 100 кг⁻¹ живой массы, 79 кг сухих веществ на 100 кг⁻¹ живой массы, 17,0 л на корову в день⁻¹ и 11 909 л га⁻¹ (Таблица 2). Для более высоких выбросов ПГ подразумевается обратный эффект. Например, для влияющих факторов, где более низкое значение ассоциируется с более низкими выбросами, более высокое значение этого влияющего фактора приведет к более высоким выбросам. Реакция в эффективности производства молока указывает на то, что менее продуктивные системы животноводства могут снизить свой углеродный след за счет повышения эффективности производства молока.

Таблица 2 Средние показатели частичной производительности для 357 наблюдений на 82 пастбищных системах молочного животноводства в Южной Африке, представляющих наибольшие (n = 53) и наименьшие (n = 53) 15% выбросов ПГ (кг CO2-экв) на килограмм молока, скорректированного по содержанию жира и белка (FPCM), и результаты t-критерия Стьюдента, указывающие на значительные различия между средними показателями двух групп.

Жирным шрифтом выделены P-значения, обозначающие значимость между группами с наименьшими и наибольшими показателями при P < 0,05.

Таблица 3 Взаимосвязь между показателями частичной производительности и выбросами ПГ (кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM) на основе корреляций Спирмена для 357 наблюдений на 82 пастбищных системах молочного животноводства в Южной Африке.

В нашей оценке наибольшие коэффициенты корреляции были отрицательной корреляцией между общими выбросами ПГ и эффективностью производства молока (сухие вещества молока на 100 кг⁻¹ живой массы: r = -0,58, P < 0,001; литров молока на 100 кг⁻¹ живой массы: r = -0,53, P < 0,001; Таблица 4). Эффективное производство молока является критическим фактором для снижения выбросов ПГ в пастбищных системах молочного животноводства (Wall и др., 2009). Также отрицательно коррелируют, но с более низкими коэффициентами, выбросы ПГ и производство молока на гектар и на корову (Таблица 4). Это согласуется с предыдущими исследованиями, которые обнаружили ту же взаимосвязь между более высокой эффективностью производства молока и более низкими углеродными следами (O'Brien и др., 2014; Morais и др., 2018; Lorenz и др., 2019).

Таблица 4 Результаты корреляции между всеми переменными, исследованными в оценке жизненного цикла 82 пастбищных систем молочного животноводства в Южной Африке.

Эффективность разведения оказывает большое влияние на эффективность производства молока (Clark и др., 2007; Capper и др., 2009). Чтобы избежать неэффективного производства молока и, следовательно, большего углеродного следа, должны быть созданы системы управления разведением, обеспечивающие эффективное выявление охоты и искусственное осеменение для гарантии эффективных стратегий разведения. Дополнительными факторами управления, влияющими на эффективность производства молока, являются оптимальный уход за здоровьем, выбор идеальной генетики коров для конкретной системы фермы и климата, а также правильный состав рациона (Clark и др., 2007; Capper и др., 2009).

Несмотря на важность эффективности производства молока для снижения выбросов ПГ на единицу произведенного молока (Yan и др., 2010), молочные фермеры должны быть осторожны, чтобы бездумно не максимизировать производство молока. Дополнительные экологические факторы и факторы прибыльности также должны учитываться при рассмотрении общей устойчивости пастбищного молочного производства. Например, использование пастбищного травяного покрова на гектар является критическим показателем прибыльности на пастбищных молочных фермах (Hanrahan и др., 2018). В этом исследовании более высокий процент пастбищ в общем рационе отрицательно коррелировал с размером коров (r = -13, P = 0,01) и производством молока на корову (r = -14, P = 0,01) без корреляции с производством молока на 100 кг живой массы (литры и сухие вещества). Более высокий процент пастбищ в рационе для более мелких коров, вероятно, связан с отбором более мелких коров для пастбищных систем, где ожидается, что коровы будут проходить большие расстояния и проводить больше времени на выпасе, что лучше подходит для более мелких животных. Отрицательная корреляция между процентом пастбищ в рационе и производством молока на корову может быть косвенной ассоциацией с фактором размера коровы, где более мелкие коровы производят меньшее количество молока в день, чем более крупные коровы, которые получают более высокий рацион концентратов и грубых кормов в дополнение к потреблению пастбищной травы. Отсутствие корреляции между процентом потребления пастбищной травы и производством молока на 100 кг живой массы указывает на то, что другие ассоциации, обсуждаемые в этом параграфе, не являются показательными для эффективности производства молока. Существуют другие факторы управления, которые способствуют эффективности производства молока (O'Brien и др., 2014) при оценке на единицу живой массы, а не на корову. Существует отрицательная корреляция между производством молока на 100 кг и количеством скармливаемых концентратов (г л⁻¹), как в целом, так и для дойных коров. Ассоциация между эффективностью производства молока и эффективностью конверсии корма (Beever и Doyle, 2007) дополнительно указывает на то, что различие между фермами связано с методами управления, а не с конкретными системами ферм, поскольку это связано с размером коровы и процентом пастбищ в рационе.

Динамика стада

Была обнаружена отрицательная корреляция между долей дойных коров на ферме и общими выбросами ПГ (Таблица 4). Также была обнаружена положительная корреляция между долей телок на ферме, уровнем замены стада (телки, выращиваемые на ферме, в процентах от взрослых коров) и общими выбросами ПГ. Это было ожидаемо, поскольку расчеты оценки углеродного следа в основном зависят от источников выбросов, таких как энтеральная ферментация и управление навозом от животных, которые делятся на общее производство молока. Таким образом, чем больше пропорционально на ферме молочных животных, тем ниже будут выбросы, что объясняет, почему молочные фермеры стремятся выращивать больше телок, чем им требуется для замены в будущем (O'Brien и др., 2010; Zehetmeier и др., 2014).

Уровень замены стада (процент взрослых коров, заменяемых каждый год) отрицательно коррелирует с общими выбросами ПГ (Таблица 4), что противоречит другим исследованиям, сообщающим об отсутствии корреляции между уровнем замены и углеродным следом (O'Brien и др., 2014; Lorenz и др., 2019). Объяснение этого заключается в том, что более высокий уровень замены стада приводит к более высокому производству мяса на ферме, и, следовательно, в этих системах животноводства наблюдается более высокое распределение выбросов на производство мяса, на что указывает отрицательная корреляция между распределением выбросов ПГ на производство мяса и выбросами ПГ от энтеральной ферментации (Таблица 4). Кроме того, уровень замены стада положительно коррелировал с эффективностью производства молока (литры и сухие вещества на 100 кг живой массы), что может служить указанием на то, что молочные фермеры с более низким уровнем замены стада могут не выбраковывать неэффективных коров, в то время как системы животноводства с более высокой эффективностью производства демонстрируют более высокую скорость удаления непродуктивных и неэффективных коров.

Существовала положительная корреляция между количеством скармливаемых концентратов (г л⁻¹ произведенного молока) и общими выбросами ПГ (Таблица 4). Также существовала отрицательная корреляция между концентратами и всеми показателями эффективности производства молока. Важно, что системы животноводства не должны стремиться повышать эффективность производства молока за счет скармливания более высоких количеств концентратов. Из Таблицы 2 видно, что фермы с более низкими выбросами более эффективно конвертируют концентраты в молоко (310 г л⁻¹ для дойных коров), чем фермы с более высокими выбросами (391 г л⁻¹ для дойных коров; P < 0,001). Интересно, что не было обнаружено значительных корреляций между общими выбросами ПГ и процентом пастбищ, покупными грубыми кормами (г л⁻¹) и грубыми кормами собственного производства (г л⁻¹; Таблица 4). Также не было обнаружено различий между фермами с наименьшими и наибольшими выбросами ПГ по проценту пастбищ, концентратов и грубых кормов собственного производства в рационе (Таблица 2). Единственное значительное различие было обнаружено для процента покупных грубых кормов между фермами с наименьшими (12%) и наибольшими (7%) выбросами. Это было связано с положительной корреляцией между покупными грубыми кормами (г л⁻¹ и % рациона) и показателями эффективности производства молока, как указано в Таблице 4. Крайне важно обеспечивать лактирующих животных достаточным и сбалансированным рационом (de Boer и др., 2011). На эффективную конверсию корма также влияют ежедневное хранение и обработка кормов, где потери корма должны быть ограничены. С точки зрения животных, многие факторы влияют на эффективную конверсию корма (Clark и др., 2007; Capper и др., 2009), такие как селекционное разведение для улучшения конверсии пастбищной биомассы.

Не было обнаружено корреляции между плотностью поголовья и общими выбросами ПГ, хотя была обнаружена положительная корреляция между плотностью поголовья и выбросами ПГ на гектар (r = 0,95, P < 0,001; Таблица 4). Поскольку в данной оценке основное внимание уделяется выбросам ПГ на единицу производства молока, а не на гектар, это будет обсуждаться в отдельной статье.

Управление неорганическим азотом

Несмотря на отсутствие значительной корреляции между неорганическими азотными (N) удобрениями и общими выбросами ПГ (Таблица 3), было обнаружено различие (P < 0,05) по неорганическим N-удобрениям между системами молочного животноводства с наименьшими и наибольшими выбросами ПГ (Таблица 2). В среднем фермы с наибольшими выбросами ПГ использовали на 30% больше неорганических N-удобрений на гектар, чем фермы с наименьшими выбросами ПГ. Кроме того, была обнаружена положительная корреляция между использованием неорганических N-удобрений и выбросами ПГ от производства сельскохозяйственных культур и пастбищ, а также производства удобрений. Молочные фермеры используют высокие количества нитратных и мочевинных N-удобрений для повышения продуктивности пастбищ (Swanepoel и др., 2014a) с большими объемами выбросов ПГ, связанными с более высоким использованием N-удобрений. Основной целью этих пастбищных систем является достижение высокой урожайности биомассы и обеспечение проявления генетического потенциала продуктивности видов, встречающихся на пастбище, в ответ на преобладающие условия окружающей среды. Кроме того, качество и здоровье почвы играют ключевую роль в обеспечении высоких показателей продуктивности и качественного травяного покрова на молочных пастбищах в долгосрочной перспективе (Swanepoel и др., 2014b), на что напрямую влияют методы обработки почвы (Swanepoel и др., 2015) и управление азотными удобрениями (Galloway и др., 2018a; Phohlo и др., 2022). Таким образом, улучшение здоровья почвы может открыть пути для снижения использования N-удобрений и углеродного следа пастбищной системы молочного животноводства. Более здоровые почвы могут обеспечивать экосистемные услуги, такие как эффективный круговорот питательных веществ, устойчивая минерализация N и поддержание микробной активности почвы (Verhulst и др., 2010). Эти экосистемные функции могут поддерживать продуктивный рост сельскохозяйственных культур и пастбищ, устраняя необходимость в регулярном внесении высоких количеств неорганических N-удобрений (Bolan и др., 2004; Monaghan и др., 2007).

Поскольку это исследование было сосредоточено на углеродном следе южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства, важно отметить, что дополнительные методы управления, которые не обсуждаются в данной статье, могут дополнительно способствовать устойчивости этих систем. Примерами таких методов являются улучшенное управление стоками и водными ресурсами (Zonderland-Thomassen и Ledgard, 2012; Sobhi и др., 2021), а также оптимизированное управление выпасом и пастбищами (O'Brien и др., 2016; Ledgard и др., 2020). Эти методы напрямую влияют на вышеупомянутые факторы и поэтому важны для рассмотрения при оптимизации устойчивости систем молочного животноводства.

Перспективы устойчивого молочного производства и будущие исследовательские программы

Устойчивое молочное производство важно для удовлетворения высокого спроса на молоко в Южной Африке. Пастбищные системы молочного животноводства управляются интенсивно и требуют высоких затрат для обеспечения благоприятного соотношения затрат и доходов. Эти сложные системы животноводства требуют адаптивных подходов к управлению, при которых учитываются все почвенные, растительные и животноводческие полевые мероприятия и проблемы (Van der Laan и др., 2017). Принципы управления почвой и сельскохозяйственными культурами в рамках регенеративного сельского хозяйства были предложены в качестве адаптивного подхода для решения проблем эрозии и деградации почв, вызванных высокозатратными традиционными методами управления (Haarhoff и др., 2020; Musto и др., 2023). Эти методы регенеративного сельского хозяйства включают минимальную обработку почвы, выращивание многовидовых многолетних пастбищ, эффективное управление неорганическими удобрениями и оптимальное управление выпасом (Khangura и др., 2023). Накопление органического углерода в почве является центральным элементом подхода управления регенеративным сельским хозяйством, что, помимо прочего, увеличивает влагоемкость почвы и улучшает общую микробную активность, что, в свою очередь, способствует доступным экосистемным услугам и функциям (Verhulst и др., 2010).

Для решения проблем устойчивости южноафриканских пастбищных систем молочного животноводства необходимы научные исследования, чтобы предоставить молочным фермерам, исследователям и специалистам по распространению знаний улучшенную дорожную карту для принятия решений. Были выявлены текущие пробелы в знаниях, и предлагается следующая будущая исследовательская программа для пастбищных систем молочного животноводства в Южной Африке.

• Изучить подходы к моделированию для оценки экономического и экологического воздействия молочного производства в Южной Африке, предлагая целостное понимание динамики системы, одновременно количественно оценивая чистые выбросы углерода или его поглощение, включая оценку потенциала хранения углерода и секвестрационных способностей в системах молочного производства.

• Оценивать выбросы ПГ не только на единицу площади (гектар), но и использовать альтернативные показатели, такие как выбросы на единицу произведенного молока, на корову, на килограмм потребленного корма, на единицу молочного продукта, на единицу производственной мощности, на единицу питательного вещества, рециркулируемого на ферме (например, N), или на показатель продуктивности или эффективности (например, молоко на гектар). Эти различные показатели могут обеспечить всестороннее понимание эффективности выбросов ПГ и устойчивости в системах молочного производства, способствуя более целостной оценке воздействия на окружающую среду и стратегий управления.

• Сформулировать руководящие принципы управления для методов регенеративного сельского хозяйства для пастбищных систем молочного животноводства с низкоуглеродной экономикой, таких как нулевая обработка почвы и многовидовые пастбища. Управление азотом и рациональное использование агрохимикатов должны получить особое внимание в контексте руководящих принципов регенеративного сельского хозяйства.

• Изучить альтернативные источники кормов и методы точного кормления для снижения зависимости от неорганических удобрений.

• Исследовать передовые стратегии управления выпасом, такие как целостное управление выпасом на многовидовых пастбищах, для максимизации использования кормов, продуктивности травяного покрова и устойчивости нескольких видов в смеси при сохранении благополучия животных.

• Разработать основу для оценки экологического воздействия текущих и альтернативных методов управления пастбищами и животноводством с особым акцентом на биоразнообразие, качество воды близлежащих водоемов, уровень органического углерода в почве и экосистемные услуги.

• Проанализировать потребительские предпочтения и рыночные возможности для устойчиво произведенных молочных продуктов, подчеркивая методы регенеративного сельского хозяйства.

В этом исследовании мы оценили углеродный след 82 пастбищных систем молочного животноводства по всей Южной Африке, представляющих данные с 2012 по 2022 год. Эти системы молочного животноводства являются высокосложными и требуют интенсивного управления животноводством, почвой и пастбищами для поддержания прибыльного производства. Средний углеродный след по всем системам животноводства составил 1,36 ± 0,21 кг CO2-экв кг⁻¹ FPCM, что немного выше по сравнению с молочными системами за пределами Южной Африки. Энтеральная ферментация оказала наибольшее влияние на углеродный след, поскольку с жвачными животными связаны высокие объемы CH4. Другими значительными факторами, вносящими вклад в углеродный след, были управление навозом, производство сельскохозяйственных культур и пастбищ, электроэнергия и производство покупных кормов, что указывает на возможности для улучшения углеродного следа этих систем. Было очевидно, что эффективное производство молока является критическим фактором для снижения выбросов ПГ в пастбищных системах молочного животноводства. Системы животноводства с высокими выбросами ПГ характеризовались более высоким использованием N-удобрений, что указывает на необходимость альтернативных стратегий управления N-удобрениями для улучшения поглощения и использования N пастбищами. Для решения всех сложностей и требований в рамках пастбищных систем молочного животноводства требуется адаптивная система управления, в которой каждый метод управления может быть адаптирован в соответствии с преобладающими почвенными и климатическими условиями, проблемами и преимуществами системы животноводства.

Galloway C, Swanepoel PA and Haarhoff SJ (2024) A carbon footprint assessment for pasture-based dairy farming systems in South Africa. Front. Sustain. Food Syst. 8:1333981. doi: 10.3389/fsufs.2024.1333981

Перевод статьи «A carbon footprint assessment for pasture-based dairy farming systems in South Africa» авторов Galloway C, Swanepoel PA and Haarhoff SJ., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык