Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Глобальные изменения климата и эмиссия парниковых газов при производстве и потреблении мясной продукции сельского хозяйства 9
1.1 Глобальные изменения: тенденции и перспективы 9
1.2 Животноводство и цикл углерода 16
1.2.1 Выбросы углерода при производстве кормов 20
1.2.2 Выбросы углерода от животноводства 23
1.2.3 Выбросы углерода в процессе переработки животных и эксплуатации холодильного транспорта 25
1.3 Животноводство в цикле азота 25
1.3.1 Выбросы азота от применения удобрений, связанных с производством корма 28
1.3.2 Потери азота в производственной цепи животноводства 28
1.3.3 Выбросы азота при хранении навоза 30
1.4 Оценка влияния животноводства на эмиссию парниковых газов 31
1.5 Варианты снижения эмиссии парниковых газов в процессе производства продукции животноводства 32
1.5.1 Связывание углерода и смягчение последствий выбросов CO2 33
1.5.2 Сокращение выбросов CH4 от кишечной ферментации 36
1.5.3 Смягчение выбросов CH4 путм улучшения методов хранения, использования навоза и производства биогаза 38
Глава 2: Методология, объекты и методы 43
2.1 Методика определения С футпринта энергии: 44
2.2 Расчет C футпринта по этапам : 46
Глава 3: Оценка выбросов парниковых газов на этапах производства корма и содержания животных 54
3.1 Оценка выбросов парниковых газов на этапе производства корма 55
3.1.1. С футпринт топлива и энергии, используемых в производстве
сельскохозяйственных культур и транспортировки кормов: 59
3.1.2. Определение выбросов ПГ и С футпринта при производстве и применении удобрений 60
3.2: Оценка выбросов парниковых газов на этапе животноводства 63
3.2.1 Определение выбросов ПГ из пользования топлива и энергии в животноводстве 65
3.2.2 Оценка выбросов ПГ из кишечной ферментации и производства ПГ
во время процесса пищеварения 65
3.2.3 Оценка выбросов ПГ при хранении и применении навоза 67
3.2.4 С-футпринт этапа животноводства 70
Глава 4: Оценка выбросов парниковых газов на этапе переработки 72
4.1. Оценка выбросов парниковых газов при перевозке животных 73
4.2 Соотношение съедобных и несъедобных частей туш животных и пересчет С футпринта на мясо с костями 75
4.3 Определение С футпринтa непищевых отходов 76
4.4 C футпринт энергии и топлива, используемого при обработке мяса 77
4.5 С футпринт упаковки мясопродуктов 78
4.6 Интегральный уделний С футпринт переработанного мяса 79
Глава 5: Оценка выбросов парниковых газов на этапах реализации и потребления 80
5.1 Оценка выбросов парниковых газов на этапе реализации 80
5.1.1.: Оценка выбросов парниковых газов при перевозке продуктов 81
5.1.2: С футпринт продуктов, не пригодных для потребления 81
5.1.3 С футпринт энергии и топлива в реализации 83
5.1.4 С футпринт мяса в конце этапа реализации 83
5.2 Оценка выбросов парниковых газов на этапе потребления мяса и утилизации отходов 84
Заключение 87
Выводы 92
Список литературы 94
- Выбросы углерода от животноводства
- Расчет C футпринта по этапам
- Определение выбросов ПГ и С футпринта при производстве и применении удобрений
- C футпринт энергии и топлива, используемого при обработке мяса
Выбросы углерода от животноводства
Глобальные изменения климата являются одним из самых больших проблем современного мирового общества. Любая человеческая деятельность приводит к выпуску определенного количества парниковых газов (ПГ), в этом смысле сельское хозяйство не является исключением. В настоящее время, антропогенная эмиссия ПГ составляет около 350 млрд. т/год. Сектор сельского хозяйства освобождает 16% мировой антропогенной эмиссии ПГ, что сопоставимо с выбросами парниковых газов из других секторов экономики (энергетика 26%, промышленность 19%, транспорт 13%) (IPCC, 2007; US-EPA, 2013).Состав выбросов парниковых газов из сельского хозяйства отличается от выбросов из других секторов экономики.Для большинства секторов диоксид углерода (СО2) ископаемого происхождения доминирует в выбросах ПГ, в то время как в сельском хозяйстве метан (CH4) и закиси азота (N2O) являются наиболее важными ПГ (Flysj, 2012). Рис. 1.1.1 Сравнение наблюдаемых изменений температуры континентального и глобального масштаба с результатами моделируемых климатических моделей с использованием природных и антропогенных воздействий (IPCC, 2007)
Помимо самой эмиссии парниковых газов, отрасль сельского хозяйства еще более значительна с аспекта повышенного мирового спроса на продукты питания животного происхождения. Этот спрос, по прогнозам, удвоится к 2050 г. по сравнению с базовым 2000 годом (FAO, 2006a), что связано с повышением человеческой популяции до уровня от 9 млрд. к середине века.
Оправдание ожиданий по увеличению спроса на продукты питания, влечет за собой большие проблемы: необходимо увеличение количества пищи за счет подъема производства (путем либо расширения, либо интенсификации производства), а также изменение питания или более эффективное использование продуктов с сокращением пищевых отходов на всех этапах жизненного цикла.
Земля является ограниченным ресурсом, который уже находится под сильным антропогенным давлением.Конкурентная борьба за землю, используемую при производстве пищевых продуктов для непосредственного потребления человеком, корма для животных, топлива для энергетики и транспорта, волокон для ткани, а также и сохранения лесов ужесточится в будущем.Около 38% поверхности Земли находится под сельскохозяйственным производством, из которых одна треть используется для производства сельскохозяйственных культур, а остальное - как пастбища (Statistics Division of the FAO).
Эти земли занимают наиболее подходящие для сельского хозяйства территории, и дополнительное расширение, следовательно, имеет ограниченные возможности, если это не за счет естественных экосистем.Интенсификация производства на единицу площади является альтернативной возможностью, но при этом важно учитывать ее влияние на окружающую среду. Нужно подчеркнуть, что производство продуктов питания должно становиться все более устойчивым, чтобы доступная площадь земли пользовалась максимально эффективно.Продукция животноводства, как правило, имеет более высокую экологическую нагрузку на килограмм произведенного продукта по сравнению с растительной продукцией, 4% всех выбросов парниковых газов связаны с продукцией животноводства (Flysj, 2012).
Другой аспект, который стал четко прослеживаться в литературе и исследованиях в последние годы, - пищевые отходы. До 25% общего количества пищи выбрасывают как отходы, поэтому ограничение воздействия производства на окружающую среду является только частью
решения. Второй частью является удовлетворение спроса на пищевые продукты за счет снижения отходов, чрезмерного потребления, и т.д. В целях решения будущих проблем для устойчивости продовольственного сектора, все вышеупомянутые аспекты имеют решающее значение. Необходимо проанализировать весь жизненный цикл продукта, обратить большое внимание на утилизацию пищевых отходов и найти решения проблемы повышения эффективности.
В рамках сельского хозяйства, отрасль животноводства оказывает значительное влияние практически на все аспекты окружающей среды, в том числе на изменения воздуха и климата, земли и почвы, воды и биоразнообразия. Воздействие животноводства на окружающую среду может быть прямым, например, через выпас скота, или косвенные, такие как расширение производства сои для корма животных, которое влияет на уменьшение поверхности лесов в Южной Америке. Влияние животноводства на окружающую среду является уже огромным, и оно растет и быстро меняется. Мировой спрос на мясо, молоко и яйца быстро растет, что обусловлено ростом доходов, ростом населения и урбанизацией.
Парниковый эффект является ключевым механизмом регулирования температуры планеты (рис. 1.1.2). Без него средняя температура поверхности Земли была бы не 15C, а -6C. Земля возвращает энергию, полученную от солнца обратно в космос отражением света и путем испускания (радиацией) тепла.Часть теплового потока поглощается парниковыми газами, и они удерживают его в атмосфере.
Расчет C футпринта по этапам
Глобальные изменения приводят к изменению погодных условий, в том числе к увеличению глобальных осадков и изменений в серьезности или частоты экстремальных явлений, таких как сильные штормы, наводнения и засухи, а также оказывают значительное воздействие на окружающую среду.В дальнейшем риски повреждения окружающей среды с более высокой частотой и объемом изменения, превышающие нашу способность справляться с их последствиями, будут значительно увеличены.Например, климатические зоны могут сдвинуться в сторону полюса и в направлении вверх по отношению гор, что может привести к нарушению лесных, пустынных, степных и других природных экосистем, в результате чего многие экосистемы будут находиться под давлением, снижением экологических функций и биоразнообразия, или станут фрагментированными (IPCC, 2013).
Животноводство выделяет значительные количества вышеуказанных газов.Прямые выбросы ПГ из животноводства происходят из дыхательного процесса всех животных в виде углекислого газа, но эти эмиссии не интересны с точки зрения глобальных изменений, потому что углерод из этих выбросов находится в равновесии с углеродом, секвестрированным в корме (Castaldi, 2013).
Более важными являются выбросы метана в рамках процесса пищеварения у жвачных животных, и в меньшей степени ув животных с однокамерным желудком, что связано с микробной ферментацией волокнистых кормов.Навоз также испускает газы, такие как метан, закись азота, аммиак и двуокись углерода, в зависимости от того, в каком виде находится навоз (твердый, жидкий) а также от способов сбора, хранения, и применения навоза.Животноводство также влияет на баланс углерода земель, используемых для пастбищ или выращивания кормовых культур, и таким образом косвенно способствует выбросу большого количества ПГ в атмосферу.
Кроме того, парниковые газы выделяются из топлива, используемого в процессе производства, начиная с производства кормов и заканчивая переработкой и реализацией продукции животноводства (рис. 1.1.3). Некоторые из косвенных последствий трудно оценить, так как эмиссии ПГ, связанные с землепользованием, варьируют в широких пределах, в зависимости от биофизических факторов, таких как почва, растительность и климат, а также и человеческая деятельность (FAO, 2006a). Рис.1.1.3: Основные выбросы парниковых газов на уровне фермы (по Flysj, 2012)
В Российской Федерации, животноводство и связанные с ним выбросы парниковых газов с 1990 по 2006 г. имели тренд постоянного снижения. Это было результатом сокращения числа животных в этот период. С 2001 года было отмечено увеличение продуктивности животных без существенного увеличения выбросов парниковых газов, что является в основном результатом интенсификации животноводства (Рис. 1.1.4 и 1.1.5) (Романовская, 2007, 2008). Тем не менее, относительно низкая интенсивность производства в отрасли животноводства в условиях России имеет как результат более высокие выбросы ПГ на кг продукта.
Животноводство и цикл углерода Элемент углерод (С) является основой для всей жизни. В природе углерод хранится в главных пулах. Глобальный углеродный цикл можно разделить на две категории: геологическая, которая действует в больших временных масштабах (миллионы лет), и биологическо-физическая, которая действует на более коротких временных масштабах (от нескольких дней до нескольких тысяч лет). Рис.1.1.4: Эмиссия СН4 от кишечной ферментации и систем сбора и хранения навоза (помета) в России в течение периода с 1990 по 2005 г.: 1- кишечная ферментация; 2- системы сбора и хранения навоза (Романовская, 2008)
Рис.1.1.5: Эмиссия N2O в животноводстве России за период с 1990 по 2005 г., где: 1- прямая эмиссия N2O от систем сбора и хранения навоза и пастбищ, 2- косвенная эмиссия N2O от атмосферных выбросов NH3 и NOx из навоза, 3- косвенная эмиссия N2O при вымывании соединений азота из навоза (Романовская, 2007). Углерод высвобождается в виде углекислого газа и метана из экосистем в процессе дыхания, которое производится как растениями, так и животными.Дыхание и разложение органического вещества (в основном дыхание бактерий и грибов, которые потребляет органическое вещество) возвращают биологически связанный углерод обратно в атмосферу. Количество углерода, связанное фотосинтезом в органическое вещество и выпущенное обратно в атмосферу в процессе дыхания, составляет в год в 1000 раз большее количество, чем углерода, который двигается в геологическом цикле на ежегодной основе (Табл.1.2.1.).
Процессы фотосинтеза и дыхания также играют важную роль в долгосрочном геологическом цикле углерода.Наличие растительности усиливает выветривание горных пород и камней, что приводит к долгосрочному, но медленному, поглощению углекислого газа из атмосферы.В океанах часть углерода, фиксированного фитопланктоном, оседает на дно и связывается в отложениях. Во время геологических периодов, когда процессы фотосинтеза превысили процессы дыхания, органические вещества постепенно накопились на протяжении миллионов лет, и сформировали уголь и нефть. Объемы углерода, которые связываются из атмосферы через фотосинтез и освобождаются обратно в атмосферу путем дыхания, являются большими и производят колебания в концентрации углекислого газа в атмосфере.
В течение года, объем этих биологических потоков углерода является более чем в десять раз большим по отношению к количеству углерода, который выбрасывается в атмосферу сжиганием ископаемого топлива, но антропогенные потоки являются только односторонними, и эта характеристика приводит к дисбалансу мирового бюджета углерода (FAO, 2006a). Табл. 1.2.1.: Атмосферные источники и стоки углерода (Soil Carbon Center of Kansas State University)
Фактор Поток углерода в атмосферу(гигатонн C/год) Поток углерода из атмосферы(гигатонн C/год) Сжигание топливаископаемого происхождения 4-5 Окисление / эрозия органических веществ из почвы 61-62 Дыхание организмов в биосфере 50 Обезлесение 2 Связывание в биосферу путем фотосинтеза (110) Диффузия в океаны (2.5) Итого 117-119 (112.5) Общее увеличение количества атмосферного углерода в год +4.5-6.5 Дыхание животных составляет лишь очень небольшую часть от общего количества углерода, который выпускается из отрасли животноводства. Гораздо больше количество углерода освобождается косвенно другими каналами, включая: сжигание ископаемого топлива для производства минеральных удобрений, используемых в производстве кормов; эмиссия метана от кишечной ферментации, разложения органических удобрений; изменения в землепользовании в пользу производства кормов и выпаса скота; деградация земель; использование ископаемого топлива в производстве кормов и животных; пользование ископаемого топлива в производстве и транспортировке обработанных и охлажденных продуктов животного происхождения.
Определение выбросов ПГ и С футпринта при производстве и применении удобрений
Удельная эмиссия парниковых газов на этапе производства корма и содержания животных вносит большой вклад в С-футпринт готового продукта. В случае производства говяжьего мяса, этот вклад в основном проявляется в эмиссии метана из кишечной ферментации, потом из эмиссии закиси азота при хранении и утилизации навоза, затем из корма (около 75% из применении азотных удобрении и около 25% из сжигания топлива), а самым низким является вклад энергии и топлива.
Производство корма и содержание животных в свиноводстве отличается от производства продукции КРС тем, что самой большой вклад вносят эмиссия ПГ из навоза вместе с выбросом из топлива и энергии. Эмиссии ПГ из корма и кишечной ферментации составляют с 23% и 12% соответственно в выбросах ПГ из свиноводства.
Выбросы при производстве корма вместе с эмиссиями при использовании топлива и энергии вносят самый большой вклад в С-футпринт суммарного производства на уровне фермы (около 35%-55% общей эмиссии).
Как уже было сказано в первой главе, состав выбросов парниковых газов на этапах производства корма и содержания животных отличается от эмиссии ПГ других отраслей человеческой деятельности, так и в остальных этапах продукции, реализации, потребления и утилизации отходов. В основном выбросы ПГ на этапе производства корма состоят из эмиссии N2O в последствии применения удобрений и СО2 из топлива и энергии. В этапе животноводства главными ПГ являются N2O из навоза, СН4 из кишечной ферментации и СО2 из топлива и энергии. Удельная эмиссия ПГ на остальных этапах АЖЦ в основному состоит из СО2 (Рис. 3.1). Схема состава эмиссии парниковых газов на разных этапах производства, реализации, потребления мяса и утилизации отходов.
Использованные в работе данные обеспечены экспериментами, проведенными сотрудникам лабораторий ЛАМП на полевой опытной станции РГАУ-МСХА и в ЦЧГПБЗ им. В.В. Алехина. Также, в исследованиях использованы данные, полученные в Учхозе РГАУ-МСХА «Мумовское» в Саратовской области, а также данные, полученные с помощью программного обеспечения «ЛИССОЗ». Как уже указано в тексте, процедура, которую будем пользовать, основана на базе анализа жизненного цикла (АЖЦ) продукта.
Оценка выбросов парниковых газов на этапе производства корма Для каждого животного (не смотря на вид, породу и пол) нужно обеспечить достаточные количества кормов, не только для удовлетворения потребностей базального обмена веществ (базального метаболизма -необходимогодля выживания животных), но и для роста, нужного в цели достижения необходимого веса, который обеспечивает экономичное производство мяса и, следовательно, прибыль. Но так как производство должно быть не только экономичным, но и экологичным, нам нужно подготовить интегральную экологическую оценку производства, его влияние на окружающую среду (в основном выбросами ПГ) а также меры, которые приведут к уменьшению негативных последствий производства при сохранении экономической составляющей.
Блок-схема сводного алгоритма анализа эмиссии парниковых газов на уровне производства корма Факторы, которые вносят значительный вклад в эмиссию парниковых газов на этапе производства кормов: выброс ПГ при производстве удобрений, С-футпринт топлива и энергии используемого в процессах производства корма, эмиссия из навоза, в том числе при применении его в качестве удобрения (Рис. 3.1.1).
В начале расчета ПГ в производстве кормов, нам нужно рассчитать необходимое количество корма для роста животного к убойном весе, а также и сам убойный вес животного.
Согласно данным, полученным из экспериментов в Курске и Саратове (Рис.3.1.2), в среднем для КРС нужно 20 месяцев, чтобы животные достигли веса от 640 кг. В свиноводстве и птицеводстве срок откорма не так важен, как в производстве мяса КРС, но мы будем пользовать данные из учхоза – около 125 дней для свиней до веса от 105 кг, и птицы 42 дня до веса от 1,9 кг.
C футпринт энергии и топлива, используемого при обработке мяса
Второй этап, этап животноводства, характеризуется высоким уровнем унификации применяемых интенсивных видов зоотехнологии с доминирующими контрастными вариантами животноводства за рубежом (импортные породы и гибриды, а также и технологии кормления и размещения животных), что особенно заметно в птицеводстве и свиноводстве. Скотоводство из-за специфики производства (долгий срок откорма и с ними связанные экономические показатели: медленный оборот и низкая возможность накопления капитала) в этом аспекте находится в менее выигрышном положении относительно отраслей птицеводства и свиноводства с более низким уровнем интенсификации производства, но с трендом постоянного улучшения применяемых технологий. Проведенные анализы показали усиленное снижение удельной эмиссии парниковых газов с заменой старых технологий современными, в основном за счет уменьшения времени роста и улучшения конверсии корма, что должно включаться в оценку эффективности проектов модернизации животноводства.
На этапе животноводства большой вклад вносит кишечная ферментация у жвачных и выбросы закиси азота из навоза. Эмиссию метана из кишечной ферментации можно уменьшить на 15% с помощью оптимизации кормления (меньше волокон в соотношении с энергией корма для КРС, добавление защищенного жира, улучшение качества кормов). Эмиссия закиси азота из навоза при хранении в жестком виде на открытых площадках является большим вкладчиком ПГ на этапе животноводства вместе с энергией, используемой для кормления, вывоза навоза и вентиляции (кроме КРС, где удельная эмиссия N2O из навоза является вторым большим источником после кишечной ферментации). Эмиссию N2O из навоза можно сократить примерно на 8% с помощью более интенсивных систем хранения и применения. При производстве биогаза, С-футпринт из выброса закиси азота можно сократить до 99%.
Третий этап, этап переработки, наиболее технологически унифицирован в России, Европе и США, что дает нам возможность применения европейских расчетов С-футпринта в нашем анализе выбросов парниковых газов. Основным различьем между европейскими и российскими технологиями является более низкая интенсивность переработки и утилизации несъедобных продуктов и отходов, что приводит в результате к более значительному потреблению энергоресурсов на единицу продукта и увеличение выбросов парниковых газов. Этап переработки в основном не вносит большой вклад в С-футпринт мяса (около 3% до 8%), и выбросы ПГ главным образом имеют происхождение из топлива и энергии. Но на этапе переработки нужно использовать технологические меры, целью которых будут более низкие потери на этапе реализации (лучшие материалы и техника упаковки, усовершенствование технологии переработки с целью продолжения срока хранения продуктов в продаже, применение упаковок с измененной воздушной средой). Важно отметить, что в переработке С-футпринт несъедобных частей туши плюсуется к С-футпринту съедобных частей, а С-футпринт самих отходов подкрепляется С-футпринтом кормов, которые они заменяют.
Четвертый этап, этап реализации, в России является специфическим из-за характерных рыночных условий, проявляющихся в различиях, а также и в расстояниях, между большими городами, малыми городами и селами. На рынке мяса в России существует большое разнообразие субъектов рынка (крупные системы супермаркетов, местные магазины общего назначения, специализированные мясные магазины, фермерские рынки и т.д.). Из-за данной неоднородности рыночных условий, количество потерь в обработанном мясе достигает 20%, что имеет как результат не только увеличение выбросов парниковых газов, но и накопление органических отходов.
На этапе реализации большой вклад в С-футпринт вносят продукты, которые не соответствуют параметрам безопасности для питания людей из-за нарушения целостности упаковки, истечения срока годности или по любой другой причине. Эти потери в Российских условиях составляют около 20%. Снижением % потери можно снизить и С-футпринт мяса. Эти снижения можно получить применением мер, которые могут ускорить процесс покупки и сократить время, которое мясо проводит на этапе реализации (разные акционные продажи, оптимизация количества продуктов по привычкам покупок различных групп потребителей, выбор целевой группы потребителей для определенного продукта, выбор упаковок, которые могут долгое время сохранять целостность и в тоже время привлекать потребителей на покупку, маркетинговые акции).
На этапе потребления нужно отметить, что способ приготовления напрямую влияет на С-футпринт, так как натуральный газ имеет 3,5 раз меньший С-футпринт по сравнению с электричеством. В целях снижения С-футпринта на этапе, нужно оптимизировать количество мяса при покупке, пользоваться газом (в Российских условиях) вместо электричества в подготовке пищи. Рестораны, столовые и другие виды общественного питания тоже могут помочь в сокращении выбросов парниковых газов, так как количество пищи имеет отрицательную корреляцию с энергией нужной для подготовки.Утилизация отходов в российских условиях значительно отличается от ситуации в большинстве развитых стран из-за полного отсутствия дифференциации в сборе отходов, которое имеет, как следствие, увеличение карбон футпринта мяса. В целях решения этой проблемы, необходимо реализовать практику разделения и утилизации твердых отходов и компостирования органических твердых отходов. Это особенно важно в Московской области, где высокая плотность населения влечет за собой большое количество твердых органических отходов.
В данном моменте, карбон футпринт Российского мяса можно сравнить с Европейским, особенно Французским и восточноевропейским, но он значительно превышает С-футпринт в Великобритании и Дании (Desjardins et al, 2012; FAO, 2013). Это говорит о том, что существует возможность сокращения выбросов ПГ по всем этапам ЖЦ мяса вышеуказанными способами снижения удельной эмиссии ПГ по этапам соответственно. Это может повлечь за собой повышение конкурентоспособности Российских производителей на мировом ринке мяса и мясопродуктов. Это особенно важно для повышения стандарта жизни покупателей. С этим неразрывно связаны проявления экологической информированности потребителей о воздействии продуктов питания на окружающую среду (продукт с более низким С футринтом является более привлекательным для экологически ответственного покупателя).
