畜禽产品水足迹研究进展

邢浩翰 李保明,2* 郑炜超,2 刘志丹,2 张源辉,2,3

(1.中国农业大学 水利与土木工程学院/农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；2.北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083；3.伊利诺依大学香槟校区 农业与生物工程系，美国 Urbana IL 61801)

0 引 言

人们通过畜禽产品摄取大量的营养物质，畜禽产品的质与量维系着人们的生存和健康。目前，中国消费的畜禽类产品主要有肉、蛋、奶，其中猪肉、牛奶、鸡蛋和鸡肉占据畜禽产品消费的较高比例，并且在人们的膳食结构中占据着较高地位。随着人们对畜禽产品的需求日益提高，由生产所致的资源消耗持续升高。而在种种被消耗的资源中，水资源最容易被忽视。任何畜禽产品的生产均离不开水资源，核算生产畜禽产品生产消耗的水资源可使消费者和生产者了解相关产品用水需求[1]，然而除了直接使用的水资源，人们消费的服务或产品的间接用水却鲜有人考虑到。

为了解析某一类产品的整体耗水量，Allan[2]提出了虚拟水的概念，它被定义为在生产过程中生产产品或服务所需的水量，而不仅仅是直接存在于产品中的水。而随着Hoekstra和Hung等[3]开始量化全球虚拟水量，这一概念变得更加精确。尤其是二者密切相关。而水足迹(Water footprint)概念的出现是为了从人类消费所需水量的角度来说明自然资本的占用情况，是用来衡量消费者或生产者直接和间接使用的水资源数量的指标[4]。虽然水足迹是在虚拟水的基础上承接和发展的，但与虚拟水不同的是，水足迹不但可以体现消耗的水量，而且可以表征水源类型以及污染量和污染类型。水量的消耗通过核算直接用水和间接用水体现，水足迹包括蓝水、绿水和灰水足迹，分别表示地表水和地下水的消耗指标，源于降水，未形成径流或未补充地下水，但储存于土壤或暂时留在土壤或植被表面的水以及吸收同化污染所需的水量[5]，以此表征水源类型、污染类型和污染量。水足迹通过核算及评价这些指标，帮助人们理解淡水资源的全球属性以及消费与全球水资源占用的内在联系[6]。因此，利用水足迹可以详细地核算出畜禽产品的直接和间接用水，明晰畜禽产品的生产如何影响生产链途经地区及贸易地区的水资源。

预计到2025年，中国将会占到世界肉类产量增长的50%，其中猪肉占比将达到80%[7]。畜禽动物的水足迹主要来源于饲料[8]，而影响肉类水足迹的主要因素是饲料转化率、饲料成分以及饲料产地[9]。据联合国粮食及农业组织(FAO)统计，2001年至2010年约40%的作物被用作畜禽饲料。目前，生产畜禽产品的水足迹占到全球农业水足迹的三分之一，并且这种趋势似乎仍在增长。肉类中牛肉的水足迹最高，为15 412 L/kg[10]，通过进口畜禽产品不仅能够解决内需，同时节省了大量的水资源。

人类活动产生的水足迹大约91%与农业有关，其中约三分之一来自畜禽产品[11]，而且在不同的生产环境中插入的许多研究需要明确。本研究要回答的主要问题有：(1)水足迹概念在畜禽业是如何发展的；(2)它的评价方式有哪些，其应用是否有任何限制；(3)迄今为止所开展的相关研究有哪些局限性；(4)如何改善其应用及可靠性。本研究旨在对水足迹指标进行文献回顾，重点关注农业生产的水足迹，尤其是畜禽生产和畜禽产品的水足迹，并为进一步研究畜禽产品水足迹和相关政策的制定提供依据。本研究有助于政策制定者和利益相关者了解水足迹指标的科学性，制定能够改善淡水利用的政策，或起草关于水资源可持续发展的立法。

1 畜禽产品水足迹研究现状

1.1 国际畜禽产品水足迹研究现状

1.1.1畜禽产品水足迹的发展

Hoekstra和Chapagain[12]在2003年首次对全球主要国家的几种畜禽产品的耗水量进行全球估算，但该研究未将其分为绿水、蓝水和灰水。随着水足迹概念的普及，在全球范围内针对畜禽产品水足迹的研究逐渐增多，评价畜禽产品水足迹的方法日趋完善，最终将畜禽动物饲养过程中产生的绿水和灰水足迹纳入核算。Mekonnen和Hoekstra[10, 13]首次确定了评价畜禽产品水足迹的基本方法，将畜禽产品生产过程中产生的绿水、蓝水和灰水足迹全部核算在内，利用该方法在全球尺度对1996—2005年期间200个国家的3种生产模式(牧养、混合和规模化)的8个动物品种的水足迹进行了量化。研究发现，源自饲料的绿水足迹占畜禽产品总水足迹的98%，因此降低饲料水足迹可以减少畜禽产品水足迹。该研究为后续畜禽产品水足迹评价提供了基础的理论和方法，并对国家层面的研究产生的推动作用。

Gerbens-Leenes等[9]在2013年从国家的尺度对巴西、中国、荷兰和美国的3种生产模式中的家禽、猪肉和牛肉的水足迹进行了量化，发现这些国家畜禽产品水足迹显著高于全球平均水平。Bosire等[14]展示了肯尼亚不同气候区主要肉类和奶类产品的蓝水足迹和绿水足迹的历史演变。羊是突尼斯主要的畜禽产品，Ibidhi和Ben[15]在2018年对突尼斯不同地区的山羊和绵羊进行了水足迹评价。Kim等[16]在2019年评价了韩国牛肉、猪肉、鸡肉的直接绿水足迹、蓝水足迹以及间接的蓝水足迹。Mekonnen等[17]在2019年研究了美国1960—2014年间主要畜禽产品的水足迹和水生产力的发展状况。不同国家的气候条件、养殖模式、消费习惯均存在差异，因此从国家尺度分析，能够更准确地把握畜禽行业的用水状况。但由于评价过程所需的数据庞大，存在二手数据重复使用的情况，因此为了使水足迹更加科学地应用在畜禽行业，需要国家和相关从业者提供更加全面、准确的数据。

1.1.2不同评价方法的发展

随着水足迹概念的普及，国际标准组织(ISO)于2014年发布了国际标准14046《环境管理——水足迹：原则、要求和指南》。在ISO 14046中，水足迹被定义为一种指标，通过遵循生命周期评估(Life cycle assessment, LCA)的概念，量化与水相关的潜在环境影响[18]。目前，对于畜禽产品水足迹的研究方法以WFA(Water footprint assessment, WFA)和LCA为主，主要的研究对象包括肉类产品、奶类制品以及不同地区的饮食习惯(表1)。LCA研究旨在评估产品在整个价值链中对环境的影响，并根据资源使用的位置量化该影响。现有的关于畜牧业生产用水的LCA研究主要集中在整个生产链中消耗性和降解性蓝水的使用及其对当地水资源压力的相关影响。许多研究比较了基于LCA的水足迹与不同产品的标准水足迹[19-21]。LCA法认为绿水和蓝水不应该同等重要，应将重点放在蓝水资源上，因为蓝水对于缺水地区的影响较大[22]。因此，利用LCA方法核算的水足迹均会小很多。而WFA评价方法对于畜牧业的用水，尤其涉及到饲料作物的生长用水以及各种水资源如何在其他竞争性生产和生态系统服务之间分配分析更加全面。统计畜禽养殖水资源使用状况也有利于相关政策的制定。但因核算方法的不同，导致最终的统计数据差异巨大。以牛肉为例，已发表的饲养肉牛和生产牛肉类产品的需水量差异从27 L/kg到最多200 000 L/kg不等[23-30]。

表1 国际主要畜禽水足迹研究方法Table 1 International major methodologies of the water footprint assessment of livestock and poultry

当然，全球各地区的生产和养殖差异较大，区域间可利用水资源量、气候条件也有所不同，在核算畜禽产品水足迹时，应考虑当地养殖模式和过程，因为生产上的差异、局部产生的水资源压力会对该生产模式造成不同程度上的影响。因此，不同生产模式间的水足迹差异需要进一步研究，并提出更多的可持续模式用来生产和消费农产品[53]。

1.2 国内畜禽产品水足迹研究现状

相比传统的水资源使用量统计，水足迹反映的用水数据更大，也能够真实反映人类对水资源的占用情况。国内学者龙爱华[54]首次核算了中国西北四省居民的消费水足迹，其中畜禽产品的水足迹占比最高，并证明了经济发达程度与水足迹之间存在正相关关系，适当调整消费结构和模式可以降低人均水足迹。

国内研究致力于分析不同地区畜禽产品的水足迹与当地经济状况和水资源禀赋的关系。经济发达地区人均畜禽产品消费量更大。随着各类畜禽动物规模化养殖比例的提高，畜禽养殖和产品生产的用水量也在增长。在北京市的虚拟水消耗结构中，畜禽产品的比例为61%，2012年北京市畜禽产品水足迹达到23.78亿m3，然而与上海、重庆等城市相比，北京市的地下水超采严重[55]，因此为满足北京市对畜禽产品的需求量，降低对地下水的超采，需通过大量进口畜禽产品，即外部虚拟水引入[56]，增加虚拟水贸易来缓解区域水资源压力[57-62]。然而，虚拟水贸易虽在一定程度上缓解区域性水资源压力，但无法从根本上降低生产实际所需的水资源，因此虚拟水贸易只是将缺水地区的水资源压力转移到其他地区[63]。此外，虚拟水贸易可能会对水资源匮乏的欠发达地区产生一定的经济压力。

国内畜禽产品水足迹研究较少，学者们通常使用国外研究中的二手数据，缺少对中国相关方面的水足迹核算及其对环境和畜禽产业的影响。尤其是养殖过程中的水足迹评价的忽视，导致养殖过程中的用水数据严重缺乏，这使得中国对畜禽产品的水足迹研究较国际相对滞后。中国的水资源分布不均，畜禽养殖模式差异巨大，导致养殖企业用水情况各不相同，因此有必要进行水足迹评价，对用水效率低的企业提出节水的理论依据。现今，畜牧业产生的污染已经成为水资源污染的主要来源之一[64-68]，由此带来的环境压力已经成为制约畜禽业发展的主要障碍。因此，加强畜禽产品用水原始数据的收集，提高数据的全面性和准确性是国内水足迹研究亟待解决的问题之一。利用准确的数据，能够让水资源管理者、生产者和消费者明晰畜禽产品用水对环境的影响，进而推动水足迹在畜禽产业的应用。

2 畜禽产品水足迹的核算

水足迹的类型分为产品水足迹、消费水足迹、国家水足迹和企业水足迹等。畜禽产品的水足迹属于产品水足迹，而产品水足迹指某一产品生产过程水足迹的总和，即需要将蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹分别核算，但是在畜禽产品直接用水的核算上，基本不会产生绿水足迹，因此只需要考虑在畜禽产品生产过程中间接产生的绿水足迹。畜禽产品的水足迹包含两个不同的部分：饲料间接产生的水足迹和涉及到畜禽饮水以及饲养畜禽的其他用水产生的水足迹[12]。同时，LCA开发了全面的评价方法，将与水有关的环境影响纳入LCA研究，并已经在水足迹国际标准(ISO 14046)中构建主要概念。这两种不同的方法在过去几年中发生了一定的冲突[70]。本节主要以WFA方法为例，对这一争论进行说明，并澄清这两种方法的目标、优势和互补性，希望能够减少对这些方法的辩论，而将更多的精力投入到应用和进一步发展这些方法上。

2.1 WFA 水足迹评价方法

2.1.1水足迹核算的终止分析

核算任何产品的水足迹均会涉及到终止分析的问题。该产品水足迹的核算应从生产链的何处开始至何处结束，哪些过程产生的水足迹需要核算，哪些过程不需要，在核算产品水足迹之前应予以确定。目前学者们核算某一产品水足迹通常采用的办法是，分析各生产过程对产品水足迹贡献的大小，贡献程度的大小根据研究目的设定贡献百分比，低于该百分比的水足迹予以忽略[5]。

2.1.2核算方法

畜禽产品水足迹核算方法参考Mekonnen和Hoekstra[10]，即WFA方法。畜禽产品生产的水足迹主要来源于饲养畜禽动物的日常耗水以及种植饲料作物消耗的水资源。畜禽产品的水足迹计算公式为：

WFp=WFf+WFd+WFs

(1)

式中：每一项均包含了该项所产生的蓝水、绿水和灰水足迹。WFp指畜禽产品的总水足迹;WFf指畜禽饲料消耗的水资源;WFd指畜禽动物饮用水;WFs指与畜禽饲养有关的其他水资源消耗，即服务用水，主要包括清洁畜禽及养殖场用水、养殖场设备用水(如湿帘降温设备)和畜禽养殖场的员工用水。畜禽产品水足迹以及其他3个部分的单位为m3/年/头，当按照畜禽动物的整个生命周期来计算时单位为m3/头。

(1)畜禽饲料水足迹

畜禽饲料产生的水足迹包括两个部分：饲料各种组成成分的水足迹以及混合各种成分的用水。因此畜禽饲料的水足迹为：

(2)

式中:∑指饲料不同成分的水足迹之和;Feed指某一类畜禽动物每年食用饲料某一原料数量，t/年；WFp[f]指生产这类饲料成分每吨消耗的水量，m3/t；WFm指将混合饲料成分消耗的水量；Qp指每年屠宰的畜禽动物数量或一年内生产的牛奶和鸡蛋产品数量。

饲料原料的水足迹：畜禽动物食用的饲料由多种原料混合而成，因此核算饲料的水足迹，需将各类成分的水足迹予以考虑。不同国家生产同一产品的水足迹不同，因此在计算饲料某一原料的水足迹时，还需将国内生产与进口区别开来。故饲料成分水足迹的计算公式为：

(3)

式中:∑指不同国家进口同一种饲料的水足迹之和；Pi指原料的用量，t/年；WFp指本国生产该原料的水足迹，m3/t；Qim指进口该原料的数量，t/年；WFe出口国生产该原料产生的水足迹，m3/t。

饲料的构成和用量：畜禽饲料的构成和用量取决于畜禽动物类型、生产模式和饲养地。每种生产模式总的饲料用量计算公式为：

Feed=FCE·P

(4)

式中:Feed指某国(或地区)某生产模式下某种动物每年消耗的饲料量，t/年；FCE指饲料转化率，每kg干饲料量/每kg产品；P为畜禽产品生产总量，t/年。

饲料转化率的计算：饲料转化率指饲料与畜禽产品生产量的比值，计算公式为：

(5)

式中：FI指某国(或地区)某生产模式下某种动物每头畜禽动物的饲料采食量，每kg干饲料/年/头；PO指产品的生产量，每kg畜禽产品/年/头。PO的计算公式为：

(6)

式中：P指某国某生产模式下肉蛋奶的年产量,kg/年;Qp指其对应的畜禽动物的总数量。

(2)畜禽动物饮水

畜禽动物饮水也会消耗大量的水资源，需将其纳入到畜禽产品水足迹的核算当中，畜禽动物饮水水足迹核算公式为：

(7)

式中：WFp[d]生产这类畜禽产品的畜禽动物的饮水量；Qp指每年屠宰的畜禽动物数量或一年内生产的牛奶和鸡蛋产品数量。

(3)畜禽饲养服务用水

畜禽饲养会涉及到消毒、冲洗、环境调控等工作，同时场内员工生活也属于畜禽饲养过程中的一部分，因此这些过程消耗的水资源需要纳入到畜禽产品水足迹的核算当中。畜禽饲养服务水足迹核算公式为：

(8)

式中：WFp[s]为畜禽动物提供不同服务消耗的水资源；Qp指每年屠宰的畜禽动物数量或一年内生产的牛奶和鸡蛋产品数量。数据来源一般需通过现场调研以及获取当地年鉴中的统计数据。

2.2 LCA水足迹评价方法

LCA水足迹评估方法旨在量化人类活动所消耗水资源(气候变化、人类呼吸系统影响、土地利用等)产生的潜在环境影响。因此，生命周期评估包括通过不同的环境影响途径和指标(主要是富营养化、酸化以及对人类和生态系统的毒性)，剥夺人类用户和生态系统水资源的潜在影响，以及影响水的排放污染物的具体潜在影响。LCA评估方法包括4个阶段：目标和范围、清单分析、影响评估和结果解释，可以根据研究的目标和范围选择清单分析或影响评估作为水足迹分析的重点[18,69]。

2.2.1清单分析

在清单分析中，根据确定的目标和范围，对单位过程中与水有关的输入和输出进行数据收集和验证，获得系统边界内完整的水足迹清查(包括直接和间接清单)。无论采用WFN还是ISO 14046，淡水消耗、废水排放和产品用水都属于直接用水量，而外购材料和能源产品的消耗则包括在间接用水量中。

2.2.2影响评估

在水足迹影响评估中，LCA水足迹评价方法主要将水足迹清单分为两大类：缺水(由水量变化引起)和水质恶化(由水质变化引起)。其次，通过相应的表征因子对清单物质进行表征，表征结果通常为定量指标。最后，得到不同影响类别的一系列指标结果。只有ISO 14046规定了影响评估的一般程序，并没有为每个影响类别表征模型提供具体的计算方法。

2.2.3结果解释

LCA水足迹评价方法的解释阶段主要包括确定重要问题和评估，允许进一步解释，以确定减少人类活动对环境干预的解决方案。该评价方法可以利用可持续性评估和应对措施的制定，进一步发展对LCA水足迹评价定量结果的解释。

2.3 评价方法对比

WFA将水足迹定义为核算阶段淡水占用的时空明确指标。在“水足迹可持续性评估”阶段，重点是对淡水使用和分配的环境可持续性、经济效率和社会公平进行多方面的分析。在此阶段，对“水足迹”进行背景分析，例如，将活动或产品的“水足迹”与基准进行比较，将“水足迹”总量与流域内的可用水量进行比较。用用水量与可用水量之比量化的缺水情况是评估的一个方面。长效评估侧重于量化指标，既包括核算阶段(清单)，但更重要的是在区域化影响评估阶段[70]。后一阶段描述具体的影响途径，并最终关注三大保护领域的影响指标：人类健康、生态系统影响和资源枯竭。水资源稀缺指数有时被用作这些影响途径的指标。最后一步对于两个框架来说都是相似的，因为它允许进一步解释，以确定减少人类活动对环境干预的解决方案。两种方法主要的区别是：LCA方法注重产品的可持续性，是综合性的评价体系，水足迹只是其他方法(如碳足迹、土地利用)中关注的一个方面。WFA的重点是分析地方和全球范围内淡水的可持续、有效和公平分配和使用，重点是产品、消费模式或地理。

3 当前存在的问题

虽然越来越多的学者参与到水足迹的研究当中，但是在畜禽产品的应用上依然存在一些问题。

(1)如何科学合理地降低畜禽产品水足迹是一个复杂的问题。很多研究呼吁通过降低畜禽产品在人们饮食结构中的比例，提高对作物及蔬菜类食品的消费去降低水足迹[71-76]。然而，无论在中国还是世界范围内，经济发展使人们消费更多的食物，其中畜禽产品所占的比例在持续升高，人们正在向更多畜禽产品的食物消费模式转变[77]。近十年来，食物消费模式的改变使肉、蛋、奶这类畜禽产品需求持续增长[78-79]。因此，企业甚至行业的发展应满足人们的需要，一方面要保证生产，引入新的节水技术并提升单位产量，另一方面应扩大畜禽产品进口，满足人民的多元化需求。水资源问题应通过对人类和环境更加友好的科学手段去缓解和解决。

(2)关于水足迹评价的研究在方法上存在一些差异。多数的研究者将绿水、蓝水和灰水足迹相加，而忽略了各自与实际用水量的联系。不同的养殖模式所产生的水足迹不尽相同，而处于不同气候区的养殖场用水量也存在差别，各个地区的水资源政策、经济状况等也导致了人们对节约用水有着差异化的理解，因此这些因素均会影响养殖场对水资源需求。多种因素的互相作用下使养殖水足迹和畜禽产品水足迹呈现出较大差异，探究不同因素对水足迹的影响比重，能够让人们更加准确地控制水资源的用量。

(3)缺乏高质量分析数据。这些数据包括饲料成分、不同养殖模式的用水习惯和用水量及不同地区的养殖用水量等。现有的全球和区域数据库通常用于不同类型的畜牧业生产和供应链用水评估研究，这些数据库一般都是基于估计，或者在较高的空间和时间尺度上的直接测量有限。如果将全球和区域数据库用于当地集水区或畜禽生产的水利用评估，则会增加不确定性。

4 畜禽产品水足迹研究展望

水足迹在畜禽产业的应用，使人们意识到畜禽产品的生产会间接消耗大量水资源。分析和评价畜禽产品水足迹，对中国解决水资源短缺、农业生产水资源利用效率低和水环境恶化等问题具有重要的意义[80]。当前，全球各个地区都存在着不同程度的缺水情况，政府、组织以及水资源管理者亟待出台科学有效的用水政策，缓解地方水资源压力。因此需要对所有产业的水资源使用情况进行全面综合的评估。其中，农业用水占比巨大，评价农业部门的用水情况已经成为一项重要的可持续发展指标。水足迹概念提供了完整的水资源评价体系，涵盖了产业链中的直接用水和间接用水。随着畜禽产品水足迹研究的增多，人们已经充分了解影响畜禽产品生产的关键因素。然而，水足迹的评价方法依然没有达成统一。WFA的水足迹评价方法衡量畜禽产品或部门的直接和间接耗水量，并对水源(绿水、蓝水、灰水)进行区分。相比之下，基于LCA的水足迹评价方法排除了消耗性绿水使用的主要部分，而侧重于蓝水资源。评价方法不同导致无法进行比较，因此需要重新评估绿水和灰水的科学性和必要性，探索使两种评价方法融合统一的可能性。

需进一步提高水足迹核算数据的准确性，各统计部门应扩大数据统计范围，严控数据的真实性，使该指标对实际和未来的畜牧业可持续生产更有意义。特别是需要提高数据质量，以降低畜禽产品水足迹的不确定性以及畜禽产品水足迹核算的误差。

本文在综述过去研究的基础上确定了目前主要降低畜禽产品水足迹的方案：

(1)减少饲料生产的水足迹。饲料生产占畜禽产品水足迹的很大比例(大约98%)，在全球水资源短缺的背景下，减少饲料生产用水量非常重要。减少饲料生产的水足迹可以通过提高作物产量和选择用水量少、抗旱性强的作物品种和品种来提高灌溉效率来实现；

(2)提高饲料转化率。从牧养到规模化养殖系统的转变，伴随着饲料转化率的提高，这有助于降低畜禽产品的水足迹。此外，提高饲料原料的质量可以提高饲料利用的效率。

(3)水资源管理和提高畜禽动物生产性能。通过利用含水量高的饲料作物或根据条件饲养更有效利用水的畜禽动物，可以实现更好的饮水管理，例如一些严重缺水的国家可以饲养山羊或骆驼等耐干旱环境的动物。而动物管理是减少水消耗的另一种方法，包括降低动物死淘率和饲养产能高、生长快的畜禽动物。

(4)改变人们的消费习惯。消费者可以通过用低水足迹的产品替代高水足迹产品或通过降低畜禽产品的消费量来降低饮食中的水足迹。当今社会，人们的饮食结构的确存在着营养摄入过量，畜禽产品占比高的问题，但人们的消费习惯不易改变，需要一定的时间去倡导人们合理搭配饮食。