Neposredni učinki živinoreje na emisije tgp: enterična fermentacija, upravljanje z gnojem in poraba energije

Živinoreja je velik vir izpustov toplogrednih plinov, saj predstavlja 14,5 % skupnih antropogenih izpustov, kar pomeni 8,1 gigaton CO₂ ekvivalenta na leto [1]. Ekvivalent CO₂ (CO₂-eq) je merska enota za ogljikov dioksid, običajno izražena v metričnih tonah. Uporablja se za standardizacijo meritev vseh toplogrednih plinov (TGP), ki prispevajo k globalnemu segrevanju. Ti plini zadržujejo toploto v zemeljski atmosferi, kar povzroča rast temperature in druge podnebne spremembe.

Ogljični odtis se uporablja kot merilo količine CO₂ in drugih emisij toplogrednih plinov, ki se sproščajo v ozračje med človeškimi dejavnostmi (poraba energije, transport, proizvodnja hrane itd.). Zagotavlja način za količinsko opredelitev skupne količine emisij toplogrednih plinov, ki jih povzroči določena dejavnost, izdelek ali oseba. Za izračun ogljičnega odtisa se vse emisije toplogrednih plinov pretvorijo v CO₂-eq na podlagi njihovega potenciala globalnega segrevanja (GWP). GWP označuje, koliko toplote plin zajame v ozračju v primerjavi s CO₂ v določenem časovnem obdobju (običajno 100 let). Tako ima metan 28–36-krat večjo vrednost GWP kot CO₂ v 100 letih, kar pomeni, da je emisija 1 tone metana enaka emisiji 28–36 ton ekvivalenta CO₂. Vrednost GWP dušikovega oksida je 265-krat večja od vrednosti CO₂ v 100 letih, tako da je emisija 1 tone dušikovega oksida enakovredna emisiji 265 ton CO₂-eq. Z uporabo merila CO₂-eq je mogoče primerjati izpuste različnih toplogrednih plinov in spremljati napredek pri zmanjševanju skupnih izpustov toplogrednih plinov skozi čas.

Metan (CH₄), dušikov oksid (N₂O) in ogljikov dioksid (CO₂) so trije glavni toplogredni plini, ki jih sprošča živina. Ogljikov dioksid se sprošča predvsem pri izgorevanju fosilnih goriv v energetskih strojih in pri izgorevanju biomase z mikrobno razgradnjo. Emisije ogljikovega dioksida so lahko tudi posledica spreminjanja obdelovalnih površin v trajno travinje (s spremembo namembnosti zemljišč) ali zaradi prilagoditev gospodarjenja s kmetijskimi zemljišči. Metan nastaja pri razgradnji organskega materiala v anaerobnih pogojih (med enterično fermentacijo prežvekovalcev, skladiščenjem gnoja ali organskih odpadkov iz predelovalne industrije). Dušikovi oksidi se sproščajo med mikrobno transformacijo dušika v tleh ali v gnoju.

Za analizo relativne abundance omenjenih plinov je bil uporabljen FAO Global Environmental Assessment Model in Livestock (GLEAM) [2], za pretvorbo pa IPCC (2014) 100-letni potencial segrevanja (298 za N₂O in 34 za CH₄) njihove ravni v CO₂-ekv.

V skladu s tem modelom metan (CH₄), dušikov oksid (N₂O) in ogljikov dioksid (CO₂) predstavljajo 50 %, 24 % oziroma 26 % emisij v dobavni verigi živalskih proizvodov (slika 1). Govedo je z okoli 62 % deležem v skupni emisiji vseh vrst živine glavni vir TGP. Mlečna in mesna goveda proizvajata podobne količine izpustov. Emisije drugih vrst (prašiči, perutnina, bivoli in drobnica) posamično predstavljajo od 7 do 11 % emisij. Slika 2 prikazuje ocenjeni delež emisij po vrstah živine.

Vrednosti ekvivalenta emisij CO₂ pri govedoreji, ocenjene z modelom GLEAM [2], so 3,0 za goveje meso in 1,6 gigaton za mleko. Pri proizvodnji svinjine so izpusti 0,82 gigaton CO₂-eq, piščančjega mesa in jajc 0,79 gigaton CO₂-eq, bivoljega mesa in mleka 0,7 gigaton CO₂-eq ter 0,5 gigaton CO₂-eq pri proizvodnji mesa in mleka drobnice. Ostale emisije predstavljajo ostala perutnina in neužitni proizvodi.

Primerjava emisij med različnimi vrstami živalskih proizvodov na podlagi proizvodnje beljakovin je morda ustreznejši način za izražanje teh odnosov. V tem je intenzivnost izpusta največja pri proizvodnji bivoljega mesa, in sicer v povprečju 404 kg CO₂-eq na kg proizvedenih beljakovin. Na drugem mestu je proizvodnja govejega mesa s povprečno 295 kg CO₂ -eq na kg beljakovin. Sledita meso in mleko drobnice 201 in 148 kg CO₂ ter bivolje mleko 140 kg CO2-eq na kg beljakovin. Pri tem izračunu je v skupino z najmanjšo emisijsko intenzivnostjo (manj kot 100 kg CO2 -eq na kg beljakovin) proizvodnja kravjega mleka, perutninskega mesa, jajc ter svinjine [2]. Pomembno je poudariti, da se ocenjena intenzivnost emisij močno razlikuje glede na regijo, torej agroekološke razmere, uporabljeno proizvodno tehnologijo in celotno upravljanje.

Neposredne emisije so tiste, ki so posledica živinoreje, vključno s sproščanjem škodljivih plinov pri črevesni fermentaciji in gnoju. V skupino neposrednih emisij lahko uvrstimo tudi emisije, ki nastanejo pri spremljajoči porabi energije. Posredni izpusti izvirajo predvsem iz proizvodnje živalske krme in s tem povezanih sprememb rabe zemljišč. Razmerje velikosti neposrednih in posrednih izpustov še ni povsem pojasnjeno, saj še vedno ni mogoče natančno določiti, katera od teh dveh vrst izpustov ima večji delež [3; 4].

Črevesna fermentacija

V prebavnem sistemu prežvekovalcev (slika 3) poteka proces črevesne fermentacije, ki vključuje razgradnjo organskih snovi, predvsem vlaknato-celuloznega tipa, pod vplivom prisotne mikroflore [5]. To je edinstven in uporaben proces, ki omogoča pretvorbo težko razgradljivih snovi (celuloza, lignin) v prehransko vredne snovi, ki se na koncu uporabijo za prehrano ljudi. Pri črevesni fermentaciji prihaja tudi do tvorbe škodljivega plina – metana, ki ga živali sproščajo v okolje (z izdihi, riganje, iztrebljanje). Tako so prežvekovalci tista skupina domačih živali, ki največ prispeva k izpustu metana v ozračje [6].

Metan, proizveden z enterično fermentacijo, predstavlja 39,1 % skupnih emisij toplogrednih plinov (slika 1) in ima 28-krat večji potencial segrevanja ozračja kot CO₂ [7]. Pri neprežvekovalcih tudi poteka proizvodnja metana, vendar v neprimerljivo manjših količinah. Količina metana, ki ga proizvedejo prežvekovalci ni konstantna, temveč nanjo vplivajo različni dejavniki (slika 4).

Največji vpliv na emisijo ima zaužita krma. Vpliv imata tako količina zaužitih hranil kot njihova kakovost. Tako se s povečanjem prebavljivosti krme zmanjša sinteza metana in poveča produktivnost živali. Če živali zaužijejo obilnejše obroke, se to odraža v povečanih emisijah metana. Poleg tega lahko na emisije vpliva tudi zdravstveno stanje živali in prisotnost krmnih dodatkov.

Sklepamo lahko, da vrsta prežvekovalcev, proizvodni sistem in regionalne značilnosti sinergistično vplivajo na hitrost pretvorbe energije hrane v metan [1].

Glede na prispevek prežvekovalcev k emisijam CH₄ in negativen vpliv metanogeneze na produktivnost je treba najti učinkovite načine za zmanjšanje tega procesa. Doslej je bilo opredeljenih več strategij, ki so povezane s prehranskimi modulacijami, manipulacijami aktivnosti vampa ter naprednimi strategijami na molekularni in biokemični ravni. O tem bomo podrobneje razpravljali v naslednjem poglavju.

Ravnanje z gnojem

Nadaljnja intenzifikacija in specializacija živinoreje vodi v povečanje količine gnoja, ki je vir toplogrednih plinov (TGP), metana (CH₄) in dušikovega oksida (N₂O). Ocenjuje se, da je gnoj odgovoren za skoraj 10 % skupnih emisij toplogrednih plinov [2]. Neto emisije teh plinov so posledica različnih mikrobnih dejavnosti v gnoju [9]. Govedo in prašiči predstavljajo največji vir emisij metana iz gnoja, kot je prikazano na sliki 5 [4;10]. V nasprotju z enterično fermentacijo, pri kateri se sprošča predvsem metan, je gnoj poleg metana tudi substrat za sproščanje dušikovih oksidov.

Slika 1 prikazuje, da je povprečni prispevek emisij metana in dušikovega oksida iz gnoja k skupnim emisijam toplogrednih plinov 4,3 % oziroma 5,2 %. Absolutne in relativne vrednosti emisij teh plinov iz gnoja so odvisne od okoljskih razmer (temperatura zraka, vlažnost), trajanja skladiščenja in ravnanja z gnojem ter vrste krme za živali. Na tvorbo metana na primer ugodno vplivajo anaerobne razmere, medtem ko so za tvorbo dušikovih oksidov iz amonijaka potrebni tako aerobni kot anaerobni pogoji [4].

Ugotovljeno je bilo, da se največje količine dušikovih oksidov sprostijo, ko je gnoj odložen v trdnem stanju ali raztresen po tleh [3]. To ustreza ocenjenemu 16,4-odstotnemu deležu emisij dušikovega oksida pri odloženem/nanesenem gnoju, kot je prikazano na sliki 1. Nasprotno, ko je gnoj shranjen v tekočem stanju (lagune), se emisije plinov povečajo v korist metana [10].

Poraba energije

Številni proizvodni procesi v živinoreji zahtevajo porabo energije, na primer proizvodnja gnojil, uporaba strojev ter prevoz krme in živine. Na samih kmetijah je energija potrebna za ogrevanje/hlajenje, krmljenje, prezračevanje, razsvetljavo, molžo in ravnanje z gnojem. Električna energija se običajno uporablja za sisteme razsvetljave, krmljenja in molže, medtem ko se fosilna goriva, ki so povezana z neposredno porabo energije, uporabljajo za ravnanje z gnojem in ogrevanje. Energija se porablja tudi pri proizvodnji krme za živino in proizvodnji živalskih proizvodov. Sklepamo lahko, da je poraba energije v živinoreji koncentrirana na proizvodnjo krme, namestitev in ravnanje z gnojem.

Vir energije v živinoreji so predvsem fosilna goriva, njihova poraba pa predstavlja še en vir emisij C0₂. Ocenjuje se, da skupna poraba energije v proizvodnem ciklu živalskih proizvodov prispeva približno 25 % skupnih emisij v živinorejskem sektorju [1].

V celotnem proizvodnem procesu se predpostavlja, da največjo porabo energije predstavlja proizvodnja živalske krme (koncentratov, konzerv ali paše) [11]. Problem se pojavi zaradi analitične nedoslednosti, saj se poraba energije, ki je povezana s proizvodnjo krme, ki se dogaja zunaj kmetije v uradni kmetijski statistiki na splošno ne pripisuje živinorejskemu sektorju.

Proizvodnja, skladiščenje in transport krme so intenzivni procesi, ki porabijo velike količine energije, povezane z gorivom, gnojili in pesticidi. Poleg tega je proizvodnja živalskih proizvodov na splošno energetsko neučinkovita, saj se velik del energije obroka porabi za vzdrževanje telesne strukture (regeneracija tkiva) in fizioloških procesov (toplotne izgube), manj za proizvodnjo struktur, ki uporabljajo v prehrani ljudi [12].

Od vseh parametrov, ki vplivajo na porabo energije v živinoreji, so najpomembnejši vrsta živali, geografska lega, agroekološki pogoji in sistem pridelave.

Glede na pasmo in vrsto (namen) živine so Paris in sod. [13] ugotovili, da se poraba energije giblje od 2,1 do 5,3 MJ/kg na ECM pri proizvodnji kravjega mleka, 59,2 MJ/kg pri proizvodnji sistema krava-tele, 15,9 MJ/kg na ECM. MJ/kg do 22,7 MJ/kg pri prireji svinjine, 9,6 MJ/kg do 19,1 MJ/kg pri prireji brojlerjev, 20,5 do 3,5 MJ/kg pri prireji jajc (slika 6).

V metaštudiji Parisa in drugih [13] je proizvodnja krme prevladovala kot posredni vnos energije (75 % porabe) v vseh živinorejskih sistemih (EU-27), razen pri proizvodnji govejega mesa (tabela 1). Namestitev in krmljenje (večinoma v obliki električne energije) ter ravnanje z gnojem (večinoma z dizelskim gorivom) predstavljata večino neposredne porabe energije pri proizvodnji govejega mesa. V prireji mleka je največ neposredne porabe energije predstavljalo molža, hlajenje mleka in ogrevanje vode. Pri tem obstajajo razlike v virih energije glede na geografsko lokacijo študija, saj nekatere lokacije primarno uporabljajo elektriko za določen namen, druge pa neposredno fosilna goriva. Poraba električne energije za črpanje vode, razsvetljavo in druge dejavnosti se je izkazala za relativno nizko. Glede na vključene študije je bila energijsko najbolj potraten proizvodni sistem (na kilogram mesa) govedoreja, sledita ji prašičereja in perutnina.

Tabela : Intervali vnosov energije (nizki-visoki) za posredno (krma) in neposredno porabo v različnih proizvodnih sistemih (MJ/kg) [13].

V prihodnjih letih bo vse večja intenzifikacija kmetijstva zahtevala preusmeritev proizvodnih metod v živinorejskem sektorju, da bi prispevali k okoljski trajnosti in s tem zmanjšanju emisij škodljivih plinov. To bi pomenilo preusmeritev živinoreje na alternativne in bolj trajnostne tehnologije pridelave, ki temeljijo na ekoloških načelih in večji uporabi obnovljivih virov energije.

Literatura

[1] Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., Falcucci, A., & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: A global assessment of emissions and mitigation opportunities. Tackling Climate Change through Livestock: A Global Assessment of Emissions and Mitigation Opportunities. https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/20133417883

[2] Dashboard-old | Global Livestock Environmental Assessment Model (GLEAM) | Food and Agriculture Organization of the United Nations. (n.d.). Retrieved 24 March 2023, from https://www.fao.org/gleam/results/en/

[3] Steinfeld, H., Gerber, P., Wassenaar, T. D., Castel, V., Rosales M., M., & Haan, C. de. (2006). Livestock’s long shadow: Environmental issues and options. Food and Agriculture Organization of the United Nations.

[4] Grossi, G., Goglio, P., Vitali, A., & Williams, A. G. (2019). Livestock and climate change: Impact of livestock on climate and mitigation strategies. Animal Frontiers, 9(1), 69–76. https://doi.org/10.1093/af/vfy034

[5] Zhao, Y., Nan, X., Yang, L., Zheng, S., Jiang, L., & Xiong, B. (2020). A Review of Enteric Methane Emission Measurement Techniques in Ruminants. Animals, 10(6), Article 6. https://doi.org/10.3390/ani10061004

[6] Beauchemin, K. A., McAllister, T. A., & McGinn, S. M. (2009). Dietary mitigation of enteric methane from cattle. CABI Reviews, 2009, 1–18. https://doi.org/10.1079/PAVSNNR20094035

[7] AR5 Synthesis Report: Climate Change 2014 — IPCC. (n.d.). Retrieved 23 March 2023, from https://www.ipcc.ch/report/ar5/syr/

[8] Liu, G. (2012). Greenhouse Gases: Capturing, Utilization and Reduction. BoD – Books on Demand.

[9] Petersen, S. O., Blanchard, M., Chadwick, D., del Prado, A., Edouard, N., Mosquera, J., & Sommer, S. G. (2013). Manure management for greenhouse gas mitigation. Animal, 7, 266–282. https://doi.org/10.1017/S1751731113000736

[10] Johnson, D. E., & Ward, G. M. (1996). Estimates of animal methane emissions. Environmental monitoring and assessment, 42(1-2), 133–141. https://doi.org/10.1007/BF00394046

[11] Beckman, J., Borchers, A., & Jones, C. A. (2013). Agriculture’s Supply and Demand for Energy and Energy Products (SSRN Scholarly Paper No. 2267323). https://doi.org/10.2139/ssrn.2267323

[12] de Visser, C. L. M., de Buisonje, F. E., Ellen, H. H., Stanghellini, C., & van der Voort, M. P. J. (2012). State of the Art on Energy Efficiency in Agriculture, Country data on energy consumption in different agroproduction sectors in the European countries.

[13] Paris, B., Vandorou, F., Tyris, D., Balafoutis, A. T., Vaiopoulos, K., Kyriakarakos, G., Manolakos, D., & Papadakis, G. (2022). Energy Use in the EU Livestock Sector: A Review Recommending Energy Efficiency Measures and Renewable Energy Sources Adoption. Applied Sciences, 12(4), Article 4. https://doi.org/10.3390/app12042142