饮食调整对猪粪储存和堆肥处理的延续效应：对碳、氮循环及环境足迹的影响

《Journal of Cleaner Production》：The carry-over effect of dietary manipulation on pig manure storage and composting: influence on carbon and nitrogen flows and footprints

通过调整猪饲料蛋白含量和纤维成分，可有效减少氮排泄和氨排放，但会略微增加碳足迹。实验发现低蛋白饲料（LC）使粪便和尿液氮排放分别降低22.9%和34.9%，高纤维饲料（HF）在固形粪肥处理中减少18.3%氨排放，而LC+HF组合在尿液堆肥中减少81.3%氨排放。碳足迹呈现负面溢出效应，但氮足迹平均降低4.1%-9.4%。研究证实饲料调控措施对后续粪便管理链具有显著携带效应，需结合管理技术优化环境效益。

　　近年来，中国政府陆续发布了一系列针对农村地区集约化养殖农场粪污管理的指导方针，旨在提升畜牧业的可持续性并减轻其对环境的影响。其中，合理的饲料调控被视为“从源头减少污染”的典型措施，它不仅有助于提高动物体内的营养物质利用效率，还能有效减少畜禽排泄物的产生。然而，这些措施对后续粪污处理链条中碳（C）和氮（N）流动的传递效应尚不明确。本研究通过实验监测和足迹分析的方法，系统评估了三种典型的饲料调控措施对粪污处理链条中氮流动和损失特征的影响。研究结果表明，所有饲料调控措施均未对猪的生长性能产生负面影响，同时有效降低了氮损失。具体而言，降低饲料中蛋白质含量（LC）的措施显著减少了粪便中氮的排泄量（减少22.9%）和尿液中氮的排泄量（减少34.9%），而增加饲料中纤维成分（HF）则对氮排泄量没有显著影响。在后续的粪污处理过程中，LC、HF以及LC与HF的组合措施分别降低了尿液储存过程中氨（NH?）的排放量80.0%、31.5%和81.3%，同时在固体粪便堆肥过程中分别降低了NH?排放量3.2%、18.3%和24.2%。值得注意的是，LC+HF组合措施在堆肥过程中还显著降低了氧化亚氮（N?O）的排放量，而HF措施对N?O排放的影响则不显著。此外，通过在堆肥过程中添加沸石等添加剂（LC+HFO）的措施，可以进一步降低NH?排放量41.0%和N?O排放量57.7%。足迹分析的结果显示，饲料调控措施在源头上能够传递其对氮足迹的缓解效果（减少4.1%–9.4%），但同时也对碳足迹产生了负面的溢出效应（增加0.6%–2.6%）。因此，研究结论指出，饲料调控措施对后续粪污处理链条中的碳和氮流动具有显著影响，为了从生命周期的角度最小化不必要的环境权衡，需要合理地结合饲料调控与粪污管理措施。

畜牧业作为农业经济中增长最快的子行业之一，对全球农业产出的价值贡献高达40%，并提供了全球四分之一的人类膳食蛋白质（联合国粮食及农业组织，2020）。然而，这种增长是以资源消耗和环境退化为代价的。猪肉生产占全球肉类供应的48%，并造成了严重的环境影响（Poore和Nemecek，2018；Long等，2021）。据最近的估计，全球猪肉生产过程中所包含的3.5吨氮（N）会导致多达14.7吨氮进入环境，其中68%流失至水体，32%流失至大气（Uwizeye等，2019）。此外，猪肉生产对全球畜牧业温室气体（GHG）排放的贡献达到9%，包括氧化亚氮（N?O）和甲烷（CH?）的排放（Gerber等，2013）。

中国作为全球最大的猪肉生产国，供应了超过全球50%的猪肉产量，并且产量以每年3%的速度持续增长（联合国粮食及农业组织，2020）。中国猪的养殖不仅消耗了大量饲料蛋白资源，还在粪污处理过程中导致了大量氮的流失（Yu等，2019；Li等，2023）。此前的研究表明，中国猪养殖业的总氮损失为5.3吨，且氮利用效率在过去几年中呈下降趋势（Wang等，2020b）。其中，通过氨（NH?）排放造成的氮损失尤为显著，占总氮损失的35%，这严重降低了粪肥作为肥料的价值（Fangueiro等，2015）。在中国，甲烷和氧化亚氮的排放分别占畜牧业粪污总排放量的76%和32%（中国第四次气候变化国家信息通报，2023）。因此，猪养殖业已成为中国食品生产和消费系统中最重要的环境污染源之一（Yu等，2019；Kerr等，2020；Lee等，2021）。

玉米和大豆粕是中国猪养殖业中主要的能量和蛋白质来源（Ajao等，2022）。尽管近年来中国在饲料作物生产和种植面积方面有所增加，但这些增长仍然无法满足畜牧业的需求，特别是在需要进口的地区，额外的成本被产生（Mcbride和Key，2013）。与此同时，许多小型农户过度使用大豆粕，以确保或最大化猪的生长效率（Wang等，2018）。这种不合理的喂养方式加剧了“饲料-食品”之间的竞争，以及氮污染问题。饲料作为猪粪污处理链条的源头，与整个生产系统中营养物质的输入和排泄密切相关。通过改进饲料调控，不仅可以从源头减少营养物质的输入以避免浪费（如低蛋白饲料），还可以提高低价值且容易污染的农业副产品（如豆腐副产品、木薯根渣、甜菜渣等）在畜牧业中的利用，从而缓解对食品竞争型饲料原料（如玉米、大豆）的依赖（Huang等，2024）。目前，低蛋白饲料和高纤维饲料技术已被认为是减少猪粪氨排放和节约粮食/大豆资源的有效方法（Nguyen等，2019）。一些研究表明，低蛋白饲料可以显著减少猪养殖过程中总氮排泄量的28.5%和氨排放量的34.4%（Wang等，2020a；He等，2023）。中国拥有丰富的农业副产品资源，但这些原料通常纤维含量高且不易被单胃动物消化（Hu等，2020）。然而，适当将这些副产品添加到饲料中（所谓的高纤维饲料）不仅可以节省粮食资源，还能改善肠道微生物功能、提高猪的饱腹感（Jha和Berrocoso，2016；Zira等，2023），并促进氮从尿液向粪便的转移，这对于减少动物饲养阶段的氨排放具有重要意义（Jarrett和Ashworth，2018）。

截至目前，大多数关于饲料调控措施的研究主要集中在减少动物饲养阶段的氨排放（Ledgard等，2019）。然而，这些措施对后续粪污处理链条中碳和氮流动的传递效应仍不清楚。已有研究表明，饲料调控可以改变猪粪的pH值、碳氮比（C:N）、氮形态及其分布（Lee等，2021），从而可能影响后续粪污处理过程中碳和氮的排放（Uwizeye等，2019）。例如，当猪被喂以低蛋白或高纤维饲料时，粪便中的干物质含量会增加，而尿液中的氮和pH值则会降低（Kerr等，2020；Lee等，2021；Trabue等，2021a），这可能降低堆肥产品的肥料效率。然而，关于典型饲料调控措施在生命周期视角下对碳和氮流动特征的影响研究仍然不足，同时如何通过适当的粪污管理措施（如在堆肥过程中添加添加剂以减少氮损失）来避免不必要的副作用也尚未得到充分探索。大多数先前的研究使用经验性的排放参数来建模饲料调控对碳和氮足迹的影响（Long等，2021；Zhang等，2021），但缺乏在实际农场中持续测试这些组合措施的实验研究。

本研究的主要目标是：1）揭示不同饲料调控措施对猪氮利用和排泄特征的影响；2）阐明饲料调控对猪粪污处理系统中碳和氮流动的传递效应及其机制；3）从生命周期的角度提供饲料调控与堆肥措施组合的减排潜力见解。通过这一研究，我们期望为优化畜牧业的可持续发展和减少其对环境的影响提供科学依据和实践指导。