基于人工智能的圣保罗（巴西）WEEE逆向供应链优化，以促进经济、环境和社会效益

《Journal of Cleaner Production》：Artificial intelligence-based optimization of the WEEE reverse chain in S?o Paulo ? Brazil to promote economic, environmental and social benefits

中国发布集约化养殖场粪便管理新规，通过低蛋白、高纤维或复合饲料调控减少氮流失和氨排放，但可能增加碳足迹。实验表明，低蛋白饲料使粪便和尿液氮排放分别降低22.9%和34.9%，复合饲料减少尿液氨排放81.3%，粪便堆肥氨排放降低24.2%。碳足迹随饲料调整呈0.6%-2.6%负面溢出效应。

　　中国近年来发布了一系列国家指导方针，旨在改善农村地区集约化畜牧场的粪污管理。合理的饲料调整是“源头减污”的典型措施，能够提高动物体内的营养物质利用效率，减少粪便和尿液中的排泄量。然而，这些饲料调整措施对后续粪污管理链中的碳（C）和氮（N）流动产生的传导效应仍不清楚。本文基于实验监测和足迹分析，系统评估了三种典型饲料调整措施对粪污管理链中氮流动和损失的影响。研究结果表明，所有饲料调整措施均未对猪的生长性能产生影响，同时有效减少了氮的损失。降低饲料中蛋白质含量（LC）相比当前饲料（CK）显著减少了粪便中氮的排泄量22.9%，尿液中氮的排泄量减少了34.9%；而增加饲料中纤维成分（HF）则对氮的排泄量没有显著影响。随后，LC、HF以及结合饲料（LC+HF）分别在尿液储存中减少了80.0%、31.5%和81.3%的氨（NH3）排放，在固体粪便堆肥过程中减少了3.2%、18.3%和24.2%的NH3排放。在堆肥过程中，除了LC+HF处理外，其他措施对氧化亚氮（N2O）排放没有显著影响，而LC+HF处理则表现出较低的N2O排放。此外，一种在粪便堆肥中添加沸石和其他添加剂（LC+HFO）的处理方式，可以进一步减少NH3排放41.0%和N2O排放57.7%。足迹分析显示，饲料调整措施在源头上能够传导出对氮足迹的缓解影响（减少4.1%–9.4%），但会导致碳足迹的负面传导效应（增加0.6%–2.6%）。综上所述，饲料调整措施对后续粪污管理链具有显著影响，需要合理结合饲料和粪污管理措施，以从生命周期的角度最小化不必要的环境权衡。

畜牧产业是农业经济中增长最快的子行业之一，占全球农业总产值的40%，并为全球人类提供了四分之一的膳食蛋白质（联合国粮食及农业组织，2020）。然而，这一增长是以全球资源和环境的消耗为代价的（Wang等，2023）。猪肉生产占全球肉类供应的48%，并对环境产生了严重影响（Poore和Nemecek，2018；Long等，2021）。最近的估计表明，全球猪肉生产中所含的3.5亿吨氮（N）导致了14.7亿吨氮进入环境（其中68%进入水体，32%进入大气）（Uwizeye等，2019）。温室气体（GHG）排放中，猪肉生产贡献了全球畜牧业总排放的9%（Gerber等，2013）。

中国作为全球最大的猪肉生产国，提供了超过50%的全球猪肉产量，且产量增长速度稳定（每年3%）（FAO，2020）。中国猪生产不仅消耗了大量的饲料蛋白质资源，还在粪污管理过程中导致了大量氮的损失（Yu等，2019；Li等，2023）。此前研究表明，中国猪生产的总氮损失为5.3亿吨，氮利用效率近年来逐渐下降（Wang等，2020b）。其中，通过氨（NH3）排放造成的氮损失占比较大，达到35%，这显著降低了粪肥作为肥料的利用价值（Fangueiro等，2015）。在中国，甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放分别占畜牧业粪污总排放的76%和32%（中国第四次气候变化国家信息通报，2023）。猪生产已成为中国食品生产和消费系统中最重要的环境污染之一（Yu等，2019；Kerr等，2020；Lee等，2021）。

玉米和大豆饼是当前中国猪生产的主要能量和蛋白质来源（Ajao等，2022）。尽管近年来中国饲料作物的产量和种植面积有所增加，但仍然无法满足畜牧业的需求，某些地区还需要进口，从而产生额外成本（Mcbride和Key，2013）。同时，许多小规模农户过度使用大豆饼以保证或最大化猪的生长效率（Wang等，2018）。这种不合理的饲养方式加剧了“饲料-食品”之间的竞争，以及氮污染问题。饲养是猪粪污管理链的源头，与整个生产系统中的营养物质输入和排泄密切相关。优化饲料调整措施不仅可以在源头减少营养物质输入，避免浪费（如低蛋白饲料），还可以提高低价值和易污染的农业副产品（如高纤维饲料）的利用率，从而缓解对食品竞争性饲料原料（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被广泛认为是减少粪污氨排放和节省饲料谷物/大豆的有效方式（Nguyen等，2019）。一些研究显示，低蛋白饲料可以显著减少饲养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）。中国农业副产品（如豆腐渣、木薯根渣、甜菜粕等非常规饲料资源）丰富，但这些原料通常富含纤维，难以被单胃动物消化（Hu等，2020）。然而，适当添加这些副产品到饲料中（所谓的高纤维饲料）可以节省食物资源，改善肠道微生物功能，增加猪的饱腹感（Jha和Berrocoso，2016；Zira等，2023），并促进氮从尿液向粪便的转移，这对减少动物舍阶段的氨排放具有重要意义（Jarrett和Ashworth，2018）。

截至目前，大多数关于饲料调整措施的研究主要集中在减少动物舍内的氨排放（Ledgard等，2019）。这些措施对后续粪污管理链中的碳（C）和氮（N）流动的传导效应仍不清楚。已有研究确认，饲料调整措施可以改变猪粪的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管理过程（如储存、处理等）中的碳和氮排放（Uwizeye等，2019）。例如，当猪食用低蛋白或高纤维饲料时，粪便中的干物质含量会增加，尿液中的铵（NH4+）、尿氮和pH值则会下降（Kerr等，2020；Lee等，2021；Trabue等，2021a），这可能降低堆肥产品的肥料效率。目前，只有少数研究显示，每减少1个百分点的饲料粗蛋白（CP）含量，粪污储存过程中的氨排放就会减少约11%±6%（Sajeev等，2017）。然而，从生命周期的角度来看，典型饲料调整措施对碳和氮流动的影响特征仍然缺乏研究，且如何合理结合粪污管理措施（如在堆肥过程中添加物质以减少氮损失）以避免不必要的副作用也尚未深入探索。大多数先前研究使用经验性的排放参数来模拟饲料调整措施对碳和氮足迹的影响（Long等，2021；Zhang等，2021），而缺乏实验研究来持续测试这些组合措施在实际农场中的效果。

因此，本研究的目标是：1）揭示不同饲料调整措施对猪氮利用和排泄特征的影响；2）明确饲料调整措施对猪粪污管理系统中碳和氮流动的传导效应及其机制；3）从生命周期的角度提供饲料调整与堆肥措施组合的缓解潜力的见解。