加拿大畜禽粪污储存管理实践及其温室气体减排潜力：基于农场调查的分析

本研究针对畜禽粪污储存系统作为温室气体(GHG)重要排放源的问题，通过对加拿大2017和2021年农场管理调查(FMS)的系统分析，揭示了不同畜牧部门粪污管理现状及减排实践应用情况。研究发现液态粪污在奶牛场应用持续增加，固态粪污长期储存普遍，但减排技术(如厌氧消化)应用率仍不足1%。该研究为制定针对性减排政策和推广有益管理实践(BMPs)提供了关键基线数据，对实现加拿大2050年净零排放目标具有重要意义。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少温室气体排放已成为国际社会共同关注的焦点。在农业领域，畜禽粪污储存系统虽然为作物生产提供了灵活的养分施用时机，但同时也是温室气体(GHG)排放的重要点源。特别是在加拿大这样的畜牧业大国，如何平衡农业生产与环境保护之间的关系显得尤为重要。加拿大《净零排放责任法案》明确承诺到2050年实现净零温室气体排放，其中到203年需减排40%-45%，这使得畜禽粪污管理的减排潜力受到高度重视。

粪污储存系统产生的温室气体主要包括甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)，其排放比例因储存系统类型而异。液态粪污储存由于厌氧条件而产生大量CH₄，而固态粪堆存则因好氧和厌氧微位点共存而主要排放N₂O。研究表明，以CO₂当量计算，液态储存的温室气体排放量是固态储存的5.7倍。排放量还受到储存系统类型和管理方式的影响，包括温度、储存时长、固液分离等因素。

为了解加拿大畜禽粪污管理现状及变化趋势，Kelsey Ewen、Chih-Yu Hung、Myriam Sheppard等研究人员在《Canadian Journal of Animal Science》上发表了最新研究成果。研究团队分析了加拿大统计局2017和2021年实施的农场管理调查(FMS)数据，这些调查通过横断面设计，针对特定分部门和地理区域（省×生态区）进行抽样，覆盖了全国81%的农业生产。调查采用自愿回答方式，2017年和2021年分别有11057和8787个农场回应，每个回应农场都分配了权重以反映其在该子类别和地理区域内与其他农场的相似性。

研究主要分析了与粪污储存和管理相关的问题，包括粪污类型(MTS2)、储存结构类型(LMS2)、处理实践(SMS4、LMS9)、储存覆盖(LMS8)以及储存时长(SMS5、LMS4)等。数据分析使用Microsoft Excel或R统计软件进行，所有百分比均为加权百分比，即选择特定选项的农场权重之和除以回答该问题的所有农场的总权重。

sectors represented

调查结果显示，FMS在代表某些部门和地区方面表现良好，但也存在一些不足。牛肉部门在五个关键省(AB、MB、SK等)有高度代表性；奶业部门在QC、ON和BC省回应最多；禽业部门在全国范围内都有较高代表性；而养猪业在QC和ON省(占全国85%以上生猪)代表性良好，但在西部加拿大代表性较低。大西洋省份的回应者最少，NS和NB省只有奶业(2017年)和禽业(2017和2021年)有回应，NL和PE省因抽样策略而没有包括在内。

use of liquid and solid manure

固态粪污在牛肉和禽业部门占主导地位，而液态粪污在奶牛和养猪业中典型。2021年，牛肉部门中超过96%的有粪污管理系统的农场报告专门使用固态粪污；禽业部门类似，超过92%报告专门使用固态粪污；养猪业中92%报告液态粪污；奶业部门更为平衡，64%报告专门使用液态粪污，19%专门使用固态粪污，其余报告同时使用两种。与2017年相比，奶业部门液态粪污使用量增加，特别是在两个最大省份：安大略省报告储存液态粪污的农场比例从61%增加到66%，而报告固态粪污的农场比例从24%下降到18%；魁北克省液态粪污使用量从56%增加到62%，固态粪污从25%下降到20%。

solid manure storage and treatment

在全国范围内，两次调查平均，大多数奶牛(74%)和禽类(70%)有固态粪污的农场没有使用任何实践来"管理或处理"储存的固态粪污。在列出的实践中，"偶尔翻动或混合"是最常选择的回应，牛肉部门也是如此(2021年为42%)。堆肥或与添加剂混合在所有部门中报告率为6%-11%，牛肉部门在两年中值最高。大多数有固态粪污的农场将这些粪污储存不到一年，两次调查平均加权回应为奶牛和禽类97%，牛肉65%。禽类农场的储存时间在两次调查中都是最短，略超过一半表示固态粪污储存<6个月。奶牛部门中，大多数属于6-12个月类别。牛肉农场的储存时间在两次调查中分布广泛，约三分之一报告>1年。

liquid manure storage and treatment

对液态粪污问题的分析集中在养猪和奶业部门，它们拥有绝大多数有液态粪污的农场。调查考虑了七种储存类型，代表了位置(建筑内或室外)、结构材料(土质或混凝土)、位置(地上、地下或部分地下)和设计(多单元)。使用的结构类型分布广泛，各省之间存在相当大差异。对奶牛农场来说，室外储存(所有类型组合)在所有省份都比室内储存(地板下)更常见，从NS的82%到QC的98%不等。在室外储存类型中，"土质泻湖或坑"在NB占53%，草原省份(AB、SK、MB)达到66%或更高。室外罐(考虑所有类型，即地上、部分地下和地下)在大多数省份的奶牛中经常报告，BC(2017年)为53%，ON(2021年)为62%，QC(2021年)为75%。奶牛室外罐普及率最低的是草原省份。对养猪农场来说，室外储存在四个省中的三个(AB、MB、QC)比室内储存更常见。例外是ON的室内养猪粪污储存，至少占一半。在室外储存类型中，土质储存在MB占55%，在AB达到62%或更高。多单元系统在MB(2017年)占29%，在ON(2021年)占8%。部分地下是QC在两次调查年份中最常见的罐深度。

液态系统的储存容量通过调查问题解决，该问题询问主要储存结构可以储存多少个月的粪污产量。对这个问题的回应因省而异。最常见的储存持续时间是NB和NS的奶牛5-12个月，以及AB、ON和QC的奶牛和养猪都是5-12个月。储存持续时间最短的是BC的奶牛农场，超过50%的回应者报告≤5个月的储存(包括2017年9%的<3个月)。最长的持续时间是草原省份，24%-75%的奶牛和41%-79%的养猪农场报告>1年的储存容量。平均而言，报告>1年储存的养猪农场百分比高于奶牛农场。

在全国范围内，两次调查平均，87%的奶牛和66%的养猪液态粪污储存结构没有使用任何类型的覆盖物。覆盖系统使用最高的是ON的养猪，36%-41%的农场没有覆盖，49%有混凝土储存覆盖(2017年10%)或屋顶(2017年39%)。其他值得注意的屋顶结构使用由NS超过22%的奶牛农场(2017年)和BC38%的奶牛农场(2021年)报告。

就液态粪污管理和处理而言，调查显示，平均而言，超过88%的农场在土地施用前搅拌液态粪污。奶牛农场中，BC报告使用机械分离的比例最高，这可能减少搅拌需求(以及如前所述的最短储存时间)。养猪农场中，ON报告使用搅拌的比例最低，同时报告使用添加剂的比例最高(19%-20%)，这可能减少搅拌需求。厌氧消化仅限于奶业的1%(2017年)，而曝气在2017年奶业和养猪业均占4%。

discussion

sector representation

与农业普查中的畜牧部门分布相比，FMS代表了一些部门和地区优于其他部门。牛肉部门在五个关键省(AB、MB和SK是前三名)有高度代表性；奶业部门在QC、ON和BC的回应者最多，其次是AB和MB，这反映了全国奶牛群的集中情况；禽业部门在FMS调查中整体代表性高，适当反映了普查中蛋鸡和肉鸡最多的四个省(ON、QC、BC和AB)；养猪业在QC和ON(合计占普查中猪的85%以上)代表性良好，但西部加拿大的代表性低。草原地区养猪部门代表性低可能部分与较大的养猪场规模有关，这导致调查样本中包括的生产者数量少于农场规模较小的其他省。

manure types

牛肉部门经常使用固态粪污管理与1995年以来的以往调查一致。禽业部门固态粪污管理在最近的FMS(2021年全国92%)中的使用高于1995年和2001年的FIMS和FEMS调查(在QC低至60%)，也高于2005年畜牧农场实践调查(LFPS)，当时全国蛋鸡平均为57%。养猪业液态粪污的主导地位(2021年全国92%)在当前研究的所有抽样省都一致。对东部省份来说，这与以往的调查相似，但对西部省份来说，它表明持续向液态系统变化，1995年和2001年的数据显示AB为69%，MB为80%。这可能与在此期间部门的整合有关。

奶业部门中，1995年以来的调查捕捉到向液态粪污的重大转变，这与该部门逐渐 consolidation 到更少、更大的农场以及逐渐从系留栏(通常为固态粪污)转向自由栏舍(通常为液态粪污)一致。例如，在1995年和2001年的调查中，液态粪污的使用在SK低至10%，AB为22%，NS、NB和ON报告48%，QC最高为67%。同样，在2005年LFPS调查中，液态粪污的使用在一些生态区低至34%，一半的奶牛农场报告使用液态粪污。相比之下，2021年FMS调查中没有省低于60%(MB)。平均而言，2021年，64%的奶牛农场报告液态粪污，另外17%报告液态和固态粪污，反映奶牛农场同时饲养青年牛和泌乳牛。犊牛和青年牛的粪污通常可以作为固态处理，因为垫料较多，含水量低于泌乳牛的粪污。一些农场分别管理青年牛和泌乳牛的粪污，而其他农场将固态粪污添加到液态粪污储存中。

solid manure storage and treatment

大多数农场不使用实践处理固态粪污的发现与以往的调查一致。例如，在FEMS 2011调查中，73%的回应者报告所有牲畜类型(全国)"无实践"。本分析中"无实践"的数字类似，范围从49%(牛肉，2021年)到77%(奶牛，2017年)。偶尔翻动或混合固态粪污的实践在所有部门都很常见，尤其是牛肉。然而，偶尔翻动或混合的环境或农艺效益尚不清楚，特别是35%的牛肉操作将固态粪污储存超过1年。很难判断堆肥普及率是否有趋势，因为以往的调查(如2005年LFPS和2011年FEMS)提问方式不同。主动堆肥或与添加剂混合在FMS 2017和2021年调查中由≤11%的农场报告。

liquid manure storage and treatment

政策、气候以及运输和施用粪污适宜窗口期的省际差异解释了储存时长的变化。BC的温和气候使得粪污可以全年施用，导致储存时间较短。相比之下，MB较冷的天气和较短、较不可预测的春夏天气与需要更长的储存能力有关。此外，省指南禁止在11月10日至4月10日期间施用，并建议土质系统具有400天的储存能力。储存能力决定了最大储存时长，但并不排除在天气允许时较短储存。跨部门全国范围内，大多数液态粪污储存5-12个月。不幸的是，这个宽范围没有清楚区分每年清空一次的储存与每年两次(即春季和秋季)的储存。这种细节缺乏限制了在计算加拿大甲烷排放清单时应用区域特定甲烷转化因子的潜力。

使用土质储存与罐的决定可能反映了土壤类型和土地成本的区域差异。土质储存需要较少材料但由于斜坡侧和宽堤而使用更多土地，并且需要特定类型的粘土和与地下水的合适距离。罐(混凝土或玻璃衬里钢)在建造地点方面更灵活，垂直墙每单位体积需要更少土地。地上、地下和部分地下罐之间的差异可能与建筑成本(地上成本更高)以及土壤和水位特征有关。先前的模型表明，罐的垂直位置不影响粪污温度，因此不太可能影响甲烷排放。

奶牛储存屋顶在BC和NS最常见，可能是因为屋顶防止了这些沿海省份高降水量的水输入。屋顶结构也出现在ON相当少数(7%)的奶牛操作中，在2017年和2021年调查中。先前的研究表明，屋顶可以降低粪污温度，从而减少甲烷排放。

储存设计和覆盖在ON养猪部门都相关。不到一半的ON养猪回应者表明他们的液态粪污储存结构没有覆盖(暗示一半以上有覆盖)。2017年，近一半报告有混凝土覆盖或带屋顶的结构。同时，一半的ON养猪回应者表明最大的粪污储存是建筑内地板下。这可能意味着屋顶或覆盖是室内储存上方的建筑；然而，不清楚是否一些室外储存也有覆盖。与该部门的讨论表明，覆盖的室外储存罕见，但短期栏舍下储存广泛，长期栏舍下储存常见。总之，这些结果表明ON养猪部门在加拿大独一无二，因为它有最高比例的覆盖和栏舍下液态粪污储存。

搅拌是一种广泛实践，其使用是标准的，以悬浮沉降固体并确保土地施用时的浆液均匀性。搅拌导致短期高甲烷排放，但长期来看，它有益于防止储存沉积物中碳(可转化为甲烷)的积累。更直接减少排放的实践包括机械分离。这种分离在奶牛部门有一些采用(2017年6%)，在BC采用率特别高，2021年达到25%。添加剂在奶牛和养猪部门都有使用，在一些省由超过10%的回应者报告。添加剂是否有益的环境影响无法通过调查确定。曝气由奶牛和养猪部门3%-4%的回应者报告，与Beaulieu (2004)报告的4%一致。厌氧消化通过生产可再生能源和收入以及减少粪污甲烷排放而有益。然而，厌氧消化仅在奶牛部门占1%，养猪部门更少。未来的调查应考虑那些粪污用于区域沼气项目的农民，其中消化器位于他们的农场外。有了这些基线实践，存在高度潜力通过改进减少部门排放。

conclusions

减少畜牧部门排放的雄心需要了解当前基线实践及其与排放的联系。FMS调查合理代表了最大部门和地区，除了草原地区养猪生产和大西洋省份一些畜牧部门代表性低。调查记录了奶业部门持续向液态粪污的转变以及养猪部门液态粪污的持续主导地位。固态粪污最常通过储存>6个月(许多>1年，一些>2年)管理，没有采用特定实践进行粪污处理。对于液态粪污储存，室外储存5-12个月最常见，除了ON养猪部门，那里栏舍下储存常见。总体而言，大多数液态粪污储存没有特定实践减少排放。有技术采用增加的迹象，如BC奶业的固液分离。厌氧消化已达到奶牛部门约1%的采用率，但养猪部门较少。这些基线表明液态粪污及其排放日益重要。存在巨大机会通过改进管理解决环境目标和减少排放。