引言
畜禽粪便是农业系统中关键的养分资源，对提高作物产量和改善土壤质量具有巨大潜力（Xia et al., 2017）。随着地缘政治和能源市场波动导致全球化肥价格持续攀升，粪便可作为昂贵合成肥料的宝贵替代资源（Calvia, 2025）。然而，不当的粪便管理会使粪便从资源变为主要的环境污染源，分别约占畜牧业全球活性氮（Nr）排放量的64%和甲烷（CH4）排放量的6%（Uwizeye et al., 2020; Zhang et al., 2022b）。养猪业产生的养分损失累积压力最大（Halpern et al., 2022）。中国是全球最大的猪肉生产和消费国，但由于养殖密度高、可用于粪便循环利用的耕地有限且碎片化，面临着更为严峻的挑战。粪便带来多重环境负担，包括威胁空气和水质量的气体和养分排放，以及土壤中的重金属累积（Wang et al., 2024）。
优化粪便管理技术已成为减轻多种环境足迹的有效策略（Wu et al., 2024）。有效的粪便管理遵循一个三阶段层次体系，包括源头减量、过程控制和末端精准施用。源头减量侧重于饲料配方调整（如低蛋白日粮、发酵饲料以及用玉米酒糟干粉替代豆粕）以减少养分排泄和源头的环境负担（Wang et al., 2020; Wu et al., 2024; Zhang et al., 2025）。过程控制针对房舍—储存—处理—施用链条。配备先进处理技术的农场可实现更高的氮（N）和磷（P）回收率。目前已开发出广泛的减排方案，包括空气洗涤器、粪便酸化、密闭储存、堆肥、厌氧消化、膜生物反应器和电化学回收系统等（Burns et al., 2026; Calvo-de Diego et al., 2025; He et al., 2022; Hou et al., 2017; Shengli Shi et al., 2022; Wang et al., 2023; Zhai et al., 2024）。在施用阶段，深施和快速覆土等措施可进一步减少氨气（NH?）挥发（Hou et al., 2015）。末端精准施用通过优化粪便施用的时间、方法和施用量来最大限度降低田间施用过程中的排放（Gong et al., 2025）。作物轮作、耕作制度、土地可用性和区域养分再分配也会影响畜牧系统的环境绩效（Ma et al., 2024）。
然而，现有研究大多聚焦于单一技术或孤立环节。这种碎片化的方法存在问题，因为粪便管理技术的有效性在不同环境指标上存在差异，且往往存在权衡取舍。不同的技术会改变粪便的物理化学性质，从而影响养分损失在气态排放、淋溶和径流之间的分配（Mahdi et al., 2025）。此类单阶段干预的关键局限在于，它们往往只减少了某一种污染物，却无意中增加了其他方面的排放，这种现象被称为"污染置换"（Cao et al., 2026）。这些跨污染物相互作用意味着，尽管单一技术能够应对某一个环境目标，但由于各阶段和污染物之间的补偿性损失，它们无法同时减少温室气体（GHG）和Nr排放。迫切需要开展整合整个粪便管理链条技术的系统性评估。认识到这一局限性，近年来的研究已开始转向综合技术包方案。将固液分离、密闭储存和条带施用相结合可使氮损失减少46–58%（Qu et al., 2025）；而整合法粪池覆盖、脱臭堆肥和深施技术可实现氮减排高达42%（Wei et al., 2022）。在中国，优化粪便管理技术组合使养猪生产的温室气体排放减少8%，Nr排放减少22%，磷损失减少53%（Tong et al., 2023）。然而，最佳的污染减排技术不一定是成本效益最高的选项。高昂的材料和运营成本、较低的成本效益比以及频繁的技术故障是畜禽养殖场采用改进技术的重要障碍（Tan et al., 2021; Zhang et al., 2019）。正如一些全球性研究所指出的，畜牧业生产在经济目标与环境目标之间存在固有的权衡取舍（Castonguay et al., 2023）。因此，迫切需要建立农场尺度的决策支持框架，在选择粪便管理策略时同时评估环境和经济结果。
线性规划为分析作物-畜牧系统中经济与环境结果之间的权衡提供了灵活的方法。以往研究主要聚焦于饲料配方优化（Ma et al., 2024; Marques et al., 2022），粪便管理技术主要通过情景分析进行评估（Cao et al., 2026; Wei et al., 2022）。相比之下，多目标优化能够系统地探索竞争目标之间在广泛解空间中的权衡关系。粪便管理链条可以设计为有效优化作物-奶牛生产中氨气挥发、土壤氮损失和土壤有机质平衡（Qu et al., 2025）。粪便管理的多目标优化虽然未能消除目标之间的权衡或协同关系，但确实影响了目标间解前沿的位置和斜率。然而，将多目标优化应用于整个粪便管理链条以平衡环境与经济收益的研究仍然稀缺，尤其是将实证农场调查数据与优化模型相结合的研究。为了补充优化框架，净生态系统经济收益（NEEB）已被用于量化Nr和温室气体排放的社会成本，包括对人体健康的损害、生态系统酸化和气候变化（Yao et al., 2026），从而同时反映农场盈利能力和环境社会成本。
为了系统评估环境动态和经济动态，我们建立了覆盖整个粪便管理链条（MMC）的整体框架，该框架在结构上整合了不同的粪便处理模式和分阶段减排技术。该框架将单项技术组合为综合技术包，以提高粪便管理链条中的养分回收率，同时降低经济与环境之间的权衡。通过结合养猪场调查数据、生命周期评价（LCA）以及单目标和多目标线性优化，本研究的具体目标为：1）评估当前粪便处理模式的环境和经济绩效；2）识别并优化分阶段减排技术，并将它们整合为协同增效的技术包，在整个粪便管理链条上实现环境减排与经济可行性的平衡。
