《Frontiers in Sustainable Food Systems》：A simplified compartmental model for assessing nitrogen flows and losses in dairy effluent management systems: evidence from intensive farms in the Po Valley (Italy)
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摘要
引言：奶牛生产系统中的氮管理是环境性能和养分利用效率的主要决定因素，因为在粪污管理链中可能发生大量氮损失。尽管生命周期评价和养分平衡方法常用于估算排放，但它们通常对内部氮转化提供的洞察有限，对农场尺度决策的支持也受到限制。本研究旨在开发一种简化分区模型
摘要
引言：奶牛生产系统中的氮管理是环境性能和养分利用效率的主要决定因素，因为在粪污管理链中可能发生大量氮损失。尽管生命周期评价和养分平衡方法常用于估算排放，但它们通常对内部氮转化提供的洞察有限，对农场尺度决策的支持也受到限制。本研究旨在开发一种简化分区模型，以量化集约化奶牛场主要组分间的氮流动与损失。
方法：该模型将基于过程的关系与有限的农场特定输入数据相结合，包括畜群组成、饲喂策略、圈舍系统和粪污管理实践。氮动态通过描述动物、畜舍、处理、储存和农田施用阶段的相互关联分区的模型来表示，从而能够识别导致气态氮损失的关键阶段。该模型应用于位于波河平原（意大利北部）的10个商业荷斯坦奶牛场。
结果：未处理系统中总气态氮损失平均为氮摄入量的7.20 ± 6.43%，其中氨挥发是主要损失途径。采用厌氧消化的农场在消化液中表现出更高的氮保留率，尽管后续处理阶段相关的总损失较高。选定粪污和消化液基质中模拟与实测氮浓度的初步比较表明，氮分配的表征总体一致，但在早期管理阶段的液态基质中观察到系统性高估。
讨论：鉴于监测农场数量有限且缺乏全面的定量验证，结果应解释为氮流动模式的指示性表征，而非精确的排放估算。尽管如此，所提出的框架提供了一种透明且数据高效的工2具，用于探索农场特定氮平衡、支持情景分析和养分管理策略，并为向更循环和环境高效的奶牛生产系统转型做出贡献。
**奶牛场粪污管理系统氮流动与损失的简化分区模型：波河平原集约化农场的应用研究**
**一、研究背景与意义**
乳制品行业在全球食品生产和农村经济中发挥着基础性作用，但其环境影响日益受到关注，特别是与温室气体（GHG）排放和粪污管理相关的养分损失。氮（N）是支撑农业生产力和人类营养的关键养分，然而畜牧系统中氮利用效率低下可导致显著的环境影响。反刍动物生产系统中，植物源蛋白与瘤胃微生物蛋白一起转化为牛奶和肉类中的高生物价值蛋白质，但相当比例的摄入氮并未保留在动物产品中，而是通过粪便和尿液排出。
氮排出后进入粪污管理链，包括圈舍、储存、处理和农田施用等环节，在此过程中经历一系列物理、化学和微生物转化。这些过程决定了氮在可回收养分库和环境反应性形态之间的分配。当有效回收和循环利用时，牲畜排泄物可成为作物生产的宝贵养分来源，促进养分循环并减少对矿质肥料的依赖。反之，管理不当可能导致多种形态的氮损失，包括有机化合物、氨（NH?）、一氧化二氮（N?O）、氮气（N?）和硝酸盐（NO??），造成空气污染、富营养化、酸化、生物多样性丧失和气候变化。
然而，实现有效的养分循环需要对整个农场系统中氮转化和转运过程的详细了解。可靠量化这些氮动态仍具挑战性：直接测量往往成本高昂、耗时，且在农场和季节间变异性大。此外，畜牧系统中的氮通量受动物生理、日粮组成、圈舍条件、粪污处理实践、处理技术和环境驱动因素之间复杂动态交互作用的支配。因此，可靠估算氮排泄、转化和损失不仅对环境报告和法规遵从至关重要，也对提高农场层面的养分利用效率（NUE）和养分循环至关重要。
迄今为止，乳制品系统的环境评估主要依赖生命周期评价（LCA）方法，该方法量化生产各阶段的排放和资源使用，广泛用于估算碳足迹。尽管LCA提供了系统层面环境影响的宝贵概览，但主要报告汇总输出和排放，对农场内部养分动态及缓解关键控制点的识别提供的洞察有限。养分平衡方法提供了替代框架，但现有核算方法在结构、详细程度和数据需求上差异显著，从简单经验计算器到综合过程模型（如综合农场系统模型（IFSM）和基于康奈尔净碳水化合物和蛋白质系统（CNCPS）的养分平衡框架）。虽然这些模型提供了有价值的养分动态洞察，但通常针对特定生产情境校准或需要商业农场条件下并不总能获得的广泛数据集，限制了其更广泛应用。
这些局限性突显了对能够将氮过程的机理性表征与农场尺度实际应用相结合的建模方法的需求。在此背景下，本研究提出了一种简化分区模型，旨在量化集约化奶牛场主要组分间的氮流动和损失。研究问题是：依赖有限农场特定输入数据的简化过程型分区模型能否提供粪污管理链中氮分配和损失的可靠估算。研究人员假设该方法能够以足够精度捕捉主要氮转化过程，以支持农场尺度养分评估，同时保持商业养殖条件下的实用性。模型整合了过程型关系与描述畜群组成、饲喂实践、圈舍特征和粪污管理系统的有限农场特定输入变量。该框架旨在提供透明且数据高效的工具，用于评估粪污管理链中的氮分配，支持农场尺度养分保持、排放模式和管理情景分析。模型应用于位于波河平原（意大利北部伦巴第大区）的10个商业奶牛场——欧洲最集约化的畜牧生产区域之一，并将输出与选定粪污和消化液基质中的实测氮浓度进行比较，以进行模型性能的初步评估。
**二、主要技术方法**
研究人员开发了一种简化分区模型，采用质量流方法将农场表示为相互关联的分区系统（动物、圈舍、处理、储存和农田施用），跟踪有机氮（ON）和总氨氮（TAN）的转化，估算氨（N-NH?）、氮气（N-N?）、氮氧化物（N-NO?）和一氧化二氮（N-N?O）的气态排放。模型系数主要来源于欧洲环境署（EEA）、政府间气候变化专门委员会（IPCC）等文献。研究选取了波河平原（伦巴第大区）10个商业荷斯坦奶牛场，在2021年6月至2023年6月的30个月期间每年两次收集数据，包括动物数量、日粮、产奶量、圈舍特征和粪污管理信息，并对粪污样本进行总氮（TN）、总氨氮（TAN）、干物质（DM）和粗蛋白（CP）分析用于模型初步评估。
**三、研究结果**
**3.1 圈舍分区的氮分配与排放**
在圈舍分区中，总氨氮（TAN）占总氮（TN）的24.0 ± 2.0%，氮在浆液（51.5%）和固体粪肥（48.5%）之间几乎均等分配。平均而言，圈舍系统内氮摄入量（NI）的2.75 ± 0.64%以氨（NH?）形式损失。浆液组分是NH?排放的主要来源，占NI的2.08 ± 0.91%，而固体粪肥的排放显著较低（占NI的0.67 ± 0.29%）。按主要排泄物管理系统分组时，以浆液为主的农场NH?损失高于以固体粪肥为主的农场（分别为3.34 ± 0.07和2.16 ± 0.05 %NI）。
**3.2 储存期间氮损失**
在8个未经处理的农场中，储存期间总氮损失平均为NI的7.20 ± 6.43%，相当于进入储存的总氮的12.97 ± 1.44%。浆液储存系统中，氨氮是主要气态氮形态，占总气态氮损失的91.6 ± 1.3%，而N-N?、N-N?O和N-NO?的排放显著较低。固体粪肥储存系统中，总氮损失平均为NI的4.68 ± 6.88%，气态损失在各氮形态间分布更均匀：N-NH?占总损失的40.5 ± 1.8%，N-N?占38.0 ± 1.7%，N-N?O占20.2 ± 3.6%，N-NO?占1.3 ± 0.06%。
**3.3 气态氮损失形态分布**
氨氮挥发是主要损失途径，平均占总气态氮损失的77.2 ± 8.5%，其余损失为N?（13.8 ± 6.5%）、N-N?O（8.6 ± 2.1%）和N-NO?（0.46 ± 0.22%）。以浆液为主的农场中N-NH?占总气态损失的84.8%，而以固体粪肥为主的农场中N-NH?贡献较低（69.6%），N-N?和N-N?O比例较高。这表明浆液系统主要促进氨挥发，而固体粪肥系统有利于更多样化的气态氮损失分布。
**3.4 处理分区：厌氧消化与固液分离**
评估了两种处理配置：单独厌氧消化（AD）和厌氧消化结合固液分离（AD+SLS）。两种配置中处理期间的氮损失均有限，分别占消化器总氮输入的1.62%和0.09%。大部分进入处理系统的氮保留在消化液组分中。AD+SLS配置中，液体消化液含0.47% TN和0.20% TAN，固体消化液含0.77% TN和0.10% TAN，固体组分表现出更高的总氮浓度。
**3.5 模型评估**
模拟与实测总氮浓度的比较显示，模型总体上再现了不同基质中氮浓度的观测范围。储存浆液的模拟浓度（0.25 ± 0.05%）与实测值（0.26%）高度匹配，固体消化液组分的模拟值与实测值几乎相同（0.77% vs. 0.76%）。然而，对泌乳奶牛圈舍地面浆液、储存前罐浆液、固体粪肥、消化液和液体消化液组分，模型倾向于高估氮浓度。
**四、讨论与结论**
研究人员开发的简化分区模型虽然结构相对简单，但能有效描述奶牛粪污管理链中的氮流动和损失，同时保持有限的数据需求。研究识别出储存环节是农场尺度气态氮损失的主要来源，约占三分之二，而圈舍贡献其余三分之一。氨挥发是全系统主导损失途径，这与文献报道一致。模型成功区分了以浆液为主和以固体粪肥为主的管理系统，再现了文献中广泛报道的排放模式差异：浆液系统氨挥发更大，固体粪肥系统N?和N?O损失贡献更高，这反映了液态和固态粪污管理相关的不同物理和生化条件。
处理模块证明了好氧消化和固液分离主要影响系统内氮的重新分配而非去除，大多数氮保留在消化液组分中，为靶向养分管理策略创造了机会。模型评估的局限性包括简化假设（稳态条件、分区内均匀混合）未能完全捕捉时间变异性和稀释过程，以及某些处理系统实测数据有限。尽管如此，该框架的模块化结构允许未来纳入额外处理技术。
研究结论指出，该简化分区模型通过将过程型关系与有限的农场特定输入数据相结合，为估算圈舍、粪污处理、储存和农田施用各阶段的氮分配和气态排放提供了实用方法。在波河平原商业荷斯坦奶牛场的应用证实了圈舍和储存对总氮损失的主要贡献，并展示了粪污管理路径对氮排放分布的影响。尽管模型结构简化，但能再现所分析粪污基质中氮分配的主要模式，支持其用于识别粪污管理链的关键阶段和农场尺度氮流动评估。该框架为改善奶牛生产系统氮动态理解提供了透明且可操作的方法，同时保持有限的数据需求。虽然需要在更广泛的养殖条件下进一步验证并纳入额外处理技术和动态过程表征，但该模型为未来开发更高效和环境可持续的粪污管理提供了坚实基础。
