中国减少粪肥污染的管理策略外文翻译资料

 2023-04-05 20:38:13

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中国减少粪肥污染的管理策略

摘 要

随着中国对畜牧产品需求的增加，对于大量粪便处理的挑战也随之增加。需要采取紧急行动，如控制源头（场所、储存和加工）和扩散（田间施用）污染，提高粪肥养分和有机物的利用率。在这里，我们回顾了在粪便管理链的每个阶段和不同规模农田上的管理策略。许多策略需要基础设施投资，例如，用于管理所有粪污的部分。需要工程解决方案来开发具有较低环境污染的先进堆肥系统，并设计更有效的养分剥离技术。在田间尺度上，迫切需要建立一个粪肥养分推荐系统，该系统涵盖了中国各地粪肥类型、种植系统、土壤和气候及其覆盖范围。在区域方面，需要进行协调规划，以促进牲畜和种植系统的重新耦合，减少可用土地储备少的地区的养分积累，同时尽量减少污染从一个地区转移到另一个地区的风险。需要一系列利益相关者来支持改善

粪便管理，减少对惰性肥料的依赖，并创造性的商业机会。

关键词 养殖场；畜牧生产；粪便管理链；再耦合；养分流失

1. 介绍

随着中国畜牧业的快速发展，为了满足更富裕的生活和不断增长的人口，我们对畜牧产品日益增长的需求，并且像许多发达国家一样，生产正变得越来越专业化。这种专业化在中国的一些地区尤为突出，那里的方法是将集约化的无地畜牧场集中在城郊地区，为城市人口提供鲜肉。这需要从当地以外（区域和国家）进口饲料，并导致牲畜的粪便中含有一些不良成分（例如重金属，抗生素，抗生素抗性基因和气味）。

相比之下，传统的后院和小型畜牧生产系统占了大多数。非集约化（传统动物饲养操作；TAFOs）和集约化系统（集中动物饲养操作；CAFO）在粪便管理方面存在着一定缺陷，导致对环境，对生态系统和人体健康产生巨大影响。据研究表明，畜禽粪便约占长江氮肥的30%和磷的60%，黄河氮肥约占氮肥的60%和磷的60% 。幸运的是，这种情况并没有被忽视，最近国家已经认识到，粪便养分流失是一个重要的问题。为了有效的管理粪便养分可以提供以下解决方案，通过减少农业系统养分的总体投入来减少氮过剩以及随后的环境和人类健康影响。例如，2015年制定零化肥增加投入政策，要求回收至少60%的粪便用于土地并用粪肥代替无机肥料，最近的牲畜粪便回收政策目标是到2020年将粪便回收率为75%。这导致了100个示范县项目的实施，其中地方政府支持创新管理实践，以改善粪肥的可持续回收，在粪便管理链的各个阶段都有可能减少损失并提高养分利用效率，一些策略更适用于某些规模操作。在以下部分中，我们总结了场所，粪便储存，加工和现场应用。我们还总结了在地方、区域和国家范围内提高粪便养分利用效率的手段，确定了支持改革的不同利益相关者群体。这已经扩展到另外200个国家了。

将排放量减少到接近零至关重要，并且需要控制所有粪便和污水。在更大的无地生产系统中，这将比数百万个后院和小型农场更容易实现和验证。然而，这并不影响实施工作。在设计廉价和易于使用的密封系统方面，需要创新的工程解决方案，并且需要补贴以在短时间内加快采用。完全遏制将产生间接后果，即将保留更多的粪肥养分，然后需要通过粪污管理链的其余部分安全转移，以便以后的田间施用和回收用于作物生长。

此外，减少房屋系统的高NH3损失可能需要改变地板设计，尽管许多目前的系统已经将沉积住房地板上的液体和固体排泄物分开。更频繁地刮擦和冲洗混凝土地板将减少NH2的排放，但必须注意在存储，加工和现场应用阶段继续保存保留的NH2,在大型机械通风装置上，空气洗涤器是减少NH3和颗粒物（PM）排放选择，并将NH3作为肥料产品重新捕获。蒸发和增加液体厩肥储存的规模将导致NH3排放的增加，污染环境。中国的《蓝天法案》（2018年）设定了在2015年至2020年期间将SO2和NOx浓度分别降低15%的目标，重点是增加粪便回收利用。但没有减少NH3排放的目标。这不如欧盟现行法案全面, 它要求成员国将SO2，NOx，非甲烷挥发性有机化合物和NH3的排放量减少到商定的目标，并要求英国农民减少粪便储存和田间应用的NH3排放。如英国最近的清洁空气战略中所述，为帮助实现这些目标，已经制定了指导文件和良好农业规范框架守则。中国迫切需要一个明确的战略来减少农业系统NH3的排放。

3. 处理

中国已采用一系列技术处理牲畜粪便，包括液固分离、堆肥、厌氧消化和生物硝化反硝化处理。在CAFO上收集的大部分粪便都是堆肥的（特别是对于家禽），用于厌氧消化的比例要小得多（主要是猪和奶牛）。然而，在TAFO中，收集并传播到土地上的大部分粪便没有得到处理。分离提供了去除液体部分并堆肥固体部分的机会，然后可以将其运输到有足够土地用于应用的区域。堆肥技术在中国发展迅速，虽然有不同的堆肥技术，包括沟槽式发酵，风排堆肥和容器内堆肥以处理固体粪便，但风排堆肥是最常用的技术，但导致NH3和N2O的大量损失。目前已经提出了一系列缓解战略来减少这些损失，包括使用生物、化学和物理添加剂以及受控的曝气速率。强制曝气，加上酸化已被证明可以有效减少氨排放以及温室气体排放总量。

野外堆肥需要大面积的混凝土才能有效运行，最近人们对开发和使用占地面积较小的船内堆肥产生了兴趣。容器内堆肥的好处包括更快速的原料吞吐量，更好地控制曝气速率和混合速率，改变气流方向的能力以及包括从NH3排放中重新捕获氮的技术潜力。例如，Wang等人使用负压曝气来堆肥猪粪，与正向曝气处理相比，NH3排放更低。负压曝气还降低了全球变暖的总潜能值，当从堆肥过程中考虑直接N2O和CH4排放以及与NH3损失相关的间接N2O排放时。需要进一步努力减少堆肥和消化工厂的NH3和温室气体排放。

为了减少液体厩肥直接排放到水道中，一些养殖场建造了大型泻湖，依靠蒸发来浓缩粪便，随后是NH3排放和硝酸盐浸出。随着粪便的加入，必须应对的挑战将是管理分离粪便的液体部分中的营养物质。最近的进展包括营养剥离，例如，通过形成鸟粪石,有机会从液体馏分中扩大养分回收率（例如，NH4 ，P），以作为肥料产品重复使用。使用分离器产生低固体含量的液体通过蒸馏可用于灌溉施肥，并且有证据表明这种做法正在中国某些地区大规模使用。然而，对于高价值堆肥和液体馏分，需要对单个营养素进行充分的标记，以使农民能够确定应使用多少产品来提供所需的N，P或K以满足作物需求。通常，使用的标签仅提供总的N、P、K含量。

浆料酸化正在研究规模上进行探索，以评估其在储存和加工过程中以及现场应用后减少NH3排放的潜力。泥浆酸化的协同效益是减少泥浆储存过程中的甲烷排放，可能是因为在酸性条件下抑制了甲烷生成。泥浆酸化在丹麦得到广泛实施和推广，但在其他地区却很少。需要进一步努力评估在粪便管理链的哪个阶段酸化粪便最具成本效益，以及结合处理技术（例如，机械分离和酸化）以减少NH3排放和提高氮利用效率。考虑使用浓缩酸化产品的选择、可用性和安全性也很重要，并提供足够的培训和建议，以确保有效采用这种处理技术。

用于粪污固体部分酸化的专业设备的可用性降低了采用酸化的规模。此外，在中国，将中间酸应用于牲畜粪便需要符合液态有机肥的标准，例如N、P、K和重金属含量。厌氧消化（AD）能产生电力和热量，这些电力和热量可供农场使用或回收电网。AD还可用在消化液返回土地之前与其他有机废物共同消化。牲畜浆料与原始浆料相比，消化浆料中NH4 的总氮含量可能更高，但这不一定会导致作物可用氮的增加，因为NH4 -N的增加相对较小，并且因为NH3在扩散时从消化物挥发的风险更高。需要有效的覆盖物来减少NH3的排放，或者消化液可以被酸化以减少商店的损失。硝化和反硝化处理可能是减少牲畜密度高、耕地有限的地区的氮过剩的一种选择，也是将剩余粪便输送到其他地区的一种选择。由此产生的污泥在施用前需要储存，液体流出物需要满足排放标准才能处置到水体中。然而，先前的研究表明，这种系统的N2O损失可能很高。由于安装投资高，并且与氧气转移以实现硝化和原粪分离所需的能量高昂，因此对牲畜粪便的硝化和反硝化处理的促进可能微不足道。最后，家禽粪便的焚烧提供了发电的潜在机会，例如，在土地基础很少的集中家禽生产地区，到集中焚烧发电厂的运输距离少的话可以使这在经济上可行。

4. 田间应用

需要开展协调一致的研究工作，为中国开发粪肥养分推荐系统，该系统为不同牲畜类别和生产系统的N，P和K的可用性提供指导，适用于不同土壤和种植系统。这样的系统推荐使用分离的粪便液体部分对蔬菜和水果进行施肥。英国的MANNER-NPK决策支持系统就是这种方法的一个很好的例子。

开发粪便营养推荐系统的关键步骤包括: (1)开发不断更新的粪肥养分成分数据库（固体厩肥的干物质含量，pH值，总氮，总P，总钾和总NH4 -N以及NO3--N）；（2）不同粪肥类型在不同土壤和气候条件下的矿化速率定量，因为并非所有的粪肥氮都会在植物上可用；（3）对我国土壤和气候范围内施用不同粪肥类型后NH3、反硝化和NO3淋失的数据（以及新的数据收集）的整理(4)粪肥氮素替代率的数据整理和新数据收集，以验证决策支持系统；（5）对农民和推广人员进行综合养分管理培训。然而，作为减少养分过剩和随后的扩散性污染物损失的第一步，应激励农民限制养分投入，以平衡收获产品中的养分承产。营养平衡，即营养过剩或赤字，是可持续的有用指标。

在一些国家，例如英国，要求农民根据土壤分析，作物养分需求和对粪肥作物可用养分供应的评估制定年度养分管理计划，以指导制造的肥料投入。该养分管理计划已通过先关法律被英国引入，以减少过量的养分施用和对水道污染的风险，同时保持足够的养分供应，以获得最佳的作物产量和质量。

由于NH3排放代表了粪便播撒后氮的损失，因此应探索一系列缓解策略，包括使用浅注射，拖曳软管快速掺入。此外，众所周知，浆料酸化可以减少液体浆料和二酸盐的NH3排放 ,因此中国生产系统需要有关该技术在成本，实用性和态度提供更多信息。虽然这种NH3缓解技术大部分是为欧盟的大型设备开发的，但更适用于中国较小土地面积的小型扩散设备。

为使小农户获得农业机械化提供的好处，中国政府正在推动农机服务组织和提供者的发展。据MARA称，截至2012年底，中国农机服务机构达到16.7万家，服务提供者达到520万家。事实上，作为农业绿色发展战略的一部分，中国政府已经调整了农业补贴，牲畜粪便回收（包括收集、储存和土地应用）的机器和设施有资格获得优先补贴。

影响中国粪肥施用管理不善的关键因素包括缺乏可用劳动力将粪污从生成地运到田间以及随后的田间施用，人们也不愿意在作物或蔬菜上使用浆化或分离粪便的液体部分，因为人们认为存在重金属和病原体污染问题。但是，适当的处理，如堆肥和厌氧发酵可以在田间施用之前显着降低粪便中的病原体含量。此外，为了进一步将细菌病原体降低到显着水平，容器内堆肥可能是一种首选技术，因为它还可以减少抗生素和抗生素抗性基因，以及氨和温室气体。

非农工作导致中国养分投入和作物农学的次优利用。然而，这为新企业提供了将粪便运送到田间并将粪便传播到作物的机会。这些企业还可以充当养分管理者，以所需的速度将粪便施用于作物。许多小农农场的土地面积小，意味着机械化有限，但可使用小型液体和固体厩肥施用设备。因此，随着正式和非正式土地的合并和转让的增加，同一村庄的农民种植相同的作物，并使用小规模承包商来收获，例如玉米和其他作物，在这些情况下，机械化有很大的机会提高资源利用效率。中国正在加快农业机械化进程，并升级农业机械和设施开发和实施绿色机械化，包括增加粪便回收机器和设施，以及适合小规模作业的机器。

5. 系统方法

虽然有很多策略可以在粪污管理链的每个阶段保留养分，但有一些策略可能会对链条的所有阶段产生影响。浆料酸化是一种可以在动物体内实施的策略，有可能继续减少粪便储存的排放,在加工过程中和田间施用之后需要进行相关研究来测试其有效性，并确定在粪便管理链的其他阶段是否需要额外的酸化,Bai等人使用模拟建模（NUFER）对中国粪便管理链中的养分流进行了深入评估。2010年牲畜的氮、磷和钾排泄总量分别为22.8、4.6和16.2 Tg。约21%的粪肥氮和50-53%的粪肥P和K被回收利用。2010年，粪链中养分的损失（包括田间损失）较高，其中17.8 Tg N，2.6 Tg P和8.2 Tg K因环境损失。动物住房和粪便储存造成的损失最大。混合畜牧生产系统和其他牛是造成氮素损失的最大因素。一切照旧的情况表明，由于动物食品消费量的增加，2020年N的总损失将进一步增加15%，P将增加12%，K将增加22%。通过禁止粪污排放、改善粪污收集和储存保存以及改进粪肥施用方法，可以显著减少养分损失（27%-56%）和肥料（27%-100%）。为了实现这一目标，中国实行了粪便管理政策、补贴和研究，从仅关注堆肥或消化转

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