“规模化养殖+设施番茄”种养结合模式的 氨减排研究

张 祎，高志岭，李 晴，刘春敬

（河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000）

氨是形成PM2.5的重要前体物，可与二氧化硫和氮氧化物等反应生成的硫酸铵和硝酸铵等二次粒子，因此，控制氨排放量是治理PM2.5污染的重要工作之一［1-2］。此外，氨所引起的酸沉降，会造成水体富营养化、土壤酸化等生态环境问题。农业是最大的人为氨挥发源［3-4］，我国农业源的氨排放量占排放总量的80%以上［5-8］，因此减少畜禽养殖与种植业化肥施用的氨排放是防治氨污染的重要举措。

目前，我国养殖业和种植业发展结合率低，畜禽粪肥得不到及时消纳，且养殖场环境管理尚未充分考虑对氨的控制［9］，此外，种植业对化肥的过分依赖，使得畜禽粪便循环利用率降低，造成种植业与养殖业逐渐脱钩，加剧了氨排放污染［10］。实行种养结合既可以降低养殖场氨排放，同时可以减少种植业的化肥施用，使农业生态系统中氮素资源的利用更加充分［11］。研究表明，种养结合模式下氨气主要来源于饲舍、粪尿储存场、粪尿处理场地与农田4 个环节。畜禽饲舍的控氨技术包括粪尿分离、增加清粪频率、脲酶活性抑制剂、垫料、安装空气过滤或净化装置等［12-14］；粪尿存储或处理场地可通过改善粪尿储藏设施、增添覆盖物、施用添加剂（如金属盐类、吸附物质、微生物、酸、可利用碳）等技术来降低氨挥发［15-16］；而在农田施用环节，减排技术包括增加氮肥施用深度（注射施用、覆土等）、与脲酶抑制剂配施，或改用硝基肥料、缓/控释氮肥等新型肥料［17-20］。

目前，我国畜禽粪便资源主要以猪粪、牛粪和鸡粪为主，可占粪便总量的94.0%［21］，设施蔬菜生产过程中，氮素需求量大，畜禽粪便等有机肥应用普遍［22］。本试验以规模化养殖场（牛场、鸡场和猪场）与设施蔬菜（以番茄为例）为研究对象，通过设置不同的粪尿循环利用率，分析“养殖+种植”体系的氮素投入与损失比例，探明不同管理环节的氨排放贡献；结合上述减排措施，评估不同减排情景的效率，确定种养结合模式中最佳的氨排放管理措施，为我国农业绿色发展和氨减排提供理论和技术支持。

1 材料与方法

根据《畜禽养殖业污染物排放标准》GB18596—2001 中规定的集约化养殖场规模标准和不同畜禽种类养殖量折算方法［23］，确定研究对象分别为年出栏量为4 000 头的生猪养殖场、年存栏量为400 头的奶牛养殖场和年存栏量为120 000 羽蛋鸡养殖场。通过情景分析法计算养殖场尺度内不同情景的氨排放量与减排效率，确定生猪、奶牛和蛋鸡养殖场最佳减排情景；然后，根据《中国主要作物施肥指南》［24］中对设施番茄有机肥与化肥施用量建议，在养殖场最佳减排情景下，探究粪污氮素不同循环利用率下“规模化养殖场+设施番茄”体系的氨排放；最后，结合农田减排技术，分析“规模化养殖场+设施番茄”体系的氨减排效率与差异。

1.1 情景设定

1.1.1 养殖场氨减排情景设定 根据氮素流动途径可将养殖场内分为储存管理、饲舍设计、饲料管理3 个环节，氮素流动途径如图1 所示。通过实际调研结果与国内外相关文献，每个环节选取两种实际应用较多且减排效果明显的技术，情景设定如下：首先，对3 个环节分别采取减排技术，可得到情景F1-F6，在储存环节，三类畜禽选用的减排技术为塑料薄膜覆盖（Plastic cover）和堆肥添加剂技术（Compost additive）；在饲舍环节，生猪类选用漏缝地板（Slatted floor）和空气过滤器装置（Scrubber），奶牛类选用秸秆垫料（Straw bedding）和提高清粪频率技术（Removal），蛋鸡类选用空气过滤器和提高清粪频率技术；在饲料环节三类畜禽都通过降低饲料蛋白含量（Low CP ）和饲料添加剂技术（Feed additive）达到减排目的。其次，将储存和饲舍环节的减排技术两两组合成4 种情景。再次，选取上述情景中排放量最低的（Low emission）分别与饲料环节减排技术组合，得到2 种情景；最后，以养殖场不采取减排技术的排放量为基准，比较12 种情景中减排效率最高的为养殖场尺度最佳减排情景（Farm best）。养殖业情景组合与减排效率计算值如表1所示。

图1 粪尿氮素流动与氨排放模式图Fig. 1 Nitrogen flow and NH3 emission pattern in feces

表1 规模化养殖场氨减排情景与效率Table 1 Mitigation scenarios and efficiencies of ammonia emission from intensive animal operations

1.1.2 养殖场配套农田面积设定 根据《中国主要作物施肥指南》中对设施番茄的施肥建议，以华北平原中等肥力水平的土壤为例，提出氮肥与以鸡粪作为有机肥的施肥建议［24］。李书田等人采集我国有代表性的20 个省市规模化养殖场的猪粪、鸡粪、牛粪样品共150 个，试验测定得到：鸡粪平均含氮量为2.1%；猪粪平均含氮量为2.3%；牛粪平均含氮量为1.6%［26］。据此将《中国主要作物施肥指南》中建议的鸡粪施用量分别转化为猪粪和牛粪施用量如表2 所示。设置有机肥在设施番茄中的循环利用率分别为0、20%、50%、80%和100%，利用公式（1），研究不同粪尿循环利用率对“规模化养殖场+设施番茄”体系氨排放的影响。其中，未进入农田循环利用的粪尿作为养殖废弃物进入环境中，氨氮经氨挥发进入大气中。

表2 不同番茄产量水平的有机肥与化肥建议施用量Table 2 Recommended application rates of organic fertilizers and chemical fertilizers for various tomato yield levels

1.1.3 种养结合氨减排情景设定 在养殖场最佳减排情景（Farm best）下，以有机肥混施+尿素表施为农田环节的基准排放，农田环节选取深施覆土（Urea incorporation）、添加脲酶抑制剂（UI additive）和改用硝态氮肥（Nitrate nitrogen fertilizer，如硝酸铵钙），设置3 种减排情景（表3）。

表3 设施番茄生产环节的氨减排情景与效率Table 3 Mitigation scenarios and efficiencies of NH3 emissions from tomato production

1.2 计算方法

1.2.1 养殖场氨排放量计算方法 参考Webb 计算氨排放的质量流动模型［30］，根据畜禽日粮组成计算粪尿N 排泄量，N 素以粪尿形式排出后，根据流动途径将养殖场分为饲舍、储存与处理、农田施用3 个环节计算，且在某一环节引入减排技术后会影响以下环节的氨排放，计算公式（2）如下：

其中：TANex 为畜禽粪尿TAN 排泄量（kg/年）；DF 为饲料投喂量（kg/年）；DM、CP 分别为饲料干物质与粗蛋白含量（%）；Nex%为粪尿N 排泄系数（%）；TAN%为铵态氮占全氮的百分比（%）；E1、E2、E3分别为饲舍、储存与管理、农田施用环节中的NH3挥发量（kg/ 年）；V1、V2、V3为各个环节氨挥发率（%），生猪与奶牛的氨挥发率数据参考Wang 等人的研究结果［14,25］，蛋鸡数据参考《大气氨源排放清单编制技术指南》［31］，数值见表4；SP 为粪尿清除效率（%）；RE 为各环节减排效率（%），数值见表1、3。

表4 三类养殖场不同环节氨挥发系数Table 4 NH3 emission factors of different sectors in three types of animal operations

1.2.2 种植业氨排放量计算方法 本研究采用《大气氨源排放清单编制技术指南》中大气氨排放计算方法，计算设施番茄氮肥施用氨排放，计算公式（3）为：

其中，E 为氮肥施用的氨排放量，A 为施肥量，EF 为排放系数，γ 为氮-大气氨转换系数，取1.0［31］。

作物施肥方式、施肥率的大小会影响施肥氨排放系数。因此，根据施肥方式和施肥率校正基准排放系数得到氮肥施用的实际排放系数，公式（4）即：

其中b 为基准排放系数，选取《大气氨源排放清单编制技术指南》中对应的推荐系数0.146 6， r 为施肥校正率系数1.18，m 为施肥方式校正系数，表面撒施为1.0［31］。由于设施番茄追肥主要为尿素，因此本文计算得到实际排放系数EF 为0.173 0。

1.3 不确定性分析

本研究旨在探究不同管理情景之间氨排放差异性，为确定高效的氨减排技术组合提供依据。因此，本文设定不同情景下氨排放量的不确定性来源于粪污清理收集系数、氨排放因子、减排效率，忽略养殖场活动水平和管理水平对氨排放不确定性的影响。本研究采用《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》中规定的不确定性管理方法，规定各环节氨排放系数和减排效率 变异范围均为30%，且呈正态分布，由此计算不同情景氨排放值的不确定性。采用蒙特卡罗法，利用Matlab2014 中随机正态分布函数随机模拟1 000 000 次， 计算每个氨源的排放数据集（样本量为1 000 000）， 然后对各个数据集分别求和，获得该情景下排放数据集并计算平均值与变异范围。然后从不同情景的数据集中随机选取n 个估算值（n=20，该子数据集的平均值和变异与总数据集基 本一致），利用SPSS25 进行多重比较（α=0.05），据此评估各个管理情景的控氨有效性。

2 结果与分析

2.1 养殖场氨减排效果

生猪养殖场不同情景下氨排放量与减排效率如图2 所示。与未采用任何控氨措施的基准排放F0相比，仅对养殖场粪尿存储场所进行覆盖处理（F1）对整个养殖场尺度的氨排放影响很小；若粪尿存储环节采用堆肥工艺，则引起养殖场尺度氨排放的增加，即便在堆肥过程中应用了添加剂（F2），其氨排放高于基准情景F0约26.5%。然而，与基准排放相比，仅加强对饲舍阶段氨排放管理（F3和F4），如采用漏缝地板、增加清粪频率或增加空气过滤器等，均可显著降低养殖场尺度氨排放约26.1%～62.8%；此外，单独控制饲料，如降低饲料蛋白F5 或使用饲料添加剂F6，也可显著降低养殖场尺度氨排放约11.1%～43.0%。当对粪尿储存进行覆盖处理、饲舍应用漏缝地板（F7）或空气过滤器（F8）后，养殖场尺度氨排放分别下降了约27.1%和64.3%。如果养殖场的粪尿处理采用了堆肥工艺，采用漏缝地板工艺后（F9）养殖场氨排放与基准排放基本持平，而饲舍通风口加设空气过滤器（F10）后，养殖场氨排放可降低约36.3%。根据前文分析，粪尿存储和饲舍管理环节减排效率最高的两种措施分别为常规堆放进行覆盖处理和设置空气过滤器，在此基础上通过加强饲料管理从而实现对养殖场尺度氨排放的全链条管理（F11和F12），养殖场尺度氨排放可降低约68.3%～79.7%。

蛋鸡养殖场氨排放的控制措施与生猪养殖场基本一致，各种减排措施及其组合的减排潜力也大致相同（图3），加强粪污存储、饲舍和饲料管理可使得养殖场尺度的氨排放降低约65.4%～76.6%。然而，针对奶牛养殖场（图4），与基准排放F0相比，可显著降低氨挥发的技术是提高饲舍的清粪频率（F4），可使得氨排放降低约19.0%～19.6%，而加强粪污存储管理（F1和F2）和饲料管理（F5和F6）对养殖场尺度氨排放影响甚微。同时实现粪污存储、饲舍和饲料优化管理（F11和F12）可使养殖场尺度氨排放显著降低约22.8%～24.3%，但减排潜力明显低于生猪和蛋鸡养殖场。

图2 生猪养殖场不同情景的氨年排放量与减排效率Fig. 2 Annual NH3 emissions and mitigation efficiency of different scenarios of pig operations

图3 蛋鸡养殖场不同情景的氨年排放量与减排效率Fig. 3 Annual NH3 emissions and mitigation efficiency of different scenarios of layer operations

图4 奶牛养殖场不同情景的氨年排放量与减排效率Fig. 4 Annual NH3 emissions and mitigation efficiency of different scenarios of dairy cow operations

2.2 养殖场粪尿循环利用率对“养殖场+设施番茄”体系氨排放的影响

本试验在生猪、奶牛和蛋鸡养殖场最佳氨减排和粪尿氮素输出量最大的情景下，假设养殖场粪尿氮素循环利用率分别为0、20%、50%、80%和100%时，根据《中国主要作物施肥指南》中设施番茄的施肥建议计算了不同循环情景下的配套种植面积及其施肥量，并计算了生产体系氨排放及其氮素损失。以“生猪养殖场+设施番茄”为例（图5），当养殖场粪尿氮素循环利用率为0%时，表明养殖场粪尿中氨氮几乎全部以氨挥发方式进入大气中，随着粪尿循环利用率逐渐增加，该生产体系中粪尿氨排放的总量和相对贡献快速下降，无机氮肥施用引起的氨挥发总量和相对贡献逐渐增加，但其增加幅度仍显著低于前者。综合图5 ～7，生猪、奶牛和蛋鸡体系的氨排放总量均随粪尿氮素循环利用率的增加而逐渐减小，当粪尿氮素循环利用率为100%时，氨排放量最小，NH3-N 损失率最低，分别为20.2%、22.5%和28.2%。

图5 不同循环利用率下“生猪+设施番茄”体系的氨年排放与N素损失Fig. 5 Annual NH3 emissions and the NH3-N loss of total N input of the “pig + tomato” integration under different recycling situations

图6 不同循环利用率下“奶牛+设施番茄”体系的氨年排放与N素损失Fig. 6 Annual NH3 emissions and the NH3-N loss of total N input of the “dairy cow + tomato” integration under different recycling situations

图7 不同粪尿循环利用率下“蛋鸡+设施番茄”体系的氨年排放与N 素损失Fig. 7 Annual NH3 emissions and the NH3-N loss of total N input of the “layer + tomato” integration under different manure recycling situations

2.3 设施番茄生产环节氨减排潜力

如图8 所示，三种技术中，施用脲酶抑制剂的减排效率最高，生猪、奶牛和蛋鸡养殖体系的设施番茄环节氨减排分别可达47.7%、44.4%和15.8%。整体看来，除奶牛养殖体系的设施番茄环节施用添加脲酶抑制剂外，其他减排技术对该环节的氨排放影响较小。

图8 不同设施番茄氮素管理情景下氨年排放与减排效率Fig. 8 Annual NH3 emissions and mitigation efficiency of three types of “livestock + tomato” integrations under different fertilizer management scenarios

2.4“规模化养殖场+设施番茄”体系氨减排潜力与途径

由表5 可知，与养殖场粪尿不循环时的基准排放相比（F0C0%），在养殖场环节粪尿常规管理方式下，“种—养”结合（F0C100%U0）可显著降低生猪、奶牛、蛋鸡体系的氨挥发。表5 分别达54.2%、66.5%和22.5%，而在养殖场最佳减排情景下的种养结合（FBC100%U0）可使氨挥发下降约79.8%、72.0%和53.1%，相较而言，进一步加强种植环节的氨减排（FBC100%UB）对整个链条的氨排放影响较小，最终全链条减排效果分别达到81.5%、74.4%和55.5%。由此可见，实现养殖场粪尿氨减排管理和循环利用是降低养殖场尺度氨排放的最有效途径。

表5 3 类畜禽种养结合模式各个情景显著性分析（P＜0.05）Table 5 Scenario significance analysis of three types of livestock and poultry breeding modes (P＜0.05)

3 讨论

3.1 氨排放率与减排效率值的确定

本试验采用的氨挥发率在饲舍与储存环节与沈兴玲［8］、刘东［32］、翟留博［33］、杨志鹏［34］等人的数据接近，而在有机肥施用阶段，上述研究主要参考国外相关文献，本试验参考《大气氨源排放清单编制技术指南》的数据较大，造成计算结果与其他研究相比偏大，但本试验参考了《2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories》中关于气体排放的不确定性管理办法，并结合显著性检验，因此推荐的管理措施可靠性较强。此外，本试验在估算不同畜禽粪尿排泄量时，主要依据是中国生猪、奶牛、蛋鸡饲养标准中提供的饲料组成与蛋白含量以及氮素排泄系数，且氮素排泄量与国内相关文献报道的结果接近，因此计算结果较为准确。

3.2 各个环节氨排放贡献率

Wang 等估算了肉牛养殖场各个环节的氨排放贡献率，饲舍环节、粪肥堆肥和农田施用分别为80.8%、16.5%和2.7%［25］；Watts 等研究发现饲舍环节、储存环节、土地利用环节的氨排放贡献率分别为85%、9%、6%［14］；刘东等研究表明，生猪与奶牛养殖场均为饲舍环节氨排放贡献率最大［32］。上述研究与本试验的饲舍环节贡献率最大的结论基本吻合。然而，不同研究的区别主要包括管理方式和氮素输入项目的差异，例如，本研究中储存环节管理技术为堆放，农田施用环节的氨排放包括有机和化肥氨挥发，而Wang 等［25］研究中储存环节管理技术为堆肥，且农田施用环节的氨排放仅考虑了有机肥氨挥发。

4 结论

本试验探讨了生猪、奶牛和蛋鸡三类畜禽养殖场与配套设施番茄实现种养结合模式下最佳氨减排技术途径。（1）养殖场管理环节的氨减排潜力顺序为生猪＞蛋鸡＞奶牛养殖场；（2）在养殖场粪尿常规管理方式下，“种—养”结合可显著降低生猪、奶牛、蛋鸡体系的氨挥发，氨减排率分别为54.2%、66.5%和22.5%；（3）养殖场最佳减排情景下的种养结合可使氨减排率提高至79.8%、72.0%和53.1%；（4）在此基础上进一步加强种植环节化肥的氨减排对整个链条的氨排放影响较小，减排率分别达到81.5%、74.4%和55.5%。由此可见，充分实现粪尿氮素循环利用、加强养殖场粪尿氨减排管理是降低养殖场尺度氨排放的最有效途径，规模化生猪和奶牛养殖场的氨减排潜力明显高于蛋鸡养殖场。