生猪养殖全生产周期氮排泄参数及全国生猪粪尿氮排泄研究*

付 敏, 蒋小松,3, 何志平,3, 刘 怡, 陈天宝,3**

生猪养殖全生产周期氮排泄参数及全国生猪粪尿氮排泄研究*

付 敏1,2, 蒋小松1,2,3, 何志平1,2,3, 刘 怡1, 陈天宝1,2,3**

(1. 四川省畜牧科学研究院 成都 610000; 2. 动物遗传育种四川省重点实验室 成都 610000; 3. 四川铁骑力士实业有限公司院士(专家)工作站 绵阳 621100)

为完善生猪养殖氮排泄参数体系, 准确计算生猪养殖粪尿氮排泄量, 本研究通过对生猪养殖全生产周期(繁殖—断奶—生长—育肥)持续开展285 d的全收粪尿法代谢试验, 每天记录采食量、粪尿产生量, 采集样品测定水分和氮含量, 系统性获取了能繁母猪空怀期、妊娠前期、妊娠中期、妊娠后期和哺乳期, 以及生长肉猪保育期、生长前期、生长后期和育肥期氮的摄入与排泄参数, 并结合生猪生产性能参数计算生猪氮年排泄系数。并基于中国各省生猪养殖统计数据和耕地面积, 核算2000—2018年生猪养殖粪尿氮产生量变化及区域分布情况。结果表明: 生猪不同生长生理阶段氮摄入量和排泄量差异显著, 其中空怀期母猪为72.32 g×d–1和49.42 g×d–1, 妊娠前期为55.79 g×d–1和45.36 g×d–1, 妊娠中期为56.25 g×d–1和22.27 g×d–1, 妊娠后期为72.41 g×d–1和26.36 g×d–1, 泌乳期为114.28 g×d–1和38.84 g×d–1, 商品猪保育期为22.86 g×d–1和10.96 g×d–1, 生长前期为34.87 g×d–1和18.34 g×d–1, 生长后期为54.67 g×d–1和34.50 g×d–1, 肥育期为55.15 g×d–1和35.79 g×d–1。而且各阶段尿氮排泄量都比粪氮高。商品肉猪和能繁母猪年排泄系数分别为9.00 kg×头–1×a–1和11.75 kg×头–1×a–1。2000—2018年, 我国生猪养殖粪尿氮排泄总量呈先增后缓慢下降的趋势, 而单位猪肉产品氮排泄量逐年下降, 商品肉猪氮排泄量占生猪养殖粪尿氮排泄总量比重达84.03%。四川、河南、湖南、山东是我国生猪养殖氮排泄总量最大的4个省, 占全国生猪养殖氮排泄总量的33.67%; 而单位耕地面积生猪养殖氮承载负荷最大的省份是福建、广东、湖南、北京、上海。因此, 在生猪生产中应根据群体结构和相应的氮排泄系数科学核算其氮排放量, 在产业发展规划时要充分考虑环境承载力。

生猪养殖; 生长生理阶段; 粪尿氮排泄; 氮排泄量; 氮排泄系数

农牧业生产活动是改变全球氮循环的主要因素之一[1], 过多的氮排放不仅破坏生态环境, 还会危及人类健康。而畜禽养殖排泄氮的数量过多是引起农业面源污染的一个重要原因, 其中集约化畜禽养殖是环境中最大的氮贡献者[2-3]。有研究表明, 猪和肉牛是我国畜禽养殖氮元素进入水体的主要排放单元[4], 而且畜禽养殖量聚集程度越高, 排放量越多, 对环境的威胁也越大[5]。我国是养猪大国, 1961年以来, 猪肉产量平均为全国肉类总产量的78%[6], 且养殖总量和工业化养殖场的数量快速发展。一方面, 猪肉产量占世界猪肉总产量的比例由1961年的17.41%上升到2018年的45.49%[6]; 另一方面, 生猪生产的结构性变化也导致了养殖区域分布的变化, 近10年, 全国52.18%的生猪养殖量分布在占31.61%耕地面积的省份[7], 规模化程度显著提高[8]。大量生猪养殖粪污产排引发的环境问题日渐突出。

近年来, 有学者从区域(流域)尺度[1,3,6]和农田尺度[9-12]估测衡量畜禽养殖氮负荷。Bai等[9]通过多因素建立模型核算生猪养殖氮损失; 朱建春等[12]、刘东等[13]采用产污系数与养殖量估算, 从不同层面反映了畜禽养殖产生的氮负荷。但是, 由于计算方法和氮排泄参数具有较大的差异, 核算结果差异较大, 可比性较差。无论采用模型估算法还是直接计算法, 生猪养殖氮排泄参数都直接影响核算结果。尽管研究者们从生猪对氮消化利用方面开展了大量研究, 但现有各研究中氮排泄参数差异较大, 与污染普查中的产污系数也存在一定差异[14-16]。我国每10年开展一次污染普查, 专门对生猪开展产污系数监测, 但是只对保育猪、肥育猪、妊娠2月母猪进行原位监测, 缺少对生长猪、空怀母猪、哺乳母猪的监测。在生猪氮排泄参数的研究方法上, 通常一个处理组选择3~6头猪、收集3~5 d粪尿测定, 这种短时间的排泄参数是否能完全反映整个生长阶段的氮排泄情况, 有待进一步研究。而且, 研究者在不同条件下对不同生猪的研究, 也会造成试验结果的差异性。如果不能完善参数体系, 寻找参数差异的原因, 氮排放核算结果难以进行横向比较[14]。因此, 本研究通过对生猪养殖全生产周期开展全收粪尿法代谢试验, 连续跟踪监测, 获取生猪养殖全生产周期氮排泄参数, 并结合我国生猪养殖生产实际情况, 核算分析生猪养殖粪尿氮产生量及分布变化, 为完善生猪养殖氮排泄参数体系和科学评估生猪养殖氮排泄对环境的贡献提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 生猪各生长生理阶段氮排放参数测定

1.1.1 全周期动物试验及管理

我国生猪生产以二元和三元杂交猪为主, 纯地方品种猪的比重仅为2%~10%[17]。饲料主要为分阶段商业配合饲料, 而且饲料配方以豆粕、玉米型日粮为主, 常规饲料原料没有明显的地域特异性。本研究动物试验在我国具有中等生产水平的‘大约克夏(Yorkshire)×长白(Landrace)×杜洛克(Duroc)’(简称外三元或DLY猪)生猪自繁自养场实施, 该养殖场实行分区养殖, 配套有污水处理等设施, 年存栏母猪1 000头, 年出栏商品肉猪18 000头。

选择配种成功的健康‘长白(Landrace)×约克(Yorkshire)’(LY)二元杂交母猪12头, 单笼饲养于专用母猪代谢笼, 开展全收粪尿代谢试验, 到下次发情配种前结束。试验期采用养殖场常规饲养管理, 在妊娠前期(1~28 d)、妊娠中期(29~83 d)、妊娠后期(84~113 d)、哺乳期(1~28 d)和空怀期(1~7 d)饲喂相应阶段商业饲料。在试验前一天、断奶第7 d称重记录母猪体重, 分娩时记录仔猪初生重、窝产仔数、断奶窝重、死淘仔猪数等。

仔猪断奶后, 随机选取健康断奶DLY商品仔猪12头, 单笼饲养于专用可调节移动式代谢笼, 通过调整代谢笼大小, 确保试验猪正常生长。试验从仔猪第29日龄开始至体重达100 kg左右结束, 试验期间采用养殖场常规饲养管理, 分别在保育期(7~20 kg)、生长前期(20~40 kg)、生长后期(40~60 kg)和肥育期(60~100 kg)结束前后称重记录试验猪体重, 并饲喂相应阶段商业饲料。

全周期试验动物在环控圈舍饲养, 每天记录饮水量、采食量, 收集全部粪尿, 测定粪便含水率等, 其中, 哺乳期母猪的粪便和尿液包含对应哺乳期仔猪的粪便和尿液。试验期间, 各阶段商业饲料为市售普通玉米豆粕型全价配合饲料, 营养成分为实测值(表1)。

1.1.2 试验样品处理

试验期间, 每天早上8:00结算前一天的粪、尿量, 并将同一天每头猪的粪、尿分别混合均匀, 粪样按照总重的20%取样后均分为2份, 1份按照100 g新鲜粪便加入5 mL 4.5 mol∙L−1H2SO4, 并加2滴甲苯, 风干粉碎, 冷藏保存, 另1份不做任何处理用于测定绝干物质含量; 尿液按照总重的10%取样, 样品按照按每100 mL加入4.5 mol∙L−1H2SO42 mL和4滴甲苯, 混匀后装入塑料瓶密封, 标记后置于-20 ℃冷冻保存。将每头猪同一生长生理阶段样品混匀, 按照四分法取样, 粉碎过40目筛, 立即开展相应指标检测。

表1 试验猪场各生长生理阶段生猪饲料营养水平

1.1.3 测定指标及计算方法

测定饲料中水分、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、无氮浸出物、灰分等营养成分含量, 粪便中水分、总氮含量及尿液中总氮含量, 采用官方分析化学家协会(AOAC)方法测定。

1.1.4 数据分析与处理

试验结果采用Excel进行初步整理, 通过SPSS 19.0统计软件进行单因素方差分析, 所有试验结果用平均值±标准差表示, 以<0.05作为差异显著性标准,<0.10作为有差异显著性趋势, 通过一元线性回归分析对摄入氮、排泄氮进行相关性检验。

1.2 生猪养殖氮年排泄系数计算

生猪养殖氮年排泄系数是在正常技术经济和管理条件下, 平均每头相同生长生理阶段生猪1年所排泄粪尿氮的总量。依据《规模猪场生产技术规程》(GBT 17824.2—2008)[18], 结合生产实际, 将商品猪饲养阶段划分为保育期、生长期(包括生长前期和生长后期)、肥育期, 能繁母猪划分为妊娠前、中、后期, 哺乳期和空怀期。

生猪年排放系数计算公式:

1.3 生猪养殖数量及猪肉产品数量来源

2000—2018年我国及各省份(由于统计口径不同, 因此不含香港、澳门和台湾地区)生猪养殖年末存栏量、年出栏量、年猪肉产量、能繁母猪数据来源于国家统计数据[7]。通过我国生猪养殖结构和生产效率对不同生长生理阶段生猪存栏数量进行分类整理[19-20]。在完全自繁自养条件下, 商品肉猪各阶段存栏数参照公示(3)计算, 并结合专家咨询和生产调研进行数据校验。

fi=(t−b−s)´t/fa(3)

式中:fi为第阶段商品肉猪存栏量(万头),t为生猪总存栏量,b为公猪存栏量,s为母猪存栏量,为第阶段生猪饲养天数(d),fa为商品肉猪从出生到屠宰上市总饲养天数(d)。

1.4 生猪养殖粪尿氮排泄量计算

2000年以来我国DLY生猪占比高、养殖环境普遍改善, 饲料按照营养需要量配制的全价配合饲料或浓缩饲料占比高。因此通过研究氮排泄参数计算2000年以来我国生猪粪尿氮产生情况具有一定的代表性和可比性。通常情况下, 在同一年生猪的存栏量和群体结构基本稳定, 而不同生长生理阶段氮日排泄参数差异大, 因此在核算全国生猪养殖氮排放量时, 宜采用各生长生理阶段生猪存栏量与相应阶段年排泄系数计算[21]。因缺少对香港、澳门和台湾地区生产实践调研数据, 并确保数据统计尺度的一致性, 因此本文计算不含香港、澳门和台湾地区。

生猪养殖氮排放总量计算公式为:

式中: TNP为全国(各省)生猪养殖氮年排放总量(万t), 实际生产中, 哺乳仔猪和对应母猪没有分开, 其排泄量包含在哺乳母猪排泄量内, 因此, 不再单独计算哺乳仔猪的氮排泄量; PN为第阶段生猪养殖氮年排泄系数;为全国(各省)第阶段生猪存栏量(万头);为第阶段生猪存活率。

种猪氮排泄量=能繁母猪氮排泄量+后备母猪氮排泄量+公猪氮排泄量+后备公猪氮排泄量 (5)

商品肉猪氮排泄量=保育猪氮排泄量+生长猪氮排泄量+育肥猪氮排泄量 (6)

1.5 单位猪肉产品氮排泻量计算

单位猪肉产品氮排泄量是生产1 kg猪肉产品全程通过粪尿排泄的氮总量, 包括其繁殖种猪分摊量。

单位猪肉产品氮排放量(MNP, g∙kg−1)计算公式为:

MNP=TNP/MP´1 000 (7)

式中: MP为猪肉产量(万t)。

1.6 单位耕地面积生猪养殖氮承载负荷

单位耕地面积生猪养殖氮承载负荷是1年内在维持相对稳定的前提下, 区域内单位耕地面积所承载的由生猪养殖排泄的粪尿氮总量, 主要反映生猪养殖对环境产生的氮负荷。

单位面积生猪养殖氮承载量(NCP, kg∙hm−2)计算公式为:

NCP=TNP/CLA´107(8)

式中: CLA为耕地面积(hm2)。

2 结果与分析

2.1 生猪不同生长生理阶段氮排泄参数

生猪各生长生理阶段氮摄入与排泄情况如表2所示。生猪不同生理期和生长阶段氮的摄入和排泄参数差异显著。从氮的摄入量看, 保育期仔猪最低, 哺乳期母猪最高; 肉猪生长后期、肥育期及母猪的妊娠前期和妊娠中期差异不显著。从氮的日排泄量看, 母猪空怀期最高, 是保育猪的4.51倍, 其次是母猪妊娠前期、哺乳期、肉猪肥育期和生长后期。

从粪尿氮结构看, 日排粪氮最高的是母猪哺乳期, 其次是母猪空怀期和肉猪生长后期, 其中哺乳期是保育期的5.07倍; 日排尿氮最高的是母猪妊娠前期, 其次是母猪空怀期、肉猪肥育期, 其中妊娠前期是保育期的4.76倍, 保育期生猪日排粪氮、尿氮量均最低。

表2 生猪各生长生理阶段氮摄入与排泄参数1)

同列不同小写字母表示不同生长生理阶段间差异显著(<0.05)。1)生猪各阶段重复数为12头, 试验天数为全生长期(共285 d); 2)哺乳期氮的摄入与排出量包含本窝乳仔猪氮的摄入和排泄。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different growth and physiological stages at<0.05. 1) The number of repeats in each stage is 12 pigs, and the test days are the whole period (285 days in total). 2) The intake and excretion of nitrogen in the lactation period include the intake and excretion of nitrogen in piglets.

从氮的排泄率来看, 日排泄率最高的是妊娠前期, 达81.55%, 其次是空怀期, 达68.38%, 最低的是哺乳期母猪, 为34.09%。其中, 粪氮排泄率最高的是肉猪生长后期, 为22.75%, 最低的是母猪妊娠后期, 为13.39%。尿氮排泄率最高的是母猪妊娠前期, 达64.80%, 最低的是母猪哺乳期, 为34.09%。在母猪妊娠前期尿氮与粪氮比值最大, 妊娠中期和哺乳期尿氮与粪氮比值最低, 其他阶段差异不显著。

2.2 生猪养殖氮年排泄系数

从表3可见, 不同生长生理阶生猪氮的年排泄系数差异极大。育肥猪总氮年排泄系数为13.06 kg∙头−1∙a−1, 是保育猪氮的3.27倍, 是生长猪的1.30倍; 空怀期母猪总氮年排泄系数为18.03 kg∙头−1∙a−1, 是妊娠中期的2.22倍。

表3 不同生长生理阶段生猪养殖氮年排泄系数

1头母猪从配种成功到下次发情配种前作为1个繁殖周期, 目前在我国生猪养殖平均生产水平下, 妊娠期111~115 d, 哺乳期21~28 d, 空怀期7~14 d完成配种。在本研究条件下, 健康能繁二元杂交母猪总氮年排泄系数为11.75 kg∙头−1∙a−1, 其中粪氮4.16 kg∙头−1∙a−1, 尿氮7.60 kg∙头−1∙a−1。正常DLY商品肉猪氮的年排放系数为9 kg∙头−1∙a−1, 其中粪氮2.74 kg∙头−1∙a−1, 尿氮6.26 kg∙头−1∙a−1。1头商品肉猪年排氮量较母猪低23.40%, 而氮排泄率较母猪高14.60个百分点。

按照我国近年来平均生产水平[17], 1头能繁母猪年平均出栏18头商品肉猪, 则出栏1头100 kg的商品肉猪(包含母猪分摊量), 需要摄入氮7.40 kg,排泄总氮4.21 kg, 其中粪氮1.31 kg, 尿氮2.90 kg。

2.3 2000—2018年我国生猪养殖粪尿氮产生量变化

表4表明, 2000—2018年我国肉猪出栏量和生猪年末存栏量先呈不断增加的趋势, 分别于2014年和2012年达最高, 分别为2000年的1.44倍和1.15倍, 之后逐渐回落, 养殖生产效率显著提高。在生猪养殖群体结构中, 公猪的占比最少, 占总存栏量的0.14%左右; 商品肉猪占比最大, 87%左右; 能繁母猪占比在10%左右。

表4 2000—2018年我国生猪养殖数量变化

因统计口径不同, 本表不含香港、澳门和台湾等地区。Due to different statistical standards, Hongkong, Macao and Taiwan areas are not calculated in this table.

由图1可知, 近20年来我国生猪养殖不同生长生理阶段氮的排泄量差异较大。2000—2018年, 商品肉猪氮年排泄量占生猪养殖氮总排泄量的84.03%, 其中保育猪、生长猪、育肥猪分别占9.82%、28.03%、46.18%; 种猪氮年排泄量占比为15.97%, 其中能繁母猪氮排泄量占比为13.68%。与2000—2009年相比, 2010—2018年商品肉猪氮年排泄量由330.29万t增加到350.33万t, 增幅6.07%, 其中保育猪、生长猪、育肥猪氮排泄量分别增加3.28万t∙a-1、8.85万t∙a-1和7.9万t∙a-1; 种猪平均年氮排泄量由63.76万t增加到65.39万t, 增幅2.56%, 其中能繁母猪增加1.47万t∙a-1, 但与生猪养殖氮排泄总量的占比降低0.39个百分点。20年来生猪养殖氮排泄总量呈先增后降的趋势, 2012年达最大值435.16万t。

由图2可知, 我国生猪养殖尿氮比粪氮高, 约为粪氮的2.26倍。与2000—2009年相比, 2010—2018年粪氮排泄量由120.80万t增加到127.56万t, 增幅5.60%; 尿氮产生量由273.25万t增加到288.16万t, 增幅5.46%。

由图3可知, 2000—2018年我国猪肉产量逐年增加, 2014年达最大值后缓慢下降。而单位猪肉产品氮排放量逐年降低, 2018年单位猪肉氮排放量约为71.31 g∙kg-1, 仅为2000年的74.08%。

图1 2000—2018年我国不同生长生理阶段生猪养殖氮排泄量变化

因统计口径不同, 不含香港、澳门和台湾等地区。公猪氮排放量引用肥育猪氮年排泄系数计算, 后备公猪、后备母猪引用商品肉猪年排泄系数计算。Due to different statistical standards, Hongkong, Macao and Taiwan areas are not calculated. The N excretion of boars was calculated by the annual nitrogen excretion coefficient of finishing-pig; those of reserve sows and boars were calculated by the annual nitrogen excretion coefficient of growing-finishing pig.

图2 2000—2018年我国生猪养殖粪氮、尿氮排泄量变化

因统计口径不同, 不含香港、澳门和台湾等地区。Due to different statistical standards, Hongkong, Macao and Taiwan areas are not calculated.

图3 2000—2018年我国猪肉产品产量及单位猪肉产品氮排泄量的变化

因统计口径不同, 不含香港、澳门和台湾等地区。Due to different statistical standards, Hongkong, Macao and Taiwan areas are not calculated.

2.4 我国各省生猪养殖氮排泄量及承载负荷

2000—2018年我国各省(市)生猪养殖氮平均年排泄量如图4a所示。2000—2009年我国生猪养殖粪尿氮排泄量最大的5个省份是四川、湖南、河南、山东、河北, 占全国生猪养殖氮排泄总量的40.27%。2010—2018年, 氮排泄量最大的5个省份是四川、河南、湖南、山东、湖北, 占全国生猪养殖氮排放总量的38.97%, 而排名前十的省份生猪养殖氮排放总量为260.58万t, 占全国生猪养殖氮排泄总量的63.70%。

图4 2000—2009年和2010—2018年我国各省(市、自治区)生猪养殖氮排放量(a)和单位耕地面积承载生猪养殖氮排泄量(b)

因统计口径不同, 不含香港、澳门和台湾等地区。Due to different statistical standards, Hongkong, Macao and Taiwan areas are not calculated.

各省(市)单位耕地面积承载生猪养殖氮负荷如图4b所示。2000—2009年, 单位耕地面积承载量前5的省(市)依次为北京、上海、湖南、福建、广东; 2010—2018年, 单位耕地面积承载量前5的省(市)依次为福建、广东、湖南、北京、上海。与2000—2009年相比, 2010—2018年单位耕地面积生猪养殖氮排放量增加的有17个省份, 其中增长最多的省份依次是江西(+10.23 kg∙hm−2∙a−1)、海南(+10.09 kg∙hm−2∙a−1)、湖北(+6.15 kg∙hm−2∙a−1)。

2010—2018年, 生猪养殖氮排泄总量前5名的河南省、山东省单位耕地面积氮负荷量在全国排名第14和15, 2000—2009年情况相似。而北京、上海生猪养殖氮排放总量较低, 单位耕地面积氮承载负荷较高。

3 讨论

3.1 生猪养殖氮消化利用及排泄参数

关于生猪对氮的摄入、利用、排泄方面国内外已有大量的研究报道, 本研究中二元母猪和三元商品肉猪氮的消化利用率在相同生长阶段与已有研究报道较一致[22-27], 但氮排泄参数有差异。本研究保育猪的氮日排泄量较董红敏等[16]和谢飞[28]等研究结果低, 而与何志平等[15]、黎智华等[24]、汪开英等[29]的研究结果以及污普系数推荐的华东地区、西南地区值较一致; 保育期和育肥猪氮排泄系数较董红敏等[16]、Portejoie等[26]一致, 而高于谢飞[28]和汪开英等[29]的研究结果。原因分析, 各研究主要集中在某个阶段某种饲料蛋白模式下, 没有在实际生产中开展长期系统性的氮排泄定量研究, 数据结果只反映了某时刻氮排泄情况。而在商品猪的生长过程中, 随着生猪生长发育, 氮的摄入、粪氮和尿氮排泄均呈增加的趋势[30]。本研究对生长肉猪各阶段进行线性相关性分析发现, 日排泄氮与采食干物质的量呈显著正相关(2粪氮=0.84,2尿氮=0.36,2排泄总氮=0.74), 日排泄氮与日摄入总氮呈显著正相关(2粪氮=0.78,2尿氮=0.46,2排泄总氮=0.83), 这也与Vu等[31]报道一致。因此, 短时间的试验结果不能完全反映全阶段的氮排泄情况。

繁殖母猪全繁殖周期粪尿氮排泄的定量研究较少, 主要集中在妊娠2月, 妊娠中后期鲜见报道。庄犁等[14]总结了我国近年来畜牧业产污系数的研究状况, 我国妊娠期母猪氮排泄系数变化范围较大, 为16.03~49.61 g∙d−1。与已有研究相比较, 本研究哺乳母猪氮排泄量略低于张文娟等[32]的研究结果, 妊娠期前期母猪氮排泄参数与董红敏等[16]和何志平等[15]、汪开英等[29]的研究结果一致。繁殖母猪氮排泄参数在不同生理阶段差异较大, 在妊娠前期尿氮排放较其他时期多, 而在妊娠中期和后期氮排泄量较低。主要原因是妊娠前期尿产生量大, 由于激素分泌增加, 使母体代谢增强, 而且在妊娠前期释放蛋白水解酶增加促使蛋白质分解代谢大于合成代谢, 导致尿氮的排泄显著增加[33]。在妊娠中后期由于胎儿快速生长, 机体需要量增加, 氮的利用率提高, 氮排泄量降低。

本研究繁殖母猪和生长肉猪年排泄系数低于荷兰和丹麦[34], 与越南[31]和法国[35]相当, 分析原因是荷兰和丹麦生猪养殖饲料氮摄入量高于本研究。繁殖母猪的氮年排泄系数较商品肉猪更高, 近年来高度集约化的种猪场大量新建, 由此产生的氮排放可能会对周围环境产生较大的压力。

3.2 我国生猪养殖氮排泄量计算及其变化

近年, 关于我国生猪养殖氮排放量的核算较多, 但是方法各有不同, 而且生猪养殖氮排泄参数差异较大, 导致核算结果误差较大, 可比性较差。刘晓永等[36]采用年末存栏数和年出栏生猪数量与年排泄系数核算生猪氮年排泄总量, 这种计算方法重复计算了出栏数的排泄量, 结果与实际相比明显偏大。朱建春等[12]用年出栏生猪头数与产污系数计算生猪养殖产氮量, 而生猪产污系数=1/3保育期产污系数+ 2/3育肥期产污系数, 这种算法一是忽视了种猪的产生量, 二是产污系数计算只考虑了保育期和育肥期未考虑生长期。而通过各阶段生猪常年存栏数与相应年排泄系数计算结果更加科学[21], 一方面, 生猪各阶段排泄参数来源于科学试验, 而且大量研究表明, 不同阶段生猪排泄量差异较大, 在生猪生产系统中, 哺乳仔猪、保育猪存栏量较高, 而排泄量较低, 如果不区分阶段计算, 会导致结果偏大; 能繁母猪氮排泄量在空怀期和妊娠前期较高, 如果只取某个节点的数据进行核算, 也会导致结果误差很大。另一方面, 在正常自繁自养的条件下, 生猪群体结构较稳定, 生猪存栏量在一年中变动较小, 而且各生长阶段生猪群体数量具有一定的比例关系, 因此可以用常年存栏量与年排泄系数计算年排泄量。

我国生猪养殖氮排放总量较高, 而且商品肉猪氮排放量显著高于种猪, 其原因是我国经济水平快速发展, 人们对猪肉消费的需求量显著增加, 促进生猪养殖数量逐年增加; 另外, 由于育种技术、繁殖技术、饲养技术及防疫技术的不断提高和应用, 生猪养殖生产效率显著提高, 同时, 降低了单位猪肉产品氮排放量。近20年, 我国生猪养殖氮排放量呈先增后降的趋势, 原因一方面人们消费习惯发生变化, 增加了禽肉和牛肉的消费, 另一方面国家通过用法律、政策引导、技术指导, 深入改善养殖环境, 在这期间关闭了许多养殖环境不达标和禁止养殖区的养殖场(户), 导致养殖总量有所下降。

我国各省受经济发展水平、养殖成本、消费习惯等影响, 生猪养殖量和氮排泄量存在显著地域性差异, 如四川、河南、湖南、山东等省份生猪养殖量大, 氮排放量相应较大, 西藏、内蒙古、青海等地养殖量少, 氮排放量相应较少。但由于环境容量的差异, 各省生猪养殖氮排放量对环境影响程度不同[3,10], 从单位耕地面积氮承载负荷来衡量畜禽养殖氮排放对环境的影响, 北京、上海、湖南承载负荷较高, 可能造成较大的环境压力。

生猪养殖尿氮排泄量比粪氮高, 尿液中尿素在粪便脲酶的催化下产生氨气、氮氧化物等, 极易挥发到空气[4], 导致温室效应, 影响动物和人类健康[2,37], 而由于有机氮化合物矿化速率较低, 粪中氨气的产生量相对较低[38], 阻止粪和尿的接触是减少尿素氮挥发的关键举措。但是在实际生产中, 很难严格分离畜禽粪尿, 导致生猪养殖尿素氮的管理较粪氮管理更为重要, 且难度更大。

3.3 本研究不确定性分析

本研究以我国主要生猪品种DLY作为研究对象, 在环控圈舍条件下, 以我国主要饲料原料和平均营养水平为基础, 通过全生产周期监测获取其氮的摄入与排泄参数, 并以此对全国生猪养殖粪尿氮产生情况进行分析。然而, 影响生猪氮排泄的因素较多, 如品种、饲料组成和营养水平等。因此, 计算结果仍然存在一定的不确定性: 一是品种差异带来的不确定性, 本研究未考虑不同品种之间氮排泄的差异性; 二是饲料和营养水平的差异性, 不同养殖技术管理水平的养殖场(户)在营养策略上会有差异, 本研究未考虑由此带来的氮排泄差异; 三是本研究是一种静态分析方法, 而畜禽养殖是动态变化的过程, 特别是各阶段畜禽养殖数量与真实值之间仍然存在一定的不确定性; 四是本研究只核算了生猪粪尿氮的产生量, 未考虑资源化利用情况, 因此不能通过该核算结果评估生猪养殖对环境产生的实际危害。为准确掌握生猪养殖氮排放, 我们下一步将继续完善和丰富我国主要生猪品种、主要营养水平下的氮排泄参数。

4 结论

生猪不同生长生理阶段氮的摄入和排泄量差异显著, 而且, 尿氮排泄量显著高于粪氮。在核算生猪养殖氮排放量时应分别采用各生长生理阶段的氮排泄系数, 重视繁殖母猪氮排泄量的核算。在本研究条件下我国生猪养殖氮年排泄系数, 保育猪、生长猪和肥育猪平均为4 kg∙a–1、10.06 kg∙a–1和13.06 kg∙a–1,能繁母猪平均为11.75 kg∙a–1。

2000—2018年, 我国生猪养殖氮排放总量呈先增后降的趋势, 商品肉猪氮排放量贡献最大, 2000—2009年平均为394.05万t∙a–1, 2010—2018年平均为415.72万t∙a–1, 商品肉猪氮排放量占比分别为83.80%和84.28%。但是, 随着科技发展, 单位猪肉产品氮排放量逐年降低。我国各省生猪养殖氮排放量和区域负荷不均衡, 可能会造成局部环境压力。

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N excretion coefficient based on the whole process of pig production and manure N excretion in China*

FU Min1,2, JIANG Xiaosong1,2,3, HE Zhiping1,2,3, LIU Yi1, CHEN Tianbao1,2,3**

(1. Sichuan Animal Sciences Academy, Chengdu 610000, China; 2. Animal Breeding and Genetics Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610000, China; 3. Academician (Expert) Workstation of Tieqilishi Industry Co., Ltd, Mianyang 621100, China)

The present study aimed to improve the nitrogen (N) excretion parameter system applied to pig breeding to accurately calculate the related manure N excretions. Metabolic assessment of full fecal and urine production in the whole process of pig breading (reproduction-weaning-growth-fattening, for a total of 285 days) were performed in 12 breeding sows (Yorkshire×Landrace) and 12 commercial pigs (Yorkshire×Landrace×Duroc). We recorded the feed intake, fecal and urine production, and collected samples every day for moisture and N content evaluation. The collected data were combined with the pig production performance parameters to calculate the pig breeding-associated annual N excretion coefficient. Lastly, we evaluated changes on N excretion and regional distribution of pig-production based on the statistical data and cultivated land area of different provinces (cities) from 2000 to 2018 in China. The results indicated that pigs had significantly different N intake and excretion at different growth physiological stages, being 72.32 and 49.42 g×d−1in open days, 55.79 and 45.36 g×d−1during early pregnancy, 56.25 and 22.27 g×d−1in mid-gestation, 72.41 and 26.36 g×d−1in late pregnancy, and 114.28 and 38.84 g×d−1during lactation, respectively. In commercial pigs, the N intake and excretion was 22.86 and 10.96 g×d−1in weaning, 34.87 and 18.34 g×d−1during early growth, 54.67 and 34.50 g×d−1during late growth, and 55.15 and 35.79 g×d−1during fattening, respectively. Moreover, urinary N excretion was higher than fecal N excretion at each stage. The annual N excretion coefficient of commercial pigs and sows was 9.00 and 11.75 kg×head−1×a−1, respectively. From 2000 to 2018, the total N excretion from pig breeding in China increased and then gradually decreased; however, the N excretion per unit pork product decreased every year. The N excretion by commercial pigs accounted for the largest proportion of the total manure N, with an average of 84.03%. Sichuan, Henan, Hunan, and Shandong were the top four provinces with the highest N emission, accounting for 33.67% of the total N emission from pig-production in China, whereas the provinces (cities) with the largest N load per unit cultivated area were Fujian, Guangdong, Hunan, Beijing, and Shanghai. Therefore, we should consider the population structure and the corresponding N excretion coefficient when calculating the amount of N emission from pig breeding, and fully consider the environmental carrying capacity when making development plans.

Pig production; Growth and physiological stage; Manure N excretion parameters; N emission accounting; N excretion coefficient

, E-mail: 3493200595@qq.com

May 14, 2020;

Aug. 4, 2020

X82; S8

10.13930/j.cnki.cjea.200355

付敏, 蒋小松, 何志平, 刘怡, 陈天宝. 生猪养殖全生产周期氮排泄参数及全国生猪粪尿氮排泄研究[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(11): 1799-1810

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* 四川省科技计划项目(2014NZ0091, 2017HH0090)、四川省财政运行专项(SASA2020CZYX005)、天府高端引智计划项目(S201849, SYZ201955)、中国清洁发展机制基金项目(1113063)、第二次全国农业污染源普查项目和国家现代农业产业技术体系四川创新团队建设专项(SCCXTD-2020)资助

陈天宝, 主要从事畜牧业经济与生产系统研究。E-mail: 3493200595@qq.com

付敏, 主要从事动物营养与环境研究。E-mail: 3097643200@qq.com

2020-05-14

2020-08-04

* This study was supported by the Science and Technology Support Program of Sichuan, China (2014NZ0091, 2017HH0090), the Special Project for Financial Operation of Sichuan Province, China (SASA2020CZYX005), Tianfu Academic Elite Talent Introducing Project, China (S201849, SYZ201955), the Clean Development Mechanism Fund, China (1113063), the Second National General Survey of Agriculture Pollution Sources of China, and the National Modern Agricultural Industrial Technology System, Sichuan Innovation Team Construction Project, China (SCCXTD-2020).