国家农业绿色发展研究院种养平台成果 | 中国集约型奶牛养殖场的养分利用效率——现状和改善方法

▎论文ID   

Nutrient use efficiency of intensive dairy farms in China – Current situation and analyses of options for improvement

中国集约型奶牛养殖场的养分利用效率——现状和改善方法

发表期刊：Agricultural Systems

发表年份：2022年

第一作者：谈美秀¹

通讯作者：侯勇²

    houyong7514364@126.com

作者单位：1. 瓦赫宁根大学土壤生物组。2. 中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院。

  Cite this article :  

Tan, Meixiu, Yong Hou, Ling Zhang, Shengli Shi, Weitong Long, Yifei Ma, Tao Zhang, and Oene Oenema. 2022. “Nutrient Use Efficiency of Intensive Dairy Farms in China – Current Situation and Analyses of Options for Improvement.” Agricultural Systems 203 (103495): 103495. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2022.103495.

        该篇文章由中国农业大学国家农业绿色发展研究院侯勇副教授、中国农业大学特聘讲座教授荷兰瓦赫宁根大学教授 Oene Oenema 合作指导，于2022年9月8日发表在Agricultural Systems期刊。

 

 · 文 章 摘 要 · 

       奶牛养殖对总氮和总磷的排放具有深刻影响，引发了广泛关注。然而，不同的养殖系统之间存在很大差异，并且现有的研究缺乏对这些差异的了解。本研究开发了一个养殖场尺度的养分流动模型，应用该模型评估了中国141个集约化养殖场的氮、磷流动和牛群、粪污、养殖场三个尺度的氮素利用效率（NUE，Nitrogen use efficiency）和磷素利用效率（PUE，Phosphorus Use Efficiency），同时探究了不同的减排技术对提高养殖场水平的养分利用效率的效果。研究结果表明，NUE和PUE在养殖场之间存在巨大差异，尤其是在养殖场尺度（NUE = 53 ± 20%，PUE = 84 ± 22%）。由于养殖场之间的巨大差异，减排技术对于养殖场水平的养分利用效率的提高影响也不尽相同，对NUE的提高效果为0–53%，对PUE的提高效果为0–79%。提高粪污存储和处理技术配套比例对减少排放提高养殖场尺度的养分利用效率最为有效，低蛋白饲喂技术的效果最为有限。本研究强调了针对整个粪便管理链特定方面的特定农场技术的需求，以改善中国集约型养殖场的 NUE 和 PUE。此外，需要限制施肥量，以防止过量施肥和农田的养分流失。

 

 

 · 文 章 亮 点 · 

1. 农场调研数据和用于评估奶牛场养分利用效率的模型。

2. 氮和磷平均引用效率高于先前的估计值，但农场之间的差异很大。

3. 养分循环管理中牛群管理最强，粪污管理最弱。

4. 改善粪便管理可将农场尺度NUE从53%提高到65%。

5. 由于饲料生产和粪便利用的外部化，农场NUE和PUE较高。

 

 · Graphical abstract · 

 

 · 研 究 内 容 · 

▎研究方法

       调研结合模型分析。
 

▎研究结果

1. 被调研农场的特点

       本研究共调研了 141 个奶牛场，平均有 331 头奶牛（中位数 250头；范围 50–5900头）。大多数农场（94%）是家庭农场，平均每名工人负责18头奶牛（每名工人负责5–40头奶牛）。每 10 头奶牛平均有9.2头后备牛（范围 3.7–30.0头）。生产力平均为每头奶牛每年 8,910 千克牛奶（7,946 千克脂肪-蛋白质矫正牛奶产量（FPCM，Fat-protein corrected milk）。农场平均拥有 17.4 公顷农田（中位数 1.9 公顷；范围 0.3–600 公顷）。所有的奶牛都被饲养在带有混凝土地板的圈舍中，没有带有漏缝地板和地板下储存粪浆的农场，也没有放牧农场。77% 的农场每天至少两次收集圈舍中排泄的粪便，储存数天或数月，然后再进行处理或施用于田间或卖出。另外 23% 的农场清粪的频率较低（每周 1–7 次）。清理的粪便要么储存在农场的地面上，要么储存在无覆盖的粪坑中，粪坑通常有硬化处理。一般来说，存储容量十分有限，因此存储时间也很短暂。21% 的调研农场进行了粪便处理；固液分离是主要的处理技术，存在于17% 的农场中。由于大多数农场几乎没有或完全没有耕地，因此农场内只使用了一小部分粪肥；相反，很大一部分出口到附近的农作物农场。
 

2. 农场尺度养分流动和变异

       图1展示了农场层面每头奶牛的氮、磷流动平均量。每头奶牛（包括后备牛）每年平均采食量为248千克氮和40千克磷，其中超过95%的饲料来源于外部购买。饲料中21%氮和28%磷被吸收，用于生长和生产牛奶，其余的79% 氮和72% 磷通过尿液和粪便排出，即每头奶牛（包括后备牛）每年排放197千克N和30 千克P。氨气（NH₃）、一氧化二氮（N₂O）、二氮（N₂）和/或氮氧化物（NO_x）排放到空气中的总气态氮损失占总氮排泄量的 45%。排放和淋溶损失平均占氮、磷排泄量的12%和23%。总共51%的排泄氮和89%排泄磷用于农场或出口到附近的作物农场。85个农田的农田施肥量平均为每年每公顷1364千克氮和281千克磷，远高于种植作物的年平均氮磷需求量。

图1  141个被调研奶牛场的平均氮（N）和磷（P）流动情况。中部显示饲料和粪肥中氮和磷的流动，上部显示气态氮向空气中的排放损失，下部显示淋溶和排放导致的氮、磷损失（单位：粗体数字=千克/头/年；斜体数字=总排泄量的百分数）

       
       图2显示了NUE和PUE在牛群、粪肥和农场水平上的分布，以及每1000千克脂肪-蛋白质矫正奶的氮和磷的排泄和损失的变化。牛群水平的NUE的范围从14%到35%，畜禽密度（LSU，Livestock density）加权平均为21%。牛群水平的PUE范围从19%到49%（LSU加权平均27%）（图2A）。粪肥和农场水平的NUE和PUE分布向右倾斜，尤其是PUE。平均而言，每生产 1000 千克FPCM ，粪便中排出23.4公斤氮和3.5公斤磷（图 2B）。每生产1000千克FPCM，通过排放、淋溶和/或气体排放产生的损失为15.3千克氮和0.9千克磷（图2B）。

图2  牛群水平、粪便管理链水平和养殖场水平的农场间氮磷利用效率的差异（A），以及每生产1000千克FPCM所造成的氮磷排泄和氮磷损失的差异（B）
 

3. 农场/农户特征对养分利用效率的影响

       Pearson相关分析显示，农场管理的耕地面积是影响粪便氮磷流动的主要因素。随着耕地面积的增加，施入田间的粪肥比例增加，输出的粪肥减少。然而，牛群水平、粪便管理链水平和养殖场水平的NUE和PUE受耕地面积的影响不显着。根据农场水平的NUE，将141个农场均数分为两组，表现较好的农场的 NUE_farm（68%）和 PUE_farm（96%）明显高于表现较差的农场（NUE_farm和 PUE_farm分别35%和71%）。两组农场的 NUE_herd （22%和21%）和 PUE_herd （27%和26%）相似，但NUE_manure （63%和36%）和 PUE_manure （98%和80%）存在显着差异，表明养殖场尺度的管理效率主要受粪便管理效率而不是畜群管理效率的影响。表现较好的农场与表现较差的农场相比，从圈舍收集粪便后排放的粪肥中的氮（1% 对比 6%）和磷（1% 对比 8%）显着减少，这表明粪肥的排放是农场之间差异的主要原因。这些结果突出了禁止粪便排放的重要性。
 

4. 减排措施对提高养分利用效率的影响

       减排措施对NUE和PUE的平均影响相对较小，但农场之间和措施之间存在显着差异（图 3）。根据目前的饲料和粪便管理措施，牛群水平NUE（NUE_herd）为21 ± 3%，粪污管理类水平NUE（NUE_manure）为50 ± 22%，农场水平NUE（NUE_farm）为53 ± 20%。同样，牛群水平PUE（PUE_herd）为27 ± 3%，粪污管理类水平PUE（PUE_manure）为89 ± 22%，农场水平PUE（PUE_farm）为84 ± 22%。在141个农场中，39个农场可以通过粪便密闭储存（O2）将农场NUE提高10–32%（绝对值）。65个农场可通过结合粪便密闭储存与固液分离（O5-2 ）使农场NUE提高10–49%。平均而言，粪便密闭储存（O2）是最有效的单一措施，会使 NUE_manure增加10 ± 11%（LSU加权）和 PUE_farm 增加 6 ± 8%（LSU 加权）。通过改进粪便储存和粪便处理（O5-2），NUE_farm可以增加12 ± 13%。改善粪便储存对农场平均PUE没有太大影响，因为通过淋溶造成的P损失相对较小。P的损失主要是通过排放粪便，因此在141 个农场中的17个农场（O5-2）可以通过禁止排放粪便，将PUE_manure提高到约100%，农场PUE 提高5–69%。

图3  减排措施对（A）牛群尺度；（B）粪肥管理系统尺度和（C）养殖场尺度养分利用效率的影响（O1：低蛋白饲喂；O2：改进粪肥储存类型；O3：扩大粪肥存储；O4：扩大粪肥处理；O5：组合措施）
 

5. 不确定性分析

       NUE的变异系数在牛群尺度为20%，在粪便管理系统尺度为34%，在农场尺度为24%。平均 PUE 的不确定性在牛群尺度为18%，在粪便管理系统尺度为28%，在农场尺度为25%。因此， NUE 的不确定性大于PUE。此外，粪便管理系统尺度的NUE和PUE的不确定性大于整个养殖场和牛群尺度的不确定性。牛群尺度的NUE和PUE分别对小母牛和奶牛的数量以及饲料中的N和P含量最敏感。奶牛数量较多的农场的NUE_herd和 PUE_herd高于奶牛数量较少的农场。后备牛数量越多，NUE_herd和 PUE_herd越低，因为奶牛比后备牛更能有效地使用饲料N和P。每头奶牛产奶量和维持系数的变化对 NUE_herd和PUE_herd的影响比较大。结果强调了畜群健康和管理对于提高牛群尺度NUE和PUE的重要性。

       NUE_manure和PUE_manure都对粪浆比例敏感，这占总不确定性的60%。其次，对圈舍中的粪浆的管理，相比于对操场上的粪浆和存储中的粪浆的管理而言，对不确定性的影响更大。总体而言，“粪浆系统”中的不确定性对NUE_manure和PUE_manure不确定性的贡献大于“干清粉”系统中的不确定性。

       农场层面的 NUE 和 PUE 对以粪浆或固态粪形式输出和排放的粪便比例最为敏感，表明粪便输出和排放是农场层面NUE和PUE影响最大的因素
 

▎结论

 

       通过对中国141家集约化奶牛场的管理数据进行综合分析，分析了不同农场的牛群、粪便管理系统和整个农场水平的氮磷损失，以及损失造成的NUE和PUE的差异。不同农场之间粪便管理措施的效果差异巨大，这表明目前旨在加强粪便处理的广泛政策可能无法有效减少氮和磷的损失。取而代之的是，需要并且应该针对特定农场的方法，以改进粪便收集、低排放粪便储存以及农田中的粪便氮和磷的有效利用为目标。旨在改善粪便管理的政策必须考虑粪便的最终目的地，并对粪便施用的量进行适当限制。

        原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308521X22001317?casa_token=U3qe_aptj1QAAAAA:LRFk0PyLS0omwjjajTRHOcrQpa1aJr4yxMyMpNJwQBJ2cjXPUL5hnSDt-GA9z1IqiNzRjfR1eFY