Снижение выбросов азота в системах молочного животноводства Китая

Интенсификация молочного животноводства является следствием растущего спроса на молочную продукцию, который удовлетворяется за счет увеличения поголовья скота, что создает огромную нагрузку на ресурсы и окружающую среду из-за несовершенного управления навозом.

В данном исследовании мы сначала количественно оцениваем потоки азота (N) в двух типичных системах управления навозом на молочных фермах: системе «Ганьцинфэнь» и системе на основе жидкого навоза, используя метод анализа потоков веществ (N). Во-вторых, с помощью сценарного анализа оценивается влияние технологий сокращения выбросов аммиака (NH₃) на эффективность рециркуляции азота (NRE) и потери азота для обеих систем. Кроме того, мы исследуем потенциал снижения выбросов в интегрированных системах производства зерновых и молочной продукции с помощью сценарного анализа, включающего комбинацию методов снижения выбросов. Результаты показывают, что доля возвращаемого в почву азота навоза в системах «Ганьцинфэнь» и на основе жидкого навоза составляет 32 и 34% от азота кормов соответственно. Потери азота при управлении навозом составляют 56,8–59,5% от общего количества выделяемого азота, из которых около 50% выбрасывается в виде NH₃. Сценарный анализ показывает, что внедрение отдельных или комбинированных мер по снижению выбросов аммиака может сократить выбросы NH₃ на 2–56%, тогда как выбросы закиси азота (N₂O) могут увеличиться в зависимости от конкретных мер. Общие потери могут быть сокращены с 80,4–83,5 кг N на голову до 49,2–55,7 кг N на голову. Что касается интегрированных систем производства зерновых и молочной продукции, по мере повышения уровня оптимизации сценария снижается использование ресурсов (например, землепользование и использование минеральных удобрений) и потери азота (особенно выбросы NH₃), при этом повышается эффективность рециркуляции азота (NRE). Результаты данного исследования дают представление о потоках азота и потерях в типичных системах управления навозом на молочных фермах Китая, а также предлагают эффективные меры для устойчивого развития интегрированных систем производства зерновых и животноводческой продукции.

Растущее население Китая, изменения в рационе питания и увеличивающаяся урбанизация значительно повысили спрос на молочную продукцию, что привело к быстрой интенсификации отечественной молочной промышленности (Wei, 2016). С 2002 по 2016 год поголовье молочного скота в Китае увеличилось с 6,79 млн до 15,07 млн голов, а количество интенсивных ферм выросло в 11 раз (Министерство сельского хозяйства, 2016). Таким образом, Китай быстро стал третьей по величине страной по производству молока (Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО), 2016). Однако удовлетворение растущего спроса на молочную продукцию создает огромную нагрузку на ресурсы и окружающую среду. Как правило, молочные фермеры больше обеспокоены выгодами от растущей отрасли и пренебрегают эффективным управлением навозом, что приводит к низкой эффективности рециклинга азота (NRE) и ряду проблем загрязнения окружающей среды (Bai et al., 2016). Исследования на региональном уровне показали, что средний уровень рециклинга выделяемого азота в Китае составляет всего 28,5% и особенно низок в Хуан-Хуайхай и других районах с высокой плотностью молочных ферм (22%) (Zhao et al., 2009). Хотя азот выделяется различными способами при управлении навозом, аммиак (NH₃) является основным путем (Yang et al., 2016). NH₃ тесно связан с образованием аэрозолей и кислотных дождей и негативно влияет на здоровье человека (Todd et al., 2008; Shen et al., 2011). Производство молока дает 20% от общего объема выбросов парниковых газов от животноводства в мире (Zhang et al., 2017). Поэтому крайне важно снизить загрязнение окружающей среды азотом, связанное с молочной промышленностью, одновременно удовлетворяя растущий спрос на молочную продукцию в Китае.

Учитывая высокое воздействие управления навозом животных на окружающую среду, во всем мире предпринимаются усилия по снижению потерь азота. Это включало исследования по снижению содержания сырого протеина в кормах (Lee et al., 2012; Hou et al., 2015), подкислению и укрытию в период хранения навоза (Kai et al., 2008; Petersen et al., 2012), а также методам внесения навоза на пахотные земли (инъекция, полосное внесение, заделка) (Bhandral et al., 2009). В последнее время отечественные эксперты также начали исследования мер по снижению выбросов (Ma et al., 2010; Zhai, 2015). Некоторые исследования показали, что частичная замена минеральных удобрений органическими может значительно повысить эффективность рециклинга навоза животных, снизить загрязнение окружающей среды, связанное с минеральными удобрениями и навозом, и одновременно повысить урожайность сельскохозяйственных культур (Xia et al., 2017; Zhang et al., 2019). Однако большинство исследований были сосредоточены на влиянии отдельных мер на конкретные части сельскохозяйственной системы. Систематическое исследование европейской сельскохозяйственной и животноводческой системы показало, что, хотя отдельные меры по снижению выбросов азота могут сократить выбросы из одной части системы, они могут увеличить выбросы из других частей системы (т.е. перенос загрязнения) (Oenema et al., 2009). Исследования мер управления навозом с точки зрения интегрированной системы сельского хозяйства и животноводства в Китае редки, однако анализ характеристик потоков азота и влияния технологий снижения выбросов с системной точки зрения имеет ключевое значение для минимизации загрязнения азотом и разработки эффективных политик.

Поэтому в данном исследовании мы анализируем характеристики потоков и потерь азота в типичной системе производства молока в Китае с помощью полевых исследований, анализа литературы и численного моделирования. Затем мы количественно оцениваем потенциал снижения выбросов NH₃ при различных мерах по удалению азота в цепочке управления навозом на молочных фермах. Кроме того, мы исследуем потенциал снижения выбросов в связанных системах производства зерновых и молочной продукции с помощью сценарного анализа набора комбинированных мер управления. Наше исследование предоставляет ключевые сведения о потоках и потерях азота в типичных системах управления навозом на молочных фермах Китая и имеет практическое применение для снижения загрязнения окружающей среды и содействия более устойчивому развитию сельского хозяйства и животноводства.

Структура моделирования

В качестве тематических исследований были выбраны две типичные системы управления навозом на молочных фермах, которые являются репрезентативными для Северо-Китайской равнины. Первая — это система «Ганьцинфэнь», которая описывает раздельный сбор жидких и твердых отходов, а вторая — система на основе жидкого навоза. Основные меры управления в системе «Ганьцинфэнь» следующие: (a) регулярный рацион кормления на основе данных обследования (Таблица S2); (b) бетонный пол в помещении для содержания, очищаемый скребком для навоза два раза в день; (c) жидкая моча поступает в лагуну, а твердый навоз собирается с выгульных площадок и помещается в открытое хранилище; (d) преимущественно земляной открытый выгульный двор, очищаемый два раза в неделю, с помещением навоза в открытое хранилище; (e) жидкий навоз и твердый навоз вносятся на поверхность окружающих пахотных земель (мы предполагаем, что прямой сброс навоза отсутствует). Система на основе жидкого навоза имеет щелевой пол в помещении для содержания; навоз образуется в результате сочетания мочи и фекалий. Жидкий навоз обычно удаляется из глубоких ям под полами помещений, в то время как твердый навоз собирается с открытого выгульного двора, а затем хранится снаружи без укрытия до момента внесения на пахотные земли (Zhu, 2009; Wei, 2016).

Мы определяем границы системы потоков азота в интегрированной системе производства зерновых и молочной продукции, используя комбинированные подходы анализа литературы, фермерских обследований и экспертных оценок (Рисунок 1). Закупка кормов и удобрений является экзогенным входным элементом системы. Выходными элементами являются урожай сельскохозяйственных культур и продукция крупного рогатого скота; потери азота в цепочке управления навозом, включая этапы кормления, хранения и внесения, а также потери азота при внесении удобрений, являются избыточным азотом. Интегрированная система производства молока и зерновых состоит из двух подсистем: производства молока и производства сельскохозяйственных культур. Круговорот азота существует внутри и между этими подсистемами. Растительные остатки возвращаются в поле напрямую, представляя собой круговорот внутри подсистемы, тогда как навоз возвращается в поле как круговорот азота между подсистемами. Потери азота в атмосферу включают выбросы аммиака (NH₃), закиси азота (N₂O) и азота (N₂). Потери азота в водные объекты включают выщелачивание и поверхностный сток.

Рисунок 1 Границы исследования потока азота в комбинированной системе сельского хозяйства и животноводства на примере молочного скота. (Примечания: Пунктирная линия обозначает границы исследования интегрированной системы производства зерновых и молочной продукции. Серые прямоугольники и стрелки указывают на элементы потока азота в цепочке управления навозом, а черные прямоугольники и стрелки указывают на другие элементы потока азота (не связанные с производством крупного рогатого скота) в интегрированной системе. Атмосферные выбросы азота включают NH₃, N₂O и N₂).

В этом исследовании поступление азота, выход продукции и избыточный азот, связанные с управлением навозом и удобрениями, были количественно оценены отдельно для цепочки управления навозом на молочных фермах и интегрированной системы производства зерновых и молочной продукции с использованием модели NUFER (потоки питательных веществ в продовольственных цепочках, окружающая среда и использование ресурсов) (Ma et al., 2010).

Расчеты, относящиеся к цепочке управления навозом на молочных фермах

Входные элементы по азоту рассчитывались следующим образом:

представляет собой количество поступления азота с кормом (кг N·голова⁻¹), Ia_компонент корма x — различные компоненты x рациона животных, упомянутые в Таблице S2 (от кукурузы до рыбной муки), Ia_поголовье животных i — количество крупного рогатого скота по категориям (телята, молодняк, дойные коровы, …) (голов на категорию; см. Таблицу S1), а Ia_содержание N в корме x — содержание азота в каждом типе корма (%). Σ используется для суммирования поступления азота с кормом для различных категорий животных и компонентов рациона. Предполагается, что все корма закупаются.

Выходные элементы продукции рассчитывались следующим образом:

представляет собой содержание азота в молоке (кг N·голова⁻¹), Oa_удой — удой каждой дойной коровы за год, Oa_поголовье дойных — количество дойных коров (голов), а Oa_содержание N в молоке — содержание азота в молоке (%).

Избыточный азот рассчитывался следующим образом:

представляет собой азот, полученный в результате прироста массы тела всех коров за год (кг N·год⁻¹), Num_i — количество крупного рогатого скота на стадии i, LWG_i — привес каждой коровы на стадии i, который включает телят, молодняк, ремонтный молодняк, дойных и сухостойных коров (Таблица S1), а F_ N мяса — содержание азота в приросте массы (%). Oa_потери N в животноводстве представляют собой общие потери в цепочке управления навозом за год (кг N·голова⁻¹) и состоят из потерь азота в помещении (Oa_N в помещении), на открытом выгульном дворе (Oa_N на выгульном дворе), на этапе хранения (Oa_N при хранении) и при внесении навоза (Oa_N при внесении_s, которые учитывают только потери азота на поверхности, NH₃ и поверхностный сток), которые рассчитывались в соответствии с потоками азота (например, «доля общего выделения азота в помещении и на выгульном дворе» – «потери азота в виде NH₃/N₂O/N₂/выщелачивание N/поверхностный сток N из помещения и открытого выгульного двора» = «N в навозе, поступающий на хранение», «N в навозе, поступающий на хранение, с долей жидкого и твердого навоза» – «потери азота в виде NH₃/N₂O/N₂/выщелачивание N/поверхностный сток N при хранении» = «N в навозе, поступающий в производство сельскохозяйственных культур») и коэффициентами выбросов для конкретных видов деятельности/процессов для NH₃, N₂O, N₂, а также выщелачивания и поверхностного стока N (Таблица 1). Oa_N навоза (кг·год⁻¹) — это количество азота, выводимого в виде доступного для сельскохозяйственных культур навоза в год, определяемое методом балансового расчета.

Таблица 1 Параметры различных путей потерь азота на каждом этапе управления навозом в эталонных системах (% от N)¹.

Расчеты, относящиеся к интегрированной системе производства зерновых и молочной продукции

Входные элементы по азоту рассчитывались следующим образом:

представляет собой общее поступление азота в интегрированную систему производства зерновых и молочной продукции, Ia_N удобрений — количество азота, поступающего с удобрениями в год в системе севооборота пшеница-кукуруза (кг·га⁻¹), Ia_удобрение — количество удобрений, вносимых каждый год, а F_Содержание N — содержание азота в удобрении (%).

Выходные элементы продукции рассчитывались следующим образом:

представляет собой выход азота в виде произведенного зерна пшеницы и кукурузы (кг·га⁻¹), Oa_урожай i — урожайность пшеницы и кукурузы в год, а Oa_содержание N — содержание азота в зерне пшеницы и кукурузы (%); Σ — суммирование выхода азота двух культур.

Избыточный азот рассчитывался следующим образом:

N_потери — это общие потери азота в интегрированной системе производства зерновых и молочной продукции в год (кг·год⁻¹), Oa_N в поле_навоз — потери азота после внесения навоза в поле, включая N₂O (N₂O_в поле_навоз), N₂ (N₂_в поле_навоз) и выщелачивание N (выщелачивание N_в поле_навоз), коэффициенты выбросов перечислены в Таблице 1. Oa_потери N от минеральных удобрений представляют собой общие потери азота от минеральных удобрений при производстве сельскохозяйственных культур в год (кг·га⁻¹), включая потери в виде газов (Oa_газообразные потери N) и потери в результате выщелачивания и поверхностного стока в воду (Oa_потери N в воду). Oa_накопление в почве — это количество азота, накопленного в почве в процессе производства сельскохозяйственных культур, полученное из метода балансового расчета.

Источники данных

Основные источники данных для системы моделирования

Цепочка управления навозом преимущественно включает кормление, содержание, хранение и обработку навоза, а также внесение навоза в поле. В этом исследовании использовались три источника данных. Во-первых, данные обследований молочных ферм на Северо-Китайской равнине использовались для получения данных (например, состав кормов, удой …) по типичным системам управления навозом и структуре стада типичных систем производства молока в модели. Во-вторых, статистические данные из таких источников, как Статистический ежегодник животноводства Китая и ФАО, использовались для анализа масштабов разведения молочного скота с целью выбора репрезентативного масштаба для исследования. В-третьих, предыдущая литература и существующие параметры модели использовались для количественной оценки выбросов в окружающую среду и обеспечивали основу для сценарного анализа и оптимизации.

В этом исследовании в качестве объекта исследования была выбрана молочная ферма с поголовьем 500 голов, исходя из большой доли промышленных молочных ферм (поголовье >200 голов, 37%, из которых 77% — фермы с поголовьем >500 голов) на Северо-Китайской равнине (Министерство сельского хозяйства, 2010). Количество кормов и их состав (Таблица S2), структура стада, удой (7 610 кг·голова⁻¹ в год), содержание сухого вещества, содержание сырого протеина и содержание азота в кормах и молоке были получены из данных обследований (Wei et al., 2017). При оптимизации содержания протеина в корме с 15 до 14% удой дойных коров увеличился на 3,4% (Zhai, 2009). Среднегодовой привес крупного рогатого скота на разных стадиях был получен из Ma et al. (2014) и Bai (2015). Коэффициент распределения и содержание азота в привесе молочного скота были получены из Liu (2005) и Ma et al. (2010). Распределение времени пребывания коров в помещении и на открытых выгульных дворах составляло 73 и 27% соответственно (Zhu, 2009). Соотношение твердой и жидкой фракций (7:9) было определено на основе среднего значения в Hou et al. (2016a). Коэффициенты выбросов для двух типичных систем на этапах содержания в помещении и на выгульном дворе, хранения и внесения навоза перечислены в Таблице 1. Некоторые коэффициенты были получены из экспериментальных данных и данных модели NUFER для Китая (Ma et al., 2010; Xie, 2016; Xia et al., 2017), а любые недостающие данные были выбраны из зарубежных исследований (Luo and Saggar, 2008; Moore et al., 2014; Hou et al., 2016a). Коэффициент снижения выбросов для различных технологий предпочтительно выбирался из китайских исследований, а не из зарубежных (Hou et al., 2015; Reis et al., 2015; Xing et al., 2018). Параметры модели выбирались по возможности из данных опубликованной литературы для обеспечения точности.

Данные интегрированной системы производства зерновых и молочной продукции

Мы выбрали систему севооборота пшеница-кукуруза на этапе полевого внесения, поскольку она является наиболее распространенной системой растениеводства на Северо-Китайской равнине. В эталонной системе (текущая ситуация) общее поступление азота и доля вносимых органических удобрений (в среднем 5% от общего использования азота) были получены из данных обследований, внесение навоза и минеральных удобрений вручную на фермах и коэффициенты выбросов (Таблица 1) были получены из Xia et al. (2017), а соотношение урожайности зерна и соломы и содержание азота в каждой части были получены из модели NUFER (Ma et al., 2010). Предполагалось, что взаимодействия между удобрениями и навозом не повлияют на результаты. Что касается оптимизационных мер, рекомендуемая норма внесения удобрений была получена из Zhang et al. (2009), а изменения урожайности сельскохозяйственных культур при различных коэффициентах замены навозом были получены из Zhang et al. (2019). Конкретные коэффициенты выбросов для навоза и минеральных удобрений перечислены в Таблице 1, где мы предположили, что окружающие пахотные земли могут использовать навоз с моделируемой молочной фермы.

Сценарии для цепочки управления навозом

В этом исследовании были применены сценарии снижения выбросов NH₃ для цепочки управления навозом на молочных фермах на основе различий между отдельными и комбинированными технологиями снижения выбросов NH₃ на разных этапах управления навозом. Сценарии включали технологии, применяемые к кормам (т.е. снижение сырого протеина в корме), к помещению и открытому выгульному двору (т.е. увеличение частоты уборки), к хранению жидкого навоза (т.е. использование соломенного укрытия и полиэтиленовой пленки), к хранению твердого навоза (т.е. компостирование на открытом воздухе и компостирование под пленкой) и к этапам внесения в поле (т.е. инъекция жидкого навоза и полосное внесение и заделка твердого навоза). Сценарии были одинаковыми для двух типичных систем управления навозом (Таблица 2).

Таблица 2 Сценарии цепочки управления навозом в комбинированной системе сельского хозяйства и животноводства.

Сценарии интегрированной системы производства зерновых и молочной продукции

Помимо цепочки управления навозом, доля навоза, используемого для замены удобрений в общей норме внесения удобрений, также может влиять на рециклинг азота в интегрированной системе производства зерновых и молочной продукции. Чтобы изучить потенциальные последствия и механизм влияния связанной системы на ресурсы азота, урожайность сельскохозяйственной и животноводческой продукции и выбросы в окружающую среду при различных уровнях управления, в этом исследовании были установлены четыре уровня управления (на основе Styles et al., 2018); т.е. S1 — плохой сценарий, S2 — обычный сценарий, S3 — улучшенный сценарий и S4 — оптимальный сценарий (Таблица 3).

Таблица 3 Настройки сценариев при различных уровнях управления системой «молочный скот — сельскохозяйственные культуры».

Определение ключевых оценочных показателей

В этом исследовании был выбран набор показателей для описания характеристик потоков азота в системе молочного животноводства, а также были выбраны показатели эффективности для описания взаимосвязи между выходами и входами азота в системе. Конкретные показатели были следующими: (1) эффективность использования корма — процент поступления азота с кормом, переходящего в азот молока; (2) коэффициент конверсии корма (FCR) — количество корма, используемого на единицу продукции (кг корма/кг молока); (3) эффективность рециклинга азота навоза (NRE) — процент выделенного азота, переходящего в азот, получаемый с зерном; (4) коэффициенты снижения выбросов (NH₃ и N₂O) использовались для сравнения технологий снижения выбросов с эталонной системой (без мер снижения); и (5) интенсивность выбросов выражалась как общие потери азота на одну дойную корову (кг N голова⁻¹).

Характеристики потоков азота в двух типичных цепочках управления навозом на молочных фермах

На фермерском уровне эффективность использования корма молочным скотом составляет 15%, а коэффициент конверсии корма (FCR) — 1,38 кг корма/кг молока. Доля азота навоза, доступного для сельскохозяйственных культур, от общего азота кормов составляет 32–34%, при этом значительных различий между двумя типичными системами не наблюдается. Общие потери азота составляют 50% от общего поступления азота с кормом, при этом основным этапом выбросов является содержание в помещении (34% от общих потерь), атмосферные выбросы являются основным путем (78% от общих потерь азота), а NH₃ составляет 47–51% атмосферных выбросов (Рисунок 2).

Рисунок 2 Характеристики потока азота в цепочке управления навозом двух типичных молочных ферм. (A) Поток азота в системе «Ганьцинфэнь». (B) Поток азота в системе на основе жидкого навоза.

Потенциал снижения выбросов аммиака в двух типичных цепочках управления навозом на молочных фермах

В эталонном сценарии S0 основными этапами выбросов NH₃ в системе «Ганьцинфэнь» являются этапы содержания в помещении, внесения в поле и открытого выгульного двора, на которые приходится 40,7, 24,1 и 16,8% от общего объема выбросов NH₃ соответственно. И наоборот, в эталонной системе на основе жидкого навоза основными этапами выделения являются этапы внесения в поле (30,4%), содержания в помещении (24,9%), хранения жидкого навоза (24,1%) и открытого выгульного двора (16,8%). По сравнению с S0, потенциальный диапазон снижения NH₃ в цепочке управления навозом «Ганьцинфэнь» при других сценариях составляет 4–42% (Рисунок 3A), тогда как для системы на основе жидкого навоза — 2–56% (Рисунок 3B), среди которых комбинированные технологии (SSP2) являются наилучшей мерой снижения в обеих системах. Среди отдельных технологических мер компостирование на открытом воздухе (SS1, снижение на 17%) дает лучший эффект в системе «Ганьцинфэнь», тогда как компостирование с укрытием (SS2, 18,4%) является наилучшей отдельной мерой в системе на основе жидкого навоза.

Рисунок 3 Потери аммиака и закиси азота в системе управления навозом при различных сценариях. (A) Выбросы NH₃ в системе «Ганьцинфэнь». (B) Выбросы NH₃ в системе на основе жидкого навоза. (C) Выбросы N₂O в системе «Ганьцинфэнь». (D) Выбросы N₂O в системе на основе жидкого навоза.

Результаты показывают, что некоторые сценарии снижения выбросов увеличивают выбросы N₂O. Например, в системе «Ганьцинфэнь» увеличение частоты уборки (H2), использование соломенного укрытия (LS1) и применение технологий внесения в поле (LA1, LA2, LA3) имеют потенциал увеличения N₂O на 2–64%, а сценарии комбинированных технологий имеют потенциал увеличения N₂O на 0,2–160%, среди которых SSP1 имеет наибольший потенциал (Рисунок 3C). В системе на основе жидкого навоза увеличение частоты уборки (H2), использование соломенного укрытия (LS1), компостирование на открытом воздухе (SS1), компостирование с укрытием (SS2), технологии внесения в поле (LA1, LA2, LA3) и применение комбинированных технологий — все это увеличивает выбросы N₂O (1–81%), среди которых SSP1 имеет наибольший потенциал (Рисунок 3D).

Общие потери азота варьируются в зависимости от различных мер снижения NH₃; общие потери азота в эталонной системе «Ганьцинфэнь» составляют 83,5 кг N·голова⁻¹, при этом доли потерь NH₃, N₂, N₂O, выщелачивания и поверхностного стока составляют 50%, 1%, 23%, 18% и 7% соответственно. Отдельные меры позволяют наилучшим образом снизить потери азота до 71,1 кг N·голова⁻¹ (SS1), в то время как комплексные меры снижения (SSP2) могут снизить их до 55,7 кг N·голова⁻¹ (Рисунок 4A). Общие потери азота в эталонной системе на основе жидкого навоза составляют 80,4 кг N·голова⁻¹, при этом доли потерь NH₃, N₂, N₂O, выщелачивания и поверхностного стока составляют 48%, 3%, 29%, 15% и 5% соответственно. Отдельные меры позволяют наилучшим образом снизить потери азота до 71,1 кг N·голова⁻¹ (LS2), а комплексные меры снижения (SSP2) могут снизить общие потери азота до 49,2 кг N·голова⁻¹ (Рисунок 4B).

Рисунок 4 Годовые потери азота на одну голову скота в системе управления навозом при различных сценариях. (A) Потери азота в системе «Ганьцинфэнь». (B) Потери азота в системе на основе жидкого навоза.

Различные сценарии влияют на эффективность использования азота в цепочке управления навозом. NRE эталонных систем «Ганьцинфэнь» и на основе жидкого навоза составляют 40,5% и 43,2% соответственно. В системе «Ганьцинфэнь» NRE отдельных технологий колеблются от 40,5 до 52,6%, среди которых компостирование на открытом воздухе (SS1) имеет более высокий потенциал повышения NRE, а NRE комбинированных технологий колеблются от 46,5 до 62,8%, среди которых SSP2 имеет наилучшую NRE (Рисунок 5A). В системе на основе жидкого навоза наибольшее улучшение NRE составляет 69,8% благодаря SSP2 (Рисунок 5B).

Рисунок 5 Эффективность рециклинга азота (NRE) в системе управления навозом. (A) NRE для системы «Ганьцинфэнь». (B) NRE для системы на основе жидкого навоза.

Оценка использования ресурсов и экологических затрат в интегрированной системе производства зерновых и молочной продукции

По сравнению с S1 (плохой сценарий), использование ресурсов (землепользование, удобрения, корма) и воздействие на окружающую среду (общие потери азота) интегрированной системы производства зерновых и молочной продукции значительно снижаются с повышением уровня оптимизации; т.е. NRE значительно улучшается, а урожайность зерна и надой молока немного увеличиваются (Рисунок 6). По сравнению с S1, при производстве 1 кг молока с поправкой на жир и белок (FPCM, CP = 4%) в системе «Ганьцинфэнь» комплексные меры при оптимальном сценарии (S4) могут значительно снизить использование азота удобрений на 80–98%, существенно сократить площадь земли, необходимую для утилизации навоза с молочной фермы, на 75–90% и оптимизировать другие показатели (Таблица S3). Кроме того, выбросы N₂O увеличиваются на 59–160% по сравнению с S1, тогда как общие потери азота снижаются на 16–34%. Более того, оптимизация системы на основе жидкого навоза через комбинированную систему производства зерновых и животноводства (S4) может значительно снизить использование ресурсов (азот удобрений снижен на 82–98%, землепользование уменьшено на 77–90%) и снизить выбросы в окружающую среду (использование кормов снижено на 0–3%, NH₃ снижен на 14–57%, общие потери азота снижены на 17–39%) по сравнению с S1. Эти меры также влияют на выбросы N₂O в диапазоне от −6 до 81%.

Рисунок 6 Влияние на использование ресурсов, потери азота и использование в цепочке управления навозом при различных сценариях управления. (A) Система «Ганьцинфэнь». (B) Система на основе жидкого навоза. (Примечания: FPCM — это молоко с поправкой на жир и белок, содержание жира и белка в котором составляет 4 и 3,3% соответственно; здесь мы используем его как функциональную единицу).

Поток азота в цепочке управления навозом на молочных фермах

Производство молока вносит большой вклад в общие потери азота от животноводства в Китае (Bai, 2015), что в основном связано с плохим управлением кормлением и навозом на молочных фермах. Это исследование показывает, что FCR типичной молочной фермы составляет 1,38 кг корма/кг молока (Таблица S1), что согласуется со значениями, полученными в предыдущих исследованиях в Китае, которые варьируются от 0,9 кг корма/кг молока (Wei, 2016) до 1,5 кг корма/кг молока (Bai, 2015). Однако FCR крупного рогатого скота в Китае был значительно выше, чем в развитых странах, таких как Европейский союз — 1,0 кг корма/кг молока (Hou et al., 2016b), что указывает на потенциал улучшения стратегий кормления при разведении молочного скота. Выделение азота в эталонных системах в этом исследовании (124 кг N·голова⁻¹·год⁻¹) было выше, чем в ЕС-27 (в среднем 111 кг N·голова⁻¹·год⁻¹; Hou et al., 2016b), но ниже среднего по стране для дойных коров в Китае за 2009 год (Gao et al., 2013). Причины различий, наблюдаемых между исследованиями, могут заключаться в различиях в изучаемых категориях крупного рогатого скота, составе кормов, а также в удоях.

NRE составляет 40,5 и 43,2% для эталонных систем «Ганьцинфэнь» и на основе жидкого навоза соответственно. Однако NRE, рассчитанная в этом исследовании, на 20% выше, чем сообщалось Bai et al. (2016) за 2010 год, это связано с тем, что наше исследование основано на модельной ферме, и мы предполагаем, что в соответствии с действующей политикой прямой сброс навоза в окружающую среду отсутствует. Для эталонной системы около 50% общих потерь азота выбрасывается в виде NH₃ (38,2–40,1 кг NH₃-N·голова⁻¹·год⁻¹), что немного выше оценки 18,36–39,70 кг NH₃-N·голова⁻¹·год⁻¹ Gao et al. (2013) для всего Китая. Это иллюстрирует, что в Китае все еще существует большой потенциал для улучшения управления навозом. Системы на основе жидкого навоза имеют лучший потенциал сохранения азота, чем система «Ганьцинфэнь» (Рисунок 2), что, возможно, связано с тем, что коэффициент выбросов NH₃ для щелевых полов ниже, чем для бетонных полов, а также с меньшим выщелачиванием и поверхностным стоком азота при хранении навоза из помещений со щелевыми полами.

Технологии снижения выбросов аммиака

В этом исследовании 28,4–30,0% выделенного азота переходит в NH₃, что согласуется со значением 30%, указанным в предыдущих исследованиях в Китае (Yang et al., 2016), и 25,7%, указанными в ЕС-27 (Hou et al., 2017). На выбросы аммиака от навоза может влиять внедрение мер снижения выбросов, а также структура системы. Меры по снижению выбросов NH₃ на конкретных этапах управления навозом продвигались в некоторых странах ЕС, но еще не в Китае. В Китае потери азота от навоза включают не только выбросы NH₃, но и прямые сбросы, что предполагает, что большая часть доступного азота теряется в водные объекты вместо выбросов в воздух. Однако наблюдается большая разница между различными технологиями: потенциал снижения выбросов NH₃ колеблется от 2% до 56%. По сравнению с комбинированными мерами, отдельные технологии оказывают относительно небольшое влияние на снижение выбросов NH₃, в диапазоне от 2% до 18%. В то время как оптимизация отдельного звена с использованием одной технологии может привести к компромиссу в других звеньях цепочки (Oenema et al., 2009), комбинированные технологии снижают потенциал синергетических эффектов.

Снижение содержания деградируемого протеина в кормах для животных снизит pH экскрементов и дополнительно снизит выбросы NH₃ без воздействия на благополучие животных (Zhai, 2009). Однако эффекты снижения протеина в кормах в этом исследовании значительно отличаются от сообщенных в других исследованиях (например, Zhai, 2015); это в основном связано с тем, что исходное значение протеина ниже, и оптимальный сценарий снижает протеин только на 1%. Потенциал снижения выбросов других мер в этом исследовании (<10%) также значительно ниже, чем в некоторых других исследованиях (например, Hou et al., 2015). Предлагаются две причины этого различия: (1) эталонные системы в этом исследовании основаны на отечественных производственных мощностях для животных, включая открытые выгульные дворы; таким образом, фракция навоза не столь реалистична, как в других исследованиях; (2) мы выбрали сценарии, которые можно было бы просто применить в Китае, без дополнительных высокозатратных и высокоэффективных мер, таких как подкисление.

Снижение выбросов NH₃ может вызвать эффект компромисса за счет увеличения выбросов N₂O (Рисунки 3C, D). Навоз, подвергающийся воздействию воздуха, приводит к выделению NH₃, тогда как такие меры, как соломенное укрытие, заделка твердого навоза и инъекция жидкого навоза, снижают выбросы NH₃ за счет уменьшения площади контакта с воздухом и времени воздействия. Нитрификация ионов аммония требует достаточного количества кислорода; поэтому, когда контакт с воздухом неполный, выбросы N₂O увеличиваются (Wang et al., 2018b). Поскольку фермерские практики связаны с характеристиками почвы, они также могут влиять на результаты (Hou et al., 2015). Как показано на Рисунке 3, различные меры влияют на N₂O в диапазоне от −38 до 160%. В частности, снижение протеина в кормах (H1) и использование полиэтиленовых укрытий (LS2) могут одновременно снизить выбросы NH₃ и N₂O, что может быть использовано для контроля любых негативных эффектов, а меры на пахотных землях должны рассматриваться в контексте местной среды пахотных земель. Более того, срок службы нижележащей поверхности открытого выгульного двора для молочного скота оказывает существенное влияние на коэффициент выбросов N₂O. Коэффициент выбросов N₂O на полу с более длительным сроком службы был примерно в 14–550 раз выше значений для вновь построенного выгульного двора; это в основном связано с тем, что выбросы N₂O имеют значительную положительную корреляцию с влажностью почвы, а дыхание почвенных бактерий во вновь построенном выгульном дворе потребляет N₂O (Xie, 2016). Кроме того, выбросы N₂O различаются в течение дня и меняются в зависимости от сезона; конкретное время мониторинга играет жизненно важную роль в результатах (Lin et al., 2015). Это отчасти объясняет большую разницу в выбросах N₂O в разных областях исследований.

При комбинированных оптимальных мерах на всех этапах (SSP2) двух типичных систем управления навозом общие потери азота все еще высоки (49,2–55,7 кг N·голова⁻¹), что составляет 44–49,7% от общего выделенного азота. Однако здесь следует учитывать два фактора. Во-первых, наше исследование в основном сосредоточено на снижении выбросов NH₃ и не учитывает изменения продуктивности животных после оптимизации рациона; однако предыдущее исследование показало, что выделение азота у молочного скота может снизиться на 3,5% при снижении протеина корма на 1% (Hou et al., 2015). Во-вторых, общее выделение азота высоко из-за выбора рецептуры кормов и удоя, однако мы намеренно избегали дорогих и высокоэффективных технологий, чтобы поддерживать низкие затраты.

Комплексное управление системами производства зерновых и молочной продукции

В этом исследовании комплексные меры оптимизации могут одновременно оптимизировать ресурсы, урожайность и экологические показатели (Рисунок 6); эти результаты согласуются с предыдущим исследованием Wang et al. (2018a). Оптимальный сценарий может снизить NH₃ на 44–57% и общие потери азота на 34–39%, что согласуется с выводами Hou et al. (2015). Урожайность сельскохозяйственных культур может быть значительно повышена за счет частичной замены минеральных удобрений навозом по сравнению с использованием только минеральных удобрений, которое распространено на зерновых полях Китая, а также повышается эффективность использования азота и плодородие почвы (Xia et al., 2017), при этом улучшенный и оптимальный сценарии в нашем исследовании как снижают использование удобрений, так и повышают урожайность. Наше исследование показывает, что существует большой потенциал для снижения использования минеральных удобрений, поскольку различные пропорции внесения удобрений и навоза приводят к разным площадям пахотных земель, способным поглощать навоз, что приводит к значительным различиям в использовании удобрений и общих выбросах азота.

NRE интегрированной системы «молочный скот — сельскохозяйственные культуры» увеличивается с 60,4–60,8% (S1) до 70,8–73,6% (S3 — улучшенный сценарий); наивысшие значения NRE достигаются в улучшенном сценарии. Доля навоза в качестве заменителя удобрений, при которой достигается максимальная урожайность, составляет примерно 50% (Xia et al., 2017), что используется в улучшенном сценарии (S3). При 75% замены в оптимальном сценарии навоз изначально не может обеспечить достаточное количество доступного азота (Zhang et al., 2019). Поскольку в этом исследовании не рассматривалось возвращение сельскохозяйственных культур на фермы в качестве корма, все еще существует потенциал для повышения NRE систем сельского хозяйства и животноводства.

Неопределенность результатов модели зависит от параметров модели, значения которых могут влиять на результаты. Для определения выделения азота количество выделяемых фекалий и мочи из отечественных тестовых данных умножается на содержание в них азота; однако этот метод часто дает более низкие значения, потому что навоз уже подвергся выделению NH₃ до отбора проб. Тем не менее, в этом исследовании используется анализ материальных потоков (MFA), при котором балансовый расчет азота позволяет избежать нескольких неопределенных факторов, которые могли бы повлиять на испытание; однако рецептура кормов и параметры производства молока могут напрямую влиять на результаты. В этом исследовании поток азота на одну голову молочного скота рассчитывается с использованием суммы, деленной на количество дойных коров; это может привести к небольшой переоценке, поскольку другие исследования делят на количество дойных и сухостойных коров. Однако это различие может быть незначительным, поскольку сухостойные коровы имеют небольшую долю в стаде (Таблица S1). Например, результаты этого исследования значительно выше в диапазоне значений выделения азота дойными коровами, обобщенных Liu (2007) (55,4–129 кг N·голова⁻¹), что повлияет на общие потери азота, но не на потенциал снижения выбросов NH₃ и NRE в цепочке управления навозом при различных технологиях. Выбор параметров атмосферных и водных выбросов может напрямую влиять на потери азота различными способами; однако эти переменные менее чувствительны к воздействию на окружающую среду и NRE интегрированных систем производства зерновых и молочной продукции, поскольку параметры снижения выбросов различных технологий находятся в рамках предыдущих международных исследований.

В этом исследовании были изучены потоки азота в типичных системах молочного животноводства в Китае, а затем оценены эффекты различных мер управления на использование и потери азота с помощью сценарного анализа. Результаты показали, что текущий уровень управления навозом на молочных фермах в Китае является относительно экстенсивным, а эффективность рециклинга азота была низкой. Содержание в помещении, хранение и внесение навоза являются основными этапами потерь, и потери с открытых выгульных дворов не могут быть проигнорированы. NH₃ является крупнейшей формой выбросов азота. Внедрение комплексных технологий снижения выбросов может эффективно сократить выбросы NH₃ из цепочки управления навозом и дополнительно повысить эффективность рециклинга азота навоза. Однако некоторые сценарии могут создавать эффекты компромисса в отношении выбросов N₂O в зависимости от конкретных применяемых мер. Эти негативные эффекты могут быть смягчены путем приоритизации конкретных технологий, таких как снижение сырого протеина в кормах и укрытие навоза полиэтиленовой пленкой. Комплексные технологии имеют более высокий потенциал для одновременной оптимизации экологических показателей, использования ресурсов и урожайности продукции интегрированной системы производства зерновых и молочной продукции. Будущие исследования будут сосредоточены на полномасштабном рециклинге питательных веществ в интегрированных системах растениеводства и животноводства путем включения рециклинга сельскохозяйственных культур для кормов и анализа затрат и выгод различных технологий, внедряемых фермерами. Сценарный анализ в этом исследовании, являясь одним из первых исследований по изучению мер снижения выбросов в молочном секторе Китая, имеет значение для оказания помощи лицам, принимающим решения, в разработке эффективных политик в направлении устойчивого молочного животноводства, а также для помощи фермерам в выборе надлежащих мер, которые улучшают экологические показатели без снижения производительности.

Дополнительные материалы к этой статье можно найти онлайн по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2020.00044/full#supplementary-material

Fang Q, Ma Y, Zhang X, Wei S and Hou Y (2020) Mitigating Nitrogen Emissions From Dairy Farming Systems in China. Front. Sustain. Food Syst. 4:44. doi: 10.3389/fsufs.2020.00044

Перевод статьи «Mitigating Nitrogen Emissions From Dairy Farming Systems in China» авторов Fang Q, Ma Y, Zhang X, Wei S and Hou Y., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: Designed by Freepik