農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)研究進展

曹玉博, 邢曉旭，柏兆海，王選，胡春勝，馬林

農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)研究進展

曹玉博1,2, 邢曉旭3，柏兆海1，王選1，胡春勝1，馬林1

（1中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室，石家莊 050021；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3中國科學(xué)院科技促進發(fā)展局，北京100864）

農(nóng)牧系統(tǒng)包括種植業(yè)和畜牧業(yè)兩個子體系，畜禽糞便管理是連接兩個子系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)主要發(fā)生在畜禽飼舍、糞尿儲藏、糞尿處理、糞尿和化肥施用等環(huán)節(jié)。農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)是大氣氨排放的主要源，是中國近年來空氣質(zhì)量惡化的主要因素之一。農(nóng)田化肥施用和畜牧業(yè)“飼喂-飼舍-儲藏-處理-施用”各環(huán)節(jié)的氨揮發(fā)減排研究一直是農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。因此本文總結(jié)農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)時，考慮了“飼喂-飼舍-儲藏-處理-施用”鏈條的各個環(huán)節(jié)。過去10多年，歐美國家對于農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排開展了大量的研究，而中國的氨減排技術(shù)研究主要針對農(nóng)田施肥環(huán)節(jié)，畜禽養(yǎng)殖和糞便管理環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排理論與技術(shù)研究剛剛起步。本文綜述了國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)牧系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要氨揮發(fā)減排技術(shù)的減排機理、實施效果和適用范圍等，并對今后中國農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)研究的主要方向和重點進行了展望，旨在為中國農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排研究提供參考和依據(jù)。建議如下：（1）目前的氨揮發(fā)減排研究主要關(guān)注農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特定環(huán)節(jié)和技術(shù)，而缺乏關(guān)于全鏈條綜合減排技術(shù)研究。建議綜合考慮經(jīng)濟效益、氨揮發(fā)和溫室氣體（CH4和N2O）協(xié)同減排及動物福利等因素，構(gòu)建中國農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)綜合減排技術(shù)體系；（2）中國應(yīng)大力支持氨揮發(fā)減排技術(shù)和配套機具的研發(fā)，并加強減排技術(shù)原理、技術(shù)規(guī)程和成本效益等研究，推動氨揮發(fā)減排技術(shù)的推廣與應(yīng)用；（3）建議制定農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排技術(shù)的補貼政策，促進農(nóng)牧業(yè)氨揮發(fā)減排技術(shù)的實施。

飼喂；飼舍；糞尿儲藏；糞尿處理；施用；氨揮發(fā)減排

氨氣是大氣中唯一的堿性氣體，其與大氣中的二氧化硫、氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸銨、硝酸銨等銨鹽，是大氣氣溶膠細(xì)顆粒物的重要組成部分。在輕污染天氣情況下，硫酸銨、硝酸銨兩者質(zhì)量占PM2.5的10%—30%；在重污染天氣下，約占50%甚至更高。此外，多項研究表明，大氣中高濃度的氨促進了PM2.5的形成[1-2]。氨還是大氣干濕沉降的主要成分，氨的干濕沉降會引發(fā)酸化和水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題[3-4]。此外，沉降到地面的氨也會成為氧化亞氮等溫室氣體間接排放的二次源[4]。

人為源是大氣中氨的主要來源，人為源主要包括農(nóng)田生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、生物質(zhì)燃燒及其他工業(yè)源等。農(nóng)業(yè)是最大的人為氨揮發(fā)源，占全球人為氨排放總量的90%[5]。其中，種植業(yè)化肥施用約占農(nóng)業(yè)源氨排放總量的40%，畜禽養(yǎng)殖約占50%[5-6]。國內(nèi)學(xué)者對中國人為氨排放的研究表明，2006年化肥施用氨排放量最大，占總排放量的54%，其中尿素和碳銨施用的NH3排放最大，分別占化肥施用總排放量的54%和30%；其次是畜禽養(yǎng)殖，占人為氨排放總量的 41%，其中豬和家禽分別占畜禽養(yǎng)殖總排放量的36%和33%[7]。因此，針對農(nóng)牧系統(tǒng)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的氨揮發(fā)減排技術(shù)研究對于有效降低人為源氨排放，從而減少對霧霾和溫室氣體的二次污染具有重要的意義。本文針對農(nóng)牧系統(tǒng)“土壤-作物-畜禽飼舍-糞尿儲藏-糞尿處理-糞尿施用”各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，總結(jié)國內(nèi)外氨揮發(fā)減排原理、實施效果及適用范圍，旨在為中國農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排研究提供參考和依據(jù)。

1 農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排環(huán)節(jié)及技術(shù)概況

以農(nóng)牧生產(chǎn)體系為研究邊界，農(nóng)牧系統(tǒng)物質(zhì)和能量的內(nèi)部循環(huán)模式見圖1。農(nóng)牧系統(tǒng)包括種植業(yè)和畜牧業(yè)兩個子體系，畜禽糞便管理是連接兩個子系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)主要發(fā)生在畜禽飼舍、糞尿儲藏、糞尿處理、糞尿和化肥施用4個環(huán)節(jié)，然而畜禽的飼喂管理也顯著地影響了畜禽糞尿在飼舍及儲存過程中的氨排放特性，因此本文總結(jié)農(nóng)牧系統(tǒng)氨減排技術(shù)時，考慮了“飼喂-飼舍-儲藏-處理-施用”鏈條的各個環(huán)節(jié)。在畜禽飼喂環(huán)節(jié)，目前應(yīng)用較多的氨揮發(fā)減排技術(shù)包括低蛋白飼喂技術(shù)、多功能飼料添加劑和分階段飼養(yǎng)技術(shù)；而在畜禽飼舍環(huán)節(jié)，一般考慮通過糞尿分離、快速清理、脲酶活性抑制、墊料、快速干燥技術(shù)、空氣凈化和過濾收集技術(shù)；在糞尿儲藏環(huán)節(jié)，可以通過改善糞尿儲藏設(shè)備或覆蓋來降低氨揮發(fā)；在糞尿處理環(huán)節(jié)多考慮以優(yōu)化堆肥工藝的方式達到降低氨排放的目的；在有機肥和化肥施用環(huán)節(jié)，氨揮發(fā)可以通過使用新型肥料，或者通過肥料的深施和施后立即灌溉及養(yǎng)分資源綜合管理等降低氨排放（圖1）。

2 氨揮發(fā)減排技術(shù)列單及研究進展

2.1 畜禽飼喂過程氨減排技術(shù)

圖2描述了畜禽飼喂過程如何影響其糞尿總氮排泄量、糞尿氮組成及化學(xué)性質(zhì)。畜禽生長過程中需要足夠的蛋白質(zhì)以維持生存代謝需求，一般飼料中僅20%—50%的氮可以被動物吸收固定利用，剩余50%—80%氮隨糞尿排泄出體外[8]。糞尿排泄氮中，尿氮占50%—70%[9-11]，而尿氮一般以尿素或尿酸形式存在，極易在自然界中廣泛存在的脲酶作用下水解形成氨揮發(fā)。當(dāng)前，畜禽養(yǎng)殖經(jīng)濟效益較高，為維持高產(chǎn)，畜禽養(yǎng)殖過程中普遍存在飼料蛋白投入過量的現(xiàn)象。而糞尿氮排泄的水平與畜禽蛋白攝入水平是顯著正相關(guān)的，因此降低飼料蛋白含量或者通過分階段飼養(yǎng)是畜牧業(yè)飼料環(huán)節(jié)最重要和有效的氨減排措施。除了這些措施之外，通過降低畜禽糞尿中銨態(tài)氮比例來降低氨揮發(fā)底物濃度或者通過飼喂添加劑的使用酸化糞尿以固持糞尿中銨離子，也可以達到氨減排的目的?？偨Y(jié)而言，飼喂環(huán)節(jié)可以通過改善畜禽福利提高產(chǎn)量水平、降低飼料蛋白投入，增加養(yǎng)分的利用率；或者降低糞尿氮排泄總量，改變其理化性質(zhì)增加銨離子的固定以達到氨減排效果。

圖1 農(nóng)牧系統(tǒng)邊界和氨揮發(fā)減排環(huán)節(jié)及技術(shù)

圖2 飼喂環(huán)節(jié)氨揮發(fā)產(chǎn)生過程及減排技術(shù)

2.1.1 低蛋白飼喂技術(shù) 以低蛋白物質(zhì)取代濃縮飼料中高蛋白組分降低氮素的投入，或者通過添加植物飼料中含量較少的合成氨基酸整體降低植物飼料蛋白的需求，可以在維持原生產(chǎn)水平的前提下降低飼料蛋白攝入和糞尿總氮排泄量，以達到降低氨揮發(fā)的目的。歐洲開展的減排試驗結(jié)果表明，低蛋白飼料飼喂可以實現(xiàn)氨揮發(fā)減排4.1%[12]。對于生豬養(yǎng)殖而言，飼料粗蛋白水平每降低1%，糞便中總氮和銨氮含量分別降低8.5%和10%[13-14]，氨揮發(fā)減少10%[13,15]。對于奶牛等反芻動物而言，降低瘤胃可降解蛋白（RDP）的攝入可以有效降低畜禽糞尿氨排放[16]。添加合成氨基酸替代部分粗蛋白也是目前應(yīng)用普遍的低蛋白飼喂技術(shù)之一。目前應(yīng)用較多的合成氨基酸有蛋氨酸、賴氨酸、蘇氨酸，這些氨基酸的補充可以滿足動物生長對必需氨基酸的需求，因此可以減少飼料粗蛋白的供應(yīng)。如為了保證飼料配方中可以提供足量的氨基酸，以谷物（1/3小麥，1/3玉米，1/3大麥）和大豆為基礎(chǔ)的日糧，其粗蛋白含量應(yīng)為17%方能滿足育肥豬的氨基酸需求，但是如果按日糧基礎(chǔ)提供0.13%的賴氨酸，日糧粗蛋白含量可以降低到15%，如果進一步提供其他合成氨基酸，日糧粗蛋白可以降低到12%，較僅以谷物為飼料的配方粗蛋白含量降低近30%[17]。低蛋白飼料飼喂技術(shù)對于室內(nèi)圈養(yǎng)動物的適用性要高于室外放牧的動物，因為室內(nèi)圈養(yǎng)動物的飼料是統(tǒng)一供應(yīng)，便于控制飼料組成。而放牧系統(tǒng)中，牧草的蛋白含量較高且采食量不受控制，因此放牧的動物易于攝入過量氮素。

2.1.2 分階段飼養(yǎng) 分階段飼養(yǎng)技術(shù)是根據(jù)動物在不同養(yǎng)殖階段對蛋白的需求量之間的差異，在適當(dāng)?shù)臅r間供應(yīng)動物適當(dāng)量及組成的飼料，避免過量的飼料氮投入。NAHM[18]的結(jié)果表明，分階段飼養(yǎng)可以減少豬和禽類10%—33%糞尿氮排泄量，并減少育肥豬49%—79%的氨揮發(fā)。分階段飼養(yǎng)技術(shù)對圈舍的結(jié)構(gòu)要求較高，因為需要將動物分群管理，動物分群比例越高，養(yǎng)殖場的畜禽糞尿氮排泄量越低，同時也對技術(shù)人員和設(shè)備要求較好，需要掌握動物群體在不同階段的體重、產(chǎn)量水平等指標(biāo)。對于傳統(tǒng)養(yǎng)殖戶而言分階段飼養(yǎng)對飼料成本的降低不能抵消這些額外投入成本的增加。而對于集約化養(yǎng)殖戶而言，飼料是主要的投入，分階段飼養(yǎng)可以有效降低飼喂成本，是集約化養(yǎng)殖場氨揮發(fā)減排的有效措施。

2.1.3 飼料添加劑 KREUZER等[19]研究表明，育肥豬日糧中添加10%—22%的非淀粉多糖可降低尿氮35%—39%，增加糞氮20%—28%。此外，增加日糧中非淀粉多糖能夠增強大腸及糞便中的微生物活動，增加發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）以及其他各種有機酸從而降低糞尿的pH。有研究表明，非淀粉多糖攝入量每增加100 g，每千克糞和尿中VFA分別增加0.43和0.51 g，糞便的pH下降0.12，氨揮發(fā)損失減少5.4%[20]。其主要原理是，非淀粉多糖在豬胃和小腸中消化吸收利用率極低，能夠較完整的到達豬的大腸，大腸中普遍存在大量共生細(xì)菌，而這些細(xì)菌通常含有多糖降解酶，可以增強腸道后段微生物對氮的同化作用，從而增加微生物蛋白的合成，但并不影響機體對蛋白的吸收利用，且通過腎排泄的氮也隨之減少。因此該措施可以增加糞氮比例從而降低氨揮發(fā)[21]。因為消化系統(tǒng)的差異，該技術(shù)不適用于蛋雞和肉雞的生產(chǎn)體系，增加了該技術(shù)的局限性。

離子平衡是飼料配方的一個重要指標(biāo)，使用添加酸性鹽類飼料，將改變動物糞尿的pH，可以起到酸化糞尿的作用效果，因此可以使氨維持在銨離子的形態(tài)。這種酸化作用經(jīng)證明不僅可以降低尿的pH，也可以降低糞的pH，其中尿的pH下降程度要高[22]。目前使用的酸化物質(zhì)有硫酸鈣、氯化鈣、硫酸氫鈉、磷酸二氫鈣、苯甲酸鈣等類物質(zhì)。酸性鈣鹽取代日糧中碳酸鈣，糞尿pH降低1.6—1.8，氨揮發(fā)損失量減少26%—53%[23]。由于這些添加劑的使用會增加成本，且傳統(tǒng)農(nóng)戶的飼料管理水平較差，不能準(zhǔn)確確定添加量，因此該技術(shù)在傳統(tǒng)養(yǎng)殖戶之間應(yīng)謹(jǐn)慎推廣。目前關(guān)于飼料添加劑的研究較多，除了上述幾種添加劑外，還有一些添加劑可以提高糞尿?qū)︿@離子的吸收固定，增加飼料中難以利用部分的可吸收性，是氨揮發(fā)減排的有效措施[14]，例如前者如飼料級蛭石，后者如纖維素分解酶、有機酸類和益生菌等[24]。

2.2 畜禽飼舍管理氨減排技術(shù)

在圈舍中氨揮發(fā)的發(fā)生是由脲酶水解尿素主導(dǎo)的。尿和糞接觸時間越長，氨揮發(fā)風(fēng)險越高，將排泄后的尿和糞快速分離，減少糞中的脲酶和尿中尿素的接觸，將大大降低氨揮發(fā)發(fā)生的風(fēng)險。因此隔絕或者快速將尿液和糞便分開，將有效地降低圈舍中氮素的損失。另外也可以通過其他物理和化學(xué)措施，改變尿液的pH，抑制脲酶活性；或者可以通過一些設(shè)備耗竭空氣中的氨，收集后可以回收利用（圖3）。

2.2.1 圈舍糞尿分離技術(shù) 漏縫地板技術(shù)采用漏縫式或孔洞式地板（尿可以滲入，而固體糞便不可以滲入），糞尿一經(jīng)產(chǎn)生即被分離，降低氨揮發(fā)的風(fēng)險。地板材料類型以及地板漏縫的比例對糞尿是否能快速分離有重要影響。鐵質(zhì)或塑料地板都比水泥地板光滑，對糞便的黏著性低，氨揮發(fā)減排率要比水泥漏縫地板高10%—40%[25]。全部漏縫地板氨減排效果要低于局部漏縫地板[26]。漏縫地板面積占總面積的比例從50%降至25%，氨揮發(fā)減少20%[27]。BRAAM等[28]研究豬舍地板坡度對氨揮發(fā)的影響時發(fā)現(xiàn)，相比于普通地板，斜坡地板（30）可以減少氨揮發(fā)21%，但當(dāng)清糞次數(shù)由12次/d增加到96次/d時，氨揮發(fā)減排率只有5%。傳送帶分離技術(shù)主要應(yīng)用于集約化豬場和雞場，在豬場應(yīng)用傳送帶分離技術(shù)，可以減少47%—49%的氨揮發(fā)[29-30]。

圖3 飼舍環(huán)節(jié)氨揮發(fā)產(chǎn)生過程及減排技術(shù)

2.2.2 快速清理技術(shù) 利用人工或機械將排泄的糞便快速清理，減少糞中脲酶與尿中尿素的接觸，將有效地降低圈舍中氨揮發(fā)的產(chǎn)生。水沖糞技術(shù)僅需要增加沖洗的次數(shù)，減低每次沖洗時間長度，即可達到可觀的減排效果。每隔2—3 h利用水沖糞技術(shù)沖洗一次可以有效地減少氨揮發(fā)14%—70%[31]，每次沖的時間不易過長（每次沖洗2—3秒，效果要高于每次沖洗3—6秒）。水沖糞時間過長容易導(dǎo)致糞尿的體積過大，耗水耗電且對儲藏罐體積要求高，增加廢水清理費用，且后續(xù)的固液分離或液體注射的成本提高。干清糞的氨揮發(fā)減排效果不如水沖糞。研究表明，干清糞技術(shù)每2.0—3.5 h清理一次，氨揮發(fā)減排效果僅為10%—14%[32]。傳送帶技術(shù)已被應(yīng)用了幾十年，相比于傳統(tǒng)儲存方式，傳送帶定期清糞可以減少50%的氨揮發(fā)[33]。Lachance[34]發(fā)現(xiàn)，氨揮發(fā)量和糞便在傳送帶上殘留時間顯著相關(guān)。

2.2.3 脲酶活性抑制 脲酶抑制劑的應(yīng)用可以專性地抑制脲酶的活性，使尿液中的尿素以酰胺的形式保存在糞尿混合物中，因此氨揮發(fā)將顯著降低。N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前已知的可以有效抑制脲酶活性的抑制劑之一。Shi等[35]研究發(fā)現(xiàn)，施用1和2 kg·hm-2NBPT分別減少35.9%和34.4%的氨揮發(fā)，沒有顯著差異。Varel等[36]研究發(fā)現(xiàn)，苯基磷酸二酰胺（PPDA）、T-磷酸三環(huán)已胺（CHPT）和NBPT均可有效地減少氨揮發(fā)，但脲酶抑制劑在圈舍中的降解速率過快，因此為了達到效果，需要經(jīng)常噴灑脲酶抑制劑。

2.2.4 快速干燥技術(shù) 采用強制通風(fēng)措施對圈舍雞糞進行干燥處理，將其含水量控制在40%以下，可抑制脲酶的活性，減少氨揮發(fā)[37]。該技術(shù)分為兩類：第一類，傳送帶干燥技術(shù)；第二類，糞尿深坑干燥技術(shù)。研究表明，雞糞在排泄后50 h內(nèi)含水量降到40%以下，氨揮發(fā)損失最小[11]。該技術(shù)僅適用于密閉式的雞舍，因為一般情況下雞舍溫度較高且不同于牛和豬的排泄物，雞的排泄物含水量較低，可以運用風(fēng)扇將熱空氣在傳送帶上雞糞表面流動，達到干燥雞糞的目的。

2.2.5 墊料 墊料可有效地減少氨揮發(fā)損失。墊料的減排機理如下：（1）添加墊料改變了混合物的C/N比，促進微生物的活性，增加對氮素的固定；（2）添加墊料可以降低自然或機械通風(fēng)時圈舍中地面氣流的作用；（3）墊料本身對氨的吸附固定；（4）生物反應(yīng)后糞尿pH下降。一般認(rèn)為鋸末和秸稈是較好的墊料，因為碳氮比較高，且其纖維素（容易降解）含量較高，便于微生物菌群的吸收利用。Nicks等[38]研究表明，鋸末的氨揮發(fā)減排效果要比秸稈高62%。泥炭的作用效果好，是因為泥炭容重大，對銨離子的吸附能力要遠高于其他墊料。墊料的添加量影響底物碳氮比和氨揮發(fā)，每頭豬每星期添加4 kg秸稈時，減排效果比施用2 kg秸稈要高39%，但是當(dāng)秸稈添加量達到8 kg時效果和4 kg并沒有較大差異[39]。該技術(shù)可以較低的成本取得較好的減排效果，但是添加秸稈的作用效果不穩(wěn)定[40]。

2.2.6 空氣凈化和過濾收集技術(shù) 集約化豬和雞的養(yǎng)殖場一般選擇密閉性圈舍的飼養(yǎng)方式，為了保證空氣流動，這些密閉圈舍配有通風(fēng)系統(tǒng)。在圈舍中，動物排泄產(chǎn)生的糞尿接觸后會產(chǎn)生大量的氨揮發(fā)，通風(fēng)系統(tǒng)的運作一是可以保證空氣的流通，二是可以降低空氣中氨的濃度，以避免其濃度過高對動物的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。但是如果不回收空氣中的氨，氮素?fù)p失依然沒有降低。因此可以在通風(fēng)系統(tǒng)的終端采取一些措施，如化學(xué)固定劑（如各種形式的酸，將氨氣體固定成銨離子）、物理固定劑（蛭石等比表面較大的具有陽離子交換能力物質(zhì)）、生物固定劑（微生物菌群，將氨吸收轉(zhuǎn)化成硝酸根離子）。氮素被固定后可以進行回收利用，由此降低氨揮發(fā)損失。酸性固定物的氨去除率在40%—100%，平均96%，取決于設(shè)定的pH（通常要求溶液pH要低于4）。微生物菌群去除氨的效率在-8%—100%，因氨氣在生物過濾器的停留時間和過濾材料的濕度不同導(dǎo)致除氨效果差異較大，平均70%[41-42]，如果僅用水作為吸收物質(zhì)，氨的去除率也可達到40%。該技術(shù)目前在歐洲國家應(yīng)用較多，可以顯著地促進氨揮發(fā)的降低，并且氮的回收利用率增加，但是設(shè)備運行成本較高。

2.3 畜禽糞尿儲藏氨減排技術(shù)

當(dāng)糞尿從圈舍中轉(zhuǎn)移到圈舍外的專門儲藏設(shè)施后，糞尿儲藏設(shè)施的種類對養(yǎng)分的環(huán)境排放有很重要的影響。因為儲藏設(shè)施可以控制糞尿和空氣接觸的面積；也可以覆蓋，降低降雨對稀釋尿液破壞糞尿穩(wěn)定的影響，同時也可以限制儲藏設(shè)施內(nèi)的空氣流動；而利用水泥或鐵質(zhì)地板可以防止糞尿的淋洗損失。目前廣泛采用的瀉湖儲藏方式中，占地面積大，糞尿與空氣接觸表面積很大因此很難進行覆蓋處理，且如果沒有在底部做防滲處理則有會造成硝酸鹽的淋洗，另外降雨很容易引起對糞尿的擾動、且增加糞尿的體積，如果降雨量過大則會造成對附近水源的污染，且敞口式的儲存容易增加臭味物質(zhì)的揮發(fā)。采用鐵質(zhì)罐式儲藏，肥料包，覆蓋儲藏和添加劑等先進的糞尿儲存方式可以減少氨揮發(fā)（圖4）。

圖4 儲藏環(huán)節(jié)氨揮發(fā)產(chǎn)生過程及減排技術(shù)

2.3.1 改進儲藏方式 相比普通的敞口瀉湖式的儲藏方式，水泥或鐵質(zhì)材料制成的罐式或筒式儲藏設(shè)施可以降低糞尿和空氣的接觸面積，減少20%—50%的氨揮發(fā)[43]。如果在儲藏設(shè)施的頂部建立不透水的帳篷式屋頂或蓋子，限制儲藏設(shè)施內(nèi)的空氣流動，可以進一步減少氨揮發(fā)損失的風(fēng)險。但是屋頂或蓋子的設(shè)計需要和儲藏設(shè)施的墻壁緊密接觸，以保證達到限制空氣流動的效果。肥料包技術(shù)是將圈舍中產(chǎn)生的糞尿定期用泵泵到一個容積很大的聚乙烯袋子中，因為袋中是一個密閉的環(huán)境，因此可以避免氨揮發(fā)的產(chǎn)生。

2.3.2 覆蓋 通過在糞尿表面形成永久或非永久的覆蓋物，可以避免糞尿和空氣的接觸，降低氨揮發(fā)的產(chǎn)生。目前常使用的覆蓋物有以下幾種：聚乙烯塑料膜、織物、油、晶石類物質(zhì)、自然結(jié)皮、有機覆蓋物。聚乙烯塑料膜是能夠防雨的覆蓋物。與表面沒有覆蓋物相比，聚乙烯薄膜幾乎可以完全避免氨揮發(fā)的產(chǎn)生[44]。自然結(jié)皮僅針對糞尿中有機物含量較高的糞尿儲存體系，主要是牛糞和部分豬糞。自然結(jié)皮的減排潛力為-13%—90%[45]。織物目前主要應(yīng)用在不能生成自然結(jié)皮的豬糞上，由于之間存在一定的孔隙，因此氨揮發(fā)的減排效果不如聚乙烯材料。土工織物的氨揮發(fā)減排潛力30%—45%[46]，而泡沫塑料的氨揮發(fā)減排潛力可以達到45%—95%[47]。由于銨離子是不溶于油的，因此在糞尿的表面施用一層油也可以降低氨揮發(fā)。油層覆蓋在短期內(nèi)效果明顯，氨揮發(fā)減排效果可達90%以上，但由于油的降解，所以油層覆蓋的長期（＞30 d）效果并不理想[48]。油膜減排效果取決于油的種類和油層厚度。有機覆蓋物可選擇的材料有秸稈、鋸末等，減排潛力為25%—85%[49]。晶石類物質(zhì)包括珍珠巖、沸石、黏土等。晶石類物質(zhì)的氨揮發(fā)減排潛力為69%—93%[45]，覆蓋厚度越厚，氨揮發(fā)減排效果越明顯[50]。

2.3.3 添加劑 通過向糞尿中添加酸性物質(zhì)，調(diào)節(jié)糞尿pH為5—6左右，可有效降低氨揮發(fā)。一般pH越低，減排效果越明顯，但pH降至4.5以下后，溶液中只有微量氨的存在[51]。目前普遍使用的酸化物質(zhì)有3種：（1）強酸（硫酸、磷酸、鹽酸等）；（2）弱酸（乳酸、苯甲酸等）；（3）弱酸性鹽類（硫酸氫鈉、硫酸鋁、氯化鋁、氯化鈣等）。強酸性的物質(zhì)添加后可以快速地改變糞尿pH，且可以保證pH穩(wěn)定，氨揮發(fā)減排70%—90%，效果高于其他弱酸性的物質(zhì)[52]。弱酸性的物質(zhì)添加量較高，同時pH緩沖能力強，可以穩(wěn)定地維持糞尿pH在較低的水平。弱酸性鹽類的緩沖能力差，如向糞尿儲存罐中添加氯化鈣后，在前3 d內(nèi)的氨揮發(fā)減排90%，但是在隨后2周的測定中減排效果只有40%[53]。該技術(shù)簡單可行，且適用于各種動物品種和養(yǎng)殖體系。

添加陽離子吸附類物質(zhì)可以固定糞尿中的銨離子，降低銨離子濃度，進而降低氨揮發(fā)損失。Miner等[54]發(fā)現(xiàn)，在奶牛糞尿中添加1%—4%（w/v）的沸石，氨揮發(fā)減排60%；Nakaue等[55]在肉雞糞便中添加5 kg·m-2的沸石，氨揮發(fā)減排35%。黏土礦物、廢舊報紙、紙漿等被證明按照5%的質(zhì)量比加入儲存罐后可以有效地降低氨揮發(fā)的發(fā)生，減排潛力為29%—47%[56]。另外，絲蘭提取物和泥炭苔等有機提取物也被應(yīng)用于降低糞尿混合物的氨揮發(fā)，其作用機理是這些物質(zhì)可以固定銨離子。但是這兩種物質(zhì)的作用效果目前研究不多，作用效果不穩(wěn)定。吸附物質(zhì)對于各種動物種類和養(yǎng)殖體系都適用，且操作簡單，減排效果較好。

2.4 畜禽糞尿處理氨減排技術(shù)

相比于普通的堆放，好氧堆肥往往會增加氨揮發(fā)損失。因此，本文探討的糞尿處理氨揮發(fā)減排技術(shù)主要圍繞堆肥過程。好氧堆肥常用的通風(fēng)方式包括強制通風(fēng)和翻堆。強制通風(fēng)的氨揮發(fā)量一般要高于翻堆。Pardo等[57]的meta-analysis結(jié)果顯示，與普通堆放相比，強制通風(fēng)堆肥和翻堆堆肥的氨揮發(fā)量分別要高121%和54%；趙晨陽等[58-59]研究表明，堆肥過程中氨揮發(fā)量會隨翻堆頻率和通風(fēng)速率的增加而增加；Jiang等[60]評價通風(fēng)速率、碳氮比和濕度對豬糞堆肥氨揮發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)速率是影響氨揮發(fā)最重要的因素，且通風(fēng)速率越大，氨揮發(fā)越高；碳氮比顯著影響堆肥過程氨揮發(fā)，碳氮比越低氨揮發(fā)越高；初始含水量對堆肥氨揮發(fā)沒有顯著影響。近20多年來，堆肥添加劑的氨揮發(fā)減排效果受到廣泛關(guān)注。大量的添加劑被證明可以有效地減少堆肥氨揮發(fā)損失[57]。根據(jù)堆肥添加劑的作用機理歸類，可以分為（表1）：金屬鹽類、吸附物質(zhì)、微生物、酸、可利用碳。不同類型添加劑的減排效率因添加劑種類和添加劑量不同有較大差異。為了減少氨揮發(fā)，可以在堆肥的過程中采取覆蓋措施[4]。研究發(fā)現(xiàn)，相比于不覆蓋處理，在堆肥過程中使用不透水的材料覆蓋能夠減少90%的氨揮發(fā)[73]。還有一種堆肥方式是在完全密閉的反應(yīng)器中堆肥，并將廢氣通入氨的過濾收集設(shè)備[74-75]。

表1 不同類型添加劑在堆肥過程中的氨揮發(fā)減排效率

2.5 化肥和糞尿農(nóng)田施用氨減排技術(shù)

尿素是潛在氨揮發(fā)率較高的一種肥料，尿素表施后會脲酶作用下快速水解，其中5%—40%的氮以氨揮發(fā)的形式損失[76]。因此，目前氨揮發(fā)減排措施也主要是針對尿素的。化肥農(nóng)田施用氨揮發(fā)主要受肥料類型和施肥方式的影響。硝酸銨或硫酸銨替代尿素、緩控釋肥料、脲酶抑制劑等新型肥料、化肥深施和施后立即灌溉以及養(yǎng)分資源綜合管理是氨揮發(fā)減排的有效措施。糞尿表施到土壤表面后，在空氣溫度高，風(fēng)速快和太陽輻射強情況下，總銨態(tài)氮的損失比率可達40%—60%[76]。一般可采取的減排措施包括注射施用、覆蓋施用、條施或快速下滲技術(shù)（圖5）。

圖5 施用環(huán)節(jié)氨揮發(fā)產(chǎn)生過程及減排技術(shù)

2.5.1 新型肥料 因為尿素的潛在氨揮發(fā)風(fēng)險較高，因此可以采用新型肥料來替代尿素，以降低農(nóng)田生產(chǎn)過程的氨揮發(fā)。目前可以應(yīng)用的新型肥料包括硝基肥料（如硝酸銨）、緩控肥及添加脲酶抑制劑的肥料。硝酸銨的氨揮發(fā)減排效果得到廣泛驗證，并成為歐洲主要的氮肥品種，但由于安全原因和較高的成本問題，中國已經(jīng)禁止硝酸銨作為化肥單獨使用。在歐洲，硫酸銨取代部分尿素，并將兩者混合施用，相對于單施尿素，也可以實現(xiàn)90%的氨揮發(fā)減排[77-78]。緩控釋肥料的包膜或緩溶性物質(zhì)阻隔膜內(nèi)外水分的運移，延緩尿素溶出過程，降低土壤氨揮發(fā)。大量研究表明，包膜肥料的氨揮發(fā)量比普通肥料低0.11%—94.0%[79-81]，因包膜材料和土壤類型不同減排效果有較大差異。趙斌等[82]對夏玉米田間土壤原位氨揮發(fā)進行研究發(fā)現(xiàn)，控釋肥處理氨揮發(fā)速率上升緩慢，最大揮發(fā)高峰出現(xiàn)時間比普通肥料處理晚7 d，且土壤氨揮發(fā)量比普通肥料處理減少51%—91%。添加脲酶抑制劑的穩(wěn)定性肥料可有效抑制脲酶活性，達到降低氨揮發(fā)的效果。國內(nèi)外已經(jīng)進行了醌類、酸酰胺類、重金屬鹽類、多酚類等多種脲酶抑制劑的對比試驗，也篩選出了如HQ、PPDA、NBPT、CHPT等脲酶抑制劑。Byrnes等[83]在水稻田上進行CHPT的田間效果試驗發(fā)現(xiàn)，CHPT對氨揮發(fā)的抑制效果好于NBPT，但沒有增加水稻的產(chǎn)量。NBPT在降低氨揮發(fā)以及穩(wěn)定性和毒性方面都優(yōu)于其他幾種抑制劑，因此在試驗和示范中應(yīng)用較多，也是目前農(nóng)業(yè)應(yīng)用及商業(yè)開發(fā)上較為成功的使用最廣泛的脲酶抑制劑，其商品名叫Agrotain。Cantarella等[84]在巴西不同區(qū)域針對玉米及牧草作物進行的8個田間試驗表明，與普通尿素相比，NBPT能顯著減少29%—89%的氨揮發(fā)。

2.5.2 化肥深施和施后立即灌溉 深施可以減少肥料與空氣的接觸，且可以顯著縮短養(yǎng)分向根系附近移動的時間，增加作物對養(yǎng)分的利用率，因此可以降低肥料的氨揮發(fā)損失。研究表明，撒施后翻耕和條施后覆土是降低氨揮發(fā)損失的有效施肥方式[85-86]。施肥后立即灌溉可減少40%—70%的氨揮發(fā)，減排效果取決于灌溉時間、水量以及土壤濕度和質(zhì)地[76]。曹兵等[87]研究冬小麥不同基肥施用方式（表施、深施和表施結(jié)合灌溉）對土壤氨揮發(fā)損失的影響，發(fā)現(xiàn)冬小麥表施尿素下氨揮發(fā)高達46%，表施后立即灌概的氨揮發(fā)僅為4%，而尿素深施后的氨揮發(fā)損失僅為6%。

2.5.3 養(yǎng)分資源綜合管理 養(yǎng)分資源綜合管理是指利用現(xiàn)有的田間試驗或者長期定位試驗為基礎(chǔ)，根據(jù)作物需肥規(guī)律、土壤供肥性能和肥料效應(yīng)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)養(yǎng)分投入與產(chǎn)出平衡，實現(xiàn)養(yǎng)分資源高效利用。歐洲平衡施肥的結(jié)果表明，可以促進氮素各種形態(tài)損失的降低（氨揮發(fā)減少8.9%），并同時對肥料氮磷鉀的利用率和產(chǎn)量都有促進作用。同時平衡施肥可以降低肥料的投入和成本[12]。ZHANG等[88]在河北曲周農(nóng)村通過優(yōu)化施肥量和施肥時間實現(xiàn)了小麥增產(chǎn)32%，玉米增產(chǎn)7.5%；夏文建等[89]研究表明，同習(xí)慣施氮相比，基于作物階段氮素吸收增加追肥比例和施肥次數(shù)的優(yōu)化施氮能有效減少肥料氮的氨揮發(fā)損失。

2.5.4 糞尿優(yōu)化施用技術(shù) 采用糞尿優(yōu)化施用技術(shù)，將糞尿施入土壤中，這樣不僅可以隔絕糞尿與空氣的接觸，還可以增加土壤對銨離子的固定和根系對糞尿氮素的吸收，從而有效地降低氨揮發(fā)的發(fā)生[90]，包括注射施用、覆蓋施用和條施等。就氨減排效果而言，注射施用優(yōu)于覆蓋施用優(yōu)于條施。糞尿注射技術(shù)分為糞尿開口注射施用技術(shù)和糞尿閉口注射施用技術(shù)。糞尿開口注射施用技術(shù)主要應(yīng)用于草地，氨揮發(fā)減排潛力為70%—80%[91]。糞尿閉口注射施用技術(shù)的氨揮發(fā)減排效果優(yōu)于糞尿開口注射施用技術(shù)，因為土壤開口閉合后可以進一步降低糞尿與空氣的接觸。糞尿閉口注射施用深度為5—10 cm時氨揮發(fā)減排潛力為80%，隨著施用深度的增加，該技術(shù)的氨揮發(fā)減排潛力可以提高到90%[92]。糞尿覆蓋施用指糞尿施用后快速進行覆蓋，其施用后覆蓋時間對氨揮發(fā)有明顯的影響。糞施用后4 h內(nèi)覆蓋，氨揮發(fā)減排潛力為45%—65%，而當(dāng)施用后24 h內(nèi)覆蓋，氨揮發(fā)減排潛力僅有30%[92]。該技術(shù)不能在作物生長季節(jié)進行，且對機械的馬力要求較高，不適宜山坡地。糞尿條施技術(shù)也可以減少糞尿與空氣的接觸面積，分為軟管式和犁頭式兩種模式。軟管條施的氨揮發(fā)減排潛力為0—75%；而帶鞋尖的條施技術(shù)減排潛力為38%—74%[91]。條施技術(shù)適用于作物生長期間，根系對養(yǎng)分的吸收能力強，且作物冠層的存在可以阻擋氣流流動對氨揮發(fā)的影響，因此氨揮發(fā)顯著降低[42]。然而，犁頭式的條施方式可能會對作物根系影響較大。

2.5.5 糞尿快速下滲技術(shù) 糞尿氨揮發(fā)量和糞尿滲入土壤的速率是呈負(fù)相關(guān)的，糞尿施用后滲入土壤的速率越快，其在土壤表面殘留時間越短，氨揮發(fā)越低。因此，可以采取稀釋糞尿的方法，使糞尿快速滲入土壤，減少氨揮發(fā)[90]。糞尿稀釋施用的氨揮發(fā)減排潛力為30%—91%[42,92-95]。另一個糞尿快速下滲技術(shù)是低含水量土壤施用糞尿。已有研究表明，糞尿施到含水量低的土壤可以實現(xiàn)氨揮發(fā)減排70%[96]。糞尿施用之前翻耕土壤，也可以實現(xiàn)糞尿的快速下滲，減少40%—90%的氨揮發(fā)[97]。有研究表明，將土壤耕至6 cm，然后施用糞尿液體，利用機械將兩者混合可減少氨揮發(fā)約60%[98]。

3 結(jié)論和建議

農(nóng)牧系統(tǒng)各環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排技術(shù)的效果、減排潛力和應(yīng)用前景見表2。目前的氨揮發(fā)減排研究主要關(guān)注農(nóng)牧系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特定環(huán)節(jié)和技術(shù)，而關(guān)于整個系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)減排技術(shù)的綜合評價還很少，國內(nèi)更是缺乏相關(guān)研究。通過meta分析等方法綜合分析和評價農(nóng)牧系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的減排技術(shù)，有針對性地提出綜合的氨揮發(fā)減排技術(shù)體系，應(yīng)是今后氨揮發(fā)減排技術(shù)研究的一個方向。此外，應(yīng)重點加強畜禽養(yǎng)殖和糞便管理環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排技術(shù)研究，為構(gòu)建中國農(nóng)牧系統(tǒng)綜合的氨揮發(fā)減排技術(shù)體系提供數(shù)據(jù)和理論支持。在構(gòu)建氨揮發(fā)減排技術(shù)體系的同時，還應(yīng)考慮經(jīng)濟效益、溫室氣體（CH4和N2O）協(xié)同減排和動物福利等因素。

歐美發(fā)達國家對各環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排技術(shù)的減排原理、技術(shù)規(guī)程及指標(biāo)、可行性、障礙因子及減排成本進行了全面的研究，推動了氨揮發(fā)減排技術(shù)的推廣與應(yīng)用。國內(nèi)在畜禽糞尿飼舍-儲藏-加工-施用等氨揮發(fā)減排配套設(shè)備和機具研發(fā)方面，距歐美發(fā)達國家還有相當(dāng)大的差距，這在很大程度上限制了中國氨揮發(fā)減排技術(shù)的推廣和應(yīng)用。因此，中國應(yīng)大力支持農(nóng)牧系統(tǒng)全鏈條氨揮發(fā)減排技術(shù)和機具的研發(fā)，并加強減排技術(shù)原理、技術(shù)規(guī)程及成本效益等研究。

表2 農(nóng)牧系統(tǒng)各環(huán)節(jié)氨揮發(fā)減排技術(shù)比較

美國和歐盟通過制定氨揮發(fā)減排政策法規(guī)和氨揮發(fā)減排技術(shù)補貼，有效地減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的氨氣排放。而中國目前關(guān)于農(nóng)牧系統(tǒng)氨揮發(fā)減排的法律法規(guī)還不健全，需推進和完善相關(guān)立法工作。同時，氨減排設(shè)施的投入無疑會增加種植和養(yǎng)殖成本，建議制定減排技術(shù)和設(shè)備的補貼優(yōu)惠政策，推動氨揮發(fā)減排技術(shù)的實施。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Review on Ammonia Emission mitigation techniques of crop-livestock Production system

CAO YuBo1,2, XING XiaoXu3, BAI ZhaoHai1, WANG Xuan1, HU ChunSheng1, MA Lin1

(1Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;3Bureau of Sciences and technology for Development, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864)

Crop-livestock system includes two sub-systems of animal production and soil-crop production. Manure management is the most important part to connect animal production and soil-crop production. Ammonia emission occurred in the chain of livestock housing, manure storage, manure processing and application. Crop-livestock system was the great contributor to ammonia emission in the world, and currently higher ammonia emission made the local air quality worse. Ammonia emission mitigation options in crop production and the whole feeding-livestock housing-storage-processing-application chain of livestock production have been a hot topic for many years. In this study, we consider the whole manure management chain and fertilizer application when the ammonia mitigation techniques are summarized. In the past decades, plenty of ammonia emission mitigation researches have been conducted in America and European countries. Studies on ammonia mitigation technique mainly focused on fertilizer application in China, and the studies on livestock production chain in China just started in recent years. Here, ammonia emission mitigation techniques from the world were comprehensively reviewed in this study. The mitigation mechanisms, effects and feasibilities of the technique were discussed. We also presented further directions and significances of ammonia mitigation research. The suggestions are as follows: (1) The present study on ammonia emission mitigation mainly focus on specific part and single technique of crop-livestock system. However, the integrated mitigation options of the whole chain are lack especially in China. We suggest consider economic factors, gaseous emissions and animal welfare to create a comprehensive ammonia mitigation technique package. (2) China should vigorously support the study of ammonia emission mitigation techniques and related equipment. The studies should include the principles, regulations, costs and benefits analysis of ammonia emission mitigation techniques. Meanwhile it is also important to promote the extensions of ammonia mitigation techniques. (3) It is suggested that the subsidy policy of ammonia mitigation technique should be formulated to promote the mitigation of ammonia emission in crop and animal production.

feeding; livestock housing; manure storage; manure processing; application; ammonia emission mitigation

2017-07-31；

2017-10-10

國家自然科學(xué)基金面上項目（31572210）、大氣重污染成因與治理攻關(guān)項目（DQGG0208）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、中國科學(xué)院百人計劃項目

曹玉博，E-mail：CaoYubo2016@163.com。

柏兆海，Tel：0311-85810936；E-mail：baizh1986@126.com。通信作者馬林，Tel：0311-85810877；E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn