《Resources, Environment and Sustainability》：Matching livestock manure with suitable bioconversion strategies for efficient nutrient upcycling in China
编辑推荐：
本文推荐研究人员针对如何高效回收畜禽粪便养分这一难题，开展了饲料优先与肥料优先生物转化策略的匹配研究。通过实验与模拟发现，单胃动物粪便适用饲料优先策略可提升氮回收率20%～40%，反刍动物粪便则适宜肥料优先策略。该研究为优化粪污资源化提供了技术路径，对推动农业可持续发展具有重要意义。
随着人口增长和饮食结构变化，全球粮食需求持续上升，而满足这一需求的过程中，化肥和饲料的生产与使用导致了严重的养分循环失衡。人类大量开采磷矿、固定氮素以生产化肥和饲料，但化肥施用效率低下和农业废弃物管理不当，造成了养分利用效率低、排放高的线性利用模式。这种“高投入、低效率、高浪费”的模式破坏了自然生物地球化学循环，引发了水体富营养化、大气污染、磷矿枯竭和土壤退化等一系列环境问题。在中国，人为氮磷输入地表水和陆地生态系统的量已超过安全的地球系统边界，养分管理挑战尤为严峻。
畜禽粪便作为养分废弃物的重要来源和水体污染的主要贡献者，是养分循环回收的主要目标。然而，关于如何选择最有效的粪便生物转化策略以最大化生物经济效益，仍存在争议。传统农业实践倾向于肥料优先策略，将粪便养分回收为有机肥替代化肥，但面临农民因经济和技术原因更偏好使用化肥的障碍。近年来，饲料优先策略受到关注，该策略利用昆虫将粪便转化为蛋白饲料，残余物再制肥，据报道具有更高的经济回报和更低的环境影响。但饲料优先策略依赖于高蛋白产量来抵消高运营成本，而蛋白产量和质量因畜禽种类和粪便营养成分差异很大。目前，尚缺乏系统研究不同畜禽粪便与生物转化策略匹配对养分循环效率的影响，这阻碍了高效养分回收的实现。
针对这一知识空白，南京大学的研究团队在《Resources, Environment and Sustainability》上发表论文，旨在通过识别特定畜禽粪便与饲料优先或肥料优先生物转化策略的最佳匹配，制定高效的粪便回收方案，并量化该方案在中国的生物经济效益。研究聚焦于使用昆虫处理固体粪便，因其具有报道的环境经济优势和实际成熟度。
研究人员开展了大规模的黑水虻幼虫生物转化实验，结合实地调查和数据汇编，比较了五种畜禽粪便采用两种策略的效率。通过昆虫生物转化实验，测定了干物质、氮、磷在幼虫和虫粪中的分配。量化了养分流，包括昆虫生物转化、堆肥、厌氧消化和废水处理等过程的质量和养分流动。估算了养分循环潜力，从生命周期角度量化氮磷循环潜力，包括直接回收和间接节约。评估了经济绩效，收集了9个粪便处理设施的经济数据，分析投资、成本和收益。模拟了中国2021年畜禽粪便的产生和空间分布，基于高分辨率畜禽地图和排泄因子，计算了不同策略下的养分循环潜力和经济成本效益。
研究结果揭示了饲料优先和肥料优先粪便生物转化策略的技术过程。饲料优先策略中，固体粪便经昆虫生物转化产生幼虫和虫粪，虫粪再堆肥；肥料优先策略中，固体粪便直接堆肥。两种策略对液体粪便的处理一致，均进行厌氧消化产生沼气，消化液进一步处理为液肥。
研究发现，高效匹配的粪便回收方案是将饲料优先生物转化用于单胃动物粪便，肥料优先生物转化用于反刍动物粪便。对单胃动物，饲料优先策略相比肥料优先策略，直接氮损失减少41.8%，氮循环潜力提升20%～40%，净收入增加1.8～4倍。对反刍动物，肥料优先策略则能增加氮循环潜力5%～14%，降低经济成本80%以上。这种差异源于单胃动物粪便蛋白质和碳水化合物含量较高，而反刍动物粪便较低。
在全国模拟中，实施高效匹配策略相比2021年现状，可减少氮损失48.6%，节约磷消耗26.8%，经济效益翻倍。经济分析显示，高效匹配策略净收入是肥料优先策略的4.6倍，投资需求高22.8%，但投资回收期更短。饲料优先策略则因高投入和低收益导致负净收入。
高效匹配策略显示出优越的区域适宜性。单胃动物养殖集中在东南沿海经济发达地区，饲料优先策略的投资和饲料供应与此区域的高投资潜力和饲料需求匹配。反刍动物主要分布在西北和西南经济相对落后地区，肥料优先策略的低投资和适度收益更为合适。
研究结论强调，根据粪便养分组成量身定制生物转化策略至关重要。高效匹配策略为提升养分循环效率提供了新技术路径，有助于实现可持续农业。讨论部分指出，尽管结果具有高现实适用性，但大规模运营数据、底物组成、昆虫种类选择等因素可能引入变异性，未来研究可关注生物废物共处理和微生物工程等改进方向。该研究为政策制定者将饲料优先策略纳入粪便管理法规和补贴框架提供了科学依据，对推动可持续农业发展具有重要意义。
