美国畜禽粪肥氮素平衡与回收潜力评估框架

本文由Yanyu Wang， Xin Zhang， Sheri Spiegal 和 Eric A. Davidson 合作完成，其中主要作者隶属于美国马里兰大学环境科学中心阿巴拉契亚实验室，以及全球氮素创新中心。该研究发表于2026年3月的《自然-食品》（*Nature Food*）期刊第7卷。

一、 研究背景与目标

本研究属于农业生态系统管理与养分循环领域的跨学科研究。随着全球对肉奶产品需求的增长，畜禽生产日益集约化，导致大量粪肥产生。然而，当前美国仅有15-31%的畜禽粪肥氮（N）被回收并返还至农田。未被有效利用的粪肥氮会加剧空气和水体污染、推动气候变化，并构成疾病传播风险。另一方面，粪肥作为有机养分来源，若能有效回收利用，可替代部分依赖化石燃料的合成化肥，有助于农业部门脱碳并改善土壤健康。

尽管粪肥回收益处显著，但其实际潜力评估面临挑战。主要原因在于现有文献中，对于“可回收粪肥养分”和“作物养分需求”这两个核心指标的界定与核算方法存在巨大差异，导致不同研究对美国全国粪肥氮平衡（即可回收粪肥氮与作物氮需求之差）的估算结果迥异，从每年-2.6 ± 1.4太克氮（Tg N）到每年-21.5 ± 1.1 Tg N不等。这种不一致性妨碍了有效的跨研究比较，并可能导致政策制定依据混乱。

因此，本研究旨在解决上述知识缺口。首先，作者系统比较了六项高引用研究中的方法，将其应用于美国本土的统一数据集，量化了因假设不同而产生的估算差异。在此基础上，研究团队提出了一个全新的、透明的、可扩展的评估框架，用于系统评估当前及未来条件下粪肥氮（以及磷，P）的回收潜力。该框架旨在明确指标定义，整合已有及新方法，并识别不同区域改善粪肥循环利用的管理与政策优先事项。

二、 研究流程与方法

本研究主要包含两大阶段：比较分析与框架构建及应用。研究对象为美国本土（连续48州）的畜禽养殖与作物生产系统，使用2017年的国家级和县级数据。

第一阶段：现有研究方法的比较分析 研究团队选取了六篇高引用文献，提取了各自计算“粪肥养分平衡”的核心公式与假设。这些研究在指标命名（如“粪肥盈余”、“粪肥负荷”等）和具体目的上有所不同。研究的关键在于统一数据输入（使用美国农业部国家农业统计局2017年的畜禽存栏量和作物生产数据），同时严格遵循各原始研究对“可回收粪肥氮”和“作物氮需求”的特定定义和系数，重新计算了美国的粪肥氮平衡。

1. 可回收粪肥氮估算比较：差异主要源于两点：(a) 粪肥来源：是仅考虑圈养牲畜（CAFO）的粪肥，还是也包括放牧牲畜的排泄物？(b) 回收过程损失：是否考虑以及在多大程度上考虑粪肥在收集、转移、储存和处理过程中的氮损失（如氨挥发、径流、淋失）？估算结果范围极广，从每年1.5 ± 0.2 Tg N（仅考虑圈养牲畜并扣除处理损失）到每年7.9 ± 0.5 Tg N（考虑所有牲畜的全部排泄物）。

2. 作物氮需求估算比较：差异主要源于两点：(a) 作物氮利用效率（NUE）的假设：是使用当前实际NUE（约69%），还是假设100%的理想NUE，或是设定一个改进目标（如80%）？(b) 是否扣除其他氮来源：在计算需要由粪肥替代的氮量时，是否扣除了生物固氮（BNF）、大气沉降和灌溉水带入的氮？估算结果从每年10.5 ± 1.3 Tg N（使用目标NUE并扣除其他来源）到每年23.0 ± 1.1 Tg N（使用当前NUE且不扣除其他来源）不等。

3. 平衡结果比较：综合上述差异，应用不同方法得出的美国粪肥氮平衡值分布在每年-21.5 Tg N至每年-2.6 Tg N的巨大区间内。这清晰揭示了术语和假设不统一带来的严重问题。

第二阶段：新评估框架的构建与应用 基于比较分析的发现，研究团队提出了一个包含五个关键指标的评估框架。

1. 粪肥侧指标（三个，反映回收潜力）：

   • 当前粪肥氮施用量：基于农户调查数据，估算实际施用到农田的粪肥氮量。这是当前社会经济和技术约束下的实际回收水平（本研究中为每年0.8 Tg N）。
   • 基于现有技术的潜在可回收粪肥氮：基于文献中不同畜禽类型的“可回收因子”和“氮留存比例”，估算在现有最佳管理实践（如改进的储存、处理技术）得到普及的情况下，理论上能从圈养牲畜粪便中回收的氮量（每年1.5 ± 0.2 Tg N）。该值与当前施用量的差值，代表了通过推广现有技术可增加的回收潜力（定义为 M1N）。
   • 圈养牲畜粪便氮总排泄量：所有圈养牲畜粪便中的总氮量（每年4.3 ± 0.5 Tg N）。该值与“基于现有技术的潜在可回收量”之间的差值，代表了需要通过未来技术突破或社会经济变革（如新的收集工艺、政策激励）才能实现的额外回收潜力（定义为 M2N）。

2. 作物侧指标（两个，反映需求侧改进潜力）：

   • 当前氮利用效率下的可替代作物氮需求：在维持当前作物NUE水平下，扣除了生物固氮、大气沉降和灌溉供氮后，理论上可由粪肥替代的合成化肥氮量（每年14.1 ± 1.1 Tg N）。
   • 目标氮利用效率下的可替代作物氮需求：假设作物NUE提升至80%（欧盟氮专家小组推荐目标），同样扣除其他氮来源后，需由外部输入的氮量（每年10.5 ± 1.3 Tg N）。两者之差代表了通过提高作物NUE可减少的氮需求（定义为 iNUE）。

3. 磷素过量风险约束：由于粪肥的氮磷比（N:P）通常低于作物需求比，若仅为满足氮需求而施用粪肥，可能导致磷在土壤中过量累积，增加水体污染风险。因此，框架引入了约束条件（M1*N 和 M2*N），即在每个县，回收的粪肥磷量不得超过当前该县合成化肥磷的施用量，以此限制为避免磷过量而可安全施用的粪肥氮上限。

4. 多尺度应用与情景分析：

   • 国家级分析：将上述指标应用于美国整体，计算当前平衡，并模拟不同改进情景下的平衡变化，包括：推广现有技术（+M1N）、应用未来技术（+M2N）、提高作物NUE（+iNUE），以及考虑磷约束（M1*N, M2*N）的组合情景。
   • 县级分析：将框架下探至县级尺度（覆盖3107个县），绘制全国粪肥氮平衡分布图，并基于逐步改进的情景模拟结果，对各县进行分类，以识别差异化的管理优先级。

5. 数据处理与不确定性分析：研究整合了来自USDA-NASS、美国地质调查局（USGS）、国家大气沉降计划（NADP）、FAO等机构的多源数据。对于“当前粪肥施用量”这一缺乏空间显性调查数据的指标，作者开发了一种降尺度方法，利用作物层面粪肥来源份额的调查数据，结合县级畜禽存栏量进行估算。研究采用蒙特卡洛模拟（500次迭代）来量化关键输入参数（如畜禽排泄因子、可回收因子、作物NUE等）的不确定性，所有结果均以均值±标准差呈现。

三、 主要研究结果

1. 美国当前粪肥氮平衡与改进潜力：

   • 当前，美国粪肥氮平衡为每年 -13.3 ± 1.1 Tg N（即存在巨大赤字，主要依赖合成化肥弥补）。推广现有粪肥管理技术（M1N）可将赤字减少0.7 Tg N/年（改善约5%）。进一步应用未来技术（M2N）可再减少赤字2.8 Tg N/年（累计改善约21%）。然而，考虑到磷过量风险，M1N和M2N中分别有36%和33%的粪肥氮不能直接施用，除非配套采用磷去除技术。
   • 将主要作物的氮利用效率提高至80%（iNUE），可减少作物氮需求3.6 Tg N/年，从而将赤字再降低27%。
   • 综合所有改进措施（M1N + M2N + iNUE），美国的合成氮肥消费量理论上可从当前的每年12.6 Tg N降至每年5.5 ± 1.4 Tg N，降幅超过50%。但同时，约有每年1.2 Tg的回收粪肥氮会伴随磷过量风险，需要额外处理。

2. 县级尺度的异质性与管理优先级分类： 应用框架进行县级分析，揭示了显著的区域差异，并将各县分为五类优先级：

   • 类别一（粪肥过量区，51个县）：当前施用的粪肥氮已超过本地作物需求（如南卡罗来纳州克肖县）。优先策略是 输出多余粪肥 至短缺区域（即发展“粪肥流域”管理）或考虑限制牲畜数量。
   • 类别二至四（潜力平衡区，433个县）：通过不同组合的改进措施，可将当前负平衡提升至零或正平衡。具体分为：
     • 类别二：仅通过推广现有技术（M1N）即可达到平衡（如阿肯色州卡罗尔县），但需注意禽粪低N:P比带来的磷风险。
     • 类别三：需要结合现有技术和未来技术（M1N + M2N）才能达到平衡（如亚利桑那州马里科帕县），该县高N:P比的牛粪和高磷肥用量使其回收潜力较大。
     • 类别四：需要同时改进粪肥管理技术和作物氮效率（M1N + M2N + iNUE）才能达到平衡（如堪萨斯州斯科特县）。
   • 类别五（作物需求过剩区，占84%的县）：即使在实施了所有技术和管理改进后，本地粪肥仍无法满足作物氮需求，将持续依赖合成化肥输入（如北达科他州芒特雷尔县）。长期解决方案可能需要 通过政策引导将畜牧业向作物主产区转移，或发展长距离粪肥运输技术。

四、 结论与价值

本研究的主要结论是：通过建立一个透明、可比、多指标的评估框架，能够更清晰、一致地量化粪肥养分回收的现状与潜力。针对美国的具体分析表明，虽然全国范围内粪肥氮存在巨大赤字，但通过推广现有技术、研发未来技术以及提高作物养分利用效率的综合策略，可以显著减少对合成化肥的依赖。然而，磷素协同管理是避免产生新环境风险的关键约束。县级分析进一步凸显了“一刀切”政策的局限性，必须根据区域特点制定差异化的管理优先级，例如在过剩区推动粪肥跨区域调配，在潜力区投资于技术推广和效率提升，在短缺区探索产业布局优化。

本研究的科学价值在于：首次系统性地解析并整合了粪肥养分平衡评估中混乱的指标体系，提出了一个逻辑清晰、可扩展的分析框架。该框架不仅厘清了“可回收性”和“需求”的核心定义，还创新性地引入了磷约束条件和多情景分析，使得评估结果更具现实指导意义。

其应用价值显著：该框架可直接用于指导从农场到区域乃至国家尺度的养分管理规划。它帮助决策者、农技推广人员和养殖户识别哪里存在养分过剩风险、哪里有关闭养分循环的机会、以及需要何种类型的技术或政策干预（如技术推广、运输基础设施、养分交易市场、“粪肥流域”合作等）。研究强调，将粪肥从“废弃物”转化为“资源”，对于构建可持续、循环的农业食物系统至关重要。

五、 研究亮点

1. 问题导向的创新性：研究并非简单进行新的估算，而是从解决现有文献中巨大分歧这一根本问题出发，具有方法论上的创新意义。
2. 框架的系统性与透明性：提出的评估框架系统整合了粪肥回收侧（现状、技术潜力、理论极限）和作物需求侧（当前效率、目标效率）的多重维度，且所有指标定义和计算路径高度透明，便于他人应用和比较。
3. 磷素协同管理的考量：创新性地将磷过量风险作为约束条件纳入氮素平衡分析，避免了“拆东墙补西墙”的环境问题，使评估结果更全面、更可持续。
4. 多尺度情景分析：实现了从全国整体评估到县级差异化优先级识别的无缝衔接，为空间显性的精准管理提供了强大工具。
5. 数据整合与不确定性处理：综合利用了多源权威数据，并对关键参数进行了不确定性量化，增强了研究结果的可靠性。

六、 其他有价值的讨论

研究在讨论部分指出了未来改进方向：包括需要更精细化的粪肥施用调查数据、更新更空间显性的参数（如粪肥特性、土壤磷水平）、将粪肥处理流程进一步分解以识别具体瓶颈、以及将框架扩展至包含其他有机废弃物（如食品垃圾、污水污泥）的养分回收评估。这些建议为后续研究指明了路径。

总而言之，这项研究为科学评估和有效提升粪肥养分循环利用提供了重要的分析工具和决策依据，对推动全球农业绿色转型具有重要的参考价值。