文献分享 | NF：中国畜牧业氮污染综合减排措施可为人类和生态系统健康带来净效益
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文献分享
2022.12.12
中国畜牧业氮污染综合减排措施可为人类和生态系统健康带来净效益
题目：Integrated livestock sector nitrogen pollution abatement measures could generate net benefits for human and ecosystem health in China
杂志：Nature Food
文章简介
中国提供了全球近四分之一的肉类产量，但由于缺乏详细的畜牧业生产空间数据，正在进行的污染治理战略受到阻碍。文章使用2007年至2017年两次污染普查中超过48万个农场的调查数据，生成了中国畜牧系统的高分辨率地图，发现中国通过大规模牲畜养殖场来进行更好的养殖、饲养和粪便管理，以更少的动物和环境污染影响生产了更多的牲畜蛋白质。生产热点地区包括华北平原、中国东北和四川盆地等。《清洁水法案》将粪便养分对水的影响减少了三分之一，但对甲烷和氨排放的变化影响有限。研究表明，耗资约60亿美元的综合生产和消费削减措施可在2050年前进一步减少畜牧业污染，并通过降低人类健康和生态系统成本而实现高达300亿美元的效益。
主要内容
1.生成空间分辨率为1km×1km的中国畜牧业分布图
2007年和2017年畜牧业生产的总体空间布局相似，热点地区包括华北平原、东北中部、甘肃省及四川盆地。反刍动物主要在我国北方饲养，尤其是奶牛，集中在河北、山西、黑龙江、内蒙和新疆，华北地区的牧草和秸秆供应充足，因此饲养更多的反刍动物；放牧动物更多见于华北和西南地区。单胃动物在我国南北方都有分布，主要集中于西北地区、长江中下游平原和四川盆地，这与中国农田分布有关，尤其是2017年的生猪分布，因为谷物饲料主要来自农作物生产，近距离养殖可减少运输成本。2007-2017年间，响应水污染治理要求，采取“南猪北养”等政策，我国南方的养殖热点区域大幅减少，养殖场的空间集中度降低、分布范围更广。进口肉奶产品的增加也导致国内畜禽养殖数量下降。
图1 中国县级尺度畜牧业生产分布图。
a-f：将所有畜禽换算成猪当量后表征：1头奶牛=10头猪；1头肉牛=5头猪；3只绵羊/山羊=1头猪；15只蛋鸡=1头猪；60只肉鸡=1头猪。反刍动物包括牛和绵羊/山羊，单胃动物在这里包括猪和鸡。由于数据限制，其他动物没有包括在地图中。从第一次（2007年）和第二次（2017年）超过48万个畜牧场的农业污染源普查得出的信息中，可以得到1公里×1公里分辨率的分布图。
2.评估2007-2017年畜牧业生产效率和潜在驱动力
尽管畜禽养殖数量在2007-2017年间减少了14%，但肉类总产量增加了3%，表明每头牲畜的平均产量增加。这与规模化养殖比例增加、更高效的动物品种和饲料配方、反刍动物数量的减少有关，并使得饲料消耗、氮排放减少，同时氮利用效率（NUE）增加了8%。
其驱动因素包括：畜禽养殖场的粪污处理方式和储存方式的优化，减少了向水体中的氮排放；国内畜禽养殖重新布局，在耕地面积大、水体较少的北方地区养殖生猪，粪污资源化比例从2007年的不足50%增长到2017年的70%以上。但2017年总氮回收比例仅为40%，远低于预计的60%，主要是NH 3 排放和淋溶到地下水中造成的氮损失导致的。
图2 2007-2017年中国畜牧业系统氮素平衡变化
a、b：由于数据限制，家畜品种仅包括牛、绵羊/山羊、猪和鸡，它们约占生产的家畜蛋白质总量的90%。“其他”是指未知的氮损失，如通过反硝化作用排放的N2。所有数字的单位都为Tg（百万吨）。*指未包括在内的绵羊/山羊数据。
图3 2007-2017年畜牧系统变化情况
“production”指肉、奶等畜产品；“large-scale share”是指在大规模农场饲养的动物的比例；“livestock units”是指以猪当量计算的动物总数。
图4 农田对粪肥的回收利用
a：2017年粪肥还田的比例；b：2017年还田粪肥中总氮的比例；c：2007年和2017年粪肥还田比例对比。d：2007年和2017年向空气和水中流失的氮素对比。误差条表示估计值的标准误差。
3.量化畜牧业生产对环境污染的贡献并确定缓解潜力。
为评估中国畜牧业生产对环境和气候的影响，纳入除普查的6个主要动物类别外的县级尺度其他动物类别数据，对2017年中国畜牧业生产的氮素损失和温室气体排放的危害进行了统计分析。总损失估计为600亿美元，其中四分之三归因于NH 3 的排放，22%是通过径流或淋溶进入水体的氮损失，其余来自温室气体排放。
为减少畜禽污染的成本和效益，设置了五个不同情景，包括一切照旧、调整饮食结构减排、提高氮利用效率减排、回收利用减排及综合减排。在综合减排情景下，到2030年每年可实现300亿美元的收益，到2050年将翻一倍，且方案中的间接成本仅为产生收益的五分之一，表明畜牧业氮污染的控制将产生巨大的经济效益。然而，承担执行成本的农民并不是这些效益的受益者，对农民的激励和补贴政策是实现综合减排的关键。
图5 中国2017年畜牧业污染的健康、生态系统和气候效应
通过蒙特卡罗模拟（1000次运行）估算的误差条表示不同污染类型下健康和环境影响评价的不确定性水平。气候损失成本的负值代表NH3排放的影响。
图6 中国畜牧业污染的未来情景预测
a：NH3排放；b：温室气体排放量；c：N向水体的流失量；d：减少畜牧业污染的成本和效益。共有B（一切照旧）、D（调整饮食结构）、N（NUE，氮利用效率）、R（回收利用）、C（组合D+N+R）五种情景。a-c中的阴影区域和d中的误差条表示成本和收益的不确定性水平（95%置信区间），根据第二次全国农业污染源普查（涉及2981个区县和37.88万个畜禽养殖场）的数据进行了蒙特卡罗模拟(n=1000)。
借鉴意义
1.源图层处理上，通过叠加两次污染普查中的大规模养殖场数据和县级小规模养殖数据，绘制了更精准的畜牧业污染源分布地图，为后续以地定养、种养结合的实施打下基础。
2.在评估畜牧业生产效率及其对环境的影响时，可考虑包括改进饲料和畜牧管理、养殖场粪污处理、储存、运输措施、运输成本、将作物生产与畜牧生产结合起来的全链粪便管理、生产结构向更集约化转变、生产结构向更多单胃动物转变在内的众多因素。
3.在情景设置上，不仅关注生产层面，还提出将消费端和生产端相结合，从减少食物浪费、优化饮食结构的角度增设情景，对管理层综合措施的制定有积极意义。
4.畜牧业生产和作物生产不仅影响中国境内的粮食安全和环境污染，而且通过国际贸易和全球大气环流对境外出口产生影响，后续可进一步探讨。
文章信息
Zhu Z, Zhang X, Dong H, et al. Integrated livestock sector nitrogen pollution abatement measures could generate net benefits for human and ecosystem health in China[J]. Nature Food, 2022, 3(2): 161-168.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43016-022-00462-6
分享人介绍
张宇涵，2022级硕士生
研究方向：流域非点源污染与水环境修复
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张宇涵 | 供稿
张宇涵 | 编辑
陈磊 | 审核
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流域面源污染控制与水环境修复
陈磊
团队负责人
本公众号由北京师范大学面源污染团队运营，重点分享水利工程、环境科学与工程、生态工程、环境系统工程等领域的学术前沿、科普知识，特别是创建了科学家分享系列《失败集》和文献俱乐部；荣获2020年全国百强学术公众号。
团队负责人陈磊，教授，博士生导师，第五批中组部“万人计划”青年拔尖人才获得者，流域非点源污染过程学科团队负责人（2017-2020）。中国水利学会、中国环境科学学会水环境分会、国际水学会（IWA）、中国地理学会理事。主要从事流域非点源污染模拟与控制、水环境模拟与修复、海绵城市机理及设计、流域综合管理等领域研究，在非点源污染过程机理、核算模型和防控模式等方面取得多项关键突破。发表学术论文130余篇，其中在Water Research、Water Resources Research、Journal of Hydrology等权威期刊发表第一/通讯作者SCI检索论文64篇，出版学术专著3部，授权软著/专利10项，获省部级奖励3项。担任Journal of Hydrology等多个国际期刊副主编/客座主编，组织首届大江大河生态保护与修复研讨会、SWAT2016等重要会议，为30余个本领域顶级刊物提供审稿服务，取得了一定的国际影响力。
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