吳銀寶,吳根義,廖新俤
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,廣州 510642;2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室,廣州 510642;3.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣州 510530;4.溫氏食品集團股份有限公司,廣東云浮 527400)
規(guī)模化畜牧業(yè)的發(fā)展對保障“菜籃子”供給具有重要意義,與此同時造成畜禽養(yǎng)殖污染物排放呈現(xiàn)總量增加、范圍擴大和問題加劇的趨勢,直接阻礙畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。依據(jù)我國第二次全國污染源普查公報,畜禽養(yǎng)殖業(yè)中水污染物COD排放量為1 000.53 萬t,分別占全國排放量和農(nóng)業(yè)源排放量的46.67%和93.76%;氨氮排放量11.09萬t,分別占11.51%和51.30%;總氮排放量59.63萬t,分別占19.61% 和42.14%;總磷排放量11.97 萬t,分別占31.95%和56.46%[1]。如此高的畜禽廢棄物和污染物排放量給我國環(huán)境造成極大的污染風(fēng)險。據(jù)分析,2018 年我國土地環(huán)境承載容量為146 985.99 萬頭豬當(dāng)量,處于超載的省區(qū)占全國(不含港澳臺)全部省區(qū)的41.9%,且主要集中在南方,尤其是東南沿海地區(qū)超載狀況更為嚴(yán)重[2]。此外,畜禽糞污中還存在很難完全消除的污染物,如重金屬、獸用抗生素、抗生素抗性基因、抗生素抗性菌、微塑料等,一旦進入環(huán)境就可能通過食物鏈影響居民健康[3]。
20 世紀(jì)70 年代末期,清潔生產(chǎn)作為經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一項戰(zhàn)略措施被提出并在全世界逐步推廣應(yīng)用。我國在1994年提出的“中國21世紀(jì)議程”中將清潔生產(chǎn)列為重點項目之一。2005 年頒布的《中華人民共和國畜牧法》也明確了畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)的規(guī)定,使畜禽清潔養(yǎng)殖納入了法制化管理軌道。畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)的重要一環(huán),它是按照可持續(xù)發(fā)展的觀點把清潔生產(chǎn)引入畜禽養(yǎng)殖中,在為人類提供綠色安全、健康無污染畜產(chǎn)品的同時,減少養(yǎng)殖廢棄物和污染物的產(chǎn)生和排放,降低畜牧業(yè)生產(chǎn)過程對人類和環(huán)境的污染風(fēng)險。由此可見,畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)核心內(nèi)容與畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合治理中源頭減量一致,以預(yù)防為主,盡可能將污染物消除在它產(chǎn)生之前[4]。畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)通過采取各種有效措施,從源頭上控制畜禽廢棄物產(chǎn)生量及污染物的排放量,對畜禽養(yǎng)殖主要污染物減排具有重要意義。本文從飼料調(diào)配和飼養(yǎng)管理等方面綜述與畜禽養(yǎng)殖污染物減排相關(guān)的清潔生產(chǎn)技術(shù)及其效果,為畜禽養(yǎng)殖污染防控提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
畜禽排泄物是畜禽養(yǎng)殖過程排放的主要污染物,其主要來源于消化道內(nèi)未完全消化吸收的飼料。根據(jù)清潔生產(chǎn)的要求,通過科學(xué)合理配制飼料,不僅可以提高動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收效率,還可以減少畜禽排泄物量及其污染物含量,從而實現(xiàn)源頭減排。
氮是畜禽排泄物的主要營養(yǎng)成分。理想蛋白質(zhì)指的是氨基酸組成比例與動物所需蛋白質(zhì)的氨基酸組成比例完全一致的蛋白質(zhì),動物對其消化吸收效果最好。低蛋白質(zhì)氨基酸平衡日糧基于理想蛋白質(zhì)概念,采用的蛋白質(zhì)含量低于NRC 等營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),通過添加必需氨基酸使日糧氨基酸組成相對平衡,以提高畜禽對蛋白質(zhì)的利用率,促進畜禽的生產(chǎn)性能,同時減少糞尿中氮的含量。我國配制豬日糧時粗蛋白含量大都參考美國NRC 標(biāo)準(zhǔn),如保育豬、保育豬后期、生長豬和育肥豬的日糧粗蛋白標(biāo)準(zhǔn)分別為20.9%、18.0%、15.5%和13.2%。表1 總結(jié)了低蛋白飼糧對不同畜禽污染物的氮減排效果。然而,單方面過度降低粗蛋白水平,會影響氨基酸的供給平衡,導(dǎo)致小腸絨毛變短并降低生產(chǎn)性能[5]。因此,參照畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)的要求,在保證畜禽生產(chǎn)性能的前提下,通過平衡飼料氨基酸水平,最大限度地降低蛋白質(zhì)的水平,從而達(dá)到畜禽養(yǎng)殖氮減排的目的。
表1 低蛋白飼糧的氮減排效果Table 1 Effects of low protein diet on nitrogen emission reduction
量化飼料成分中生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)含量,準(zhǔn)確滿足畜禽氮、磷和微量礦物質(zhì)的需求,采用階段或集體飼喂模式[11],也是源頭減排畜禽污染物的重要措施,不同畜禽種類糞便中養(yǎng)分含量如表2 所示。不同品種、生長階段的畜禽有不同的營養(yǎng)需要,飼料配方應(yīng)根據(jù)不同生長階段的特點不斷優(yōu)化。因此,根據(jù)動物不同生長階段、生理生化特點、環(huán)境條件,采用精細(xì)化的營養(yǎng)調(diào)控,提高消化率的同時,達(dá)到養(yǎng)分減排的目的。
表2 不同畜禽種類糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量Table 2 Nutrient contents in feces of different livestocks and poultries
飼料中添加鐵、銅、鋅、錳、鉻等礦物質(zhì),可以促進畜禽生長,維持機體健康,改善畜產(chǎn)品品質(zhì)[12]。但微量元素的過量添加、微量元素間的拮抗作用以及飼料保存不當(dāng)均會降低畜禽對微量元素的吸收利用率,導(dǎo)致未被吸收利用的微量元素隨糞尿排入環(huán)境中,造成污染[13]。不同畜禽種類糞便中重金屬含量如表3 所示。精準(zhǔn)控制微量元素的添加量或使用有機微量元素、納米微量元素,可以減少畜禽糞源污染物的排放[14]。
表3 不同畜禽種類糞便中重金屬含量(mg·kg-1)[15]Table 3 Heavy metal contents in feces of different livestocks and poultries(mg·kg-1)[15]
銅和鋅是豬糞中超標(biāo)最為嚴(yán)重的兩類重金屬,其污染主要來源于飼料中無機銅和鋅的添加。研究證明,在一定范圍內(nèi)降低飼料中銅和鋅的添加量不僅不會影響豬的生產(chǎn)性能,還能起到很好的減排作用。荷蘭學(xué)者對2011 年公開發(fā)表的65 篇文章中的214 個數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)在生豬5~25 kg階段,飼料中含有152 mg·kg-1的銅可以達(dá)到最佳生長效果;飼料中含有134 mg·kg-1的銅完全可以滿足5~45 kg 階段豬的生長需求;而且在生長和育肥階段,較高濃度的銅對豬的生長沒有積極作用,反而會降低豬的生長性能[16]。豬在不同生長階段對鋅的需求不一樣,其中仔豬需求量最大[17]。有研究表明,在仔豬斷奶后的前6周添加鋅的含量為46~48 mg·kg-1,能達(dá)到最佳的生長性能和健康狀況[18],這一結(jié)論顯著低于我國飼料添加劑安全使用規(guī)范的最高允許水平150 mg·kg-1,對豬飼料中鋅的添加及污染物減排有很好的指導(dǎo)作用。因此,按照清潔生產(chǎn)原則,精準(zhǔn)化配制飼料成分,特別是控制飼料中微量元素的添加量,對于動物的健康生長和生態(tài)環(huán)境安全均具有非常重要的意義。
畜禽對所有飼料的消化率都有一定的限度,沒被消化利用的營養(yǎng)物質(zhì)被排出體外,會對環(huán)境造成污染。在較常用的玉米-豆粕型豬飼料中,作為主要氮源的豆粕,豬對其消化率大約只有76.7%;磷主要以植酸磷的形式存在,而豬缺少相關(guān)消化酶,對其難以消化利用,造成60%~75%的磷被直接排到環(huán)境中;補充銅、鋅的礦物質(zhì)添加劑主要是硫酸銅和氧化鋅,這些物質(zhì)具有使用方便、價格便宜等特點,但生物可利用性低,排放到體外的量多。因此選擇合理、易于消化的飼料原料,不僅可以提高豬對飼料的消化率,還可以減少污染物排放。目前比較熱點的新替代原料有膨化玉米、發(fā)酵豆粕、有機礦物質(zhì)和轉(zhuǎn)基因植物原料等(表4)。
表4 易消化的飼料原料特征及其減排效果Table 4 Digestible feed material characteristics and their emission reduction effect
畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)要求飼料添加劑的選擇應(yīng)達(dá)到促進營養(yǎng)物質(zhì)吸收、減排畜禽養(yǎng)殖污染物的目的,同時還要明確飼料添加劑的添加方式和添加量,防止畜禽糞污中的養(yǎng)分、重金屬、抗生素、抗性基因等污染物質(zhì)的超標(biāo),對環(huán)境造成污染。常用的添加劑有益生菌、酸化劑、酶制劑、凹凸棒石和中草藥等(表5)。
表5 常用的飼料添加劑優(yōu)點及其減排效果Table 5 Advantages of commonly used feed additives and their emission reduction effect
畜禽養(yǎng)殖清潔生產(chǎn)是一個全過程控制的生產(chǎn)模式[50],其中畜禽飼養(yǎng)管理是貫穿于整個養(yǎng)殖過程的重要組成部分。這需要從加強環(huán)境調(diào)控、強化糞污產(chǎn)生管理、優(yōu)化糞污資源化利用這3 個方面入手,落實清潔生產(chǎn)。
飼養(yǎng)環(huán)境的好壞直接影響到畜禽健康、生長性能和養(yǎng)分利用率。在精細(xì)化飼養(yǎng)管理過程中,舍內(nèi)環(huán)境條件的精準(zhǔn)控制(如溫度、濕度、光照等)對畜禽良種性能、飼料營養(yǎng)作用的發(fā)揮極為重要,這樣才能最大限度發(fā)揮生產(chǎn)性能和提高資源利用,減少生豬養(yǎng)殖過程中疫病的發(fā)生[51],減少污染物的產(chǎn)生與排放。
溫度在環(huán)境的諸因素中起主導(dǎo)作用。溫度對生豬的影響,主要體現(xiàn)在生長速度與飼料利用率上。溫度過高或過低都會使豬生長速度減慢,飼料利用率降低[52-54]。表6、表7 為不同溫度對豬生產(chǎn)性能的影響。通過調(diào)控溫度,使豬的生長速度和飼料利用率維持在較好的水平,能達(dá)到減少污染物的產(chǎn)生與排放的目的。
表6 溫度對70~100 kg豬采食量、增重、能量效益的影響Table 6 Effects of temperature on feed intake,weight gain and energy efficiency for 70~100 kg pigs
表7 各類型豬的適宜溫度(℃)Table 7 Suitable temperature for pigs at different growth stages(℃)
豬舍內(nèi)的空氣濕度也會影響豬的新陳代謝[55]。在氣溫14~23 ℃、相對濕度50%~80%的環(huán)境下最適合豬生存(表8)。合適的濕度范圍有利于畜禽高效利用營養(yǎng)物質(zhì),從而實現(xiàn)源頭減排污染物的目的。為了防止?jié)穸冗^高,首先要減少豬舍內(nèi)水汽的來源,少用或不用大量水沖刷豬圈,保持地面平整,避免積水;同時要設(shè)置通風(fēng)設(shè)備,經(jīng)常開啟門窗。
表8 不同生長階段豬舍的適宜相對濕度(%)Table 8 Suitable relative humidity for pigs at different growth stages(%)
豬舍通風(fēng)較差會在舍內(nèi)蓄積大量二氧化碳、氨、硫化氫和塵埃。豬舍空氣中有害氣體的允許濃度見表9,最大允許值,二氧化碳為3 000 mg·L-1,氨為30 mg·L-1,硫化氫為20 mg·L-1。豬若長時間生活在有害環(huán)境中,除引起各種疾病外,還會導(dǎo)致豬的應(yīng)激綜合征,從而導(dǎo)致畜禽生產(chǎn)力下降10%~20%[56]。通過自然通風(fēng)和機械通風(fēng)(表10),可以將有害氣體等排出至舍外,使舍內(nèi)空氣環(huán)境得到保障,有利于提高畜禽營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收和利用率。
表9 豬舍內(nèi)有害氣體允許濃度(mg·m-3)Table 9 Permissible concentration of harmful gases in piggery(mg·m-3)
表10 豬舍內(nèi)適宜的氣流(m·s-1)Table 10 Suitable air flow in piggery(m·s-1)
光照是影響家畜生長、繁殖的主要環(huán)境因素之一。合理的光照環(huán)境對豬有促進新陳代謝、加速骨骼生長以及活化和增強免疫機能的作用,能夠顯著提高豬的繁殖力和生產(chǎn)力。母豬、仔豬和后備種豬每日保持14~18 h 的50~100 lx 的光照時間,有利于提高畜禽的飼料利用率,減少污染物的排放[57-58]。
豬場雨污分流、清污分流系統(tǒng)的設(shè)置能使豬場廢水總量降低[59]。雨水和一些豬場人員生活用水這類污染物含量低或不含污染物的水,若直接并入豬場廢水中,會導(dǎo)致廢水總量加大,處理難度增大。建立雨污分流和清污分流系統(tǒng),可將這部分水的流向與高濃度的豬場廢水分隔,提高廢水的處理效率。此外,不同的飲水器類型或飲水方式,動物在飲水時灑漏的情況不一樣。以豬為例,現(xiàn)在常見的飲水器有鴨嘴式、乳頭式、吸吮式(仔豬)及杯式或碗式等[60];王美芝等[55]對保育豬階段不同飲水器造成的浪費水量進行對比,發(fā)現(xiàn)每頭保育豬使用鴨嘴式、Swing 式和杯式飲水器造成的浪費水量分別為1.93、1.42、1.13 L·d-1。選擇適宜的飲水器也是減少糞污產(chǎn)生量的重要措施。
清糞工藝對豬場糞污和廢水的產(chǎn)生量以及廢水中各種物質(zhì)的含量有著重要的影響(圖1~圖3)。水沖清糞、水泡清糞和干清糞工藝平均每頭豬用水量分別為35~40、20~25 L·d-1和10~15 L·d-1[61]。采用干清糞(機械或人工)有助于清潔生產(chǎn)。
畜禽飼養(yǎng)規(guī)模要考慮周邊環(huán)境的承載能力。養(yǎng)殖規(guī)模將決定糞污的產(chǎn)生量,若糞污產(chǎn)生量與有效范圍內(nèi)農(nóng)田、果園負(fù)荷量保持相對均等,可以減少養(yǎng)殖過程中造成的環(huán)境污染。因此,在進行豬場選址和建造時不僅要配備足夠的糞污處理設(shè)備,并且要考察周圍環(huán)境是否有利于未來的發(fā)展。陳貴等[51]進行了連續(xù)5 a 田間定位試驗,發(fā)現(xiàn)水稻種植過程中單獨施用豬糞30 t·hm-2時,水稻產(chǎn)量、干物質(zhì)累積量、氮磷累積量及生理利用效率與常量化肥處理相比無顯著差異。種植水稻、玉米和大豆,黑龍江農(nóng)墾每公頃農(nóng)田可承載的豬當(dāng)量分別為37、21 頭和21 頭[62]。規(guī)模養(yǎng)殖場配套土地面積等于規(guī)模養(yǎng)殖場糞肥養(yǎng)分供給量(對外銷售部分不計算在內(nèi))除以單位土地糞肥養(yǎng)分需求量。主要作物的需肥量如表11 所示,根據(jù)作物需肥量核算養(yǎng)殖場周邊土地承載力,為養(yǎng)殖場配套足夠利用養(yǎng)分的土地,不僅是畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)的要求,更是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。
表11 不同作物的目標(biāo)產(chǎn)量和需肥量特征Table 11 Target yields and fertilizer requirements for different crops
養(yǎng)殖端采用清潔生產(chǎn)技術(shù)對源頭減排畜禽養(yǎng)殖污染有重要貢獻。清潔生產(chǎn)既能夠?qū)崿F(xiàn)畜牧業(yè)內(nèi)部飼養(yǎng)技術(shù)、管理水平和資源利用效率的提升,又能夠?qū)崿F(xiàn)污染物的減排,從而減輕末端的廢棄物處置壓力;從整個農(nóng)業(yè)來看,養(yǎng)殖糞污是重要的農(nóng)業(yè)有機肥源,在適度規(guī)模下踐行種養(yǎng)結(jié)合、推進糞污資源化利用進程,是發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)所不可或缺的。然而,目前畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)尚處于探索和實踐階段,今后應(yīng)配套清潔生產(chǎn)相關(guān)的組織與管理體系,讓清潔生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)我國畜禽養(yǎng)殖,在提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的同時,減少畜禽養(yǎng)殖污染物排放,助力畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。