文章题目：Nutrient recycling potential of excreta for global crop and grassland production
发表期刊：Nature sustainability
影响因子：25.7
第一单位：康奈尔大学
在线日期：2024-11-26
全球农业面临不平衡的养分供需挑战。一方面，发达地区如中国、西欧和美国，由于氮（N）和磷（P）过量施用导致了一系列环境问题，包括温室气体排放、地下水污染以及内陆和沿海水域的富营养化。另一方面，发展中国家尤其是撒哈拉以南非洲和东欧部分地区，由于氮、磷和钾（K）供应不足，土壤退化和作物产量差距问题日益严重，进一步加剧了粮食安全和营养不良问题。
传统化肥生产中，氮肥依赖能耗极高的Haber–Bosch工艺从大气中固定氮，而磷肥和钾肥则通过矿石开采获得。由于制造和运输成本高昂，全球农业生态系统中的养分分布呈现空间分配不平衡，影响了作物生产效率。同时，随着城市化和工业化的推进，人类和牲畜排泄物中大量的养分未被有效回收，成为潜在的污染源。例如，城市污水处理设施虽在许多国家普及，但真正能够回收利用养分的设施比例依旧很低，导致大部分养分通过水体排放，污染环境。
尽管回收排泄物中的养分是一种具有潜力的解决方案，但目前因运输成本高、技术不完善以及公众接受度低等问题，养分回收在全球范围内尚未被有效实施。因此，亟需通过定量研究揭示人类和牲畜排泄物中养分的全球分布及潜在回收价值，为实现农业和粮食系统的循环经济提供科学依据。
本研究旨在量化全球范围内人类和牲畜排泄物中未充分利用的氮、磷和钾养分，并评估其在作物和草地生产中的潜在应用价值，探讨养分循环的可能性，进而推动食品消费与农业之间的循环经济发展。
使用全球数据库，包括人类和牲畜排泄物养分含量、作物和草地养分需求、化肥使用量等。结合地理信息系统（GIS）技术，分析了各区域养分排泄和需求的不匹配情况。评估不同参数变化对结果的不确定性影响。比较排泄物中的养分含量与矿物肥料供给量及农作物需求的差距。
全球范围内，人类和牲畜排泄物中氮、磷和钾的总量分别是全球矿物肥料供给量的44%、13%和506%。这些养分中，牲畜排泄物占据了绝大部分：氮的86%、磷的87%和钾的96%来源于牲畜，而人类排泄物分别仅占14%、13%和4%。
将未充分利用的排泄物回收，可减少矿物肥料净进口量：氮减少41%，磷减少3%，钾减少36%。在一些化肥施用不足的国家，回收排泄物中的养分可减少作物和草地养分缺口的20%（氮）、11%（磷）和13%（钾）。
全球131个国家中，有39个国家排泄物中的氮含量超过化肥施用量；42个国家磷含量超过施用量；77个国家钾含量超过施用量。然而，养分的空间分布与作物和草地需求存在显著错配，尤其是在城市化地区和工业化养殖中心，养分过剩，而在贫困地区养分严重不足。
发达国家（如荷兰、日本和比利时）：过量排泄物的管理问题严重，仅约52%的氮被有效回收。发展中国家（如撒哈拉以南非洲和东亚）：人类排泄物的养分含量占矿物肥料施用量的比例较高，但因基础设施落后，未被有效利用。尽管中国是矿物肥料的最大使用国，仍有大量养分未被充分利用（氮的34%、磷的24%、钾的22%）。
长距离运输排泄物养分成本高昂，目前大部分排泄物仅在生产地10公里范围内使用。技术改进，如排泄物的脱水处理、厌氧消化和热解，可以显著提高养分的利用效率。排泄物中未利用的养分相当于全球矿物肥料总施用量的49%，如果实现全面回收，可能减少养分污染，促进循环经济。尤其在人口快速增长和粮食需求增加的背景下，优化排泄物养分回收是实现全球农业可持续发展的重要路径。
本研究通过细致的地理分析和模型估算，揭示了全球排泄物养分回收的巨大潜力，同时也指出了实际应用中面临的障碍，为政策制定者和农业技术开发者提供了科学依据。需要在全球范围内协调行动，优化养分管理策略，推动实现农业生态系统的可持续性。
图1.全球作为矿物肥料施用的营养物质以及农作物和草地对营养物质的需求与全球人类和牲畜排泄物中营养物质的积累量相比。a、全球范围内，排泄的 N、P 和 K 比作为矿物肥料供应的多（n = 131 个国家）。虚线表示全球作为矿物肥料的营养物质使用量。b、维持 123 种农作物和非天然草地生产所需的 N、P 和 K 的绝对量；在牲畜排泄物中发现的，用作矿物肥料；以及在利用不当的排泄物中发现的（与 10×10 平方公里内的农作物和草地需求相比，牲畜排泄物中过量，或人类排泄物中过量）（n = 131 个国家）。 c、全球范围内，123 种农作物和非天然草地（n = 146 个国家）排泄的 N、P 和 K 少于所需。虚线表示全球农作物和草地生产的营养需求。仅牲畜排泄物总量就含有比施用的矿物肥料更多的 N、P 和 K，但低于农作物和草地种植的技术建议。
图2.受调查的国家，包括那些平均施肥率低于全球平均水平的国家，牲畜排泄物中的 N、P 和 K 利用率较低。 a–c，牲畜排泄物（123 种作物和草地所需的养分与六种牲畜排泄的总养分之差）中的 N (a)、P (b) 和 K (c)。白色区域被认为不适合种植和/或畜牧生产，或与国际自然保护联盟 (IUCN) 保护区相结合。
图3.与农作物和草地养分需求相比，牲畜和人类排泄物中所含养分的空间位置不平衡。a–c，研究中调查的所有 146 个国家都显示，在 10 × 10 km2 的分辨率下，牲畜和人类排泄物提供的 N (a)、P (b) 和 K (c) 相对于农作物和草地生产的需求存在一定程度的次国家过剩或缺口。灰色国家显示缺失数据。 白色区域被认为不适合种植和/或畜牧生产，或整合了 IUCN 保护区。
图4.全国氮肥使用量与利用率低的氮比例之间的关系。利用率低的排泄物占总排泄氮的比例在各国之间存在很大差异，但与每公顷农作物和草地的国内化肥使用量 (n = 130) 呈显著正相关 (双侧 Pearson 相关性检验，y = 14 + 0.19x，R2 = 0.37，P = 1.63 × 10-14)。这凸显了利用率低的排泄物在现实情况截然不同的国家成为 N 矿物肥料替代品的潜力。灰色阴影带描绘了平均值周围的 95% 置信区间。 标记点代表利用率低的排泄物占总排泄氮的比例≥50% 的国家。
图5.矿物肥料施用量与人畜排泄物中营养物质平衡比较。a–c，左图，根据排泄物类型，5 个国家（共 131 个国家）排泄的 N (a)、P (b) 和 K (c) 与其作为矿物肥料的施用量之间存在最正或最负的平衡。 在所有情况下，牲畜排泄物对抵消矿物肥料使用的贡献都大于人畜排泄物。右图，在利用率低的排泄物（来自牲畜和人类）中发现的 N、（a）P (b) 和 K (c) 的全球比较，以及目前 10 公里范围内的牲畜排泄物（n = 146）无法满足的农作物和草地种植技术建议。灰色国家显示缺失数据。在许多该预算为正的国家，以转化的、更具成本效益的形式运输这些利用率低的营养物质可以提供目前农作物和草地施肥无法获得的营养物质。
