Nature Sustainability｜排泄物对全球作物和草地生产的养分循环潜力

摘要

从废弃物到农业的养分循环利用可缩小产量差距，从而促进粮食生产，但在国家以下范围内，全球排泄物中未得到充分利用的氮（N）、磷（P）和钾（K）的数量尚未得到充分探究。在人类排泄物和未充分利用的牲畜排泄物中发现的全球数量分别占作物和草地氮、磷和钾需求量的 16% (±7%)、8% (±9%) 和 14% (±6%)。在一些国家，当地牲畜排泄物和矿物肥料所提供的养分不能满足作物和草地对养分的需求，而对利用率低的排泄物进行回收利用，可将这一差距平均缩小 20%（氮）、11%（磷）和 13%（钾），从而有助于在食品消费和农业之间实现循环经济。

研究概述

除其他因素外，各国的化肥施用量因经济能力、可用性、法规、人口压力、土壤特性和普遍的土地利用类型而异。与能源密集型的哈伯-博施工艺相比，哈伯-博施工艺通过固定大气中的 N2 来为作物提供 N，从而养活越来越多的人，而提供 P 和 K 的肥料的合成则分别依赖于磷灰石和蒸发岩衍生矿物的开采。制造和提供这些产品所需的成本和原材料导致全球农作物养分供应不平衡，以及这些养分在农业生态系统中的空间分配不理想。例如，在中国、西欧和美国，过量的氮和磷供应造成了对流层污染、平流层臭氧消耗、地下水污染以及内陆和沿海水域的富营养化。另一方面，其他地区氮、磷和钾的供应不足加剧了土壤退化、作物产量差距和营养不良，撒哈拉以南非洲和东欧部分地区的情况就是如此。了解作为合成肥料的这三种元素的全球生产、使用和贸易之间的关系对于优化其管理至关重要。

要解决耕作系统中氮、磷、钾进出不均的不利影响及其地方和区域性短缺问题，一个未得到充分利用但却大有可为的途径是循环利用。新鲜粪便仍然是将畜牧业养分再循环到农作物的一种普遍手段。然而，随着全球工业化畜牧业生产的加剧以及与农作物生产在空间上的日益分离，大量的动物排泄物作为一种废物处理方式，而不是作为一种有效利用其养分含量的方式，被散布在面积减少的土地上。这些动态变化会造成大规模的非点源污染，因此需要采用优化方法来处理这些资源。同样，人口稠密的城市中心在整个食物链中将大量未回收的养分集中到人类排泄物和食物垃圾中。因此，设计既能维持作物生产又能减少人为污染的战略，关键在于估算全球排泄物和肥料中氮、磷和钾的数量和流向。因此，我们可以制定替代方案，解决目前粮食生产的瓶颈问题，并迈向亟需的循环经济。在这项研究中，我们分析了全球数据库（列于数据可用性部分），以确定人类和牲畜排泄物中低效排放的数量与作物和草地生产系统中需要、供应或未满足的数量之间的地理错配。

人类和农业牲畜（牛、鸡、鸭、山羊、猪和绵羊）排泄的主要农学上重要的营养素的量，不考虑农业上目前的使用量，超过了重要的一年生和多年生作物和草的矿质施肥中使用的营养素。全球K的过剩量最大，为123.0 Tg/yr，其次是N的44.0 Tg/yr和P的2.4 Tg/yr。与矿物肥料的供应量相比，K的过剩量为506%，N的过剩量为44%，P的过剩量为13%。另一方面，全球人类和牲畜排泄物中的N、P和K含量分别占作物和草地生产一般建议的66%、40%和69%。全球排泄物中高达86%、87%和96%的N、P和K存在于牲畜排泄物中，其余的存在于人类排泄物中。

人类排泄物的全部，无论其地理位置如何，在这里都被认为利用不足。事实上，虽然城市化进程已导致全世界非农村地区采用供水网络、抽水马桶和污水系统，但有设备回收养分供进一步用于农业的废水处理厂数量仍然很少，导致养分大量排入地表水。更为严重的是，农村人口依赖露天排便和露天排水系统，这导致人畜排泄物不能充分排入地表水。在发展中国家，未经处理的污水的不当排放可高达80%，如果不改善基础设施，将养分回收到农业中几乎是不可能的。

在六种牲畜中，养牛是动物总排泄物中营养物质的最大贡献者，其贡献了80%的N、73%的P和89%的K。对于氮，猪排泄物占7%，而鸡排泄物对P和K的积累贡献第二大，分别为15%和4%。利用率低的排泄物中N和K的估计值对它们在牲畜排泄物中的浓度以及牲畜数量高度敏感。增加高达47%和85%的利用率不高的N和K，分别预计，如果它们在牲畜排泄物中的含量是一样高，在我们的计算中使用的经验研究报告的最高值。相反，31%的氮和61%的钾将利用不足，如果他们在排泄物中的浓度是最低的。至于P，最高的敏感性与其在人类排泄物中的含量有关。比例减少39%和45%，将观察到，如果人类排泄物是最穷的P，如果牲畜排泄物P浓度是在最低的报告。这突出了人类和牲畜饮食的重要性，以及牲畜的空间分布是造成作物和草地施肥前国家以下各级营养物质可能过剩的主要因素。

在131个调查肥料使用情况的国家中，分别有39个、42个和77个国家在人类和牲畜的排泄物中发现的氮、磷和钾的含量超过了作为肥料使用的量。与此同时，146个国家中有44个、30个和47个国家在利用不足的排泄物中分别显示出比当地可用牲畜排泄物无法满足的作物和草地需求量更高的N、P和K含量。在国家以下一级，在许多地区，排泄物中的营养物质与作物和草地的需求并置是不够的，突出了排泄物营养物质置换的必要性，以改善作物和草地施肥，以及减轻环境危害。

作为这些元素作为矿物肥料的最大使用者，中国在未充分利用的排泄物中积累了大量营养物质）。我国人畜粪便中氮、磷、钾的利用率分别为34%、24%和22%。对于N，这一比例在荷兰、韩国、比利时、日本和塞浦路斯超过50%。这一比例与以前的研究结果一致，表明欧洲牲畜饲养系统中排泄的氮只有约52%有效地再循环到农田，荷兰和比利时的单位农业用地损失最高。在146个国家中，沉积在草原上的牲畜排泄物中所含的45%的氮目前通过挥发和沥滤流失到环境中，37%在非放牧管理系统中。这些损失是巨大的，如果不减少实施规模的改进技术，他们可以大大减少利用率低的牲畜排泄物，以满足作物和草原N的需求，是不能满足当地可用的排泄物的潜力。在全球范围内，观察到氮施肥率与排泄物中未充分利用的氮占总氮的比例之间存在显著的正相关关系。如果管理得更好，这些当地过剩的养分可以供应给每个国家牲畜排泄物不足以满足作物和草地需求的地区。

此外，有趣的是，当只考虑利用率低的排泄物时，我们在不同农业系统的国家中发现了类似的模式。例如，荷兰、日本和比利时等集约化农业普遍存在的国家，以及马里、布基纳法索和贝宁等小农农业占主导地位的国家，利用率低的牲畜和人类排泄物中的氮、磷和钾含量超过了满足作物和草地需求所需的量，而当地牲畜排泄物无法满足这些需求。在矿物肥料的前三大用户中，在未充分利用的排泄物中发现的营养素相对于作为无机肥料提供的量的比例为：N在中国为27%，印度为47%，美国为26%，P分别为14%，20%和25%。对于K，这些比例在中国为67%，在美国为62%，在巴西为45%。

21个国家在人类排泄物中产生的氮、磷和钾比用作矿物肥料的还要多。其中，矿物施肥率极低，平均施肥率为3.5 kgN/ha/yr、0.5 kgP /ha/yr和0.8 kgK/ha/yr。纳米比亚、阿富汗、中非共和国、刚果、刚果民主共和国、加蓬、马达加斯加和缅甸的N、P和K施肥率较低（均低于该组的平均值），人类排泄物中的营养物质至少是用作肥料的营养物质的两倍。在这21个国家中，仅回收人类排泄物就有可能将其目前的平均养分投入率提高到10.9 kgN/ha/yr、1.5 kgP/ha/yr和3.1 kgK/ha/yr。

相比之下，人类排泄物中积累的氮、磷和钾比矿物肥料使用量少的78个国家的平均施用量为62.0 kgN/ha/yr、9.0 kgP/ha/yr和18.8 kgK /ha/yr。单位面积农田的高肥料使用量降低了人类排泄物补偿无机肥料的潜力。这表明，在目前营养素投入较低的情况下，从人类排泄物中回收营养素特别有价值，因为这将是补充矿物肥料供应的关键。

分别有100个、95个和84个国家的矿物氮、磷或钾肥生产数据。其中，70、53和16个国家生产了一些N、P或K矿物肥料，而只有33、24和11个国家通过本国生产的肥料得到充分施用。在69个、72个和77个国家，总排泄物中的氮、磷和钾含量分别超过了当地无机肥料生产的含量。在这些国家中，就每种养分而言，分别有64、62和72个国家是矿物肥料的净进口国。未充分利用的家庭排泄物中的总量为23.4 TgN /yr、2.18 TgP/yr和24.9 TgK/yr，分别占其矿物肥料净进口量的113%、53.1%和136%。

总结展望

     这项研究表明，北方和撒哈拉以南非洲、西亚、中亚、南亚和东亚、南美洲和南欧的一些国家在人类排泄物中积累的养分比通过矿物肥料施用到作物上的养分还要多。由于人类排泄物目前没有在任何可观的程度上被用作作物肥料的来源，从人类排泄物中回收营养物质将直接补充矿物肥料。在其中许多国家，露天排便和卫生系统未得到改善是常见的做法。例如，在贝宁、柬埔寨和玻利维亚，2015年分别约有55%、41%和14%的全国（即城市和农村）人口仍将其排泄物丢弃在开阔地或水体中。同样，在格鲁吉亚、阿富汗和中非共和国，41%、30%和25%的人口使用坑式厕所排便。到2030年结束露天排便和促进获得适当的卫生设施是联合国制定的可持续发展目标的一个具体目标。公共资金不足可能是实现这一目标的一个障碍;混合融资被认为是筹集更多私人资金以改善全球卫生设施的一个适当机制。这种多利益攸关方办法可以简化创新解决方案的制定，因为它们分散了公共机构的决策权和风险。对改善卫生设施的多用途投资已被证明可以成功地将人类排泄物中的营养物质回收并转化为肥料。然而，在从废水处理厂中预处理的污水污泥中回收营养物的背景下，诸如有机和无机污染物的存在以及工业残留物和灰水与尿液和粪便的适当分离的障碍代表了更广泛的再循环实施的主要挑战。一般来说，公众接受部分由难闻气味和食品安全相关风险的感知驱动，这也是采用排泄物肥料的一个重要方面。

文献参考