四川典型养殖模式下肉牛粪污产排量及氮磷养分特性研究

付 敏，陈天宝*，刘 怡，赖靖雯，欧阳佚亭，陈 敏，曾洪良

(1.四川省畜牧科学研究院,成都 610000；2.动物遗传育种四川省重点实验室,成都 610000)

我国是牛肉生产和消费大国，肉牛产业作为我国畜牧业发展的重要组成部分，在提高农牧民收入、改善居民膳食结构等方面做出了重大贡献，2019年牛肉产量为667.28万t，仅次于美国和巴西，肉牛出栏达4533.87万头。随着养殖数量增加和规模化程度提高，肉牛养殖粪污给环境带来了沉重的压力，养殖量聚集程度越高，排放量越多，对环境的威胁也越大，而且，研究表明反刍动物对环境的影响是其他牲畜的3～10倍。氮和磷是动物生长必需营养元素，受自身消化生理决定，其不可能被动物完全消化利用，未被消化吸收的和机体代谢产生的氮磷将主要通过粪便和尿液排出体外。过多的氮磷排放会给环境带来许多负面影响，如地下水污染、动物栖息地和生物多样性变化、有害藻类、富营养化、缺氧和鱼类死亡等。王梦竹等研究发现,我国猪和肉牛是畜禽养殖氮元素进入水体的主要排放单元。针对畜禽养殖环境污染问题，国家相继开展了畜禽养殖污染综合治理和畜禽养殖粪污资源化利用行动，改善养殖面源污染问题，促进种养循环发展。然而，加强畜禽粪便养分管理最关键的任务是准确掌握粪肥养分特性，科学核算养殖场粪污产排量。

近年来，学者们从全球尺度、区域尺度、流域尺度、地区尺度和农田尺度去衡量畜禽养殖氮磷的平衡和盈亏，由于各研究中所采用的肉牛养殖氮磷排泄参数差异较大，导致核算肉牛养殖产排量时结果误差大，可比性较差。虽然，国内外针对特定试验条件下肉牛养殖氮磷养分消化、排泄等方面有较多的研究，但在实际生产条件下肉牛氮磷排泄的研究报道较少，而且已有各研究氮磷排泄量差异较大，与污染普查中的产污系数也存在一定差异。动物粪尿养分产排量受品种、生长阶段、饲料特性和饲养管理方式等因素的影响很大，而我国肉牛养殖又存在分布广、品种多、饲养管理水平差异大、饲料组成变化大等特点，这导致了难以用少数科学试验条件下的参数来衡量全国各区域生产实际排泄情况。因此，研究实际生产条件中不同养殖模式下氮磷排放是非常必要的。四川省是肉牛养殖大省，总量排在全国前列。因此，本研究旨在对四川典型养殖模式下的养殖场/户开展肉牛粪尿产排量及氮磷养分特性研究，为完善肉牛养殖粪尿养分排泄参数体系和科学评估肉牛养殖氮磷排泄对环境贡献及粪污资源化利用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 典型养殖模式下监测牛场(户)的选择

我国肉牛养殖以中小型养殖户为主，其中出栏1～9头的散养户占95.39%， 10～49头的散养户占3.8%，年出栏50～99头的养殖户占0.6%。养殖模式以人工受精的自繁自养和商品架子牛育肥为主，养殖品种以西门塔尔牛、夏洛莱牛、利木赞牛和安格斯牛等品种的杂交牛为主。我国肉牛养殖清粪方式主要为干清粪，污水处理方式主要是厌氧发酵。

基于四川肉牛养殖现状，选择3种养殖模式开展肉牛粪尿产生量以及氮磷养分特性研究，每种模式选择1个肉牛养殖定点监测点，分别在春、夏、秋、冬四季节开展肉牛养殖粪尿及氮磷产排量监测。其中，模式1为自繁自养肉牛养殖户，常年存栏肉牛25～40头；模式2为自繁自养适度规模养殖场，常年存栏肉牛200～300头；模式3为架子牛育肥场(购进架子牛或犊牛)，常年存栏800～1 200头。三种典型模式下的养殖场/户选址及基本情况见表1。

表1 三种典型养殖模式下监测肉牛场基本情况Table 1 Basic conditions of each monitoring beef cattle farms under three different typical breeding modes

1.2 监测方法及数据采集

1.2.1 肉牛粪尿产生量测定及样品采集

1.2.1.1 试验动物及管理 分别在各养殖场，按照试验要求选择健康、体重、膘情相近的犊牛、育成育肥牛、能繁母牛各5头(模式3只选择犊牛、育成育肥牛)，单栏饲养于试验圈舍限位栏。采用常规饲养管理，每天上午7:00和下午4:00喂料，上午7:30和下午4:30清扫圈舍，粪便用推车运送到堆粪场。预饲7 d后，安装粪尿收集装置，适应1 d，开始连续3 d的全收粪尿代谢试验。试验前后称重，每天记录饮水量、采食量、收集全部粪尿，测定粪便含水率。

1.2.1.2 样品采集与处理 试验期间，每天喂料时采集饲料样品，同一天饲料样品混合均匀后，取样500 g密封于塑封袋，标记后冷藏保存。每天早上8点结算前一天的粪、尿量，并将同一天每头试验牛的粪、尿分别混合均匀。粪样按照四分法取2份样品，各500 g，1份按照100 g新鲜粪便加入5 mL 4.5 mol·LHSO和2滴甲苯，混匀后密封于塑封袋，冷藏保存；另1份不做任何处理用于测定绝干水分含量。尿液混匀后取样2份，各500 mL，按照按每100 mL加入2 mL 4.5 mol·LHSO和4滴甲苯，混匀后装入润洗后的塑料样品瓶，密封，标记后置于-20 ℃冷冻保存，3 d样品采集完后立刻开展样品检测。

1.2.2 排污量测定及样品采集

1.2.2.1 养殖场排污量测定 分别在春、夏、秋、冬四个季节全收粪尿代谢试验的第1～3天，开展养殖场排污监测，记录每天牛粪收集量，原液收集池水位高度变化，计算每日污水产生量和粪便收集率。

(1)

式中：Q为粪便收集率(%)，F为养殖场每日粪便收集量(kg)，XF为第i阶段肉牛日产鲜粪量(kg)，n为该养殖场第i阶段肉牛存栏量。

(2)

式中：Q为污水产生量(L·head)，S为原液贮存池面积(m)，h为每日污水水位增加高度(m)。n为该养殖场肉牛存栏量。

1.2.2.2 粪污样品采集 分别在鲜粪暂存区和堆肥区，按GB/T 25169-2010 畜禽粪便监测技术，采集暂存粪便和堆肥样品各2份，每份500 g，处理方法与新鲜粪便处理方法相同。在原液收集池和沼液贮存池，按GB/T 27522-2011畜禽养殖污水采样技术规范，分别采集原液和沼液样品各2份，每份500 mL，处理方法与尿液样品处理方法相同。

1.3 检测指标及方法

饲料检测含水率、粗蛋白、总磷；粪便检测含水率、总氮、总磷；尿液检测总氮、总磷，饲料样品检测采用官方分析化学家协会(AOAC)方法，粪便、尿液和污水检测方法参照董红敏等。

1.4 数据统计与分析

通过Excel 2010对试验期各阶段牛每天采食量、尿液、粪便、污水等分析指标进行初步整理，不同阶段肉牛数据采用SPSS 19.0进行单因素方差分析，结果用平均值±标准差表示，以<0.05 作为差异显著性标准，>0.05差异不显著。通过逐步回归分析影响肉牛粪便、尿液及氮磷排泄量的影响因素及重要性。

2 结果与分析

2.1 不同养殖模式下肉牛采食及粪尿产生量变化

3种模式下不同生长生理阶段肉牛采食量及粪尿产生量变化见表2。在犊牛阶段，粪便产生量差异显著(<0.05)，且在模式2最高；尿液产生量差异不显著(>0.05)。在育成育肥牛阶段和能繁母牛阶段，粪、尿产生量均差异显著<0.05)，且在模式2最低。

表2 不同养殖模式下肉牛摄入与粪尿排泄情况Table 2 Intake and excretion of feces and urine of beef cattle under different typical breeding modes

2.2 不同养殖模式下肉牛粪尿氮排泄情况

不同养殖模式下肉牛粪尿氮排泄情况见表3。在犊牛阶段，粪氮、尿氮、排泄总氮、氮排泄率均差异显著(<0.05)，其中，模式1粪氮最低(24.51 g·d)，尿氮最高(44.83 g·d)，氮排泄率最高(84.53%)，模式2粪氮最高(28.63 g·d)，尿氮最低(44.83 g·d)，氮排泄率最低(59.29%)。在育成育肥牛阶段，粪氮、尿氮、排泄总氮均差异显著(<0.05)，氮排泄率差异不显著(>0.05)，在模式2粪氮、尿氮、排泄总氮均为最低。在能繁母牛阶段，氮摄入量、排泄量、排泄率均差异显著(<0.05)。

表3 不同养殖模式下肉牛粪尿氮排泄情况表Table 3 Manure N excretion of beef cattle under different typical breeding modes

2.3 不同养殖模式下肉牛粪尿磷排泄情况

不同养殖模式下肉牛磷排泄情况见表4。各生长生理阶段肉牛粪尿磷排泄差异显著(<0.05)。在犊牛阶段，模式3的总磷排泄量最高，而磷排泄率在模式1最高。育成育肥牛阶段，模式3的摄入磷、排泄总磷最高，而模式2最低。在母牛阶段，模式2排泄总磷、磷排泄率均显著高于模式1(<0.05)。

表4 不同养殖模式下肉牛磷排泄情况表Table 4 Manure N excretion of beef cattle under different typical breeding modes

2.4 肉牛养殖粪尿及氮磷排泄量影响分析

为分析不同养殖模式对肉牛粪尿及氮磷养分排泄量的影响，将养殖模式、体重、干物质采食量作为影响因子，分别对粪便、尿液、氮和磷排泄量开展逐步回归分析，结果显示：养殖模式、平均体重和干物质采食量与肉牛粪便、尿液和氮磷排泄量分别具有显著的线性相关性(<0.05)，其回归模型及影响因素的重要性如表5所示。养殖模式对肉牛粪便产生量的影响重要性为15.3%，且与模式1呈显著正相关关系(<0.05)；养殖模式对尿液产生量的影响重要性为36.6%，且与模式1呈显著正相关(<0.05)，与模式3呈显著负相关关系(<0.05)，而干物质采食量对尿液产生量的影响不显著(>0.05)；养殖模式对氮排泄量的影响重要性达61.0%，主要与模式2呈显著负相关关系(<0.05)；养殖模式对磷的影响为45.0%，与模式1呈显著正相关关系(<0.05)，与模式3呈显著负相关关系(<0.05)。

表5 养殖模式、体重和干物质采食量与肉牛粪尿及磷排泄的回归关系及重要性Table 5 Relationships and importance of culture patterns, body weight, dry matter intake on faeces, urine ,N, P excretion of beef cattle

2.5 肉牛场粪便收集及氮磷养分特性

不同养殖模式下粪便收集率及氮磷变化见表6。三种模式下肉牛场的粪便收集率差异显著(<0.05)，模式3粪便收集率最高，模式1粪便收集率最低。暂存粪便的含水率差异不显著(>0.05)；粪便中氮磷含量差异显著(<0.05)，模式3最高，模式2最低。从堆肥来看，模式3进行生物发酵后，水分含量下降较多，氮含量降低了31.90%，磷含量降低了9.64%；模式2氮含量降低了14.6%，磷含量降低了20.69%。模式1是氮含量降低21.55%，磷含量降低35.90%。

表6 不同养殖模式下粪便收集率及氮磷变化Table 6 Fecal collection rate and changes of N and P concentrations in feces under different typical breeding modes

2.6 不同模式下肉牛场污水产生量及氮磷养分特性

不同养殖模式下肉牛场污水产生量及氮磷浓度变化见表7。三种模式下肉牛场污水产量差异显著(<0.05)。模式1单头肉牛污水产生量最高，达18.91 L·head·d，是模式2的3.20倍。暂存液中氮浓度在模式2最高，模式3最低。而磷的浓度在模式3最高，模式2最低。经过厌氧处理后，氮和磷的浓度都有不同程度降低，模式1氮浓度变异较大，污水处理后浓度降低较少。而模式2，氮和磷的浓度分别降低了85.11%和81.93%，模式3氮磷分别降低了31.60%、80.30%。

表7 不同养殖模式下污水产生量及氮磷浓度变化Table 7 Sewage production and changes of N and P concentrations under different typical breeding modes

3 讨 论

3.1 不同养殖模式下肉牛粪尿及氮磷排泄分析

本研究结果显示，相同生理阶段肉牛在不同养殖模式下粪尿及氮磷排泄量差异显著。关于肉牛不同阶段粪尿产生量和氮磷排泄等研究报道较少。模式1和模式2犊牛采食量、氮摄入与排泄量与云强等研究一致，育肥牛氮的摄入和排泄量与Chiavegato等研究一致，但是高于王国利等和Flessa等的研究。Dong等发现，体重为329 kg的肉牛日采食干物质量为6.62 kg，日排泄总氮104.2 g，其中尿氮平均为60.4 g，本研究尿氮排泄量与之较一致，而粪氮高于上述这些研究。本研究磷的摄入与排泄量略低于许建海等报道的(369.5±37.8 kg)杂交后备母牛磷摄入与排泄量，与申跃宇等研究一致。影响肉牛粪尿产生及氮磷养分变化的因素较多，其主要归结为内因和外因，内因主要包括：品种、体重、体况、采食量等；外因主要包括饲养管理、气候环境、饲料供应等。肉牛粪便和氮磷的排泄量通常由采食量和饲粮消化率决定。研究表明，干物质采食量与粪便的产生量呈显著的正相关，饲粮中粗纤维含量的增加，会提高肉牛采食量，降低饲粮的消化率，导致粪便产生量增加；氮磷的摄入量大于动物需要量时，粪尿中氮磷的排泄增加。与此同时，随着体重的变化，机体代谢增强，通常会增加采食和排泄的量。

本研究中，外因影响主要体现在不同的养殖模式中。从本研究结果来看，养殖模式作为主要外因显著影响粪便、尿液、氮和磷排泄量，且影响程度较大。其中，模式2对氮排泄具有显著负相关，原因是模式2饲料原料种类单一，营养水平较TMR日粮差，且饲喂方式不同，氮摄入量较少，导致排泄量减少，因此呈现出负相关关系。模式1和模式3显著影响尿液和磷的排泄，与模式1呈正相关，与模式3呈负相关。分析原因是模式3为架子牛规模育肥场，没有繁殖母牛，加之饲养管理水平高，减少了尿液排泄量和磷的排泄，而模式1由于是自繁自养户，在TMR饲料配制、饲养管理等方面存在不足。此外，磷的排泄还与当地饲料和饮水中磷含量有关。

3.2 不同养殖模式下肉牛场粪污及氮磷养分含量变化

随着畜禽养殖粪污资源化利用的推广应用，养殖场粪污收集率越高，对环境的污染越低。本研究中3种养殖模式下养殖场粪便收集率随着规模化程度提高而提高，而单头肉牛污水产量模式1最高，模式2最低，均小于我国畜禽养殖业污染物排放标准(GB 18596-2001)规定值，这与养殖场粪污收集处理设施配套和管理水平有较大关系。被监测的3个养殖场/户，虽然都配套有雨污分流、粪便运输车、堆粪场、污水沟、污水收集池、厌氧发酵池等。但是，模式1是开放式圈舍，饮水与尿液不能完全分开，圈舍湿度较大，导致污水产量高，但原水收集池与圈舍距离近，氮的挥发可能相对较少。而模式2和模式3，由于规模场在粪便清理和饮水控制上更加合理，饮水进入原液池的量较少，因此污水产量较低。模式2由于牛品种主要为本地杂交牛，个体均较小，尿液产量较低，而模式1和模式3主要为西杂牛，牛的个体大，排尿量较高。

粪便经过简单堆沤肥后还田利用，是我国畜禽固体粪便的主要处理方式，其占比达一半以上，但是简单堆沤肥处理受堆体压实程度、表面是否覆盖、堆体高度等因素影响，其养分含量变化较大。因此，不同条件下，粪便堆肥处理后氮磷养分含量差异大。从污水处理来看，其氮磷浓度变异幅度也较大，本试验中三个监测点污水厌氧发酵后磷的浓度低于王庆红等研究结果，但仍然大于我国畜禽养殖业污染物排放标准(GB 18596-2001)规定的厌氧发酵后允许磷最大排放浓度。分析原因除了排泄量的差异之外，厌氧发酵效果、饮水及当地环境中磷含量也有关系。影响污水中总氮浓度因素较多，如pH、温度、处理时间等。模式1无论是厌氧发酵还是自然堆肥都是最简单的处理方式，未添加任何其他物质，而且由于周边农田需求量大，堆肥和厌氧发酵的时间都较短；模式2由于在粪便中添加有谷草，而且堆肥棚属于开放式，氮的挥发较大；模式3由于在室内进行生物发酵，先进行干湿分离后添加生物菌剂，因此干物质和氮含量较高。

4 结 论

(1)养殖模式对肉牛养殖粪尿及氮磷排泄影响显著，其对尿液(36.6%)和氮(61.0%)磷(45.0%)排泄量的影响强度大于对粪便排泄(15.3%)的影响。

(2)三种模式下粪便收集率：规模肉牛育肥场(86.22%)>适度规模自繁自养场(76.85%)>散养户(71.09%)；污水产生量：散养户(18.91 L·head·d)>规模肉牛育肥场(11.29 L·head·d)>适度规模自繁自养场(5.91 L·head·d)。而且粪污经贮存处理后，氮磷浓度变化较大。因此，要准确评判肉牛养殖产排污情况，一方面要继续加大不同养殖模式下肉牛养殖产排污系数监测，另一方面要提高肉牛养殖的标准化水平。