现代畜牧业可持续发展_环境问题与现实选择

1、第 29卷第 6期 2008年 11月Vol. 29No. 6Nov . 2008农业现代化研究现代畜牧业可持续发展:环境问题与现实选择基金项目:国家 “ 十一五 ” 科技支撑计划 (编号:2007BAQ01047 。 通讯作者:谭支良 (1967- , 研究员, 博土生导师, 主要从事农牧复合生态系统过程研究 。 收稿日期:2008-10-05; 修回日期:2008-10-20谭支良, 周传社(中国科学院亚热带农业生态研究所, 湖南 长沙 410125摘 要:本文分析了因畜牧业生产所引发的环境污染问题; 从分源头控制 、 过程管理和污染修复等三个方面, 重点阐述了控制畜禽生产过程环境污染的技

2、术和方法, 并明确指出畜禽粪便循环利用技术以及生物修复技术, 将是未来 的研究重点 。 关键词:畜牧业; 可持续发展; 环境安全; 污染控制 中图分类号:S8-01文献标识码:A 文章编号:1000-0275(200806-0653-04Sustainable Development of Modern Intensive Animal Huabandry:Environmental Issues and Realistic OptionsTAN Zhi-liang , ZHOU Chuan-she(Instituteof Subtropical Agriculture, Chinese Ac

3、ademy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, ChinaAbstract :The main pollution issues casued by animal husbandry on environment were introduced in this paper, and a series of technologies and methods controlling the pollution of feces and sewage from animals were reviewed respectively. The future rese

4、arch will focused on the cycling utilization of feces and sewage, and biological renovation technology to assure the sustainable development of livestock industry. Key words :animal husbandry ; sustainable development ; environment safety ; pollution随着现代畜禽养殖生产规模的不断扩大和集 约化程度的不断提高, 畜牧业生产在为消费者提供 了丰富的肉

5、、 蛋和奶产品的同时, 也引发了多层次 的环境问题, 畜牧业已经成为继工业污染之后不可 忽略的污染源 。 具体表现在畜禽排放的大量粪尿和 有害气体引致严重的大气 、 土壤和水域环境的污 染, 以及畜禽排泄物所携带的病原微生物及其耐药 性所引发的一系列人畜健康问题 。1畜牧生产引发的主要环境污染问题1.1水域污染由于受畜禽养殖规模和粪污处理设备的限制, 畜禽排泄物中氮与磷常被直接排入江河湖海或随 地表径流冲刷与渗透,造成地表和地下水源污染, 导致水中硝酸盐含量超标 、 水体富营养化 、 水中 COD 和 BOD 增加 、 水域生态系统失衡, 引起鱼类等 水生动物窒息死亡, 进而影响到人们的生存环

6、境和 人体健康 。 研究表明, 磷对于水体富营养化的影响 远大于氮, 当水体磷浓度在 30ug/L 时, 就可以引起 富营养化; 而且地下水污染后极难恢复, 在自然环 境下需要 300年才能恢复, 造成持久性的污染 。 美 国乔治亚州地下水和地表水中硝酸和磷酸污染即 是因农田过量施用畜禽粪便所致 1。1.2土壤污染调查结果显示, 2004年全球畜禽共排泄氮约 13.5亿 t 和磷5.8亿 t 。 2001年我国畜禽共排泄氮约 1.06亿 t 和磷 0.22亿 t,而其流失总量分别为化肥 氮 、磷损失总量的 12倍和 13倍, 已成为农村面源 污染的主要来源 2。 大部分含氮化合物被氧化成硝 酸

7、盐或厌氧分解成亚硝酸盐, 其中一部分积聚于表 土层, 引起土壤组成和性状发生改变, 破坏土壤原 有的基本功能; 另外大量使用粪便也能引起土壤中 溶解盐的积累, 使土壤盐分增高, 影响植物生长 。 据 报道, 非洲有 31%的牧场因畜禽粪便污染, 土壤发 生盐渍化而导致其肥力下降 。 另外, 植物中植酸磷 因其消化率很低, 动物食入的植酸磷有 75%都随粪 便排出体外, 排出的磷易与钙 、 铝或铜等元素形成 不溶性复合物而滞留在土壤中, 引起土壤板结而影 响作物生长; 同时, 施用畜禽粪便后易致土壤中磷 过饱和并向下迁移, 增大了磷通过农田排水系统渗 漏的风险 。 美国乔治亚州的研究表明, 施用

8、畜禽粪 便后的土壤磷的渗漏量大于未施用畜禽粪便的土 壤, 且下渗磷的形态均为可溶性磷; 并且, 畜禽粪肥 中的水溶性有机物会明显减少土壤对磷的吸附, 增 加磷在土壤中的移动性和径流液中的浓度 。我国畜禽养殖业广泛使用各种微量元素添加第 29卷 农业现代化研究剂,一方面是在不考虑饲料原料含量的情况下添 加, 特别是具有促生长或调控动物生理和代谢的微 量元素, 如铜 、 锌和砷等; 另一方面是盲目追求畜禽 生长速度而滥用微量元素添加剂 。 由于动物对上述 金属元素的利用效率低, 例如成年单胃动物对铜和 锌的吸收率分别只有 7%15%和 5%10%,未被 利用的部分大都通过粪尿排出体外 。 有研究表

9、明, 给 71kg 的 阉 公 猪 饲 喂 含 铜 分 别 为 218mg/kg 和 32mg/kg 的日粮,前者铜的排泄量比后者高 6.7倍; 给 1518kg 的猪饲喂分别含锌为 23mg/kg 和 123 mg/kg 的日粮,结果每日锌排出量分别达 16mg 和 61mg 。 在农田生态系统中大量长期施用含过量重金 属元素的畜禽粪便, 将造成土壤重金属的富集并增 强其向深层土壤迁移的能力, 破坏土壤结构, 进而 影响农作物产量和品质 。 一般认为当土壤中铜和锌 分别达到 100200mg/kg 和 100mg/kg 以上即可造 成土壤污染和植株中毒 3。 按美国食品及药物管理 局 (FD

10、A 规定允许的砷制剂用量计算, 一个万头猪 场 58年就可能排出 1t 以上的砷 。 研究发现, 土壤 中砷含量每升高 1mg/kg,甘薯中砷含量会升高 0.28 mg/kg 。 当土壤中砷酸钠加入量为 40mg/kg 时, 水稻 减产 50%; 达到 160mg/kg 时, 水稻不能生长; 当灌 溉水中含砷量达 20mg/kg 时水稻颗粒无收 。 更为严 重的是,由于土壤的重金属污染完全是不可逆的, 一旦土壤受到重金属污染, 这些有害物质在农产品 中的含量大幅度提高, 并最终通过食物链输入人体 或动物体内, 对人畜健康会产生更大危害 。2.3大气污染畜禽除动物皮肤分泌物 、 黏附于皮肤的污物

11、 、 外激素和呼气等产生特有难闻气味外, 其恶臭气味 主要来自粪尿在堆放过程中有机物经微生物分解 或腐败分解产生包括甲烷 、 挥发性脂肪酸和醇类等 带臭味物质; 蛋白质和脂类等可分解生成氨 、 硫化 氢 、 丙醇 、 吲哚 、 甲基吲哚 、 甲硫醇和 3-甲基丁醇等 具有恶臭的硫化物和胺化物 。 2004年统计结果显 示, 全球每年畜禽养殖业经动物肠道发酵和粪便排 放的甲烷分别为 0.86和 0.18亿 t 左右; 每年畜禽粪 便所排放的氧化亚氮约为 0.04亿 t 4, 而氧化亚氮通 常会引起臭氧层的减少 。 据测算, 畜牧业产生了约 20%的全球温室效应气体,超过世界上所有交通运 输工具排

12、放的总量 。 以二氧化碳释放量来衡量, 畜 牧业比汽车的排放量要多 18%; 人类活动所产生的 二氧化碳 、 甲烷和氧化亚氮分别有 9%、 37%和 65%来自畜牧业, 而甲烷和氧化亚氮的温室效应分别是 二氧化碳的 296和 23倍 。 此外, 畜禽舍内的微生物 通过空气气流弥散, 与水 、 尘埃相结合悬浮在空气 中, 形成微生物气溶胶, 这些带有病原微生物的气 溶胶严重危害人畜健康 。2.4病原微生物污染研究证实, 畜禽粪便废弃物中含有 150多种人 畜共患病的潜在致病源, 畜牧场所排放的污水中平 均 2ml 则含 33万大肠杆菌和 66万肠球菌, 粪污沉 淀池内污水中蛔虫卵和毛首线虫卵分别

13、高达 193和 106个 。 因此, 如果粪污不经适当处理, 就会成为 危险的传染源, 造成疫病传播, 影响人类健康 。 而 且, 未经处理的粪便中致病微生物在环境中能存活 很长时间, 甚至在田间施用后仍能生存, 直接污染 种植作物 。 用 GFP 标记大肠杆菌 O157:H7的粪便污 水进入土壤进行的研究发现, 该菌可在土壤中存活 154196d, 并可进入植物体内污染作物可食部分, 在 10周后仍可在洋葱内检出, 5个月后仍可在胡萝 卜中检出 。由于抗生素在养殖业的大量使用, 致使动物肠 道内耐药细菌数量增加,且病菌耐药性不断增强; 同时可导致病原微生物在选择性压力作用下获得 并维持耐药性

14、, 并有可能通过质粒和整合子将耐药 基因在相同或不同种属中广泛传播转移, 最终导致 多重耐药 。 随着污水和粪肥的使用, 带有耐药基因 的菌株进入环境, 其抗性基因可能通过转化与转导 等作用转移至人类病原菌, 威胁人类健康 5。 相关研 究结果表明, 从养殖场分离的大肠杆菌普遍存在对 抗生素的多重耐药现象, 耐药菌在动物 、 环境和饲 养员之间可能存在扩散 、 传递现象 。 由于养殖场排 放的粪便和废水含有大量耐药细菌, 这些粪便和粪 水施入土壤和水体后, 在一定程度上增加了土壤和 水体中耐药细菌的数量 。3畜禽养殖业环境污染的控制技术选择3.1畜牧业生产源头控制技术(1原料选择 。 选择来源

15、于已认定的绿色食品 产品及其副产品作为饲料原料,选购消化率高 、 营 养变异小 、 有毒有害成分低和安全性高的饲料原 料, 可以在很大程度上减少有害成分在畜禽体内的 累积和畜禽排泄物对环境的污染 。 同时, 采用常规 育种技术或遗传修饰等手段, 可培育出消化率高的 饲料原料新品种,如低植酸玉米和低水苏糖大豆 。 研究证实,新型低植酸玉米中磷的可利用率高达 65%75%, 是普通玉米的 5倍, 用低植酸玉米配制 的日粮可使磷的排放降低 37%。(2 饲料配方 。 根据饲料原料营养素含量的实654第 6期测值进行日粮配方设计,同时注意能量蛋白平衡 、 氨基酸平衡 、 离子平衡和钙磷平衡等日粮营养平

16、衡 技术, 并利用回肠真消化率准确计算动物营养需要 量, 选择合适饲料添加剂并适量添加, 可以提高饲 料利用效率进而减少排泄物中营养素的含量 。 研究 发现给反刍动物适量增加以优质牧草为主的粗饲 料的比例, 采用低淀粉日粮控制易发酵碳水化合物 的摄入量, 可以在不降低生产水平的前提下减少瘤 胃甲烷产生量和排放量 。 美国近年来对多种生长猪 研究结果表明, 日粮中粗蛋白含量每降低 1%, 氮排 出量减少 8.4%左右 。 研究表明, 按照理想蛋白质模 式, 添加合成氨基酸, 配制满足畜禽营养需要的蛋 白质平衡日粮, 可以在不影响畜禽生产性能的前提 下, 使日粮中的蛋白质水平降低 2%5%, 从而

17、减少 氮的排放量 20%50%, 粪尿氨气含量下降 10% 12.5%。 瑞士在 19901995年期间, 根据营养需要 的最低水平限制动物日粮重金属含量, 粪便中铜和 锌的含量分别降低了 28%和 17%。 在猪日粮中使用 有机形式的铜 、 铁 、 锰和锌, 在不影响生长性能和饲 料转化效率的同时,也能降低重金属的排泄量; 与 采食无机铜 、 铁和锌源的日粮相比, 采食有机铜 、 铁 和锌源, 并按照相应需要量的一半配制日粮, 并不 影响生长猪的生长性能, 可使粪铜 、 铁和锌排泄量 减少 30%左右 。(3 加工调制 。 选择合理的饲料加工调制技术 可有效提高饲料消化率, 而消化率每提高

18、1%, 肉产 品氮损耗可减少 1.4%。 饲料加工调制技术包括粉 碎 、 碾压 、 制粒 、 膨化 、 焙烤 、 微波化和手捏成团湿拌 料等 。 研究结果表明, 粉碎粒度可以改变饲料转化 效率 5%10%; 制粒能提高干物质 、 氮和总能的消 化率;高温蒸汽制粒可使氮的排泄量下降 22%; 给 动物饲喂手捏成团饲料,蛋白质消化率提高 3.7%; 通过切段 、 粉碎 、 青贮 、 氨化和微贮等方法加工农作 物秸秆, 可使秸秆中所含纤维素 、 半纤维素和木质 素降解并转化 。(4 阶段饲养 。 近年来研究表明, 采用阶段饲养 方式可更好地满足不同生长阶段和生理状态猪的 营养需要, 有利于减少氮和磷

19、的排放 。 在欧洲进行 的研究结果表明, 两阶段饲养时氮和磷的排出量比 一阶段饲养时低 6%。 由此可见, 参照一定生长阶段 和体重的猪对营养物质的需要, 采用分阶段饲养方 式, 可大幅度提高氮的沉积效率, 减少氮的排放, 是 控制富营养元素引发的环境污染的有效措施 。 (5 合理应用饲料添加剂 。 在动物饲料中添加 某些添加剂, 可提高饲料的利用率, 进而减少饲料 中氮和磷的排放 。 由于添加酶制剂提高了动物对饲 料中营养物质的利用率, 从而可以有效降低动物粪 便中富营养物质的排放, 其它生长促进剂如益生素 和有机酸等亦是可有效减排粪污富营养物质的添 加剂 。 有报道认为, 在小麦和黑麦型日

20、粮中添加酶 制剂, 饲料蛋白质的回肠可消化率可提高 9%; 而当 蛋白酶和用来降解非淀粉多糖的酶制剂及淀粉酶 联合使用时, 饲料利用率显著改善, 比单一使用其 中某一种酶效果都好 。 大量研究表明, 益生素能够 降低肠道内微生物的分解作用, 进而对于减少氨基 酸和碳水化合物的排放亦有明显效果 。 有人研究了 日粮酸化对营养物质消化率的影响, 发现在日粮中 添加富马酸后干物质和氮的消化率均提高 2%左 右 。 此外, 添加某些植物提取物也能降低畜禽粪便 对环境造成的污染 。 在反刍动物饲料中添加不同浓 度丝兰皂苷的研究表明, 当添加量从 1.2增加到 3.2 g/L 时,可溶性土豆淀粉和玉米淀粉

21、体外培养 24h 后的甲烷产量分别下降 17%和 50%、 18%和 52%。 3.2畜禽粪污管理技术(1 肥料化技术 。 按氧的需求程度可将堆肥化 技术分为好氧堆肥和厌氧堆肥, 其它堆肥方式如好 氧低温发酵 、 湿式厌氧发酵等是在原来方法上的改 进 。 利用堆肥作为生物滤池的填料, 通过填料的吸 附及吸收作用可以去除堆肥过程中产生的氨气, 如 填料层高度为 60cm 的生物滤池对堆肥尾气中氨气 的去除率达 94%。 在堆肥过程中加入的无机磷, 有 相当部分可以转变成有机磷的形态 。 有研究表明, 在堆肥过程中分别加入占猪粪 5%、 7%和 10%的过 磷酸钙,有效磷含量平均分别提高 45%、

22、 59%和 62%。 另外, 好氧堆肥过程可灭活粪污中的霉菌和其 它有害微生物, 且利用微生物的降解特性可把粪污 内的有害物质转化为堆肥, 把大分子物质转化为可 被农作物吸收利用的营养元素 。(2 饲料化技术 。 畜禽粪便含有各种营养成分, 饲料化技术即利用饲料中的各种养分和饲养过程 中产生的有用成分, 是畜禽粪便综合利用的重要途 径 。 目前饲料化技术的主要途径有青贮 、 干燥和分 解法 。 将畜禽粪便和一些禾本科青饲料一起青贮, 制作的饲料具有酸香味, 可以提高适口性, 同时可 杀死粪便中病原微生物和寄生虫等 。 鸡粪经干燥后 转变成鸡朊粉可作高蛋白饲料使用, 既能除臭又能 彻底杀灭虫卵

23、。 还有研究表明, 在处理中加光合细 菌 、 细黄链霉菌和乳酸菌等具有很好的除臭效果 。 分解法是利用优良品种的蝇 、 蚯蚓和蜗牛等低等动 物分解畜禽粪便, 达到既生产动物蛋白质又能处理谭支良等:现代畜牧业可持续发展:环境问题与现实选择 655第 29卷 农业现代化研究畜禽粪便的目的 。 蝇蛆和蚯蚓是很好的动物性蛋白 饲料, 可作鸡鸭猪的饲料或水产养殖的活饵料 。 有 研究证实, 在日粮中以 20%的鸡粪发酵饲料代替基 础日粮饲喂肉猪时, 日增重达 635g, 与对照组差异 不显著; 试验组比对照组增重成本降低 1.12元 /kg 。 用发酵鸡粪取代玉米 -豆饼型奶牛精料 25% 50%, 其

24、产奶量和乳脂均有不同程度的提高; 从 EM 发酵鸡粪代替 50%奶牛精料的饲喂效果看, 平均提 高产奶量 5.6%。(3 能源化技术 。 目前常采用的厌氧消化法是 一种有效处理畜禽粪便和资源回收利用的技术, 该 技术不但能提供清洁能源 (沼气 , 解决中国广大农 村燃料短缺和大量焚烧秸秆的矛盾,还能消除臭 气 、 杀死致病菌和致病虫卵, 解决了大型畜牧养殖 场的畜禽粪便污染问题 。 另外, 发酵原料或产物可 以生产优质饲料, 发酵液可以用作农作物生长所需 的营养添加剂 。4污染修复技术物理和化学方法, 如热处理和电循环等, 常被 用来修复被重金属污染的农田土壤, 但由于成本高 和引入二次污染的

25、问题, 这些方法在实际中很少采 用 。 生物修复是利用植物对重金属的富集作用从土 壤中吸收去除重金属, 这种方法不仅廉价而且改善 环境,是目前最有前景的治理土壤重金属的方法 。 目 前 已 陆 续 发 现 了 砷 超 富 集 植 物 蜈 蚣 草 (Pteris vittata 和大叶井边草 (P. cretica 、 铜超富集植物海 州香薷 (Esboltzia splendens 和鸭跖草 (Commelina communiss 以及锌超富集植物 东 南景天 (Sedum alfredii 等 。随着研究工作的深入, 研究发现微生物及其抗 性基因在重金属污染土壤的生物修复方面也显示 出越来

26、越大的作用和潜力 。 研究证实抗重金属细菌 在植物根际活动,可以促进重金属在植物体内积 累, 从而加强植物修复过程 6。 通过生物技术手段将 微生物的耐重金属基因克隆到植物体中, 得到的转 基因植物可数十倍地提高植物耐受和富集重金属 的能力 7。 研究发现将基因 merA (编码汞离子还原 酶, 催化离子汞转化为单质汞 导入白杨中, 该转基 因白杨对单质汞的富集能力提高了 10倍,抗汞能 力也提高了 4倍 。 而将基因 merA 和基因 merB (编 码有机汞裂解酶, 催化甲基汞转变为离子汞 同时 导入拟南芥并且成功表达, 转基因拟南芥对甲基汞 的耐受能力提高了 50倍 。 微生物资源及其耐

27、重金 属基因在土壤重金属污染的生物修复中显示出越 来越大的应用价值 。污染水体的处理一般采用人工湿地 、 稳定塘 、 土壤渗漏以及净化沼气等以工程措施为主的处理 技术,在一定程度上对控制水体污染起到了作用, 但还是存在着有机物去除率低 、 治理效果不稳定等 问题 。 近年来以微生物技术为核心的污染水体生物 修复技术日益显现出其优越性和光明前景 。 水体生 物修复技术主要包括生物调控和生物修复两种类 型, 在生物脱氮技术上的新进展主要有短程硝化反 硝化 、 同时硝化反硝化和厌氧氨氧化等 。 由于污染 水体的主要元素磷不能以气体的形式离开水系统, 所以微生物在去除磷素方面的作用与去除氮素相 比略显逊色, 但科学家们已经发现具有除磷能力的 微生物 。 近几年又发现了有些除磷菌具有反硝化功 能, 在特定条件下反硝化能力很强 。 这些新的生物 除磷技术成熟以后用于污染水体治理上, 势必是一 项既经济又有效的处理方法 。5研究展望畜禽粪污的科学综合利用愈来愈呈现明显的 经济 、 生态和社会效益, 而且对于确保畜牧业健康 可持续发展, 有十分重要的现实意义 。 未来相当一 段时期的研究集中于将现有的资源化技术在一定 程度上进行集成整合, 建立适于不同生态环境类型 和畜禽