我国在传统农业向现代农业转型的过程中，虽然种植业和养殖业生产规模化和集约化程度不断提高，但是各产业之间的分割现象却愈显突出^[1]。畜禽粪便和作物秸秆等已由传统紧缺的肥料和燃料资源变成了污染源，影响了农业系统内部物质与能量的消纳与再利用^[2]。

随着集约化养殖业的快速发展，全国畜禽养殖排放的粪污已成为农业面源污染中最突出的环境问题^[3]。以江苏为例，畜禽排泄物年排放量达5300万t，约有40%排入周边环境；农作物秸秆产生量约为4100万 t，利用率却不足60%^[4]。太湖地区经济发达、水网密集、土地资源有限，农业在高投入、高产出、规模化和专业化的同时，也造成了高排放和高废弃的环境问题，农业生产自身的可持续健康发展问题更为突出和严重。创建适应经济发达地区种养结合的农业生产模式、研究体系结构优化及配套耦合技术，是当前现代农业生产、保护农村生态环境的重大课题，对于种养结合具体实施过程中一些关键环节（如畜禽粪便处理过程和使用方式等）的优化，目前仍是一个亟待解决的问题，否则将严重制约种养结合的顺利开展，并大幅降低其环境和经济效益。

生命周期评价是对一种产品在其生产工艺及活动中对环境的影响及对自然资源的消耗进行全面分析和评价，使决策者能更加清楚需要关注的各方面问题，其在环境保护领域已有大量的应用，如污水处理、固废管理及资源化等环境工程领域^{[5, 6]}。在畜禽养殖方面，籍春蕾^[7]对规模化养牛场粪便的三种处置方式进行了生命周期评价；张颖等^[8]对畜禽粪便的两种不同处理方式进行了生命周期污染物排放清单分析；白林^[9]对养猪业清洁生产及猪粪资源化利用进行了生命周期评价。在种植方面，陈源泉等^[10]利用能值、生态系统服务、生命周期评价综合分析了4种保护性耕作模式的生态经济和环境影响效应的可行性；周冉等^[11]对京郊典型作物生产体系施肥的环境影响进行了生命周期评价；梁龙等^[12]对华北平原冬小麦-夏玉米种植系统的环境影响进行了评价。然而，基于不同种养结合模式下粪污处理方式的生命周期评价研究则相对较少。本文以某循环农业示范区（规模生猪养殖-无公害种植基地）为研究对象，对畜禽粪便直接还田和处理（堆肥、厌氧发酵）后还田进行生命周期评价，并与非种养结合模式（肥料出售）进行比较，旨在为种养结合模式下产生的公共财政补偿标准和区域补偿标准及政府决策提供科学依据。 1 研究对象和系统边界 1.1 研究对象

本研究选择在南京附近一循环农业示范区内开展。猪场存栏量为8000头，基本运行情况详见参考文献^[13]。粪污清理采用干清粪工艺，即固体粪便人工清理，尿液及冲洗水进入污水收集池。日产粪污总量约90 t，其中鲜粪约11.7 t，尿液约36.8 t，猪舍冲洗水约41.5 t。猪场建有800 m³沼气池，采用完全混合式厌氧反应器（CSTR），水力停留时间为10 d，自2009年开始运行至今，全年正常运行天数为300 d。日均产气率为0.5 m³·m^-3，日产沼液和沼渣量分别为60、1.28 t。沼气用于发电，日发电量为800 kWh，沼液和沼渣还田利用。各物料基本理化性质详见表 1。

表 1 粪污的基本理化性状 Table 1 Basic characteristics of pig manure,slurry,and biogas waste

表选项

猪场周边配套133 hm²标准化无公害农产品种植基地，主要作物为小麦、水稻、玉米及蔬菜。本研究选择稻麦轮作系统为研究对象，实行小麦-水稻两熟制，已连续4年定点监测粪肥施用后温室气体排放、氮磷径流和淋失量等评价所需的相关指标^{[14, 15]}。小麦选用当地主推品种宁麦16为供试材料，采用人工条播，播种量为150 kg·hm^-2，生育期为209 d。麦季氮肥施用量为225 kg·hm^-2，按基肥60%、追肥40%的比例施用，磷肥和钾肥均为112.5 kg·hm^-2，耕作前一次性施入；水稻为大面积生产主推品种南粳44，采用常规旱育秧，人工插秧移栽，生长期为126 d。水稻生长期水分管理采用前期浅水、中期烤田、后期浅水-间歇灌溉的管理模式。稻季施氮量为300 kg·hm^-2，磷和钾均为150 kg·hm^-2，氮肥按基肥40%、分蘖肥20%、穗肥40%比例施用，磷肥于耕作前一次性撒施，钾肥作基肥和穗肥施用2次，每次50%。田间其他管理措施同一般高产大田，其具体种植方式和施肥方式详见参考文献^[14]和^[15]。 1.2 研究目的和范围

本研究采用生命周期评价，对规模猪场种养结合和非种养结合情景下（表 2）的能源消耗及处理过程排放污染物的环境效应进行对比。研究的系统边界范围从粪污收集到末端处理、处置，包括收集、处理过程的能源投入及还田后的污染物排放，因此不考虑原料系统和养殖系统所涉及的能量消耗和温室气体排放等指标。三种粪污处理模式下系统边界如图 1所示。

表 2 各情景模式的特征描述 Table 2 Description of three manure treatment modes in LCA

表选项

图 1 规模猪场粪污处理各情景模式下生命周期评价的系统边界 Figure 1 LCA boundaries of three treatment modes for intensive pig farm waste

图选项

本研究选取猪场1 d内总粪污处理量90 t为生命周期评价的功能单元（Functional unit,FU），各评价环节的输入与输出及其环境影响均基于此。

评价的原则和要求参照ISO 14040—2006^[16]和ISO 14044—2006^[17]，方法选用CML 2001模型，并使用政府间气候变化专门委员会（IPCC） 2007年气候变化综合报告的温室气体排放特征系数计算全球变暖潜势（GWP）^[18]。本文环境影响评价涉及到的主要环境影响类别为温室效应潜势（100年）、环境酸化效应潜势及富营养化效应潜势。 1.4 清单分析

粪污处理过程中产生的污染物分为直接排放和间接排放。

（1）直接排放的污染物包括：①粪污收集和临时堆放过程中直接产生的温室气体，排放系数参照文献^[19]和^[20]设为CO₂ 24%、CH₄ 4%、N2O 0.1%和NH₃ 13%；②沼气（主要成分是CH₄、CO₂和少量的H₂S）发电使用阶段向大气排放CO₂和少量的SO₂，排放系数分别为0.5、0.001 kg·kg^-1原料^[20]（假设厌氧发酵系统完全密封，沼气无环境排放）；③污水生物处理过程中CH₄和NO_x的排放系数参照优良作法^[21]，分别为0.6 kg·kg^-1 BOD和0.001 kg·kg^-1排泄氮，而CO₂排放是生物成因，故无需进行核算；④施肥过程中，假设水旱轮作系统中旱季施肥量适当，且施肥过程中无强降水影响等，稻季氮、磷淋失率分别约为10%和4%^{[22, 23]}，无径流损失，还田后的气体排放根据大田试验结果^{[14, 15]}，即0.151 kg NO_x·t^-1、0.089 kg CH₄·t^-1、0.024 kg SO₂·t^-1、0.487 kg CO₂·t^-1和0.192 kg NH₃·t^-1。

（2）间接排放的污染物包括粪污在收集、转运、处理及还田过程中由于能源消耗所产生的污染物，详见表 3。不同形式的能量采用统一的能量单位表达，电耗换算为燃料热当量（热电转换率以32%计），即1 kWh=11 080 kJ，能源消耗过程中的污染物排放参照胡志远等^[24] 研究结果。

表 3 粪污收集、 处理及转运过程中能源消耗产生的污染物排放清单 Table 3 Inventory of pollutants generated from energy consumption during collection,treatment and transportation of pig manure and slurry

表选项

该模式下主要涉及粪污处理过程中直接产生的温室气体以及由于处理耗能而间接造成的污染物排放，其中液体粪污直接处理后达标^[25]排放，处理方法选择目前国内外广泛使用的生物滤池法，处理过程中产生的NO_x和CH₄分别为20.3、195.7 kg·FU^-1。由此计算出模式1的污染物排放清单（表 4）。

表 4 模式 1 的排放清单 （kg·FU^-1） Table 4 Inventory for mode 1（kg·FU^-1）

表选项

从表 4可以看出，粪便收集环节能耗和气体排放量较低，因而向环境排放的污染物水平均最低；污水处理环节的污染物排放量在总排放清单中占的比例最大，处理过程中直接排放的CO₂和NO_x等温室气体是主要的污染源，约占总排放量的93%和80%；堆肥过程中CH₄排放量最大，占排放总量的89%。该模式下日产有机肥约6 t，有机肥销售价格按800元·t^-1计算，则该养殖场年销售额约为175万元；但在销售运输过程中也会有一定的污染物排放，因此应就近销售。 1.4.2 模式2的清单分析

该模式不涉及粪污处理能耗，同时来自植物光合作用产生的CO₂算作0^[26]，因此主要涉及粪污收集存放和田间运移过程中的运输能耗以及还田后的CH₄、NO_x和NH₃的排放和氮磷淋失。由此计算出模式2的污染物排放清单（表 5）。

表 5 模式 2 的排放清单 （kg· FU-1） Table 5 Inventory for mode 2（kg· FU-1）

表选项

由表 5可以看出，粪便存放过程中污染物排放量在总排放清单中占的比例最大，其中CH₄、CO₂和NH₃释放量占总量的85%、61%和46%；向周边农田转运过程中，污染物排放量较小，CO₂释放量占总量的15%；但在还田过程中，NO_x、CH₄、SO₂气体排放较大，分别占总量的93%、15%和63%，同时直接还田造成的NO3-N和PO3-4淋失也是主要的污染物排放因子。 1.4.3 模式3的清单分析

该模式为本研究采用的粪污处理方式，主要涉及粪污收集存放、处理（堆肥及厌氧发酵）、运输及田间施用过程中直接和间接产生的污染物。其中，沼液经过滤、消毒后，用吸污泵抽至农田附近的贮液池，再通过喷灌系统施入稻麦田。由此计算出模式3的污染物排放清单（表 6）。

表 6 模式 3 的排放清单 （kg·FU^-1） Table 6 Inventory for mode 3（kg·FU^-1）

表选项

该模式下粪便得到充分的资源化利用。首先，污水经厌氧发酵产沼气后发电（800 kWh·d^-1），用于猪场的供热、照明及还田过程中的用电，减少发电过程中的污染物排放；其次，产生的沼液处理后合理还田，每年可替代化学氮、磷、钾等养分分别为4679、754、2136 kg，可大幅减少化肥生产过程中产生的污染物（表 7）。

表 7 沼气工程替代化肥的减排量 Table 7 Energy and pollutant reduction after substitution of chemical fertilizers with biogas technology

表选项

生命周期环境影响分析是确定系统的物质、能量输入与输出对外部环境的影响，进而对清单分析阶段所识别的环境影响压力进行定性或定量评价^[27]。畜禽养殖场粪污对环境的影响主要是温室气体排放、酸性降水造成的土壤和水体酸化，以及水体富营养化等。由此计算出各情景模式的环境影响评价（表 8）。

表 8 各情景生命周期过程中环境影响潜力 （kg·FU^-1） Table 8 Environmental impact potential of three treatment modes in LCA（kg·FU^-1）

表选项

由表 8可见，三种模式的全球变暖潜值大小依次为情景1>情景2>情景3，说明非种养结合模式对全球变暖的影响较大。环境酸化潜值和富营养化潜值均为情景2>情景1>情景3。非种养结合模式的环境酸化潜值和富营养化潜值略低于种养结合模式，主要是未考虑情景1中出售的有机肥还田后的环境影响。综合考虑，基于种养结合模式的粪污处理对环境的影响潜值明显低于非种养结合模式；而在两种种养结合模式下，情景3的环境影响潜值均低于情景2，说明粪污经堆肥、厌氧发酵等合理处理后还田对环境的不利影响小于将其直接还田。 2.2 总环境影响潜势

采用1995年世界人均环境影响潜力作为标准化基准，对2.1中所得的环境影响潜值进行标准化；采用目标距离法^[28]得出我国温室效应、酸化效应、富营养化效应的权重因子，进而计算出各情景模式下粪污处理的总环境影响潜势（表 9）。通过综合评估可以看出，模式3的总环境影响潜势为2.03 kg 当量·人^-1·a^-1，显著低于模式1（3.64 kg 当量·人^-1·a^-1）和模式2 （3.02 kg 当量·人^-1·a^-1）。同时，模式3中沼气工程替代能源和化肥的减排量（表 8）也可有效降低粪污处理对环境的不利影响。因此，将养殖场粪污转化为清洁能源后再还田利用，无论从物质循环还是环境友好方面，均具有其他模式不可比拟的优势。

表 9 三种处理模式生命周期的总环境影响潜势 Table 9 Total environmental impact potential of three treatment modes in LCA

表选项

大力发展种养结合模式是解决农业系统内部物质与能量消纳与再利用的最有效途径，特别有利于集约化程度高、经济发达、土地资源有限地区的农业可持续健康发展^[2]。但在种养结合实施过程中，畜禽粪便处理和还田利用等关键环节的优化，仍是一个亟待解决的问题。

通过对规模养猪场粪污处理方式的生命周期评价可以看出，基于种养结合的猪粪处理模式其环境影响潜势均低于非种养结合模式，降幅分别为17.0%和44.2%；在种养结合模式中，粪便经厌氧发酵和堆肥处理后还田的环境影响潜势小于直接还田模式，降幅为32.8%。造成这种结果主要有三方面原因：一是可替代化肥氮、磷、钾等养分分别为4 678.58、754.41、2 135.71 kg，可大幅减少化肥生产过程中产生的污染物；二是发酵处理可提供能源（沼气、电）供养殖场使用，降低了养殖过程中的能耗及发电过程中的污染物排放；三是处理后沼液中污染物含量较原水大大降低，提高了后处理效率，特别适用于周边无足够土地配套的养殖场。可见，粪污通过合理处理后还田，不仅可获得清洁能源，而且将其替代化学肥料使用，比将其直接还田对环境有更积极的正效应。

对于种养结合不同环节而言，粪便收集环节的能源消耗较小，污染物排放较低^[29]；但在粪污存放环节会有相当数量的温室气体释放，造成其环境影响潜力所占的比例增加。因此，应尽可能减少临时堆放的时间或采用密闭存放方式，降低此环节对环境的不利影响。粪污自养殖场运移至农田过程中的机械耗能，会造成温室气体排放，应合理规划运输路线，减少肥料销售或运往田间的距离，以降低粪污运移环节对环境的不利影响。粪便处理环节的环境影响潜力占总量的50%以上，是影响粪污处理效果的关键，其中固体粪便堆肥工艺的差别会产生不同的环境效应，因此应提高堆肥工艺效率，减少温室气体排放和养分损失，以降低其环境负影响；尿液和污水处理是整个粪污处理中的难点和重点环节，直接处理的耗能和对环境的影响潜力均最大，但经厌氧发酵后处理，不仅降低了其环境影响潜力，而且每年可节约电费29万元，农民节约肥料成本4.5万元，具有一定的经济效益。在还田过程中，种植方式和肥料施用方式会影响温室气体排放和氮磷径流损失，其对环境酸化和富营养化的贡献达70%以上。

综上所述，建议规模化养殖场周边配套足够的农田以消纳养殖粪污，同时在还田利用环节应特别注意施用方式，以避免温室气体排放和径流损失对环境的影响。而对于土地紧张的地区，应控制养殖规模，并将污水先厌氧发酵后再处理达标排放。发展以沼气工程为纽带的种养结合循环农业模式应是未来发展的重点，但同时也对厌氧发酵工艺、装备和技术提出新的挑战。值得一提的是，沼气系统在建设过程中对原材料的消耗及运行过程中CH₄等气体的泄露，也会对环境产生负效应^[30]，因而在今后沼气工程运行过程中需要特别关注和改进。 4 结论

基于种养结合的猪粪处理模式其环境影响潜势（3.02、2.03 kg 当量·人^-1·a^-1）低于非种养结合模式（3.64 kg 当量·人^-1·a^-1），其中粪便经厌氧发酵和堆肥处理后还田的环境影响潜势明显小于直接还田模式，降幅为32.8%。通过种养结合将粪污还田利用，替代化学肥料的使用，不仅对环境有积极的正效应，而且具有一定的经济效益。尿液和污水处理的能耗和对环境的影响潜力均最大，是粪污处理过程中的难点和重点。建议在规模化养殖场附近配套足够的农田以消纳养殖粪污，同时发展以沼气工程为纽带的种养结合循环农业模式。