精准调控猪养殖系统中铜锌流动：RECUIZ 模型助力绿色发展

为解决猪养殖中 Cu、Zn 排放污染问题，研究人员构建 RECUIZ 模型，发现调整饲料 Cu、Zn 含量可降排放，意义重大。

　　### 一、研究背景：猪养殖中的 “铜锌困境”
在猪的养殖过程中，铜（Cu）和锌（Zn）扮演着重要角色，它们是猪生长和健康所必需的微量元素，因此常被添加到猪的饲料中。然而，这两种元素在猪体内的保留率极低，高达 90 - 99% 的摄入铜和 90 - 96% 的摄入锌会随猪的排泄物排出体外。这些排泄物通常被用作农田肥料，导致 Cu 和 Zn 在土壤中大量积累。

Cu 和 Zn 作为具有潜在环境影响的微量元素，在土壤中的积累会引发一系列问题。它们可能对植物和土壤微生物产生毒性，进而破坏土壤生态系统的平衡，造成中长期的环境危害。在全球养猪业发达的地区，这一环境问题普遍存在。例如在法国，畜禽粪便的施用占农业土地 Cu 输入的 50% 和 Zn 输入的 78%。

为了应对这一挑战，欧盟制定了一系列相关法规，对有机肥料中 Cu 和 Zn 的最大允许含量进行了规定。同时，饲料配方调整和粪便处理成为减少 Cu 和 Zn 环境排放的两个主要途径。但目前，对猪养殖生产中 Cu 和 Zn 流动的量化研究较少，缺乏能够预测其流动并揭示饲料与粪便处理之间相互作用的模型。在此背景下，研究人员开展了此项研究，旨在构建一个质量平衡模型，以更好地理解和控制猪养殖系统中 Cu 和 Zn 的流动和浓度。该研究成果发表在《Agricultural Systems》上。

二、研究方法：构建 RECUIZ 模型

为了解决上述问题，来自多个研究机构的研究人员共同开展研究，构建了 RECUIZ（REcycling Copper Zinc）质量平衡模型。该模型具有创新性，它能够涵盖多种粪便处理链，通过组合不同的连续处理过程，模拟从饲料到有机肥料施用于农田这一过程中 Cu 和 Zn 的命运。

模型包含动物、住房和粪便处理三个连续模块，每个模块的状态变量相互连接，可直接将前一个模块的输出作为后一个模块的输入。模型使用了一组十个状态变量，用于计算整个猪养殖系统中营养物质（包括 Cu 和 Zn）的流量和浓度，还能计算转化、生物降解以及相关的气体排放。

研究人员采用质量平衡方法计算每个模块中的转化过程，模型参数值基于已有的参考文献、相关工具（如 GEREP 工具）以及专家经验确定。此外，研究人员还进行了敏感性分析，评估模型参数对最终产品中 Cu 和 Zn 含量的影响。

三、研究结果

1. 敏感性分析结果：通过敏感性分析，研究人员确定了 13 个敏感参数。这些参数主要涉及影响有机物（OM）降解的因素，如厌氧消化和堆肥过程中可生物降解有机物的转化因子（f_{OM_bi}），以及总排泄物中可生物降解有机物的比例（Prop_{OM_bexcreta}）。此外，相分离过程中的一些参数，如 V 型刮板、螺旋压榨机和离心机中干物质（DM）、OM、Cu 和 Zn 在固相中的分配因子也较为敏感。这些参数的准确选择对预测最终产品中 OM、DM 以及 Cu 和 Zn 的含量至关重要。
2. 模拟 5：饲养策略（日粮 Cu 和 Zn 含量）的影响：该模拟评估了不同日粮 Cu 和 Zn 含量对最终产品（储存粪便）中 Cu 和 Zn 含量的影响。结果显示，按照欧盟现行法规（25mg Cu/kg，120mg Zn/kg）喂养的猪，其储存的原始粪便中 Cu 含量约为 216mg/kg DM，Zn 含量约为 985mg/kg DM。随着法规的变化，降低日粮中 Cu 和 Zn 的含量，储存粪便中的 Cu 和 Zn 含量也显著降低。例如，若进一步将饲料中 Cu 和 Zn 的含量分别降至 15mg/kg 和 80mg/kg，储存粪便中的 Cu 和 Zn 含量将分别进一步降低 41% 和 36%。
3. 模拟 6：多种废水处理链的建模：此模拟研究了不同粪便处理链对 Cu 和 Zn 流量和含量的影响。结果表明，不同处理链对 Cu 和 Zn 的分布有显著影响。厌氧消化和堆肥过程会使 Cu 和 Zn 相对于干物质浓缩，因为这些过程会导致有机物质的损失。在处理链 2（TC2）中，厌氧消化后固相消化物中 Cu 和 Zn 的含量大幅增加；在处理链 3（TC3）中，由于添加了稻草，Cu 和 Zn 被稀释，但堆肥过程又使其浓缩。同时，研究发现目前欧盟关于猪饲料中 Zn 含量的规定不够严格，无法满足有机肥料中 Zn 的最大允许水平，而关于 Cu 的规定相对严格。

四、研究结论与讨论

本研究构建的 RECUIZ 模型能够较为准确地预测商业养猪场中各种粪便处理链中 Cu 和 Zn 的流动。研究结果表明，饲料中 Cu 和 Zn 的浓度应根据猪养殖系统中实施的粪便处理链进行调整。当采用厌氧消化或堆肥等处理方式时，降低饲料中 Cu 和 Zn 的浓度有助于减少其排放。研究提出的饲料中 Cu 和 Zn 的喂养建议（15mg Cu/kg 饲料和 80mg Zn/kg 饲料）在实践中具有可行性，可有效减少猪养殖系统中 Cu 和 Zn 的排放。

然而，该模型也存在一定的局限性。模型的整体验证需要大量来自不同田间试验的数据，目前尚未完全实现。此外，关于 Cu 和 Zn 的形态及其在整个处理链中的演变，仍需要更多的研究。未来，RECUIZ 模型可与更大的模型耦合，以进一步研究处理产品施用于土壤后 Cu 和 Zn 在土壤中的流动情况。

总的来说，这项研究为猪养殖系统中 Cu 和 Zn 的管理提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动养猪业的可持续发展，减少其对环境的负面影响。