在当前和未来情景下估算美国粪肥氮平衡与回收潜力的框架

把农场废弃物变成潜在资源

在美国各地，我们在养殖牛、猪和家禽以供肉类和乳制品时，每年产生大量动物粪便。粪肥中富含氮，这是作物生长所需的关键养分。然而很多粪肥没有得到利用，农民却购买大量以化石燃料生产的合成化肥。本研究提出了一个简单但重要的问题：现实中今天和未来有多少粪肥可以回田利用？这对粮食生产和污染意味着什么？

为什么计算养分如此令人困惑

长期以来，研究人员一直试图衡量农业系统中的“粪肥平衡”——粪肥是提供了比作物需要更多的养分，还是远远不足。但以往研究在可收集的粪肥比例、储存期间的损失量以及作物对氮的利用效率等假设上各不相同。因此，对美国的估计差异很大，从小幅短缺到巨额赤字都有。本文作者用相同的全国性数据重新运行了其中六种方法，表明分歧主要源于定义不一致，而非数据本身。这种不一致使政策制定者和农民难以判断在哪些地方可以安全地用粪肥替代化肥、哪些地方则不能。

一个更清晰的粪肥回收框架

为了解除这种困惑，研究团队提出了一个基于若干明确定义指标的新框架。在粪肥方面，他们区分了三个层次：关养动物排泄的总氮量；在当前收集和储存技术下可回收的部分；以及调查显示今天实际上施用于农田的较小一部分。在作物方面，他们估算在考虑到固氮植物、降雨和灌溉水等自然来源后，作物真正需要多少氮。随后，他们计算了在当前耕作做法下以及在作物更高效利用氮的改进情景下的作物需求。

今天差距有多大？

将该框架应用于美国本土（不含阿拉斯加和夏威夷）显示，粪肥利用远远不能满足作物需求。目前仅约五分之一的圈养牲畜排泄氮被施用于耕地。与作物需求相比，全国存在很大缺口，这主要由合成化肥填补。即使作者假设完全采用目前最好的粪肥处理系统，缺口也仅略有缩小，因为大量氮在途中仍被损失或根本未被收集。他们还发现，如果农民试图仅通过粪肥提供更多氮，往往会导致磷的过量施用——磷在土壤中积累会引发水体污染。

更好技术与更聪明耕作能做什么？

随后研究探讨了在改进粪肥回收和更好作物管理的情况下可能实现的效果。新的或更广泛采用的技术可能使几乎所有圈养动物的粪肥都能被捕获并利用，从而大幅提高来自这一来源的养分供给。同时，将作物对氮的利用效率提高到一些管理良好系统已实现的水平，会减少它们对氮的总体需求。当这两种策略结合时，全国合成氮肥的使用可减少一半以上。但由于粪肥中往往含有比作物需要更多的磷，部分额外的粪肥仍需进行除磷处理或被运往其他地区。

不同地区有不同需求

在对全国每个县进行分析后，作者表明粪肥问题高度具有地域性。少数畜牧业密集的县已经拥有超过其作物安全利用量的粪肥氮，需要将养分外运或限制畜群规模。还有数百个县通过改进粪肥收集、运输或提高作物效率，能够在本地满足全部作物氮需求。然而大多数地区仍将依赖部分合成化肥，因为作物生产规模远远超过当地动物数量。将这些格局与具体管理选项（如改进储存系统、投资运输或重新安排养殖地点）相匹配，可帮助规划者和农民优先采取行动。

通往更清洁、更高效农业的路径

对非专业读者而言，关键的信息是：粪肥既是问题也是未被充分利用的机会。不当使用时，它会向空气和水体泄漏氮和磷，助长气候变化、烟雾形成以及湖泊和近海水体的死区；明智使用时，它可以替代大量工厂生产的化肥并促进土壤健康。这项研究提供了一种透明的衡量方式，说明我们当前处于何种状态以及在现有和未来条件下可以走多远。作者得出结论：通过更好的数据、技术和政策，美国可以将更多动物废弃物转化为有价值的资源，同时降低化肥费用并减少污染——但单靠粪肥无法完全替代合成化肥，因此养分回收与更聪明的化肥使用必须齐头并进。

引用: Wang, Y., Zhang, X., Spiegal, S. et al. A framework for estimating manure nitrogen balance and recycling potential for current and future conditions in the USA. Nat Food 7, 260–271 (2026). https://doi.org/10.1038/s43016-026-01312-5

关键词: 粪肥回收, 氮平衡, 合成化肥, 可持续农业, 养分污染