陳春琳，徐永洞，王子涵，耿鐵煥，劉志丹＊

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院環(huán)境增值能源實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

3 北京大地群生養(yǎng)殖專業(yè)合作社，北京 102104

0 引言

北京是中國奶牛養(yǎng)殖的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)區(qū)域之一，也是都市奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的典型代表[1]。近年來，在“疏解北京非首都功能”政策下，北京市奶牛存欄量大幅下降，但也在資金、人才和技術(shù)支持下，奶牛養(yǎng)殖的規(guī)?；潭群湍膛Ｄ陠萎a(chǎn)水平大幅提高。據(jù)調(diào)研，北京現(xiàn)存欄超過100 頭的奶牛奶牛場(chǎng)共49家；據(jù)北京市奶業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2019年12月底，奶牛養(yǎng)殖北京市奶牛存欄5.68 萬頭，其中成母牛存欄3.29 萬頭，年產(chǎn)牛奶26.4 萬噸。

然而，由于北京特殊的政治、文化和經(jīng)濟(jì)特性，北京地區(qū)奶牛養(yǎng)殖業(yè)面臨養(yǎng)殖成本高、環(huán)保壓力大的局面，奶牛的存欄量和原料乳產(chǎn)量在全國地位有所下滑；且隨著規(guī)?；?、集約化奶牛養(yǎng)殖迅速發(fā)展，規(guī)模化奶牛場(chǎng)對(duì)現(xiàn)代化、智能化、信息化、機(jī)械化融合的精細(xì)化飼養(yǎng)、畜舍管理和糞污管理提出了更高要求。作為國家重點(diǎn)扶持的大城市郊區(qū)乳業(yè)優(yōu)勢(shì)發(fā)展地區(qū)，北京地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對(duì)我國其他大城市郊區(qū)乳業(yè)發(fā)展起到引導(dǎo)和推動(dòng)作用。

北京市延慶區(qū)大地群生養(yǎng)殖專業(yè)合作社（簡(jiǎn)稱“大地群生”）是北京郊區(qū)典型的規(guī)?；膛?chǎng)，本文以該場(chǎng)為例，對(duì)其牧場(chǎng)管理、糞污綜合利用及能效管理進(jìn)行分析和討論，以期為京津冀都市型奶牛場(chǎng)管理模式提供參考。

1 大地群生基本情況

大地群生是北京市延慶區(qū)香營(yíng)鄉(xiāng)孟官屯村一家現(xiàn)代化奶牛場(chǎng)，該場(chǎng)占地110 畝，現(xiàn)存欄奶牛數(shù)量1 145 頭，其中泌乳牛400 頭，干奶牛120 頭，青年牛170 頭，育成牛265 頭，犢牛150 頭，圍產(chǎn)期牛40頭，日產(chǎn)生鮮乳約16 噸。該場(chǎng)共有7 個(gè)牛舍分區(qū)，分設(shè)8 個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)區(qū)域，如圖1。

圖1 大地群生奶牛場(chǎng)平面圖

2 科學(xué)管理模式

飼養(yǎng)管理和糞污治理是奶牛場(chǎng)科學(xué)管理的重要環(huán)節(jié)，良好的飼養(yǎng)管理模式直接影響奶牛場(chǎng)效益，并對(duì)科學(xué)糞污管理具有重要意義。下文將對(duì)大地群生部分牛場(chǎng)養(yǎng)殖管理模式進(jìn)行闡述。

2.1 犢牛網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)備

犢牛期（0～6月齡）是培育奶牛的關(guān)鍵時(shí)期，又可細(xì)分為初生期（出生～10 天）、哺乳期（初生期后～2月齡）和斷奶期（哺乳期后～6月齡）[2]。犢牛免疫力低下，消化系統(tǒng)發(fā)育不完全，對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)力差。據(jù)報(bào)道，我國奶牛死亡50.00%～60.00%發(fā)生于犢牛階段[3]，這也說明犢牛的飼養(yǎng)和環(huán)境管理需要更加嚴(yán)格。目前，規(guī)?；膛?chǎng)的犢牛養(yǎng)殖常采用舍內(nèi)群養(yǎng)、舍內(nèi)單欄飼養(yǎng)和舍外犢牛島飼養(yǎng)[2]。

如圖2，大地群生對(duì)犢牛采取舍內(nèi)單欄立體網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式，對(duì)于初生期犢牛（出生～10 天），采取舍內(nèi)單欄飼養(yǎng)模式，定時(shí)喂奶，牛舍內(nèi)鋪設(shè)約10 cm厚的干燥墊料，保證牛犢舒適的環(huán)境，如圖2（a）所示。渡過初生期后，犢牛將轉(zhuǎn)移至鏤空網(wǎng)箱（2.0 m×1.2 m×1.5 m）中進(jìn)行單欄飼養(yǎng)，網(wǎng)箱距地面約1.0 m，網(wǎng)箱上、前、后三面采用管材圍擋，下、左、右采用網(wǎng)格式設(shè)計(jì)，如圖2（b）所示。該網(wǎng)箱既保證牛犢頭部可自由出入網(wǎng)箱進(jìn)行飲食活動(dòng)，也可保證個(gè)體相對(duì)獨(dú)立，且其糞尿可通過網(wǎng)箱流至地面，后通過網(wǎng)箱下的刮板清糞進(jìn)行清潔，此模式可有效管理犢牛舍糞污，避免犢牛受到糞污污染，并保證良好的通風(fēng)，大大改善了犢牛生存環(huán)境的衛(wèi)生條件。

圖2 大地群生犢牛養(yǎng)殖設(shè)施模式圖

2.2 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)管理

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)是奶牛運(yùn)動(dòng)、反芻、休息的場(chǎng)所，是奶牛福利的重要環(huán)節(jié)和奶牛生產(chǎn)力的重要影響因素。據(jù)調(diào)研，大地群生奶牛場(chǎng)不僅為牛舍配置了8 個(gè)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)（圖1），保證了充足的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間，并且運(yùn)動(dòng)場(chǎng)全部安裝擋雨棚，配套雨污分離槽，有效避免雨季造成的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)潮濕、積水等問題，便于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)糞污管理；運(yùn)動(dòng)場(chǎng)均采用硬化地面并鋪設(shè)牛糞再生墊料以提升運(yùn)動(dòng)場(chǎng)舒適性。此外，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)內(nèi)糞污實(shí)行定期清理和鋪設(shè)新的牛糞再生墊料，確保干凈舒適的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)環(huán)境。

2.3 臭氣治理

奶牛糞污排放量大，在多種微生物作用下釋放出氨氣、硫化氫和甲硫醚等臭味物質(zhì)，且極易滋生蚊蠅，成為奶牛場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生和生物安全的重要隱患。大地群生場(chǎng)內(nèi)雙管齊下，一方面采用生物除臭技術(shù)，防止了臭味物質(zhì)產(chǎn)生和擴(kuò)散以及蚊蠅滋生；另一方面配置了智能霧化除臭設(shè)備，定期噴灑植物型除臭劑以降低場(chǎng)內(nèi)氨氣、硫化氫及糞臭異味，為奶牛場(chǎng)糞污除臭和蚊蠅問題提供示范。

3 廢棄物資源化模式

3.1 墊料化利用

大地群生采用固液分離+好氧發(fā)酵系統(tǒng)處理糞污。奶牛養(yǎng)殖糞尿產(chǎn)生量大，按照大地群生牧場(chǎng)結(jié)構(gòu)，按徐鵬翔等[4]方法進(jìn)行估算，該場(chǎng)年產(chǎn)4 500 噸糞便，1 800 噸尿液，糞尿產(chǎn)生量巨大。同時(shí)，場(chǎng)內(nèi)用于清洗的污水排放量巨大，為畜禽糞污處理增加難度。固液分離是繼堆肥、氧化、厭氧發(fā)酵等方法的畜禽糞污處理替代辦法。

牛床墊料是奶牛場(chǎng)主要的支出項(xiàng)目之一，傳統(tǒng)墊料通常是稻殼、稻草等，在鋪設(shè)過程中容易引起揚(yáng)塵現(xiàn)象并引發(fā)奶牛呼吸道疾?。坏静?、稻殼本身吸水性較差，奶牛躺臥潮濕感增加[5]；此類墊料需要在干燥環(huán)境大量?jī)?chǔ)存，增加了運(yùn)營(yíng)成本。據(jù)報(bào)道，牛糞再生墊料是良好的傳統(tǒng)墊料替代品：（1）其粒徑分布適合用作墊料（＜1.0 mm占34.81%，1.0～2.0 mm占38.42%，＞2.0 mm占26.77%）；（2）質(zhì)地疏松，持水性強(qiáng)，且經(jīng)再生墊料設(shè)備處理后的牛糞纖維充分軟化，牛床舒適性增加[6]。

大地群生引入了一套螺旋式固液分離+牛糞好氧發(fā)酵牛糞再生墊料系統(tǒng)，如圖3。奶牛養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞污進(jìn)入集糞池后，集中提升至固液分離機(jī)中，經(jīng)螺旋擠壓過濾后水分被擠出進(jìn)入糞水池，固體部分則進(jìn)入好氧發(fā)酵裝置中，在較高溫度條件下（55～60 ℃）發(fā)酵，經(jīng)此設(shè)備發(fā)酵后的牛糞可將含水率控制在50.00%以內(nèi)，能夠有效去除常見致病菌如大腸桿菌、鏈球菌、金黃色葡萄球菌及克雷伯氏菌等。經(jīng)此系統(tǒng)處理，奶牛糞污固體實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)內(nèi)循環(huán)利用，糞污處理難度降低，此外，也降低了外購墊料成本。

圖3 大地群生奶牛場(chǎng)糞污資源化利用系統(tǒng)

3.2 還田利用管網(wǎng)系統(tǒng)

北京水資源歷來緊缺，人均水資源占有量?jī)H為全國人均水資源1/7（285 m3），而且降水不均、豐枯交替[7]。而奶牛場(chǎng)用水量大，100 頭奶牛年均用水量約1 825 m3，為人均用水量10.5 倍[8]。因此，通過源頭控制養(yǎng)殖用水和末端資源化利用養(yǎng)殖污水為促進(jìn)科學(xué)用水、增產(chǎn)增收、發(fā)展綠色可持續(xù)奶牛養(yǎng)殖業(yè)具有重要作用。

如圖3，大地群生對(duì)場(chǎng)內(nèi)污水精細(xì)管理，分設(shè)了雨水池和糞水池，使用了相互獨(dú)立的雨水和糞污輸運(yùn)管網(wǎng)，用于配套飼料地的灌溉，此模式同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液體糞污和雨水的有效利用，既能減少雨水徑流污染，也能緩解旱季用水緊缺和節(jié)省用水開支。

4 綜合管理全鏈條分析

研究奶牛養(yǎng)殖過程的技術(shù)、相關(guān)農(nóng)業(yè)裝備、配套設(shè)施，進(jìn)行集成示范，提高規(guī)模化奶牛場(chǎng)生產(chǎn)力和糞污資源化利用率，形成較系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈養(yǎng)殖和糞污管理體系。本文針對(duì)糞污資源化管理、水資源管理和環(huán)境效益進(jìn)行分析。

4.1 糞污資源化管理分析

奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是重要的面源污染控制對(duì)象，糞污處理是其中的重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，牛糞再生墊料模式是資源化處理的重要手段。盡管短期內(nèi)因設(shè)備購置費(fèi)造成成本較高，但從長(zhǎng)期發(fā)展的角度看，牛糞再生墊料模式不僅可以推進(jìn)奶牛場(chǎng)糞污無害化處理和資源化利用，長(zhǎng)期使用還可以降低奶牛場(chǎng)墊料成本并可期望獲得更高生產(chǎn)力[9，10]。

按大地群生奶牛結(jié)構(gòu)，日產(chǎn)糞尿共約35噸，經(jīng)再生墊料系統(tǒng)處理可滿足場(chǎng)內(nèi)墊料需求[4]。據(jù)目前市場(chǎng)供需關(guān)系，按每天需補(bǔ)充5噸墊料計(jì)，傳統(tǒng)稻殼墊料（市價(jià)420 元/噸）作為墊料每年墊料費(fèi)用約77 萬元，采用牛床再生墊料系統(tǒng)的墊料成本為280 元/噸（啟動(dòng)成本+運(yùn)行成本），每年費(fèi)用為51 萬元，每年墊料成本可節(jié)省約26 萬元，并大大減輕了糞污處理難度[5，6]。

牛糞墊料化模式實(shí)現(xiàn)了奶牛場(chǎng)糞污產(chǎn)業(yè)化的長(zhǎng)期示范和糞污場(chǎng)內(nèi)循環(huán)清潔回用，為推進(jìn)奶牛養(yǎng)殖廢棄物無害化的處理和綜合利用，促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，據(jù)《環(huán)境保護(hù)稅法實(shí)施條例》規(guī)定，此模式符合奶牛糞污綜合利用和無害化處理原則，無需繳納環(huán)境保護(hù)稅。

4.2 水耗分析

奶牛養(yǎng)殖業(yè)是高水耗行業(yè)，貫穿飼養(yǎng)、清潔、防疫和動(dòng)物福利等環(huán)節(jié)，有用量大、季節(jié)性強(qiáng)、功能多、利用效率不高等特點(diǎn)。如圖4，奶牛場(chǎng)用水主要包括奶牛飲水、噴淋用水（夏季）、擠奶廳用水、清潔和消毒用水，其中奶牛飲水消耗最高，其次是擠奶廳清洗用水和噴淋用水（夏季）[11]。此外，高輸入同時(shí)對(duì)應(yīng)高輸出，奶牛場(chǎng)污水排放量大、污染性高（N、P含量高），處理不慎將造成嚴(yán)重的面源污染。北京地區(qū)作為奶牛養(yǎng)殖優(yōu)勢(shì)區(qū)域，有大量科研機(jī)構(gòu)和資源為依托，同時(shí)作為水資源短缺區(qū)域，應(yīng)該積極探索環(huán)保節(jié)水養(yǎng)殖模式，因地制宜實(shí)行養(yǎng)殖設(shè)施改造和污水分類回收利用，如改善牛場(chǎng)飲水槽設(shè)計(jì)降低飲水浪費(fèi)，改善擠奶廳清洗模式、更換紅外感應(yīng)噴淋裝置等，實(shí)現(xiàn)奶牛場(chǎng)水資源高效利用，為全國發(fā)揮示范作用。

圖4 奶牛場(chǎng)水耗情況

4.3 環(huán)境效益

農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域減排固碳既是我國碳達(dá)峰、碳中和的重要組成部分，也是潛力所在。畜牧業(yè)減排是農(nóng)業(yè)減排重要一環(huán)，2018年，中國畜牧業(yè)溫室氣體總排放量0.3 Gt CO2-eq（6.67%來源于奶牛養(yǎng)殖），占農(nóng)業(yè)溫室氣體總排放量46.88%，其中CO2，CH4和N2O是溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者[14]。如圖5，奶牛養(yǎng)殖溫室氣體排放主要來自奶牛腸道、糞污和養(yǎng)殖過程中的能源消耗，綜合管理奶牛養(yǎng)殖全過程可以實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。例如，進(jìn)一步提高規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖程度；在糞污管理過程中縮短糞污貯存時(shí)間并進(jìn)行無害化和資源化處理[15]，進(jìn)行固液分離-好氧發(fā)酵制備牛糞再生墊料[9]，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣[16]，作有機(jī)肥深耕還田[4]等。此外，利用牛場(chǎng)周邊飼料地進(jìn)行種養(yǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)糞污處理和營(yíng)養(yǎng)元素回收，也是減少溫室氣體排放的有效手段[17]。未來，在國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，奶牛養(yǎng)殖業(yè)將面臨更加嚴(yán)峻的碳排放挑戰(zhàn)，積極進(jìn)行碳減排從未來碳交易角度來看具有經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 奶牛場(chǎng)溫室氣體排放及減排

5 討論

政策扶持下迅速擴(kuò)張的規(guī)?；B(yǎng)殖提高了奶牛生產(chǎn)力，保障了國內(nèi)奶及奶制品的穩(wěn)定供應(yīng)，但也逐漸暴露出我國奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、裝備和管理方面的諸多問題。未來，奶牛養(yǎng)殖必將面臨更為嚴(yán)峻的水、土地和環(huán)境多重挑戰(zhàn)，發(fā)展高水平飼養(yǎng)管理、技術(shù)投入密集、產(chǎn)出效率高且綠色可持續(xù)的規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖業(yè)是必然趨勢(shì)。

首先，未來規(guī)?；B(yǎng)殖必定是科技的時(shí)代，行業(yè)從業(yè)者必須更新管理意識(shí)，長(zhǎng)遠(yuǎn)布局，緊跟行業(yè)變革步伐，引進(jìn)專業(yè)人才、先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，充分利用科技力量。北京具有科研、人才和技術(shù)的先天優(yōu)勢(shì)，北京地區(qū)的奶牛養(yǎng)殖企業(yè)更應(yīng)多借助這些力量謀求創(chuàng)新發(fā)展。

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖應(yīng)尤其注意水耗、能源和糞污問題。水資源短缺是世界共性問題，作為高水耗行業(yè)，如何保證水資源最大化利用是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。奶牛飲水和擠奶廳用水是奶牛場(chǎng)用水主要去向，約占80.00%[23]。奶牛飲水因品種、季節(jié)差異較大，夏季飲水較其他季節(jié)最多。犢牛飲水量最少，約7 L/頭·天；泌乳牛飲水最多，約114 L頭·天[24]。而因飲水池造成的奶牛飲水浪費(fèi)達(dá)到10.00%，故合理設(shè)計(jì)飲水池是降低飲水浪費(fèi)的重要措施。夏季的噴淋用水也是重要節(jié)水環(huán)節(jié)，采用紅外感應(yīng)噴淋器可降低50.00%噴淋水耗[12]。擠奶廳用水集中于清洗奶牛乳房、擠奶器、儲(chǔ)奶罐和待擠廳地面，且擠奶廳類型和養(yǎng)殖規(guī)模對(duì)此環(huán)節(jié)用水量影響重大，自動(dòng)擠奶廳可以節(jié)省水耗[11，24]，分類回收擠奶廳清洗用水以及改變儲(chǔ)奶管道和儲(chǔ)奶罐的殺菌方式為高壓蒸汽滅菌都可有效節(jié)水[25]。此外，奶牛糞尿的管理也是水資源再利用的重要環(huán)節(jié)。

規(guī)模化養(yǎng)殖對(duì)末端糞污處理提出了更高的要求，不僅需要無害化，還需要資源化、能源化。結(jié)合環(huán)保問題考慮，以就地消納、能量循環(huán)、種養(yǎng)結(jié)合、綜合利用為主線，踐行固液分離-好氧發(fā)酵制備牛糞再生墊料模式、有機(jī)肥還田模式和厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣模式，實(shí)現(xiàn)糞污全量利用。此外，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境增值能源實(shí)驗(yàn)室提出引入快速資源化技術(shù)-水熱技術(shù)參與養(yǎng)殖糞污末端處理，具有以下優(yōu)勢(shì)。（1）水熱過程不僅可以破壞絮體結(jié)構(gòu)，減少原料表面親水性官能團(tuán)，促進(jìn)結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化，改善畜禽糞便脫水難的問題，還可短時(shí)間內(nèi)殺滅病原菌[21]。（2）糞污水熱轉(zhuǎn)換也是一種有效的碳匯途徑，能夠起到固碳減排的作用。（3）水熱轉(zhuǎn)換工藝是一種不受畜禽糞污含水率制約，全組分轉(zhuǎn)化有機(jī)成分制備高價(jià)值碳、油、水的糞污資源化處理技術(shù)，從三相產(chǎn)物綜合利用角度出發(fā)，可將生物原油提質(zhì)作為燃油的添加劑[21，26]；可開展畜禽糞便水熱炭在土壤改良[27]、固體酸催化劑、多孔炭及電極等領(lǐng)域的前沿研究[27～28]以及開發(fā)水熱水相制作微生物抑菌劑。

北京地區(qū)在資金、技術(shù)和科研上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，奶業(yè)發(fā)展起步早，近年來受到疏解北京非首都功能影響，其作為都市奶牛養(yǎng)殖的代表性更為突出。借助自身優(yōu)勢(shì)，著力開發(fā)和改進(jìn)適合規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的裝備、技術(shù)，如開發(fā)高效臭氣管理技術(shù)、糞肥科學(xué)還田技術(shù)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)防雨排水技術(shù)，改進(jìn)固液分離和好氧發(fā)酵裝置等，并逐步輻射至京津冀乃至全國各地，解決當(dāng)前奶牛養(yǎng)殖行業(yè)所面臨的生產(chǎn)力和環(huán)境等共性問題。

6 結(jié)論

我國已成為世界第三大產(chǎn)奶國，規(guī)?；膛?chǎng)是當(dāng)前我國生鮮乳商品化生產(chǎn)的主體。提高規(guī)模化奶牛場(chǎng)綜合管理能力、改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和裝備以促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)高效、綠色、可持續(xù)的發(fā)展是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的持續(xù)要求。大地群生的實(shí)踐為奶牛場(chǎng)現(xiàn)代化管理、分級(jí)管理、糞污管理的良好技術(shù)規(guī)范提供了技術(shù)支持，具有一定的借鑒價(jià)值。北京地區(qū)也應(yīng)借助自身資源優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)、裝備和管理上做出示范，并逐步帶動(dòng)京津冀地區(qū)乃至更廣泛范圍。