人工湿地再利用反刍畜牧养殖场废氮生产生物能源的生态系统服务研究

Biomass energy is an important green energy, which plays an important role in tackling global climate change and energy supply and demand contradictions. Industrial ruminant livestock feedlots (especially dairy cows) have developed rapidly, discharging large amounts of waste nitrogen, polluting water and releasing ammonia and greenhouse gases, which have seriously affected ecosystem and human health. This project intends to construct constructed wetlands as a controllable planting system to utilize wastewater nitrogen from ruminant farms nearby. Through experiments, investigations and models, the efficiency of constructed wetlands in treating wastewater nitrogen from farms and the production potential of biofuels are evaluated, and the time niche complementary effects of biomass production from constructed wetlands and farmland on material supply to power plant raw materials are explored. The effect and mechanism of waste nitrogen utilization on the optimization of ecosystem services were explored. The feasibility of coupling system in different eco-economic zones was evaluated by system dynamics model and cost-benefit analysis. The contribution of bio-energy production by coupling ruminant farms and constructed wetlands to energy security was evaluated by scenario analysis. This study will expand the study of circular economy, provide scientific basis for the win-win strategy of purifying livestock wastewater and producing clean bioenergy at low cost, and also provide new ideas for supply-side management to reduce the impact of ruminant animal husbandry environment.

生物质能是重要的绿色能源，在应对全球气候变化和解决能源供需矛盾等方面发挥重要作用。工业化反刍畜牧场（尤其是奶牛场）迅速发展，排放大量废氮污染水体，并排放氨和温室气体等，严重影响了生态系统健康和人类健康。本项目拟采用人工湿地这一可控种植系统就近利用反刍养殖场废水氮，通过实验、调查和模型，评估人工湿地处理养殖场废水氮的效率及生物燃料生产潜力，并探索人工湿地生产生物质与农田产生物质供给发电厂原料的时间生态位互补效应；研究人工湿地耦合养殖场后系统对反刍养殖环境足迹的消减，探索废氮利用对生态系统服务优化的效应和机理，通过系统动力学模型和成本收益分析评估耦合系统在不同生态-经济区的可行性；利用情景分析评估反刍养殖场与人工湿地耦合生产生物能源对能源安全的贡献度。本研究将拓展循环经济的研究，为实现净化畜牧废水并低成本生产清洁生物能源的双赢策略提供科学依据，也将为供给侧管理减小反刍畜牧环境影响提供新思路。

人工湿地适用于处理分散、多来源的废水，且在处理养殖场的含氮废水的同时可以生产生物质能源。基于已有研究，我们构建了200多个微宇宙，在严格控制条件的模拟人工湿地中处理模拟畜牧污水并生物能源生产潜力。实验结果表明：（1）漂浮人工湿地中，物种丰富度增加了地上和总生物量，地上和地下生物量转化为生物燃料替代化石燃料可减少二氧化碳排放；含水芹的群落具有较低的全球变暖潜力；用漂浮人工湿地中的水培植物生产生物燃料可获得净能量增益（102.2 GJ ha-1 yr-1）。（2）处理铵硝比变化大的模拟畜牧废水时，有高物种丰富度和特定物种的漂浮人工湿地可以实现高稳定脱氮和生物能源生产的双赢。沙基质人工湿地的氮去除稳定性比漂浮人工湿地高46%，但提高物种丰富度可使漂浮人工湿地的稳定性与沙基质相当；芦苇或香蒲漂浮人工湿地的脱氮效果和稳定性与沙基质人工湿地相当。（3）处理含有碳纳米管的模拟畜牧废水时，碳纳米管降低了芦竹、白花紫露草和吉祥草单种的生物能源生产，但使混种生物质产量增加了一倍；有碳纳米管的群落中存在芦竹将单位氮去除的增温潜势降低23%。（4）不同基质的人工湿地在处理硝氮污水时，植物多样性可以抵消粗砂微宇宙在生态系统服务上的不足。粗砂微宇宙中混种的净生态系统服务（1033元ha-1d-1）与细砂微宇宙（1071元ha-1 d-1）相当。含有适宜物种的高丰富度粗砂微宇宙还有助于缓解人工湿地的堵塞。（5）工业化奶牛养殖场耦合工业化种植系统能提高经济收益。工业化奶牛养殖场与人工湿地相结合可以减少53%的水污染，并将GHG和NH3排放减少30%。全封闭牛舍耦合温室大棚后，净私人收益增加34%，减少33%的GHG和38%的氨排放，进而使净社会收益增加50%，具有社会经济可行性。本项目拟采用人工湿地这一可控种植系统再利用奶牛养殖场废水所含氮，将拓展循环经济的研究，并为低成本生产生物能源、减小养殖场能源成本的双赢提供科学依据。