基于磷平衡核算的畜禽粪便农田消纳研究

胡春明 朱祺 李曜 刘平 张微

（1.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；2.江西省科学院，江西南昌 330096）お

摘要

畜禽粪便在我国普遍作为肥料还田，但过量施用将带来面源污染。确定合理的施肥量，使得畜禽粪便在周边农田消纳的同时不带来环境风险。以北京市某种猪场为例，研究该猪场粪肥施入后农田磷平衡。综合肥料施入、秸秆还田、干/湿沉降、种子含磷等输入源以及作物收获、径流淋溶及土壤侵蚀等输出源，同时考虑农田合理磷盈余，计算得出该种猪场周边农田最佳磷施入量为46.45 ﹌g/(hm2·年）。该猪场实现种养平衡所需农田面积为50.48 hm2。该研究可为养殖场的粪便消纳及选址提供一种较可行的判定方法和思路。

关键词 磷平衡；畜禽粪便；农田负荷量；种养平衡

中图分类号 SB153.6文献标识码 A文章编号 0517-6611（2014）19-06210-02

Phosphorus Balance of Manure and Farmland Load in a Breeding Farm

HU Chun瞞ing et al

(Research Center for Eco睧nvironmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085)

Abstract Dung from breeding farm was widely used as fertility in farmland. However, superfluous dung would cumulate in the farmland and turn into latent contamination to surface water and ground water. Therefore, it is significant to ascertain the reasonable quantity of dung fertilized on the farmland. In this paper, a swine breeding farm was studied to discuss the phosphorus balance of manure and farmland load. Three aspects were considered in the phosphorus balance. 1) The phosphorus imputes from dung, straw manure, atmospheric deposition, and seed. 2) The phosphorus output by crop harvest, eluviating and corrading. 3) Reasonable residual phosphorus. Results show that the proper phosphorus load of farmland was 46.45 kg/(hm2·yr), and 50.48 hm2 farmland were needed to receive all the dung from the swine breeding farm. This study provides a feasible means to estimate the balance between farmland and breeding farm.

Key wordsPhosphorus balance; Dung from breeding farm; Manure load of farmland; Balance between farmland and breeding farm

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作者简介

胡春明（1982-），男，江西遂川人，工程师，博士，从事生态工程技术研究及环境影响评价工作。

收稿日期 20140603

畜牧业一直是我国的主要产业之一，2012年全国畜牧业总产值达27 189.4亿元，占第一产业总产值的30.4%［1］。畜禽养殖在满足人们物质需求的同时，也产生大量的畜禽粪便。畜禽粪便中含有丰富的养分。堆沤作为肥料还田已有数千年的历史。我国养殖场对畜禽粪便的处理方式主要包括传统堆沤还田、工厂化处理和沼气发酵处理。这3种方式处理的粪便分布分别占养殖场粪便总量的49.90%、8.73%和13.70%，另有15.90%的粪便未经处理［2］。

我国华北平原是典型的长期施肥耕种的农田生态系统，磷平衡状况受人为影响非常得大。华北平原高产田土壤有效磷含量正在以年均0.031 mg/kg的速度增加，北方菜田土壤有效磷高达 171 mg/kg，远远超过国际上 60 mg/kg的环境临界值。随着今后氮肥和磷肥的继续大量施用，土壤中氮素和磷素养分会继续累积，造成更大的环境污染风险［3］。因此，确定农田负荷量，实现土地消纳能力与养殖场粪污量之间的种养平衡是养殖场选址和规模确定的关键，也是环境污染防治的关键。

在实际选址以及环境影响评价等工作中，农田负荷量一般参照经验数据进行估算，缺乏科学依据。以北京某养猪场为例，笔者以磷元素为目标进行平衡核算，探讨维持养殖场与农田种养平衡所需的土地面积，以期为建设部门、决策部门以及环境影响评价部门提供参考。

1 材料与方法

1.1 项目区概况

项目位于北京市顺义区。顺义区位于北京东北部，地理坐标在116°29′~116°59′ E，40°~40°23′ N。区域属于暖温带半湿润大陆性季风气候区。冬冷夏热，冬干夏湿，春暖秋凉，四季分明。年平均气温11.9 ℃，最热月7 月平均气温25.7 ℃，最冷月1 月平均气温-4.9 ℃。无霜期年均195 d。年降水量变化较大，年平均降雨量603.1 mm。

1.2 养殖场概况

项目为种猪场，规模为600头基础母猪，总存栏量为647头，空怀母猪131，后备母猪40，公猪6，后备公猪1，妊娠母猪333，哺乳母猪136。

种猪场采用干清粪工艺，粪污水经“厌氧+生态”工艺处理后用于农田灌溉，粪便、污水处理产生的底泥经堆肥后作为有机肥施用于农田。因此，该种猪场所产生的绝大部分污染物最终都将由农田予以消纳。

1.3 周边农田概况

项目区周边地势平坦，农田数量较多。调查显示，约85%面积的农田种植玉米，其余15%种植花生、蔬菜等作物。

周边农田耕作周期为每年种植一季玉米，冬季不种小麦。

2 结果与分析

2.1 农田系统磷循环

磷在农田土壤中的循环［3］是一个开放的过程。磷的天然储库是磷矿石。磷矿石分解可为农田土壤带来小部分磷素，但农田土壤中磷素最主要的来源还是人工施入。当磷素进入土壤后，大部分因固定作用在土壤中累积成为不溶性磷，另有小部分溶解于土壤溶液中。当土壤溶液中溶解性磷被作物吸收后，不溶性磷可在土壤化学作用、微生物作用以及矿化作用下迅速转化为溶解态的有效磷。而被土壤固定的磷则有相当一部分随着径流淋溶、土壤侵蚀等过程从农田生态系统中迁移至河流、湖泊等水体［4］。

图1所示的磷循环过程是以农田土壤为研究对象。在实际耕作中，若以农田生态系统为研究对象，P输入源还包括作物种子携入、大气湿沉降等途径，而P输出源则包括作物收获、径流淋溶、土壤侵蚀等［5-6］。所有这些途径共同作用形成一个围绕着农田生态系统的平衡。若输入量大于输出量，则导致农田磷盈余，反之则形成磷亏损。

图1 农田土壤磷素循环示意图

2.2磷平衡核算

养殖场与农田的种养平衡，实质是在允许一定盈余基础上的元素平衡。以P为例，农田内P元素需满足输入量=输出量+盈余量，再细化到各输入源、输出源，即为肥料含量+秸秆还田+种子含磷量=作物收获含磷+径流淋溶损失+合理P盈余。

我国农田土壤磷含量在20世纪50年代约为 10mg/kg，60年代中期至70年代末期降至 4mg/kg［7］。自80年代以来，随着大量磷肥的投入，我国农田磷盈余不断增加，90年代初期和末期分别达到 23.8、33.7 kg/hm2，一些经济作物种植体系磷盈余增加得更多，如有些设施菜田每年磷盈余达到1 801 kg/hm2［8］。鲁如坤等［9］对我国南方6省的农田平衡状况进行研究，发现南方农田磷素普遍处于盈余状态。

国际上，对农田的磷施入量也有相关探索。有些国家制定了每年粪便磷的施用限量，如挪威、瑞典和爱尔兰为了减少磷盈余损失的转移污染，分别规定每年粪便磷的最高盈余量为 35、22和40 kg/hm2［10］。荷兰由于磷污染较严重，法令还严格限制农业生产中畜禽粪便磷与化肥磷施用量，从1987年以来规定的限量标准不断提高，农田系统中磷的容许最高施用限量标准由 125.0 kg/hm2提高到 80.0 kg/hm2，许可的最大盈余限量标准由40.0 kg/hm2提高到20.0 kg/hm2［11-12］。

针对该项目具体情况，以1 hm2农田为研究区域，设每年往该区域内施肥的磷输入为玐 kg/hm2；磷盈余量参考荷兰的标准确定为20.0 kg/hm2。此外，平衡核算中做以下假定：由于各作物的植物体和种子的含氮量相差不大，且该项目周边土地的玉米种植面积占绝对优势，在“种子含磷量”和“作物收获含磷量”估算中，作物按100%种植玉米处理。基于以上假定，1年内磷平衡分析如表1所示。经计算，1 hm2农田中养殖场粪肥较适宜的磷输入量为46.45 kg/年。

2.3 种养平衡核算

该种猪场位于我国华北地区，猪群种类以妊娠阶段的母猪为主，后备母猪、公猪数量占全场总数量的比例较小。该种猪场总污染物产生量按妊娠母猪的产污系数进行估算。根据《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》中参数，华北区每头妊娠阶段母猪的全磷产生量约为9.93 g/d。由此可知，全场647头猪的全磷产生总量约为2 345.02 kg/年。

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表1项目区域农田（1 hm2）年内磷平衡分析

项目 输入源 序号 P含量kg 备注

输入源 养殖粪肥 1# 玐 1#+2#+3#+4#=5#+6#+7#

秸秆还田 2# 3.60 秸秆还田比例按50%计，秸秆具体数值见本表5#

干/湿沉降 3# 0.25 沉降系数取0.25 kg/hm2［13］

种子含磷 4# 0.15 玉米播种量45 kg/hm2，含P量0.33%［6］

输出源 作物收获 5# 24.45

玉米产量取7 500 kg/hm2；秸秆产量取9 000 kg/hm2；玉米含P量取0.23%；秸秆含P量取0.08%［5］

径流淋溶及土壤侵蚀 6# 6.00 径流淋溶及土壤侵蚀引起的磷损失系数取6 kg/hm2［14］

P盈余7# 40.00

基于磷平衡核算结果，发现该项目周边农田较适宜的年磷素施入量为46.45 kg/hm2。因此，为消纳该种猪场所产生的粪肥，需要的土地面积为50.48 hm2。

3结论与讨论

农业面源污染已成为影响水环境质量的重要因素［15］。美国水体生态系统中的磷素有33%源于家畜养殖［16］；欧洲国家的地表水污染负荷有24%~71%来源于农业面源［17］；我国许多流域富营养化程度的逐步升级在很大程度上同样是由流域农田肥料用量大幅增加所致［18］。由于我国农田肥料输入普遍偏高，农业面源污染已得到越来越多的关注。而“十二五”总量控制指标中氨氮的提出，更是表明我国对水环境污染的担忧。在这一形势下，切实做好种养平衡，合理施肥以减少农业面源污染具有现实意义。

在实际工作中，种养平衡大多采用经验系数法进行估算。对农田负荷量估算偏高，使得粪肥进入农田后成为潜在的污染源。通过磷平衡核算，得出该项目周边农田较适宜的年磷素施入量为46.45 kg/hm2，符合荷兰等西方国家为防止磷肥对水体造成污染而设置的80 kg/hm2的使用限值。

农田的养分平衡受到作物种类、农业周期、地域气候、土壤性质等的影响［19］，而我国幅员辽阔，不同区域的实际情况之间相差极大。在实际种养平衡核算中，最优的方法是以相应的标准和研究成果为参照值，结合当地农业实际情况开展元素平衡核算，明确最佳的农田粪肥施入量，从而切实解决畜禽养殖污染的农田消纳问题。

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