基于氮平衡的江华瑶族自治县畜禽养殖承载力及饱和度研究

褚明辉，万大娟，石 雪，何宣利

（湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081）

基于氮平衡的江华瑶族自治县畜禽养殖承载力及饱和度研究

褚明辉，万大娟，石 雪，何宣利

（湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081）

采用物质平衡原理，将土壤中吸收与排放的氮元素进行量化，结合江华瑶族自治县畜禽养殖调查现状，开展江华瑶族自治县畜禽养殖承载力及饱和度研究。结果表明：2015年江华瑶族自治县畜禽养殖环境承载力以氮计算为2 164 782头（猪当量），32头/hm2，污染风险指数为0.67，属于低污染风险，但各乡镇污染风险差异显著，分别在-54.67～3.44之间。

畜禽养殖；氮平衡；承载力；负荷指数

氮元素通过土壤自给、人工施肥、农业生产利用、畜禽养殖这些过程处于一个相对平衡的状态，氮元素盈余量等于输入量与输出量之差。氮平衡原理是将研究区域内所有氮元素的转移进行量化，进而判断氮元素的盈余或缺损，并将其转化为畜禽养殖承载量。目前，国内相关报道多为区域性环境承载力或生态功能的研究，基于畜禽养殖开展的环境承载力研究较少。潘瑜春等[1]选取耕地和果园的氮（磷）限量标准，评估了北京市平谷区17个乡镇的畜禽养殖承载潜力及其污染潜势；王奇等[2]以欧盟农业政策中规定的年施氮量为标准，对中国及各省畜禽养殖的允许总量进行了初步估算；孟岑等[3]分析了长沙县面源污染状况，估算了长沙县畜禽养殖业的环境承载力；陈斌玺等[4]将农作物总需氮量作为畜禽粪便氮限制量，计算了海南省畜禽养殖环境承载力。总结以上报道，发现这些研究多采取养分平衡学说，以农田氮总需求量减去土壤提供量来计算区域内畜禽承载力，鲜有考虑化肥施用供氮量，难免会导致区域畜禽养殖承载力估算值偏大。

江华瑶族自治县位于湖南省南端，南岭北麓，潇水源头，属国家南岭山地森林及生物多样性生态功能区，全县地貌类型多样，地势东高西低，以勾挂岭为界，岭东为山区，山峦重叠；岭西为丘陵区，低平狭长，丘岗起伏。全县土壤类型主要为红壤土、黄壤、水稻土。研究以江华瑶族自治县为对象，通过分析计算得到该县农业需求量、土壤供氮量，结合统计年鉴中的能源消耗量引入化肥供氮量，采用修正后的氮平衡原理预测该县畜禽养殖承载力，并结合现状数据计算出2015年畜禽养殖饱和度，为该县畜牧业发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究采用的农业产量、耕地面积、化肥用量、畜禽养殖等数据来源于《江华瑶族自治县2015年统计年鉴》与现状调查数据。

1.2 研究方法

根据区域内农作物生产需氮量与土壤供氮量、化肥施氮量之差估算农用地总氮环境承载量，根据排污系数计算出每年畜禽排泄粪便（尿）中的总氮量，最终将其折算成区域畜禽养殖承载量。计算公式如下：

式中，N为基于氮平衡的畜禽养殖环境承载力（头猪当量）；Yi为第i类农产品年产量（t）；mi为第i类农产品1 t经济产量所需的氮养分量（kg/t）；S为耕地土壤的氮养分提供量（kg）；O为化肥的氮养分提供量（kg）；d为每头当量猪的产氮系数（kg/头）；r为畜禽粪便年利用率。

根据现状数据，计算出全县各乡镇畜禽承载力的污染风险指数，风险指数越高则畜禽养殖承载力饱和度越大，污染风险程度越高。利用Arcgis10.2软件将全县畜禽养殖承载力饱和度可视化。计算公式如下：

式中，Z为2015年研究区内畜禽养殖数量，M为畜禽粪便氮污染风险指数。将M分为5级：M＜0.5说明研究区域农用地无污染风险，0.5≤M＜1说明研究区域农用地属于低污染风险，1≤M＜1.5说明研究区域农用地属于中度污染风险，1.5≤M＜3说明研究区域农用地属于较高污染风险，M≥3说明研究区域农用地属于高污染风险。

2 结果与分析

2.1 农林产品需氮量

2.1.1 农产品研究选择江华瑶族自治县主产的稻谷、小麦、玉米、大豆、薯类、油料、甘蔗、烤烟、蔬菜、水果、果用瓜作为统计对象。选取《肥料手册》中规定的需氮量作为1 t农产品所需的氮养分量，见表1。全县各乡镇种植业产量数据来源于《江华瑶族自治县2015年统计年鉴》，通过计算可得全县主要农产品需氮量为8 934 608.5 kg。

2.1.2 林产品利用畜禽废弃物灌溉周边生态经济林是江华瑶族自治县目前一种常用的利用方式，可达到经济与环境效应的共赢。该方式既解决了经济林地的施肥问题，又避免了畜禽粪便随意乱排污染周边土壤与水体。调查结果表明，有机肥直接施入林地，氮元素含量一般为1.5%左右，林地可消纳畜禽有机肥在2.5～4.5 t/(667m2·a)之间，因此可计算出单位面积林地1 a中需肥氮量为785.5 kg/hm2。结合《江华瑶族自治县2015年统计年鉴》数据，得到全县生态林需氮量为3 328 762.5 kg。

2.2 土壤及化肥供氮量

2.2.1 土壤供氮量（S）查阅文献发现，湖南省红壤、黄壤、水稻土中平均有效氮含量分别为130.22、132.33、141.82 mg/kg[5]，以主要土壤类型所占比例计算出江华瑶族自治县土壤的平均有效氮含量为19.96 kg/667m2。结合《江华瑶族自治县2015年统计年鉴》耕地面积，即可计算得出全县及各乡镇土壤供氮能力，取土壤的养分矫正系数0.5，进一步计算出全县土壤实际供氮能力为4 447 587 kg。

表1主要农产品生长所需氮养分量（kg/t）

2.2.2 化肥供氮量（O）尿素中氮含量在46.4%～47%之间，复合肥中氮含量在13%～16%之间。《中国三大粮食作物肥料利用率研究报告》显示，目前我国水稻、玉米、小麦3大粮食作物氮肥、磷肥、钾肥当季利用率为33%、24%、42%，其中水稻氮肥当季利用率为35%。结合《江华瑶族自治县2015年统计年鉴》所提供的全县各乡镇氮肥、复合肥使用量，计算可得全县化肥供氮量为3 713 523 kg。

2.3 畜禽粪便年利用率

苏文幸[6]的研究结果表明，出栏一头生猪的氮产污系数为3.79 kg/头。研究共调查江华瑶族自治县173家畜禽养殖场，将全县畜禽养殖废弃物处理模式分为直接利用、粪便生产有机肥、简单处理还田、厌氧发酵4种典型处理模式，各模式所占比例见表2。李巧巧[7]的研究表明，畜禽养殖场粪便直接利用的氮损失量在6.5%～%7.8之间；粪便在生产有机肥后，氮损失率在25%～32%之间；粪便经堆肥后农用，氮损失率在之间30%～36%之间；废水经厌氧发酵处理后农用的氮损失率在13%～17%之间。经过加权计算，江华瑶族自治县畜禽养殖粪便氮利用率r取0.5。

表2江华瑶族自治县各类处理方式及氮去除率（%）

2.4 畜禽养殖现状

2015年，全县牲猪年存栏421 003头、家禽存笼3 789 103羽、羊存栏84 001头、牛存栏133 700头、兔存笼12 602只。按不同养殖种类氮元素排污量，将养殖规模统一换算成猪当量，猪、奶牛、肉牛、羊、蛋鸡、肉鸡、鸭、鹅和兔的换算系数分别为1、12.40、7.22、1.42、0.09、0.11、0.05、0.12和0.038。计算可得2015年全县畜禽养殖实际承载猪当量为1 464 013头。

2.5 畜禽养殖承载力分析

根据氮平衡法计算出江华瑶族自治县全县畜禽养殖承载力为2 164 782头（猪当量），全县总耕地面积为29 710 hm2，总播种面积为66 847 hm2，复种指数为2.25，计算出2015年全县农用地可承载的猪当量为32头/ hm2。将全县各村镇的畜禽养殖承载力从小于0到大于15万头（猪当量）划分5个层次，详见图1。

图1各乡镇畜禽养殖承载力

邱乐丰等[8]利用修正的养分平衡法估算出2014年杭州市畜禽养殖环境承载力以氮计为18.20头猪当量/hm2，污染风险指数为0.73；武兰芳等[9]根据农田养分平衡理论，基于农田N收支平衡对比分析了我国两个典型农耕地区山东禹城和湖南桃源的耕地承载畜禽容量，分别为13.8头猪当量/hm2和14.6头猪当量/hm2，禹城略低于桃源；孙国波等[10]等以氮为标准，对比分析了大田作物和蔬菜2种理想种植模式下江苏省农用地畜禽养殖承载力分别为18.3头猪当量和33.8头猪当量。对比分析显示，江华瑶族自治县市畜禽养殖环境承载力在国内处于较高水平。

2.6 畜禽养殖污染负荷分析

研究结果显示，全县畜禽养殖承载力平均污染风险指数为0.67，属于低污染风险，但县内各村镇的畜禽养殖污染风险指数差异显著，分别在-54.67～3.44之间。沱江镇的污染风险指数为3.44，码市镇的污染风险指数为2.37，河路口镇的污染风险指数为1.86，东田镇的污染风险指数为1.72，说明这4个乡镇的畜禽养殖规模极易造成当地农田土壤环境和水环境污染。勾挂岭以西的农区，耕地面积有限，人口集中，畜禽养殖场分布较集中且规模较大，缺乏足够的用于承载畜禽养殖的农用地或林地，可通过空间可达性分析[11]降低运输成本，把超过该地区消纳能力的畜禽粪便转移到务江乡、花江乡、两岔河乡、大圩镇等仍有较大消纳潜力的周边乡镇，降低农区畜禽养殖污染的风险。桥头铺镇和小圩壮族乡的畜禽养殖量接近环境承载力，养殖场空间分布的不均匀也可能导致局部地区环境污染风险升高，应合理限制养殖业的扩大，尽量避免养殖小区的存在，科学规划养殖场的选址，促进畜禽养殖与环境和谐共存。

图2各乡镇畜禽养殖承载力污染风险指数

2.7 畜禽养殖承载力影响因素分析

研究区域内基于氮平衡的畜禽养殖承载力影响因素主要有3个：一是土地利用率，单位面积农产品产量越高则畜禽养殖承载力越高，以白芒营镇、大圩镇、末竹乡为例，反之则越低，以清塘乡、国有林场为例；二是化肥施用强度，化肥施用强度大，导致化肥施用量超过农业生产与耕地负荷，使土地承载过饱和，畜禽养殖承载力小于0，以桥市乡与大石桥乡为例；三是复种指数与种植结构，同种农作物对氮元素的需求量相对稳定，在每季经济产量一致的情况下，复种指数大则农作物年产量高对氮元素的需求量也高，在经济产量相对稳定的情况下，不同类型农作物对氮元素的需求量不同，从而畜禽养殖承载力也因此不同，例如大豆等油料作物对氮元素的需求量最大，粮食作物次之，薯类作物最小[12]。

3 结 论

研究通过氮平衡法计算得出，2015年江华瑶族自治县全县畜禽养殖承载力为2 164 782头（猪当量），32头/hm2，全县畜禽养殖承载力饱和度为0.67，属于低污染风险，但县内各村镇的畜禽养殖污染风险指数差异显著。这一研究结果可为江华瑶族自治县畜禽养殖规模配置、布局调整和空间分布提供科学依据。

[1] 潘瑜春，孙 超，刘 玉，等. 基于土地消纳粪便能力的畜禽养殖承载力[J]. 农业工程学报，2015，31（4）：232-239.

[2] 王 奇，陈海丹，王 会. 基于土地氮磷承载力的区域畜禽养殖总量控制研究[J]. 中国农学通报，2011，27（3）：279-284.

[3] 孟 岑，李裕元，许晓光，等. 亚热带流域氮磷排放与养殖业环境承载力实例研究[J]. 环境科学学报，2013，33（2）：635-643.

[4] 陈斌玺，刘俊专，吴银宝，等. 海南省农地土壤畜禽粪便承载力和养殖环境容量分析[J]. 家畜生态学报，2012，33（6）：78-84.

[5] 林毅青. 基于种养平衡下的湖南省畜禽养殖承载能力研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2013.

[6] 苏文幸. 生猪养殖业主要污染源产排污量核算体系研究[D]. 长沙：湖南师范大学，2012.

[7] 李巧巧. 畜禽养殖环境承载力核算方法研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2014.

[8] 邱乐丰，龙文莉，方豪等. 基于种养平衡的杭州市畜禽养殖环境承载力研究[J]. 自然资源学报，2016，8（8）：1410-1419.

[9] 武兰芳，欧阳竹，谢小立. 我国典型农区耕地承载畜禽容量对比分析[J]. 自然资源学报，2013，28（1）：104-113.

[10] 李艳霞，李 帷，韩 伟，等. 基于GIS的东北农田畜禽粪便施用适宜性分析[J]. 环境科学，2010，31（4）：1092-1100.

[11] 李 帷，李艳霞，杨 明，等. 北京市畜禽养殖的空间分布特征及其粪便耕地施用的可达性[J]. 自然资源学报，2010，25（5）：746-755.

[12] 孙国波，韩大勇，董 飚. 基于氮磷平衡的江苏省畜禽养殖土地承载力研究[J]. 甘肃农业大学学报，2013，12（6）：123-130.

（责任编辑：成 平）

Supporting Capacity and Saturation of Livestock Breeding in Jianghua Yao Autonomous County Based on Nitrogen Balance

CHU Ming-hui，WAN Da-juan，SHI Xue，HE Xuan-li
（College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, PRC）

The principle of material balance was used to quantify the nitrogen absorbed and discharged in the soil, and the supporting capacity and saturation of Jianghua Yao Autonomous County in livestock breeding were investigated, combined with the related status of the county, in this study. The results showed that the environmental bearing capacity of the county in livestock breeding was 2 164 782 pigs (equivalent to nitrogen balance), at 32 pigs /(hm2), and the pollution risk index was 0.67 overall, at the low livestock pollution risk; but the pollution risk was significantly different in different towns of the county, at -54.67-3.44.

livestock breeding; nitrogen balance; bearing capacity; load index

F302.1；X26

：A

：1006-060X（2017）08-0045-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.012

2017-05-21

褚明辉（1992-），男，河南焦作市人，硕士研究生，主要从事生态环境规划与评价研究。

万大娟