山区旱地猪—沼—粮(玉米)循环模式的研究与效益评价

徐 燕，彭方明，霍仕平*，邱诗春，张世平

(1.重庆三峡农业科学院，重庆 404155； 2.重庆市山地生态农业工程技术研究中心，重庆 404155；3.重庆三峡职业学院，重庆 404155)

我国种植业作物秸秆和养殖业畜禽粪便等废弃物很多。据统计每年秸秆产量达7～8亿t[1]，其中玉米秸秆达80%[2]；畜禽粪便排放量26.1亿t[3]，其中猪粪、牛粪占畜禽粪便总量的79%[2]。近年来，以沼气为纽带，人畜粪便及秸秆为原料，沼渣、沼液为肥料种植粮食(果、蔬)的循环模式逐渐应用普及，既节省了燃料成本，减少化肥和农药用量，又降低了环境污染。邓旭先[4]以沼气为纽带，把养殖业、种植业以及加工业紧密结合起来，构建猪—沼—粮(果、菜)循环农业模式，平均节约标煤150 t/hm2，节省化肥0.6 t/hm2。汪家铭[5]测算，每千克秸秆可制气2.2 m3，每吨秸秆可替代0.7 t煤炭。但胡明秀[6]认为我国种植业每年有近1.0×109t的农业废弃物(秸秆)未能资源化利用。

随着农村生产生活方式的改变，种植业废弃物越来越多，焚烧作物秸秆仍较普遍，既造成物质浪费，又污染环境。秸秆直接还田虽可增加土壤有机质含量，增加土壤肥力，但C/N过高，不利微生物分解。土壤中细菌真菌数量比率(B/F)愈低，则土壤环境相对较好，微生物类群及数量趋于均衡[7]。沙涛等[8]研究表明，植物残体能促进土壤真菌数量增加；崔俊涛等[9]和周艺敏等[10]的试验表明，玉米秸秆还田能促进土壤微生物数量增加，对真菌的促进作用大于细菌，使细菌与真菌数量比发生变化。李桂芳等[11]研究发现，施用发酵肥+秸秆对土壤微生物的促进作用比单施发酵肥或单施秸秆更好。

在我国西南山区，旱坡地以种植粮食作物玉米为主，籽粒主要用作畜禽饲料，秸秆主要作燃料。三峡库区是一个以农业人口为主的贫困落后地区，生态环境极度脆弱，环境质量很差，随着规模化种、养殖业的迅猛发展，种植业废弃物和畜禽养殖产生的污染问题会日益凸显。近年来，为推进新农村建设，一些地方通过实施沼气工程，将种、养殖业有机结合起来，建立起生态种、养殖循环模式，极大促进了农村经济社会和谐发展、可持续发展。本研究针对山区农业种养殖业特点，开展了以沼气为纽带，以猪粪尿、玉米秸秆等农业废弃物资源化利用为核心，集养殖、能源、种植为一体的循环模式研究，并进行了效益评估。

1 材料与方法

1.1 研究地点

本研究于2008～2014年在重庆三峡农业科学院梁平试验基地内进行。该基地属于四川盆地东部平行岭谷区，地势平坦向阳，海拔765 m，土壤为石灰岩黄壤，土层厚而粘重。试验前土壤状况为：pH值5.6，有机质9.56 g/kg，碱解氮30.51 mg/kg，有效磷 16.31 mg/kg，速效钾 83.90 mg/kg；总孔隙度38.57%，容重1.76 g/cm3，1～0.25 mm团聚体16.25%，田间持水量18.13%；土壤微生物数量为细菌1.52×105cfu/g、真菌0.42×105cfu/g、放线菌5.16×105cfu/g、微生物总数7.11×105cfu/g。

1.2 模式设计

模式设计总体思路是：玉米籽粒经过养猪转化，猪粪尿及玉米秸秆经过沼气化处理，将沼液、沼渣还田，构成猪—沼—粮(玉米)循环系统。以0.66 hm2一整块地为基础，从2008年开始，种植的玉米籽粒作为养猪精饲料，于每年3月开始饲喂55 d崽龄(重量约26 kg/只)的仔猪28只，饲喂前将每只仔猪称重编号并标记挂牌。将28只仔猪分成4组，每组7只，分别圈养在4间面积(5 m×4 m)相等并相邻的圈舍中。在圈舍下方修建一个专用沼气池，大小为6 m×5 m×2 m。将28只猪产生的粪便全部汇入沼气池，玉米秸秆和玉米芯用秸秆粉碎机粉碎后倒入沼气池，沼气作为基地食堂燃料。

根据猪生长过程的食量需求适时添加玉米精饲料数量，直到玉米饲喂完毕后将猪一次性全部出栏。按照当地饲养场养殖经验，每只猪需要的玉米总量约200 kg，喂养时间约150 d。

供试玉米品种为“露新23”，一年只种植一季玉米。4月上旬播种，密度48 000株/hm2。玉米生长过程中，施一次底肥和3次追肥，每次施肥用沼气池粪水225挑(约50 kg/挑)。每年10月，将沼气池粪渣捞出，运至试验地并均匀撒在地表上，然后用中型拖拉机进行深翻耕炕土，播种前15 d再进行旋耕平整。

供试地块2008～2010年每年施用过磷酸钙500 kg，复合肥250 kg，尿素400 kg；2011～2012年每年施用过磷酸钙500 kg，复合肥200 kg，尿素350 kg；2013～2014年每年施用过磷酸钙500 kg，复合肥180 kg，尿素300 kg。其它田间操作同大田生产管理。

1.3 测定方法

于每年3月上旬(播种前1个月)用5点法取0～20 cm耕层土样分析土壤理化特性和微生物状况，测定项目包括有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH值、团聚体、田间持水量、容重、总孔隙度及微生物数量。土壤有机质采用油浴加热—K2Cr2O7容量法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用Olsen法(NaHCO3法)，速效钾采用NH4OAc-火焰光度法测定[12]；pH值采用电极法测定；微生物数量测定采用稀释平板计数法[13]，结果以每克干土中所含微生物数量表示，其中细菌培养采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌培养采用马丁氏(Martin)培养基，放线菌培养采用高氏1号培养基。每样品测定3次，取其中最接近的两次数据的平均数。

1.4 效益评价方法

根据土壤检测结果分析猪—沼—粮(玉米)循环对土壤养分含量、物理特性及微生物群落的影响，分析循环的生态效益。

按以下方法计算循环的相应经济效益。

沼气效益(元/年)=循环前使用燃煤所需开支-循环后使用燃煤所需开支

种植效益(元/年)=循环前使用化肥开支-循环后使用化肥开支

养殖效益(元/年)=商品猪价值-仔猪成本-玉米价值-人工费-圈舍折旧费，其中玉米价值=玉米产量×当地玉米市价。

按照全国农业技术推广中心[14]和唐红英等[15]的有关参数和方法计算秸秆价值。然后计算综合经济效益和单位面积综合经济效益。

秸秆价值(元/年)=[当年玉米籽粒产量(kg)÷0.4(玉米收获系数)]÷5×当年燃煤单价(元/kg)

综合经济效益(元/年)=沼气效益+养殖效益+种植效益-秸秆价值

单位面积综合经济效益(元/hm2)=综合经济效益(元)/0.66 hm2

1.5 数据统计分析

用DPS 7.05数据处理系统，用t法对成对数据间的差异显著性进行检验。

2 结果与分析

2.1 猪—沼—粮(玉米)循环对土壤生态环境的影响

2.1.1 对土壤养分含量的影响

从表1可见，随着循环次数增加，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均呈上升趋势。经过7次循环后，到2014年，土壤有机质含量由9.56 g/kg上升到20.62 g/kg，增加115.69%，差异极显著(t=3.79>t0.01)；碱解氮含量由30.51 mg/kg上升到83.59 mg/kg，增加173.97%，差异极显著(t=3.97>t0.01)，有效磷含量由16.31 mg/kg上升到34.62 mg/kg，增加151.87%，差异显著(t=3.00>t0.05)；速效钾含量由83.90 mg/kg上升到182.23 mg/kg，增加117.19%，差异极显著(t=4.43>t0.01)。表明长期进行猪—沼—粮(玉米)循环显著提高了土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，改善了土壤养分供应状况。

表1 各年份土壤(0～20 cm)养分含量检测结果

注：*和**分别表示自由度为6时，在5%和1%水平上存在显著性差异(下同)。

2.1.2 对土壤主要物理特性的影响

从表2看出，经过7次循环后，到2014年土壤1～0.25 mm团聚体由16.25%提高到30.56%，增加88.06%，差异极显著(t= 7.41 >t0.01)；土壤田间持水量由18.13%提高到29.06%，增加60.29%，差异极显著(t=7.34>t0.01)；土壤总孔隙度由38.57%提高到58.08%，增加50.58%，差异极显著(t=4.25>t0.01)；容重由1.76 g/cm3降低到1.41 g/cm3，减小19.88%，差异显著(t=3.57>t0.05)。表明长期进行猪—沼—粮(玉米)循环，土壤大粒级团粒数增加，气孔结构改善，内部孔隙增多，显著改善了土壤结构和通透性。

表2 各年份土壤(0～20 cm)主要物理特性检测结果

2.1.3 对土壤微生物的影响

从表3可见，随着循环次数增加，土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总数均呈上升趋势。经过7次循环后，到2014年，土壤细菌总数由1.52×105cfu/g增加到2.95×105cfu/g，增加94.08%，差异显著(t=3.51>t0.05)；真菌总数由0.42×105cfu/g增加到1.23×105cfu/g，增加192.86%，差异极显著(t=5.50>t0.01)，B/F比值由3.61降为2.39；放线菌总数由5.16×105cfu/g增加到8.86×105cfu/g，增加71.71%，差异极显著(t=4.13>t0.01)；微生物总数由7.11×105cfu/g增加到13.05×105cfu/g，增加83.54%，差异极显著(t=3.80>t0.01)。表明长期进行猪—沼—粮(玉米)循环显著提高了土壤微生物数量，增加了有益微生物数量。

表3 各年份土壤微生物检测结果 ( ×105cfu/g)

综上结果表明，长期进行猪—沼—粮(玉米)循环，可以为土壤提供大量的可溶性有机碳、氮物质，促进土壤微生物特别是有益微生物数量的增加及土壤酶的积累，加速腐殖质的形成，增加土壤团粒结构，降低容重，加大土壤通透性，显著改善土壤的物理性状。同时，随着微生物数量增加，微生物活性不断加强，加快了土壤有机物和难溶态物质的活化与分解，显著提高了土壤有机质、氮、磷、钾含量。由此可见，猪—沼—粮(玉米)循环能够显著改良土壤结构，提高土壤营养水平，持续提升地力，促进了土壤生态环境的良性循环。

2.2 经济效益评价

2.2.1 沼气效益

按当年实际燃煤价格、运费和人工搬运费，将实施猪—沼—粮(玉米)循环前、后供试地块各年份使用燃煤的经费开支计算入表4。从表4可看出，实施猪—沼—粮(玉米)循环后，产生的沼气用作部分燃料，燃煤使用数量及经费开支额度总体上呈下降趋势，2008年减少燃煤2.5 t，减少开支1 325元，减幅16.67%；2014年减少燃煤6.5 t，减少开支3 737元，减幅43.32%。与2007年相比，自2010年后，平均每年减少燃煤用量6.24 t，减少经费开支32.09%。

表4 各年度燃煤使用情况对照表

注：燃煤单价包括燃煤价格和运费。用量和金额以供试地块0.66 hm2计算。

2.2.2 种植效益

从表5可以看出，供试地块2011、2012年每年减施复合肥50 kg，尿素50 kg；2013、2014年在2012年基础上每年再减施复合肥20 kg，尿素50 kg。尽管磷肥用量保持不变，且磷肥和尿素单价呈上涨趋势，但从2011年开始，由于复合肥和尿素用量减少，生产投入总体上呈下降趋势。其中2011、2012年每年比2008～2010年投入平均数减少300元，平均减少450元/hm2，减幅达13.16%；2013、2014年每年比2011、2012年再减少投资145元，平均减少217.5元/hm2，减幅达7.32%，比2008～2010年投入平均数减少445元，平均减少667.5元/hm2，减幅达19.51%。2014年投入1 835元/年，与2008年投入2 280元/年相比较，总计减少投入445元/年。

表5 种植玉米生产投入核算表

注：肥料用量、投入合计以供试地块0.66 hm2计算。

尽管年度间因温度、降水量和光照有差异，供试地块玉米产量出现一定波动，但总产量基本保持在6 000 kg左右(表6)，其中2012年产量最高，达6 702.9 kg，即在减少化学肥料用量(复合肥减28%，尿素减25%)和降低投入成本13%～20%的情况下，玉米产量仍然保持原有水平。说明实施猪—沼—粮(玉米)循环保护了土壤良好的生态环境和再生产能力，有效提高了种植效益。

2.2.3 养殖效益

从表6可以看出，2008～2014年，供试地块累计生产玉米43 089.2 kg，如以商品玉米直接出售只能产生价值99 395.87元。通过养猪转化后，出售商品猪41 245.6 kg，分年扣除仔猪重量后，累计新增商品猪36 114.6 kg，出售商品猪产生价值706 657.04元，分年扣除购仔猪成本、养殖人工费用、圈舍折旧费后，新增效益187 283.17元，比直接出售商品玉米新增效益87 887.30元，平均每年增加18 832.95元/hm2，增长88.44%。

由于年度间玉米产量、商品猪生长速度及出售数量、仔猪及商品猪价格存在差异，加上养殖人工费用上涨，导致养殖效益年度间差异较大，2012年达到34 834.80元，主要是因商品猪价格大幅上涨(比2010年增长16.7%)，2010年和2013年只有21 000元左右，除猪价相对其它年份略低外，主要是养殖人工费用大幅增长，其余年份稳定在25 000元左右。

表6 各年度养殖效益核算表

注：新增效益(元)=出售商品猪价值-(玉米价值+仔猪成本+养殖人工费用+圈舍折旧费用)。以供试地块0.66 hm2计算。

2.2.4 综合经济效益

猪-沼-粮(玉米)循环实施前(2007年)，供试地块玉米产量6 086.5 kg，由于未进行养猪转化，秸秆也未进行沼气化利用，无养殖效益和沼气效益，且种植玉米也未减少化肥用量，因此综合经济效益为零，其余各年度综合经济效益结果列于表7。从表7可见，实施猪—沼—粮(玉米)循环，将玉米籽粒用于养殖转化，秸秆实施沼气转化，无论有无种植效益，供试地块综合经济效益比实施循环前(2007年)增加22 568.99～36 591.30元，平均每年28 315.44元，每公顷土地增加效益42 473.1元，比循环前增长19.38倍(循环前仅有玉米秸秆折合燃煤能产生2 191.2元/hm2价值)，效益十分显著。

循环期间，2011、2012年综合经济效益分别达到35 210.12和36 591.30元，2010年和2013年为23 000元左右，综合经济效益高低主要取决于养殖效益。

表7 模式综合经济效益

3 讨论与结论

关于作物秸秆还田对土壤肥力及物理特性的影响已有大量研究[16-19]，结果表明，长期进行玉米秸秆还田能增加土壤有机质含量，降低土壤容重，提高土壤田间持水量和土壤孔隙度，同时增加土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾含量，但这些研究秸秆利用方式单一。本研究连续进行7年猪—沼—粮(玉米)循环转化，对土壤养分状况及物理特性实施动态检测。结果表明，随着循环次数增加，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量及土壤团聚体、田间持水量和总孔隙度均呈逐渐上升趋势，容重呈逐渐下降趋势。同循环前比较，经7次循环后土壤有机质、碱解N、有效P和速效K含量分别提高115.69%、173.97%、151.87%和117.19%；土壤团聚体、田间持水量和总孔隙度分别增加88.06%、60.29%和50.58%，容重减小19.88%。表明将玉米秸秆经沼气转化后同样具有显著提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，改善土壤养分供应状况和物理特性的作用。

自然界中微生物履行着主要分解者的作用，是大自然元素的平衡者。由于土壤微生物自身含有一定量的C、N、P、S、K等营养元素，当微生物个体死亡分解后，这些元素可被植物吸收利用，因此土壤微生物是土壤的重要组成部分和最活跃的部分；另一方面，土壤微生物还可通过自身生命活动促进土壤中营养物质的循环，提高土壤肥力。作物秸秆或农业废弃物还田会影响土壤微生物种群、数量和活性，沙涛等[8]试验表明,施加7 500 kg/hm2小麦秆糠、9 000和15 000 kg/hm2玉米秆糠都显著或极显著地增加20～40 cm耕作层中微生物的数量。崔俊涛等[9]、周艺敏等[10]试验表明，在土壤中加入玉米秸秆后，微生物数量增加，且真菌数量增加更快，细菌与真菌的数量比(B/F)由1.42 降低到1.25[9]，土壤微生物区系由细菌型向真菌型转化[9]。这些研究均以玉米秸秆直接还田，虽能增加土壤微生物数量，增大微生物活性，但C/N过高，不利微生物分解[10]。本研究通过连续多年进行玉米秸秆沼气化处理，用沼液、沼渣还田，并对土壤微生物菌群和数量实施了动态检测，结果表明土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总数均呈逐渐上升趋势。经7次沼液、沼渣还田后，土壤细菌总数、真菌总数、放线菌总数和微生物总数分别增加94.08%、192.86%、71.71%和83.54%，差异显著和极显著；细菌真菌数量比由循环前的3.61降为循环后的2.39，比值绝对值远大于崔俊涛等[9]的试验结果，这可能和本研究采用的土壤类型、还田方式、还田次数与崔俊涛等[9]的试验存在差异有关。表明长期进行猪-沼-粮循环，通过沼液、沼渣还田同样可以显著增加土壤微生物数量，特别是真菌数量，从而加快了土壤有机物和难溶态物质的活化与分解，促进了土壤生态环境的良性循环。

目前，国内已启动了一些循环农业发展模式[20-21]，通过农业废弃物资源化循环利用，不仅可以提高土壤肥力，改善土壤养分供应状况和物理特性，减少环境污染，还能节约成本，增加经济效益。本研究将玉米籽粒通过养猪转化后，平均每年每公顷新增经济效益18 832.95元，比直接出售商品玉米增长88.44%；综合经济效益平均每年每公顷土地增加42 473.1元，比循环前增长19.38倍。进一步证明充分利用农业种养殖业废弃物，实施生态循环农业，更能促进种植、养殖业发展，提高土壤肥力，节约生产成本，增加经济收入。