青岛市畜禽粪便负荷量和土地承载力研究

王建华，李培培，张宝王旬，冯永胜，刘迎春，孙友德，任景乐，程 明，杨培培，衣服德，檀学进

（青岛市畜牧兽医研究所，山东青岛 266100）

近年来，青岛市畜牧业规模化、集约化、现代化比重不断提高，初步构建了都市型高端特色现代畜牧业发展体系。然而畜牧业在保障畜禽产品供给的同时，也带来了畜禽粪便利用不当导致的潜在环境污染问题。为此，国家、各省市开展了农业污染减排工作，重点是规模养殖场污染治理。2016年12月，习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上提出了加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化。随后，国务院办公厅出台了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》、农业部印发《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》等一系列文件，如何实现规模养殖与生态环境保护的协调可持续发展，已经成为亟待解决的问题。因此，畜牧业和种植业相结合、作物种植面积和畜禽养殖数量相匹配，根据土地承载力确定畜禽养殖规模和空间分布，已成为青岛畜牧业可持续发展的紧迫任务。

本文应用畜禽粪便土地承载力的相关研究方法，结合青岛市畜牧业发展情况，估算全市畜禽粪便排放量和农田负荷量；评估了各区市农田畜禽粪便污染风险，测算了青岛市畜禽粪便土地承载力，为青岛市畜禽养殖区域科学合理布局、促进畜牧业绿色转型、推进种养结合及生态循环可持续农业发展提供重要技术和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 基础数据 为掌握实际生产中畜禽群体结构、饲养周期、排泄系数等数据，青岛市畜牧兽医研究所成立了畜牧业污染及环境承载力调研小组，针对全市主要畜禽（生猪、奶牛、肉鸡、蛋鸡和羊）开展了调研，畜禽群体结构、饲养周期等根据调研结果确定。

1.1.1 青岛市畜禽存栏、出栏情况 畜禽养殖量情况见表1。年均养殖数量根据畜禽种类和饲养周期分别确定[1]，其中，猪：生猪按出栏量计，能繁母猪按存栏数量计算。牛：奶牛按存栏数计算。根据调研，产奶牛存栏比例55%，育成牛和干奶牛占总存栏量的45%；肉牛按存栏量计算。羊：出栏全计。根据调研，存栏山羊基础母羊比例42%，存栏绵羊基础母羊比例为38%。家禽：肉鸡根据出栏数、蛋鸡根据存栏数进行计算；鸭根据出栏数据计算；鹅按存栏数计算。兔：出栏全计。根据调研得知，基础母兔占存栏量的20%。

1.1.2 畜禽饲养周期 奶牛、能繁母猪、肉牛、蛋鸡、基础母羊、鹅、基础母兔的饲养期按365 d计算；其他畜禽的饲养周期根据调研确定：生猪200 d、肉羊180 d、兔70 d、肉鸡和肉鸭42 d。

表1 青岛市2016年畜禽存栏、出栏情况

1.1.3 畜禽排泄系数 目前关于畜禽粪便排泄系数的报道存在差异[1-5]，本文兔排泄系数由康大集团提供，肉牛、鸭的排泄系数分别参考文献[2,6]，其余畜禽排泄系数根据调研结果确定，具体见表2。

表2 畜禽粪便排泄系数 kg/d·只

1.1.4 青岛市农作物种植面积 2016年，青岛市农作物播种面积68.95万hm2，园林水果、瓜果类水果总面积2.72万 hm2，茶园0.43万 hm2，见表3。粮食产量为321.4万t，蔬菜产量为579.10万t，水果产量为96.95万t，花生产量为118.73万t，2016年农作物年产量见表4。

表3 青岛市2016年农作物种植面积万 hm2

表4 青岛市2016年农作物产量 t

1.2 测算方法

1.2.1 畜禽粪便排放量 畜禽粪便排放量[7]即畜禽每天排泄的固体粪便和尿液量乘以该畜禽的饲养周期以及养殖数量，测算公式：

式中，TMi为第i种畜禽粪便排放量，单位为t； Mi为排泄系数，单位为kg/d·只；Di为饲养期，单位为d；Ni为养殖数量，单位为头或只；i表示畜禽种类，i=1，2，3……n。

1.2.2 粪便中养分含量 畜禽粪便中有机质、氮、磷等含量基本保持稳定，根据国家环保总局自然生态保护司推荐的数据[2]，并参考文献[8]得到畜禽鲜粪便主要养分、污染物含量，见表5。

表5 畜禽鲜粪尿中养分、污染物平均含量 kg/t

粪便中养分含量计算公式：

式中，MNP为粪便中养分含量，单位为t；Ci为单位质量粪便污染物含量，单位为kg/t。

1.2.3 畜禽粪便负荷量

1.2.3.1 猪粪当量换算系数 畜禽粪便负荷量指单位面积土地能够消纳的畜禽粪便量。由于各类畜禽粪便的肥效、养分差异较大，依据国家环保部以猪粪农田施用量来计算耕地负荷的方法，先将各类畜禽粪便按含氮量统一换算成猪粪当量，用具有可比性的数据来计算青岛市农田畜禽粪便负荷量。换算系数见表6[9]。

1.2.3.2 农田畜禽粪便、养分负荷量 畜禽粪便排放量、养分含量除以区域农田面积，得到单位农田粪便、养分负荷量，计算公式[10]：

表6 猪粪当量的换算系数

式中，Maverage为农田畜禽粪便养分负荷量，单位为kg/hm2；Areatotal为有效农田面积，单位为hm2。

1.2.4 环境风险评估 运用养分收支平衡法来评价畜禽粪便是否污染环境。根据国家环保总局[2]、杜娟等[6]研究方法，用畜禽粪便养分排放量与地区作物养分需求量相比较（不考虑化肥），得出畜禽粪便养分与农作物氮、磷需求量的比值，用以评价现有农田是否能完全消纳畜禽粪便，是否对环境构成威胁。畜禽粪便环境污染预警值公式：

式中，R为畜禽粪便环境污染预警值；Mneed为区域内作物养分需求量，单位为t；yi为区域内第i种作物总产量，单位为t；ai为第i种作物收获100 kg产量吸收的N、P量，单位为kg/100 kg；各种作物单位经济产量的氮、磷需求量见表7。

表7 主要农作物形成100kg经济产量所需的氮、磷量 kg

1.2.5 畜禽养殖承载力分析 畜禽粪便在收集、贮存和处理过程中会有一部分损失，实际能够供给农田的粪便养分量需要乘以一定的系数。研究表明，我国畜禽粪便养分的损失率为30%～40%，一般按损失率30%计算[16]。将区域内农田养分需求量乘以粪肥施用比例，获得该区域农田粪便养分需求量，再除以单位生猪一个饲养周期的N、P供给量，获得区域农田以N、P计可承载的猪当量：

式中，Ppig为农田畜禽养殖承载力，万头猪当量计；Pmanure为区域内畜禽粪便替代化肥的比例，单位为%；Npig为单位生猪一个饲养周期的N、P排放量，单位为kg/头；Plost为粪便管理过程中的损失率，为30%。

根据青岛市农科院作物所提供的数据，青岛市蔬菜施用有机肥和无机肥比例为5:5，水果、茶叶为4:6，其他作物施用有机肥和无机肥比例为3:7。通过比较粪便养分供给量与需求量，测算出各区市土地实际承载力和承载潜力。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便排放量 如表8所示，青岛市2016年畜禽粪便排放量为646.98万t，其中尿240.19万t；猪粪便排放量最高，为296.37万t，占总排放量的45.81%；奶牛粪便排放量122.75万t，肉牛粪便排放量为66.15万t，合计占总排放量的29.20%；鸡粪便排放总量为139.25万t，占总排放量的21.52%，猪、牛和鸡排放量占总排放量的96.53%，因此要格外重视猪场、牛场和鸡场的粪便的资源化利用。

表8 青岛市2016年畜禽粪便排放量 万t

从区域看，莱西市畜禽粪便排放量最高，平度市次之，其余依次为即墨市、胶州市、黄岛区、城阳区、崂山区。

2.2 畜禽粪便中主要养分含量 如表9所示，COD年排放量为18.96万t， BOD排放量为18.27万t，NH3-N排放量为1.75万t，TN、TP含量分别为3.96和1.51万t，鸡TN、TP排放量最高，其次为猪、牛。青岛市2016年氮肥、磷肥施用量分别为4.86和1.23万t（折纯），占当年化肥氮、磷施用量的81.40%和122.68%。

表9 青岛市2016年畜禽粪便中主要养分含量 t

2.3 农田畜禽粪便、养分负荷量 青岛市2016年畜禽粪便排放量以猪粪当量计为672.16万t，结合农作物种植面积，可得出农田畜禽粪便负荷量（以猪粪当量计），见表10。

表10 青岛市农田畜禽粪便、养分负荷量

2.3.1 农田畜禽粪便负荷量 农田畜禽粪便负荷量可以间接衡量当地畜禽饲养密度及畜牧业布局的合理性。根据畜禽种类和区域特点，农田畜禽粪便负荷量会有所变化，《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中提出：每公顷农田能够负荷的畜禽粪便约为30～45 t，如果高于这一水平会导致土壤富营养化，对环境产生影响，从环境风险的角度考虑，以最低限度30 t为最大理论适宜量[2]。青岛市2016年农田畜禽粪便负荷量为9.32 t/hm2，其中城阳区粪便负荷量最高，为33.49 t/hm2，超过理论适宜量；平度市负荷量最小，为6.42 t/hm2；说明除城阳区外，各区市的畜禽养殖量可适度增加。

青岛市农田畜禽粪便负荷量低于西安市2012年耕地畜禽粪便负荷量22.95 t/hm2[9]、南京市2013年农田畜禽粪便负荷14.08 t/hm2[6]；2014年成都市农田畜禽粪便负荷28.57 t/hm2[17]，是青岛市负荷量的7.95倍。

2.3.2 畜禽粪便氮、磷负荷量 欧盟农业政策规定，粪肥年施氮的限量标准为170 kg/hm2，超过这个极限值，将会带来硝酸盐的淋洗[18]。青岛农田畜禽粪便N负荷量为54.91 kg/hm2。城阳区N负荷量最高，达197.31 kg/hm2，超过极限值；其次为莱西市（102.04 kg/hm2）。杭州市2014年畜禽粪便N负荷量为81.82 kg/hm2[11]，为青岛市负荷量的1.49倍；成都市2014年农田畜禽粪便N养分负荷量为186.34 kg/hm2[17]，为青岛市负荷量的3.39倍；天津市2014年耕地畜禽粪便N养分负荷量高达182 kg/hm2[19]，为青岛市负荷量的3.31倍；说明青岛市畜禽粪便N负荷量低于上述对比地区。

土壤粪便年施磷量不能超过35 kg/hm2，过量会引起土壤磷的淋洗[18]。青岛市农田畜禽粪便P负荷量为21.00 kg/hm2，其中城阳区负荷量最高，为88.01 kg/hm2；其次为莱西市，36.30 kg/hm2，均超过35 kg/hm2。2003年全国耕地负荷的畜禽粪便P负荷为29 kg/hm2，山东省P负荷量超过35 kg/hm2[18]，均高于青岛市负荷量；天津市2014年耕地畜禽粪便P负荷量为36 kg/hm2[17]，为青岛市负荷量的1.71倍；杭州市2014年畜禽粪便P负荷量为59.68 kg/hm2[11]，为青岛市的2.84倍，说明青岛市畜禽粪便P负荷量远低于上述对比地区。

2.4 畜禽粪便环境污染预警分析 R值与环境承受能力呈负相关，R值增大，环境对畜禽粪便的承受能力逐渐降低，畜禽粪便对环境造成污染的威胁性越来越大，畜禽粪便污染环境预警值区间和对环境的影响见表11。

表11 畜禽粪便环境污染预警值区间和对环境的影响

根据邱乐丰等[11]基于作物单位产量所需氮、磷的计算方法，得出青岛市2016年农作物氮、磷需求量分别为11.93、4.97万t（表12）。《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》[2]认为，当R小于0.4时，即粪便氮、磷负荷量为其最大施用量0.4倍以下时，该地区畜禽粪便可完全被农田消纳，不污染环境。青岛市畜禽粪便N预警值0.33，在0.4以下，说明青岛地区畜禽粪便N可以完全被农田消纳。但不同区域的污染程度不平衡，如城阳区N预警值为1.61，说明该区域粪便N对环境有严重影响；崂山区N预警值为0.85，说明该区域粪便N对环境有影响；莱西市N预警值在0.4～0.7，说明该地区畜禽粪便N对环境稍有影响。

青岛市畜禽粪便P预警值0.30，未影响环境。城阳区、崂山区P预警值分别为1.34、1.05，说明粪便P对环境有较严重影响，莱西市粪便P预警值为0.51，说明该区域粪便P对环境稍有影响。因此，在粪便处理和利用方面，要重点关注这些区域，通过优化产业布局、改进粪便收集、无害化处理和资源化利用方式等降低环境压力，保证畜牧业和种植业的协调可持续发展。

表12 青岛市畜禽粪污环境预警值

2.5 畜禽养殖承载力 如表13所示，全市农田畜禽养殖承载以N、P计分别为1092.63和1251.68万头猪当量，实际饲养量占承载量的67.59%和55.17%，承载潜力分别为32.14%和44.83%，说明从土地承载力来看，青岛市畜牧业还有一定空间，但是各区市养殖潜力差异较大，其中城阳区以N、P计分别达到土地承载力的296.44%、221.18%，崂山区以N、P计分别达到土地承载力的151.23%、171.42%，莱西市以N计达到土地承载力的119.46%，已超出区域承载能力，应核减畜禽养殖量，改进畜禽粪便收集、处理方式，降低其对环境的影响；其他区市均未超载，以平度市养殖潜力最大，以N、P计分别为57.43%和65.25%，说明这些区市可适度发展畜牧业，发挥种养结合的生态涵养优势。

3 讨 论

3.1 畜禽排泄系数 本文根据调研确定畜禽饲养周期和排泄系数，但排泄系数及粪尿成分含量是一组动态数据，主要取决于畜禽个体大小、饲料成分，同时也与环境如季节、气候、管理水平等因素相关，因此畜禽排泄系数有待更深入细致的分类确定。

由于畜禽粪便估算参数是一组动态数据，再加上统计数据具有不确定性，导致估算中存在误差，如统计数据中未给出各种畜禽死亡及淘汰数据、除主要畜禽外的活牲畜（如马、猫、狗等）存栏也没有计入，估算值可能偏小；畜禽排泄系数取生长期平均值，且青岛市畜禽养殖量呈逐年下降趋势，导致计算结果可能稍有偏大。综合考虑，误差在一定程度上相互抵消，因而基本能反映区域畜禽粪便排放情况，可以作为评价畜禽粪便量化的指标。

3.2 畜禽粪便养分损失 畜禽粪便在收集、贮存和种养结合的实际利用过程中，受收集方式、处理工艺、贮存条件、地表径流、降雨等多种客观因素影响，粪便中的氮、磷和其他物质会有流失和折损，本文根据文献资料按30%计算，但随着收集处理工艺的改进，损失率可能小于该数值。另外，畜禽粪便资源化利用是可以突破行政界线实施的，本文未计畜禽粪肥外销量，以区市作为评价单元估算畜禽养殖承载力，能在一定程度上反映其空间差异性，因而计算值基本能够反映区域实际畜禽养殖承载压力。

3.3 以农田承载畜禽粪便 本文根据青岛地区的农作物种植情况，将畜禽粪便还田面积从耕地拓展到农田，并且根据不同作物对氮、磷营养的需求量分类统计，按照使用有机肥比例进行计算，准确反映青岛农田粪肥需求的实际情况。空间分析畜禽粪便排放和作物养分需求平衡关系表明，应采取分区治理和区域间协同管理的原则，促进粪肥氮、磷利用。土地承载潜力同样适用于评估种养结合模式下的区域规划，合理评估畜禽养殖数量与农作物种植面积的配比度，用于决定粪便综合利用模式，服务农业面源污染防治，走生态循环可持续发展的农业生产模式。

表13 青岛市畜禽养殖农田承载量

4 建 议

1）从畜禽粪便排放量来看，应重点关注猪、牛和鸡粪便的无害化处理和资源化利用。

2）畜禽粪便环境污染预警值分析表明，青岛地区畜禽粪便可以完全被农田消纳。但区域环境污染程度不同，畜禽粪便已对城阳区、崂山区、莱西市的环境产生影响，其他区市可适度发展畜牧业，发挥农牧结合的生态涵养优势。

3）基于青岛市畜禽养殖分布特点、粪便养分供给量和农作物需求量分析，以N和P分别计算的畜禽养殖承载力，均未超过土地承载能力，青岛市畜牧业还具有一定的发展空间。各区市畜禽粪便土地承载力差异较大，应该核减和严格控制城阳区、崂山区和莱西市的畜禽养殖量或改善粪便资源化方式，合理规划畜牧业布局，开展差别化的管控策略和畜禽粪便利用措施，加强养殖场与周边种植业的配套，鼓励畜禽生态养殖模式发展，鼓励不具备配套条件的养殖场将粪便制成有机肥外销，在养殖密集区配套畜禽粪便集中收集处理中心；全市需优化畜牧业布局，从粪便收集处理、资源化利用方式等方面进行管控。