考虑种养平衡的黄淮海小麦-玉米模式下畜禽承载量估算

楚天舒，韩鲁佳，杨增玲



考虑种养平衡的黄淮海小麦-玉米模式下畜禽承载量估算

楚天舒，韩鲁佳，杨增玲※

（中国农业大学工学院，北京 100083）

黄淮海地区作为中国种植业与养殖业优势区，随着国家对农作物秸秆和畜禽粪便所带来农村环境问题的日益重视，研究该区域“以种定养”、实现种养业废弃物资源化利用、践行绿色发展理念显得尤为重要。以区域种植业实际生产情况为基础，确定典型种植模式下可施用畜禽粪便类有机肥量，经推导计算后确定区域畜禽养殖种类与数量。该文选取河北、河南和山东为黄淮海地区典型代表，在保障粮食产量和满足农田环境风险评估的基础上，研究小麦-玉米生产模式中，畜禽粪便类有机肥每年可施用量，经推导得到高温好氧堆肥处理前的畜禽粪污资源量，进而计算得到每年可承载的不同种类畜禽养殖量。这样既可满足种植业生产的肥料需求，也能缓解养殖业粪污带来的环境压力。研究结果表明：黄淮海地区小麦-玉米生产模式中，每公顷农田每年可利用6头奶牛或18头肉牛或47～51头生猪或731～789只蛋鸡或8 062～8 705只肉鸡粪便N量。在实际生产中，土壤肥力和土壤微生物等多因素影响有机肥可施用量，不同种类畜禽的农田承载量还需进一步优化。该研究为促进黄淮海地区种养结合提供一定的理论基础。

作物；粪便；黄淮海地区；畜禽养殖；畜禽承载量

0 引 言

黄淮海地区作为中国主要种植业与养殖业优势区，在种植业方面，黄淮海地区为小麦-玉米的轮作区[1]。据《中国统计年鉴2018》数据可知，2017年河北、河南和山东3省的小麦和玉米产量分别为7 704.4和6 867.8万t，约占全国总产量的57%和27%。在养殖业方面，3省的猪肉、牛肉、羊肉、牛奶和禽蛋产量分别为1 185.8、166.5、92.2、807.4和1 229.7万t，约占全国总产量的22%、26%、20%、27%和40%。该区域每年生产大量的农畜产品，但也带来农作物秸秆和畜禽粪便等农村突出环境问题。2015年农业部印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》中指出“合理利用有机养分资源，用有机肥替代部分化肥”。2017年农业部印发《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020年）》中也指出“以种定养，根据土地承载能力确定畜禽养殖规模”。因此，在保障粮食产量和满足农田环境风险评估的情况下，将适量的畜禽粪便资源化利用转化成有机肥，替代生产中所需的部分化肥，即满足小麦-玉米生产需求，也能推进畜禽粪便资源化利用，实现以种定养，有望成为治理该区域农村突出环境问题、践行绿色发展[2]的途径之一。

黄淮海地区农作物秸秆[3]和畜禽粪便[4-6]资源量的评估结果显示，该地区农作物秸秆和畜禽粪便的资源量大、分布集中和农田环境污染风险大。在有机肥替代化肥的研究中，晁赢等[7]在中国农业科学院山东禹城试验基地试验发现，有机肥替代50%的氮肥（以N作为折算标准）能逐步提高小麦-玉米产量和经济系数。张运龙[8]在中国农业大学曲周试验站试验发现，有机肥替代30%氮肥可维持小麦-玉米产量，提升土壤肥力，同时减少农田氮淋洗的风险。以上研究都证实了，黄淮海地区小麦-玉米生产模式中，有机肥替代部分氮肥，不影响粮食生产。在种养业协调方面，侯世忠等[9]对山东种养业废弃物循环利用情况进行调研，发现其种植与养殖规模不匹配，还需进行科学规划布局。石鹏飞等[10]以河北津龙循环农业园区为例，分析农场水平氮素流动情况，建议其降低氮肥施用、调整作物结构。因此，需要深入研究黄淮海地区种植业与养殖业的废弃物循环利用，促进其协调发展。

目前为止，仍然缺乏针对黄淮海地区“以种定养”相关研究。因此，本文在保障粮食产量与满足农田环境风险评估的情况下，以黄淮海地区小麦-玉米生产模式下可施用的有机肥为基础，推导计算与分析出单位面积所能承载的不同种类畜禽养殖量，为其实现种养平衡，提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究对象

由于北京和天津农畜产品产量相对低，并且走都市型现代农业发展道路[11-12]。所以，本文选取河北、河南和山东三省为黄淮海地区的典型代表进行研究分析。

1.2 研究思路

本文核心思路：本文以“以种定养”为研究核心思路。即在保障粮食产量和满足农田环境风险评估的情况下，确定小麦-玉米生产可施用的有机肥量，计算出经过高温好氧堆肥处理前的畜禽粪便量，进而推算出不同种类畜禽养殖量。

“以种定养”计算过程：首先，本文以河北、河南和山东的小麦和玉米生产技术标准、实地调研肥料施用量为基础，确定三省小麦-玉米生产的氮肥施用量。进而，整理黄淮海地区有机肥替代氮肥的相关研究，在保障粮食产量的基础上，找出适宜的有机肥替代氮肥的比例。以N为计算标准，确定有机肥N量。并且，考虑到农田环境风险防控，从农田养分平衡的角度出发，进行农田N环境风险分析。利用高温好氧堆肥技术处理畜禽粪便产生有机肥，进而求得未资源化利用前的畜禽粪便N量。按照标准化规模畜禽养殖结构、产污系数和临时堆积N损失率，求得不同种类畜禽的农田承载量。详见下图1。

图1 研究思路简图

1.3 计算数据与过程

1.3.1 小麦-玉米生产模式下N肥用量

本文采用实地走访、现场访谈和文献调研的方法对河北、河南和山东小麦-玉米的生产现状进行调研。近几年，课题组成员在夏收和秋收期间，连续实地走访了河北（石家庄、保定）、河南（安阳、濮阳、新乡、周口）和山东（烟台、淄博、泰安、枣庄）共计12个区（县）25个村，与当地合作社负责人、种植大户和农户进行现场访谈详细了解小麦-玉米实际生产现状。并且，通过检索地方标准数据库，获取河北[13-18]、河南[19-22]和山东[23-27]的小麦和玉米生产技术规程。就此，梳理出黄淮海地区小麦-玉米生产的简要流程及肥料施用情况：耕整地（深松作业、施用基肥、旋耕）→小麦播种→田间管理（灌溉、除草、病虫害防治）→小麦机械收获与秸秆处理（机械粉碎还田）→玉米免耕播种（施肥）→田间管理（灌溉、除草、病虫害防治）→玉米机械收获与秸秆处理（机械粉碎还田）。并且，实际生产施用的肥料以化肥为主，其纯N肥施用量详见下表1。

表1 小麦-玉米生产N肥施用量

1.3.2有机肥替代N肥比例

本文通过对黄淮海地区小麦-玉米生产模式下有机肥替代N肥试验结果进行整理归纳，该地区有机肥替代N肥比例25%～50%[8-9,28-32]。详见表2。在保障粮食产量基础上，兼顾现有各类研究成果，本研究选取有机肥替代比例为30%，施肥方式为秋施基肥[33]。

表2 黄淮海地区小麦-玉米生产模式下有机肥替代N肥试验结果

有机肥N量计算公式如下

=×1（1）

式中为N肥总量，kg/hm2；为有机肥N量，kg/hm2；1为有机肥替代N肥比例，30%。

1.3.3 农田N环境风险分析

有机肥的施用对小麦-玉米生产有稳产、土壤培肥[34-37]的效果，但是同样会带来农田N素流失的风险[38]。盖霞普等[39]在国家褐潮土肥力与肥料效益监测基地，进行了27 a的小麦-玉米的不同施肥处理试验，同样证实了有机肥的施用存在养分流失风险。因此，需要对小麦-玉米生产模式下农田N环境风险进行评价。采用现有标准方法[40]对农田N素输入和输出进行评估。黄淮海地区小麦-玉米生产过程中，N素的输入量（包括N肥、有机肥、种子、秸秆还田、大气干湿沉降和灌溉水）与N素的输出量（籽粒和秸秆）的差值。若差值≤200 kg/hm2，无环境风险；200 kg/hm2＜差值≤300 kg/hm2，低风险；300 kg/hm2＜差值≤400 kg/hm2，中风险；差值＞400 kg/hm2，高风险。

1.3.4 畜禽粪便量

本文采用高温好氧堆肥工程技术将畜禽粪便转化成有机肥，但在工程处理中存在N素损失的情况。通过对归纳与整理相关高温好氧堆肥研究成果发现，猪粪氮损失42.62%，鸡粪氮损失41.70%，牛粪氮损失43.16%，3种畜禽粪便N损失率不存在显著性差异（=0.976），因此，取均值42.26%为畜禽粪便经过高温好氧堆肥处理N损失率。详见下表3。

表3 3种畜禽粪便高温好氧堆肥处理N损失率

因此，高温好氧堆肥处理前的畜禽粪便N量计算公式如下

式中为高温好氧堆肥处理前的畜禽粪便N量，kg/hm2；2为高温好氧堆肥处理N损失率，42.26%。

1.3.5 畜禽养殖量

根据标准化规模养殖生产模式，确定奶牛、肉牛、生猪、蛋鸡和肉鸡的种群结构[65]、饲养周期[66-67]、畜禽养殖产污系数[68]和畜禽粪便临时堆积过程N损失率[69]。由于考虑到各个参数的可得性，奶牛饲养分为产奶与育成阶段，肉牛饲养为育成阶段，生猪饲养分为育肥、保育和妊娠阶段，蛋鸡饲养为产蛋与育成阶段，肉鸡饲养为育肥阶段，详见表4。

首先，由于不同畜禽的饲养周期等参数不一致，计算出某种畜禽的畜禽粪便初始N量。进而，利用高温好氧堆肥前的畜禽粪便N量，反向求得对应不同种类畜禽的养殖量计算的公式如下

式中为畜禽粪便初始N量，kg；为畜禽饲养量，头；c为畜禽的第饲养阶段的比例，%；e为第饲养阶段的畜禽粪便N量，kg/d；为第饲养阶段的饲养周期，d；=1,2,3；为畜禽粪便临时堆积过程N损失率，37.8%[69]。

表4 畜禽养殖量计算参数

2 结果与分析

2.1 有机肥替代量计算与环境风险评价

由表1可知，河北、河南和山东的小麦-玉米生产模式下，N肥总量分别为532.5、562.5和575 kg/hm2。按照有机肥替代30%N肥，通过式（1）计算可得到，有机肥N量分别为159.75、168.75和172.5 kg/hm2。再按照“1.3.3农田N环境风险分析”中的方法对河北、河南和山东的小麦-玉米生产模式下农田N环境风险进行评价，种子量[13-27]、种子N含量[70-71]、大气干湿沉降[72-74]、灌溉水用量[13-27]、灌溉水N含量[75-78]、籽粒产量[13-27]、籽粒N含量[70-71]、秸秆产量（通过籽粒产量与草谷比[79]换算可得）、秸秆N含量[80]等数据带入计算，得到风险评价结果：河北、河南和山东均为中等环境风险，结果详见下表5。

表5 农田N环境风险评价结果

由于河北、河南和山东3省农田N环境风险均处于中等风险等级，因此，需分析3省的农田N输入现状，为后续找寻降低环境风险的备选方案提供基础资料。从3省农田N输入比例图（图2）可知，3省农田N输入结构相似，3省平均化肥约占46.3%，秸秆还田约占27.5%，有机肥约占19.8%，大气干湿沉降约占4.0%，灌溉水约占2.0%，种子约占0.4%。由此可见，农田N输入主要是由肥料N和秸秆还田N构成。

图2 农田N输入比例图

由于肥料N直接关系到农作物生产与产量，因此，本文考虑从农作物秸秆还田N着手分析。在农田调查与农户访谈中，不少种植户和农机合作社负责人反映农作物秸秆还田增加土壤有机质，这与相关研究结果相符合[81]。但与此同时，秸秆还田也带来下茬作物病虫害增加，导致农药施用量与次数增多，进而农资投入与机械作业成本增加。尤其玉米秸秆量大，处理难度也大。鉴于当下政策导向和缺乏其他轻简化秸秆处理途径，大部分种植户采用秸秆还田的措施处理农作物秸秆，但对农作物秸秆离田处理同样支持。因此，基于上文研究的有机肥替代30%N肥的施肥情况下，本文模拟分析不同秸秆还田量下农田环境风险变化趋势。将玉米秸秆和小麦秸秆还田比例分别设定为100%、50%和0，进而计算得到对应的农田N环境风险评价结果，详见下表6。从3省农田N环境风险评价结果可分析得知，减少小麦秸秆和玉米秸秆还田量，进而减少秸秆还田N输入量，可将农田N环境风险从中风险降至低风险或无风险。因此，部分秸秆还田处理，并施用适量的有机肥，是具有一定的理论可行性的方案，但仍需进行大田试验分析与验证。

表6 不同模拟方案下农田N环境风险评价结果

2.2 畜禽粪便N量与畜禽养殖量

在有机肥替代30%N肥的情况下，按照式（2）计算可得，河北、河南和山东的畜禽粪便N量分别为286.60、302.74和309.47 kg/hm2。进而，按照式（3）和式（4）计算可得到：黄淮海地区小麦-玉米生产模式下，每公顷农田可利用6头奶牛或18头肉牛或47～51头生猪或731～789只蛋鸡或8 062～8 705只肉鸡的畜禽粪便N量，详见下表7。每公顷农田可承载禽类（蛋鸡和肉鸡）的养殖量明显多于畜类（奶牛、肉牛和生猪），这主要受到畜类生产周期长与日畜禽粪便排放量大的影响。其中，肉鸡养殖量最大，主要是由于其45 d的饲养周期相对最短。

表7 有机肥替代30%N肥情况下农田可承载畜禽养殖量

查阅《中国统计年鉴2018》数据可知，2017年河北、河南和山东3省小麦-玉米种植面积约为1 037.24万hm2。因此，可推算出2017年黄淮海地区小麦-玉米生产模式下，若采用有机肥替代30%N肥，该地区农田可承载约6 479.68万头奶牛或18 927.89万头肉牛或51 972.37万头生猪或798 617.10万只蛋鸡或8 801 743.97万只肉鸡。

2.3 讨 论

当下研究[82-84]常采用某个地区种植业与养殖业的统计数据推算出该地区畜禽粪便量与农田承载力，即从省或市（县）的大尺度上，研究其种养业是否平衡。而本文以“以种定养”的思路为基础，从种植业的角度出发，在农田尺度上，选择黄淮海地区典型的小麦-玉米生产模式为研究对象，分析在保障粮食产量的情况下，有机肥替代N肥的量，进而求得农田可承载的不同种类畜禽量。其关键在于种植业中有机肥替代化肥量的确定，本文将30%的有机肥替代化肥比例作为黄淮海地区小麦-玉米生产模式的推荐参考值，但在实际生产中由于不同农田土壤肥力（土壤养分[85]、土壤物理性状[86]）、土壤微生物种类与数量[87-89]和气候条件[90]等因素影响，有机肥可施用量有所变化。因此，在实际生产中，有机肥替代比例还需要根据生产基础条件进一步优化，进而可计算得到更加准确的不同种类畜禽的农田承载量。

3 结 论

本文对黄淮海地区小麦-玉米生产模式下，构建“以种定养”计算过程，并归纳总结现有研究成果确定了有机肥替代量和高温好氧堆肥处理N损失率等计算系数，进而计算与分析得到对应所能承载的各类畜禽养殖量，得到以下结论：

在保障粮食产量和满足农田环境风险评估的情况下，黄淮海地区小麦-玉米生产模式中，每公顷农田可承载6头奶牛或18头肉牛或47～51头生猪或731～789只蛋鸡或8 062～8 705只肉鸡。在实际生产中，土壤肥力和土壤微生物等多因素影响有机肥可施用量，不同种类畜禽的农田承载量还需进一步优化。

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Livestock carrying capacity estimation in wheat-corn production model of Huang-Huai-Hai Region considering planting-raising balance

Chu Tianshu, Han Lujia, Yang Zengling※

(100083)

Huang-Huai-Hai region is the major superiority area of planting industry and breeding industry in China. With the increasing attention to the rural environment problems caused by crop straw and livestock manures, it is important to analyze “raising by planting” in Huang-Huai-Hai region, realize agricultural waste comprehensive utilization, and implement green development. “Raising by planting” was the core idea of this paper. The “raising by planting” calculation methods were as follow. First, technical regulations for production of wheat-corn and field research results in Hebei, Henan and Shandong provinces were used to summarize production model of wheat-corn in Huang-Huai-Hai region. So the conventional fertilization could be defined. According to test results of researches, this paper determined the amount of partial replacement of chemical fertilizer by organic manures. At the same time, thermophilic aerobic composting was chosen as techniques of livestock manure comprehensive utilization. The untreated amount of livestock manures was calculated. Then, the quantities of different species of livestock and poultry were calculated. According to the technical regulations, the amount of nitrogenous fertilizer were 532.5, 562.5 and 575 kg/hm2in Hebei, Henan and Shandong provinces. The ratio of partial replacement of chemical fertilizer by organic manures was 30%. So the amount of replacement were 159.75, 168.75 and 172.5 kg/hm2. At the same time, there were no influence on grain security after the replacement of chemical fertilizer by organic manures. Due to the additional application of organic manures promoted soil nitrogen leaching risk, the environmental risk assessment of nitrogen in arable farmland was used. Nitrogen input mainly consisted of nitrogenous fertilizer, organic manure converted from livestock manures, seed, straw returning, atmospheric dry and wet deposition and irrigation water. Nitrogen output mainly consisted of grain and straw. Grade of environment risk in farmland in Hebei, Henan and Shandong provinces were all medium risk. Nitrogen loss rate of thermophilic aerobic composting fromlivestock and poultry manures was 42.26%. Other calculation parameters of livestock and poultry production, such as feeding period, population structure, were defined by many research papers. So in production model of wheat-corn in Huang-Huai-Hai Region, 6 dairy cows, or 18 beef cattle, or 47 to 51 swine, 731 to 789 laying hens or 8062 to 8705 broilers per hectare were land carrying capacity. Besides, at the field scale, various factors, such as soil fertility and soil microbial, might affect the ratio of partial replacement of chemical fertilizer by organic manures. So more researches were needed in the amount of replacement. On account of medium environment risk in farmland, lowering the risks was necessary. Nitrogen input structure: 46.3% chemical fertilizer, 27.5% straw returning, 19.8% organic manure, 4.0% atmospheric dry and wet deposition, 2.0% irrigation water and 0.4% seed. So reducing straw returning was one of risk solutions. In simulation results, reducing corn stalk or wheat straw both lowered environment risk effectively. The results provide a reference for planting and raising combination in Huang-Huai-Hai region.

crop; manures; Huang-Huai-Hai region; livestock and poultry breeding; livestock carrying capacity

2018-11-04

2019-05-28

国家奶牛产业技术体系（CARS36）；教育部创新团队发展计划项目（IRT-17R105）；国家重点研发计划（2016YFE0204600）

楚天舒，博士生，主要从事生物质工程研究。Email：chuts@cau.edu.cn

杨增玲，教授，博士，博士生导师，主要从事生物质工程研究。Email：yangzengling@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.025

S19

A

1002-6819(2019)-11-0214-09

楚天舒，韩鲁佳，杨增玲. 考虑种养平衡的黄淮海小麦-玉米模式下畜禽承载量估算[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：214－222. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.025 http://www.tcsae.org

Chu Tianshu, Han Lujia, Yang Zengling. Livestock carrying capacity estimation in wheat-corn production model of Huang-Huai-Hai Region considering planting-raising balance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 214－222. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.025 http://www.tcsae.org