基于系统动力学的东莞有机废弃物替代化肥潜力研究

秦 钟，隆少秋，王 璐，张春霞，袁 兰



基于系统动力学的东莞有机废弃物替代化肥潜力研究

秦 钟1,2,3，隆少秋1,2,3，王 璐1,2,3※，张春霞1，袁 兰1,2,3

（1. 华南农业大学资源环境学院，广州 510642；2. 国土资源部建设用地再开发重点实验室，广州 510642；3. 广东省土地利用与整治重点实验室，广州 510642）

综合考虑作物秸秆还田、禽畜养殖和农村生活有机废弃物排放这3个过程中所产生的养分资源以及农作物、果树生长需要吸纳的养分，构建系统动力学模型，探究东莞种养结合、有效利用有机废弃物养分从而替代化肥施用的潜力。结果表明，2025年农作物和果树养分的总需求量为4.613 6×103t，作物秸秆、禽畜养殖和农村生活有机废弃物肥料蕴含的养分为0.430 6×103和4.514 3×103t。若这些有机粪肥资源按存储发酵、沼气处理和堆肥加工这3种方式处理，则实际可提供的总养分依次为3.913 9×103，4.803 7×103和3.055 0×103t。根据有机肥氮素替代50%化肥氮的原则来估算有机废弃物养分供应量，则有机粪肥资源所提供的氮、磷、钾养分均超出当地农作物和果树生长所需，需要外运粪肥以降低对环境的影响。考虑当地作物秸秆还田方式，即全部还田、部分还田和不还田（不还田的秸杆用于焚烧或作饲料），需要移出的养分比例分别为73.2%～74.1%，53.7%～60.0% 和24.1%～33.5%。

养分；粪；化肥；系统动力学；情景分析；东莞

0 引 言

近年来，随着规模化、集约型畜禽养殖业的快速发展，畜禽粪尿产量大、废弃物治理困难、农业面源污染等问题日益严重。畜禽粪便施入农田进行循环利用是最为经济有效的处理方式，但由于资金、土地等条件的制约，在部分农牧脱节、治污设施不配套、畜禽养殖密度过高的地区，畜禽粪便养分已经超过农田作物养分的实际需求量[1-2]。种植业生产中使用大量化肥，农田耕地承载消纳畜禽产污的能力降低等现象也屡有报道[3-4]。在此情况下，依据本地畜禽养殖量和耕地资源现状，制定合理的区域农田循环利用粪肥养分策略，对降低环境污染风险、推动农业可持续发展等具有重要意义。

估算畜禽粪肥资源量及养分含量，明确时空分布动态等是实现粪肥循环利用的基础性工作。已有学者从国家、区域/流域、乃至县或生产企业等尺度，从畜禽粪肥养分产生数量和空间分布特征[5-6]、耕地氮/磷承载力[7-8]、污染潜势与环境影响[9-10]等角度开展了大量研究。另有一些学者从系统的观点出发，分析对农业农村主要废弃物（包括畜禽粪便、作物秸秆、生活污泥和生活垃圾等）的产生量及分布特点，从种养结合、循环利用的角度，对这些废弃物资源作为有机肥还田利用的潜力进行评估[11-12]，并从管理或政策层面提出环境友好型畜禽生态养殖的建议或方案[13]。这些研究为摸清中国畜禽养殖、粪肥管理现状和存在的问题、探寻畜禽养殖环境管理与污染防治途径等提供了坚实的基础。

珠江三角洲是中国社会经济发展活跃、人口高度密集、水系发达的地区。近年来，随着生活水平的不断提高和居民膳食结构的变化，畜禽养殖业得到了快速发展，已有16个生猪主产县（市、区）集中分布于珠江西岸。据2014年统计数据显示，这些主产县生猪存栏量达398×104头，出栏量706×104头[14]。在耕地面积日益减少、规模化和集约化养殖业水平提高的背景下，区域生猪存栏量已超出土地承载能力。2000－2008年深圳、佛山和东莞等市单位耕地面积N、P2O5负荷量均高于300 kg/hm2[15]。针对这一情况，农业部及广东省相关部门已做出了养殖产业的调整转移、加大畜禽养殖污染治理，推广猪沼茶等生态养殖模式等多项举措，畜禽养殖规模已趋于持续缩小，亟需适时明确养殖产业布局调整后生猪主产区粪肥的产生量及养分资源，提出合理返还农田的粪肥资源处理和养分管理策略，从而推动畜禽养殖业的转型升级。东莞是珠三角地区较早开展畜禽养殖污染治理的地区之一，本研究将以该地区为例，采用系统动力学（system dynamics，SD）方法，将人口、种植业、畜禽养殖业纳入区域粪肥资源核算体系并构建相应的模型，以作物秸秆还田、粪肥处理不同方式为着眼点，分析畜禽养殖和农村生产、生活有机废弃物粪肥的养分含量与作物养分需求之间匹配关系，探究未来有机养分资源替代化肥利用的潜力及变化，以期为其他水网地区制定有机养分资源在农田的可持续利用的策略等提供借鉴。

1 数据来源

东莞市主要畜禽（猪、牛、羊、鸡、鸭、鹅）的养殖数量、农作物播种面积及产量、耕地面积、农村人口数量等数据主要来自《广东农村统计年鉴》[16]（1993－2017年）、《东莞统计年鉴》[17]（1979－2017年）及省、市统计调查信息网等。

2 分析方法

2.1 模型框架与运算过程

模型以有机废弃物养分的流动过程为主线，基于养分平衡和循环利用的角度，分析区域农业农村系统内种植、禽畜养殖和农村生活3个过程中养分的产生、需求及相互联系，所构建的框架模型如图1所示。在构建模型时，将设立以下3个子系统。

图1 有机养分资源利用的系统动力学框架图

2.1.1 人口子系统

人口子系统主要反映农村人口数量、产生的生活有机废弃物资源及养分。该子系统以人口总数为库，包含人口变化流率变量及影响人口数量的因子如出生率、死亡率、净迁移率、农业人口所占比例等（表函数形式）；人均粪尿年排出量及N、P含量、流失率常数（图2）。

计算方法如下：参考高祥照等[18]编写的《肥料实用手册》中对人粪、尿的研究，得出成年人年粪、尿排放量及N、P含量，即每个成年人年排放粪、尿分别为113.7和579.3 kg/(人·a)，粪中氮、磷质量分数分别为0.64%和0.11%，尿中氮、磷质量分数分别为0.53%和0.04%，人粪尿的流失率按21.9%计[19]。

根据东莞历年农村人口数据，即可估算出农村生活所产生的粪肥及养分含量。

2.1.2 种植子系统

主要反映农作物秸秆产生量及所含的养分资源、粮食作物产量满足地区人口粮食消费需求的程度及作物、果树生长对氮、磷、钾养分的需求情况。该子系统主要包括：

注：ZRK表示总人口；RCS，RSW，JQY分别表示人口出生率、死亡率和净迁移率；NYRK，RNYRK分别表示农业人口及占总人口的比例；SHTN和SHTP分别表示农村生活所产生的粪肥氮（N）养分和磷（P2O5）养分；FenN 和 FenP分别表示禽畜养殖和农村生活有机废弃物所含的氮、磷养分；CZRK1和CZRK2分别表示总人口的增长、减少。

Note: ZRK represents total population; RCS, RSW and JQY represent population birth rate, death rate and net migration rate respectively; NYRK and RNYRK represent agriculture-related population and its contribution to total population, respectively; SHTN and SHTP represent nitrogen (N), phosphorus (P2O5) nutrient derived from rural domestic manure, respectively; FenN and FenP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste; CZRK1 and CZRK2 represent the increased and decreased population, respectively.

图2 人口子系统粪肥资源利用的动力学模型

Fig.2 System dynamic model of manure nutrient utilization for population subsystem

稻谷、薯类、大豆、甘蔗、花生、蔬菜和果树单产产量共7个库及相对应的单产增加率（即模型中的流率）；各类作物和水果单产增加率、播种/种植面积共14个表函数；各类作物和水果吸收的氮、磷、钾养分系数共21个常量。子系统中也包括计算各类作物秸秆产生量和养分含量、作物和果树营养元素吸收量的辅助方程。秸秆系数、秸秆的氮、磷、钾养分含量系数直接写入相应的辅助方程中。以水稻秸秆的养分为例，相应的模型如下（图3）。

计算方法如下：各类作物田间收获的秸秆量是基于作物产量和草谷比系数（又称秸秆系数）进行估算。需要说明的是，由于甘蔗在统计年鉴中以鲜质量统计经济产量，先将甘蔗茎秆按照70%的含水率[20]换算成干质量经济产量，再按公式（1）计算田间秸秆量。秸秆中含有大量的氮、磷和钾等营养元素，其养分含量系数取自文献[21]，计算公式为

2.1.3 畜禽养殖子系统

主要反映畜禽养殖粪便产生量及其中的养分含量。该子系统包括猪出栏量、牛、羊末存栏量和鸡、鸭、鹅（包括鸡、鸭和鹅）出栏量共4个库及各自对应的年增长率；年猪出栏量增长率、牛、羊年末存栏量增长率、鸡、鸭、鹅年出栏量增长率4个表函数；各类畜禽粪便日排泄量、养分含量系数、饲养周期共计16个常数。以猪养殖、粪便产生量及其中的养分含量为例，相应的模型如下（图4）。

注：DCSD：每公顷水稻产量；CLSD：水稻总产量；MJSD：水稻种植面积；JGSD：水稻秸秆产量；CDCSD和RDCSD分别表示水稻单产的增加及其每年的增长率；TNSD、TPSD和TKSD分别代表水稻秸秆所含的氮（N）、磷（P2O5）和钾素（K2O）营养；SXNSD、SXPSD和SXKSD分别表示水稻生长需要吸收的氮、磷和钾素；PsxNSD、PsxPSD和PsxKSD分别代表水稻对氮、磷和钾素的吸收系数；FenN、FenP和FenK分别表示禽畜养殖和农村生活有机废弃物所含的氮、磷和钾养分；TSXN、TSXP和TSXK分别表示所有作物生长所需的氮、磷和钾素；JGTN、JGTP、JGTK分别代表所有农作物秸秆（不包括果树）所含氮、磷和钾素；RSL、RFS和RHT分别代表用作饲料、燃料和肥料的秸秆比例；CZTN、CZTP和CZTK分别表示作物秸秆还田、禽畜养殖和农村生活有机废弃物提供的氮、磷和钾养分与农作物生长所需的养分之差；ZSTN、ZSTP和ZSTK分别代表农作物秸秆提供的氮、磷和钾营养，这3个变量的值受作物秸秆处理/利用方式的影响。

Note: DCSD: rice yield per hectare; CLSD: total rice yield; MJSD: rice planting areas; JGSD: rice straw yield; CDCSD and RDCSD represent the increased rice yield per hectare and its increasing rate per year; TNSD, TPSD and TKSD represent rice straw nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrient, respectively; SXNSD, SXPSD and SXKSD represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption in rice, respectively; PsxNSD, PsxPSD and PsxKSD represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption coefficient in rice plant, respectively; FenN, FenP and FenK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste, respectively; TSXN, TSXP and TSXK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption in the whole cropping system, respectively; JGTN, JGTP and JGTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in all crop straws (not including the fruit trees); RSL, RFS and RHT represent proportion of straw used as feed, fuel and fertilizer, respectively; CZTN, CZTP and CZTK represent difference of nitrogen, phosphorus and potassium nutrient between the supply of crop residue retention, livestock farming and rural domestic waste and the demand of the whole cropping system; ZSTN，ZSTP and ZSTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient provided by crop straws, respectively. Values of the three variables were influenced by crop straw disposal/utilization schemes.

图3 水稻种植子系统粪肥资源利用的动力学模型

Fig.3 System dynamic model of manure nutrient utilization for rice cropping subsystem

计算方法如下：采用日排污量计算法估算各类畜禽粪便产生量及养分量见公式（3）和（4）。

注：ZhuCL：生猪出栏量；CZhuCL和RZhuCL代表了生猪出栏量的增加及其每年的增长率；TS：时间变量（年份）；DZhu：猪的饲养周期；ZhuF：猪粪日排放量；PaZhuF：猪粪排泄系数；ZhuTN, ZhuTP and ZhuKO分别表示猪粪总氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）含量；PaZhuN、PaZhuP和PaZhuKO分别表示猪粪氮、磷和钾的养分含量系数；ZfhN和ZfhP分别表示以氮和磷计的总猪粪当量；SJKZN、SJKZP分别表示实际土地总氮、总磷承载力；MJGD和MJGY分别代表耕地和果园面积；CMJGD和RMJGD分别增加了耕地面积及其年增长率；CP和CN代表欧盟发布的氮（170 kg/hm2）和磷（35 kg/hm2）应用标准；KZhuN和 KZhuP分别表示以氮、磷计算得到的畜禽养殖环境容量；RIN、RIP分别对应2种模式（作物所需的50%氮素来自于粪肥或所需的磷素全部来自于粪肥）下需要移出耕地的粪肥量。

Note: ZhuCL: the amount of pig slaughter; CZhuCL and RZhuCL represent the increased amount of pig slaughter and its increasing rate per year; TS: Temporal variable (year of study); DZhu: period of pig-raising; ZhuF: total amounts of pig excrement; PaZhuF: excretive coefficient of pig; ZhuTN, ZhuTP and ZhuKO represent total nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrient produced by pig industry, respectively; PaZhuN, PaZhuP and PaZhuKO represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in pig feces, respectively; ZfhN and ZfhP represent nitrogen and phosphorus nutrient in tons of pig manure equivalent derived from livestock and poultry feces, respectively; SJKZN, SJKZP represent actual loads of nitrogen and phosphorus nutrient in arable land; MJGD and MJGY represent arable land and orchard area, respectively; CMJGD and RMJGD represent the increased area of arable land and its increasing rate per year; CP and CN represent nitrogen (170 kg/hm2) and phosphorus (35 kg/hm2) application standard issued by the European Union; KZhuN and KZhuP represent load-carrying capacity of nitrogen and phosphorus nutrient according to the standard of European Union. RIN and RIP were estimated nitrogen and phosphorus nutrient that should be removed from arable land, based on two patterns of manure substituting potential (50% and 100%).

图4 生猪养殖子系统农业农村粪肥资源利用模型

Fig.4 Pig breeding subsystem dynamic model of manure and nutrient utilization

参照已有的研究[22]，东莞畜禽养殖允许总量（）和实际数量（′）的计算见公式（5）和（6）。

2.2 模型主要参数的设定

2.2.1 耕地和果园面积

1978－2016年间，东莞耕地面积随时间呈现波动性减少的趋势，耕地面积由7.89万hm2降为2016年的3.64万hm2，即在39a时间里，耕地面积减少了一半以上，年均降幅为1.38%。其中2001－2002年的降幅最高，达22.2%，其次是1992－1993和1984－1985年，耕地面积年降幅为10%。随着社会经济的发展和工业化、城市化进程的加快，非农建设占用耕地的数量持续上升，东莞耕地面积的日益减少将发展为长期趋势。在当前耕地面积约束条件下，当地政府制定了有关建设占用耕地必须占补平衡、农用地转用报批、土地规划和布局调整等一系列制度，其中在《东莞市土地利用总体规划（2006－2020）》（以下简称《规划》）中明确提出了耕地面积的控制性指标为：到2020年耕地保有量为3.18万hm2，若按当前耕地面积年均减少速率，到2020年耕地面积为3.44万hm2，符合当地对耕地面积的约束性指标。据此，文中将据这一减少速率预测2017－2025年的耕地面积。

东莞果园面积的阶段性波动较为明显，1987年面积最高达4.06万hm2，之后持续减少，2007年后呈现微幅增长趋势，至2016年达1.33万hm2，可预计2017－2025年果园面积将以约2.3%的年降幅减少。

2.2.2 生猪养殖

东莞生猪出栏量呈现先增后降的双峰波动趋势，1978－2001年以年均22.1%的速率持续增加，之后略有下降，2004－2005生猪出栏量再次增加至峰值，达227.38万头，此后开始下降。2006年生猪出栏量急剧下降至42.06万头，其后以年均6.6%的速率逐年下降。2016年生猪出栏量达11.49万头。长期以来，东莞生猪养殖业在带动移民增收的同时，也引发了严重的环境污染问题。为此，自2006年以来，东莞市相关部门制定了限制生猪养殖规模，设置生猪定点基地、实施标准化养殖等措施，并下发《东莞市生猪生产规划（2012－2020年）》，提出到2020年，全市生猪出栏量达到10万头，猪肉自给率达3%左右。为此，2017－2020年东莞生猪出栏量将以年均3.2%的速率下降才能完成这一目标。此速率也将用于2020年后生猪出栏量的预测。

2.2.3 农作物和水果单产

根据1978－2016年间水稻、薯类和大豆3种粮食作物单产的数据，采用趋势分析法、平均数法确定2017－2025年的年均增长率，分别为1.64%、4.24%和3.30%。2025年水稻、薯类和大豆的单产将分别达6.12、4.96和2.57 t/hm2。经比较发现，未来3种粮食作物的单产水平及增幅均接近于历史单产的高值。以水稻为例，1990－1991年，1995－1999年单产在6.0～6.07 t/hm2之间，尽管2016年水稻单产降至5.65 t/hm2，但在水稻新品种大面积推广、种植技术改进和农田管理强化等因素的影响下，单产恢复至历史最好水平是完全可以实现的。甘蔗、花生、蔬菜（含菜用瓜）、水果产量单产的增长率也通过类似的方法获得，2025年的单产将分别达到149.78、2.21、31.04和8.70 t/hm2。

2.2.4 其他参数的设定

为便于研究，文中对人口和禽畜养殖子系统做了如下设定：

1）假设2017－2025年东莞农作物复种指数维持在2016年的水平，即0.6893，由已估算出的耕地面积可得出2017－2025年农作物总播种面积。若各种作物占农作物总播种面积的比例保持不变，可计算出2017－2025年各种作物的播种面积。

2）假设人口的出生率、死亡率和迁移率均保持2016年的水平，即分别为13.92‰、5.28‰和8.5‰，2017－2025年非农业人口所占比例通过趋势分析获得。

3）牛年末存栏量、鸡鸭鹅出栏量的增长率分别采用回归模型拟合的方法求得。受市场等因素影响，东莞羊的养殖数量有限，年份间年末存栏量波动较大且逐年减少，2016年仅有889头，在缺乏2008、2009年记录的情况下，假设2016年后羊年末存栏量仍然保持现有的数量。

2.3 情景分析设定

作物秸秆和粪肥是农业生产中最为普遍的废弃物资源。其中秸秆的利用方式主要有：还田（主要指秸秆机械粉碎翻压还田、覆盖还田、留高茬还田等直接还田和秸秆沼肥还田、堆沤还田等间接还田方式）、饲料（直接喂养牲畜、垫圈的秸秆以及通过氨化、青贮、微贮方式做饲料的秸秆）、燃烧（农户直接用于生活燃料以及在田间和地头焚烧的秸秆等），其他方式（如秸秆用作造纸、可降解材料、人造板等的原料以及弃置乱堆）。不同利用方式下秸秆养分还田比例并不相同，其中秸秆还田的养分全部还田，用于饲料的秸秆氮、磷、钾养分还田率分别为50%、72%、77%（主要指秸秆饲用后过腹还田的养分比例），用作生活能源和焚烧的秸秆氮、磷、钾养分还田率分别为0、70%、70%[23]。

粪肥资源主要来源于畜禽养殖，也包括农村生活所产生的有机废弃物。粪肥还田、制取沼气、有机肥商品化生产、用作饲料或生产动物蛋白等是常见的粪污处理方式，文中主要考虑前3种方式。固液粪肥资源的收集、运输和储藏以及沼气设施、堆肥工艺等过程中都有不同程度的养分损失，氮、磷和钾养分损失参数取自各类文献报道中损失率的均值[13]。

秸秆和人畜粪便中蕴藏的养分资源是否得到合理的利用，所蕴藏的养分资源与农作物生长所需的养分相差多少，如何处理才能避免养分过量导致的污染风险是当前农业废弃物资源化利用与管理所面临的重要问题。为此，研究将针对当前作物秸秆和畜禽粪便的不同处理方式，设置相应的情景（表1）。根据文献中现有作物秸秆资源利用不同方式及所占比例[25-26]，将不还田的情景（S3）分为2种，在这2种情景下不还田的那部分秸秆资源将分别用于焚烧和饲料来源。各情景将根据作物所需的50%氮素来自于粪肥[27]或所需的磷素全部来自于粪肥这2种模式来决定粪肥施用量[28]。当投入含1kg磷的粪肥时，所带入的全氮为1.85 kg。化肥补充施用原则为总养分需求量减去粪肥提供的氮磷养分，不足部分由化肥氮磷补充。

表1 不同作物秸秆还田和粪肥处理方式的情景设置

2.4 模型的运行与检验

借助系统动力学模拟软件STELLA（structural thinking, experiential learning laboratory with animation, STELLA)，向已构建的模型输入收集到的主要变量初值、历年统计数据、相关常数/系数项或函数关系式等，对不同秸秆还田和粪肥处理方式下养分的流动状况进行模拟。为了检验模型的有效性和可靠性，研究先利用1978－2016年的数据，将模拟步长为1 a，采用微分方程的Euler法求解，运行模型。选取人口数量、主要农作物产量、耕地面积、禽畜养殖数量等指标与实际历史数据资料相对比，相对误差<5%的比例为84.7%，且每个变量的相对误差不大于9%，表明模型可用于对未来粪肥养分利用状况的模拟及预测。文中将以2016年各变量的数据为初值，对2017－2025年不同秸秆还田和粪肥处理方式下养分的流动进行预测。

3 结果分析

3.1 农业和农村废弃物产生量及养分含量预测

模型预测结果显示，2016年后东莞农作物秸秆资源及氮、磷、钾养分均呈现逐年增加的趋势。到2025年，农作物秸秆总量达4.89万t，比2016年增加14.2%。水稻秸秆占秸秆总量的比例为11.2%～13.0%。2016年秸秆资源量为4.08万t，蕴含的总养分为413.22 t，其中氮、磷、钾分别为175.23、46.83和191.20 t（图5）。预计秸秆总养分将以年均1%的速度增加（不考虑秸秆利用过程中的损失），在2025年达430.64 t。水稻、薯类和大豆3种粮食作物秸秆所提供的养分占秸秆总养分的62.3%～65.7%，且随时间的推移而趋于下降。

2016年后东莞的猪出栏量、牛年底存栏量持续下降，而鸡、鸭、鹅的数量略有回升。畜禽粪便产生总量由2016年的1 912.16万t猪粪当量（以N计）逐年减少，至2025年仅为994.93万t（图6）。其中猪的粪便量减少了55%左右，而2025年鸡、鸭、鹅的粪便量增加了30.8%。以耕地和果园畜禽粪便的主要消纳场所，则2017－2025期间单位面积N和P2O5的载荷变动幅度分别为：34.5～50.1，28.2～36.5 kg/hm2，远低于发达国家的限量标准[26-27]，也低于广东省平均单位耕地面积畜禽粪便N、P2O5负荷量240.65和199.14 kg/hm2这一数值[15]。随时间的推移，单位面积N和P2O5的载荷还将减少。

注：JGTN、JGTP、JGTK分别表示农作物（不包括果树）秸秆的氮、磷、钾养分。

Note: JGTN, JGTP and JGTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in all crop straws (not including fruit trees).

图5 2016－2025年东莞农作物秸秆的养分动态

Fig.5 Amount of crop straw nutrient resources in Dongguan during 2016－2025

注：ZfhN, ZfhP分别表示禽畜粪肥分别换算为以氮、磷计的总猪粪当量。

Note: ZfhN and ZfhP represent nitrogen and phosphorus nutrient in tons of pig manure equivalent derived from livestock and poultry feces, respectively.

图6 2016－2025禽畜养殖产生的猪粪当量

Fig.6 Pig manure equivalent produced from livestock and poultry breeding during 2016－2025

2016年农村生活产生的有机废弃物为6.20万t。禽畜养殖和农村生活有机废弃物肥料养分呈现逐年减少的趋势，总养分含量将由2016年的0.58万t下降至2025年的4.51万t，其中氮、磷、钾养分将分别由2016年的3.09×103、1.55×103和1.19×103t以年均3.0%、3.4%和4.7%的速度下降（图7）。禽畜养殖所提供的氮、磷养分的年均降幅均在3.8%以上，而农村生活有机废弃物肥料养分的年均降幅仅为0.94%。从两者对总粪肥养分的贡献率来看，禽畜养殖氮、磷养分的贡献率将由2016的49.81%、78.48%逐年下降，至2025年分别达41.27%和72.36%。相反地，农村生活有机废弃物肥料氮、磷养分的贡献率逐年增加。在禽畜养殖所产生的总养分中，以猪养殖粪肥的贡献率为最高，达62.53%～83.16%，其次是鸡、鸭、鹅。

注：FenN, FenP表示禽畜养殖粪肥所产生的氮、磷养分；SHTN、SHTP表示农村生活有机废弃物肥料所产生的养分氮、磷养分。

Note: FenN and FenP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste, respectively; SHTN and SHTP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from rural domestic manure, respectively.

图7 禽畜养殖和农村生活有机废弃物肥料养分的动态变化

Fig.7 Nutrients released from livestock farming and rural domestic waste

随着猪饲养量和出栏量的逐年减少，所产生的粪肥资源及养分贡献率均明显下降，年均降幅为6.2%。相反地，2016年后鸡、鸭、鹅养殖所产生的粪肥及养分随着养殖数量的适度增加而呈现上升趋势，年增加率约3.7%。研究中因羊的年末存栏量极少且假设维持在2016年的水平，每年所产生的养分仅为0.347 t。

3.2 作物养分需求量及变化

根据各类粮食作物、经济作物、蔬菜和果树产量及单位产量所需的养分得出，2016年东莞农作物、果树养分的需求量分别为3.9063×103和0.4968×103t。随着时间推移，农作物、果树养分的需求量将分别以年均0.7%和1.3%的速度增长，2025年两者对养分的总需求量将分别达3.9857×103和0.6279×103t。在所有农作物中，水稻生长对养分的需求量相对较高，占所有农作物养分总需求的8.9%～10.7%，且随时间的推移略有下降。花生对养分的需求量也将逐年减少，但蔬菜、薯类作物和大豆等对养分的需求量将增加（图8）。

注：SC，SD和SG代表蔬菜、水稻和果树这3类需要吸收较多养分的作物；DD，GZ，HS和SL代表大豆、甘蔗、花生和薯类这4类需要吸收较多养分的作物。

Note: SC, SD and SG represent three crop types (vegetable, rice, fruit) demanding relatively larger amounts of nutrient. DD, GZ, HS and SL represent four crop types (soybean, sugarcane, peanut, potato) demanding more amounts of nutrient.

图8 农作物和果树生长所需的养分及动态

Fig.8 Nutrients demanded by crops and fruit trees and their dynamics

3.3 粪肥养分替代化肥施用的情景分析

预计2016年后东莞农作物和果树养分的总需求量处于平稳略升的态势。至2025年，农作物和果树养分的总需求量为4.613 6×103t，比2016年增加了4.3%，其中氮、磷、钾分别为1.739 1×103，0.664 5×103和2.210 4×103t，年均增长率约1.4%。如果秸秆全部还田，则2025年还田可提供的总养分为507 t，其中氮、磷、钾分别为205，53.8和248.2 t，在此情况下农作物养分的总需求量为4.394 0×103t，其中氮、磷、钾分别为1.592 3×103、0.614 2×103和2.187 4×103t。秸秆不还田（S31）情景下农作物养分的总需求量比秸秆全部还田高5.04%，达4.627 0×103t（表2）。

表2 2025年不同秸秆还田方式下粪肥替代与化肥补充的养分

注：模式1(Q1)和模式2(Q2)分别指根据欧盟有机肥氮素替代50%化肥氮的原则或若根据作物需磷量来估算农作物粪肥养分供应量这2种方式，下同。

Note: Q1 and Q2 represent two patterns of manure application for crops based on rules issued by the European Union. One is 50% nitrogen substitution for chemical nitrogen (Q1), the other is the estimation of crop phosphorus nutrient requirement, the same as below.

从东莞市作物粪肥养分供应量的结果来看，2025年禽畜养殖和农村生活有机废弃物肥料养分可提供的总养分为5.1794×103t，其中氮、磷、钾分别为3.274 3×103t，1.283 0×103t和0.622 1×103t。考虑到有机废弃物处理导致的养分损失，存储发酵、沼气处理和堆肥加工，3种情景下粪肥实际可提供的总养分依次为3.913 9×103、4.803 7×103和3.055 0×103t。若根据欧盟有机肥氮素替代50%化肥氮的原则来估算农作物粪肥养分供应量（Q1），预计粪肥存储发酵、沼气处理2种情景（即S1和S2）下，粪肥所提供的养分将出现不同程度的盈余，需要转移出系统，其中S2情景下氮、磷、钾养分超出量最多，4种秸秆处理方式下需要移出的养分比例分别为73.2%～74.1%，53.7%～60.0%，24.1%～33.5%，即氮、磷、钾养分移出的比例以秸秆全部还田处理为最高，而秸秆不还田处理最低（图9）。情景S3中粪肥经堆肥加工养分损失较大，尽管氮、磷养分仍然超出作物需求量，但实际粪肥中的钾素与理论计算得到的代替钾素养分相比略显不足，因而还需补充57.3～103.2 t的化肥（钾肥）才能满足作物需要，其中秸秆不还田处理（S31）需要补充的钾肥量居高。

注：2025年禽畜养殖和农村生活有机废弃物肥料养分可提供的总养分为5.179 4×103t。在存储发酵、沼气处理和堆肥加工3种情景下，粪肥实际可提供的总养分依次为3.913 9×103、4.803 7×103和3.055 0×103t。

Note: Total available nutrient of crop residue retention, livestock farming and rural domestic waste was 5.1794×103t in 2025. Under scenarios of three typical manure management methods (stockpiling, biogas production and composting), the actual available nutrient elements were estimated to 3.913 9×103, 4.803 7×103and 3.055 0×103t, respectively.

图9 2025年需要外运的粪肥养分

Fig.9 Outer transported nutrients in manure resources in 2025

若根据作物需磷量来决定粪肥施用量（Q2），则沼气处理情景（S2）需要向外转移出粪肥，其中氮素的转移比例约66.7%，磷、钾养分移出的比例分别为39.8%～42.2%和0.8%～3.2%。养分元素的移出量均以秸秆全部还田处理为最高。在粪肥存储发酵情景下（S1），氮、磷养分有余而钾素不足，故需分别向外转移44.5%～46.0%和32.7%～35.3%的氮、磷养分，同时补充9.0%～12.2%的钾肥进入系统。在堆肥加工（S3）处理中，仅氮养分有余而磷、钾素均欠缺，故需移出37.9%左右的氮素，并补充0.5%～1.7%、33.7%～37.2%的磷肥和钾肥才能满足作物生长的需要。在需要补充化肥（磷肥、钾肥）的2种情景中，以秸秆不还田，用于焚烧的秸秆比例为73.72%（S31）时所需要补充的化肥量为最高。

4 讨 论

1978年至今，东莞畜禽养殖所经过了近20 a的增长，在1996－2005年养殖数量及所产生的粪肥均达到了顶峰，粪肥提供的总养分在1.0万～2.0万 t，对人畜粪肥总养分的贡献率达73%～84%，已超过了当地农业耕地需要吸纳的畜禽养分资源总量，成为转运或输出粪肥养分的主体。2005年后当地政府对全市各镇的畜禽养殖场进行了全面整治，明确划定了全市畜禽养殖的禁养区和限养区，畜禽存栏量大幅度减少，所产生的粪肥量也随之下降。模型预测显示，畜禽养殖对粪肥总养分的贡献率将持续下降，但在同期耕地、果园面积逐渐减少的情况下，不论以哪种原则决定粪肥施用量或采用何种粪肥处理方式，均需将一定数量的氮养分移出，才能解决当地农田土壤氮素负荷过量问题。

总体来看，随着东莞对畜禽养殖业环境监管工作的不断推进，畜禽养殖数量和规模已明显减少，单位耕地和果园面积N和P2O5的载荷远低于发达国家限量标准和广东省平均水平，说明畜禽养殖业所产生的污染得到有效遏制。在此基础上，如何减少秸秆养分损失，合理利用粪肥养分资源替代化肥，促进农业的可持续发展显得尤为重要。因地制宜，畜-禽-果-菜-鱼相结合，提高秸秆养分循环利用比例，加强有机粪肥养分资源管理，不断提高粪肥养分利用效率，控制粪肥在综合利用过程中的养分缺失，才能有效缓解土地缺乏导致高的农田氮、磷养分载荷较高等问题，推动环境保护和农业的可持续发展。

本研究采用的是统计年鉴中的数据和公开发表文献中的有关秸秆系数、秸秆养分含量参数、畜禽粪便排泄系数、作物养分吸收系数等来估算秸秆量、畜禽粪便资源量等及其养分含量等，实际中由于品种、生长地区、气候、管理方式、废弃物利用率等不同，这些系数在不同的报道或文献中并不统一[29]。例如畜禽粪便的日排泄量与品种、体质量、生理状态、饲料组成和饲喂方式等均相关，中国目前尚没有相应的国家标准[9]，在估算时对排泄系数选取上差别很大，从而导致研究结果相差甚远。此外，研究基于养分平衡法估算耕地和果园养分盈亏情况时，并未考虑大气降水及灌概水养分输入量、种子带入的养分及其他如生物固氮、干湿沉降等因素的影响。因数据获取所限，也未能将土壤淋溶、侵蚀、有机氮矿化和植物体蒸散损失的氮等计入。在粪肥处理方式上，仅考虑了3种常见的情景。实际上当前已涌现了多种技术成熟的粪肥资源化利用方式，如水粪混合做能源回收，粪肥的动物蛋白转化利用等[30]。在处理和施用粪肥的时候，一些国家（如丹麦）还考虑了不同来源粪肥的特性以及不同作物对氮、磷、钾的需求量等细节性措施[31]。因此，后续研究应针对参数选择及结果进行不确定性分析，并结合实地观测、农户调研等获取数据资料，从而使研究结果更具科学性和指导意义。

5 结 论

发展种养结合，将秸秆替代部分饲草，粪便通过还田替代部分化肥，是减少农业面源污染、践行绿色发展理念的重要举措。研究以地处珠三角水网区腹地的东莞为例，构建人口－种植业－畜禽养殖业的系统动力学模型，从耕地氮、磷承载力的角度，分析区域粪肥的产生量及养分资源的动态变化，探究农业和农村生活废弃物资源化利用和养分有效管理的途径。研究表明，东莞农业农村有丰富的有机废弃物资源。2016年作物秸秆资源量、畜禽养殖和农村生活产生的有机废弃物分别为4.08×104，1 912.16×104t猪粪当量（以N计）和6.20×104t。这些废弃物资源中蕴含的潜在养分达0.702 4×104t，并以逐年3.4%的幅度减少。若根据有机肥氮素替代50%化肥氮的原则来估算有机废弃物养分供应量，则氮、磷、钾养分均超出当地农作物和果树生长所需，需要外运粪肥以降低对环境的影响。在秸秆全部还田的情景下，最高有约84.7%的人畜粪肥（氮素）需要外运。随着时间的推移，需要外运的粪肥数量趋于减少。需要注意的是，对于经堆肥加工处理的粪肥，在控制畜禽养殖和农村生活产生粪肥的氮、磷养分的同时，还需按照作物需钾量补充适量的钾肥，在秸秆不还田的情况下，需要补充的钾素最多。

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Potential of partial substitution of chemical fertilizer by organic manures in Dongguan based on system dynamics

Qin Zhong1,2,3, Long Shaoqiu1,2,3, Wang Lu1,2,3※, Zhang Chunxia1, Yuan Lan1,2,3

(1.510642,; 2.,,510642,; 3.510642,)

Strategies for managing livestock manures and slurries in a sustainable manner have become an import issue with the rapid development in livestock and poultry industry in China. The manure production and utilization, usually involves the farming population, livestock and poultry breeding and crop cultivation, can achieve planting-breeding balance and reduce emissions of nutrients and pollutants to the environment. Understanding the process of manure nutrients in this comprehensive system can be helpful to strategies for the efficient recycling of manures. We develop a STELLA (Structural Thinking, Experiential Learning Laboratory with Animation) model for predicting the manure productions in agricultural and rural livelihoods and the changes in arable land bearing capacity for manure resources,and estimating the balance betweenlocal manure nutrients supply and fertilizer demand under different scenarios of crop straw returning to field and manure processing methods. The study aimed toprovide scientific information for optimize planting and breeding structure, achieve the sustainable recycling of manures, and promote the formulation of relevant policies. The model was applied to Dongguan in Pearl River Delta, an ideal candidate for investigating regional dynamics of manure nutrients with the adjustment of stock breeding industry and continuing reduced livestock and poultry breeding in recent years. The dynamics of manure nutrients included in the model were: 1) The loading capacity of agricultural land soil for nitrogen and phosphorus nutrients according to limitations on nitrogen and phosphorus application issued by the European Union; 2) The estimated amount of crop straw and its nutrient content. The crop straw nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrients returned to field were also quantified separately under three returning proportions; 3) The amount of livestock manure estimated by the excretive coefficient method. Manures produced from different livestock species were converted into pig equivalent. Manure nutrients were calculated under three manure processing methods; 4) Nutrients derived from rural domestic manures; 5)The average values of arable land loading of nitrogen and phosphorus nutrients. The model was calibrated using the statistical data during 1979－2017 and then used for the future prediction. The results showed that nutrients demand of crops and fruit trees in 2025 was 4.613 6×103t, while nutrients supplied by crop residue retention, livestock farming and rural domestic wastes were 430.64 and 4.5143×103t, respectively. Under scenarios of three typical manure management methods (stockpiling, biogas production and composting), the actual available nutrient elements were estimated to 3.913 9×103, 4.803 7×103and 3.055 0×103t , respectively. According to the rule of organic fertilizer N substituting 50% of chemical fertilizer N, the amount of N, P, K contained in organic wastes has exceeded the requirements of crop and fruit trees and should be transported out to reduce the risk of environmental pollution. Under the scenario of all straw returned to field, up to 87% of livestock manures should be exported out. Moreover, the additional K needed to be supplied with chemical fertilizers to meet the needs of crops and fruit trees under the compost processing scenario. The prediction posed a caution that the livestock farms and farmers in Dongguan shouldensure the amount of manure nutrients supplied by crop residue retention, livestock farming and rural domestic not to exceed the demand of crops and fruit trees.

nutrients; manures; fertilizers; system dynamics; scenario analysis; Dongguan

2018-12-17

2019-05-15

广东省科技计划项目（2014B020206002）、国家重点研发计划资助（2018YFD1100103）、国土资源部建设用地再开发重点实验室、广东省土地利用与整治重点实验室开放课题（SCAUGIS-OF2014-01）

秦 钟，博士，副教授。主要的研究领域为生态系统分析与模拟。Email：q_breeze@scau.edu.cn

王 璐，博士，副教授。主要研究方向为生态系统分析与模拟。Email：selinapple@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.026

S11+7

A

1002-6819(2019)-11-0223-10

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