华北平原主要作物轮作模式下牛养殖适宜承载量分析

聂胜委，张巧萍，王二耀，张玉亭，何 宁

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州450002；2.河南省农业科学院畜牧兽医研究所，河南郑州450002）

随着人们生活水平的不断提高，对肉、蛋、奶的需求量也越来越大。与之相应的是畜禽养殖规模和数量不断扩大，畜禽养殖产生的粪尿废弃物总量也日益增多，导致养殖粪尿排泄物超过了区域自身的消纳吸收能力，污染加剧。运用土地承载力的计算方法可以快速方便地计算出一定区域内适宜的畜禽养殖承载数量，科学合理地规划区域内养殖规模和结构。

在研究土地承载力的尺度、方法、理论等方面，研究涉及的内容也越来越丰富。区域内畜禽养殖规模和土地承载力在省域大尺度方面已有较多研究。王奇等[1]分析了全国各省的畜禽养殖总量及承载能力；汪开英等[2]研究了浙江省畜禽业产排污和土地承载力情况，并提出区域内养殖业布局的建议；陈斌玺等[3]分析了海南省农用地的畜禽粪便承载力和养殖环境容量；孙国波等[4]采用氮磷养分平衡法研究了江苏省畜禽养殖的土地承载力。地区（市）域中尺度方面，已在江苏淮安[5]和盐城[6]、陕西安康[7]和西安[8]、广东江门[9]、甘肃庆阳[10]、河北沧州[11]等地进行了区域土地承载力分析。县（区）域小尺度方面，在江西桐乡[12]、北京平谷区[13-14]、江西鄱阳湖生态经济区[15]、山东寿光[16]、浙江江华[17]等已有研究。

此外，在土地承载力的研究中融合了其他分析方法，例如，分析区域养殖环境承载力结合系统分析的灰色理论和模型[18-19]、系统动力学与模糊预警模型[20]、层次分析法[21]等。而且，对土地承载力研究的尺度也更加微观化，如基于种植业、养殖业养分平衡分析环境承载力[22]，基于养分平衡法分析大田作物、蔬菜地和果园地土地畜禽承载力[23]。理论方面，徐宇鹏等[24]研究了规模化畜禽养殖布局的环境敏感影响因子；鞠昌华等[25]分析了畜禽养殖环境承载力的关键特征。

华北平原是我国重要的粮食生产基地和畜禽养殖基地，也是我国今后发展秸秆养殖（牛）业的重要地区。上述研究大多是从养殖规模、耕地面积、产量等方面来分析，而土地承载力与区域内土地生产力水平（高产、中产、低产）、作物轮作种植模式、堆粪肥施用量以及科学技术水平等因素关系密切。

本研究运用土地承载力计算方法结合不同土地生产力水平，研究华北平原区主要作物轮作模式和不同生产力水平下的牛养殖业适宜承载量，以期为实现种植业、牛养殖业清洁生产、农牧产业链循环、资源循环利用提供参考和借鉴。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

华北平原（32°～40°N，114°～121°E）跨越京、津、冀、鲁、豫、皖、苏7省市，是我国重要的农业区域之一。属暖温带季风气候，四季变化明显，年均温8～15℃，热量资源较为丰富，一年两熟轮作种植模式。≥0℃积温为4 100～5 400℃，≥10℃积温为3700～4700℃，无霜期190～220d，年降水量500～1 000 mm，年总辐射量为4 605～5 860 MJ/（m2·a），年日照时数为2 300～2 800 h。同时该区也是我国重要的牛养殖区域之一，2017年底，该区牛存栏量1172万头，牛肉和牛奶产量分别为172万、897万t。

1.2 研究方法

表1 不同生产力水平下主要作物的氮肥施用量及产量水平 kg/hm2

选取该区主要的作物轮作种植模式：小麦/玉米（粮/粮模式）、小麦/花生（粮/油模式）、小麦/水稻（粮/粮模式）、小麦/大豆（粮/油模式）、油菜/水稻（油/粮模式）等，土地生产力水平分为高产田、中产田、低产田（表1）。土地承载力的计算和参数参照农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，以养分N为标准，单位猪当量氮养分供给量按7.0 kg计算。生产力水平及肥料利用率参考《作物专用复混肥料农艺配方》等研究的相关结果[26-27]，在高产田、中产田、低产田中的粪肥占施用肥料总量的比例和肥料吸收利用率分别为25%，35%，50%和50%，40%，30%，不同生产力水平条件下单位耕地面积氮肥施肥量及产量水平列于表1。

1.3 数据分析

数据、表、图采用Excel和SPSS 25.0等软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作种植制度下作物粪肥养分需求量分析

从表2可以看出，华北平原一年两熟区不同轮作种植制度下，在高产田、中产田和低产田3种生产力水平下的养分需求总量存在差异，相同轮作模式下，高产田养分需求量最大，低产田需求量最小；相同土地生产力水平条件下，粮/粮轮作模式的养分需求量高于粮/油轮作模式。

表2 不同轮作种植制度下单位面积的氮肥养分需求量 kg/hm2

由于不同生产力水平的耕地土壤对养分需求不同，依据施用堆肥或有机肥对作物产量的影响，同时参照施用有机肥对中、低产田土壤具有良好的改良效果等研究，本研究采用施用粪肥占总量氮肥的比例在高产田、中产田、低产田分别为25%，35%，50%，加大了粪肥在中、低产田的施用量，计算结果如表3所示。

表3 不同轮作种植制度下粪肥氮的施用量 kg/hm2

此外，肥料的吸收利用效率在不同生产能力条件下也存在差异，本研究参考了以往的研究，确定氮肥养分吸收利用率在高产田、中产田、低产田水平下分别为50%，40%，30%，依据养分吸收利用效率和生态承载力粪肥需求量计算公式，得出不同轮作种植制度下粪肥的需求量（表4），粪肥在中、低产田的需求量大于高产田，在“粮/粮”模式下（小麦/玉米、小麦/水稻）的需求量大于“粮/油或油/粮”模式（小麦/花生、小麦/大豆、油菜/水稻）。

表4 不同轮作种植制度下粪肥的需求量 kg/hm2

2.2 不同轮作种植制度下农田牛适宜承载量分析

按照《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》的计算方法，单位猪当量氮养分供给量为7.0 kg计算（表5），小麦/玉米、小麦/水稻、小麦/花生、小麦/大豆、油菜/水稻轮作模式下，高产田的生态承载力的猪当量头数分别为 32.1，32.1，21.4，20.4，21.4 头 /hm2；中产田分别为 54.4，54.4，35.6，37.5，37.5 头 /hm2；低产田分别为 96.4，100.0，64.3，67.9，67.9 头 /hm2。

表5 不同轮作种植制度下生态承载力 头/hm2

依据指南中的换算系数，100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛，不同轮作种植模式、不同土地生产能力水平下肉牛适宜养殖量如图1所示。小麦/玉米种植模式在高产田、中产田、低产田中适宜的肉牛养殖量分别为9.6，16.3，28.9头/hm2，小麦/水稻种植模式分别为9.6，16.3，30.0头/hm2，小麦/花生种植模式分别为6.4，10.7，19.3头/hm2，小麦/大豆种植模式分别为6.1，11.3，20.4头/hm2，油菜/水稻种植模式分别为 6.4，11.3，20.4头 /hm2。

从图2可以看出，单位耕地面积上奶牛的养殖量，小麦/玉米种植模式在高产田、中产田、低产田中适宜养殖量分别为4.8，8.2，14.5头/hm2，小麦/水稻种植模式分别为4.8，8.2，15.0头/hm2，小麦/花生种植模式分别为3.2，5.3，9.6头/hm2，小麦/大豆种植模式在高产田、中产田、低产田中适宜养殖量分别为3.1，5.6，10.2头/hm2，油菜/水稻种植模式分别为 3.2，5.6，10.2 头 /hm2。

3 讨论

土地承载力与土地的生产力水平、养分吸收效率等关系密切，已有研究表明，大田作物每季载畜量，小麦、水稻、玉米分别为肉牛3，4，3头/hm2和奶牛2，2，2头/hm2，经过计算可知，小麦/玉米、小麦/水稻种植模式下土地载牛量则分别为肉牛6，7头/hm2和奶牛4，4头/hm2[23]。而本研究得出，小麦/玉米种植模式在高产田、中产田、低产田中适宜养殖量分别为 9.6，16.3，28.9头/hm2，小麦 /水稻种植模式在高产田、中产田、低产田中适宜养殖量分别为9.6，16.3，30头/hm2。同时，利用种植、养殖养分平衡计算出杭州市畜禽养殖量大的地方环境生态承载力的猪当量为35.59头/hm2，一般为20～30头/hm2[22]。本研究中，小麦/玉米、小麦/水稻每公顷高产田、中产田、低产田的生态承载力的猪当量分别为32.1，32.1 头 /hm2；54.4，54.4 头 /hm2；96.4，100.0 头 /hm2。本研究的结论与已有研究报道结论相比，高产田与之持平略高，中、低产田远高于文献结论，这是由于在本研究中，考虑到不同地力水平下，施用粪肥占肥料施用总量不同，而且肥料在不同地力水平下，土壤的蓄水蓄肥能力差异较大因而导致吸收利用率差异也较大。同时，未来我国中低产田改良和有机质提升的主要做法就是增大有机肥的施用量。因此，在中、低产田地力水平下，适当提高不同种植模式的养殖承载量，不仅能够使农田消纳更多的牛养殖业粪（尿）废弃物，实现种养循环和清洁生产，而且可以更好地改善土壤团粒结构，增加土壤有机质，培肥地力，提高土地生产能力。

另一方面，本研究中土壤生产力水平、化肥替代比例以及养分吸收效率数据均采用区域内以往的研究结果[26-27]，与区域内的生产实际相吻合，所得出的结论与生产实际契合度较好；既能够为种植户发展养殖业提供参考，也能为养殖户发展种植业提供借鉴，实现区域的以种定养，以养促种，实现产业循环发展，有利于产业结构的调整和衔接。

4 结论

本研究初步得出，在高产水平下，小麦/玉米、小麦/水稻、小麦/花生、小麦/大豆、油菜/水稻种植模式的肉牛适宜承载量分别为9.6，9.6，6.4，6.1，6.4 头 /hm2，奶牛适宜承载量分别为 4.8，4.8，3.2，3.1，3.2头/hm2；在中产水平下，小麦/玉米、小麦/水稻、小麦/花生、小麦/大豆、油菜/水稻种植模式的肉牛适宜承载量分别为16.3，16.3，10.7，11.3，11.3 头 /hm2，奶牛适宜承载量分别为 8.2，8.2，5.3，5.6，5.6头/hm2；在低产水平下，小麦/玉米、小麦/水稻、小麦/花生、小麦/大豆、油菜/水稻种植模式的肉牛适宜承载量分别为28.9，30.0，19.3，20.4，20.4 头 /hm2，奶牛适宜承载量分别为 14.5，15.0，9.6，10.2，10.2 头 /hm2。