基于养分平衡理论的商洛市畜禽粪污土地承载力研究

2019-07-29王忙生张双奇

西北农业学报 2019年7期

王忙生,张雁,张双奇,杨雷

(1.商洛学院，陕西商洛 726000; 2.商洛市畜牧产业发展中心，陕西商洛 726000)

土地承载力是衡量人类社会经济活动与土地之间相互关系的概念，具有多种研究的范式、尺度和方法[1-2]。其目的就是界定在一定条件下，土地能容纳人类各类活动及其物质需求的多维阈值。养殖业产生的大量畜禽粪污(指畜禽养殖过程产生的粪便、尿液和污水的总称)无论经过那种处理方式，绝大部分的最好去处仍然是回归农田，为种植业提供所需要的营养物质,从而实现“土壤—种植—养殖”的良性循环和持续发展。所以，一定区域的畜禽粪污是否能够在该区域内土地有效消纳，促进作物生长与高产，同时又不会造成土壤退化或环境破坏，这是畜禽粪污土地承载力研究的基本意义。

关于畜禽粪污的产生量以及资源化利用、养殖业与种植业结构与规模、经济社会与生态环境平衡发展等承载力问题，是近年来研究的重要课题[3-5]。这些研究可以粗略分为两类。第一类主要是研究一定区域内单位有效耕地对当地畜禽粪便产量及其污染物质的负荷情况[4-10]。研究手段主要是运用畜禽粪便排泄系数法，分析不同养殖方式下，不同类别畜禽年度产生粪便的数量，主要指标是单位土地(或耕地)面积所负荷的畜禽粪便总量以及可能的环境污染风险等级等。此类研究较为宏观，适合于大环境资源的分析和调控。第二类主要是基于作物养分平衡理论以及区域的土壤肥力水平，利用种植作物的养分需求量(主要是吸收氮、磷、钾等元素)来估测畜禽粪污养分的施用量，或者是在一定化肥施用比例基础上估算畜禽粪肥的养分供给量，通过建立养分平衡模型，而估算出相应承载力[11-15]。这种研究能够较科学地平衡该区域种养关系、平衡化肥与畜禽粪肥的施用关系、合理调控种植业和养殖业与土壤环境的关系等，但需要实际测试数据和农田管理方面的资料。为了贯彻落实《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(下简称《意见》)[16]，2018-01-22，农业部办公厅颁布了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》(下称《指南》)[17]。该《指南》的本质也是基于养分平衡理论，但目前对《指南》的应用实例研究尚不多见。本研究拟以商洛市辖一区六县2016年种植业和养殖业生产为基础，以《指南》推荐参数和测算方法为指导，估算商洛市及其各区县的畜禽粪污土地承载力。

商洛市地处秦岭山区的东南部腹地，年降雨量900mm，是南水北调重要水源地——丹江的保护区(其中还有部分支流直接汇入汉江)；发源于该市洛南县的洛河也是黄河的重要支流之一。该研究将对当地畜牧业的现状和可持续发展潜力进行有效评估，为进一步协调好种养殖关系提供指导，同时，为保护大秦岭生态环境和商洛南水北调水源地水质安全提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 商洛市各区县2016年末养殖存栏数与猪当量 2016年商洛市各区县养殖数据主要来自《商洛统计年鉴—2017》(下简称《年鉴》)[18]，同时参考“农业部畜牧业统计监测系统”的商洛市2014—2017年度的养殖业基本数据。依据《指南》的估算参数要求，仅列入年末各类畜禽的存栏数，并且按照《指南》规定的折算系数将各类畜禽存栏数量换算成猪当量(表1)。其中，将家禽按蛋鸡和肉鸡分别核算；因当地个别县城只有很少数量奶牛，故合并于黄牛数量，且按肉牛系数换算；当地饲养的羊主要是陕南白山羊，计其存栏量；其他养殖数量(除了蜜蜂外)甚少，暂不计入。

1.1.2 商洛市各区县2016年主要农作物和其他种植产品产量 2016年商洛市各区县主要农作物和其他种植产品的产量与种植面积均来源于《年鉴》。商洛属于南北气候过渡带，跨长江和黄河两大水系，地势西北高东南低，平均海拔 900 m，有河谷川源、低山丘陵、中山坡槽三大地貌类型，土壤类型复杂(有8个土类)[19]。常用耕地面积占全市总面积不到10%,川道滩地土壤较为肥沃,丘陵坡地土壤较为瘠簿,且容易发生有机质等成分的流失。滩地一般种植夏、秋2季农作物，以小麦、玉米和马铃薯等为主，丘陵地多为杂粮和林果等的种植，中山坡槽地一般种植为林果和药材等。近几年，核桃和板栗等经济林果种植面积不断增加且占据部分川道滩地，蔬菜种植面积也在不断增加。经过整理的各类作物种植面积和产量见表2。为了便于估算，将夏季少量的豆类与秋季豆类合并；将夏季油料(油菜籽)和秋季油料(花生、芝麻和葵花籽)合并；核桃、板栗、茶叶和桑叶均选择当年采摘面积；中药材为种植产量与其播种面积；其他小宗作物因为数量极少，暂不计入。按照《年鉴》说明，播种面积随所播种作物产量统计。

表1 2016年商洛市各区县畜禽养殖年末存栏数及其猪当量Table 1 Total inventory and pig equivalents of livestock and poultry in different areas and counties of Shangluo in 2016 ×104 头 head

注：按照存栏数折算：100头猪相当于30头肉牛、250只羊和2 500只家禽。

Note:100 pigs are equivalent to 30 beef cattle,250 sheep and 2 500 poultry basedon the number of total inventory.

1.1.3 商洛市各区县土壤肥力指标及化肥施用量依据《指南》的指标要求，作物吸收土壤中的营养物质与当地土壤的肥力有关，这是营养平衡理论的主要理论基础。依据《测土配方施肥—土壤基础养分数据集》(2005-2014)[20]，获得商洛市各区县的土壤基础肥力的相关指标(平均值)；由《年鉴》统计获得全市2016年共施用各类农用化肥178 724 t，各区县的化肥施用折纯量等见表3。

表2 2016年商洛市各区县农作物和其他种植产量(t)与播种面积(hm2)Table 2 Yields(t) and sown area (hm2) of crops and other planting in different areas and counties of Shangluo in 2016

注：年初总耕地面积来源于《商洛统计年鉴-2017》。当地许多作物属于林果与作物套种，一些林果地面积也不统计在耕地面积中，故总播种面积远大于年初总耕地面积。*柞水县桑叶和商南县核桃采摘面积用年末实有面积替代。

Note:Total cultivated area at the beginning of the year from the Shangluo statistical Yearbook-2017.Local crops belong to forest,fruit and crop intercropping,and other forest,fruit areas are not counted in the cultivated land area,so the total planting areais far greater than the total cultivated area at the beginning of the year.* The area of mulberry in Zhashui and walnut area in Shangnan county are replaced by the actual area at the end of the year.

1.2 方法

1.2.1 研究依据和计算公式依据《指南》和《畜禽粪便还田技术规范》(GB/T25246-2010)的有关规定,选择“区域畜禽粪污土地承载力测算办法”。并设定计算公式(1)、(2)和(3),分别说明如下：

Zix= ∑Mij·djx

(1)

公式(1)中，Zix为i区域植物养分需要量, kg·a-1；Mij为i区域j作物或其他种植产品的产量，kg·a-1；djx为j作物或其他种植产品(100 kg)产量需要吸收的养分量(kg)，x分别取氮素(N)或磷素(P)的数量(表4)。

Qix=Zix·qix·fi/rix

(2)

公式(2)中，Qix为i区域植物粪肥养分需求量,t·a-1。qix为i区域土壤不同氮磷养分水平下的施肥供给养分占比,%；fi为i区域畜禽粪肥占总施肥的比例,%；rix为i区域粪肥中氮磷素的当季利用率，%。

Cix=Qix/Ux

(3)

公式(3)中，Cix为i区域畜禽粪便承载力(猪当量),头；Ux为单位猪当量粪便氮磷养分供给量，且分别为7.0 kg·头-1·a-1和1.2 kg·头-1·a-1。

1.2.2 作物吸收营养物质的参数选择营养平衡理论核心内容之一就是确定单位作物产量对营养物质的吸收效率和需要量，这是衡量营养物质流向与数量的关键，更是建立土壤营养供给的基本依据，也是土壤消解粪肥养分能力的体现。根据当地种植业的主要种类和生产情况，参考《指南》的推荐，并结合其他资料列举出当地主要农作物和其他种植产品100 kg产量对氮素和磷素的吸收系数(表4)。

表3 商洛市各区县土壤肥力与化肥施用折纯量Table 3 Calculatedparameters of soil fertility and fertilizer applicationin differentareas and counties in Shangluo

表4 各种作物吸收氮磷的系数Table 4 Coefficient of absorption of nitrogen and phosphorus by various crops kg/100 kg

注：氮素(N)指总氮,磷素(P)指总磷。下同。

Note:Nutrient nitrogen (N) refers to total nitrogen; phosphorus (P) refers to total phosphorus.The same below.

1.2.3 商洛市2016年畜禽粪污的氮磷钾养分供给量及占施肥总量比例估算首先估算植物生长需要的粪肥氮磷钾养分量，并计算与当年施用肥料总量的比例。这个粪肥占施肥比例可以来自于实际统计，也可以进行估算，其公式如下。

Px=∑Mi·Ri·Six

(4)

式中,Px为畜禽粪污养分量，t·a-1；Mi为i畜禽年存栏数,头·a-1；Ri为i畜禽饲养期内粪尿排泄量,t·头-1；Six中的x分别取氮、磷、钾，i为畜禽粪污的氮、磷、钾质量分数，g·kg-1。程波[26]在总结多人研究的基础上，针对北方地区养殖粪污简单堆沤的方法，汇总各类畜禽粪污的饲养期排放量；参考白明刚[27]的研究，核算羊的饲养期粪污排放量；贾伟等[28]在汇集北京地区53个不同畜禽场的粪便试验的基础上，按有机肥行业标准测定了各个畜禽粪便的氮磷钾平均质量分数(表5)。因为这些试验研究的畜禽粪便及其处理状态与商洛市各区县畜禽粪污的实际施用情况较为接近，所以按照实际养殖畜禽的存栏量估算所产生的粪污排泄量及其氮磷钾养分的折纯量。

表5 畜禽粪污排泄量及其各养分质量分数Table 5 Manure emissions and nutrient mass fraction of livestock

依据表1和表5基本数据和参数，按照公式(4)估算出2016年商洛市存栏畜禽粪污全氮、全磷、全钾的总量分别为0.724×104t，0.399×104t和0.337×104t，全年畜禽粪污全氮磷钾折纯量为1.46×104t。经过查询“2017年农业农村部直联直报系统”，商洛市2017年的畜禽粪污资源化利用率为77.3%；而在国务院《意见》中，也明确提出到2020年畜禽资源利用率达到75%以上目标；因此，拟以2016年粪肥利用率70%进行核算，全市当年畜禽粪污施肥量占总施肥量比例即为(1.46×70%)/(1.46+5.96)=14.65%。

2 结果与分析

2.1 商洛市各区县植物养分(氮和磷)需要量

利用公式(1)，结合商洛市各区县的农作物和其他种植产品产量情况，估算各区县种植主要农作物和其他种植产品的氮磷养分总需求量。因为种植方式与施肥结构不同，为了便于分析，把一般农作物与其他种植产品分别归类估算，详见表6。

表6 商洛市2016年各区县作物与种植产品的氮磷养分需求量Table 6 Nitrogen and phosphorus nutrient requirements of crops and planting products in different areas and counties of Shangluo city in 2016 t

注：按照《年鉴》分类，烟叶产品被归入农作物统计。

Note:According to the “Yearbook” classification,tobacco products arelassified into crop statistics.

由表6可看出，产粮大县洛南县(表2)对于氮、磷养分的需求量处于第1位，化肥施用量也几乎占到全市的30%(表3)。另外，商南、山阳和镇安县在林、药、茶等生产方面种植面积大，所以都有较大的氮、磷养分需求量。丹凤县马铃薯种植较少，而且单位面积耕地种植的小麦和玉米产量也不够高，这是种植业对氮和磷需求量均不高的原因之一。

2.2 2016年商洛市各区县植物畜禽粪污养分需求量

因为植物获得的营养物质来源是复杂的，要受到土壤本身的养分含量、化肥和畜禽粪污(肥)的供给质量与数量、植物固氮效应、耕作管理水平等诸多因素影响。依据《指南》的要求，在估算植物养分畜禽粪肥需要量时，应当因地制宜，选择不同的计算参数。房珊琪等[29]研究认为商洛市的商州区、丹凤县、商南县、镇安县等总化肥、氮肥的施用处于中级或较高级水平，磷肥则相对处于较低施用水平，而且认为粮食、蔬菜和油料作物施肥量较大，其他种植用肥不足4%,农家有机肥施用仅8%。瞿晓苍等[30]比较分析了商洛市2000年到2014年的化肥施用情况，全市2014年化肥施用量平均达到355.5 kg·hm-2(23.7 kg·667 m-2)，小麦和玉米的氮磷钾肥当季利用率分别为21.2%、18.2%和33.1%，低于全国水平。2014年有机肥施用面积只占作物播种面积和需用量的19.8%和7.1%。该结论同笔者前文的估算和房珊琪等[29]的调查结果基本相近。裴亮等[31]研究认为，如果肥料结构不合理，氮肥的利用率仅为30%～55%，磷肥为10%～25%，钾肥5%～20%。笔者实际调查也证实，商洛市农作物与其他林果种植业的施肥量很不平衡，前者多，后者较少；实际施用畜禽粪便等农家肥的比例不大，且对于坡度较大的耕地施用畜禽粪污等则因劳动力缺乏而更为不易。鉴于土地承载力研究小时空尺度的指导性和实操性的弱化意义[2]，仅选择全市粪肥占比(14.65%)作为各区县共同的估算参数。结合上述背景和分析，确定商洛市各区县的具体估算植物粪肥养分需要量及有关参数 (表7)。

表7 2016年商洛市各区县植物粪肥养分估算参数与需求量Table 7 Nutrient estimation parameters and demands of plant from livestock and poultry manure in different areas and counties of Shangluo in 2016

注：施肥供给养分的比例依据《指南》推荐的各地(旱地)土壤肥力水平进行选择；当季粪肥利用率也按照《指南》取值，相对坡地较多的区县利用率相对较低，而川道耕地较多的区县利用率相对较高。

Note:The proportion of nutrients supplied by fertilization is selected according to the recommendation for soil fertility level of each place (dry land) in the Guide,the manure utilization rate in the season isalso selected according tothe more slope of districts,the lower utilization ratein the Guide,while the utilization rate is relatively higher in flat areas.

2.3 2016年商洛市各区县畜禽粪污土地承载力分析

由表8可以看出，在粪肥施用比例不变的情况下，决定植物粪肥养分需要量的主要因素，除了当季的产量外，与土壤的肥力及其相关的施肥效率密切相关。在土壤肥力较差时，应当推荐较高的施肥量；当然，土地条件较差、产量低也说明施用的各类肥料的利用效率较低。

根据公式(3)，2016年商洛市以氮磷养分平衡估算的畜禽粪污承载力分别是72.99万头猪当量和85.09万头猪当量(表8)，该结果说明了在现有土地肥力和施肥比例的水平下，当年各类作物获得畜禽粪污养分折合的承载力(畜禽猪当量数)。估算结果与现有实际养殖量有较大差距，说明大量的畜禽粪污并没有进入耕地被植物吸收转化，或者以商品肥外销(确有规模养殖场加工有机肥外销，但不易统计)，或者有部分流失，而当地占施肥比85%以上的化肥利用效率也较低[30]。因为土壤肥力、养分的利用效率等因素变化具有地域性特点，变化的幅度也不会太大，所以，增加畜禽粪肥的施用比例、丰富土壤有机质量等是提高承载力的重要手段。谢军等[32]用8 a的试验对比研究认为，有机肥氮替代50%化肥氮，可显著提高玉米经济产量和生物产量，且具有较好的稳定性与可持续性；刘红江等[33]以武运粳稻为材料，说明在等氮量替代条件下,50%有机肥替代化肥是一种相对适宜的比例；易湘琳等[34]以湖南为例，认为有机肥施用比例为55%时，畜禽养殖承载力为最佳状态。因此，假设把粪肥施用比例提高到较理想的50%，再估算在其他参数和作物产量不变的情况下的承载力水平。经过比照分析，氮素估算承载力可达到249.11万头猪当量；磷素估算承载力可达到290.41万头猪当量。根据商洛市土壤特质和《指南》的氮磷评估区域建议，这个比照承载力(249.11万头猪当量)可以作为当地的“理想承载力”。用该承载力可以估算各区县拟增减的畜禽猪当量，进而作为调整当地养殖规模和结构的依据。

表8 2016年商洛市各区县畜禽粪污土地承载力估算与分析Table 8 Estimation and analysis of land carrying capacity from livestock and poultry manure in different areas and counties of Shangluo in 2016

注：①为按照粪肥实际施用率14.65%估算。②按照假设粪肥施用率50%估算。③实际承载力是现实养殖的猪当量。④拟增加的承载力为比照承载力(N素估算)与实际承载力差值。⑤单位播种面积承载力以N素估算承载力为准。⑥基于比照承载力(N素估算)的畜禽总氮总磷耕地负荷。*为全市单位播种面积承载力。**为全市耕地氮磷负荷。

Note:①Carrying capacity isestimated by actual manure application rate(14.65%).② Comparative carrying capacity isestimated by assumption manure application rate(50%).③Actual carrying capacity is the real cultivation pig equivalent.④Potential carrying capacity is the difference between comparative carrying capacity(estimated by N) and actual carrying capacity.⑤Carrying capacity per unit sown area is estimated by N estimated carrying capacity.⑥Nutrient load of cultivated areais estimated based on total nitrogen and total phosphorus cultivated land load of livestock and poultry by N estimated carrying capacity.* was the carrying capacity of the unit sown area in the whole city.** was the nitrogen and phosphorus load of cultivated land in the whole city.

欧盟建议将粪肥年施氮量的限量标准定为170 kg·hm-2,超过这个极限值会造成硝酸盐的淋溶[35]；武兰芳等[36]研究，单位耕地氮磷的年最大施用量分别按150和35 kg·hm-2估算。上述研究中欧盟和山东禹城的土地相对肥沃，需要供给的粪肥养分较低。潘瑜春等[13]提出了北京地区的耕地氮磷年施用量分别为200和40 kg·hm-2。侯彦林等[37]综合全国不同地域农田氮的面源污染研究,指出中国大田作物无污染的施氮量标准应为150～225 kg·hm-2·季-1(其平均数为180 kg·hm-2·季-1)，认为在此范围的施氮量不会引起氮素的明显淋失。商洛市各区县的川道滩地(除林果地和中坡地外)可以实行一年两季种植，考虑到土壤肥力，商洛市的耕地氮磷年最高施用量以225 kg·hm-2·a-1和40 kg·hm-2·a-1为宜。按比照承载力和《指南》中推荐的畜禽氮磷利用系数(分别为7 kg·头-1·a-1；1.2 kg·头-1·a-1)可估算各区县单位耕地面积的氮磷负荷值(表8)，结果表明：在承载力为249.11万头猪当量理想情况下，商洛市耕地利用畜禽粪污氮磷负荷分别为89.35和15.32 kg·hm-2·a-1，按全市当季播种面积的承载力为5.07 头·hm-2·a-1。当然，这些结论是在化肥减少50%，以及其他畜禽粪污的有效利用和管制下的初步估算，各种肥料的施用对环境的影响，还应结合其他环境因素统筹考虑。如果不能大幅度提高畜禽粪肥利用率，减少化肥施用量，那么来自大量畜禽粪污和超量化肥的双重污染风险，将会对丹江水源地产生潜在的威胁。

3 结论与建议

3.1 结论

商洛市2016年各区县的畜禽粪污(肥)施用比例为14.65%，畜禽粪污土地承载力按照氮磷养分估算分别为72.99万头猪当量和85.09万头猪当量，远低于实际存栏量187.50万头猪当量，种养分离较严重。如果把粪肥施用比例提高到50%，商洛市畜禽粪污土壤承载力按氮磷素估算可分别达到249.11万头猪当量和290.41万头猪当量。如将氮素评估承载力249.11万头猪当量作为当前理想承载力，除丹凤县要适当减少 13.77万头猪当量存栏数外，其他各区县养殖规模尚有不同的增加空间。

商洛市耕地氮磷年最高施用量以225 kg·hm-2·a-1和40 kg·hm-2·a-1为宜。在畜禽粪污(肥)承载力为249.11万头猪当量下，耕地畜禽粪污氮磷年施用量为89.35 kg·hm-2·a-1和15.32 kg·hm-2·a-1，对于耕地负荷是较安全的，同时，按2016年当季播种面积估算猪当量承载力为5.07 头·hm-2·a-1，也符合《指南》推介的标准。