商洛市畜禽粪污排泄量及其替代化肥潜力研究

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)

依据《中国统计年鉴——2016》[1],中国2000-2015 年的化肥施用量年均增长率达3.08%；2015 年, 中国的农业化肥施用量为6.06×107t, 是全球农业化肥投入总量的30.97%, 居首位。化肥为提高中国粮食及其他作物产量做出了贡献，但带来的环境问题十分严重，且是农业面源污染的主要原因[2]。刘钦普[3]通过评估全国区域化肥施用及其风险后认为，目前中国农田化肥使用量平均达到480 kg·hm-2, 大多数省区农田化肥投入过量。房珊琪等[4]特别研究了南水北调水源保护地化肥施用情况，认为2002-2014 年水源地化肥施用明显过量且逐年增加，净增214.44 kg·hm-2，年平均增长率为3.03%，水源地化肥施用强度是发达国家化肥施用安全标准上线的2.74 倍，是全国化肥施用强度平均值的1.50倍，是我国生态县建设化肥施用负荷标准的2.47倍。唐肖阳等[5]研究认为，汉江流域农业面源污染TN等标污染负荷贡献率最大的污染源是农田化肥，TP等标污染负荷贡献率最大的污染源是畜禽养殖。为了扼制化肥的超量增长，促进畜禽粪污等有机肥的施用，农业部于2015年3月份颁布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》(下称《零增长方案》)[6]，国务院办公厅制定了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(下简称《利用意见》)[7]等一系列文件。因此，研究畜禽粪污排放量及其对环境的污染风险、探讨畜禽粪肥替代化肥施用、估算畜禽养殖合理承载力等已成为当前研究的重点之一[8-11]。

商洛市地处秦岭山区的东南部腹地，区域面积19 292 km2, 四季分明，年降雨量平均900 mm，属半湿润山地气候，耕地约占区域面积的10%。发源于商洛市商州区西部秦岭南麓的丹江, 流经商洛市至丹江口水库中线陶岔渠首的直线距离也只有400 km左右(还有部分支流又汇入汉江)。另外发源于该市洛南县的洛河也是黄河的重要支流之一。因此，商洛市是长江、黄河两大水系重要的水源保护地，区域地理位置特殊, 肩负着重要的环保责任。

一直以来，商洛市是陕西养猪产业的重要基地之一，蛋肉鸡以及牛羊等养殖也占有重要的地位。但是，该地畜禽粪污的污染风险以及种养结合等方面的研究较少[12]，特别是评估当地畜禽粪肥替代化肥施用的研究尚未见报道。本研究拟以商洛市辖一区六县2016年畜禽养殖基本数据，采用畜禽粪便排泄系数法，估算各区县的畜禽粪污产量及其耕地负荷，同时，测算当地各区县作物产量及其养分需求，比较分析畜禽粪肥替代当地化肥施用量的潜力，为促进养殖业与种植业的协调发展提供基础数据和建议。

1 材料与方法

1.1 材料选择

1.1.1 商洛市各区县2016年畜禽养殖量及数据处理 由“农业部畜牧业统计监测系统”，可获得中商洛市2016年度的养殖业的基本数据。同时，按照100头猪相当于30头牛、250头羊、2 500只家禽的当量换算各区县的畜禽存栏猪当量数[13]。

1.1.2 商洛市2016年各区县种植业产量与相关数据处理 依据《商洛统计年鉴-2017》[14]，可获得各区县2016年的主要农作物与其他经济作物的产量及其播种面积。全市2016年初总耕地面积为195 167.4 hm2，全年总播种面积为461 620.7 hm2。商洛市的主要农作物是冬小麦、玉米和马铃薯，另外，还包括核桃、板栗、中草药等经济作物，近几年的蔬菜种植(包括设施蔬菜种植)也有较大种植。为了便于分析核算，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、葵花籽)合并；核桃、板栗等选择当年采摘面积。

1.1.3 商洛市各区县耕地面积及化肥施用量 《商洛统计年鉴-2017》统计，全市2016年共施用各类农用化肥178 724 t，其中氮、磷、钾及复合肥分别为98 932、13 650、7 155、5 8987 t。表1汇集了各区县耕地面积及各类化肥施用的折纯量。全市化肥施用总折纯为59 555 t，在施肥总量和类别上各区县间有一定的差别。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽粪便排泄的氮磷钾养分估算方法 总结多人[15～18]研究结果，可以用下列公式估算畜禽粪便排泄的氮磷钾养分量。

Pix= ∑Mi· Ri·Six

(1)

式中, Pix为i畜禽年度粪污x养分量, t·a-1，x分别表示氮、磷、钾；Mi为i畜禽年度养殖数, head·a-1；Ri为i畜禽饲养期内畜禽粪尿排泄量, t·head-1；Six分别为i畜禽粪污的氮磷钾含量, g·kg-1。

程波[16]针对北方地区养殖粪污经过简单堆沤的处理实际，汇总了各类畜禽粪污的饲养期及其排放量；白明刚[18]核算了羊的饲养期粪污排放量；贾伟等[19]在汇集北京53个不同畜禽场粪便实验的基础上，按有机肥行业标准测定了各畜禽固体粪便的氮磷钾平均含量。选择上述估算方法与参数(详见表2)，是因为当前商洛市畜禽粪便的处理和施用方式与上述研究背景基本一致。

表1 2016年商洛市各区县耕地面积与化肥施用折纯量

表2 畜禽粪污排泄量及其各养分供给含量

基于商洛市畜禽养殖实践, 牛(主要是黄牛)和羊(主要是山羊)的养殖周期均超过了1 a, 蛋鸡多实行全进全出制养殖方式, 一般超过72周龄, 所以牛、羊、蛋鸡都以年末存栏量为估算基准, 并以365日为饲养周期。肉鸡也多实行全进全出养殖方式, 养殖周期为55日龄, 以当年出栏数为准。兼用型的鸡养殖时间或多半年或超过1年, 估算时用当年出栏数与年末存栏数的平均值, 且列入蛋鸡合并估算。商洛地区目前育肥猪养殖周期为180日龄，母猪一般养殖时间都在两年左右, 应选365日作为估算基础, 而母猪养殖数量可以按照我国目前每头母猪能够育肥出栏14头仔猪(各地有所不同)的标准折算。各类畜禽饲养期及其粪便排泄量、粪便中氮磷钾养分含量等一并列入表2。

1.2.2 作物吸收营养物质的估算以及相关估算系数选择 基于营养平衡理论，作物对营养物质的需要量和吸收效率与当地土壤肥力、施肥种类和数量等有关。通过主要农作物和其他种植产品产量可以估算出当地种植业需要的养分总量，估算公式如下。

Zix= ∑Mij·djx

(2)

公式(2)中，Zix为 i区域作物养分需要量，kg·a-1, x分别表示氮、磷、钾；Mij为i区域j作物和其他种植产品的产量，kg·a-1；djx为j作物或其他种种植产品100 kg产量需要吸收氮磷钾养分量, kg(见表3)。

2 结果与分析

据公式(1)、表2，结合商洛市各区县2016年畜禽养殖量，可估算出当年畜禽粪便排泄量与粪肥的氮、磷、钾养分量及其折纯量。全市2016年畜禽粪污的氮磷钾养分量分别为10 281.70、5 646.08、5 014.64 t，其折纯为20 942.42 t, (见表4)。

据公式(2)、表3，结合商洛市各区县的农作物和其他种植产品产量情况，可估算出各区县范围种植主要农作物和其他种植产品的氮磷钾养分总需求量(表4)。2016年全市作物总氮磷钾需要量分别为23 281、3 962、20 000 t，需求比例为1∶0.17∶0.86。由于当地林果的种植面积较大、产量较高是造成钾肥需求较大的原因之一；而磷的需求不大，也说明粮食与油料作物产量较低。

表3 各种作物吸收氮磷钾的系数 (kg·10kg-1)

注：1)单位：kg·100 kg-1。2)氮素(N)指总氮；磷素(P)指P2O5；钾素(K)指K2O，下同。

表4 商洛市2016年各区县作物养分需求量与施肥比较

注：**该组数据是将各区县的复合肥按照氮磷钾1∶ 1∶ 1比例折算[24]，然后与表2的氮磷钾肥量合并而得。

2.1 商洛市2016年各区县化肥施用效率及其特点

据瞿晓苍[25]研究，商洛市2014年化肥施用量为5.8×104t，单位面耕地化肥施用量从2000年的213 kg·hm-2增加到2014年的355.5 kg·hm-2，有机肥施用耕地面积从2000年的30.6%下降到2014年的19.8%。通过表1、表4可算出2016年商州、洛南、丹凤、商南、山阳、镇安和柞水县的单位耕地化肥施用量，其结果分别为：335.7、395.0、232.3、253.7、241.0、308.8 kg·hm-2和306.6 kg·hm-2，全市加权平均305.1 kg·hm-2，虽略有降低，但仍处于较高的水平。按照国家环保局规定的中国生态文明市建设要求的化肥施用250 kg·hm-2标准衡量，全市只有丹凤县、商南县、山阳县与标准基本持平，其他各区县都远超过了该规定。对比全国化肥氮磷钾的1∶0.49∶ 42施用比例，商洛市化肥氮磷钾施用比例为1∶0.32∶0.38，说明该市施用的氮肥占较大比例(氮的施用量占58.8%)，且与该市作物氮磷钾1∶0.17∶0.86的需求比较也极不平衡，特别是钾肥的施用比例偏低。

王伟妮等[26]研究的施肥对水稻、小麦、油菜和棉花产量的贡献率分别为29.6%、48.6%、56.2%和38.0%，平均贡献率为43.1%；石元亮等[27]认为，我国化肥对粮食产量的贡献率为40.8%；王祖力等[28]研究化肥对产量的贡献率可达56.81%。商洛市2014年度小麦和玉米的氮磷钾化肥利用率平均是21.2%、18.2%和33.1%，加权平均大约是24.3%[24]。同作物氮磷钾实际需求相比较，较大的化肥供给量与实际较低的利用率说明商洛市化肥施用浪费严重，当然也就造成潜在的环境问题。商洛市地形地貌复杂、山坡地多、土壤肥力以及种植与施肥方法等，可能是商洛市化肥利用率不高的主要因素。

2.2 商洛市2016年畜禽粪肥替代化肥的潜力分析

经该计算，全市2016年各类畜禽存栏量为293.1×104头猪当量，产生粪污量为129.4×104t。表4显示，商洛市2016年畜禽粪肥(折纯)为20 942.42 t，氮磷钾的比例为1∶ 0.55∶ 049，可替代化肥的比例是35.2%，其中氮磷钾的替代比分别是29.3%、50.0%和38.1%，但各区县实际替代比例不平衡。商南县的氮磷钾的替代比例分别达到了86.2%、209.2%、143.2%；丹凤县也基本达到了较高的状态；其他区县则相对较低，特别是氮的施用替代比例较低，而磷的替代潜力相对较大。

Liang等[29]用50%有机肥和50%的无机肥的配制比例施用于烟草种植，结构烟草的产量和一级质量的烟草比例都得到提高。刘海涛等[30]研究认为，用有机肥替代化肥不仅可以增加土壤肥力，而且可以显著减少农田温室气体的排放。周玉琴等[31]研究表明在秸秆还田的同时，施用适量的有机肥与无机肥，可以提高小麦前期、中期营养需要，以及中后期的生殖生长阶段的需肥量。谢军等[32]研究表明，有机肥氮替代50%化肥氮时，能显著提高玉米经济产量和生物产量，可以促进玉米对氮素的吸收和向籽粒的转运，提高了氮的利用效率。刘红江等[33]采取不同的无机肥和有机肥比例，用武运粳29 号水稻种植试验，结果表明用50%有机肥替代化肥的水稻产量最高、且氮的转化率最好。

基于上述研究结论和表4数据，假如商洛市的作物产量不变，化肥种类与施用方式不变，若把化肥的施用量减到国家要求平均水平(250 kg·hm-2)，那么全市化肥施用量(折纯)将降低到48 792 t。如果把减少的化肥量作为粪肥，并与现有粪肥量(折纯)合计，那么粪肥将增加到31 709.42 t，此时，粪肥替代化肥的比例将达到65%。

与此同时，若按65%替代率的假设，在当前养殖结构不变的情况下，商洛市需要增加的畜禽存栏数为150.7万头猪当量，全市养殖存栏规模将达到443.8万头猪当量，而全市平均猪粪当量耕地负荷也将为9.45 t·hm-2，仍然在安全范围[34]。该假设过程进一步说明畜禽粪肥替代化肥的潜力较大且有较为安全的空间。当然，各区县的养殖规模是不平衡的，表7的粪肥产生量也显示，应当在商州、洛南、镇安、柞水山阳等县区增加一定养殖量，稳定丹凤县养殖规模，同时要减少商南县养殖规模。

3 讨论

3.1 畜禽粪肥替代化肥的有限性

《零增长方案》已经为减少化肥的施用提出了基本方针和计划，但要大幅度地降低化肥施用却受许多因素限制。麻坤和刁钢[35]在研究化肥对我国粮食的贡献率后认为，虽然在大量化肥施用的情况下，化肥增长对粮食增产效果已经在减弱，但由于化肥施用量弹性系数值较高，并且大于其他要素，表明化肥的增产效力尚不可替代。尽管我国化肥的实际施用量大[1-3]，且利用率较低[36]，而畜禽粪肥利用率(60%)较高[11]，但即使用全部畜禽粪肥也不能够全部替代化肥。如2014年全国畜禽产生粪尿可替代氮磷钾化肥潜力总和为3 162.44万t，也仅占化肥实际投入量的52.74%，其中畜禽粪肥替代氮磷钾肥的比例分别为38.30%、52.00%、86.77%[11]。商洛市的化肥施用强度高于全国水平，但就商洛市目前养殖的规模而言，畜禽粪肥施用尚不能大幅度替代化肥的施用。

3.2 控制化肥施用与加大畜禽粪肥施用量的措施

基于上述分析，在保障当前作物产量和其他种植产量的情况下，要实行化肥的有序减少和畜禽粪肥分类施用相结合的原则。首先应设定化肥施用递减计划，比如按照前文估算，商洛市2016年化肥施用量305.1 kg·hm-2，如每年减少1 000 t, 那么10年后即可达到250 kg·hm-2标准。其次，依据《利用意见》要求，切实加强畜禽粪污的资源化利用，提高畜禽粪肥的施用面积和施用频度，另外，扩大当地林果业、蔬菜以及中草药的畜禽粪肥的施用量。其三，要有针对性进行粪肥替代化肥，调整施肥结构，推广先进的施肥技术，做到缺什么补什么，施用畜禽粪有利于提高当地土壤磷素需求和有机质含量，同时，适当增加钾肥的供给比例。其四，重点提高当地农作物的生产水平，以粮食和油料为主，兼顾林果等，增加对粪肥的需求量，为“种养结合”的可持续发展打下基础。