基于种养结合的种鹅场粪污养分管理模式研究

赵华轩 李尚民 王猛 蒋一秀 窦新红

摘要：以糞污“干清粪+水冲粪—堆肥+氧化塘—农田利用”的种养结合模式种鹅场为研究对象，探究不同收集处理方式下，粪污养分留存情况，制定鹅场粪污养分管理模式。该鹅场粪便氮、磷产生量为28.105、7.665 t/年。最终还田的粪肥氮、磷供给量为6.491、4.083 t/年，留存率为23.10%、53.27%。干清粪收集过程氮、磷的留存率为64.95%、72.47%，水冲粪过程为32.00%、47.86%;堆肥处理过程氮、磷的留存率为36.82%和76.19%，氧化塘贮存过程为82.43%和84.91%。基于鹅场的粪污养分供给量及作物粪肥养分需求量，该鹅场粪肥氮磷供给情况为氮缺乏、磷过量。以氮投入为指标，14.66 hm2配套农田年消纳固体有机粪肥980 t，液体粪肥13 600 m3，同时需配施含氮量17%的无机氮肥9.21 t，此时磷投入有盈余。制定鹅场粪污养分管理模式有利于提高鹅粪利用水平，为鹅场实现种养结合循环农业提供科学支撑。

关键词：鹅粪;氮;磷;留存率;管理模式

中图分类号：X713   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）23-0219-06

收稿日期：2021-04-08

基金项目：江苏省重点研发计划（现代农业）项目（编号：BE2019347）;江苏省第五期“333”工程培养资金资助项目;江苏省家禽遗传育种重点实验室资助项目（编号：JQLAB-ZZ-202004）。

作者简介：赵华轩（1994—），男，江苏连云港人，硕士，研究实习员，主要从事家禽养殖环境控制及废弃物处理研究。E-mail：lyghzzhx@163.com。

通信作者：李尚民，硕士，副研究员，主要从事家禽养殖环境控制及废弃物处理研究。E-mail：372317312@qq.com。

随着我国畜牧业规模化和集约化程度的不断提高，畜禽养殖污染成为备受关注的焦点问题。畜禽粪污是放错了位置的资源，经妥善处理后作为有机肥还田利用，能够持续改善土壤团粒结构和养分状况，提升土壤品质[1]。我国是世界第一养鹅大国，2016年出栏量达5.18亿羽，占世界出栏总量的90%以上[2]。规模鹅场一般采用干清粪和水冲粪相结合的清粪方式，通过堆肥[2]、作为基质养殖蚯蚓[3]、直接还田施用[4]等方式处理固体粪便，污水则排入附近水体，极易造成周边水体污染。随着环保政策出台，鹅场逐步构建了“粪污收集—堆肥+氧化塘—农田利用”的种养结合模式，固体粪便经堆肥处理、液体粪污经氧化塘贮存处理后还田利用，实现了种养循环。受运输半径限制，鹅场主要利用周边配套的青绿饲料种植基地消纳粪肥，长期施用容易导致氮流失和磷累积等环境问题。

近年来，我国在猪场、奶牛场、鸡场等养殖场的种养结合模式方面研究较多[5-7]，形成了一系列的养分管理系统模型[8-9]，分析了粪污养分从产生、收集处理至还田利用过程的养分损失情况。贾伟等计算得出，奶牛场粪便在收集、处理和还田利用过程中的总氮（TN）、总磷（TP）留存率为62%和84%[10]。常志州等总结发现，畜禽粪便在清扫、堆积、还田过程中的TN留存率为29%～80%，清扫、堆积、高温好氧堆肥、还田过程中的TN留存率为6%～56%，清扫、厌氧发酵、贮存、还田过程中的TN留存率为9%～51%[11]。郭新发现，猪粪经干清粪、堆置、还田过程的TN留存率为29%～80%，经干清粪、堆置、好氧堆肥、还田过程的TN留存率为6%～56%，经干清粪、厌氧发酵、沼液贮存、还田过程的TN留存率为9%～51%[12]。

在粪肥还田过程中，仅有准确估算养殖场粪污养分供给量和农田作物粪肥养分需求量，制定合理的粪肥施用管理模式[13-14]，才能避免因粪肥还田造成的二次污染问题。目前，还未见种养结合模式下鹅场粪污养分管理方面的研究;不同的粪污收集和处理方式下，氮磷养分的留存情况尚不清楚。因此，本研究以采用“干清粪+水冲粪—堆肥+氧化塘—农田利用”种养结合模式的种鹅场为例，通过实地调研、粪污及土壤样品采样测定、文献参数搜集等方法，系统研究种鹅场的粪污养分供给情况，制定种鹅场的粪污养分管理模式，实现粪肥养分合理施用，为同类型鹅场开展粪污养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 鹅场相关资料

本研究选择东海县志远养鹅专业合作社的种鹅场作为研究对象。2020年10月进行实地调研和鹅粪及土壤样品采样测定。该场位于江苏省连云港市东海县，年存栏种鹅约2万羽，清粪方式为人工干清粪和水冲粪相结合，处理方式为堆肥和氧化塘贮存处理。

1.1.1 鹅场粪污管理模式 由图1可知，鹅场固体粪便来自干清粪和水冲粪沉淀后的固体部分，统一运送至田间堆置区进行堆肥处理，作为有机肥用于种植甜高粱、黑麦草、青贮玉米和菊苣。冲洗污水全部进入粪沟，经管道汇入沉淀池静置沉淀后，液体粪污泵入氧化塘进行贮存。施肥时，液体粪肥通过管道输送至农田，与灌溉水一起施用还田。

1.1.2 粪污产生量及养分含量 参照孙国荣等的鹅粪收集技术[15]进行采样测定，种鹅粪便日排泄量约为350 g/羽。平均每3 d人工清扫完1次鹅场。10月至次年4月，每2周冲洗1次，每个月清理1次沉淀池的固体粪便（约14 t）。5—9月，每周冲洗1次，每个月清理2次沉淀池（约28 t）。因此，鹅场干清粪收集的固体粪便约为815 t/年，水冲粪沉淀后的固体粪便约为238 t/年，年产固体粪肥约980 t。鹅场每次冲洗产生废水约400 m3，年产冲洗废水 13 600 m3。

现场采集鹅场的新鲜粪便、干清粪、水冲粪固体粪便，鹅粪有机肥、冲洗废水和氧化塘贮存后，将液体粪肥样品带回实验室进行检测（表1）。

1.2 配套农田种植参数

种鹅场的配套农田为山坡地，田间道路、灌溉管道设施完备，主要种植甜高粱、黑麦草、青贮玉米和菊苣， 并利用小型机械或人工进行收割。鹅粪有机肥和液体粪肥分别用作基肥和追肥，基肥施用在作物播种前，追肥施用在作物生育期。鹅粪有机肥表施后深翻入农田，液体粪肥利用管道输送至农田与灌溉水一起施用。

1.2.1 作物种植情况 根据当地气候条件，鹅场种植的甜高粱和菊苣为1年1季，每年收割3次;青贮玉米与黑麦草轮作，1年各1季。根据现场调研，鹅场配套农田面积为14.66 hm2，其中，甜高粱种植面积6.66 hm2，年平均产量112.5 t/hm2;黑麦草种植面积5.33 hm2，年平均产量22.5 t/hm2;青贮玉米与黑麦草轮作，年平均产量45 t/hm2;菊苣种植面积2.66 hm2，年平均产量22.5 t/hm2。

1.2.2 作物养分需求量 不同作物形成100 kg产量的养分需求量差异较大。由表2可知，甜高粱形成100 kg茎秆产量的养分需求量根据籽实产量换算得出[16]，青贮玉米、黑麦草和菊苣养分需求参数参照已有文献[10，17-18]换算得出。

1.2.3 农田土壤理化指标 4种作物种植区域中，每种作物区域随机取5点土壤，混合成1个代表性土壤样品，进行土壤理化指标测定。土壤pH值为 7.2～8.1，有机质含量为1.265%～2.869%，全氮含量为0.64～0.92 g/kg，有效磷含量为11.25～70.05 mg/kg（表3）。根据全国第二次土壤普查养分分级标准，土壤肥力状况为：按有机质指标，青贮玉米土壤为缺乏，甜高粱、黑麦菜、菊苣土壤为中等;按全氮指标，青贮玉米土壤为很缺乏，甜高粱、黑麦菜、菊苣土壤为缺乏;按有效磷指标，甜高粱土壤为很丰富，黑麦草土壤为丰富，青贮玉米和菊苣土壤为中等。配套农田土壤肥力总体呈现磷富余、有机质缺乏、氮极度缺乏的特征。

1.3 计算方法

1.3.1 粪便和氮磷养分产生量 种鹅每天排泄的粪便和氮磷养分量乘以饲养周期及养殖数量，得到鹅粪和氮磷养分产生量[16]。计算公式为：

Q=∑N×T×P×10-6;（1）

式中：Q为鹅粪或氮磷养分产生量，t/年;N为饲养量，羽;T为生长期，取365 d;P为粪便或氮磷养分的排泄系数，g/（羽·d）。

1.3.2 粪污养分收集量 鹅场的粪污养分收集量包括干清粪鹅粪、水冲粪沉淀后固体粪便和冲洗废水中的氮磷养分总量。计算公式为：

Qp=ms1×ρs1×（1-w1）+ms2×ρs2×（1-w2）+Vl×Cl×10-6;（2）

式中：Qp为鹅场的粪污氮磷养分收集量，t/年;ms1为干清粪粪便质量，t/年;ρs1为干清粪粪便氮磷养分含量（以干基计），%;w1为干清粪固体粪便含水率，%;ms2为水冲粪固体粪便质量，t/年;ρs2为水冲粪固体粪便氮磷养分含量，%;w2為水冲粪固体粪便含水率，%;Vl为冲洗废水体积，m3/年;Cl为冲洗废水氮磷养分含量，mg/L。

1.3.3 粪污养分供给量 鹅场的粪污养分供给量包括：鹅粪有机肥和氧化塘贮存的液体粪肥所提供的氮磷养分量。计算公式如下：

Qr=ms×ρs×（1-w）+Vl′×Cl′×10-6;（3）

式中：Qr为粪污养分供给量，t/年;ms为鹅粪有机肥质量，t/年;ρs为鹅粪有机肥的氮磷养分含量（以干基计），%;w为鹅粪有机肥含水率，%;Vl′为液体粪肥的体积，m3/年;Cl′为液体粪肥氮磷养分含量，mg/L。

1.3.4 作物养分总需求量 根据鹅场配套农田作物产量和单位产量的养分需求量，得到作物养分总需求量。计算公式如下：

An，i=∑（Pr，i×Qi×10-2）;（4）

式中：An，i为作物氮磷养分需求量，kg/年;Pr，i为第i种作物总产量，kg/年;Qi为第i种作物形成100 kg产量的氮磷养分需求量，kg。

1.3.5 作物粪肥养分需求量 根据不同土壤肥力下，农田作物氮磷养分总需求量、施肥供给养分占比、粪肥占施肥比例和粪肥当季利用率测算作物粪肥养分需求量，计算公式为：

An，m=An，i×FP×MPMR;（5）

式中，An，m为作物粪肥养分需求量，t/年;An，i为作物养分总需求量，t/年;FP为作物养分总需求中施肥供给养分占比，%;氮磷施肥供给养分占比根据土壤氮磷养分含量确定[16];MP为畜禽粪肥养分需求量占施肥养分总量的比例，%;本研究基于种鹅场粪肥施用实际，MP取值为100%;MR为粪肥养分当季利用率，%，本研究中MR取值为30%。

1.3.6 农田粪肥施用量 单位面积粪肥施用量根据粪肥养分含量测定值进行计算。公式如下：

Mi=An，iCi;（6）

式中：Mi为第i种作物单位面积预期产量下需要的粪肥量，t/hm2;An，i为第i种作物粪肥养分需求量，t/年;Ci为施入农田粪肥的养分含量，%。

农田粪肥施用量由每种作物的粪肥施用面积和单位面积粪肥施用量计算得到。公式为：

TM=∑Si×Mi;（7）

式中：TM为农田粪肥施用量，t/年;Si为第i种作物粪肥施用面积，hm2。

2 结果与分析

2.1 粪便和养分产生量

种鹅粪便日排泄量约为350 g/羽，粪便TN、TP的日排泄量分别为3.85和1.05 g/羽。因此，鹅场粪便产生量为2 555 t/年，粪便TN、TP产生量分别为28.105、7.665 t/年。

2.2 鹅场粪污养分供给量

根据鹅场粪污收集处理过程，核算粪污“干清粪+水冲粪—堆肥+氧化塘—农田利用”模式种鹅场粪污管理过程的养分留存情况。由图2可知，鹅场粪便TN产生量为28.105 t/年，TP产生量为 7.665 t/年。干清粪工艺的氮磷收集量为16.303、4.961 t/年，水冲粪沉淀后固体粪便的氮磷收集量为0.665、0.339 t/年。固体粪便经堆肥处理，最终可还田利用的氮磷留存量为6.247、4.038 t/年。水冲粪沉淀后，液体粪污的氮磷收集量为0.296、0.053 t/年。液体粪污经氧化塘贮存处理，最终可还田利用的氮、磷留存量为0.244、0.045 t/年。综上可知，该鹅场的粪污经收集处理后，可还田施用的氮磷留存量为6.491、4.083 t/年，氮磷养分留存率为23.10%和53.27%。

2.3 粪污养分留存率

根据鹅场粪污管理过程的养分留存情况计算不同粪污收集方式（干清粪和水冲粪）和处理方式（堆肥和氧化塘贮存）的养分留存率，结果（表4）表明，干清粪过程TN、TP留存率为64.95%和72.47%，水冲粪过程为32.00%和47.86%;堆肥处理过程TN、TP留存率为36.82%和76.19%，氧化塘贮存处理过程为82.43%和84.91%。上述结果表明，鹅粪收集处理过程中，TN留存率一直高于TP，水冲粪收集过程氮磷损失较多，堆肥处理过程氮损失严重。因此，鹅场要优化粪污收集处理方式，保留更多养分以供资源化利用。

2.4 农田粪肥养分需求量

甜高粱、黑麦草、青贮玉米和菊苣的单位面积作物养分需求量见表5。由表5可知，基于单位面积作物养分需求量，考虑作物总养分需求量中需要施肥的比例、粪肥占施肥比例和粪肥当季利用率，估算农田不同作物的粪肥养分需求量。根据土壤全氮和有效磷含量可知，菊苣和青贮玉米土壤氮磷养分分级为Ⅲ级，施肥占比推荐值为55%，甜高粱和黑麦草土壤氮磷养分分级为Ⅱ级，施肥占比推荐值为45%。粪肥占施肥比例取值为100%，粪肥氮磷养分当季利用率取值均为30%。计算可知，农田作物粪肥氮、磷总需求量分别为7.77、1.60 t/年。

可还田施用的粪肥氮、磷供给量为6.491、4.083 t/年。因此，配套农田可以完全消纳鹅场粪便中的氮，但会导致土壤磷盈余。考虑当前部分农田土壤磷含量仍处于中等水平的现状，为维持农业高效生产，建议以农田粪肥氮需求量为指标施用粪肥，并合理配施无机氮肥;同时定期监测土壤磷含量，当土壤磷含量达到警戒值时，需以农田粪肥磷养分需求量为指标施用粪肥。

2.5 农田粪肥施用管理模式

根据鹅场粪肥养分供给量及配套农田粪肥养分需求量，制定农田粪肥施用管理模式。由表6可知，设定农田作物粪肥施用方式为固体有机粪肥做基肥、液体粪肥做追肥。液体粪肥通过管道按面积平均施用。

配套农田液体粪肥施用量平均为680 m3/hm2。以N投入为基础，甜高粱、黑麦草、青贮玉米、菊苣的单位面积基肥施用量分别为45.74、16.09、144.34、8.05 t/hm2，共需基肥1 181.67 t/年;以P投入为基础，甜高粱、黑麦草、青贮玉米、菊苣的单位面积基肥施用量分别为15.84、2.73、47.51、1.46 t/hm2，共需基肥377.33 t/年。

该农田粪肥施用管理模式表明，以氮投入为指标，配套农田可完全消纳种鹅场产生的液体粪肥和固体粪肥，同时，为保证作物生长，需配施含氮量为17%的无机氮肥9.21 t。设置青贮玉米农田土壤配施无机氮肥，则青贮玉米农田配施的无机氮肥量为1.73 t/hm2。以磷投入为指标，配套农田年利用固体粪肥 377.33 t，此时粪肥中的磷在土壤中累积，持续改善农田土壤养分状况。由表6可知，鹅场配套农田土壤氮缺乏、磷比较充足，但部分农田土壤磷含量仍有提升空间。在土壤养分未超标的情况下，可以以氮投入为指标施用粪肥。因此，实施种养结合的循环农业时，要制定合理的农田粪肥施用管理模式，做到精准施用粪肥。

3 结论与讨论

3.1 不同收集处理方式对鹅粪养分留存情况的影响

畜禽粪肥从产生到农田利用过程中，经历了多重养分损失阶段，最终可施用于农田的粪肥养分量，远低于新鲜粪便的养分产生量。贾伟等对粪污固液分离、堆肥和氧化塘贮存处理、还田利用模式的奶牛场粪肥养分留存情况进行理论计算，发现粪污氮、磷养分留存率为62%和84%[10]。本研究的种鹅场粪污在干清粪和水冲粪收集、堆肥和氧化塘贮存处理、还田过程的TN、TP留存率为23.10%和53.27%。因此，要采取措施提高鹅场粪污的氮磷留存率，降低养分损失和对环境的污染。

在鹅粪收集处理过程中，TN留存率一直低于TP留存率，这主要是由于氮易于化学转化，可通过NH3和N2O挥发损失;磷化学形态则较为稳定，更多地保留在粪肥中。水冲粪过程TN、TP的留存率都较低，原因在于水冲粪过程中氮磷经历了吸附、径流、揮发等作用，水冲粪沉淀后固体粪便晾晒过程也会导致氮磷损失严重。已有研究分析粪污收集过程中氮磷养分留存情况，发现猪场干清粪过程TN留存率为65%～80%[12]，奶牛场干清粪过程TN、TP留存率为40%和60%[19]，水冲粪过程TN、TP留存率分别为90%和95%[20]。因此，建议种鹅场多采用干清粪收集方式，这也是规模养殖场主要的粪污收集方式[21]。在鹅场粪污处理过程中，堆肥处理过程TN损失较大，主要由于开放式堆肥过程NH3挥发作用强烈。刘烨等总结农业废弃物厌氧发酵及堆肥过程氮素变化，发现氮元素主要转变为NH3和N2O等气体损失，堆肥过程TN留存率为57.66%～80.85%;沼液贮存过程TN留存率为62.69%～95.50%[22];畜禽粪便与秸秆发酵沼液静置贮存 30 d 后TN留存率为54.88%[23];吴华山等探究猪粪沼液贮存过程中养分变化，发现贮存90 d的沼液中TN、TP含量留存率分别为15.69%～32.78%，6.55%～40.30%[24]。相较已有研究，鹅粪堆肥过程氮素损失较大，应采取保氮措施，降低堆肥过程氨挥发作用。如采取覆盖措施[25]，调节堆肥过程的物料参数[2，11]，堆肥时加入生物炭、沸石、锯末等吸附材料吸附氨气[26-27]，加入硫酸、竹醋酸、明矾等酸化剂以降低堆肥pH值[28-29]，堆肥过程添加固氮菌剂[30]等。

3.2 种养结合模式下的农田粪肥养分施用量

随着畜牧业规模养殖迅猛发展，畜禽粪污面源污染已经严重制约我国生态农业发展和乡村振兴，这就要求推行高效生态循环的种养结合模式。江苏是农业大省，农田经数千年耕种，土壤贫瘠，迫切需要统筹考虑环境承载能力，推行粪污全量还田技术。欧盟成员国以粪肥N投入作为指标，硝酸盐敏感区设定粪肥氮年施用量为170 kg/hm2，也有一些欧盟成员国以粪肥磷投入为指标，要求土壤粪肥磷年施用量不超过35 kg/hm2，以防止过量磷流失，造成水体富营养化[31]。本研究发现，农田作物单位面积粪肥TN、TP需求量分别为63.53～932.25 kg/hm2和8.25～198  kg/hm2。鹅场年产980 t固体有机粪肥和13 600 m3液体粪肥，以氮为基础，需配施无机氮肥，且粪肥中的磷在农田土壤中累积。在农田土壤养分未超标的情况下，可以允许较高的粪肥施用量，改善土壤肥力。在江苏这个养殖量大、种植面积有限的省份，推行种养结合、粪污还田的循环农业时，长期施用粪肥的土壤应定期检测土壤养分含量，当农田土壤磷含量达到警戒值时，需以土壤磷投入为指标，进行粪肥施用，过量粪肥制成有机肥售卖或运送至其他土地施用。

综上所述，对粪污“干清粪+水冲粪—堆肥+氧化塘—农田利用”种养结合模式的鹅场进行粪污养分管理，存栏量2万羽的鹅场TN、TP排放量分别为28.105、7.665 t/年，可还田利用的粪肥TN、TP供给量为6.491、4.083 t/年，留存率为23.10%和53.27%。鹅场应多采用干清粪收集方式，堆肥处理过程粪便氮素损失较大，应采取保氮措施。基于氮磷养分平衡的农田粪肥养分施用管理策略，该鹅场粪肥氮磷养分供给情况为氮缺乏、磷过量。要制定合理的鹅场粪肥养分管理模式，提高粪肥利用水平，实现循环农业绿色可持续性发展。

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