中南地区畜禽粪污土地承载现状及处理利用发展趋势

蒋尊芳， 胡晓勇， 刘平云

(1.农业部南京设计院中南分院， 长沙 410000； 2.永清环保股份有限公司， 长沙 410000)

畜禽养殖过程中产生的粪便、尿液和污水统称为畜禽粪污[1]，随着我国畜禽养殖业集约化发展[2],畜禽粪污造成的污染日益剧增。据第二次全国污染源普查公报结果显示，畜禽养殖业年排放化学需氧量1000.53万吨，氨氮11.09万吨，总氮59.63万吨，总磷11.97万吨，畜禽粪污已居农业源污染之首[3]。畜禽养殖污水成为水环境污染的主要来源之一[4-5]，高浓度的畜禽污水使水中溶解氧含量降低，水体富营养化[6]，从而导致水生生物过度繁殖，极易造成水源生态系统污染恶化。畜禽粪污同时对大气环境带来极大的破坏，粪污里降解或未降解的有机物腐败发酵产生大量的硫化氢、氨、甲烷、二氧化碳、醇类等有害气体[7]，研究数据表明，畜禽养殖排放的氨占整个农业源氨排放的50%[8]，是促进PM2.5形成[9]，氮素大气沉降的重要来源[10]，这些气体挥发到大气中，不仅造成温室效应，还会引发酸雨，严重影响了人们的生存环境。

我国既是养殖大国，也是种植业大国，一方面畜禽养殖排放大量的粪污对环境造成污染，另一方面农业种植大量施用化肥造成土壤有机质下降[11]，农业面源污染加剧[12]。畜禽粪污既是养殖业的重要污染源，也是放错位置的宝贵资源，畜禽粪污肥料化利用既可有效解决养殖污染问题，同时也可提高土壤有机质含量、减少种植氮磷流失[13]。但是，由于我国专业化种植与规模化养殖脱节[14-15]、种养循环不畅，专业化服务组织数量少、规模小、专业化机械化水平低、服务能力弱，种养结合的渠道不畅；缺乏种养结合养分平衡管理机制，没有全面考虑植物养分需求，施用的畜禽粪污养分近40%排放到水体和大气中[16]，不仅造成作物减产，同时还带来了环境污染。

欧美等发达国家与我国一样，规模化养殖发展也曾经历过污染严重的阶段，但随着种养结合机制建立和机械化还田的普及，基本实现了粪便就地就近还田利用，不仅解决了环境污染问题，也促进了农业的可持续发展[17-18]。如美国，农田面积大，畜禽粪污一般采用全量还田模式，粪水混合贮存后直接进行农田利用，并建立了以综合养分管理计划(CNMP)为核心的政策体系[19]；欧盟国家实施以养分平衡为基础的生态利用模式，严格限定粪便施肥时间、施用方法和施肥量，并记录粪便农田利用台账。

中南地区按照地域细分为华中地区和华南地区。华中地区包括河南、湖北、湖南，该区域属暖温带-亚热带季风气候，大型规模养殖场多，人均土地面积小，环境容量较小，相对其他地区对畜禽养殖污染治理要求更高。华南地区包括广东、广西、海南，该区域属于亚热带和热带季风气候，河网水系密集，降雨量丰富，种植间隔期短，粪便储存时间短，相对于生产有机肥来说，储存农业利用成本更低。

畜禽粪污土地承载力是资源环境承载力的一个分支，早在20世纪初被提出[20]，本研究从种养结合的角度，基于氮平衡分析，以畜禽粪污氮养分供给量、农作物氮养分需求量为计算依据，通过计算土地承载力指数来确定畜禽粪污土地承载力现状，结合我国中南地区畜禽粪污资源化利用现状，借鉴国际国内成功经验，探讨符合我国中南区域特点的粪污资源化利用发展建议，对全面推动畜禽粪污处理利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 统计数据

本文主要农作物产量，猪、牛、羊和家禽存栏量数据均来源于2019年中南六省的统计年鉴[21-26]，中南地区各省的畜禽养殖情况见表1，主要农作物产量见表2。

表1 2019年中南地区各省畜禽养殖情况统计表

表2 中南地区各省主要农作物生产情况统计表

1.1.2 畜禽粪污氮养分供给量及作物氮养分需求量

畜禽粪污氮养分供给量及作物氮养分需求量根据《土地承载力测算技术指南》[1]计算。

1.2 计算方法

1.2.1 畜禽粪污氮养分供给量

畜禽粪污氮养分供给量按公式(1)计算：

Qr,p=∑Qr, p,i=∑APr,i×MPr,i× 365 × 10-6

(1)

式中：Qr,p代表区域内畜禽粪污氮养分产生量，t·a-1；Qr, p,i代表区域内第i种畜禽粪污氮养分产生量，t·a-1；APr,i代表区域内生猪当量存栏量，头(只)；MPr,i代表每头生猪当量中氮的日产生量，g·d-1头-1。

1.2.2 猪当量折算

猪当量的折算方法来源于《土地承载力测算技术指南》[1]，按存栏量折算：100头猪相当于 15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽。

Q=∑Qi=∑Ai×Ri

(2)

式中：Q为区域内畜禽养殖实际存栏量，猪当量；Qi为区域内第i种畜禽种类的猪当量，存栏量；Ai为区域内第i种畜禽种类的存栏量；Ri为区域内第i种畜禽种类折算猪当量的系数，奶牛、肉牛、羊、家禽的折算系数分别为100/15，100/30，100/250，100/250。

1.2.3 农作物氮养分需求量

农作物氮养分需求总量按公式(3)计算如下：

An,i=∑(Pr,i×Ri× 10-2)

(3)

式中：An,i代表区域内植物氮养分需求总量，t· a-1；Pr,i代表区域内第 i种作物总产量，t·a-1；Ri代表区域内第 i 种作物的100 kg收获物需氮量，kg。

1.2.4 农作物粪污氮养分需求量

农作物粪污氮养分需求量计算见公式(4)：

NUr,m=An,i×FP×MP/MR

(4)

式中：NUr,m为区域内作物粪污氮养分需求量，t·a-1；An,i为区域内所有农作物的氮养分需求总量，t·a-1；FP为施肥供给养分占作物总养分需求的比例，%。根据土壤氮养分等级确定；MP为畜禽粪尿养分需求占施肥供给养分总量的比例，按 50% 计算；MR为粪尿养分的当季利用效率，%。粪污氮素利用率25%～30%。

表3 土壤不同N和P养分水平下施肥供给养分占比推荐值

1.2.5 畜禽粪污土地承载力指数

一定区域畜禽理论最大养殖量(以猪当量计)按公式(3)计算。

(5)

式中：R代表区域畜禽以作物粪污养分需求为基础的最大养殖量，猪当量；NUr,m代表区域内植物粪污氮养分需求量，kg·a-1；NSr, a代表猪当量粪污氮养分供给量，kg·猪当量-1·a-1，单位猪当量氮养分供给量按7.0 kg·猪当量-1·a-1计算[1]。

将一定区域内各种畜禽实际存栏量(以猪当量计)除以区域最大养殖量(以猪当量计)得到区域畜禽粪污土地承载力指数，计算公式如下：

I=A/R

(6)

式中：I代表区域畜禽粪污土地承载力指数；A代表区域内实际饲养的各种动物根据猪当量换算系数，折算成猪当量的饲养总量，猪当量；R代表区域畜禽以作物粪污养分需求为基础的最大养殖量，猪当量；畜禽粪污土地承载力指数I>1，表示畜禽养殖已超过理论承载力，需要控制养殖规模，或者采取措施将畜禽粪污异地消纳；I≤1，表示畜禽养殖在理论承载力范围内，现有土地可以消纳畜禽粪污。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪污总养分供给量

中南地区各省畜禽养殖氮养分供给量见表4。

表4 中南地区各省畜禽养殖氮养分供给量

以各省的畜禽养殖存栏量为基数，根据猪当量折算方法，计算各省的生猪当量，如上表所示。以猪当量为基数，综合考虑畜禽粪污养分在收集、处理和贮存过程中的损失，单位猪当量氮养分供给量为7.0 kg[1]，计算氮供给量，各省的畜禽粪污氮养分供给量如上表所示。

2.2 农作物养分需求量

根据2019年统计数据[21-26]，中南地区主要农作物养分需求量统计见表5。

表5 中南地区各省主要农作物养分需求量统计表 (t)

以各省农作物产量为基数，根据不同植物形成100 kg产量需要吸收氮磷量推荐值[1]，计算农作物氮养分需求量，具体数据如上表所示。

2.3 土地承载力现状

从表6可以得出，在土壤氮养分等级分别为Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级时，所得土地承载力指数均少于1，说明畜禽粪污土地承载力均未超载，畜禽粪污可以完全消纳，同时，畜禽养殖还有一定的发展空间。

表6 中南地区各省土地承载力指数

3 讨论

通过对中南地区畜禽粪污土地承载力分析，结果表明，在不同的土壤养分等级下，畜禽粪污土地承载力均未超载，可以完全消纳产生畜禽粪污，种养结合潜力巨大。为进一步提高畜禽粪污处理利用率，建立种养结合畜禽粪污处理长效运行机制是畜禽粪污处理利用的根本出路，是解决农业面源污染问题、践行农业绿色发展的重要举措，使物质和能量流在动植物之间进行有序转换。今后，畜禽粪污处理利用发展趋势如下：

(1)培育第三方服务组织，提升粪污处理利用专业化。培育和壮大粪肥还田专业化合作社或公司等社会化服务主体，开展粪肥收运施用第三方服务，大力发展订单式作业、生产托管、承包服务等新模式、新业态。第三方服务是一种高效的组织模式，可以将养殖和种植联合起来，通过专业化的粪污收集、贮存和施肥管理，可避免非专业还田存在的施用成本高和环境风险；对减少面源污染和提高土壤肥力都起到了积极作用。针对不同需求可以提供粪污收集、处理，粪肥运输、施用等单环节、多环节不用类型的服务，政府可对运输车辆、施肥机械、服务费用等进行引导性补贴，降低种植户肥料成本，保障第三方服务长效运行。

(2)改进粪肥施用方式，推进粪肥施用机械化。推广全量机械化施用，提升畜禽粪污还田利用机械化水平。针对不同区域、不同田块类型推广适宜的粪肥还田利用输送和施肥设备，加强种植基地宜机化改造，提高粪肥还田的效率，让农户从繁重的粪肥施用中解放出来，提高种植户使用畜禽粪肥的积极性。鼓励通过机械深施、注射施肥等方式进行粪肥还田，提高氮素利用率，减少养分损失。

(3)建立粪便处理利用台账，实施粪污管理信息化。建立全链条畜禽粪污还田利用监测网络，开展粪肥还田利用的信息化管理，保证粪肥科学规范还田，充分利用粪水资源、控制环境污染。以养殖场、第三方服务机构、种植户为监测重点，督促指导养殖场监测记录畜禽粪污产生量，粪肥氮磷钾养分、重金属、抗生素等含量；第三方服务机构做好粪污收集、处理、利用全过程信息记录；种植农户对施肥农田类型、种植制度、粪肥使用时间及使用量等相关信息动态管理。建立粪污还田利用大数据库，逐步实现粪肥农田利用的可监测、可报告和可核证，实现粪肥还田从养殖场到田块的全过程信息记录，确保粪肥还田利用科学准确。

4 结论

(1)在不同的土壤氮养分等级条件下，所得土地承载力指数均少于1，说明畜禽粪污土地承载力均未超载，现有的种植作物可完全消纳畜禽产生的粪污，种养结合潜力巨大。

(2)提出畜禽粪污处理利用的根本出路在于种养结合，建议畜禽粪污处理利用走专业化、机械化、信息化之路，构建起种养结合长效可运行机制。