陕西省畜禽粪肥资源现状及其替代化肥潜力分析

2021-07-02冯璞阳谢恩泽白亚妮李文孝梁建强赵文娟

四川农业大学学报 2021年3期

冯璞阳，谢恩泽，白亚妮，颜宏，李文孝，梁建强，赵文娟 *

（1.陕西省生物农业研究所，西安 710043；2.陕西省酶工程技术研究中心，西安 710600；3.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所，南京 210008）

随着中国畜禽养殖规模的扩大，畜禽养殖粪污不当处理，直接或间接导致土壤污染、大气污染、水体富营养化等环境污染问题日益突出[1-3]。同时，作为重要的有机肥资源，畜禽粪尿富含有机物和植物生长所需的氮磷钾等营养元素，将其无害化处理后施入土壤，可有效增加土壤有机质[4-5]、提高土壤肥力[6-8]、改善土壤结构[5]，进而促进作物生长、增加作物产量[9-10]并改善农产品品质[11]。2015年中华人民共和国农业农村部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，要求转变施肥方式，增加有机肥资源利用，减少不合理化肥投入。

我国是化肥生产和使用大国，存在施用量偏高、施肥不均衡、有机肥资源利用率低、“三重三轻”问题突出等现象。长期、盲目、单一施用化肥导致土壤退化、耕地板结、保水保肥能力下降[12-14]。《陕西省农牧业可持续发展规划（2014—2020年）》指出，陕西化肥施用量远超全国平均水平和发达国家的安全上限，造成日趋严重的农业面源污染，成为影响陕西省现代农业可持续发展和食品安全的严重问题。

目前，国内相关科研院所在粪污资源、能源潜力、环境风险以及处理技术和装备等方面已开展了大量的研究，并在畜牧业较集中的地区开展了粪污资源评估和环境承载力方面的研究[15]。贾伟等[16]针对京郊养殖业和农用地面积现状，提出应外输固体粪肥以减少农田氮磷负荷及环境风险。耿维等[15]评估了安徽省粪便资源作为有机肥对化肥的替代潜力，发现畜牧业废弃物对农用地环境污染风险不高，但有6个县（区）属于环境污染高风险地区。宋大利等[17]评估了2015年中国畜禽粪尿中养分资源数量及利用潜力，其中陕西畜禽粪尿量为4 840万t，养分总量为56.8万t。但关于陕西省在市级尺度上畜禽粪尿资源现状及其替代化肥潜力的全面研究鲜有报道。

因此，科学、及时的评估陕西省各市（区）畜禽粪尿及其养分资源量的分布特征和变化规律，分析有机肥对化肥的区域替代潜力，有助于为陕西省畜牧业粪尿资源化利用、统筹优化布局、实现化肥零增长目标提供数据支撑及基础实施方案，具有重要的现实意义。

1 材料和方法

1.1 数据来源

1.1.1 饲养量和饲养期

本研究所用陕西省各市（区）畜禽存栏情况来源于《陕西统计年鉴（2001—2019）》[18]，畜禽主要种类包括肉猪、妊娠猪、肉牛、奶牛、羊和家禽。畜禽饲养周期来源于《全国农产品成本收益资料汇编（2018）》[19]，其中肉猪 159 d、肉牛 197 d、奶牛 365 d和羊184 d为陕西省不同规模饲养时间均值，家禽74 d为全国平均饲养时间，妊娠猪饲养时间为365 d。

1.1.2 产排污系数和养分含量

畜禽产排污系数参考《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》[20]西北地区数据，其中羊产排污系数及畜禽粪尿养分含量来自文献[21]。肉猪产排污系数=1/3保育期产排污系数+2/3育肥期产排污系数[22]，见表1。

表1 陕西省畜禽粪尿的产排污系数和养分含量（鲜基）Table 1 Daily excretion and nutrient content in livestock and poultry faeces in Shaanxi province （fresh based）

1.1.3 秸秆系数和养分含量

2018年陕西省主要农产品产量来自《陕西统计年鉴（2019）》[18]，秸秆系数来自文献[23]的陕西或北方其余省区市平均值，秸秆养分质量分数参考中国有机肥养分数据集[24]，见表2。

表2 2018年陕西省主要作物秸秆系数和养分含量Table 2 Straw factor and nutrient content in main crops of Shaanxi province in 2018

1.1.4 其他数据

中国、陕西省各市（区）播种面积、农用化肥施用量（折纯，全文同）分别来自《中国统计年鉴（2019）》[25]、《陕西统计年鉴（2019）》[18]。

1.2 估算方法

1.2.1 畜禽粪尿产生量及养分量

畜禽粪尿产生量（鲜质）计算公式如下。

式中：Q为畜禽粪、尿产生量（鲜质），104t；i为畜禽种类；S为畜禽年内存栏数，104；T为饲养天数，d；e为每只（头）畜禽产排污系数kg/d。

畜禽粪尿养分计算公式如下。

式中：CN、CP、CK分别为畜禽粪尿 N、P2O5、K2O养分总量，104t；cN、cP、cK分别为畜禽粪、尿 N、P2O5、K2O养分含量，%。

1.2.2 单位面积畜禽粪尿环境分析

r=q/p

式中：r为区域畜禽粪尿负荷量承受程度有关的警报值，分为6级（表3）；q为单位播种面积畜禽粪尿负荷量，t/hm2；为有机肥理论最大适宜施肥量，从环境风险考虑，以最低限度30 t/hm2为最大理论适宜量[1，26]。

表3 畜禽粪尿土地负荷警报值分级的环境影响[26-27]Table 3 Environmental impact of livestock and poultry faeces classification of alarming values

1.2.3 作物秸秆还田量

作物秸秆产生量可基于作物产量和秸秆系数进行计算，如下。

式中：A为作物秸秆产生量，103t；l为作物种类；Y为作物产量，103t；K为秸秆系数；NN、NP、NK分别为作物秸秆 N、P2O5、K2O 养分总量，t；nN、nP、nK分别为作物秸秆N、P2O5、K2O养分质量分数（干基），g/kg。

2 结果与分析

2.1 陕西省畜牧业粪尿资源及其分布

2000—2018年陕西省畜禽粪尿资源年产生量及其构成变化如图1所示。粪尿产生量经历了持续增长（2000—2005年）、急剧下降（2006年）、较快增长（2007—2008年）、先下降后平稳波动（2009—2018年）4个阶段。各类畜禽粪尿产生量占总量的比例大小依次为：牛＞猪＞羊＞家禽。2005年陕西省粪尿产生量接近3 000万 t，2005—2006年畜禽养殖总量突降，肉猪、妊娠猪、肉牛、奶牛、羊、家禽粪尿产生量依次降低 30.04%、37.98%、54.28%、12.15%、34.81%、36.02%。随后动态稳定在2 000万t，除妊娠猪、羊、家禽为增长趋势、奶牛先增后骤降外，其他家畜粪尿产生量保持基本稳定。

图1 陕西省畜禽粪尿年产生量和结构组成Figure 1 Annual production and composition of livestock and poultry faeces in Shaanxi province

2000—2018年畜牧业粪尿以牛粪尿为主，其在2016年之前占比高达（50±3）%，2016—2018年占比约40%；猪粪尿占比接近1/3；羊粪尿在2016年之前占比约16%，2016—2018年占比增长了46.02%，达到了24%；家禽粪尿占比最低约为4%。

以2018年为例，陕西省畜禽粪尿产生量及空间分布情况如图2所示。陕西省畜牧业粪尿产生总量为2 034.47万 t，不同市（区）占全省总量的比例大不相同，其中，榆林市高达460万t，除延安市、西安市、铜川市、商洛市低于100万 t，宝鸡市和渭南市约为300万 t外，其他市（区）均为200多万 t。区域角度上，关中地区占比量最大，占全省总量的46.51%，陕南、陕北接近，分别为26.74%与26.75%。关中地区，宝鸡市和渭南市粪尿产生量接近，两者占关中地区总量的64.3%；铜川市粪尿产生量最低，占关中地区总量的2.0%。陕南地区，汉中市粪尿产生量最高，占陕南地区总量的45.1%。陕北地区，榆林市粪尿产生量最高，占陕北地区总量的84.5%。

图2 2018年陕西省各市（区）畜禽粪尿年产量分布Figure 2 Annual production of livestock and poultry faeces in each county of Shaanxi province in 2018

2018年陕西省畜禽粪尿总量来源依次为牛（899 万 t）＞猪（601 万 t）＞羊（437 万 t）＞家禽（97 万 t），各地（市）数据略有差异，其中，陕北地区，榆林市粪尿产生量：羊＞牛＞猪＞家禽，延安市粪尿产生量：猪≈牛≈羊＞家禽；关中地区粪尿产生量：牛＞猪＞羊≈家禽；陕南地区粪尿产生量：猪＞牛＞羊≈家禽。陕西省牛、猪、羊、家禽粪尿产生量最高的市（区）分别为宝鸡市（26.47%）、汉中市（19.47%）、榆林市（64.53%）、渭南市（21.65%）。

2.2 陕西省畜牧业环境承载力分析

2018年陕西省、各市（区）单位播种面积畜禽粪尿负荷量警报值r＜0.4，为Ⅰ级，无污染（表4）。从区域角度来看，单位播种面积N、P2O5、K2O养分含量最高的是陕北地区，分别为36.37、7.34和26.12kg/hm2。市级单元上，单位播种面积N、P2O5养分含量最高的是榆林市，分别为38.11和7.59 kg/hm2，K2O养分含量最高的是宝鸡市，为39.26 kg/hm2。在不考虑化肥施用、秸秆还田的前提下，粪尿养分资源可以安全、高效、充分消纳，陕西省畜牧业对农用地环境不存在污染。

表4 2018年陕西各市（区）单位播种面积畜禽粪尿负荷及其警报分级和养分含量Table 4 Load capacity，alarm grading and nutrient content of livestock and poultry faeces per sowing area in each county of Shaanxi province in 2018

2.3 陕西省畜牧业粪尿养分的化肥替代潜力

联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization，FAO）规定的化肥施用限值为225 kg/hm2，2018年中国单位播种面积化肥施用量为341 kg/hm2，而同期陕西省为561 kg/hm2。从区域角度分布看（图3-a），关中5市（区）整体较高，均值为873.25 kg/hm2，其中，咸阳市、渭南市最高，达到了1 000 kg/hm2左右；陕南地区整体较低，平均约为267 kg/hm2，接近FAO限值；陕北的延安市较高，约为826.64 kg/hm2左右，榆林市低于FAO规定限值，为174.56 kg/hm2。可以看到，陕西省大部分地区化肥施用量大，其中关中地区、延安市化肥减施任务重，存在较大的节肥潜力。

在仅充分考虑畜禽粪尿养分替代化肥的情况下，陕西省单位播种面积化肥施用量可由561 kg/hm2降至507.3 kg/hm2，降幅约10%。而从区域角度分布看，各市（区）畜禽粪尿替代化肥潜力存在较大差异（图3-c）。其中陕北两市差距较大，榆林市为全省最高，达到了41.68%，而延安市仅6.68%；陕南三市替代潜力较平均，约为17%左右；关中地区替代潜力最弱，仅宝鸡市替代潜力达到了12.35%，咸阳市为5.17%，其他三市均＜5%。

2018年陕西省畜牧业粪尿养分资源总量为21.98万t（表5），同期化肥施用总量为229.6万t，占化肥施用量的9.57%。虽然家禽的粪便养分含量普遍高于猪、牛、羊（表1），但由于粪便产生总量较低（图1），因此4类畜禽粪尿养分的替代化肥潜力依次为牛粪尿（3.95%）＞羊粪尿（3.25%）＞猪粪尿（1.61%）＞家禽粪便（0.76%），且羊粪尿对氮肥的替代潜力最大，牛粪尿对钾肥的替代潜力最大（表5）。

表5 2018年陕西省4类畜禽粪尿养分含量及替代化肥潜力Table 5 Nutrient yield in livestock and poultry faeces and its alternative potential to chemical fertilizer

3 讨论

畜禽粪尿资源量的评估涉及畜禽种类、饲养期、饲养量、日均产排污系数和粪尿养分含量，上述变量在不同的地区取值均不相同，且相同地区前人在系数选择方面也各不相同，因而评估结果存在一定的差异性[15]。刘晓永和李书田[21]在前人研究的基础上，对畜禽粪尿产生量计算公式进行了修正，得到2010年陕西省粪尿产生量分别为4 041.92万t，2 712.93万t，并加权均值分地区计算出各种畜禽粪尿的氮磷钾养分资源总量在20万t～25万t。本文从市（区）级尺度上，以年内存栏数为饲养量，基于相关系数计算分析了陕西省区域畜牧业（包括猪、牛、羊、家禽）粪尿资源现状及单位播种面积畜禽粪尿负荷，评估了陕西省畜禽粪尿养分替代化肥潜力，有助于以市（区）级为单元，制定化肥减施方案和开展有机肥替代项目的整体推进。

陕西省不同市（区）畜禽粪尿产生量及空间分布情况大不相同，其主要是受各地经济发展水平的影响和制约，以及农业资源条件和农业生产方式的不同，导致畜禽养殖业产生了高度集中化的主产区，不同畜禽品种主产区呈现出明显的地域重合性及空间集中性的特点[28-29]。如：2018年畜牧业粪尿产生量榆林市最高，铜川市最低，这是因为榆林市以羊为产业发展重点，羊粪尿年产生量占全省羊粪尿年产生量的64.5%，而只占全省面积不到2%的铜川市农业发展较弱，侧重发展煤矿等第二产业。

长期以来，畜禽粪尿是我国农田有机肥养分的主要来源，农田也是消纳畜禽粪尿所含养分的主要承载场所[1]，单位播种面积（指实际种植农作物的面积，不论是耕地或非耕地）上的畜禽粪尿负荷量，是衡量一个地区畜禽饲养密度大小、养殖业布局合理程度的重要依据[27]。农用地对粪尿的消纳能力与土壤肥力和种植结构有关，一般情况下，耕地、园地、林地、牧草地和水面对粪尿的消纳能力不同[15]，本文将其等同，以最低限量30 t/hm2为有机肥最大理论适宜量[1，26]，存在一定误差。国家环境保护总局自然生态保护司编写的《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中参考单位耕地面积，评估陕西省畜禽粪尿负荷量警报值r为0.23（Ⅰ级）[26]，与本文参考农作物播种面积得出的r值接近。但仍需警惕由于畜牧业与种植业结合不紧密，或种植业对肥料的季节性需求与粪尿全年产生之间的矛盾，所造成的规模化养殖场的潜在点源污染问题[15]。

中国是世界最主要化肥生产与施用大国，2016年中国化肥总产量约7 004万 t，施用量约5 984万 t，占世界总施用量的1/3[30]，目前主要存在化肥用量偏高、化肥增产边际效应逐渐明显、施肥不均衡现象突出、过度依赖无机肥料、有机肥料资源利用率较低、施肥结构不平衡等问题[14]。如果能够将畜禽粪尿富含的氮磷钾养分合理返还农田，将大大减少化学肥料的施用[31]。结合陕西省化肥施用现状，如果仅充分考虑畜牧业粪尿作为有机肥资源，陕西省单位播种面积化肥施用量将由561 kg/hm2降至507.3 kg/hm2，替代量为9.57%（表5）。而陕西省每年可产生丰富的秸秆、枝叶等农业废弃物，以2018年为例，陕西省主要作物秸秆养分总量为28.21万t，替代化肥潜力为12.28%（表6）。因此，可以考虑采用畜牧业粪尿养分与秸秆养分相结合的方式替代化肥。

表6 2018年陕西省主要作物秸秆养分含量及替代化肥潜力Table 6 Nutrient content in main crops and its alternative potential to chemical fertilizer of Shaanxi province in 2018

假设采用畜牧业粪尿养分与秸秆养分相结合的替代方式，陕西省各市（区）化肥施用量均将不同程度减少（表7），其中，榆林市替代潜力高达69.15%，陕南三市替代潜力均值为38.35%，西安市与铜川市替代潜力提高幅度最大，分别达到3.69倍与3.09倍。依据现状（图3-a），咸阳市、渭南市、延安市单位播种面积化肥施用量极高，仅依靠当地的有机肥资源，其化肥施用量仍为同期中国单位播种面积化肥施用量的2倍多；而榆林市和陕南地区单位播种面积化肥施用量本身低于或接近FAO限值，可考虑区域协作，将富余的畜禽粪尿与秸秆养分作为商品有机肥输送到养分亏缺的区域。

表7 陕西省各市（区）畜禽粪尿与秸秆养分替代化肥潜力Table 7 Alternative potential of nutrient in livestock and poultry faeces and crop straw to chemical fertilizer of Shaanxi province

因此，根据不同区域有机肥结构和总量，科学确定有机肥综合利用的技术途径，其中，西安市、铜川市、宝鸡市充分利用当地畜禽粪尿和秸秆养分，可分别降低单位播种面积化肥施用量15.84%、16.17%、24.33%；陕南地区、榆林市的畜禽粪尿与秸秆养分依据跨区域调控，就近消纳原则，对应转施于渭南市、咸阳市、延安市（图4），则可将此3市的单位播种面积化肥施用量分别降低28.88%、28.80%、41.18%，以达到充分利用有机肥资源，降低陕西省整体化肥施用量的效果。

图4 区域调控降低陕西省单位播种面积化肥施用量Figure 4 Regional regulation and control reduce the amount of fertilizer applied per unit sown area

相关研究表明，若用有机肥替代化肥，全球变暖潜力、富营养化潜力和环境酸化潜力将分别降低17.5%、52.9%、62.6%[17，32]。但要实现有机肥对化肥的有效且充分替代，还应考虑农民的用肥习惯和经济效益，破除传统有机肥腐熟周期长，营养损失大，劳动效益低、强度大等生产、应用与发展瓶颈，积极探索有机养分资源利用的有效模式[15]：一是推进有机肥资源化利用，支持规模化养殖企业利用畜禽粪便生产有机肥[33]，推广规模化养殖+沼气+社会化出渣运肥模式，加快开发适用市场的商品化有机肥、有机无机复混肥等；二是推进秸秆养分还田，推广秸秆粉碎还田、快速腐熟还田、过腹还田等技术[34]，研发具有秸秆粉碎、腐熟剂施用、土壤翻耕、土地平整等功能的复式作业机具[35]，使秸秆取之于田、用之于田；三是种植绿肥作物，如豆科、禾本科、十字花科绿肥等[36]；四是结合测土配方施肥技术，实现粮食作物、设施农业及蔬菜、果树、茶叶等经济园艺作物全覆盖应用，创新肥料配方定制模式[14]。