云南省畜禽粪污土地消纳能力的评估及其肥料化发展前景

2021-12-20邓亚琴王宇蕴李兰赵兵张勇马丽婷徐智

农业环境科学学报 2021年11期

邓亚琴，王宇蕴，李兰，赵兵，张勇，马丽婷，徐智

（云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201）

随着畜禽养殖业逐渐向专业化、规模化、集约化转型，畜禽养殖业蓬勃发展，畜禽粪污排放量也迅速增加[1]。据统计，全国每年的畜禽粪污产量为38 亿t，其综合利用率却不到60%[2]。第二次全国污染源普查公报显示，畜禽养殖业年排放化学需氧量（COD）100.53 万t、氨氮11.09 万t、总氮59.63 万t、总磷11.97万t，畜禽粪污已成为农业污染源之首[3]。我国既是养殖大国，也是种植大国，畜禽养殖业排放的粪污对环境造成了严重威胁；种植业大量施用化肥造成土壤酸化板结、有机质下降等问题[4]，导致农业面源污染加剧[5]。畜禽粪污既是养殖业的重大污染源，也是一种放错位置的珍贵资源，畜禽粪污肥料化利用既可以解决养殖业污染问题，也能够提高土壤有机质，减少养分流失[6]。肥料化利用可以大量、快速将农业废弃物资源进行无害化，并转化成可利用的有机肥资源，是农业废弃物资源化利用的优先选择。有机肥料一直是为作物提供养分的主要肥料[7]，20 世纪50 年代，中国农田中90%以上的养分由有机肥提供，畜禽粪便作为有机肥用于农田形成了良好的生态平衡体系[8]。但是，由于化肥的大量使用导致粪肥施用空间逐渐减少，同时种植业与养殖业严重脱节，养殖业环境污染问题逐渐显现。

云南省作为我国西部的畜禽养殖大省，在全国占有十分重要的地位。畜禽养殖业的快速发展对促进云南省农村经济发展和农民持续增收发挥了重要作用，但随着养殖规模不断扩大，随之带来的环境污染也日益加剧[9]。云南是一个农业大省，地处高原山区，光照充足，降雨量丰富，农业资源充足，其地理条件和资源优势为发展有机肥产业提供了基础条件。

对于区域畜禽粪便排放量估算已有很多报道[10-13]，目前对云南省畜禽粪污土地消纳能力缺少评估。本研究根据云南省2019 年统计年鉴，估算了云南省畜禽粪污产生量；从种养结合角度出发，基于氮、磷平衡分析，以畜禽粪污养分供给量及农作物养分需求量为计算依据，通过对云南省畜禽粪污土地消纳能力进行评估，进一步确定云南省畜禽合理养殖量，对种植模式及畜禽粪污处理方式进行合理的调整与搭配，可以使农田最大限度地消纳产生的粪污，推动畜禽粪污的肥料化发展；本研究还结合云南高原特色农业的发展需求，指出畜禽粪污肥料化利用的方向，旨在为云南省畜禽粪污资源化利用提供参考。

1 云南省畜禽粪污产生现状

本文对云南省及各州（市）畜禽粪污产生量作粗略计算，在计算粪污产生量时，只考虑猪、牛、羊和家禽这4 类畜禽。由于畜禽种类不同，饲养周期也不同。根据相关文献[14-16]及国家生态环境部公布的数据，确定各类畜禽饲养周期及饲养量。一般认为，生产周期超过1 a 的以年末存栏量视为饲养量；生产周期不超过1 a 的，以当年的出栏量为饲养量。猪饲养周期为199 d，其饲养量按当年的出栏量来计算；牛、羊饲养周期为365 d，采用年末存栏量作为饲养量；家禽饲养周期为210 d，由于无法统计各州市家禽（肉鸡、蛋鸡、鸭和鹅）的数量，因此将家禽的年末存栏量作为当年的饲养量。根据畜禽养殖业源排污系数手册及相关文献[17-19]，对畜禽粪、尿的排污系数进行确定，猪的粪尿日排泄量取各饲养阶段的平均值，牛的粪尿日排泄量取肉牛和奶牛各饲养阶段的平均值，羊的粪尿日排泄量取绵羊和山羊的平均值，家禽粪的日排泄量取肉鸡、蛋鸡、鸭、鹅、兔的平均值。

基于此，可采用公式（1）对畜禽粪污产生量进行估算：

式中：Q为各类畜禽粪便产生量，t·a-1；N为畜禽饲养量，万头；T为饲养周期，d；P为各类畜禽粪便、尿液日排泄系数，kg·头-1·a-1。

云南省及各州（市）主要畜禽养殖状况及畜禽粪污产生量估算如表1所示。从表1可以看出，云南省畜禽养殖主要集中在曲靖市、红河州、文山州，而西双版纳州、德宏州、怒江州的畜禽养殖量较少。将云南省及各州（市）畜禽养殖量换算成猪当量，其总量为7 936.13万头，各畜禽养殖比重分别为猪48.81%、牛36.14%、羊6.56%、家禽8.49%，其中猪和牛是全省最主要的养殖畜种。云南省畜禽粪污产生总量为14 064.33万t，主要分布在曲靖市、红河州、文山州，这些地区的畜禽粪污产生量占全省畜禽粪污产生量的10.05%～16.21%，这与养殖业主要分布在曲靖市、红河州、文山州等地相一致，畜禽养殖业高度集中可能导致畜禽粪污的高度集中分布[20]。云南省各州（市）养殖状况及畜禽粪污产生量差异较大，可能与各地区人口、耕地分布、农业规模及生产水平的不同有一定的关系。

表1 云南省主要畜禽养殖状况及畜禽粪污产生量估算Table 1 Status of main livestock and poultry breeding and estimation of livestock and poultry waste production in Yunnan Province

2 云南省畜禽粪污土地消纳能力评估

畜禽粪污还田所需要的土地面积可通过计算粪肥中氮、磷养分总量和单位土地粪肥氮、磷养分需求量来获得。种植的农作物每形成100 kg 产量需要吸收氮、磷量推荐值参考《土地承载力测算技术指南》，根据何晓滨等[21]的研究，综合确定云南省土壤氮、磷养分定位为Ⅱ级，施肥供给养分占比为45%，区域粪肥占施肥比例取值为50%，粪污氮素和磷素当季利用率参考《土地承载力测算技术指南》分别取25%和30%。计算过程如下：

式中：E为各类畜禽粪便养分产生总量，t·a-1；Ni为第i种畜禽的平均存栏量，此处，牛、羊和家禽取存栏量，猪取出栏量，万头；Pi为第i种畜禽粪便中氮、磷养分日产生量，kg·头-1·d-1。

式中：D为单位动物粪肥养分供给量，kg；I为单位动物粪肥养分产生量，kg；W为粪污的主要收集方式养分收集率，%；O为粪污的主要处理方式养分留存率，%。

式中：Y为单位耕地面积粪肥养分需求量，kg·hm-2；A为单位耕地面积总养分需求量，kg·hm-2；B为粪肥供给养分占比，取45%；C为粪肥占施肥比例，取50%；F为粪肥当季利用率，N为25%，P为30%。

式中：S为对应种植作物所需的配套面积，hm2；D为粪肥养分供给量，kg；Y为单位面积作物粪肥养分需求量，kg·hm-2。

假设种植大田作物（以小麦-玉米为例）、蔬菜（以设施白菜为例）和果树（以葡萄为例），以畜禽粪污直接还田及畜禽粪污堆肥还田两种方式，分别以氮和磷养分为基准对所需的配套土地面积进行计算，计算结果见表2。由表2 可知，当作物种植类型和种植制度不同时，畜禽粪污直接还田和畜禽粪污堆肥还田所需要配套的土地面积不同。为了防止粪肥过量施用，配套的土地面积应取以氮和磷为基准计算结果中较高的值[22]。畜禽粪污直接还田条件下，若种植作物为小麦和玉米，则需要配套土地706.56 万hm2；若种植作物为设施白菜，则需要配套土地100.48 万hm2；若种植作物为葡萄，则需要配套土地366.63 万hm2。畜禽粪污堆肥还田条件下，若种植作物为小麦和玉米，则需要配套土地607.72 万hm2；若种植作物为设施白菜，则需要配套土地57.88万hm2；若种植作物为葡萄，则需要配套土地211.18 万hm2。这说明，无论畜禽粪污直接还田还是堆肥还田，调整种植结构（如增加经济作物的比重）均可以增加土地对粪污的消纳能力。如果采用畜禽粪污堆肥还田的方式，还可以进一步增加土地的消纳能力。

畜禽粪污作为有机肥料还田利用，是一种最为经济的资源化利用和粪污处理的方式，畜禽粪污直接还田或堆肥还田的方式为农田提供了大量的养分资源[23]。畜禽粪污还田所需要的土地面积与粪肥养分（氮、磷）含量、土壤养分背景值、种植作物类型和种植制度、粪污收集处理和贮存方式等因素相关[22，24]。调整种植模式或改变畜禽粪污处理方式，畜禽粪污土地消纳能力也不同（表2），该结果为云南省各地市（州）对种植模式及畜禽粪污处理方式进行合理的调整与搭配提供了参考依据。同时本研究发现，堆肥后还田是增加土地对粪污消纳能力、减少污染、促进养殖业发展的重要举措，鼓励粪污堆肥化利用还能够推动商品有机肥产业的良性发展。

表2 云南省畜禽粪污还田土地面积估算（万hm2）Table 2 Estimation of land area returned by livestock and poultry waste in Yunnan Province（104 hm2）

3 云南省商品有机肥的发展现状

商品有机肥是以畜禽粪污、秸秆等农业废弃物为主要原料，添加一定量的辅料和微生物菌剂促进腐熟，再经工厂化发酵腐熟后制成的有机肥[25]，其优点是周期短、产量高、肥效高，是一种能够进行工业化生产，商品化流通，高效、高值化利用的方式[26]。2018 年本课题组结合国家重点研发项目“南方农业废弃物好氧发酵技术示范与工程化应用”的工作，调研发现，云南省各类有机肥生产企业约有220 家，在全省有机肥生产企业中，多数生产规模偏小，年产量在3 万～5 万t，近几年也涌现出年产20 万t 以上的较大企业（图1a），省内有机肥企业平均实际产能大约只是设计产能的1/3（图1b）。云南省本土生产的有机肥产品每年施用面积20 万hm2，占云南省耕地面积的3%，远低于全国10%的比例[27]，省内有机肥产品主要销售对象是农户、农场、农业经营主体、特色农产品公司及农资流通企业，主要用于烤烟、茶叶、咖啡、蔬菜、花卉等经济作物和葡萄、香蕉、柑橘、石榴、柠檬等经济林果。

在选择堆肥工艺时需要综合考虑投资成本、堆肥效率、占地面积、堆肥产品的质量、堆制的易操作性[28]等因素。云南省有机肥生产的工艺类型如图2a 所示，依然有大约43%的堆肥是除槽式、条垛式堆肥以外的简易堆肥方式（不具备完整的堆肥工艺），条垛式堆肥占比为42%，槽式堆肥占比为15%。云南省堆肥工艺依然不完善，在具备完善堆肥工艺的工厂还是以简单、投资少的条垛式堆肥为主[2，29]。从云南省不同堆肥工艺生产效率的比较来看，槽式堆肥的生产效率最高，条垛式堆肥的生产效率大约是槽式堆肥的1/2（图2b），因为槽式堆肥具有翻抛机的机械化程度高、发酵周期较短的特点[30-31]。结合有机肥生产工艺类型（图2a）来看，云南省有机肥生产工艺水平较低。进一步规范和提升有机肥的工艺水平，可能是提高云南省畜禽粪污资源化利用效率的重要途径。

利用畜禽粪污生产有机肥，不仅能减少化肥的使用量，对农业增产增效和发展绿色农业也具有重大意义[32]。云南省常用耕地面积为622.47万hm2，其中2/3是中低产田地，改造中低产田地的任务为发展商品有机肥开拓了更大的空间。云南省是农业大省，每年各类秸秆产生量在2 000万t以上[33]，据估算云南省畜禽粪污产生量为14 064.33 万t（表1），有机肥原料资源丰富。有机肥能够改善土壤理化性质、增加土壤养分、提高土壤微生物活性，从而增加农作物产量，改善农产品品质[34-36]。作为农业大省的云南，大田作物的有机肥用量较低，而大棚蔬菜、热带水果和经济作物有机肥需求量较高，其年需求量为1 600 万t[37]，云南省高原特色作物生产对有机肥的需求量在每年至少500 万～600 万t，而全省有机肥年产量不到300 万t[27]，对照云南省的实际产能来看，缺口依然很大，产业发展的潜力和空间很大。研究表明，商品有机肥每吨利润可达到300～500 元，是废弃物肥料化高值利用的首选[26]。若将云南省产生的畜禽粪污与秸秆进行堆肥，可以产生3 544.21 万t 有机肥（表3），扣除原材料成本、工人工资、固定资产折旧等成本费用440元·t-1，有机肥出厂价格按800 元·t-1，可实现产值2 835 369.12 万元，利润412 684.97 万元（利润按照360元·t-1计算）。

表3 畜禽粪污堆肥经济性分析Table 3 Economic benefit analysis for livestock and poultry waste composting

4 云南省畜禽粪污肥料化利用的方向

云南高原特色农业是不断依托和发挥云南区位、资源、气候等优势，开发特色为经济作物和特有生物资源，培育出有自身特色和与众不同的农业产业。发展高原特色农业是实现地域可持续发展、环境保护与社会经济共同增长的重要载体[38]。随着云南高原特色现代农业的发展，农产品品质保障和提升正成为云南可持续发展的重点，云南高原特色农业正在向“绿色增效、生态环保、安全优质”的方向迈进，云南省对有机肥的需求，特别是优质有机肥的需求量会越来越大。从云南省200 多家有机肥生产企业来看，多数存在生产规模很小（年产量仅在1万～3万t）、管理粗放、产品单一、针对性较弱和附加值较低等问题，进一步研究和规范有机类肥料的生产工艺，提高有机类肥料产品的附加值，是云南省有机类肥料产业的重要需求。针对这一重要需求，结合云南省高原特色农业发展的需要，研究优化畜禽粪污高值肥料化利用工艺参数，开发高原特色作物的系列专用有机类肥料新产品和有机调理剂产品，具有推动云南省畜禽粪污的资源化、高值化利用，保障云南省高原特色农业的健康与可持续发展的重要作用。

针对云南高原特色农业由于化肥过量使用造成的土壤盐渍化、次生盐渍化、土壤板结、连作障碍和土传病害等问题[39-41]，需要维持土壤生产力和稳定性这一重大需求，针对性地利用腐熟畜禽粪便和腐熟秸秆堆肥制造生物有机肥、复合微生物肥料产品，开发集腐熟堆肥、化肥、功能微生物为一体，具有土壤改良、调控土壤微生物区系和持续提高土壤肥力功能的高原特色作物的系列专用有机类肥料新产品与有机调理剂产品，结合云南高原特色作物的养分需求规律和维持提升土壤生产力的需求，开发出不同功能的适用于高原特色作物的系列专用有机类肥料新产品。目前，没有针对性特别强的、云南高原特色农业专用的有机类肥料产品和有机土壤调理剂。通过堆肥化过程，结合功能性微生物资源，开发生物有机肥、复合微生物肥料以及有机类调理剂，是实现畜禽粪污高值化利用的重要方向，也是实现云南省畜禽粪污资源化利用、增加产品附加值的重要研究方向。