烟台市种植业有机废弃物还田对畜禽粪污土壤消纳量的影响研究

2022-01-18周永馨王圣伟何书朋王文飞

中国土壤与肥料 2021年6期

周永馨，王圣伟，何书朋，徐皓，王文飞，邵蕾

（中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670）

山东省烟台市是种植大市，也是养殖大市。2019年烟台市果园面积17.03万hm2，农作物种植面积44.13万hm2，畜禽养殖量1007.35万头猪当量［1］。种植业和养殖业带来的果树修剪枝条、农作物秸秆、畜禽粪污等有机废弃物已经成为农村生态建设、农业发展的限制性因素之一。当前我国正处在推动农业绿色发展、实施乡村振兴战略改革期［2］，为治理农村污染，农业农村部明确了“一控、两减、三基本”的目标，通过资源化利用农业有机废弃物可以有效解决“畜禽养殖污染”和“秸秆焚烧”等问题［3］。

畜禽粪污、果树修剪枝条、农作物秸秆等农业有机废弃物还田可以替代化肥，减少有机肥的投入。分析研究农业有机废弃物养分产生量与土地消纳量是否匹配对加强农村污染治理和生态环境保护、实现绿色农业具有重要意义。土地承载力通常以畜禽粪污的产生量和养分排泄量为指标进行量化分析［4-6］。2018年农业农村部颁布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》（以下简称《指南》）通过计算不同作物的粪肥养分需求量与单位猪当量粪肥养分供给量的比值来衡量畜禽粪污土地承载力；张羽飞等［7］、吴永胜等［8］、史瑞祥等［9］、张藤丽等［10］则通过不同畜种的粪便排泄总量与耕地面积计算单位面积的畜禽粪污耕地负荷。

烟台市农作物以小麦、玉米、花生为主（种植面积占农作物种植面积的84.32%［1］），农作物成熟后通过联合收割机收割、秸秆粉碎直接还田；果树种植以苹果、葡萄为主（种植面积占果园面积的82.39%［4］），果树修剪枝条还田主推“高温高压熟化枝条+尿素+工厂化集中好氧处理”与“果树枝条+畜禽粪便+微生物菌种+地头原位好氧处理”技术。《指南》在计算粪污土地承载力时只考虑了粪污还田输入土壤的氮、磷，而果树修剪枝条和农作物秸秆也同时需要土壤消纳。种植业有机废弃物还田输入土壤的氮、磷会减少畜禽粪污的氮、磷土壤消纳量，因此有必要对果树修剪枝条和农作物秸秆还田条件下畜禽粪污氮、磷的土地承载力进行进一步研究。本文统计了2010～2019年烟台市10年间畜禽养殖、果树、农作物种植规模与粪便产量、果树修剪枝条量、秸秆量及其所含养分量，并利用《指南》中畜禽粪污土地承载力计算方法，比较果树修剪枝条、秸秆还田与不还田情况下的畜禽粪污土地承载力，为烟台市养殖业、种植业的发展规划提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于烟台市统计局发布的《烟台统计年鉴》（2011～2020年），统计范围包括2010～2019年烟台市15个县市区畜禽的养殖情况、果园面积、农田面积及产量。选取猪、肉牛、奶牛、羊、肉禽、蛋禽作为畜禽的研究对象（占烟台市畜禽总养殖量的99.99%）；选取苹果、梨、桃、葡萄作为果树的研究对象（占果园面积的88.90%）；选取小麦、玉米、谷子、豆类、薯类、花生作为农作物的研究对象（占农作物总播种面积的89.17%）。

1.2 计算参数与方法

1.2.1 畜禽粪污养分排泄量与还田量的计算

根据《指南》将不同畜禽的养殖量按照一定的比例折算成猪当量后进行求和计算畜禽总猪当量（猪、肉牛、奶牛、羊、肉禽、蛋禽的畜禽猪当量折算系数分别为1、5、10、1/3、1/60、1/30），以畜禽总猪当量和单位猪当量的氮、磷排泄量的乘积计算畜禽粪污氮、磷还田量［1，11］。该方法虽然简化了畜禽粪污氮、磷排泄量的计算，但是忽视了不同畜禽的畜禽粪污排泄系数和粪污中氮、磷含量的差异，因此本文参照张羽飞等［7］的计算方法与相关系数，根据不同畜禽对应的粪污排泄系数、养殖周期及粪污养分含量计算不同畜禽的粪污产生量与养分排泄量［7］：

畜禽粪污年产生量=畜禽粪污排泄系数×年养殖量×养殖周期

畜禽粪污年养分排泄量=畜禽粪污年产生量×养分含量

参考《指南》（1个猪当量的氮排泄量为11 kg，磷排泄量为 1.65 kg；氮养分供给量为 7.0 kg，磷养分供给量为1.2 kg），畜禽粪污养分在收集、贮存和无害化处理过程的氮、磷养分留存率分别为63.64%、72.73%。因此，畜禽粪污年养分还田量=畜禽粪污年养分排泄量×养分留存率。

1.2.2 果树修剪枝条量与养分量的计算

参照陈炀等［12］的计算方法与相关系数，计算果树年修剪枝条量与年修剪枝条所含养分（氮、磷、钾、有机质）量：果树年修剪枝条量=果树种植面积×枝条修剪系数（单位面积的果树枝条修剪量）；枝条年养分量=果树年修剪枝条量×枝条养分含量；苟新卯等［13］经调研后推荐小型移动式粉碎机在果园直接进行树枝粉碎还田，此方式不用搬运枝条，便于农户操作，因此本文中果树修剪枝条年养分还田量=枝条年养分量。

1.2.3 农作物秸秆量与养分量的计算

参照庞力豪等［14］的计算方法与相关系数，计算秸秆资源量与秸秆所含养分（氮、磷、钾、有机质）量：秸秆资源量=农作物产量×秸秆系数×秸秆可收集系数+农作物产量×加工副产品系数；秸秆所含养分量=秸秆资源量（干基）×养分含量；农作物秸秆直接粉碎、全量还田是常用的还田方式［15-16］，因此农作物秸秆养分还田量=秸秆所含养分量。

1.2.4 植物氮、磷养分需求量的计算

参照《指南》，植物养分需求量=植物产量×单位产量养分需求量。

1.2.5 粪污土地承载力与土地承载力指数的计算

粪污土地承载力（R）表征的是理论最大养殖量，畜禽粪污土地承载力的计算方法参照《指南》；粪污土地承载力指数（I）表征的是实际养殖量与理论最大养殖量的比值，计算方法参照郑莉等［4］的研究：若I<1，则说明区域内养殖量仍有提升空间；若I>1，说明该区域的养殖量已超负荷，农田、果园土地对畜禽粪污的消纳能力不足，需缩小畜禽养殖规模。

（1）在果树修剪枝条、秸秆未还田情况下：植物粪肥养分需求量W0（N/P）=植物（农作物和果树）养分需求量×施肥供给养分占比×粪肥占肥料施用比例/粪肥当季利用率；畜禽粪污土地承载力R0（N/P）（理论最大养殖量，以猪当量计）=植物粪肥养分需求量/单位猪当量粪肥养分供给量；粪污土地承载力指数I0（N/P）=畜禽总猪当量/粪污土地承载力。

2018年烟台市土壤全氮含量为0.9 g/kg，有效磷含量为59.5 mg/kg［17］。根据《指南》中土壤不同氮、磷养分水平下施肥供给养分占比推荐值，确定土壤氮养分分级为Ⅱ级、磷养分分级为Ⅰ级，对应的施肥供给占比分别为45%、35%；氮和磷的利用率分别取30%和35%［4］，粪肥施用比例为50%［18-19］。

（2）在果树修剪枝条、秸秆还田情况下：植物粪肥养分需求量W1（N/P）=W0（N/P）-（果树枝条年养分还田量+农作物秸秆年养分还田量）；粪污土地承载力R1（N/P）与土地承载力指数I1（N/P）的计算与R0（N/P）、I0（N/P）相同。

2 结果与分析

2.1 种养结构分析及农业有机废弃物资源评估

2.1.1 10年间养殖量、种植量与农业有机废弃物产生量变化

烟台市10年间畜禽养殖量为795.42万～1007.35万头猪当量，畜禽粪污产生量为729.37万～826.18万t，畜禽粪污耕地负荷量为10.72～13.35 t/hm2（表1）。《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中提出耕地的畜禽粪污承载量不超过30 t/hm2［20］，以此为标准则烟台市农田、果园土地具备消纳畜禽粪污的能力，具有扩大畜禽养殖规模的潜力。随着烟台市肉鸡养殖企业如山东益生种禽股份有限公司、山东仙坛股份有限公司、山东民和牧业股份有限公司的上市与发展，烟台市肉鸡和猪的出栏量稳步上升，分别从2010年1.30亿只和314.11万头增加至2019年的2.22亿只和433.23万头［1］。10年间烟台市畜禽养殖量、畜禽粪污产生量总体呈上升趋势：相对于2010年，2019年的养殖量提高了26.64%，粪污产生量提高了4.94%；粪污中氮、磷、钾、有机质含量变化范围分别为2.51万～3.01万、0.95万～1.21万、2.25万～2.59万、89.79万～109.26万t（表2）。

表1 烟台市10年间农业有机废弃物产生情况

表2 烟台市10年间农业有机废弃物氮、磷、钾和有机质还田量（万t）

10年间经济效益高的苹果种植面积增加显著（从10.75万hm2增加至12.95万hm2），而经济效益较差的小麦、玉米等种植面积逐年下降。相对于2010年，2019年果园面积和果树修剪枝条量分别增加14.22%和8.05%；烟台市果树修剪枝条中的氮、磷、钾、有机质含量变化范围分别为0.62万～0.68万、0.20万～0.23万、0.24万～0.33万、47.34万～52.04万t。2015年果树修剪枝条中所含的氮、钾量最大，2017年果树修剪枝条中的磷最大，原因为：2015年烟台市葡萄种植面积大于2017年，而2017年苹果种植面积大于2015年，葡萄枝条的氮（1.60%）、钾（2.00%）养分含量高于苹果枝条（0.95%、0.10%），苹果枝条中的磷（0.42%）含量高于葡萄枝条（0.22%）。相对于2010年，2019年农田面积、秸秆量、秸秆所含的氮、磷、钾和有机质分别下降了20.89%、30.24%、30.02%和30.43%。

畜禽粪污、果树修剪枝条、秸秆等农业有机废弃物还田可以减少化肥和有机肥的投入［21-22］。参照张羽飞等［7］、陈炀等［12］的研究，对农业有机废弃物的肥料化潜力进行评估，将氮折算为尿素（46-0-0，1600元/t），磷折算为过磷酸钙（0-12-0，1000元/t），钾折算为硫酸钾（0-0-50，3000元/t），将有机质折算为有机肥（参照NY 525-2021《有机肥料》中规定的有机质含量≥30%、水分含量≤30%，800元/t）。烟台市10年间农业有机废弃物（畜禽粪污、修剪枝条和秸秆）中的养分量（N-P2O5-K2O）和有机质的平均值分别为12.45万和344.18万t，折算成化肥、有机肥分别为35.7万、1638.95万t，还田后可节约化肥投入6.42亿元、有机肥投入131.12亿元。

2.1.2 2019年烟台市不同县市区养殖量、种植量与农业有机废弃物产生量的比较

烟台市养殖品种主要为肉鸡和猪（分别占总养殖量的36.66%和43.11%［1］），并且具有龙头企业带动区域养殖的特点。山东益生种禽股份有限公司、山东仙坛股份有限公司带动了牟平区肉鸡养殖（占烟台市肉鸡养殖量的34.73%［1］）；莱阳市和莱州市是烟台市生猪调出大市（分别占烟台市养猪量的21.35%和20.89%［1］），莱阳市的龙头企业包括龙大食品集团有限公司、烟台福祖食品有限公司，莱州市的龙头企业包括新希望六和农牧有限公司。

烟台市果园种植以苹果为主，种植面积占烟台市果园面积的76.04%［1］。栖霞市苹果种植面积最大（占烟台市苹果种植面积的34.14%［1］），蓬莱市以葡萄种植为主（占烟台市葡萄种植面积的35.17%［1］）。烟台市农作物以小麦、玉米和花生为主，分别占农田总面积的27.83%、34.47%和22.02%，莱州市小麦和玉米种植面积最大，莱阳市花生种植面积最大。

2019年全市畜禽养殖量为1007.35万头猪当量（表3），3类农业有机废弃物中氮磷钾养分总量和有机质分别为11.87万和309.12万t，折算成化肥35.21万t（6.15亿元）、有机肥1472万t（117.76亿元）。

15个县市区中莱阳市养殖规模最大（185.70万头猪当量），占全市总养殖量的18.43%；长岛县的养殖规模最小（0.06万头猪当量）。粪便产生量前3位的县市区分别是莱阳市、海阳市和牟平区，每年粪污量分别为155.47万、114.06万和112.77万t，分别占全市畜禽粪污产生总量的19.04%、13.97%和13.81%。

烟台市畜禽粪污耕地负荷量为13.35 t/hm2，牟平区的畜禽粪污耕地负荷量最大（23.48 t/hm2）；氮、磷、钾、有机质养分量前3位的分别是牟平区、莱阳市、蓬莱市（表4）；莱阳市的畜禽粪污排泄量最大，但牟平区的畜禽粪污养分量高于莱阳市，原因为：牟平区的家禽养殖量大（8150.74万只），莱阳市的猪养殖量大（92.70万头），而家禽粪便中氮、磷、钾养分含量（1.03%、0.41%、0.72%）高于猪粪便（0.24%、0.07%、0.17%）。

表4 2019年烟台市各县市区农业有机废弃物氮、磷、钾和有机质还田量

烟台市是山东省重要的水果生产基地，果园面积位居山东省第1位［12］。2019年烟台市共修剪109.67万t果树枝条，果树修剪枝条总量前3位的地区依次为栖霞市、蓬莱市、龙口市，三市修剪枝条量分别占全市的28.07%、20.59%、10.64%；栖霞市果树修剪枝条中氮、磷的量最大，龙口市的钾量最大，原因为：栖霞市苹果种植面积（44197 hm2）大于龙口市（6588 hm2），而龙口市葡萄种植面积（3783 hm2）大于栖霞市（522 hm2），苹果枝条中的磷含量（0.42%）高于葡萄（0.22%），葡萄枝条中钾含量（2.00%）高于苹果枝条（0.10%）。

烟台市秸秆量前3位的地区依次为莱州市、莱阳市、海阳市，三市秸秆量分别占烟台市总量的27.18%、22.41%、17.00%。

2.2 粪污土地承载力分析

2.2.1 2010～2019年烟台市10年间粪污土地承载力分析

参照《指南》，区域内植物养分需求量（W）由植物的种植结构与产量决定，植物养分需求由化肥、粪肥、果树修剪枝条与秸秆提供；化肥施用量由当地土壤肥力水平决定，因此为固定值；当果树修剪枝条与秸秆还田时，植物对粪肥供应养分的需求量减少，则区域内的土地消纳粪污的量降低，粪污土地承载力（最大养殖量，R）也相应减低。

植物粪肥养分需求量W0N和W1N的变化范围分别为7.09万～8.91万和4.68万～5.71万t，粪污土地承载力（最大养殖量）R0N和R1N的变化范围分别为1013.07万～1272.46万和668.26万～815.53万头猪当量（表5）；相对于果树修剪枝条、秸秆未还田时的W0N、R0N，还田后的W1N与R1N的减小幅度都为33.63%～36.10%。

表5 烟台市10年间以单位猪当量氮养分供给量计算的土地承载力

10年间果树修剪枝条、秸秆还田时可供应植物的氮、磷养分年平均分别为2.91万、0.52万t；区域内植物养分需求量（W）一定，则植物的粪肥养分需求量下降，区域最大养殖量下降，因此R1I0。

10年间W0P和W1P的变化范围分别为1.01万～1.25万和0.54万～0.71万t，R0P和R1P的变化范围分别为837.81万～1041.16万和448.75万～587.63万头猪当量（表6）；相对于W0P与R0P，W1P、R1P的降幅均为43.56%～46.44%。

表6 烟台市10年间以单位猪当量磷养分供给量计算土地承载力

2017、2018、2019年3年的I0P均大于1，10年的所有I0N都小于1，而10年的I1N、I1P都大于1。相对于I0N、I0P的10年间平均值，I1N和I1P分别提高了55.41%和80.22%。

2.2.2 2019年不同县市区的粪污土地承载力分析

芝罘区、福山区、莱山区、开发区、长岛县和高新区为烟台市的商业、工业或旅游业区，昆嵛区以昆嵛山自然保护区为主体［23-24］，这些地区的畜禽养殖量、农田和果园面积低于其他县市区，因此本研究不考虑此7县市区的W值、R值与I值。

2019年烟台市W0N、W1N、R0N、R1N前3位的地区分别为莱州市、莱阳市与海阳市，其中三者的W0N、R0N占全市的53.70%，W1N与R1N占全市的57.04%。莱阳市只有I1N超过1，牟平区、龙口市和蓬莱市的I0N与I1N均超过1（表7）。

表7 2019年烟台市各县市区以单位猪当量氮养分供给量计算的土地承载力

2019年烟台市W0P、W1P与R0P、R1P前3位的地区分别为莱州市、莱阳市与海阳市，三者的W0P、R0P均占全市的50.92%，W1P、R1P均占全市的60.06%；牟平区、蓬莱市、莱阳市、海阳市的I0P均超过1；而I1P超过1的有7个县市区（表8）。

表8 2019年烟台市各县市区以单位猪当量磷养分供给量计算的土地承载力

3 讨论

3.1 果树修剪枝条、秸秆还田与不还田对粪污土地承载力的影响

《指南》与郑莉等［4］、王琳琳等［5］、闫熠峰等［6］的研究在计算畜禽粪污土地承载力时未考虑种植业有机废弃物还田后对畜禽粪污土地承载力的影响，而本文在计算畜禽粪污氮、磷土地承载力时纳入了果树修剪枝条与秸秆还田因素。区域内植物养分需求量一定，果树修剪枝条、农作物秸秆还田养分量与粪肥还田的养分量存在“此消彼长”的关系。果树修剪枝条、秸秆还田降低了土地粪污消纳量，进而降低了粪污土地承载力（最大养殖量）。

2019年烟台市种植业产生的果树修剪枝条、农作物秸秆和养殖业畜禽粪污排泄量分别为109.67万、205.60万、816.67万t，种植业和养殖业有机废弃物还田可提供氮分别为2.39万、2.68万t，磷分别为0.45万、1.03万t。种植业产生的有机废弃物还田进入土壤中的氮、磷减少了农田、果园土地对畜禽粪污的氮、磷承载量。在2类种植业有机废弃物还田的情况下，2010～2019年烟台市10年间粪肥养分需求量、粪污土地承载力降低了33.63%～36.10%（以氮素计）、43.56～46.44%（以磷素计），粪污氮、磷土地承载力指数分别升高了50.68%～56.49%、77.18%～86.70%。

在2类种植业有机废弃物未还田情况下，2019年烟台市所有县市区中莱州市、招远市、栖霞市具备养殖业发展潜力（以氮和磷为基准计算的粪污土地承载力指数I值均小于1）。而对于种植业有机废弃物还田情况，则只有莱州市具备养殖业发展潜力（粪污氮、磷土地承载力指数分别为0.74、0.85），其他县市区的粪污氮、磷土地承载力指数至少有一项超过1。本研究中由于果树修剪枝条、秸秆还田导致土地承载力降低甚至一些地区由具备畜禽养殖发展潜力的地区变成畜禽养殖量超负荷的地区，因此建议种植规模大、种植业有机废弃物产量高的地区计算土地承载力时纳入种植业有机废弃物还田的因素。

种植业有机废弃物还田降低了畜禽粪污的土地承载力，为提高农田、果园土地的畜禽粪污消纳量可考虑果树修剪枝条与秸秆的多元化利用。“十三五”以来国家提出了多项关于秸秆综合利用（肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化）的政策［25-26］，在畜禽粪污还田为种植业提供养分和有机质的前提下可提高果树修剪枝条、秸秆用作饲料、燃料、基料和原料的比例，从而提高农田、果园土地的粪污消纳能力。

3.2 10年间农业有机废弃物的产生与粪污土地承载力的变化

2010～2019年烟台市养殖规模呈逐渐上升趋势（畜禽养殖总猪当量由795.42万增至1007.35万头），种植规模呈逐渐下降趋势（农田、果园面积由70.69万减至61.16 万hm2）；养殖规模的扩大与种植规模的减小，导致畜禽粪污的产生量超过土地的承载量：2017、2018、2019年果树修剪枝条、秸秆未还田时磷的土地承载力指数大于1，2010～2019年果树修剪枝条、秸秆还田时氮、磷的土地承载力指数则均大于1。因此建议烟台市控制养殖规模，扩大种植面积从而减少农田、果园土地的粪污负荷量。

3.3 烟台市种养布局规划建议

烟台市种植业和养殖业分布相对集中，但存在种养分离的问题。养殖业规模前4位的地区分别是莱阳市、牟平区、蓬莱市、莱州市，畜禽养殖量共占全市的63.97%；种植业主要集中在莱阳市、莱州市、海阳市、栖霞市，农田和果园面积占全市的63.13%。牟平区和蓬莱市养殖量大（养殖规模分别占全市的17.33%和14.36%），而两地区的种植面积小（农田与果园面积分别占全市的7.85%和8.19%）导致种植业不能完全消纳养殖业产生的粪污（I>1）。针对烟台市存在的种养分离问题进行种养布局规划时，应根据各县市区的农田、果园面积和粪污土地承载力来限定各县市区的畜禽养殖规模。粪污土地承载力指数大于1的县市区应扩大种植规模、限制养殖业畜禽养殖数量从而降低农田、果园土地的粪污承载量。

种养布局规划时也需考虑种植业有机废弃物的还田对养殖量的影响。不考虑果树修剪枝条、秸秆还田因素时，栖霞市具备养殖业发展潜力（氮、磷粪污土地承载力指数分别为0.50、0.63）；而栖霞市作为我国苹果的主产区［27］，（果园面积4.86万hm2、产量202.88万t［1］）果树枝条修剪量大（30.78万t），在还田情况下粪污磷土地承载力指数为1.51，需控制畜禽养殖规模。

为减少区域内粪污的还田量，鼓励粪污处理公司将处理产物商品化（粪便堆肥生产有机肥料［28］，粪水厌氧处理后的沼液生产水溶肥料［29-30］），运输至种植量大、养殖量小、粪肥需求量大的地区（如潍坊寿光蔬菜大棚产区）进行异地销售。