陕西省畜禽粪尿养分资源及耕地负荷分析

索 龙，王 鹏，张俊丽，景鹏娟，李建宏，董晓梅，拜翊莎，曹红霞，李 康，赵晓进

（1渭南市农业技术推广中心，陕西 渭南 714000；2昆明理工大学，昆明 650031；3陕西省现代农业科学研究院，西安 710000；4佛山科学技术学院环境与化学工程学院，广东 佛山 528000）

0 引言

陕西省地处中国内陆腹地，位于黄河中游，是华夏农耕文化的重要发祥地之一，北山和秦岭将全省分为陕北高原、关中平原和秦巴山区三大地貌区。畜牧养殖具有地域特点，陕北是重要的羊生产基地，关中具有全国唯一的奶牛、奶山羊“双奶源”基地，陕南则一直延续着传统生态养殖。畜牧业作为陕西农业的重要组成部分，在保障民生、带动农业经济方面发挥重要作用，为种植业发展提供保障。畜禽粪尿资源含有丰富的有机质和大量的氮磷钾养分，在改善土壤结构、促进作物生产、增加作物产量和改善农产品品质方面有着十分重要的作用，其农业利用价值越来越被凸显出来[1]。已有研究表明，畜禽粪尿作为畜禽养殖的主要副产物，有机养分回田是减少化学肥料施用、培肥土壤的有效途径[2-3]。

近年来随着畜牧业规模化、集约化、现代化的迅速发展，畜牧养殖在带动农业产业脱贫、促进农村经济发展和提高农民收入水平方面发挥了重要作用[4]。然而，畜禽养殖的主要副产物畜禽粪便的大量产生，是水体富营养化和病原微生物污染的潜在污染源[5]，处理不当会严重加剧和扩大农业面源污染[6]。根据第一次全国污染源普查结果，农业污染源排放占全国排放总量的一半左右，而畜禽粪便中总氮、总磷的排放量分别占农业污染源总氮、总磷排放量的38%、65%[7]。由于畜牧业生产给环境带来的污染，已成为中国三大面源污染源之一[8]。

本研究通过收集相关数据资料，估算全省及各市畜禽粪尿排放量和养分量，探明陕西省畜禽粪尿资源近十年来的变化和区域分布情况，量化分析陕西省耕地土壤畜禽粪尿负荷及养分在农用化肥施用量中的占比，为合理利用畜禽粪尿资源，优化全省畜禽养殖结构、推动生态绿色农业发展提供科学依据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 饲养量与饲养期

本研究涉及到的畜禽饲养量数据来自2009—2017年陕西省统计局统计年鉴。参考相关文献资料，确定各类畜禽饲养期。一般情况下，饲养期小于1年的畜禽，以当年出栏量作为养殖量，饲养期按平均饲养天数计算；平均饲养期大于1年的畜禽，以当年存栏量作为养殖量，饲养期按365天计算。育肥猪的饲养期一般为199天，以出栏量作为育肥猪的饲养量[9]；母猪、牛、马、驴、骡、羊的饲养期大于365天，以年末存栏量作为当年的饲养量；家禽的饲养期取平均值为210天；以90天作为兔的饲养周期[10-11]。

1.2 排泄系数和养分含量

畜禽粪尿日排泄系数是指动物每天排放的粪尿数量。因畜禽品种、管理水平、生长环境等多方面因素影响，畜禽粪尿的排泄系数有很大的差异。畜禽粪尿中的氮、磷、钾养分含量在诸多因素影响下是处在动态变化中的，但总体可视为稳定。本研究通过收集相关文献资料，确定畜禽的排泄系数和粪尿氮、磷、钾养分计算参数，文中以鲜基计算畜禽排泄量、粪尿养分含量（见表1）[2]。

表1 畜禽粪尿排泄量、养分含量（鲜基）

1.3 计算方法

本研究参考公开发表的文献资料和研究方法[6,12-13]，通过畜禽饲养量、排泄系数、饲养期、养分含量、耕地面积等确定畜禽粪尿资源量、养分量及负荷[14-15]，具体计算方式见公式(1)～(3)。

式中，M为畜禽粪尿年产生量，104t；Q为饲养量（出栏量或存栏量），万头、只；C为日排泄系数，kg/d；T为饲养期，d。

式中，NN/P/K为畜禽粪尿养分量，104t；R为粪尿养分含量，%。

式中，L为单位面积粪尿（养分）耕地负荷，t/km2、kg/km2；A为耕地总面积，104hm2。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪尿养分资源随时间变化特征

对陕西省2009—2017年期间畜禽粪尿资源量统计分析，如图1所示，畜禽粪尿资源量呈现先升后降的趋势，2014年全省粪尿资源量为近年最大量7118.36×104t，2017年相对2014年减少5.32%。陕西省农牧业可持续发展规划（2014—2020年）提出，以基地县为重点，发展适度规模养殖，努力提高产业聚集度和发展水平。畜牧养殖小农户发展模式被产业化所取代，大量家庭散养式猪、牛消失，养殖总量自2014年前后开始缓慢减少，全省畜禽粪尿资源量随之降低。各市畜禽粪尿资源量相对于历年最大量减量最多的为铜川市12.16%，其次为咸阳市10.09%，榆林市减少量最小，仅为1.49%。主要是由于铜川市牛养殖量、咸阳市猪和羊养殖量减少相对较多，且牛排泄量大，造成铜川市、咸阳市畜禽粪尿减少量大，榆林市畜牧产业一直以来以羊为主，变化量小，总体畜禽粪尿资源减少量小。

图1 陕西省2009—2017年畜禽粪尿资源量

陕西省畜禽粪尿资源养分量2009—2017年总体为先增加后降低，变化趋势同畜禽粪尿资源量。由图2可知，2014年畜禽粪尿资源总养分量达到峰值86.76×104t，氮、磷、钾养分量分别为35.21×104、18.50×104和33.05×104t。2017年总养分量较2014年减少4.67%，氮、磷、钾养分分别降低4.47%、4.60%和4.93%。

图2 陕西省2009—2017年畜禽粪尿资源养分量

2.2 畜禽粪尿养分资源区域分布特征

陕西省畜禽粪尿资源呈现地域性分布，2017年陕北、关中、陕南粪尿资源量分别为1368.25×104、3502.92×104、1868.49×104t，占全省粪尿资源量的20.30%、51.97%和27.72%。由表2可知，咸阳市、榆林市畜禽粪尿资源量大，分别占全省粪尿资源量的16.08%和14.95%，这与咸阳市牛养殖量大，且牛排泄量高于其他畜禽种类有关，榆林市羊养殖数量远大于其他各市，总体增加其畜禽粪尿资源量。

表2 2017年陕西省各市畜禽粪尿资源量、养分量 ×104t

各类畜禽粪尿资源量表现不同，榆林市羊粪尿资源量占全省羊粪尿资源量的55.29%，咸阳市、宝鸡市牛粪尿资源量在全省牛粪尿资源量占比重高，分别为45.17%和43.50%，汉中市猪粪尿资源量占全省猪粪尿资源量的37.26%。各市不同畜禽粪尿资源因地区差异而不同，陕北榆林市羊粪尿资源量占全市粪尿资源量的59.42%，除渭南外，关中地区各市牛粪尿资源量占全市畜禽粪尿资源量一半以上，陕南三市猪粪尿资源占其全市畜禽粪尿资源量一半左右。

2017年全省畜禽粪尿资源养分量为82.71×104t，其中氮、磷、钾养分分别为 33.64×104、17.65×104、31.42×104t。陕北、关中和陕南畜禽粪尿养分资源分别占全省的25.66%、48.65%和25.69%。陕北榆林市畜禽粪尿资源养分量最多，占全省畜禽粪尿资源养分量的20.26%，这与榆林市羊养殖数量大、羊粪尿养分含量高有密切关系。关中地区牛养殖量相对较多，且牛排泄量远大于其他畜禽，所含养分总量较高，咸阳市、宝鸡市、渭南市分别占全省畜禽粪尿资源养分量的15.02%、12.58%、12.05%。陕南汉中市、安康市分别占全省畜禽粪尿资源养分量的10.42%和10.39%。

不同种类畜禽粪尿资源对养分总量贡献不同，牛、羊、猪粪尿资源养分量高，分别为35.27×104、22.25×104、19.99×104t，占总养分量的42.64%、26.90%和24.17%。氮、钾养分量以牛粪尿资源中最多，占畜禽粪尿资源氮、钾养分总量的为40.08%、52.06%，猪的磷养分占比量最高，为36.99%。

根据畜禽粪尿资源量情况、不同种类畜禽粪尿资源量空间分布来看，陕西省畜禽养殖具有明显地域性特点，陕北地区以羊为主，关中地区以牛为主，而陕南地区则以猪为主。

2.3 畜禽粪尿养分资源耕地负荷及化肥占比

畜禽粪便耕地负荷量可以直接反映耕地消纳畜禽粪便的能力，单位面积耕地土壤的畜禽粪便氮、磷养分负荷能够反映畜禽粪便可能对耕地土壤造成的的污染风险[16]。本文中，以2017年陕西省耕地面积用来计算畜禽粪尿资源及其养分负荷。由表3可知，全省畜禽粪尿耕地负荷为22.36 t/hm2，负荷最大的为杨凌示范区66.18 t/hm2，安康市、汉中市、咸阳市和宝鸡市耕地负荷为37.77、37.57、34.02和31.13 t/hm2，存在污染生态环境风险。其余各市畜禽粪尿耕地负荷均在30 t/hm2以下，榆林市畜禽粪尿负荷最小，为12.78 t/hm2。

表3 2017年陕西省各市畜禽粪尿养分量耕地负荷及化肥占比

2017年全省畜禽粪尿氮、磷、钾养分负荷分别为111.59、58.56、104.22 kg/hm2。各市氮、磷、钾养分负荷中，杨凌示范区最高，其次为安康市，延安市氮、钾养分负荷最小，磷养分负荷铜川市最小。杨凌示范区氮、磷养分负荷为269.33、136.65 kg/hm2，安康市氮磷养分负荷为175.87、102.68 kg/hm2，汉中市磷养分负荷为98.00 kg/hm2，均超过欧盟委员会农田粪便氮磷年投入使用最高量，咸阳市磷养分负荷为79.84 kg/hm2，接近耕地土壤粪便年施磷量限定值。

2017年陕西省畜禽粪尿资源养分量占农用化肥施用量（折纯量，以下均为折纯量）的35.63%。各市畜禽粪尿资源养分量占农用化肥施用量比例因地区差异而不同，榆林市畜禽粪尿资源养分量是其农用化肥施用量的1.16倍，除杨凌示范区外，关中地区各市畜禽粪尿养分量在化肥施用量的一半以下，以渭南市占比最小，为14.05%，而陕南安康市、商洛市和汉中市畜禽粪尿养分量占化肥施用量比例高，分别为76.98%、70.42%和63.06%。陕西省各市畜禽粪尿资源提供养分量之间的差异为畜禽粪尿资源区域间流转、提高利用率、缓解生态污染风险提供了可操作性。

3 讨论

陕西农业优势在种植业，其次是畜牧业，如何将畜牧业副产物合理应用到种植业，推动种植业、畜牧业的进一步发展？“种养平衡、循环利用”，物质与能量的循环，是推动畜禽养殖与生态环境平衡发展的理想出路[17]，为解决畜禽粪尿生态环境问题提供了思路，为种植业、畜牧业发展指引了方向。历年来化肥的大量施用，为种植业提供了强劲的生产能力、带来了巨大的经济效益，然而，化肥的报酬递减效应、可能造成的耕地质量问题及其对生态环境的负作用影响愈来愈突出。相对于化肥，畜禽粪尿具有养分全面、肥效稳定、营养周期长等突出特点[18]。畜禽粪便经过无害化处理后的资源化利用，有效解决畜禽养殖排泄物的环境问题[19]。

3.1 陕西省畜禽粪尿资源现状

陈生婧[20]根据畜禽粪便日排泄量、饲养期等估算2010年陕西省畜禽粪尿排放量为5793.3×104t。刘晓永等[1]研究认为，陕西省2010年畜禽粪尿资源量为6754.85×104t。本研究在参考相关文献资料、整理统计数据、确定畜禽粪尿排泄系数的基础上，估算陕西省2010年畜禽粪尿资源量为6711.54×104t。宋大利等[2]的研究结果显示，陕西省2015年畜禽粪尿资源氮、磷、钾养分量分别为22.6×104、13.0×104、21.2×104t。本研究估算2015年陕西省畜禽粪尿资源氮、磷、钾养分量为34.80×104、18.29×104、32.49×104t。研究结果间存在差异，与畜禽养殖种类选取、粪尿日排泄系数、饲养期及饲养量的确定等因素有关，导致最终的畜禽粪尿资源量及养分量估算结果存在一定的差异[4]。

随着畜禽养殖集中化程度的提高，区域生产格局逐渐形成，呈现显著的地域性分布[20]。各市畜禽产业布局由于地方差异、养殖数量和结构不同，产生的粪尿资源呈现明显的区域特点，陕北榆林市羊粪尿资源，关中宝鸡市、咸阳市、渭南市牛粪尿资源，陕南汉中市、安康市猪粪尿资源均呈现显著的区域化特征，畜禽粪尿养分资源与其表现一致。榆林市畜禽粪尿资源量占全省畜禽粪尿资源量的14.95%，养分量占全省畜禽粪尿养分量的20.26%，主要是由于畜禽粪尿中养分含量不同[21]，羊粪尿资源量养分含量相对高于其他畜禽粪尿资源，提高了榆林市畜禽粪尿养分量在全省的占比。

3.2 畜禽粪尿资源环境污染风险

畜禽粪尿负荷量由畜禽粪尿排泄系数、有效农用地面积、作物结构、作物产量和复种指数等多方面综合因素共同影响[22]，可为畜禽饲养密度、养殖产业规划提供理论和技术参考。根据张绪美[23]等的研究，中国畜禽粪便土地承载力以800 mm等降水量线作为南北地理划分线，以南有机肥最大承载量为45 t/hm2，以北有机肥最大承载量为30 t/hm2。本研究参考文献中畜禽粪便土地承载力，以30 t/hm2作为有机肥最大承载量。陕西省2017年畜禽粪尿单位面积负荷为22.36 t/hm2，低于有机肥最大承载量。各地市中，杨凌示范区畜禽粪尿负荷远高于有机肥最大承载力，安康市、汉中市、咸阳市和宝鸡市畜禽粪尿负荷均高于30 t/hm2，存在造成环境污染风险。

对于畜禽粪尿对环境污染风险，氮养分负荷本研究参考欧盟委员会规定的农田粪便年投入氮素不得超过170 kg/hm2[24-25]，磷养分负荷参考耕地土壤粪便年施磷(P2O5)量限定值为80 kg/hm2，过量则会引起土壤磷的淋洗损失，对环境造成污染[26]。陕西省2017年畜禽粪尿氮、磷养分负荷分别为111.59、58.56 kg/hm2，均未超过使用量限值，氮养分负荷远低于全国平均单位耕地面积氮污染负荷138.36 kg/hm2[27]。杨凌示范区、安康市畜禽粪尿氮、磷养分负荷均超过农田粪便年投入氮、磷限定值，汉中市畜禽粪尿磷养分负荷超过耕地土壤粪便年施磷量限定值，存在生态环境污染风险。咸阳市磷养分负荷量接近限量值，畜禽粪尿磷养分随着畜牧产业发展将对环境产生影响。朱建春等[13]研究认为，2009年陕西省各地区耕地的氮负荷未超过环境污染限量值，随着陕西省养殖业的发展，榆林市、咸阳市、宝鸡市、汉中市和安康市等地区存在氮磷污染风险。易秀等[12]研究指出，2010年陕西省除铜川、延安和渭南外，其他各市畜禽粪尿磷素养分全部超出施用量限制，有畜禽粪尿磷素引起的农业面源污染风险。不同研究中畜禽粪尿量估算、养分含量和有效农用地选取存在差异，导致研究结果不同，但畜禽粪尿氮、磷养分可能引起的环境污染风险应高度重视。

本研究从畜禽粪尿负荷和氮、磷养分负荷3个方面讨论陕西省畜禽粪尿资源对环境的影响，估算值高于农田对畜禽粪尿的消纳能力，主要原因为：一是采用2017年陕西省耕地面积核算畜禽粪尿及养分负荷，园地、林地等其他有效农用地面积未列入，畜禽粪尿负荷量估算值偏高。陕西省作为果业大省，果园面积在农用地面积中占有很大比例，将其纳入有效农用地面积中，畜禽粪尿负荷量减少。二是忽略了不同作物对畜禽粪尿养分需求量不同，果树、蔬菜等作物对畜禽粪尿养分量需求更高，加之农作物复种，对畜禽粪尿养分需求更高。沈根祥等[28]研究表明，粮食作物年平均氮、磷养分需求量为219、63 kg/hm2。潘钰春等[29]研究认为果园对畜禽粪尿的消纳能力大于耕地，果园氮磷的限量标准为250、55 kg/hm2。消费需求升级，陕西省果业、设施农业迅速发展，其对畜禽粪尿的环境容纳力高。三是畜禽粪尿为土壤提供的养分量与处理过程、土壤质地、肥力和地方气候等自然条件相关，畜禽粪便在收集、贮藏、处理、施用到农田的过程中，氮素会有相当数量的损失，影响估算农田负荷量和污染风险分析[28]。因此，耕地畜禽粪尿及养分负荷，在讨论其对环境的污染风险时应统筹消纳场所、农作物种类及栽植模式、畜禽粪尿自身损失等，今后的研究需充分考虑各方面综合影响因素。

3.3 陕西省畜禽粪尿资源利用潜力

近年来，陕西省大力推进有机肥替代化肥项目，畜禽粪便以有机肥形式被合理化利用，降低畜禽粪尿资源可能造成生态环境污染风险。有机无机配合施用，减少化肥施用量、增加土壤有机质、提高土壤肥力[30]，形成农业循环发展，减少农业面源污染[31]，降低农业生产成本和化学肥料对耕地土壤的副作用[32]。由陕西省统计年鉴数据可知，2017年陕西省化肥施用量为232.15×104t，本研究估算陕西省2017年畜禽粪尿养分总量约占全省农用化肥施用量的35.63%。榆林市畜禽粪尿养分量超过农用化肥施用量，杨凌示范区、汉中市、安康市、商洛市畜禽粪尿养分量是农用化肥施用量的一半以上。畜牧养殖的规模化发展，为畜禽粪便资源化利用提供了便利条件。对于规模化养殖厂产生的大量畜禽粪尿，应在预处理后进一步加工成有机肥转入市场，一定范围内跨区域协调，打破地域内畜禽养殖粪尿消纳问题，通过种养结合解决畜禽粪尿对地方环境污染风险，提高畜禽粪尿肥料化利用效率[33]。畜禽粪尿中的氮、磷、钾养分量分别约占全省化肥施用量的27.33%、34.14%、54.79%。畜牧业和种植业有效结合，利用粪便资源作为有机肥替代化肥为种植业提供养分，是实现化肥减量的有效途径[34]。

4 结论

陕西省2009—2017年畜禽粪尿资源和养分量总体表现为先增后减的变化趋势，2014年达到历年来最大值，畜禽粪尿资源量为7118.36×104t，总养分量为86.76×104t。畜禽养殖具有地域性特点，陕北地区以羊为主，关中地区以牛为主，而陕南地区则以猪为主。陕北、关中和陕南近年来粪尿资源量分别占全省畜禽粪尿资源量为19.50%、53.08%和27.42%，养分量分别占全省的24.57%、49.95%和25.47%；2017年全省畜禽粪尿单位面积负荷为22.36 t//hm2，氮、磷、钾养分单位面积负荷分别为111.59、58.56、104.22 kg/hm2，总体在环境承载力允许范围内。对于各市畜禽养殖，杨凌示范区、安康市、汉中市、咸阳市和宝鸡市均存在环境污染风险。全省畜禽粪尿养分量约为农用化肥施用量的35.63%，榆林市畜禽粪尿养分量超过化肥施用量，杨凌示范区、安康市、商洛市和汉中市可提供化肥施用量一半以上养分，对于推动化肥使用量零增长行动、降低农业面源污染有重要贡献。