基于种养平衡的湖南省畜禽养殖土地承载力分析

杜红梅，陈思畅

(湖南农业大学 商学院，湖南 长沙 410128)

随着我国畜禽规模化养殖水平不断提高，所产生的畜禽粪污日益增加，成为农村面源污染的重要污染源之一。通过种养结合模式，最大限度的利用农田消纳畜禽粪便的营养成分，加强粪肥的农田施用管理，是解决畜禽养殖废弃物环境污染最经济、最直接有效的方法[1-3]。关于利用种养结合模式消纳畜禽粪污的研究重点是土地畜禽承载力的研究。学者们根据“以种定养”思想提出区域种养平衡，并利用土壤氮、磷养分平衡法构建农田耕地消纳畜禽粪污模型以评估区域畜禽养殖的环境负荷[4-8]。此外，有学者从系统分析法入手研究畜禽养殖的环境承载力[9-10]。有学者将种养平衡理论的原理运用到测算地区畜禽养殖环境承载力中，根据当地农作物的产量估算畜禽养殖的合理规模[11-12]，为区域的养殖业优化布局提供了参考依据。但多数研究未能结合研究区域资源禀赋、自然条件以及种养习惯等因素，难免造成测算结果的理想化，与现实情况产生较大偏差；此外，多数学者测算畜禽养殖土地承载力，未能综合考虑农作物对氮、磷两种养分的畜禽承载力，也没有以此为依据得到理论上比较精确的地区最大畜禽养殖规模与存量。

湖南省地处长江经济带中游地区，境内湘、资、沅、澧四条水系汇集于洞庭湖，年降水量丰沛，气候适宜，具有优越的农牧业生产资源禀赋条件，是我国畜禽产品的主产省，畜禽养殖业是湖南省农业可持续发展的重要引擎。本文利用2016年种植业和养殖业的数据，分析各种农作物对氮、磷养分的需求，测算畜禽养殖的土地承载能力和畜禽养殖承载规模，为优化畜禽养殖布局提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 区域内土地可承纳的粪肥氮、磷总量

根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，综合湖南省大田作物、蔬菜水果、其他经济作物的种类和实际产量水平，选取湖南省2016年17种农作物进行养分测算，能够比较全面的代表区域内农作物总氮、磷养分的需求。实际产量如表1所示。

表1 2016年湖南省不同地区农作物种植规模[13]

区域农作物总氮、磷养分总需求量计算公式如下：

An,i=∑(Pr,i×Qi×10-2)

(1)

式中：An,i为区域内第i种植物n类养分需求总量(t/年)；Pr,i为区域内第i种作物总产量(t/年)；Qi为区域内第i种作物的100 kg收获物需氮(磷)量(kg)。参数设置参考文献[14]中不同作物的100 kg收获物需氮(磷)量。

不同土壤肥力下农作物氮、磷总养分需求中需要施肥的比例、粪施用的比例和粪肥当季利用效率都有所差异，因此，需要根据地区土壤实际情况对(1)中结果进行调整，得到区域内农作物粪肥养分实际需求量，计算公式如下：

An,m=(An,i×FP×MP)/MR

(2)

式中：An,m为区域内第m种农作物第n类粪肥养分需求量(t/年)；FP为作物总养分需求中施肥供给养分占比(%)；有机肥和化学肥料各有优势，农作物要实现优质高产应将有机肥和化学肥料配合使用。有机肥和化学肥料的施用适宜比例是40%～60%[14]，取中间值50%为有机粪肥的施用比例；MP为畜禽粪肥养分需求量占施肥总量的比例(%)，湖南省土壤面积中46.49%为红壤，24%为水稻土[15]，不同区域土壤氮、磷养分水平不同，按不同养分水平土壤的施肥供给养分占比推荐值，氮、磷施肥养分供给率分别按50%和40%取值；MR为粪肥当季利用率(%)，参考贺博[16]的研究，氮、磷当季利用率取值30%和35%。

1.2 区域内畜禽粪污氮、磷养分供给量

选取了2016年湖南省14个地州市生猪、肉牛、奶牛、羊和肉鸡五种有代表性的畜禽的年末存栏量[13]，根据主要畜禽种类的日排泄氮磷标准[14]，以及主要畜禽种类的存量，测算区域畜禽粪污养分产生量，其公式如下：

Qr,p=∑Qr,p,i=∑APr,i×MPr,i×365×10-6

(3)

式中:Qr,p为区域内畜禽粪便养分产生量(t/年)；Qr,p,i为区域内第i种畜禽粪便产生量(t/年)；APr,i为第i种畜禽年均存栏量(头，只)；MPr,i为第i种畜禽粪便中氮磷的日产生量(g/天·头-1)。

畜禽粪污养分产生后，不同的粪污收集方式下得到的氮、磷元素的比例是不相同的，养分收集方式计算公式如下：

Qr,c=∑Qr,c,i=∑∑Qr,p,i×PCi,j×PLj

(4)

式中：Qr,c为区域内畜禽粪污的收集总量(t/年)；Qr,c,i为区域内第i种畜禽粪污养分收集量(t/年)；Qr,p,i为区域内第i种畜禽粪污养分产生量(t/年)；PCi,j为第i种畜禽在第j种清粪方式所占比例(%)；PLj为第j种清粪方式下氮(磷)养分的收集率(%)。根据文献[14]的测算方法与标准，本研究考虑3种畜禽粪污收集方式的氮(磷)留存率，其中垫草垫料收集方式下的氮(磷)留存率设定为 84.5%(95%)；干清粪收集方式下的氮(磷)留存率设定为88%(95%)；水冲粪收集方式下的氮(磷)留存率设定为87%(95%)。

畜禽粪污经过一定处理后施用于农田，可供农作物吸收的总养分供给量计算公式如下：

Qr,Tr=∑Qr,Tr,i=∑∑Qr,c,i×PCi,k×PLk

(5)

式中:Qr,Tr为区域内畜禽粪污处理后养分供给量(t/年)；Qr,Tr,i表示区域第i种畜禽粪污处理后的养分供给量(t/年)；PCi,k为第i种畜禽在第k种处理方式所占比例(%)，PLk为第k种处理方式下氮(磷)养分留存率(%)。为方便进行不同畜禽种类粪污产生量计算，根据畜禽粪污处理研究学术惯例，本研究按猪当量对各类畜禽粪污产生量进行测度，其度量标准为：1头猪为1个猪当量，1个猪当量相当于0.15头奶牛、0.3头肉牛、2.5只羊、25只家禽[14]。

不同畜禽粪污处理模式下氮(磷)留存率存在差异，依据文献[14]本研究考虑五种畜禽粪污处理方式，其氮(磷)留存率按直接还田63.5%(80%)、生产有机肥 68.5%(76.5%)、厌氧发酵95%(75%)、生产沼气 75%(75%)、无处理的氮(磷)留存率0(0)。

2014—2018年湖南省养殖粪污收集和处理方式调查结果如表2。

表2 湖南省各地区畜禽粪污收集方式和处理方式比例

1.3 区域畜禽粪污土地承载力指数

畜禽粪污土地承载力是将区域农作物总的粪肥养分需求量除以单位猪当量粪肥养分供给量，得到的区域理论最大养殖量(以猪当量计)，计算公式为：

(6)

式中:R为区域畜禽以作物粪肥养分需求为基础的最大养殖猪当量；NUr,m为区域农作物粪肥养分需求量(kg/年)；NSr,a为猪当量粪肥养分供给量(kg/猪当量·年)。

区域内各种畜禽实际存栏量(以猪当量计)与区域畜禽最大养殖量(以猪当量计)之间的比值，称为区域畜禽粪污土地承载力指数。计算公式为：

(7)

式中：I为区域畜禽粪污土地承载力指数；A为区域内折算成猪当量的畜禽年末存栏总量；R为区域以作物粪肥养分为需求的最大养殖猪当量。当I大于1时，表明畜牧养殖规模过大，其粪便养分排出超出了种植作物的养分需求；当I在0.8～1.0之间时，种养规模接近平衡，是较为理想的状态；当I小于0.8时，表明区域畜牧养殖排放的粪便养分不能满足种植作物生长的需要，畜牧业还有较大的环境容量。

2 结果与讨论

2.1 基于农业生产养分需求的畜禽养殖土地承载力

由表3可知，湖南省氮养分土地承载力为46.57%，磷养分土地承载力为35.06%。参照国内外农田畜禽粪便负荷分级方法[17-20]，目前湖南省畜禽养殖土地承载力水平较低，省内农作物种植完全能消纳区域内的畜禽养殖粪污所产生的养分，无超出承载能力的环境污染风险，意味着湖南省畜禽规模养殖还有进一步发展的空间。不同地区氮(磷)土地承载力存在一定的差异，氮(磷)土地承载力水平呈三个层次，湘西南地区土地承载力指数普遍偏高，长株潭地区总体略高于湖南省平均水平，湘西北、湘中地区和湘东北地区土地承载力指数较低。湘西南邵阳市有4个地区出现氮养分超载和2个地区出现磷养分超载，这些地区均位于湖南省的南部，农业历史悠久，人口众多，各类畜禽养殖规模较大，由于多为山区林地，耕地面积相对不足，造成总体出现超载现象，畜禽粪污没有足够的农田消纳；长株潭地区的区域经济发展水平相对较高，人口多，城市面积较大，农作物耕种面积较少，导致土地承载力指数总体略高于平均水平；而湘西北地处山区，为喀斯特地貌，养分流失较大，该地区人口密度较小，农作物种植种类较多，因此土地承载力较小；湘中地区虽畜禽养殖规模较大，但衡阳、娄底两市农作物耕种面积大，农作物养分需求足以消纳区域内畜禽粪污产生的养分，其土地承载力指数也相对较低；湘东北地区地处洞庭湖平原，是全国重要的粮食生产基地，地域广阔，水资源丰富、种植业发达，因此有足够的农作物来消纳养殖粪肥，是湖南省地区土地承载力指数最低的区域。

表3 2016年湖南省各地区畜禽养殖土地承载力指数

由表3可见，全省76.2%的地区土地承载力系数小于0.8，尤其是湘西北和洞庭湖地区，湘西北有著名的武陵源风景区，畜禽养殖业发展受到限制，在不损害其他产业发展的前提下，可以适度提高养殖的数量，满足省内对畜禽产品的需求；洞庭湖区实行了严格的环境规制，一旦受到环境污染，畜禽养殖粪污排入湖泊水体中，能迅速引起湖区富营养化，给当地造成更大损失，因此该地区虽然发展畜禽养殖还存在较大空间，也应该切实控制养殖数量。种养平衡区和超载区分别占10.7%和13.1%，主要集中在湘西南和湘南地区以及部分城区。对于种养平衡区，应该控制畜禽养殖数量进一步增长，提前做好畜牧业产业规划；而对于养殖超载区则应当适当控制并减少畜禽养殖的数量，适度把养殖规模转移到周边环境负荷较小的郊区，优化产业布局。

由表4可见，湖南省存在畜禽土地承载力氮、磷养分超载，这些超载县(市、区)其中大多位于湘西南丘陵地区，少数位于长株潭城市核心区，湘西南地区的城步苗族自治县是全省畜禽养殖超载最严重的地区，基于氮、磷的土地承载力指数分别高达194.62%和145.10%，这与当地畜禽资源化利用方式落后和山地不适宜耕种有关；而长沙、湘潭两市一共出现了4个氮超载地和2个磷超载地，主要原因是随着工业化、城市化推进，城市建筑及公共设施密集，可消纳畜禽粪污的农用地十分有限。出现畜禽养殖土地承载力超标的地区多位于城区，16个氮养分超载县(市、区)和8个磷养分超载县(市、区)中，分别有9个和3个位于市辖区，占比为56.25%和37.50%。其主要原因是：一方面这些区域人口密度较大，居民畜禽产品的需求量较大，而区域农用地面积不足，难以消纳区域内所产生的畜禽粪污；另一方面，地方政府对畜禽规模养殖缺乏产业规划，对畜禽规模养殖放任发展，在进行审批时未从全局考虑畜禽粪污处理问题。

表4 湖南省各地区畜禽养殖土地承载力空间分布

2.2 基于土地承载力的各地区最大畜禽养殖量与剩余养殖存量

根据氮、磷养分平衡理论，可以根据一个地区现有农作物的种植结构与规模估算得到氮养分平衡下能承载的以生猪为当量的最大畜禽数量和磷养分平衡下能承载的以生猪为当量的最大畜禽数量，考虑畜禽养殖业对环境污染存在一定的风险，为了降低风险，本文取氮、磷养分中较低的一个规模作为区域适宜发展畜禽养殖的最大理论规模，并根据最大承载规模与地区实际养殖规模的差距估算出地区剩余养殖存量，为各地区畜禽养殖产业规划与优化调整提供参考依据。

由表5可知，湖南省2016年的农作物规模最多可消纳18204.9万头生猪排泄的氮、磷养分，湖南省总体的土地承载力为45.57%，2016年湖南省剩余养殖存量为10393.6万头，因此，从畜禽发展规模总体上看，湖南省畜禽养殖业规模还有进一步发展的空间，在对畜禽养殖粪污充分利用和科学管控的前提下，可实现环境效益与经济效益双赢局面。具体来说，湘中地区、湘西北地区还可以适度扩大畜禽养殖规模，如娄底、湘西州、株洲、怀化、衡阳等地的郊区可以引导增加畜禽养殖的数量，既可以满足当地种植业对养分的需求，引导农民通过种养产业创业增收，还能降低周边区域的养殖压力，从而最大限度减少畜禽规模养殖带来的环境压力。湘东北地区益阳、岳阳、常德等地，由于处于洞庭湖区，应该坚持环境保护优先，限制养殖规模，避免污染进入水体，一方面可通过种植苗木、果蔬、中药材等经济作物吸收粪肥养分，另一方面通过粪肥加工，进行污染转移消纳，切实做好地区畜禽养殖污染防控。长株潭地区则应合理规划养殖用地，引导养殖向城郊及周边乡镇转移，避免出现畜禽粪污养分产出量的局部超载。而湘西南地区则应适当控制规模，邵阳、永州、郴州等市应积极开展畜禽粪污资源化利用，配置畜禽粪污资源化设施，推广畜禽粪污资源化利用技术，严格控制新增畜禽规模化养殖场，要求新增规模养殖场必须匹配有相应的、足额的粪污养分消纳基地。

表5 基于土地承载力的湖南省畜禽最大承载量与剩余养殖存量(万头猪当量)

3 结 论

湖南省畜禽养殖氮、磷养分土地承载力总体上不超载，现有养殖量和理论最大养殖量之间仍有较大养殖存量，发展潜力较大；各地畜禽养殖土地承载力大小不均衡，总体呈现南高北低的趋势，湘西南、湘南地区土地承载力指数普遍大于湘东北和湘西北地区，邵阳、永州、郴州地区和长沙、湘潭一些城区是超载的主要地区；娄底、湘西州、株洲、怀化、衡阳的一些县(市、区)可以适度增加规模化畜禽养殖数量，其他地区则要合理规划养殖规模，避免环境污染。