杨凌区畜禽粪污消纳潜力测算及养殖污染风险评价

0 引言

随着市场经济的发展，我国畜禽养殖业进入了全面协调发展的新时期，养殖方式正从传统副业、分散小规模饲养向规模化、标准化和集约化转变，推动中国畜禽产品产量逐年增加的同时，畜禽养殖产生的大量粪污也造成了环境污染问题[1]。治理畜禽养殖污染、改善乡村环境势在必行。面对畜禽粪污治理问题，相关研究人员不断创新畜禽粪污处理的技术和方法，同时国家也制定并出台了一系列政策，大力推动畜禽粪污污染的治理。

畜禽粪便含有一定量的有机质、氮磷钾养分以及植物生长所需的其他营养元素，种养结合、以有机粪肥替代化肥被认为是应对目前化肥过度施用和养殖污染并存问题的有效途径[2]，但过量的还田同样也会导致耕地和水源受到富营养化的污染。考虑到目前畜禽养殖粪污运输的困难性和不经济性，“以地定养、以养促种、养殖污水原地处理、就近种植消纳”应是种养结合的发展思路[3]，即让所有的畜禽粪便就地还田利用，以畜禽有机粪肥替代化肥，使区域内的养殖部门通过精准的粪肥养分供给量与种植养分需求量达到平衡，从而实现养殖量与种植量的平衡，达到种养双赢的理想状态。

基于种养平衡理念的畜禽粪污土地承载力测算是掌握区内畜禽养殖畜牧业布局情况，促进农牧结合、种养循环农业发展，加快推进畜禽粪污资源化利用，引导畜牧业绿色发展的基础工作[4]，涉及两个方面的问题，一是区域内的农地畜禽承载力是多少？养殖场户产生的粪污只有种植单位有动机施入可以给自己带来经济收入的耕地中，区域内农地承载力是养殖量的上限标准，明确这一标准可以为区域养殖总量的管控提供依据；二是在区域承载力范围内，养殖场户局部污染的可能性如何 在一个区域内，农地具有分散分布的特性，但是养殖具有集中生产的特性，即使从总体上看，养殖量没有超过区域的承载力，也可能造成区域内局部的污染发生，因此，从区域和养殖户两个视角开展畜禽承载力测算具有重要的基础意义。本文将以杨凌示范区为目标区，开展两个方面的测算，一是明确杨凌区内土地是否能够满足区内现有养殖量的承载需求，二是区内各养殖场户配套土地及目前的粪污还田模式能否满足种养殖平衡发展的需要。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究区域为杨凌农业高新技术产业示范区全境，包括杨陵街道、李台街道、大寨街道、五泉镇和揉谷镇，具体边界及各镇街道的空间分布详见图1。杨凌示范区是中国首个国家级农业高新技术产业示范区，是“关中平原城市群重要节点城市”，现代农业是杨凌示范区立区之本，承担着国家现代农业技术的示范引领重任。

图1 杨凌示范区辖区边界及区位图

杨凌位于陕西省关中平原中部偏西，东隔漆水河与武功县为界，南隔渭河与周至县相望，西和扶风县接壤，北由湋水河与扶风相连。处于东经108°～108°07′，北纬34°12′～34°20′之间。东西长约16千米，南北宽约7千米，行政管辖面积135平方千米。

1.2 数据来源 区内农地基础数据来源于杨凌示范区统计局汇总数据，包括各类农作物耕地面积等信息，养殖数据来源于2022年10月的畜禽养殖场户调查，调查内容包括生猪、役用牛、肉牛、奶牛、羊、蛋鸡、肉鸡和鸭等畜种的出栏量、存栏量及粪污处理模式等信息。

1.3 数据处理

1.3.1 畜禽粪污消纳潜力测算 根据2018年农业部颁布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》中的土地承载力计算方法，分析杨凌畜禽粪污土地承载力情况。此方法是以养分平衡理论为基础，科学地反映一定区域内种植业与养殖业的平衡关系，从而确定土地的畜禽承载力水平。氮素养分是农作物需求的大量营养元素之一，以氮素养分平衡指标考察种养结合和平衡关系具有重要的参考价值。本文以区内粪污养分全部就地还田的思路，通过对区域内农作物氮养分的需求量和一定占比的有机粪肥氮养分供给量进行量化计算，模拟以有机粪肥部分替代化肥情况下的农作物氮养分的平衡情况，从而判断区域内的畜禽环境承载能力。

区域畜禽环境承载力以猪当量计。猪当量是用于衡量畜禽氮（磷）排泄量的度量单位，1头猪为1个猪当量。1个猪当量的氮排泄量为11kg。按存栏量折算：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽。

首先需要明确区域内各类作物养分需求量，计算方法如式（1）：

式中：Ntotal—区域内各种作物总产量下氮需求量（吨）；yi—区域内第i种作物总产量（吨）；ai—氮养分需求系数，第i种作物收获100千克产量吸收的氮量，千克（/100千克）。

氮养分需求系数参见表1。表中所列作物为本地主产农作物，产量为调查数据，各类作物氮养分需求系数来自于农业部发布的参考数据。其次需要明确区域耕地作物来自于有机粪肥的养分需求量，计算公式如式（2）：

表1 不同植物氮素养分需求参数推荐值100kg

式中：MNneed—区域内各种作物种植面积粪肥氮（磷）养分最大需求量，吨；Ntotal—区域内各种作物总产量下氮需求量（吨）；f—施肥供给养分占比（%）；P—粪肥占施肥供给量的比例（%）；K—粪肥当季利用率（%）。

各类农作物氮养分中的有机粪肥来源量受农民施肥习惯、农艺技术措施等因素的影响，同时还会受到土壤养分状况的影响。农业部推荐了土壤不同氮养分水平下的施肥供给占比系数（见表2），不同区域适宜的粪肥占施肥比例也不同，本文参考农业部推荐值（表2）数据中的土壤氮养分级中的二级指标进行计算。粪肥中氮素当季利用率取值范围推荐值为25%-30%，本研究选取30%进行计算。

表2 土壤不同氮磷养分水平下施肥供给养分

然后基于前两步计算的基础上计算区域畜禽粪污土地承载力，按式（3）进行计算：

式中：Rpig—猪当量养殖量（存栏），头；S—粪肥氮（磷）元素留存率，一般为60%-70%；PN—猪当量的氮（磷）排泄量，千克/头。综合考虑畜禽粪污养分在收集、处理和贮存过程中的损失，单位猪当量氮养分供给量按7.0kg计算。

1.3.2 杨凌区养殖场户粪污消纳土地需求与环境污染风险评价 畜禽养殖场（户）粪污消纳需求土地是指指畜禽规模养殖场产生的粪污养分全部或部分还田利用所需要的土地面积。各养殖场户技术先进程度不同，资金量不同，发展背景不同，我们将养殖场户分为大型养殖场、规模化家庭农场和养殖户，并进一步分析现有养殖场户粪污处理技术应用特征。

首先需要明确养殖场（户）粪肥养分供给量。养殖场（户）粪肥养分供给量指本地需要消纳的养分供给量，根据养殖场饲养畜禽的猪当量进行测算，测算公式如式（4）：

式中：Q—粪肥养分供给量；Ii—第i种畜禽存栏量；ai—第i种畜禽猪当量系数；ε—养分留存率（%）。

依据农业部推荐标准值，固体粪便和污水以沼气工程处理为主的，粪污收集处理过程中氮留存率按65%测算，对于固体粪便堆肥、污水氧化塘贮存或厌氧发酵后农田利用为主的，粪污收集处理过程中氮留存率按62%测算。1个猪当量的氮排泄量为11kg。按存栏量折算：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽。生猪、奶牛、肉牛固体粪便中氮素占氮排泄总量的50%，磷素占80%；羊、家禽固体粪便中氮素占100%，因此依据养殖场户粪污消纳模式，对于本地消纳的情况，畜禽氮排放猪当量按100%计算，对于第三方处理生产有机肥的情况，固体粪便以外销对待，生猪、奶牛、肉牛固体尿液中氮素占氮排泄总量的50%，需要本地消纳，畜禽本地消纳氮排泄量为50%的猪当量，羊、家禽本地消纳氮排泄量为0。

其次需要明确单位土地粪肥养分需求量测算。根据不同土壤肥力下，单位土地养分需求量、施肥比例、粪肥占施肥比例和粪肥当季利用效率测算，计算方法如式（5）：

式中：MNper—单位土地粪肥养分需求量，吨；Nper—单位土地养分需求量（吨）；f—施肥供给养分占比（%）；P—粪肥占施肥供给量的比例（%）；K—粪肥当季利用率（%）。

单位土地养分需求量为土地种植的各类植物在目标产量下的氮养分需求量之和，各类作物的目标产品可以根据当地平均产量确定，调查过程中养殖场户配套土地和附近还田农户种植的主要作物品种为果树和蔬菜，因此我们按蔬菜和果树的平均养分需求值计算。施肥比例根据土壤中土壤不同氮养分水平下的施肥比例推荐值（表2）计算。粪肥占施肥比例50%计算。粪肥中氮素当季利用率推荐值为30%测算。

1.3.3 养殖场（户）消纳土地需求量 养殖场户消纳土地需求面积等于养殖场户粪肥养分（本地）供给量除以单位土地粪肥养分需求量。

2 结果与分析

2.1 杨凌示范区畜禽养殖粪污耕地承载现状分析 在种养结合情况下的区域畜禽粪污土地承载力是建立在本地种植农户愿意施用有机粪肥来获取更好的农业生产收入，种植农户只会向自己种植的农耕地施肥，因此畜禽粪污承载的土地类型是农耕地。杨凌示范区种植的粮食作物以小麦和玉米为主，占比达98%以上，区内种植的油料作物为油菜。蔬菜的氮养分参数为表1中所列8种蔬菜的综合平均值，果树的氮养分参数为表1中3种果树参数的平均值。杨凌示范区内各类作物当季耕种面积下的粪污消纳潜力测算参数及结果列于表3中。

从表3可以看出，杨凌区各类耕地可消纳猪当量总计110814头。区内种植的小麦、玉米单产较高，分别达到了459kg/亩、485kg/亩，但是其消纳粪污量较小，仅有13500和15771.43猪当量，主要是由于区内粮食作物种植面积较小造成的。区内粪污消纳的主体力量来自于蔬菜，可消纳62485.71个猪当量，接近杨凌区总可消纳猪当量水平的一半。杨凌区蔬菜播种面积的提升得益于设施蔬菜大棚的发展，有效提高了蔬菜的复种指数。

表3 杨凌示范区各类农地消纳畜禽粪污潜力

2.2 杨凌示范区畜禽养殖场户粪污生产当量水平分析 在种养结合情况下，养殖场户产生的粪污以不同方式还田，对本地农地环境产生的压力是不同的。我们将养殖场户分为大型养殖场、规模化的家庭农场和小规模的养殖户，依据粪污处理类型分为本地消纳型和第三方处理型，交由第三方处理的固体粪污主要生产成有机肥外销，并不对本区农地消纳水平生产压力，按照《测算指南》推荐值，我们将第三方处理的本地消纳当量系数定为生猪、肉牛和奶牛为0.5，而羊和禽类的本地消纳当量系数定为0。杨凌示范区畜禽养殖场户粪污生产当量水平测算结果见表4。

从表4中可知，杨凌区内有各类养殖场户57家，其中大型企业16家，规模化的家庭农场16家，养殖户25家。各类养殖场户生产粪污142165猪当量，大型企业、规模化家庭农场和养殖户生产的粪污猪当量分别为128414、10820和2931，大型企业具有绝对的贡献优势。因第三方处理，减少本地消纳猪当量28232头，其中大型养殖企业也具有较大的削减贡献，需要杨凌本地消纳的粪污当量为113933头。16家大型养殖企业中有6家交由第三方处理粪污，占比为37.5%，16家规模化家庭农场中有5家交由第三方处理粪污，占比为30%，养殖户由第三方处理粪污的情况较少，仅有1家，占比为4%。

表4 杨凌示范区各类养殖场户不同还田模式下的本地粪污当量

2.3 杨凌区养殖场户粪污消纳土地需求与养殖污染风险评价 对比杨凌示范区内农地可消纳粪污猪当量和区内养殖场户产生的污染当量，在目前的种养模式下，杨凌示范区内的养殖场户生产了113933猪当量的本地污染量，但是耕地可消纳的当量水平为110814猪当量，难以满足当前养殖和粪污处理模式的对消纳土地的需要，差值为3119猪当量，说明杨凌示范区存在较大的畜禽粪污污染风险。

区畜禽污染风险的存在一方面来源于养殖企业过量养殖，另一方面来源于农户与养殖企业在用肥环节的不通畅。如果养殖企业的粪污主要通过附近农户还田的方式消纳，考虑到种植户的经验，不会过量施肥，以附近农户还田方式消纳粪污的养殖场户不会存在环境污染的风险，但是仅以自身配套土地或流转租入的土地为消纳还田方式的养殖场户，因其主业为养殖，其消纳粪污的农田可能存在一定的污染风险。

我们提取仅以配套土地和流转租入土地为消纳地的样本，对比其可消纳农地和消纳土地需求，当该养殖场户生产的粪污需要的消纳地大于其配套土地和流转租入土地之和时，我们认为其存在污染风险。考虑到农民主要在果园和蔬菜地中施用有机粪肥的现实，我们以果园和蔬菜地的亩均承载猪当量水平进行计算。存在污染风险的养殖场户类型、数量和消纳土地缺口面积见表5。

表5 各类养殖场户污染风险及消纳地缺口状况

从表中可以看出，全区有6家养殖场户存在污染风险，总的消纳土地缺口面积（播种面积）为51493亩。其中存在污染风险的大型养殖企业占3家，消纳地缺口较大，说明大型养殖企业的粪污处理环节需要加强优化。

3 结论与建议

①杨凌示范区农地总的可消纳粪污水平为110814猪当量，其中区内粪污消纳的主体力量来自于蔬菜种植。②杨凌区目前有养殖场户57家，各类养殖场户生产粪污总量为142165猪当量，其中大型养殖企业贡献率高。需要杨凌本地消纳的粪污当量为113933头。③对比区内养殖粪污当量水平与消纳土地面积，区内养殖污染当量水平需要的消纳土地面积远远大于目前的各类农作物种植面积，说明杨凌区存在较强的农地污染风险。从杨凌区存在的养殖污染风险存在的内因看，杨凌地域小，但是由于其是唯一的国家级农业高新技术产业示范区，省部共建力度大，发展速度快，城区扩张速度快，农作物种植面积有限，因此粪污消纳能力有限。杨凌区因其农业高新技术产业示范区的优势地位，是各类农业高新技术企业的集中地，因此大型养殖企业较为集中，但是粪污处理方式跟进不足。

鉴于杨凌区畜禽污染风险存在的深层原因，可以参考的建议有：①强化监督，有效限制养殖企业数量和规模的无序扩张，并在空间布局上加强调控，使养殖场户的规模和空间布局都向着有利于空间布局的方向上发展，帮助养殖粪污处理困难的养殖场户与种植户建立良好的协作关系。②强化种植业科技创新，不断提高种植业单位产量和复种指数，有效提高种植业的粪污本地消纳能力。③加强高标准农田建设，帮助种植户更方便地利用有机粪肥，如在田间地头建设堆肥场等，构建顺畅的区域种养关系。