云南省畜禽粪肥养分资源供给定量估算及其替代化肥潜力分析*

王劲松，李聪平，卢俊媛 ，赵会玉，姜圆圆，赵晓晨，张亚东，幸卫萍

(1.曲靖市土壤肥料工作站，云南 曲靖 655000；2.云南省土壤肥料工作站，云南 昆明 650034；3.云南省绿色食品发展中心，云南 昆明 650224；4.云南省农业广播电视学校罗平县分校，云南 罗平 655800)

现代农业畜禽养殖已成为保证国家食品安全、推动区域经济发展和促进农民增收的重要内容[1]。畜禽养殖快速发展的同时粪便资源量也不断增加[2]。畜禽粪便中含有大量可利用的氮、磷、钾等养分，合理利用可大量减少化肥施用。但受制于利用的方式，不合理的施用导致养分损失和污染环境等问题日益显现[3]，尤其是在规模化养殖区域，畜禽粪便氮、磷养分远远超过农田承载标准[4]。随着现代农业高质量发展的要求不断深入，畜禽养殖污染治理与控制已成为最重要的措施之一[5]，无害化处理的合格粪肥施用在降低农业生产成本的同时，还可增加农业收入，具有良好的综合效益[6-7]。绿色种养循环不仅能解决畜禽粪便的资源化利用难题、减少农业面源污染，还能有效促进化肥减量增效、提高耕地质量。

目前国内围绕粪污资源评估和环境承载力开展了深入的研究[8-9]，对畜禽粪便氮、磷、钾养分资源现状和替代化肥潜力研究也有报道[4,10]，但云南省畜禽粪肥氮、磷、钾养分资源现状和粪肥替代化肥潜力的分析鲜见报道。本研究以云南省各州(市)为基本单元，结合主要农作物种类、播种面积、畜禽排污系数和粪便处理方式等因素，定量估算畜禽粪便氮、磷、钾有效供给及替代化肥潜力，评估云南省畜禽粪便养分资源量的分布特征和规律，分析还田粪肥对化肥的替代潜力，为畜禽养殖粪便的资源化利用以及促进化肥减量增效提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源与估算依据

1.1.1 畜禽饲养数量和饲养周期

云南省畜禽种类包括生猪、能繁母猪、肉牛、肉羊和家禽等。根据饲养周期确定养殖数量，生猪、家禽饲养期小于1 年，以出栏量作为饲养量；能繁母猪、肉牛和肉羊饲养期长于1 年，以年底存栏量为饲养量[11]。2020 年饲养量分别为生猪3 453.20 万头、能繁母猪271.13 万头、肉牛858.78万头、肉羊1 350.66 万只、家禽34 226.76 万只。根据《全国农产品成本收益资料汇编2021》[12]确定饲养周期，生猪152.06 d、家禽(肉鸡) 79.96 d；能繁母猪、肉牛和肉羊饲养周期按365.00 d 计。

1.1.2 畜禽产污系数和养分含量

畜禽产污系数源于《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》[13]中的西南地区数据；肉羊产污系数及养分含量参考刘晓勇等[14]的研究；生猪的产污系数采用三分之一保育期与三分之二育肥期的产污系数之和计算得出[15]；家禽的产污系数以肉鸡系数计算[11]。

1.1.3 主要农田作物养分需求量

选取水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、油菜、蔬菜和水果等8 类云南省主要种植作物进行粪便消纳，并计算养分需求量。2020 年主要作物种植面积和产量数据来自《云南统计年鉴(2021)》[16]，每1 000 kg 粮食作物、蔬菜和果树的单位产量养分需求量和单位面积养分需求量参考相关资料[4,17-18]。

1.1.4 主要粮食作物秸秆还田量

云南省还田利用秸秆主要源于粮食作物秸秆，产量数据来自《云南统计年鉴(2021)》[16]，秸秆系数来自文献[19]中的云南(或南方)平均值，秸秆(风干基)养分质量分数参考《中国有机肥料养分数据集》[20]。

1.2 估算方法

1.2.1 固液粪便产生量及养分量

能繁母猪、肉牛和肉羊等固液粪便产生量采用年内存栏数、饲养时间(365 d)与产排污系数的乘积得到，粪便中养分总量为粪便产生量乘以养分含量。固体粪便产生量(Qsolid)和液体粪便产生量(Qliquid)的计算公式为：

式中：i为第i种家畜；Qsolidi为第i种家畜固体粪便产生量，×104t，鲜质量；d为该家畜数量；Si为该家畜年内存栏数，×104只(头)；Ti为该家畜饲养时间，d；Eim 为该家畜固体粪便产污系数，kg/d；Qliquidi为第i种家畜液体粪便产生量，×104t；Eiu 为该家畜液体粪便产污系数，kg/d。

粪便中氮养分产生量(CN)计算公式为：

式中：CNi为第i种家畜粪便中氮的养分总量，×104t。SNi为该家畜固体粪便中氮的养分含量，%；LNi为该家畜液体粪便中氮的养分含量，%。

粪便中磷和钾养分产生量计算公式与氮相同。生猪和家禽粪便产生量和粪便中氮、磷、钾养分产生量采用年内出栏数进行计算，饲养时间按1.1.1 节计。家禽不区分固体和液体粪便，其他指标的计算方法同家畜。

1.2.2 农田作物养分需求量

主要作物氮养分需求量(Ncrop)计算公式为：

式中：Ncrop为作物氮养分需求量，×104t，b为作物种类数量；f为作物种类；Careaf为该类作物播种面积，×104hm2；Rareaf为该类作物单位面积养分需求量，kg/hm2[21]。作物的磷、钾养分需求量计算公式与氮相同。

1.2.3 作物秸秆产生量及养分量

主要作物秸秆产生量可基于作物产量和谷草比秸秆系数计算[18]。秸秆产生量(Ystraw)和秸秆氮养分量(Nstraw)的计算公式为：

式中：a为第a种类作物；Ystrawa为该类作物秸秆量，×104t ；p为作物种类数量；Xa为作物产量，×104t；Ka为该类作物谷草比系数；Nstrawa为该类作物秸秆氮养分总量，×104t；Sa为该类作物秸秆养分氮质量分数，g/kg 。作物秸秆磷、钾养分量计算公式与氮相同。

1.3 不同粪肥处理模式情景分析及替代潜力目标估算

1.3.1 畜禽粪便处理模式设置

结合云南实际情况，畜禽粪便加工处理还田的模式可采用孙超等[22]设计的3 种情景模式，即简单堆储(A)、沼液发酵工艺(B)、规范堆肥(C)。

1.3.2 粪肥替代化肥养分的潜力目标估算

在不同处理模式基础上，按照粪肥中氮有效养分的不同，采用以下公式计算粪肥可能替代氮化肥的预期目标[22]：

式中：PN,r,B、PN,r,C为情景B、C 下r地域内粪肥替代氮化肥有效潜力目标，×104t；MN,r,A、MN,r,B和MN,r,C为情景A、B、C 下r地域内粪肥供应氮的量，×104t。替代磷、钾化肥预期目标的计算公式与氮相同。

1.3.3 不同处理模式的养分亏损范围

不同粪便处理方式影响其养分含量，本研究只关注处理后的氮、磷、钾养分损失量，不同处理过程中养分损失比例参考已有研究[4-5,23](表1)。

表1 不同粪便处理模式的养分亏损范围Tab.1 Nutrient deficit range of different manure treatment modes %

2 结果与分析

2.1 主要种植作物养分需求量

根据云南省2020 年水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、油菜、蔬菜和水果等8 类主要作物的种植面积及其单位面积氮、磷、钾养分需求量，估算云南省主要种植作物养分需求总量为154.38×104t，其中氮、磷、钾分别为70.27×104、18.22×104和65.89×104t (表2)。从各州(市)养分需求量来看，处于前3 位的分别是曲靖、文山和昭通，其养分需求量占云南省的41.31%，其中曲靖占15.07%，文山占14.39%，昭通占11.85%。云南省粮食作物、蔬菜、果树的养分需求分别占养分需求总量的85.48%、10.49%和4.02%。其中粮食作物养分需求处于前3 位的分别为曲靖、昭通和文山，蔬菜养分需求处于前3 位的分别为文山、曲靖和红河，果树养分需求处于前3 位的分别为红河、昭通和大理。

表2 主要作物养分需求量及其区域分布 (2020 年)Tab.2 Nutrient requirements of major crops and their regional distribution (2020)

2.2 主要粮作秸秆可提供养分量

根据云南省2020 年水稻、小麦、玉米、豆类、薯类和油菜等主要粮食的产量计算秸秆总资源量为1 896.49×104t，可提供的总养分含量为61.08×104t，氮、磷、钾分别为19.15×104、5.80×104和36.13×104t (表3)。

表3 主要粮食作物秸秆数量及养分含量Tab.3 Straw quantity and nutrient content of main grain crops

2.3 畜禽养殖粪肥资源养分供给估算

2.3.1 畜禽产污系数和养分含量

由表4 可知：云南省畜禽养殖产污系数以肉牛最高，猪和肉羊其次，而家禽最低；每千克牲畜固体粪便中，养分含量最高的为肉羊粪便，猪粪次之，肉牛粪便最低；每千克液体粪便中，养分含量最高的为肉羊粪便，肉牛粪便次之，猪粪最低。

表4 畜禽粪肥产污系数和养分含量(鲜基)Tab.4 Pollution production coefficient and nutrient content of livestock manure (fresh basis)

2.3.2 畜禽粪肥总量及其养分总量

按2020 年云南省畜禽养殖饲养量，依据其产污系数和养分含量，计算畜禽粪便产生的粪肥资源总鲜质量为10 198.85×104t (表5)，位列前3 的分别是曲靖、红河、文山，固液粪便产生量分别占全省的17.89%、10.87%和9.88%。全省畜禽粪便中氮、磷、钾养分总量为47.30×104、8.82×104和 45.98×104t。其中，养分供给量从高到低依次为肉牛、生猪、肉羊、能繁母猪、家禽，占比分别为63.78%、28.95%、22.50%、3.08%和2.89%。

表5 畜禽固液粪便及其氮、磷、钾养分含量(2020 年)Tab.5 Solid and liquid manure of livestock and their nitrogen,phosphorus and potassium nutrient content (2020)

2.4 畜禽粪肥合理利用情景模式的养分变化

分析3 种粪肥加工模式下粪肥中氮、磷、钾养分还田利用和进入环境养分的变化情况(图1)。按照固体粪肥简单堆储后施用、液体粪肥直接排放的处理方式(情景A)，畜禽粪肥可提供还田的氮、磷、钾分别为17.80×104、4.08×104和9.49×104t，其中62.36%的氮、53.86%的磷和79.36%的钾进入环境。在情景A 基础上将液体粪肥沼液发酵处理(情景B)，可提供还田的氮、磷、钾分别为34.80×104、5.01×104和37.47×104t，与情景A 相比养分损失明显减少，其中26.43%的氮、43.33%的磷和18.50%的钾进入环境。将固体粪肥规范堆肥处理及液体粪肥沼液发酵处理(情景C)，可提供还田的氮、磷、钾分别为36.83×104、7.90×104和41.59×104t，其中22.13%的氮、10.44%的磷和9.54%的钾进入环境，固体粪肥保存了更多的养分，尤其是钾养分幅度较大。从养分损失减少角度看，情景C 优于其他2 种模式，故选择情景C 作为畜禽粪肥处理优选模式。情景C 可提供养分量分别占云南省作物种植氮、磷、钾需求量的52.41%、43.36%和63.12%。

图1 不同情景下畜禽粪肥养分变化Fig.1 Nutrient changes of livestock manure under different scenarios

2.5 畜禽粪肥替代化肥养分含量分析

本研究在设置作物秸秆全还田和零还田2 种还田量(S1和S2)下，按照畜禽粪便处置情景C 产生养分的结果，计算粪肥替代化肥的潜力。由表6 可知：按照情景C 生产粪肥还田，可提供养分总量86.32×104t (氮、磷、钾分别为36.83×104、7.90×104和41.59×104t)，在S1还田量下，可提供总养分61.08×104t (氮、磷、钾分别为 19.15×104、5.80×104和36.13×104t)，粮菜果等作物还需补充化肥养分6.96×104t (氮、磷、钾分别为14.29×104、4.51×104和-11.84×104t)才能满足需求；在S2还田量下，则还需从化肥中补充养分68.04×104t (氮、磷、钾分别为33.44×104、10.31×104和24.29×104t)。说明随着秸秆还田量的增加，畜禽粪肥可提供替代61.08×104t 化肥的变量空间，其中氮肥替代幅度为52.41%～72.05%，磷肥替代幅度为43.36%～63.65%，钾肥替代幅度为63.12%～139.79%。在S1还田量下，除大理、丽江、迪庆和楚雄等州(市)外，其他州(市)的氮养分均需要依靠化肥来补充；除大理、丽江、迪庆和怒江等州(市)外，其他州(市)的磷养分均需要补充少量化肥；除昭通、文山、德宏、西双版纳和玉溪等少数州(市)的钾养分需要化肥补充外，其他州(市)均出现盈余；在S2还田量下，全省各地的氮、钾养分均需要依靠化肥来补充，而磷养分除大理、丽江和迪庆等地出现盈余外，其他州(市)需要依靠化肥来补充。粪肥替代化肥潜力分析表明：在当前云南省粪肥产能较大的现状下，运用合理畜禽粪便处置方式，与秸秆还田利用相结合，能有效减少化肥的施用量。

表6 不同秸秆还田量下所需化肥补充养分变化Tab.6 Change of nutrient supplement of chemical fertilizer required under different straw returning amount ×104t

2.6 畜禽粪肥替代化肥养分潜力分析

目前云南省处理畜禽粪便的方式多样，虽然规模化养殖场处置相对规范，但小规模散养户情况参差不齐。固体粪便以简单堆储后还田利用为主，辅以加工生产有机肥进行转移；液体粪便部分经干湿分离及沼液发酵处理后在本地还田利用，但收集后直接排放的现象仍然存在。

对固体粪肥进行简单堆储或规范堆肥、液体粪肥直接排放或沼液工艺等措施相互搭配后的3 种模式进行比较(图2)可知：养分有效供给呈情景C＞情景B＞情景A 的趋势，粪肥中氮、磷、钾养分替代化肥均有较大空间，尤以钾的潜力最大。不同粪便处理模式下氮、磷、钾养分有效供给提升潜力不同。从氮替代潜力看，情景B 为情景A 的2.0 倍，情景C 分别为情景A 和情景B 的2.1 倍和1.1 倍；从磷替代潜力看，情景B 为情景A 的1.2 倍，情景C 分别为情景A 和情景B 的1.9 倍和1.6 倍；从钾替代潜力看，情景B 为情景A 的3.9 倍，情景C 分别为情景A 和情景B 的4.4 倍和1.1 倍。

图2 不同粪肥处理模式下氮、磷、钾养分有效供给变化Fig.2 Changes in available nitrogen,phosphorus and potassium supply under different manure treatments

3 讨论

本研究涉及的畜禽数量以及作物种植面积和产量等均基于统计数据，排泄量参数和作物养分需求来源于代表性文献。真实数量与统计必然存在差别，对计算结果会产生一定影响[4,22]。笔者根据畜禽养殖规模和生长周期对统计数据进行分析，结合产排污系数和排泄物参数计算畜禽粪便可提供养分含量，以作物种植面积和产量推算养分需求量，一定程度上减少了统计数据的不确定因素，但不可能做到完全避免，受畜禽饲养结构和喂养方式、农业种植产业结构及栽培管理、区域分布和气候海拔等因素影响，不同州(市)的结果仍可能存在一定的偏差。本研究以畜禽排污系数为基础计算粪便总量和粪便养分产生量，与以猪当量为基础的计算结果相比，粪便养分含量结果不同，按猪当量计算粪便中氮、磷养分别为96.41×104和47.30×104t，与本研究结果差异较大。说明在不同粪便氮、磷养分的计算中，以猪当量计算时，数据基数越大，结果差异放大效应就越明显[6]。研究发现：大理、丽江、迪庆和怒江等地畜禽粪肥提供的磷养分较高，如果结合当地传统秸秆还田施肥习惯，磷养分有超过作物需求量的风险，出现磷养分盈余，增加生态环境风险[24-25]。因此，大理等区域的农田施肥应严格控制磷肥投入，减少农田磷素累积，推广粪肥合理输出机制，如大量生产有机肥外运。面对粪肥磷负荷较高的潜在污染风险，值得相关部门在农业污染环境治理、调整农业结构布局和安排生产中予以筹划。

云南省粪肥替代化肥潜力巨大，但在实际生产中，受资金占用、投资回报和处置工艺等影响，养殖场存在处置设施建设不到位、投入使用率低和技术水平低等问题，粪便处置不够彻底[26-27]。而云南省以畜禽粪便为原料的有机肥生产，面临技术水平低、生产运输成本高、消费者观念落后和社会化服务不足等诸多问题，影响商品有机肥的推广施用[28]。云南省如何因地制宜多元化开展畜禽粪污处置利用、提高资源利用水平和大幅减少化肥施用量值得探讨。有机肥替代化肥已成为现代农业绿色发展的基础保障，是近年来指导施肥的重要内容，农业农村部先后下达指导意见在全国范围内开展替代工作。发展以畜禽粪便为主要原料生产有机肥来替代化肥，除了考虑加工技术和生产工艺的先进性外，还要考虑施用有机肥的安全性。要支持规模化养殖企业生产有机肥[29]，推广绿色种养循环粪肥还田技术模式，还要兼顾农民的用肥习惯、有机肥的经济效益等因素，破除发展瓶颈，探索适合于云南省的畜禽养分资源有效利用模式。

4 结论

云南省畜禽养殖产生的氮、磷、钾养分资源丰富，合理处置粪肥资源，结合秸秆还田和化肥优化施用，现有耕地可以消纳畜禽养殖粪便。固态粪肥规范堆肥、液态粪肥沼液发酵的处理工艺可有效减少养分进入环境，提高粪肥产品养分含量，防止养分损失。该处理工艺下，可替代氮肥幅度为52.41%～72.05%，替代磷肥幅度为43.36%～63.65%，替代钾肥幅度为63.12～139.79%，替代效果与作物秸秆还田量有关。在秸秆还田的前提下，部分州(市)粪肥中磷的供给量已超过了农田作物对磷的需求量，在绿色种养循环生产中应实施以磷养分投入为控制目标的粪肥利用对策。