畜禽粪肥还田最远运输距离及其影响因素

邓 兵，彭潘婷，濮振宇，吕周亚，冉志平，文江辉

（1.武汉市农业科学院，武汉 430208；2. 武汉理工大学，武汉 430070）

中国大力推进乡村振兴，农业产业结构得到优化和调整。畜牧业在农业产业中所占比重不断增加，对乡村振兴工作的推进起到了重要作用［1］。畜牧业发展的同时，也带来了畜禽粪肥的处理利用问题，该问题已成为限制畜牧产业发展的重要因素［2］。畜禽粪肥含有大量作物生长所需的有机质、氮、磷、钾等养分，不仅可以在农作物的种植过程中替代化肥大量使用，还可以有效解决养殖场废弃物的利用问题，减少温室气体排放量。2020 年国务院办公厅出台《关于促进畜牧业高质量发展的意见》，对畜禽粪肥综合利用进行了明确要求［3］。畜禽粪肥还田利用成为国家处理粪肥的主推方式，国家大力支持符合条件的县（市、区）推进畜禽粪肥资源化综合利用，支持农民合作社、家庭农场等在种植业生产中施用畜禽粪肥［4-6］。

由于畜禽粪肥的养分含量相对较低，同等养分含量下粪肥的质量远大于化肥，导致运输不便。如果粪肥的施用成本高于化肥，农户使用粪肥的积极性将受到影响。因此，有必要从经济角度对各种粪肥的施用成本进行分析，探讨粪肥施用的最远运输距离（即施用粪肥的投入成本低于化肥的投入成本下最远的运输距离，以下简称最远运输距离）。最远运输距离受粪肥种类、粪肥养分含量及作物养分需求等因素影响［7］，对优化资源配置，指导农户高效合理利用畜禽粪肥具有重要意义。

国内外有关粪肥替代化肥最远运输距离的相关研究较少。2004 年，曾悦等［8］仅分析了在粪肥与化肥使用费用持平的情况下，鸡粪、猪粪、牛粪等的最远运输距离。Adhikari 等［9］研究发现，得克萨斯州中部地区奶牛场牛粪用于主要农作物（花生、玉米、小麦、燕麦、高粱）种植时的最远运输距离为28～41 km，当肥料含水量从50%降至40%，可以使最远运输距离增加10 km。而周媛媛［10］则发现粪肥的最远运输距离为2 km。上述研究只是分析了特定条件下粪肥的最远运输距离，而不同畜禽粪肥的养分含量、不同地域的人工成本、运输成本等均存在差异，这些因素如何影响畜禽粪肥还田最远运输距离，有待进一步研究。

本研究通过建立粪肥施用经济效益函数模型，分析了不同粪肥种类、不同种植作物情况下粪肥施用比例、单位人工成本和运输成本等因素对最远运输距离的影响，以期为优化畜禽粪肥还田利用路径、降低粪肥还田成本提供借鉴，对促进粪肥资源化利用具有重要的现实和理论意义。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 粪肥中氮养分含量 不同畜禽鲜粪氮养分含量详见表1［11］。

表1 不同畜禽鲜粪氮养分含量

1.1.2 农作物单位种植面积氮养分需求量 选取的农作物包括小麦、水稻、玉米、花生、油菜，根据作物单位面积产量、每生产100 kg 作物的氮吸收量计算单位种植面积作物对氮养分的需求量，作物单位面积年产量数据来自武汉市统计年鉴。每产出100 kg作物，植株氮养分的需求量来自农业农村部办公厅《畜禽粪肥土地承载力测算技术指南》［12］。确定的单位种植面积作物氮养分需求量参数见表2。

表2 单位种植面积作物氮养分需求量

1.1.3 粪肥的施用成本 尿素价格为2.23 元∕kg，尿素含氮量为46%，粪肥的运输费用为5 元∕（t·km），当地人工价格按150 元∕d 计算，粪肥施用面积按0.27 hm2∕（人·d）计算。

1.2 粪肥施用经济效益函数模型相关参数

以盈亏平衡分析（Breakeven analysis）法为基础，认为农田因使用粪肥而减少的化肥使用费是粪肥产生的经济效益，即成本是粪肥的使用费（施用和运输费用），效益是减少的化肥使用费。在费用和效益持平的情况下，得出粪肥的最远运输距离。

1.2.1 农作物对氮养分的需求量 参考农业农村部办公厅《畜禽粪肥土地承载力测算技术指南》［12］，农田对氮养分的需求量计算式如下。

式中，Nqd表示农田内作物对氮养分的需求量，kg∕年；X表示农田的面积，hm2；n表示单位种植面积某一作物对氮养分的需求量，kg∕（hm2·年）；ƞ 表示作物对氮养分的吸收利用指数。粪肥中氮养分当季利用率推荐值为25%～30%，本研究取最小值25%，单位种植面积某一作物对氮养分的需求量计算式如下。

式中，ω表示某一作物的年产量，kg；ξ表示产出100 kg某一作物对氮养分的需求量，kg。

1.2.2 运输成本 运输成本由粪肥的运输价格和平均运输距离决定，计算式如下。

式中，y1表示运输成本，Pd表示粪肥的运输价格，元∕（t·km）；R表示平均运输距离，km；A表示畜禽粪肥总运输量，t。

1.2.3 劳动成本 劳动成本指施用畜禽粪肥的费用，计算式如下。

式中，y2表示劳动成本，PL表示人工施肥费用，元∕（人·天）；m表示单位劳动力一天的施用畜禽粪肥面积，hm2。

1.2.4 畜禽粪肥氮养分供给量与农作物氮养分需求量 畜禽粪肥氮养分的供给量计算式如下。

式中，Nsq表示氮养分的供给量，kg；TN表示畜禽粪肥的含氮量。农作物对土壤中氮养分的需求量计算式如下。

1.3 粪肥施用经济效益函数

畜禽粪肥农田施用的费用由两部分组成，第一部分为替代化肥所带来的效益（节约的化肥费用），第二部分为粪肥施用和运输所花费的成本，二者相减得到农户使用粪肥的总效益S。Zhang 等［5］研究表明，有机肥和化肥混合使用有利于增加作物产量，下面将全部施用粪肥的理想状态和粪肥、化肥混合施用2 种情况分开讨论。

1.3.1 全部施用粪肥 全部施用粪肥的总效益S计算式如下。

式中，PN表示氮素价格。把氮养分的需求量表达式和两项成本代入，得到式子如下。

以农田种植水稻时施用肉鸡粪肥为例，最经济效益函数计算式如下。

1.3.2 粪肥和化肥混合施用 假设粪肥的施用比例系数为k（0 ≤k≤1），效益函数如下。

1）粪肥氮养分的供给量和农田中作物对氮养分的需求量满足如下关系式。

2）补施氮肥的成本如下。

增加粪肥施用比例系数后的经济效益函数表达式如下。

整理后计算式如下。

以农田种植水稻时施用肉鸡粪肥为例，考虑不同粪肥使用比例情况下的经济效益，单位种植面积的粪肥施用效益函数如下。

1.4 粪肥施用比例对最远运输距离的影响

当运输距离超过一定范围时，运输成本增加，使用化肥会比施用畜禽粪肥更加划算，农户使用粪肥的意愿降低，粪肥利用价值减少。对粪肥的总经济效益S进行求偏导，得到最远运输距离Rmax。

1.4.1 全部施用粪肥 最远运输距离计算式如下。

1.4.2 粪肥和化肥混合使用 最远运输距离计算式如下。

1.5 单位面积作物氮养分需求量对最远运输距离的影响

以施用肉鸡粪肥为例，将具体数据代入式（15），最远运输距离与每公顷农田作物对氮养分需求量之间满足如下关系式。

1.6 粪肥氮养分含量对最远运输距离的影响

以种植水稻为例，将具体数据代入式（15），最远运输距离与粪肥氮养分含量之间的关系式如下。

1.7 单位劳动力成本对粪肥最远运输距离的影响

以种植水稻时施用肉鸡粪肥代替化肥为例，将具体数据代入式（15），最远运输距离与单位人工成本之间满足如下关系式。

1.8 单位运输成本对粪肥最远运输距离的影响

以种植水稻时施用肉鸡粪肥代替化肥为例，将具体数据代入式（15），最远运输距离和单位运输成本之间的关系式如下。

1.9 粪肥施用比例系数与最远运输距离

粪肥和化肥混合使用时，最远运输距离随着2种肥料配比的不同而发生改变，以种植水稻时施用肉鸡粪肥代替化肥为例，将数据代入式（16），二者之间满足的关系式如下。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪肥还田最远运输距离分析

畜禽粪肥最远运输距离主要与畜禽粪便种类、种植作物类型、粪肥施用比例、单位运输成本、运距离运输成本和单位人工成本等因素有关。对不同种类粪肥的最远运输距离进行分析,有利于农户掌握粪肥使用的经济性。

Zhang 等［5］2020 年通过Meta 分析，表明种植作物时完全施用畜禽粪肥有利于降低温室气体的排放，而粪肥与化肥混合施用时，则有利于增加作物的产量。本研究分析了单独施用粪肥和混合施用化肥、粪肥2 种情境下的最远运输距离。种植水稻所需氮养分，全部由粪肥提供的经济效益函数见图1a；80%由粪肥提供，20%由化肥提供的经济效益函数见图1b。

图1 不同施肥模式下的经济效益函数

2.2 粪肥种类对最远运输距离的影响分析

由于不同作物对氮养分的需求存在差异，采用式（15）和式（16）计算不同作物施用不同类型粪肥的最远运输距离（图2）。图2a 表示在100%施用粪肥情况下种植不同作物粪肥的最远运输距离。图2b表示按照农田种植作物对氮养分的需求，在施用80%粪肥和20%化肥时种植不同作物粪肥的最远运输距离，以水稻种植时全部施用粪肥为例（图2c），肉鸡粪肥、蛋鸡粪肥、猪粪肥、肉牛粪肥和奶牛粪肥的最远运输距离分别为6.39、6.30、2.84、2.13、1.95 km；80%施用粪肥，20%施用化肥则为4.15、4.09、1.84、1.38、1.27 km。

图2 不同粪肥的最远运输距离差异比较

施用不同种类粪肥的最远运输距离存在明显差异。最远运输距离由远到近的顺序依次为肉鸡粪、蛋鸡粪、猪粪、肉牛粪、奶牛粪。产生该差异的原因主要与畜禽粪肥的氮氧分含量有关。施用同一种粪肥，当种植作物不同时，最远运输距离也存在明显差异，其中小麦的运输距离最短，花生的运输距离最长，这主要与单位种植面积作物对氮氧分需求量的差异有关。

以种植水稻为例，将80%施用粪肥的情况与全部施用粪肥的情况进行对比（图2c），结果表明，当粪肥替代化肥时，最远运输距离呈下降趋势。肉鸡粪肥、蛋鸡粪肥、猪粪肥、肉牛粪肥、奶牛粪肥运输距离分别缩短2.24、2.21、1.00、0.75、0.68 km。由此可见，鸡粪的运输距离受施用比例的影响较大，但80%施用粪肥时，鸡粪的最远运输距离仍明显高于猪粪和牛粪。

2.3 不同粪肥施用比例对最远运输距离的影响分析

从图3 可以看出，随着粪肥占比的增加，最远运输距离逐渐增加，其中蛋鸡粪肥和肉鸡粪肥所对应的最远运输距离增加最为明显。

图3 粪肥占比对最远运输距离的影响

2.4 作物对氮养分的需求量与最远运输距离的关系分析

不同农作物对氮养分的需求量不同，为了更直观地反映不同农作物对氮养分的需求量与最远运输距离间的关系，计算30～300 kg∕hm2氮养分需求对最远运输距离的影响，从图4 可以看出，在30～200 kg∕hm2氮养分需求量的情况下，不同畜禽粪肥的最远运输距离随着作物对氮养分需求量的增加而增大，需求量大于200 kg∕hm2后最远运输距离趋于平稳。

图4 作物氮养分需求量与最远运输距离之间的关系

2.5 粪肥氮养分含量对最远运输距离的影响分析

由于畜禽粪肥的氮养分含量与畜禽种类、粪肥发酵程度等多个因素有关，为了更直观地反映不同粪肥氮养分含量对最远运输距离的影响，以种植小麦、水稻、花生3 种农作物为例，分析粪肥氮养分含量在0.1%～1.0%范围内对最远运输距离的影响。从图5 可以看出，随着氮养分含量的增加，最远运输距离也明显增加，且二者呈正比，即提高粪肥中的氮养分含量可以有效增加粪肥的最远运输距离。

图5 粪肥氮养分含量对最远运输距离的影响

2.6 粪肥施用的人工成本对最远运输距离的影响

粪肥施用的人工成本对粪肥最远运输距离的影响见图6。由图6 可知，在粪肥施用过程中，当人工成本从100 元∕（d·人）提高至300 元∕（d·人）时，最远运输距离下降较明显，其中鸡粪对单位人工成本的敏感性最强。

2.7 运输成本对最远运输距离的影响

运输成本对最远运输距离的影响见图7。从图7 可以看出，单位运费在2～8 元∕（t·km）时，随着单位运输成本的提高，最远运输距离呈下降趋势，且下降明显，当单位运费超过14 元∕（t·km）时，最远运输距离随单位运输成本波动较小。其中，鸡粪的最远运输距离受单位运输成本的影响最大。

图7 运输成本对最远运输距离影响

3 小结与讨论

畜禽粪肥中含有丰富的氮、磷、钾等作物所需养分，还含有丰富的具有改善土壤结构、提高土壤保肥能力、促进作物生长等多种作用的有机质。建议农户在种植作物的过程中，尽量选择畜禽粪肥替代化肥。由于粪肥养分含量低、体积大等特点，建议用户就近使用畜禽粪肥。但不同粪肥的最远运输距离并不相同，从本研究结果来看，鸡粪的最远运输距离较远，这与鸡粪中氮养分含量高于其他畜禽粪肥有关。

Zhang 等［5］2020 年通过对大量的研究进行Meta分析发现，将粪肥与化肥配合施用，将有利于提高作物的产量。主要原因是粪肥或有机肥对作物而言，不是全价肥，不能完全满足作物的生长需求。建议农户在选择施用粪肥时，尽量根据作物对养分的需求，选择与化肥配合施用。当选择粪肥、化肥配合施用时，粪肥还田最远运输距离有一定程度的降低。

通过不同农作物对氮养分的需求量、粪肥不同氮养分含量对最远运输距离的影响分析发现，农作物对氮养分需求量越大，粪肥中的氮养分含量越高，则粪肥的最远运输距离就越远。说明在对畜禽粪肥远距离运输前，应采取一定的处理措施，尽可能地提高粪肥中的氮养分含量，可以提高粪肥的运输距离。研究还发现，粪肥的单位运输成本和施用人工成本对其最远运输距离的影响较大，因此需结合当地实际，在合理的范围内施用粪肥。