湘潭縣近十年畜禽養殖量及其耕地磷污染負荷分析

龍雯琪，吳根義，林毅青

（湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙410128）

畜禽養殖作為農業的重要組成部分，其糞便污染已成為世界普遍關注的焦點。現今，中國畜禽養殖已對中國生態環境安全構成嚴重威脅[1-3]。磷是農業生產中最重要的養分限制因子之一，同時也是水體富營養化的主要限制因子[4-5]。在作物生產中，大多數土壤都需要通過礦物化肥或畜禽糞便補充氮磷養分以獲得滿意的產量。但是，現代農業生產對地表水和地下水等產生的硝酸鹽污染[6]和來源于農業生產的磷負荷逐漸成為引起湖泊、河流和海水富營養化的主要因素[7-8]。隨著畜禽養殖業的發展，我國畜禽糞便產生磷總量大幅度增長，2002年我國磷肥總消費量超過9.92 萬t，約占同年世界總磷消費量的30%[9]，畜禽糞便產生磷素總量為948 萬t[10]，磷污染日益嚴重。

本研究將主要分析湘潭縣近10年來畜禽養殖的時序變化規律。利用養分平衡原理計算分析湘潭縣耕地的畜禽養殖磷污染負荷的變化。養分平衡計算方法基本分為農場總體平衡法（Farm－gate balance）和土壤層面平衡法（Soil－surface balance）[11]。本研究采用土壤層面平衡法。進而揭示畜禽養殖業對湘潭環境壓力的時序演變規律，為湘潭地區畜禽養殖業的科學發展和有效控制管理提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

湘潭縣位于東經112°25"～113°03"，北緯27°20"～28°05"，海拔63 m，位于湖南省“五區一廊”戰略要沖，地處湖南省中部偏東，湘江下游西岸，東與株洲、湘潭市接壤，西與湘鄉接界，北與寧鄉、望城為鄰，南與衡山、衡東毗連。區域農業穩步發展，已初步建成糧、豬、漁、禽、蓮、茶、林、果、蠶、藥十大商品生產基地。糧食作物以水稻為主，其次，有紅薯、小麥等；經濟作物有柑橘、茶葉、棉花、湘蓮、黃花、辣椒等；油料作物有油菜、花生、大豆等。養殖業以豬、牛、羊、禽類為主。

1.2 數據來源與分析方法

本研究的畜禽養殖量數據資料和耕地面積數據主要來源于2000～2011年的湖南農村統計年鑒或統計匯編資料。畜禽養殖量數據中，選用豬年末存欄量、牛年末存欄量、羊年末存欄量、家禽年末存欄量代表各類畜禽1年的養殖量。

畜禽糞尿污染物排放量計算，根據畜禽存欄量和糞便排泄系數與糞便含磷量計算，各種畜禽糞便磷排泄系數參照王方浩等[12]提供的參數（見表1），其中豬的糞便排泄量按照存欄量×110×3×天數排泄系數計算；牛的糞便排泄量取肉牛與奶牛的平均值計算；禽類的糞便排泄量主要參照雞（肉雞、蛋雞）的平均糞便排泄量計算；除豬外，其他畜禽糞便排泄量均按照存欄量×年排放系數計算。根據本課題組對湖南省各縣市畜禽養殖糞污處理情況的相關調研,本研究綜合考慮處理措施的占比,每年施入區域農田系統的糞肥磷量按照養殖業糞便排放總量的30%計算。

表1 畜禽種類及其糞便產出量和磷素含量[12]

區域農田作物磷消納量：選取水稻、玉米、大豆、紅薯、馬鈴薯、花生、油菜、柑橘等幾種主要農田作物進行分析比較，一般每生產100 kg 作物需從土壤中吸收磷（P2O5）：稻谷需吸收0.6～1.3 kg；玉米需吸收1.15～1.60 kg；大豆需吸收1～1.8 kg；油菜需吸收3～3.9 kg；柑橘需吸收0.11 kg。計算時選取每種作物吸收平均值，真實反應區域農田系統磷素需求量。

參照經濟合作與發展組織（OEDC）對于磷平衡研究所推薦的方法（Soil－surface balance），將湘潭縣可用于耕種農田擬合成一個整體，就其2000～2011年的相關統計數據，通過對其系統內磷素輸入和輸出進行定量化，進一步確定系統內的磷素盈虧量。在輸入端，主要考慮化肥和需求養殖產生的糞肥等施用情況；在輸出端，主要考慮農產品（如稻谷、玉米、大豆、油菜、柑橘）生長所需吸收土壤中磷素總量。磷平衡計算方法可簡單的表示為：P 盈余(或P 虧缺)＝P 輸入－P 輸出。若農田磷素平衡P 輸入值與P 輸出值總量之差為正值，則表明區域農田系統內磷素表現為盈余狀態，若長期維持此狀態不變，磷素在土壤中積累量越大則其損失量就可能越大，對區域系統內生態環境污染的風險就越大；若農田磷素平衡P 輸入值總量與P 輸出值總量之差為負值，則表明區域農田系統內磷素表現為虧缺狀態，若長期維持此狀態不變，土壤中則沒有磷素積累，磷素的損失量相對較小，對區域系統內生態環境不會產生環境污染風險。

2 結果與分析

2.1 養殖量動態變化

湘潭縣也是一個傳統的養殖大縣，尤其以生豬養殖量最大。湘潭縣養殖結構變化如圖1 所示。

圖1 湘潭縣區域農田系統養殖量變化

湘潭縣區域生豬養殖規模整體呈現上升趨勢，由2000年的生豬存欄63.38 萬頭增加至2011年的119.05萬頭，上升87.84%，其中由以2008年養殖量為最大，達到134.33 萬頭；同時，禽類養殖規模則整體呈現下降趨勢，由2000年的禽類存欄517.00 萬羽減少至2011年的364.21 萬羽，下降29.55%。

2.2 區域農田系統土壤磷素平衡動態變化

湘潭縣區域農田系統土壤磷素平衡主要取決于化肥、糞肥磷的輸入以及農田作物生產所導致磷的輸出。區域農田系統作物磷素的輸入、輸出根據總量大小排名為：農田作物輸出＞化肥磷輸入＞糞肥磷輸入，由此表明作物生產所導致的磷素輸出對于區域農田系統土壤磷平衡起著主要控制作用。從2000～2011年，作物生產磷素輸出呈現先上升后下降的趨勢，增長量不明顯，甚至相比與2000年，2011年磷素輸出量降低了3.21 kg/hm2，但就整體而言，其均值分別高于化肥磷輸入均值46.15%和糞肥磷輸入均值85.38%；化肥磷素輸入量除2003年外，整體呈現上升趨勢，較2000年相比，2011年化肥磷輸入增加18.30 kg/hm2，上升30.65%；糞肥磷素輸入量整體增長平緩，這里需要指出的是，雖然較2000年相比，2011年生豬存欄量上升87.84%，但牛、羊、禽類存欄量卻分別下降了48.42%、31.54%和29.55%。湘潭縣區域農田系統單位耕地磷素收支變化情況見圖2。

圖2 湘潭縣區域農田系統單位耕地P 收支變化

根據磷平衡理論（Soil－surface balance）分析，湘潭縣區域農田系統土壤磷素盈虧關系如圖3 所示。

圖3 湘潭縣區域農田系統單位耕地P 盈余與虧缺

由圖3 可知，湘潭縣區域農田系統磷素平衡除2003年虧缺外，其整體表現為盈余狀態，且呈現上升的趨勢。區域農田系統磷素盈余量從2000～2011年，增加了24.62 kg/hm2，上升了163.05%。由圖2 可知，2003年作物磷輸出和糞肥磷輸入無異常, 唯有化肥施用量急劇下降,致使2003年磷素處于虧缺狀態,由此可見化肥施用量是導致磷盈余的主要原因。此外，圖2 中作物磷輸出和糞肥磷輸入均增長平緩，湘潭縣區域農田系統磷盈余主要因素表現為化肥磷輸入的不斷上升，據統計資料表明，湘潭縣歷年化肥磷輸入量均居湘潭地區輸入總量的首位。高祥照等[13]研究發現，耕地土壤中磷養分盈余能導致土壤中速效磷濃度的提升。但長期的磷素盈余是不可持續的。土壤中長期磷素累積在雨水、灌溉水淋溶作用下，勢必導致磷素大量流失，滲濾到地下水或江河湖泊中能造成重大環境危害。如何合理的調整種養結構、控制減少化肥磷輸入量、提倡多施糞肥，成為了維護區域農田系統土壤磷素平衡、保護環境的重中之重。

3 結論

從2000～2011年，湘潭縣區域畜禽養殖存欄總量由607.74 萬頭（羽）減少至485.50 萬頭（羽），下降了20.11%。根據磷平衡理論（Soil－surface balance）分析得出，湘潭縣區域農田系統土壤磷素平均盈余量為25.59 kg/hm2，雖然磷素盈余量不大，但其整體呈現較為明顯的上升趨勢。湘潭縣區域農田系統土壤磷素盈余上升趨勢主要受化肥磷輸入量的持續增長的影響，與此同時，農田作物輸出和糞肥磷輸入量則維持在一個相對穩定的范圍。農田系統土壤磷素平衡主要取決于化肥、糞肥磷的輸入以及農田作物生產所導致磷的輸出，根據輸入、輸出總量大小排名為：農田作物輸出＞化肥磷輸入＞糞肥磷輸入，表明作物生產所導致的磷素輸出對于區域農田系統土壤磷平衡起著主要控制作用。所以，為減少農田系統磷素盈余，在調整種養結構的同時，湘潭縣應盡量減少農田系統的化肥磷的施用，轉而以糞肥施用所替代，形成以“種”帶“養”的良性循環模式。

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