典型種養結合奶牛場糞便養分管理模式

賈 偉，朱志平，陳永杏，董紅敏，陶秀萍

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典型種養結合奶牛場糞便養分管理模式

賈 偉，朱志平，陳永杏，董紅敏※，陶秀萍

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業部畜牧環境設施設備質量監督檢驗測試中心（北京），農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

規模化奶牛場糞便養分產生量大，因種養分離引發嚴重環境污染，亟需建立糞便綜合養分管理模式，以實現奶牛糞便養分的合理施用。該文以典型種養結合模式“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”的奶牛養殖場為案例，通過實地調研、糞便及土壤樣品采樣測定、以及文獻參數收集等研究方法，制定了奶牛場糞便綜合養分管理模式。主要結果為該存欄量2 978頭的奶牛場糞便氮、磷年產生量為204和33 t/a，糞便經過收集和處理后，可供農田利用的氮磷養分為126和27 t/a。基于作物養分需求量和土壤供肥量，以及糞肥投入占總養分的比例為50%和糞肥養分的當季利用率為30%，據估算，1 473 hm2奶牛場配套農田可施用的糞肥氮、磷養分總量分別為727.6和131.2 t/a。因此，奶牛場配套農田可有效承載糞便氮磷養分供給量。實施糞便綜合養分管理模式，可充分利用糞便養分資源用于作物生長，減少糞便養分直接排放到環境，從而確保種養結合模式奶牛場長期可持續生產。

糞便；肥料；養分；糞肥養分供應量；作物養分需求量

0 引 言

規模化集中飼養奶牛提高了養殖水平和生產性能，降低了飼養成本，增加了經濟效益，但同時也造成糞污集中、沖洗用水量增加、生態環境污染日益嚴重等問題[1]。針對畜禽養殖環境問題，國家相關部門陸續出臺了《畜禽規模養殖污染防治條例》、《環境保護法》等相關法律法規。2016年中央一號文件提出，“加大農業面源污染防治力度，實施化肥農藥零增長行動，實施種養業廢棄物資源化利用。”因此，奶牛場糞污種養結合資源化利用是研究要點之一。目前，中國多數規模奶牛場將牛糞直接還田或加工為有機肥；污水收集則大多置于污水池存放或進行沉淀池處理后排放，導致大量污水未能回到農田實現循環利用[2]。在美國、加拿大、法國、荷蘭等歐美發達國家，奶牛養殖普遍采用種養結合模式[3-4]。奶牛場“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”糞便處理是一種典型種養結合模式，即奶牛場對糞便進行固液分離，固體糞便用于生產有機肥，液體糞便進行氧化塘處理廢水，再回到農田循環利用。受運輸半徑限制，糞肥主要在養殖場周邊農田消納。由于規模化奶牛場糞污產生量大，農田過量施用糞肥會導致大量氮流失和磷累積等環境問題。

美國農業部和環保部推行的糞便綜合養分管理模式是圍繞著養殖場展開，其核心是解決養殖場糞肥的合理施用[5]。Karmakar 等[6]研究發現大部分畜禽糞便養分管理模式主要關注農田糞肥施用過程。加拿大阿爾伯塔省通過糞便養分管理模式來進行糞肥農田合理施用[7]。英國養殖場糞便管理模式核心是農田合理利用糞便養分[8]。在制定糞便管理模式時，需要估算養殖場糞便量和養分量等信息，按照農藝需要來決定農田施用糞肥量。如果糞肥盈余量大，則需要尋找額外的土地進行糞肥施用[8]。荷蘭養殖場糞便管理需核算生產、儲存和施用過程中的氮磷養分平衡[9]。

近幾年來，中國在畜禽糞便養分管理方面也有不少研究。如黃志彭[10]以豬和雞養殖場糞便農田養分施用為目標建立了一套畜禽糞污管理系統。劉芳[11]以豬場為例，開展了養豬廢水稻田施用研究，豬場年污水產生5.22萬t，以磷素為限制因子，則需348 hm2農田消納污水。相潤 等[12]對糞便處理產生的環境影響進行管理，但未考慮畜禽糞便養分農田利用。某規模豬場糞便綜合養分管理模式案例表明，種植基地年利用干糞1 648.5 t，沼液27 920 m3，總計相當于27.08 t N養分[13]。有研究者對固液分離-液體厭氧發酵模式、糞污直接厭氧發酵處理模式規模豬場農牧配置進行了研究[14-15]，估算了消納萬頭豬場糞便所需農田面積，如糧油作物地需299.3～312.9 hm2。

畜禽糞便養分管理最關鍵的任務是在估算養殖場糞肥養分供給量基礎上，判斷合理的糞肥施用量[7,16-17]。目前為止，仍缺乏典型糞便“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”種養結合模式的奶牛場糞便養分管理方面的相關研究。因此，該文以典型種養結合模式“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”的奶牛養殖場為案例，通過實地調研、糞便及土壤樣品采樣測定、以及文獻參數收集等研究方法，制定奶牛場糞便綜合養分管理模式，以實現糞便養分合理施用，并為同類的種養結合奶牛場開展糞便養分管理提供科學支撐。

1 材料與方法

研究區概況。該典型種養結合奶牛示范園區位于甘肅省張掖市民樂縣生態工業園區、六壩鎮韓武村和五壩村。地處祁連山北麓，河西走廊中段，張掖市東南部，地理坐標在100°22￠592～101°13￠92E，37°56￠192～38°48￠172N之間，屬溫帶大陸性荒漠草原氣候，四季分明、氣溫變化大，光照充足。年平均氣溫5.0 ℃，極端最高氣溫：30.0 ℃，極端最低氣溫：–19.0 ℃，年日照時數2 666.1 h。全年平均降水量351 mm，無霜期140 d，年蒸發量1 512.4 mm。

1.1 數據收集

1.1.1 奶牛場相關資料和參數

奶牛養殖場由美國公司設計建成。恒溫牛舍單棟面積45 000 m2。現代恒溫牛舍、擠奶廳，采用自動加濕簾、充氣窗、換熱器、換氣扇等現代設施，自動控制圈舍環境。從澳大利亞引進的純種荷斯坦母牛和娟姍牛，通過自繁育形成快速擴繁的基礎牛群。

1）奶牛飼養階段以及各階段年均存欄量（表1）。本研究中，所選奶牛場是典型種養結合模式，奶牛總存欄 2 978頭。其中，泌乳奶牛存欄數量1 600頭；青年奶牛存欄量1 378頭，青年奶牛包括育成奶牛和犢奶牛。

2）奶牛糞便的收集方式（干清糞、水沖糞）和處理方式（固液分離、堆肥、氧化塘等）見表1。

表1 奶牛數量及糞污處理設施

3）各階段每頭奶牛糞尿產生量和糞便氮磷排泄量（表2）。

4）奶牛場廢水和有機肥產生量及養分含量。牛糞有機肥年生產量為1.2 萬t。奶牛場廢水產生量約為700 m3/d，年產廢水25.6萬m3。奶牛場糞便和廢水現場取樣后，帶回實驗室進行檢測。牛糞有機肥的含水率4.78%左右，含N量（以干基計）為1.28%，含P量（以干基計）為0.3%。養殖廢水中含氮量為330 mg/L，含磷量為35.4 mg/L。

表2 不同奶牛的糞尿和養分排泄參數

5）奶牛場糞便廢棄物處理利用情況見圖1。

圖1 奶牛場糞便“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”管理模式

奶牛場固液糞便去向：

①固體糞便主要來自于運動場和廢水固液分離后的固體部分，固體糞便堆肥發酵后用作有機肥，用于苜蓿、青貯玉米等，多余部分可出售給周邊農戶用于作物種植等。

②奶牛養殖廢水。養殖廢水全部進入糞溝，經管道運輸后進入沉砂池，之后經過固液分離設施處理，液體部分收集貯存于氧化塘。施肥時，通過自動壓力控制澆灌系統經管道輸送至青貯玉米、籽實玉米、苜蓿和杏園農田施用。

6）糞尿收集率和養分損失率參數

奶牛場根據養殖工藝有不同的清糞方式，而不同的清糞方式糞便收集率不同，奶牛糞便在舍內停留時間不同，奶牛糞尿產生后，通過氨揮發、淋洗、徑流等形式會導致氮磷養分損失，不同清糞方式下的糞便收集率和養分損失率推薦值如表3，糞尿收集率主要數據來源為現場調研。根據奶牛場實際清糞方式情況，人工干清糞養分損失率參數來自Bicudo[18]，水沖清糞養分損失率參數來自盧健[19]。

表3 清糞方式糞尿收集率和養分損失率

7）糞尿不同處理養分損失率參數

奶牛場廢水經固液分離處理后可得到固體糞便和液體糞便。固體糞便可用于堆肥，液體糞便直接進入氧化塘。固液分離可以將奶牛場廢水氮磷養分進行重新分配，一部分進入固體糞便，另一部分留在液體糞便中。固液分離處理得到的固體糞便氮、磷養分比例，占未經固液分離處理的奶牛場廢水氮、磷養分的19%和14%[20]。國內，常志州等[21]對固體牛糞固液分離中氮磷回收率進行了研究。但本案例中，奶牛場是對牛舍出來的水泡糞進行了固液分離。2種糞便含水量差異大，來自于不同的清糞工藝。因此，Christensen等[20]研究參數更符合國內牛場情況。該案例奶牛場的糞便管理方式，包括堆肥、氧化塘。國內堆肥過程N、P損失參數較多[22-23]，而缺少氧化塘過程中氮磷損失參數。現場調研表明，本奶牛場案例中廢水是經過先固液分離，再進入氧化塘貯存。氧化塘中廢水每年貯存期是3-4月及9-10月，其余時期廢水都施用于農田。根據奶牛場廢水管理現狀，選擇了國外Rotz[24]、 Ackerman等[25]文獻中氧化塘氮磷損失參數。所有糞便管理方式的氮磷損失率設定為：堆肥[22-23]N、P分別為20%和5%；氧化塘[24-25]N、P分別為15%和5%。

1.1.2 收集養殖場配套農田的生產信息

奶牛場配套農田地處戈壁沙區，為新開發整理土地。基地地形東高西低，南高北低，東西坡度0.5%左右，南北坡度1%以內。農田地勢平緩，田間道路、排灌渠、電力設施等完備。種植基地利用大型牧草種植收獲機械設備，收獲青貯玉米和苜蓿。利用大型自動噴灌機，進行節水灌溉。奶牛養殖的糞便經過固液分離后，堆肥和廢水用于種植基地改良土壤，形成種養結合模式。

1）種植制度。根據當地氣候條件，該奶牛場示范園區所在六壩鎮韓武村和五壩村，45%種植小麥-玉米、24%種植馬鈴薯、19%種植中藥材。小麥-玉米為一年兩季，其余作物種植均為一年一季。該奶牛場示范園區所種植的青貯玉米和籽實玉米為一年一季，苜蓿和杏為多年生長。

2）農作物種植種類、面積和產量。根據現場問卷調研獲得，該奶牛示范園區的農作物種植面積和平均產量數據。基地全年總種植面積1 473 hm2。其中，苜蓿種植面積333 hm2，干草苜蓿平均產量15 t/hm2；青貯玉米種植面積354 hm2，平均產量45 t/hm2；籽實玉米種植面積779 hm2，平均籽粒產量9 t/hm2；杏種植面積7 hm2，平均產量7.5 t/hm2。

3）不同作物100 kg產量養分吸收量參數見表4。根據現場調研作物產量結果，來確定每種作物養分吸收量參數。青貯玉米以生產鮮秸稈為主，其最佳收獲期為籽粒的乳熟末期至蠟熟前期，此時產量最高，營養價值也最好，而籽實玉米的收獲期必須在完熟期以后。因此，青貯玉米和籽實玉米養分吸收量參數不同。國內籽實玉米養分需求研究較多，選取了代表性文獻[26-27]。國內青貯玉米和杏的養分需求研究較少，養分需求參數來自目前國內最有效的文獻[28-29]。苜蓿養分需求量參數來自國家飼料工程技術研究中心牧草與青貯飼料研究推廣中心數據[30]。

表4 不同作物形成100 kg產量吸收的養分量

4）土壤質地，氮、磷含量等化學特性。奶牛場配套農田土壤數據都是實際測定值（表5）。4種作物種植區域，每種作物區域隨機取10點土壤，混合成1個代表性土壤樣品測定結果。農田土壤類型為砂黏質灌漠土，土地坡度在0.5%～1%之間，砂粒80%～90%，黏粒10%～20%，粒徑0.02～0.2 mm，耕作層深50～100 cm。土壤pH值8.0～8.47，堿解氮25～48 mg/kg，有效磷5～13 mg/kg，速效鉀50～110 mg/kg，有機質0.3%～0.7%，土壤肥力較差，總體呈現鉀缺乏，氮磷及有機質極缺的特征。

表5 農田土壤養分供給量

5）農作物的施肥時間。主要是基肥和追肥。基肥主要是作物播種前，追肥為作物生育期。

6）農田施用方式（表施、深施、噴灑施肥等）。公司種植基地全部采用電動圓形噴灌機實行節水灌溉，液體糞便結合灌水一起施用。固體糞便表施后，翻入農田。

1.2 計算方法

1.2.1 奶牛場糞肥養分供給量

1）奶牛糞尿和養分產生量情況

奶牛場糞尿和氮磷等養分產生情況按照公式（1）和（2）進行計算：

養殖場可以實測各個階段的糞便、尿液產生量，并監測糞尿中的氮磷養分含量，計算獲得奶牛的糞尿氮磷等養分排泄量。相關參數采用第一次全國污染源普查畜禽養殖業排污系數手冊[31]不同奶牛的糞尿和氮磷養分排泄量的推薦值，具體數據如表2。

2）奶牛場收集糞便量和養分量

奶牛場產生的糞便和氮磷養分收集后的糞便量和氮磷養分量通過公式（2）和公式（3）計算獲得

（3）

3）奶牛場糞便養分供給量

奶牛場的畜禽糞便排泄的氮磷養分通過收集和處理以后，提供給農田利用的總氮磷養分量由公式（4）計算獲得：

1.2.2 奶牛場糞肥農田施用

本研究采用養分平衡方法來計算農田糞肥養分施用量，原理為目標產量的施肥量是作物養分需求量與土壤供肥量之差，施肥量中設定糞肥與化肥比例，其中糞肥的部分即為農田糞肥養分施用量。

1）農田作物養分需求量

根據《畜禽糞便還田技術規范》（GB/T 25246-2010）[32]不同作物在目標產量下的養分需求量可按照公式（5）進行計算。

2）土壤養分供給量

土壤中的養分供給可以由公式（6）計算獲得

3）農田糞肥養分施用量

依據單位各種作物形成100 kg產量吸收的氮磷養分量，以及土壤供給養分量情況，可以按照公式（7）測算單位面積的農田作物糞肥養分施用量。

根據畜禽糞便還田技術規范表明畜禽糞便養分的當季利用率在25%～30%范圍內變化。本案例所在區域長期定位試驗結果表明有機無機肥配合施用下養分利用率最高[34-35]。本研究糞肥和化肥配合施用模式下的取值30%。

農田糞肥養分施用總量是按照每種作物可施用糞肥面積和單位面積的農田作物糞肥養分施用量計算得到，參見公式（8）。

式中TMN代表農田糞肥養分施用總量，t/a；Area代表每種作物可施用糞肥的面積，hm2。

為減少糞肥施用后的環境風險，本研究用土壤磷測試值和農田與水體的距離來確定可施用糞肥農田面積。國內土壤磷測試值臨界點與環境風險有很多報道，糧田40～90 mg/kg[37]、菜田50～80 mg/kg[38]、果園50～ 60 mg/kg[39]。為了避免農田中過量的磷積累，糞肥應重點施用于低磷肥力的土壤[40]。本研究以速效磷<60 mg/kg的有效農田[41]作為可施用糞肥的農田。在飲用水水源保護區劃分技術規范中[42]，禁止在任何距離水體50 m內的土地施用糞肥或在湖或水庫半徑200 m范圍內的土地施用糞肥。本案例中，農田土壤磷測試值都低于60 mg/kg，且奶牛場示范園區周邊無地表水系。因此，當前奶牛場全部農田面積都可施用糞肥。

4）農田糞肥施用管理模式

按照糞肥養分含量測定值估算糞肥施用量，養殖場應對最終進入農田的糞肥中的養分濃度進行測定，并按照公式（9）計算單位面積的糞肥施用量。

農田糞肥施用總量是按照每種作物可施用糞肥面積和單位面積的農田作物糞肥施用量計算得到，參見公式（10）。

2 結果與分析

2.1 奶牛場糞便及養分產生量

養殖場糞便養分產生量根據產污系數估算，具體計算參考公式（1）-（4）。整個奶牛場糞便產生量為3.76萬t/a，糞便氮和磷產生量分別為204和32 t/a(表6)。其中，青年奶牛年糞便產生量約為1.12萬t/a，糞便氮和磷產生量分別為58和8 t/a，泌乳奶牛年糞便產生量約為2.63萬t/a，糞便氮和磷產生量分別為146和24 t/a。

表6 奶牛場糞便及N、P年產生量

2.2 奶牛場糞便養分供給量

對典型“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”糞污處理模式奶牛場糞便養分可還田利用量分析。奶牛場主要養分損失來源于兩塊，第一，泌乳牛舍為水沖糞工藝，因此從整個糞便管理過程的產生收集到處理階段，主要是對液體糞便進行處理和利用。第二，運動場青年奶牛主要為人工干清糞，兩個月清一次。運動場青年奶牛產生的尿液無法收集，這會造成糞便養分損失和養殖場環境造成影響。整個糞便管理過程，固液糞便養分流動情況見圖2。

在計算糞便養分產生量的基礎上，由于糞便管理方式不同，對泌乳奶牛和青年奶牛的糞便養分供給量分開核算。泌乳奶牛舍養分收集量為131和23 t。水沖清糞得到的液體糞污，經過固液分離后，固體糞便經過堆肥處理后生產有機肥后還田，液體部分經過氧化塘和處理后生產液體糞肥還田，其最終可用于還田的氮和磷養分量為107和22 t/a，糞便養分產生、處理和進入農田的養分情況見圖2。

青年奶牛主要在運動場上飼養，產生的固體糞便定期以人工干清糞的方式進行收集，故干清糞收集NP養分量為23和5 t/a。經過固體糞便堆肥后，糞便NP養分量為19和5 t/a（圖2）。整個奶牛場糞污收集和經過糞污處理后，有效還田可利用N和P養分量為126和27 t/a。

2.3 農田糞肥養分施用量

本研究中通過公式（5），計算青貯玉米、玉米、苜蓿和杏單位面積作物養分需求量，如表7所示，單位面積青貯玉米N、P養分需求量分別為0.51和0.11 t/hm2（表7），單位面積籽實玉米N、P養分需求量分別為0.21和0.03 t/hm2，單位面積苜蓿N、P養分需求量分別為0.45和0.10 t/hm2，單位面積杏N、P養分需求量分別為0.11和0.02 t/hm2。

表7 農田作物糞肥養分施用量

通過公式（6）計算4種作物土壤N、P供肥量。青貯玉米土壤N、P供肥量分別為0.022 5和0.004 5 t/hm2（表7），籽實玉米土壤N、P供肥量分別為0.042 3和 0.009 9 t/hm2，苜蓿土壤N、P供肥量分別為0.043 2和0.017 7 t/hm2，杏土壤N、P供肥量分別為0.031 5和0.005 1 t/hm2。

基于單位面積作物養分需求量和土壤供肥量，考慮糞肥投入占總養分的比例、以及糞肥養分的當季利用率，估算了農田不同作物下的糞肥養分施用量。考慮糞肥養分含量占施肥比例為50%和糞肥養分當季利用率為30%，農田所有作物糞肥N、P總養分施用量分別為727.6和 131.2 t/a（表7）。其中，青貯玉米糞肥N、P總養分施用量分別為287.0和61.1 t/a，籽實玉米糞肥N、P總養分施用量分別為213.8和22.2 t/a，苜蓿糞肥N、P總養分施用量分別為226.0和47.7 t/a，杏糞肥N、P總養分施用量分別為0.8和0.2 t/a。

在不同N和P指標下，糞肥氮磷養分供給量均小于農田糞肥氮磷養分施用總量（表7），表明奶牛場配套農田可以完全承載糞肥養分供應量。同時，根據該奶牛場農田糞肥養分施用總量結果，表明該奶牛場還可以適當擴大養殖規模。

2.4 農田糞肥施用管理模式

以奶牛場配套農田糞肥施用特點，按照公式（9）和（10）計算，制定農田糞肥施用管理模式。設定農田作物糞肥施用方式為固體有機肥只做基肥、液體有機肥只做追肥。青貯玉米、籽實玉米的基肥和追肥比例為50%和50%，苜蓿、杏的基肥和追肥比例為0、100%（表8）。青貯玉米和籽實玉米基肥主要來自有機肥。以N為基礎，青貯玉米、籽實玉米單位面積有機肥施用量分別為32和11 t/hm2。青貯玉米、籽實玉米、苜蓿和杏的追肥主要來自液體糞肥，以N為基礎計算，單位面積液體糞肥投入量分別為1227、416、2055、379 t/hm2。以P為基礎，青貯玉米、籽實玉米單位面積有機肥施用量分別為29和 5 t/hm2。以P為基礎計算，青貯玉米、籽實玉米、苜蓿和杏的追肥主要來自液體糞肥，單位面積液體糞肥投入量分別為243 6、403、404 0、888 t/hm2。

表8 農田糞肥施用管理模式

農田固體有機肥和液體廢水的消納總量如下（表8）。以N為基礎計算，青貯玉米和籽實玉米基肥總計可消納有機肥為1.9萬t/a。青貯玉米、籽實玉米、苜蓿和杏的追肥可消納液體糞便總計分別為144.7萬m3/a。其中，青貯玉米、籽實玉米、苜蓿分別為43.5、32.4和68.5萬m3/a。以P為基礎計算，青貯玉米和籽實玉米基肥總計可消納有機肥為1.4萬t/a。以P為基礎計算，青貯玉米、籽實玉米、苜蓿和杏的追肥可消納液體糞便總計為253萬m3/a。其中，青貯玉米、籽實玉米、苜蓿分別為86.3、31.4和134.7萬m3/a。

該農田糞肥施用管理模式表明（表8），以N為基礎，種植基地年利用有機肥1.9萬t，可以100%消納奶牛場有機肥產生量；種植基地年利用廢水144.7萬m3，是奶牛場廢水產生量的5.6倍。以P為基礎，種植基地年利用有機肥1.4 萬t，可100%消納奶牛場有機肥產生量；種植基地年利用廢水253萬m3，是奶牛場廢水產生量的9.8倍。在農田施用糞肥時，制定的農田糞肥施用管理模式方便生產管理者，對不同作物進行糞肥合理施用量操作，包括單位面積固液糞便施用量、每種作物固液糞便總施用量。

3 討 論

3.1 糞便收集和處理方式對奶牛場糞便養分供給量的影響

畜禽糞便養分從產生到農田利用前，經過不同養分損失階段。最終，可用于農田的有效畜禽糞便養分量，相比新鮮畜禽糞便養分產生量有很大損失[43-44]。對于畜禽糞便養分利用和管理，應明確畜禽糞便養分最大損失途徑，及最終還田有效糞便養分數量。國內畜禽養殖系統糞便養分供應量，較多是國家或區域尺度的研究，如侯勇[45]、Bai 等[46]。目前對養殖場糞便養分供應量研究很少，如Luo 等[47]在北京規模化豬場進行了研究，但該研究并沒有利用養分流方法對各個糞便養分管理養分損失進行定量化。因此，本研究中，利用養分流方法對典型“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”糞污處理模式奶牛場糞肥養分的供應量進行了計算，分析糞肥養分供應主要環節養分損失。該案例奶牛場糞便氮、磷養分供給量占總糞便養分產生量的62%和84%，整個奶牛場糞便氮、磷養分損失比例為38%和16%。奶牛糞便氮磷養分損失主要來自青年牛所在的運動場，氮磷損失比例為17%和9%。這是由于運動場僅收集固體糞便，而未收集液體糞便，造成奶牛場糞便最大養分損失。在整個案例中，固體糞便堆肥過程氮素損失比例為11%。減少本案例糞便氮磷養分損失，需改善奶牛運動場的液體糞便收集方式。此外，堆肥過程糞便氮素養分損失比例較高，應該采取保氮措施[48]。

3.2 基于氮磷平衡的農田糞肥養分施用量

農田作物養分推薦用量，目前比較普遍采用的是土壤與植物測試推薦施肥方法、肥料效應函數法、土壤養分豐缺指標法、養分平衡法[49]。農田糞肥施用量可以N和P為依據，糞肥施用分別根據滿足作物氮、磷需求量計算[17]。較多研究表明農田糞便養分施用量采用養分平衡法[50-51]。胡春明等[52]以豬場為例，利用農田養分平衡方法計算得到農田糞便氮素施用量為188 kg/(hm2·a)。本案例根據養分平衡方法計算，表明農田作物單位面積糞肥N、P養分投入量分別為130～810和30～170 kg/hm2。歐盟委員會選擇糞肥氮投入作為指標，硝酸鹽敏感區設定糞肥N施用量為每年170 kg/hm2。一些歐盟成員國建立了糞肥P投入最大值[53]，認為土壤糞肥年施磷量不能超過35 kg/hm2，否則過量的磷會通過地表徑流進入水體，引起水體富營養化。英國優良農業措施規定，12個月內糞肥施用量每公頃總氮限量不超過250 kg[8]。歐洲國家糞肥N和P養分投入量限制，主要針對區域水平環境風險控制。針對本案例奶牛場中配套農田環境風險，考慮的影響因素包括土壤磷測試值、農田與水體距離。由于本案例奶牛場配套農田周邊沒有水體，不會引起富營養等環境風險。同時，奶牛場配套農田地處戈壁沙區，為新開發整理土地，實際測定的土壤有效氮磷養分值較低，表明當前土壤肥力較低。為提高土壤肥力并保持作物正常生長，允許較高的糞肥N、P養分投入量。

3.3 不確定性因素分析

在國內，奶牛場廢水的固液分離和氧化塘貯存處理較普遍。由于國內仍缺少固液分離對于廢水氮磷分配和氧化塘養分損失的研究，盡管我們選取了當前最適合本奶牛場糞便管理條件下的參數，對該典型“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”糞污處理模式奶牛場案例中糞肥養分供應量估算會存在誤差。此外，研究美國糞便管理養分管理軟件MMP數據參數[17]，發現每個州都有作物養分需求數據庫。李小坤等[54]認為國內牧草營養施肥的仍缺乏系統研究。經過與奶牛場生產管理者多次調研交流作物施肥管理和生產情況，選擇了當前最有效的數據參數，保證了本案例中青貯玉米和苜蓿養分需求量估算結果。土壤養分校正系數和糞肥養分利用率參數，均來自當地科研機構長期定位試驗結果，這樣的土壤供肥量和農田糞肥養分施用量估算結果值得信任。考慮到種養結合模式奶牛場糞便養分管理模式的需要，以及本地數據和當前文獻中固體分離和氧化塘養分損失、牧草養分需求數據的缺乏，需開展相關研究工作。

4 結 論

對典型種養結合模式“固液分離—堆肥+氧化塘—農田利用”奶牛場產生的有機肥和廢水，通過實施糞便綜合管理模式，奶牛糞有機肥和養殖廢水綜合利用率達100%，全部可在配套種植基地利用。存欄量2 978頭的奶牛場糞肥N、P養分供給量為126和27 t。1 473 hm2的種植基地年利用牛糞有機肥1.2萬t，養殖廢水25.6萬m3。基于氮磷養分平衡的農田糞肥養分施用管理，如果糞肥養分量占施肥總量比例為50%和糞肥養分當季利用率為30%，奶牛場配套農田所有作物糞肥N、P總養分施用量為727.6和131.2 t。該奶牛場糞肥養分供給量小于農田所需糞肥養分量。制定奶牛場糞便養分綜合管理模式提高糞肥利用水平，實現了種養結合模式奶牛場協調發展。同時，可為中國規模奶牛場建立種養結合模式提供科學借鑒。

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Manure nutrient management mode in typical mixed crop-dairy farm

Jia Wei, Zhu Zhiping, Chen Yongxing, Dong Hongmin※, Tao Xiuping

(100081,)

Intensive dairy farms have developed rapidly in China over the last three decades, which have produced a lot of manure nutrients. However, due to the decoupling of crop-animal systems and poor manure management, large loss of nutrients from manure has led to serious environmental pollution. There is an urgent need to define an integrated manure management plan, which requires a quantitative understanding of nutrient balance and budget in a mixed crop-animal system. In this study, we reported a typical manure processing model so called "solid-liquid separation - compost+oxidation pond - manure application" from a dairy farm, and developed a comprehensive manure nutrient management plan using the data collection from farm investigation, soil, solid and liquid manure sampling and parameters collection from literatures. The results showed that dairy excretion N and P were 204 and 33 t/a with the breeding stock number of 2 978 dairy cattle, respectively. After manure collection and processing, the N and P amounts of manure nutrients were 126 and 27 t/a, which could be available for crop use. Manure management of lactating dairy cattle and young dairy cattle were different, therefore the amount of their manure nutrients supply were quantified, respectively. The collection rate of manure N and P nutrient was 131 and 23 t/a in the lactating dairy cattle house, respectively. The manure from flood flushing system was treated by solid-liquid separation; therein the solid part of manure after solid-liquid separation could be composted as organic fertilizer applied to the field. At the same time, the liquid part could be treated by the oxidation pond as liquid manure to be returned to the field. The rate of manure N and P nutrient from lactating dairy cattle house was eventually 107 and 22 t/a, respectively. The young dairy cattle was mainly raised outdoor. Most of urine would be leaked and evaporated on the non-concrete ground, and the solid feces were collected regularly on a dry manure basis. Therefore, the amounts of solid manure N and P nutrient collected from young dairy cattle were 23 and 5 t/a, respectively. Finally, the amounts of N and P nutrient from young dairy cattle’s solid manure composted were 19 and 5 t/a, respectively. Based on crop nutrient requirements and soil nutrient supply, considering the ratio of manure to inorganic fertilizer (50%) and current manure nutrient use efficiency (30%), the amounts of manure N and P that could be applied to arable land were 727.6 and 131.2 t/a with the land area of 1 473 hm2, respectively, which were greater than the amounts of available manure nutrients from the dairy farm under different N and P indices. Among them, total application rates of manure N and P nutrient for silage corn, grain corn, alfalfa, and apricot were 287 and 61.1, 213.8 and 22.2, and 226.0 and 47.7, 0.8 and 0.2 t/a, separately. Therefore, the land carrying capacity of manure N and P nutrient is sufficient in this typical mixed crop-dairy farm. Manure application management plan in the mixed crop-dairy farm shows that, 19 000 and 14 000 t organic fertilizer can be applied to the farmland, and 100% of organic fertilizer produced from dairy farms can be eliminated based on N and P application rules. A total of 1.40 and 2.53 million m3waste water can be used as fertilizer in the dairy farm, which is 5.6 and 9.8 times the current amount of waste water based on N and P application rules, respectively. The implementation of comprehensive manure nutrient management plan can make full use of manure nutrient resources for crop growth and reduce the direct discharge of manure nutrient to the environment, thus ensuring long-term sustainable production in the mixed crop-dairy farms.

manure; fertilizer; nutrients; manure nutrient supply; crop nutrient requirements

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.027

S141.3，S823

A

1002-6819(2017)-12-0209-09

2017-05-14

2017-05-29

公益性行業科研專項（201303091）；農業部948項目（畜禽糞便綜合養分管理計劃軟件引進）

賈 偉，男，山西臨汾人，博士后，研究方向為畜禽糞便綜合養分管理。北京 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，100081。 Email：Jiawei711@126.com

董紅敏，女，河北新樂人，博士，研究員，博士生導師。主要研究方向：畜牧環境工程。北京 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，100081。Email：Donghongmin@ caas.cn

賈 偉，朱志平，陳永杏，董紅敏，陶秀萍.典型種養結合奶牛場糞便養分管理模式[J]. 農業工程學報，2017，33(12)：209－217. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.027 http://www.tcsae.org

Jia Wei, Zhu Zhiping, Chen Yongxing, Dong Hongmin, Tao Xiuping.Manure nutrient management mode in typical mixed crop-dairy farm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 209－217. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.027 http://www.tcsae.org