基于氮平衡的江華瑤族自治縣畜禽養殖承載力及飽和度研究

褚明輝，萬大娟，石 雪，何宣利

（湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081）

基于氮平衡的江華瑤族自治縣畜禽養殖承載力及飽和度研究

褚明輝，萬大娟，石 雪，何宣利

（湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081）

采用物質平衡原理，將土壤中吸收與排放的氮元素進行量化，結合江華瑤族自治縣畜禽養殖調查現狀，開展江華瑤族自治縣畜禽養殖承載力及飽和度研究。結果表明：2015年江華瑤族自治縣畜禽養殖環境承載力以氮計算為2 164 782頭（豬當量），32頭/hm2，污染風險指數為0.67，屬于低污染風險，但各鄉鎮污染風險差異顯著，分別在-54.67～3.44之間。

畜禽養殖；氮平衡；承載力；負荷指數

氮元素通過土壤自給、人工施肥、農業生產利用、畜禽養殖這些過程處于一個相對平衡的狀態，氮元素盈余量等于輸入量與輸出量之差。氮平衡原理是將研究區域內所有氮元素的轉移進行量化，進而判斷氮元素的盈余或缺損，并將其轉化為畜禽養殖承載量。目前，國內相關報道多為區域性環境承載力或生態功能的研究，基于畜禽養殖開展的環境承載力研究較少。潘瑜春等[1]選取耕地和果園的氮（磷）限量標準，評估了北京市平谷區17個鄉鎮的畜禽養殖承載潛力及其污染潛勢；王奇等[2]以歐盟農業政策中規定的年施氮量為標準，對中國及各省畜禽養殖的允許總量進行了初步估算；孟岑等[3]分析了長沙縣面源污染狀況，估算了長沙縣畜禽養殖業的環境承載力；陳斌璽等[4]將農作物總需氮量作為畜禽糞便氮限制量，計算了海南省畜禽養殖環境承載力。總結以上報道，發現這些研究多采取養分平衡學說，以農田氮總需求量減去土壤提供量來計算區域內畜禽承載力，鮮有考慮化肥施用供氮量，難免會導致區域畜禽養殖承載力估算值偏大。

江華瑤族自治縣位于湖南省南端，南嶺北麓，瀟水源頭，屬國家南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區，全縣地貌類型多樣，地勢東高西低，以勾掛嶺為界，嶺東為山區，山巒重疊；嶺西為丘陵區，低平狹長，丘崗起伏。全縣土壤類型主要為紅壤土、黃壤、水稻土。研究以江華瑤族自治縣為對象，通過分析計算得到該縣農業需求量、土壤供氮量，結合統計年鑒中的能源消耗量引入化肥供氮量，采用修正后的氮平衡原理預測該縣畜禽養殖承載力，并結合現狀數據計算出2015年畜禽養殖飽和度，為該縣畜牧業發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究采用的農業產量、耕地面積、化肥用量、畜禽養殖等數據來源于《江華瑤族自治縣2015年統計年鑒》與現狀調查數據。

1.2 研究方法

根據區域內農作物生產需氮量與土壤供氮量、化肥施氮量之差估算農用地總氮環境承載量，根據排污系數計算出每年畜禽排泄糞便（尿）中的總氮量，最終將其折算成區域畜禽養殖承載量。計算公式如下：

式中，N為基于氮平衡的畜禽養殖環境承載力（頭豬當量）；Yi為第i類農產品年產量（t）；mi為第i類農產品1 t經濟產量所需的氮養分量（kg/t）；S為耕地土壤的氮養分提供量（kg）；O為化肥的氮養分提供量（kg）；d為每頭當量豬的產氮系數（kg/頭）；r為畜禽糞便年利用率。

根據現狀數據，計算出全縣各鄉鎮畜禽承載力的污染風險指數，風險指數越高則畜禽養殖承載力飽和度越大，污染風險程度越高。利用Arcgis10.2軟件將全縣畜禽養殖承載力飽和度可視化。計算公式如下：

式中，Z為2015年研究區內畜禽養殖數量，M為畜禽糞便氮污染風險指數。將M分為5級：M＜0.5說明研究區域農用地無污染風險，0.5≤M＜1說明研究區域農用地屬于低污染風險，1≤M＜1.5說明研究區域農用地屬于中度污染風險，1.5≤M＜3說明研究區域農用地屬于較高污染風險，M≥3說明研究區域農用地屬于高污染風險。

2 結果與分析

2.1 農林產品需氮量

2.1.1 農產品研究選擇江華瑤族自治縣主產的稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類、油料、甘蔗、烤煙、蔬菜、水果、果用瓜作為統計對象。選取《肥料手冊》中規定的需氮量作為1 t農產品所需的氮養分量，見表1。全縣各鄉鎮種植業產量數據來源于《江華瑤族自治縣2015年統計年鑒》，通過計算可得全縣主要農產品需氮量為8 934 608.5 kg。

2.1.2 林產品利用畜禽廢棄物灌溉周邊生態經濟林是江華瑤族自治縣目前一種常用的利用方式，可達到經濟與環境效應的共贏。該方式既解決了經濟林地的施肥問題，又避免了畜禽糞便隨意亂排污染周邊土壤與水體。調查結果表明，有機肥直接施入林地，氮元素含量一般為1.5%左右，林地可消納畜禽有機肥在2.5～4.5 t/(667m2·a)之間，因此可計算出單位面積林地1 a中需肥氮量為785.5 kg/hm2。結合《江華瑤族自治縣2015年統計年鑒》數據，得到全縣生態林需氮量為3 328 762.5 kg。

2.2 土壤及化肥供氮量

2.2.1 土壤供氮量（S）查閱文獻發現，湖南省紅壤、黃壤、水稻土中平均有效氮含量分別為130.22、132.33、141.82 mg/kg[5]，以主要土壤類型所占比例計算出江華瑤族自治縣土壤的平均有效氮含量為19.96 kg/667m2。結合《江華瑤族自治縣2015年統計年鑒》耕地面積，即可計算得出全縣及各鄉鎮土壤供氮能力，取土壤的養分矯正系數0.5，進一步計算出全縣土壤實際供氮能力為4 447 587 kg。

表1主要農產品生長所需氮養分量（kg/t）

2.2.2 化肥供氮量（O）尿素中氮含量在46.4%～47%之間，復合肥中氮含量在13%～16%之間。《中國三大糧食作物肥料利用率研究報告》顯示，目前我國水稻、玉米、小麥3大糧食作物氮肥、磷肥、鉀肥當季利用率為33%、24%、42%，其中水稻氮肥當季利用率為35%。結合《江華瑤族自治縣2015年統計年鑒》所提供的全縣各鄉鎮氮肥、復合肥使用量，計算可得全縣化肥供氮量為3 713 523 kg。

2.3 畜禽糞便年利用率

蘇文幸[6]的研究結果表明，出欄一頭生豬的氮產污系數為3.79 kg/頭。研究共調查江華瑤族自治縣173家畜禽養殖場，將全縣畜禽養殖廢棄物處理模式分為直接利用、糞便生產有機肥、簡單處理還田、厭氧發酵4種典型處理模式，各模式所占比例見表2。李巧巧[7]的研究表明，畜禽養殖場糞便直接利用的氮損失量在6.5%～%7.8之間；糞便在生產有機肥后，氮損失率在25%～32%之間；糞便經堆肥后農用，氮損失率在之間30%～36%之間；廢水經厭氧發酵處理后農用的氮損失率在13%～17%之間。經過加權計算，江華瑤族自治縣畜禽養殖糞便氮利用率r取0.5。

表2江華瑤族自治縣各類處理方式及氮去除率（%）

2.4 畜禽養殖現狀

2015年，全縣牲豬年存欄421 003頭、家禽存籠3 789 103羽、羊存欄84 001頭、牛存欄133 700頭、兔存籠12 602只。按不同養殖種類氮元素排污量，將養殖規模統一換算成豬當量，豬、奶牛、肉牛、羊、蛋雞、肉雞、鴨、鵝和兔的換算系數分別為1、12.40、7.22、1.42、0.09、0.11、0.05、0.12和0.038。計算可得2015年全縣畜禽養殖實際承載豬當量為1 464 013頭。

2.5 畜禽養殖承載力分析

根據氮平衡法計算出江華瑤族自治縣全縣畜禽養殖承載力為2 164 782頭（豬當量），全縣總耕地面積為29 710 hm2，總播種面積為66 847 hm2，復種指數為2.25，計算出2015年全縣農用地可承載的豬當量為32頭/ hm2。將全縣各村鎮的畜禽養殖承載力從小于0到大于15萬頭（豬當量）劃分5個層次，詳見圖1。

圖1各鄉鎮畜禽養殖承載力

邱樂豐等[8]利用修正的養分平衡法估算出2014年杭州市畜禽養殖環境承載力以氮計為18.20頭豬當量/hm2，污染風險指數為0.73；武蘭芳等[9]根據農田養分平衡理論，基于農田N收支平衡對比分析了我國兩個典型農耕地區山東禹城和湖南桃源的耕地承載畜禽容量，分別為13.8頭豬當量/hm2和14.6頭豬當量/hm2，禹城略低于桃源；孫國波等[10]等以氮為標準，對比分析了大田作物和蔬菜2種理想種植模式下江蘇省農用地畜禽養殖承載力分別為18.3頭豬當量和33.8頭豬當量。對比分析顯示，江華瑤族自治縣市畜禽養殖環境承載力在國內處于較高水平。

2.6 畜禽養殖污染負荷分析

研究結果顯示，全縣畜禽養殖承載力平均污染風險指數為0.67，屬于低污染風險，但縣內各村鎮的畜禽養殖污染風險指數差異顯著，分別在-54.67～3.44之間。沱江鎮的污染風險指數為3.44，碼市鎮的污染風險指數為2.37，河路口鎮的污染風險指數為1.86，東田鎮的污染風險指數為1.72，說明這4個鄉鎮的畜禽養殖規模極易造成當地農田土壤環境和水環境污染。勾掛嶺以西的農區，耕地面積有限，人口集中，畜禽養殖場分布較集中且規模較大，缺乏足夠的用于承載畜禽養殖的農用地或林地，可通過空間可達性分析[11]降低運輸成本，把超過該地區消納能力的畜禽糞便轉移到務江鄉、花江鄉、兩岔河鄉、大圩鎮等仍有較大消納潛力的周邊鄉鎮，降低農區畜禽養殖污染的風險。橋頭鋪鎮和小圩壯族鄉的畜禽養殖量接近環境承載力，養殖場空間分布的不均勻也可能導致局部地區環境污染風險升高，應合理限制養殖業的擴大，盡量避免養殖小區的存在，科學規劃養殖場的選址，促進畜禽養殖與環境和諧共存。

圖2各鄉鎮畜禽養殖承載力污染風險指數

2.7 畜禽養殖承載力影響因素分析

研究區域內基于氮平衡的畜禽養殖承載力影響因素主要有3個：一是土地利用率，單位面積農產品產量越高則畜禽養殖承載力越高，以白芒營鎮、大圩鎮、末竹鄉為例，反之則越低，以清塘鄉、國有林場為例；二是化肥施用強度，化肥施用強度大，導致化肥施用量超過農業生產與耕地負荷，使土地承載過飽和，畜禽養殖承載力小于0，以橋市鄉與大石橋鄉為例；三是復種指數與種植結構，同種農作物對氮元素的需求量相對穩定，在每季經濟產量一致的情況下，復種指數大則農作物年產量高對氮元素的需求量也高，在經濟產量相對穩定的情況下，不同類型農作物對氮元素的需求量不同，從而畜禽養殖承載力也因此不同，例如大豆等油料作物對氮元素的需求量最大，糧食作物次之，薯類作物最小[12]。

3 結 論

研究通過氮平衡法計算得出，2015年江華瑤族自治縣全縣畜禽養殖承載力為2 164 782頭（豬當量），32頭/hm2，全縣畜禽養殖承載力飽和度為0.67，屬于低污染風險，但縣內各村鎮的畜禽養殖污染風險指數差異顯著。這一研究結果可為江華瑤族自治縣畜禽養殖規模配置、布局調整和空間分布提供科學依據。

[1] 潘瑜春，孫 超，劉 玉，等. 基于土地消納糞便能力的畜禽養殖承載力[J]. 農業工程學報，2015，31（4）：232-239.

[2] 王 奇，陳海丹，王 會. 基于土地氮磷承載力的區域畜禽養殖總量控制研究[J]. 中國農學通報，2011，27（3）：279-284.

[3] 孟 岑，李裕元，許曉光，等. 亞熱帶流域氮磷排放與養殖業環境承載力實例研究[J]. 環境科學學報，2013，33（2）：635-643.

[4] 陳斌璽，劉俊專，吳銀寶，等. 海南省農地土壤畜禽糞便承載力和養殖環境容量分析[J]. 家畜生態學報，2012，33（6）：78-84.

[5] 林毅青. 基于種養平衡下的湖南省畜禽養殖承載能力研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2013.

[6] 蘇文幸. 生豬養殖業主要污染源產排污量核算體系研究[D]. 長沙：湖南師范大學，2012.

[7] 李巧巧. 畜禽養殖環境承載力核算方法研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2014.

[8] 邱樂豐，龍文莉，方豪等. 基于種養平衡的杭州市畜禽養殖環境承載力研究[J]. 自然資源學報，2016，8（8）：1410-1419.

[9] 武蘭芳，歐陽竹，謝小立. 我國典型農區耕地承載畜禽容量對比分析[J]. 自然資源學報，2013，28（1）：104-113.

[10] 李艷霞，李 帷，韓 偉，等. 基于GIS的東北農田畜禽糞便施用適宜性分析[J]. 環境科學，2010，31（4）：1092-1100.

[11] 李 帷，李艷霞，楊 明，等. 北京市畜禽養殖的空間分布特征及其糞便耕地施用的可達性[J]. 自然資源學報，2010，25（5）：746-755.

[12] 孫國波，韓大勇，董 飚. 基于氮磷平衡的江蘇省畜禽養殖土地承載力研究[J]. 甘肅農業大學學報，2013，12（6）：123-130.

（責任編輯：成 平）

Supporting Capacity and Saturation of Livestock Breeding in Jianghua Yao Autonomous County Based on Nitrogen Balance

CHU Ming-hui，WAN Da-juan，SHI Xue，HE Xuan-li
（College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, PRC）

The principle of material balance was used to quantify the nitrogen absorbed and discharged in the soil, and the supporting capacity and saturation of Jianghua Yao Autonomous County in livestock breeding were investigated, combined with the related status of the county, in this study. The results showed that the environmental bearing capacity of the county in livestock breeding was 2 164 782 pigs (equivalent to nitrogen balance), at 32 pigs /(hm2), and the pollution risk index was 0.67 overall, at the low livestock pollution risk; but the pollution risk was significantly different in different towns of the county, at -54.67-3.44.

livestock breeding; nitrogen balance; bearing capacity; load index

F302.1；X26

：A

：1006-060X（2017）08-0045-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.012

2017-05-21

褚明輝（1992-），男，河南焦作市人，碩士研究生，主要從事生態環境規劃與評價研究。

萬大娟