江淮生態經濟區農田氮磷平衡與種養結合進程分析：以江蘇省淮安市為例

孟祥海， 沈貴銀

(1.江蘇農業科學院農業經濟與發展研究所，江蘇南京 210014； 2.淮陰師范學院經濟與管理學院，江蘇淮安 223001)

江淮生態經濟區是江蘇省“1+3”重點功能區戰略的重要組成部分，重在打造區域生態競爭力，涉及到淮安、宿遷、揚州、泰州和鹽城5市，具體包括淮安、宿遷2個設區市全域以及里下河地區的高郵、寶應、興化、建湖、阜寧等縣(市)，區域面積2.69萬km2，約占全省面積的25%，是全省水網最密集和農業最發達的地區，2015年該區域糧食、肉類產量分別為 1 348.29萬、105.21萬t，占全省的38%、28%；農作物播種面積，化肥施用量分別為229.76萬hm2、79.71萬t，占全省的30%、25%[1]。近年來江淮生態經濟區農業面源污染形勢愈發嚴峻，中國科學院南京地理與湖泊研究所于2011年12月發布的《中國五大淡水湖泊保護與發展報告》指出，洪澤湖每年入湖污染物的總量已經大大超過了湖泊自凈的能力，且對洪澤湖周邊產業調查發現，湖區萬元產值污染水平以畜禽養殖業的排污水平最高。江蘇省環境科學院研究院監測發現，高郵湖農業面源污染占總污染負荷的50%以上，其中總氮、總磷污染負荷最大，比重分別為68.5%、72.3%[2]。氮磷是農業生產中最重要的養分基礎，也是日益明顯的環境污染因素。農田氮磷平衡分析可以確定農田生產系統內的氮磷盈余量，以此對農田養分投入進行管理，是農田養分管理的重要方法。畜禽糞便含有豐富的養分資源，是農田氮磷養分的重要來源，糞肥還田用于作物生產是其最合適的去向。但特定區域內畜禽養殖數量規模及其排放的糞肥超過農作物生長需要和土壤自凈能力時，養分盈余問題就會顯現，造成農業面源污染[3]。2014年以來，中央政府密集出臺了《畜禽規模養殖污染防治條例》等一系列養殖環保政策法規，各地紛紛重新劃定禁養區，加大了環保執法力度，畜禽規模養殖正面臨巨大的環保壓力，同時新政策更加突出畜禽糞便的資源化利用，以種養結合、循環利用為主體，解決糞便還田利用瓶頸問題，已成為當前治理畜禽養殖污染的主要路徑。然而隨著我國畜禽養殖業規模化比例的迅速提高，養殖規模化和農田超碎化的現實矛盾日益尖銳，傳統的畜禽糞便進入種植業實現資源化利用的通道被阻斷，種養結合阻力重重，化肥替代糞肥成為農作物肥料供應的主導，我國迅速成為全球化肥用量最大、強度最高的國家，畜禽糞便隨意排放和農田化肥超量投入已成為我國農業面源污染的主要原因。在國家、省域尺度上，我國種養總量失衡與省域間結構差異并存，2009年，我國單位耕地面積的畜禽氮污染平均負荷已達 138.13 kg/hm2，其中四川等6省(市)高達202.98 kg/hm2以上，遠遠超出歐盟農業政策規定的糞肥年施氮量170 kg/hm2的警戒線，其他大部分省區已接近這個規定值[4]；2010年，我國畜禽養殖環境總容量為129.56億頭豬當量，實際養殖總量約占環境容量的1/4，但考慮化肥的使用，約有20個省超過本省50%環境容量[5]。在縣域尺度上，閻波杰等基于利用空間自相關分析方法對安徽省縣域耕地畜禽養殖廢棄物氮負荷量的空間格局和空間演變進行研究，發現2004—2012年期間，安徽省各縣(市)耕地畜禽養殖廢棄物氮負荷具有顯著的空間正相關性和潛在的空間依賴性，耕地畜禽養殖廢棄物氮負荷一直處在相對集聚的發展階段，同時耕地畜禽養殖廢棄物氮負荷熱點區域主要分布在安徽省北部和東南部[6]。在農場或園區尺度上，馬永喜等研究認為種養結合園區能夠較好地實現養殖廢棄物循環利用和系統能量投入產出平衡，而合理的經濟激勵政策、科學的養分管理措施、足夠的農田消納面積和適當的養殖密度是實現種養結合良性循環的關鍵[7-9]。歐美等發達國家畜禽養殖業規模化發展較早，他們大多采取集約化、農場化的種養結合模式，養殖場通過配套足夠的土地或與周邊種植業農場合作來消納畜禽糞便，并根據土地面積嚴格控制養殖規模[10]，這種農場間的種養合作被認為是經濟和效率優化的結果，可以實現畜禽養殖和農作物生產的畜禽糞便交易成本最小化和肥料利用效率最大化[11]。

淮安是農業大市，也是江淮生態經濟區的主要板塊，2015年全市糧食、肉類產量分別為467.22萬、31.11萬t，占江淮生態經濟區的35%、30%；農作物播種面積、化肥施用量分別為795.68萬hm2、40.47萬t，占全省的35%、51%[1]，全市擁有淮陰區、淮安區和漣水縣3個國家生豬調出大縣(區)，總數居全省第2，全市生豬50頭以上規模養殖比重已達到85%，200頭以上比重在55%以上；家禽規模比重超過90%；奶牛規模比重近100%。農田化肥過量施用和畜禽養殖規模化的發展，帶來嚴峻的農村面源污染問題，對洪澤湖、白馬湖等水域環境造成威脅。本研究基于土壤表觀養分平衡理論，分析2000—2015年16年間淮安市農田氮磷養分平衡狀況，并運用環境庫茲涅茲曲線(EKC)理論，考察淮安市農田土壤種養結合進程與經濟增長之間的關系，以期為淮安市調整農業生產結構、控制養分盈余損失和推動畜禽養殖業綠色發展提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 區域農田氮磷平衡估算

1.1.1 數據來源 畜禽養殖存出欄數據主要來源于2001—2016年的《淮安統計年鑒》《江蘇農村統計年鑒》。參照已有研究和畜禽養殖生產實踐，生豬的飼養周期一般為199 d，以年出欄量作為當年飼養總量；牛按用途分為肉牛、役用牛和奶牛，肉牛一般1年內出欄，役用牛和奶牛飼養周期一般大于1年，因此肉牛采用年出欄量作為當年飼養總量，役用牛和奶牛采用年末存欄量作為當年飼養總量；羊、馬、驢和騾的飼養周期一般大于1年，因此采用年末存欄量作為當年的飼養總量；家禽的飼養周期一般小于1年，因此采用年出欄量作為當年的飼養總量[12-13]。

1.1.2 研究方法 農田生產系統的氮磷平衡狀況是決定土壤肥力、農作物產量和農業環境影響的重要因素，系統氮磷缺損會降低土壤肥力，造成作物減產；系統氮磷盈余會增加土壤氮磷的流失風險，威脅地表水和地下水環境[14]。鑒于農田氮磷流失具有面源污染特征，且具有典型的監測困難和隨機性強特點，運用土壤表觀養分平衡理論，核算農田生產系統氮磷等養分盈余或缺損狀況，是分析農業環境影響的重要方法。土壤表觀養分平衡理論的核心是農田系統養分守恒，在農田系統中化肥和畜禽糞便是養分輸入的主要來源，作物移走和養分損失則是養分輸出的主要途徑，良性的農田系統養分輸入量與輸出量應相等，即化肥養分輸入量+畜禽糞便養分輸入量=農作物移走養分量(假定農作物秸稈全部還田)[15]。為評估特定區域畜禽養殖污染水平，假定畜禽糞便不跨區域流動。計算公式如下：

M=F/S；f=YN/P/(YM+YN/P)；

式中：M表示區域農田土壤氮(磷)盈余強度；F表示農田土壤氮(磷)盈余量；S表示農作物播種面積；f表示化肥氮(磷)投入占農田氮(磷)投入比重；YM表示畜禽糞便含氮(磷)量；YN/P表示化肥中氮(磷)折純量；i表示畜禽類別；Qi表示第i種畜禽的存欄或出欄量；ri表示i類畜禽的糞便排泄系數；pi表示第i種畜禽的糞便的氮(磷)含量(表1)；j表示農作物類別；Cj表示j類農作物年產量；θj表示j類農作物100 kg產量所需氮(磷)量(表2)；YC表示農作物移走的氮(磷)量。采用M估算區域農田土壤氮(磷)平衡狀況，M值越大，區域農田土壤氮(磷)盈余強度越高；采用f值估算區域種養結合實現程度，f值越小則化肥投入對農田土壤氮(磷)盈余貢獻越小，區域種養結合實現程度越高。

表1 單位飼養周期畜禽糞便排泄系數及氮磷含量

注：序號1～6數據參考文獻[13]，7～8數據參考文獻[16]。

1.2 EKC分析模型構建

表2 農作物氮磷含量

注：數據參考文獻[17]。

2 實證研究結果分析

2.1 淮安市農田氮磷平衡狀況

從圖1、圖2可以看出，2000—2015年16年間淮安市氮磷盈余總量及盈余強度變化呈現“下降—上升—下降—上升”的“W”形波動狀態，且各年度農田氮磷盈余總量及強度都大于0，2003年淮安市農田氮磷盈余總量和盈余強度均達到峰值，氮、磷盈余總量分別為11.49萬、2.85萬t，氮、磷盈余強度分別為 162.15、40.28 kg/hm2。2015年淮安市農田氮、磷盈余總量分別為9.86萬、1.57萬t，農田氮磷仍未達到平衡狀態，農田氮、磷盈余強度分別為122.44、19.50 kg/hm2，相對于2000年，淮安市農田氮盈余量有所增加s，磷盈余量有所下降，農田氮磷盈余強度均有所下降。

從農田氮磷的投入結構(圖3)來看，化肥是淮安市農田氮、磷投入的主要來源。2000—2015年16年間，淮安市化肥氮、磷投入占農田氮、磷總投入量的比重總體呈現上升趨勢。2007年化肥氮、磷占比達到峰值，分別為86.6%、73.7%，之后雖有所下降，但2014、2015年該比重有所上升。2015年化肥氮、磷投入占農田氮、磷總投入量的比重分別為84.3%、69.3%，高于2000年(農田氮、磷投入比重分別為78.1%、64.4%)。化肥的過量投入是造成淮安市農田氮磷盈余的主要驅動因素，發展種養結合，促進畜禽糞肥還田、減少化肥投入尤為迫切。

2.2 淮安市種養結合進程與經濟增長關系實證檢驗

2.2.1 基于化肥氮占比的種養結合進程與經濟增長關系的EKC檢驗 經檢驗，回歸方程為lnfNt=-4.399 0+0.829 3lnGDPt-0.040 6(lnGDPt)2，呈倒“U”形曲線特征，由表3可知，該曲線擬合優度(R2)為0.770 0，調整后的擬合優度(AdjustedR2)為0.734 6，F值為21.762 9，P值為0.000 1，說明回歸方程整體顯著，由t檢驗結果可知，自變量lnGDP和(lnGDP)2對因變量lnfNt影響顯著，并通過了Durbin-Watso(DW)檢驗。據此可知，2000—2015年16年間，淮安市農田化肥氮占比與經濟增長之間存在EKC關系，隨著淮安市人均GDP的增長，化肥氮投入占農田氮總投入的比重呈現先上升后下降的倒“U”形曲線變化趨勢，拐點為lnGDP=10.213 0(人均GDP為27 255.02元)，而按2000年不變價格計算，2015年淮安市人均GDP為15 398.18元，還未達到曲線拐點，說明隨著經濟增長，淮安市農田化肥氮投入占農田氮總投入的比重仍將持續上升，種養結合實現程度亟待改善。

表3 基于化肥氮投入占比的淮安市種養結合進程EKC曲線模擬結果

2.2.2 基于化肥磷占比的種養結合進程與經濟增長關系的EKC檢驗 經檢驗，回歸方程為lnfPt=-6.668 2+1.262 7lnGDPt-0.063 0(lnGDPt)2，呈倒“U”形曲線特征，由表4可知，該曲線擬合優度R2為0.631 4，調整后的擬合優度AdjustedR2為0.574 7，F值為11.133 8，P值為0.001 5，說明回歸方程整體顯著，由t檢驗結果可知，自變量lnGDP和(lnGDP)2對因變量lnfPt影響顯著，并通過了DW檢驗。據此可知，2000—2015年16年間，淮安市農田化肥磷占比與經濟增長之間存在EKC關系，隨著淮安市人均GDP的增長，化肥磷投入占農田磷總投入的比重呈現先上升后下降的倒“U”形曲線變化趨勢，拐點為lnGDP=10.021 4(人均GDP為22 502.91元)，而按2000年不變價格計算，2015年淮安市人均GDP為15 398.18元，還未跨過曲線拐點，說明隨著經濟增長，淮安市農田化肥磷投入占比仍呈現上升趨勢，種養結合實現程度亟待改善。

表4 基于化肥磷投入占比的淮安市種養結合進程EKC曲線模擬結果

3 結論與對策

本研究運用土壤表觀養分平衡理論，分析了江淮生態經濟區主要板塊淮安市2000—2015年16年間農田氮磷養分平衡狀況，并基于環境庫茲涅茲曲線理論，驗證了淮安市種養結合進程與經濟增長之間的關系。研究得出，2000—2015年16年間淮安市農田普遍存在氮磷盈余，且氮、磷盈余總量和盈余強度呈現“W”形波動狀態；16年間，全市農田氮盈余量有所增加，磷盈余總量和氮磷盈余強度有所下降，農田化肥氮磷投入占農田氮磷總投入量的比重總體呈現上升趨勢，化肥的過量投入是造成農田氮磷盈余的主要驅動因素。基于環境庫茨涅茲曲線理論檢驗結果表明，淮安市農田化肥氮磷投入占農田氮磷總投入的比重隨著人均GDP的增長呈現倒“U”形曲線變化形勢，農田化肥氮磷投入比重仍處于曲線上升階段，自發達到下降拐點還需較長時間，政府應強化種養結合政策干預，加大對農業面源污染的治理力度。為此，提出如下政策建議。

3.1 統籌規劃，強化治理

一方面，依據各區(縣)土地承載能力、環境容量和消費需求，根據農業種植對畜禽糞便的消納能力，規劃各區(縣)畜禽養殖規模，實現畜禽糞便排放與農業種植需肥在時間、空間上的匹配，促進養殖業合理布局；另一方面，嚴格養殖環境準入制度、加大養殖環境執法力度、增強養殖環境監管能力、強化養殖污染全過程管理，加強和規范畜禽養殖場(小區)、養殖戶的污染防治工作。

3.2 分類防治，差別管理

一方面，科學測算農田氮磷承載力，實現畜禽糞肥還田利用的科學化，要求規模化畜禽養殖場制定畜禽糞便養分管理計劃，按照糞便養分管理計劃進行肥料化農田利用；另一方面，對小規模畜禽養殖場、養殖小區和養殖散戶采取多元化的集中治理模式，探索建立農村鄉鎮畜禽養殖廢棄物收運系統，鼓勵個體經營者參與資源回收產業鏈條，對周邊分散中小型養殖場的畜禽糞便集中處理，通過生產商品有機肥提供給種植基地，實現對小、散、少畜禽養殖廢棄物的綜合回收利用。

3.3 培育社會化服務組織，探索養殖污染治理與資源化利用的第3方運營模式

采用政府購買或扶持養殖場購買的方式，圍繞畜禽糞便的收集、儲存、運輸、加工處理、綜合利用等環節，基于市場機制培育專業性的社會化服務組織，解決單個養殖場治污投入難以承受、日常維護難、“三沼”等治污產品難以產業化的問題，推動畜禽養殖污染治理與資源化利用的全產業鏈運營。同時，密切跟蹤國內外第3方運營治理模式，加強相關制度政策前瞻性研究。

3.4 優化養殖污染防治財政投入，推動畜禽養殖綠色發展

整合中央財政農村環境連片整治、污染物總量減排、規模化養殖場標準化改擴建、大中型沼氣工程等財政扶持資金，設立畜禽養殖污染治理專項資金，并采取貸款貼息等方式支持養殖場建設治污設施，降低養殖場治污投入成本，提高養殖者開展污染防治的積極性。完善財稅、信貸等經濟激勵政策，扶持養殖場建設沼氣發酵工程、生物墊床、有機肥生產線等設施，開展畜禽糞便的資源化利用研究。注重對畜禽糞便綜合利用的終端產品予以補貼，繼續實施對使用畜禽養殖糞便和廢水生產有機肥企業的政府補貼，適度提高畜禽糞便收集、運輸成本和有機肥銷售價格補貼水平，加大對畜禽養殖廢水資源化利用等新型實用技術研發與產業化的補貼力度，提高有機肥生產企業市場競爭力。