基于養分平衡理論的商洛市畜禽糞污土地承載力研究

王忙生,張 雁,張雙奇,楊 雷

(1.商洛學院，陜西商洛 726000; 2.商洛市畜牧產業發展中心，陜西商洛 726000)

土地承載力是衡量人類社會經濟活動與土地之間相互關系的概念，具有多種研究的范式、尺度和方法[1-2]。其目的就是界定在一定條件下，土地能容納人類各類活動及其物質需求的多維閾值。養殖業產生的大量畜禽糞污(指畜禽養殖過程產生的糞便、尿液和污水的總稱)無論經過那種處理方式，絕大部分的最好去處仍然是回歸農田，為種植業提供所需要的營養物質,從而實現“土壤—種植—養殖”的良性循環和持續發展。所以，一定區域的畜禽糞污是否能夠在該區域內土地有效消納，促進作物生長與高產，同時又不會造成土壤退化或環境破壞，這是畜禽糞污土地承載力研究的基本意義。

關于畜禽糞污的產生量以及資源化利用、養殖業與種植業結構與規模、經濟社會與生態環境平衡發展等承載力問題，是近年來研究的重要課題[3-5]。這些研究可以粗略分為兩類。第一類主要是研究一定區域內單位有效耕地對當地畜禽糞便產量及其污染物質的負荷情況[4-10]。研究手段主要是運用畜禽糞便排泄系數法，分析不同養殖方式下，不同類別畜禽年度產生糞便的數量，主要指標是單位土地(或耕地)面積所負荷的畜禽糞便總量以及可能的環境污染風險等級等。此類研究較為宏觀，適合于大環境資源的分析和調控。第二類主要是基于作物養分平衡理論以及區域的土壤肥力水平，利用種植作物的養分需求量(主要是吸收氮、磷、鉀等元素)來估測畜禽糞污養分的施用量，或者是在一定化肥施用比例基礎上估算畜禽糞肥的養分供給量，通過建立養分平衡模型，而估算出相應承載力[11-15]。這種研究能夠較科學地平衡該區域種養關系、平衡化肥與畜禽糞肥的施用關系、合理調控種植業和養殖業與土壤環境的關系等，但需要實際測試數據和農田管理方面的資料。為了貫徹落實《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》(下簡稱《意見》)[16]，2018-01-22，農業部辦公廳頒布了《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》(下稱《指南》)[17]。該《指南》的本質也是基于養分平衡理論，但目前對《指南》的應用實例研究尚不多見。本研究擬以商洛市轄一區六縣2016年種植業和養殖業生產為基礎，以《指南》推薦參數和測算方法為指導，估算商洛市及其各區縣的畜禽糞污土地承載力。

商洛市地處秦嶺山區的東南部腹地，年降雨量900mm，是南水北調重要水源地——丹江的保護區(其中還有部分支流直接匯入漢江)；發源于該市洛南縣的洛河也是黃河的重要支流之一。該研究將對當地畜牧業的現狀和可持續發展潛力進行有效評估，為進一步協調好種養殖關系提供指導，同時，為保護大秦嶺生態環境和商洛南水北調水源地水質安全提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 商洛市各區縣2016年末養殖存欄數與豬當量 2016年商洛市各區縣養殖數據主要來自《商洛統計年鑒—2017》(下簡稱《年鑒》)[18]，同時參考“農業部畜牧業統計監測系統”的商洛市2014—2017年度的養殖業基本數據。依據《指南》的估算參數要求，僅列入年末各類畜禽的存欄數，并且按照《指南》規定的折算系數將各類畜禽存欄數量換算成豬當量(表1)。其中，將家禽按蛋雞和肉雞分別核算；因當地個別縣城只有很少數量奶牛，故合并于黃牛數量，且按肉牛系數換算；當地飼養的羊主要是陜南白山羊，計其存欄量；其他養殖數量(除了蜜蜂外)甚少，暫不計入。

1.1.2 商洛市各區縣2016年主要農作物和其他種植產品產量 2016年商洛市各區縣主要農作物和其他種植產品的產量與種植面積均來源于《年鑒》。商洛屬于南北氣候過渡帶，跨長江和黃河兩大水系，地勢西北高東南低，平均海拔 900 m，有河谷川源、低山丘陵、中山坡槽三大地貌類型，土壤類型復雜(有8個土類)[19]。常用耕地面積占全市總面積不到10%,川道灘地土壤較為肥沃,丘陵坡地土壤較為瘠簿,且容易發生有機質等成分的流失。灘地一般種植夏、秋2季農作物，以小麥、玉米和馬鈴薯等為主，丘陵地多為雜糧和林果等的種植，中山坡槽地一般種植為林果和藥材等。近幾年，核桃和板栗等經濟林果種植面積不斷增加且占據部分川道灘地，蔬菜種植面積也在不斷增加。經過整理的各類作物種植面積和產量見表2。為了便于估算，將夏季少量的豆類與秋季豆類合并；將夏季油料(油菜籽)和秋季油料(花生、芝麻和葵花籽)合并；核桃、板栗、茶葉和桑葉均選擇當年采摘面積；中藥材為種植產量與其播種面積；其他小宗作物因為數量極少，暫不計入。按照《年鑒》說明，播種面積隨所播種作物產量 統計。

表1 2016年商洛市各區縣畜禽養殖年末存欄數及其豬當量Table 1 Total inventory and pig equivalents of livestock and poultry in different areas and counties of Shangluo in 2016 ×104 頭 head

注：按照存欄數折算：100頭豬相當于30頭肉牛、250只羊和2 500只家禽。

Note:100 pigs are equivalent to 30 beef cattle,250 sheep and 2 500 poultry basedon the number of total inventory.

1.1.3 商洛市各區縣土壤肥力指標及化肥施用量 依據《指南》的指標要求，作物吸收土壤中的營養物質與當地土壤的肥力有關，這是營養平衡理論的主要理論基礎。依據《測土配方施肥—土壤基礎養分數據集》(2005-2014)[20]，獲得商洛市各區縣的土壤基礎肥力的相關指標(平均值)；由《年鑒》統計獲得全市2016年共施用各類農用化肥178 724 t，各區縣的化肥施用折純量等見表3。

表2 2016年商洛市各區縣農作物和其他種植產量(t)與播種面積(hm2)Table 2 Yields(t) and sown area (hm2) of crops and other planting in different areas and counties of Shangluo in 2016

注：年初總耕地面積來源于《商洛統計年鑒-2017》。當地許多作物屬于林果與作物套種，一些林果地面積也不統計在耕地面積中，故總播種面積遠大于年初總耕地面積。*柞水縣桑葉和商南縣核桃采摘面積用年末實有面積替代。

Note:Total cultivated area at the beginning of the year from the Shangluo statistical Yearbook-2017.Local crops belong to forest,fruit and crop intercropping,and other forest,fruit areas are not counted in the cultivated land area,so the total planting areais far greater than the total cultivated area at the beginning of the year.* The area of mulberry in Zhashui and walnut area in Shangnan county are replaced by the actual area at the end of the year.

1.2 方 法

1.2.1 研究依據和計算公式 依據《指南》和《畜禽糞便還田技術規范》(GB/T25246-2010)的有關規定,選擇“區域畜禽糞污土地承載力測算辦法”。并設定計算公式(1)、(2)和(3),分別說明如下：

Zix= ∑Mij·djx

(1)

公式(1)中，Zix為i區域植物養分需要量, kg·a-1；Mij為i區域j作物或其他種植產品的產量，kg·a-1；djx為j作物或其他種植產品(100 kg)產量需要吸收的養分量(kg)，x分別取氮素(N)或磷素(P)的數量(表4)。

Qix=Zix·qix·fi/rix

(2)

公式(2)中，Qix為i區域植物糞肥養分需求量,t·a-1。qix為i區域土壤不同氮磷養分水平下的施肥供給養分占比,%；fi為i區域畜禽糞肥占總施肥的比例,%；rix為i區域糞肥中氮磷素的當季利用率，%。

Cix=Qix/Ux

(3)

公式(3)中，Cix為i區域畜禽糞便承載力(豬當量),頭；Ux為單位豬當量糞便氮磷養分供給量，且分別為7.0 kg·頭-1·a-1和1.2 kg·頭-1·a-1。

1.2.2 作物吸收營養物質的參數選擇 營養平衡理論核心內容之一就是確定單位作物產量對營養物質的吸收效率和需要量，這是衡量營養物質流向與數量的關鍵，更是建立土壤營養供給的基本依據，也是土壤消解糞肥養分能力的體現。根據當地種植業的主要種類和生產情況，參考《指南》的推薦，并結合其他資料列舉出當地主要農作物和其他種植產品100 kg產量對氮素和磷素的吸收系數(表4)。

表3 商洛市各區縣土壤肥力與化肥施用折純量Table 3 Calculatedparameters of soil fertility and fertilizer applicationin differentareas and counties in Shangluo

表4 各種作物吸收氮磷的系數Table 4 Coefficient of absorption of nitrogen and phosphorus by various crops kg/100 kg

注：氮素(N)指總氮,磷素(P)指總磷。下同。

Note:Nutrient nitrogen (N) refers to total nitrogen; phosphorus (P) refers to total phosphorus.The same below.

1.2.3 商洛市2016年畜禽糞污的氮磷鉀養分供給量及占施肥總量比例估算 首先估算植物生長需要的糞肥氮磷鉀養分量，并計算與當年施用肥料總量的比例。這個糞肥占施肥比例可以來自于實際統計，也可以進行估算，其公式如下。

Px=∑Mi·Ri·Six

(4)

式中,Px為畜禽糞污養分量，t·a-1；Mi為i畜禽年存欄數,頭·a-1；Ri為i畜禽飼養期內糞尿排泄量,t·頭-1；Six中的x分別取氮、磷、鉀，i為畜禽糞污的氮、磷、鉀質量分數，g·kg-1。程波[26]在總結多人研究的基礎上，針對北方地區養殖糞污簡單堆漚的方法，匯總各類畜禽糞污的飼養期排放量；參考白明剛[27]的研究，核算羊的飼養期糞污排放量；賈偉等[28]在匯集北京地區53個不同畜禽場的糞便試驗的基礎上，按有機肥行業標準測定了各個畜禽糞便的氮磷鉀平均質量分數(表5)。因為這些試驗研究的畜禽糞便及其處理狀態與商洛市各區縣畜禽糞污的實際施用情況較為接近，所以按照實際養殖畜禽的存欄量估算所產生的糞污排泄量及其氮磷鉀養分的折純量。

表5 畜禽糞污排泄量及其各養分質量分數Table 5 Manure emissions and nutrient mass fraction of livestock

依據表1和表5基本數據和參數，按照公式(4)估算出2016年商洛市存欄畜禽糞污全氮、全磷、全鉀的總量分別為0.724×104t，0.399×104t和0.337×104t，全年畜禽糞污全氮磷鉀折純量為1.46×104t。經過查詢“2017年農業農村部直聯直報系統”，商洛市2017年的畜禽糞污資源化利用率為77.3%；而在國務院《意見》中，也明確提出到2020年畜禽資源利用率達到75%以上目標；因此，擬以2016年糞肥利用率70%進行核算，全市當年畜禽糞污施肥量占總施肥量比例即為(1.46×70%)/(1.46+5.96)=14.65%。

2 結果與分析

2.1 商洛市各區縣植物養分(氮和磷)需要量

利用公式(1)，結合商洛市各區縣的農作物和其他種植產品產量情況，估算各區縣種植主要農作物和其他種植產品的氮磷養分總需求量。因為種植方式與施肥結構不同，為了便于分析，把一般農作物與其他種植產品分別歸類估算，詳見表6。

表6 商洛市2016年各區縣作物與種植產品的氮磷養分需求量Table 6 Nitrogen and phosphorus nutrient requirements of crops and planting products in different areas and counties of Shangluo city in 2016 t

注：按照《年鑒》分類，煙葉產品被歸入農作物統計。

Note:According to the “Yearbook” classification,tobacco products arelassified into crop statistics.

由表6可看出，產糧大縣洛南縣(表2)對于氮、磷養分的需求量處于第1位，化肥施用量也幾乎占到全市的30%(表3)。另外，商南、山陽和鎮安縣在林、藥、茶等生產方面種植面積大，所以都有較大的氮、磷養分需求量。丹鳳縣馬鈴薯種植較少，而且單位面積耕地種植的小麥和玉米產量也不夠高，這是種植業對氮和磷需求量均不高的原因之一。

2.2 2016年商洛市各區縣植物畜禽糞污養分需求量

因為植物獲得的營養物質來源是復雜的，要受到土壤本身的養分含量、化肥和畜禽糞污(肥)的供給質量與數量、植物固氮效應、耕作管理水平等諸多因素影響。依據《指南》的要求，在估算植物養分畜禽糞肥需要量時，應當因地制宜，選擇不同的計算參數。房珊琪等[29]研究認為商洛市的商州區、丹鳳縣、商南縣、鎮安縣等總化肥、氮肥的施用處于中級或較高級水平，磷肥則相對處于較低施用水平，而且認為糧食、蔬菜和油料作物施肥量較大，其他種植用肥不足4%,農家有機肥施用僅8%。瞿曉蒼等[30]比較分析了商洛市2000年到2014年的化肥施用情況，全市2014年化肥施用量平均達到355.5 kg·hm-2(23.7 kg·667 m-2)，小麥和玉米的氮磷鉀肥當季利用率分別為21.2%、18.2%和33.1%，低于全國水平。2014年有機肥施用面積只占作物播種面積和需用量的19.8%和7.1%。該結論同筆者前文的估算和房珊琪等[29]的調查結果基本相近。裴亮等[31]研究認為，如果肥料結構不合理，氮肥的利用率僅為30%～55%，磷肥為10%～25%，鉀肥5%～20%。筆者實際調查也證實，商洛市農作物與其他林果種植業的施肥量很不平衡，前者多，后者較少；實際施用畜禽糞便等農家肥的比例不大，且對于坡度較大的耕地施用畜禽糞污等則因勞動力缺乏而更為不易。鑒于土地承載力研究小時空尺度的指導性和實操性的弱化意義[2]，僅選擇全市糞肥占比(14.65%)作為各區縣共同的估算參數。結合上述背景和分析，確定商洛市各區縣的具體估算植物糞肥養分需要量及有關參數 (表7)。

表7 2016年商洛市各區縣植物糞肥養分估算參數與需求量Table 7 Nutrient estimation parameters and demands of plant from livestock and poultry manure in different areas and counties of Shangluo in 2016

注：施肥供給養分的比例依據《指南》推薦的各地(旱地)土壤肥力水平進行選擇；當季糞肥利用率也按照《指南》取值，相對坡地較多的區縣利用率相對較低，而川道耕地較多的區縣利用率相對較高。

Note:The proportion of nutrients supplied by fertilization is selected according to the recommendation for soil fertility level of each place (dry land) in the Guide,the manure utilization rate in the season isalso selected according tothe more slope of districts,the lower utilization ratein the Guide,while the utilization rate is relatively higher in flat areas.

2.3 2016年商洛市各區縣畜禽糞污土地承載力分析

由表8可以看出，在糞肥施用比例不變的情況下，決定植物糞肥養分需要量的主要因素，除了當季的產量外，與土壤的肥力及其相關的施肥效率密切相關。在土壤肥力較差時，應當推薦較高的施肥量；當然，土地條件較差、產量低也說明施用的各類肥料的利用效率較低。

根據公式(3)，2016年商洛市以氮磷養分平衡估算的畜禽糞污承載力分別是72.99萬頭豬當量和85.09萬頭豬當量(表8)，該結果說明了在現有土地肥力和施肥比例的水平下，當年各類作物獲得畜禽糞污養分折合的承載力(畜禽豬當量數)。估算結果與現有實際養殖量有較大差距，說明大量的畜禽糞污并沒有進入耕地被植物吸收轉化，或者以商品肥外銷(確有規模養殖場加工有機肥外銷，但不易統計)，或者有部分流失，而當地占施肥比85%以上的化肥利用效率也較低[30]。因為土壤肥力、養分的利用效率等因素變化具有地域性特點，變化的幅度也不會太大，所以，增加畜禽糞肥的施用比例、豐富土壤有機質量等是提高承載力的重要手段。謝軍等[32]用8 a的試驗對比研究認為，有機肥氮替代50%化肥氮，可顯著提高玉米經濟產量和生物產量，且具有較好的穩定性與可持續性；劉紅江等[33]以武運粳稻為材料，說明在等氮量替代條件下,50%有機肥替代化肥是一種相對適宜的比例；易湘琳等[34]以湖南為例，認為有機肥施用比例為55%時，畜禽養殖承載力為最佳狀態。因此，假設把糞肥施用比例提高到較理想的50%，再估算在其他參數和作物產量不變的情況下的承載力水平。經過比照分析，氮素估算承載力可達到249.11萬頭豬當量；磷素估算承載力可達到290.41萬頭豬當量。根據商洛市土壤特質和《指南》的氮磷評估區域建議，這個比照承載力(249.11萬頭豬當量)可以作為當地的“理想承載力”。用該承載力可以估算各區縣擬增減的畜禽豬當量，進而作為調整當地養殖規模和結構的依據。

表8 2016年商洛市各區縣畜禽糞污土地承載力估算與分析Table 8 Estimation and analysis of land carrying capacity from livestock and poultry manure in different areas and counties of Shangluo in 2016

注：①為按照糞肥實際施用率14.65%估算。②按照假設糞肥施用率50%估算。③實際承載力是現實養殖的豬當量。④擬增加的承載力為比照承載力(N素估算)與實際承載力差值。⑤單位播種面積承載力以N素估算承載力為準。⑥基于比照承載力(N素估算)的畜禽總氮總磷耕地負荷。*為全市單位播種面積承載力。**為全市耕地氮磷負荷。

Note:①Carrying capacity isestimated by actual manure application rate(14.65%).② Comparative carrying capacity isestimated by assumption manure application rate(50%).③Actual carrying capacity is the real cultivation pig equivalent.④Potential carrying capacity is the difference between comparative carrying capacity(estimated by N) and actual carrying capacity.⑤Carrying capacity per unit sown area is estimated by N estimated carrying capacity.⑥Nutrient load of cultivated areais estimated based on total nitrogen and total phosphorus cultivated land load of livestock and poultry by N estimated carrying capacity.* was the carrying capacity of the unit sown area in the whole city.** was the nitrogen and phosphorus load of cultivated land in the whole city.

歐盟建議將糞肥年施氮量的限量標準定為170 kg·hm-2,超過這個極限值會造成硝酸鹽的淋溶[35]；武蘭芳等[36]研究，單位耕地氮磷的年最大施用量分別按150和35 kg·hm-2估算。上述研究中歐盟和山東禹城的土地相對肥沃，需要供給的糞肥養分較低。潘瑜春等[13]提出了北京地區的耕地氮磷年施用量分別為200和40 kg·hm-2。侯彥林等[37]綜合全國不同地域農田氮的面源污染研究,指出中國大田作物無污染的施氮量標準應為150～225 kg·hm-2·季-1(其平均數為180 kg·hm-2·季-1)，認為在此范圍的施氮量不會引起氮素的明顯淋失。商洛市各區縣的川道灘地(除林果地和中坡地外)可以實行一年兩季種植，考慮到土壤肥力，商洛市的耕地氮磷年最高施用量以225 kg·hm-2·a-1和40 kg·hm-2·a-1為宜。按比照承載力和《指南》中推薦的畜禽氮磷利用系數(分別為7 kg·頭-1·a-1；1.2 kg·頭-1·a-1)可估算各區縣單位耕地面積的氮磷負荷值(表8)，結果表明：在承載力為249.11萬頭豬當量理想情況下，商洛市耕地利用畜禽糞污氮磷負荷分別為89.35和15.32 kg·hm-2·a-1，按全市當季播種面積的承載力為5.07 頭·hm-2·a-1。當然，這些結論是在化肥減少50%，以及其他畜禽糞污的有效利用和管制下的初步估算，各種肥料的施用對環境的影響，還應結合其他環境因素統籌考慮。如果不能大幅度提高畜禽糞肥利用率，減少化肥施用量，那么來自大量畜禽糞污和超量化肥的雙重污染風險，將會對丹江水源地產生潛在的威脅。

3 結論與建議

3.1 結 論

商洛市2016年各區縣的畜禽糞污(肥)施用比例為14.65%，畜禽糞污土地承載力按照氮磷養分估算分別為72.99萬頭豬當量和85.09萬頭豬當量，遠低于實際存欄量187.50萬頭豬當量，種養分離較嚴重。如果把糞肥施用比例提高到50%，商洛市畜禽糞污土壤承載力按氮磷素估算可分別達到249.11萬頭豬當量和290.41萬頭豬當量。如將氮素評估承載力249.11萬頭豬當量作為當前理想承載力，除丹鳳縣要適當減少 13.77萬頭豬當量存欄數外，其他各區縣養殖規模尚有不同的增加空間。

商洛市耕地氮磷年最高施用量以225 kg·hm-2·a-1和40 kg·hm-2·a-1為宜。在畜禽糞污(肥)承載力為249.11萬頭豬當量下，耕地畜禽糞污氮磷年施用量為89.35 kg·hm-2·a-1和15.32 kg·hm-2·a-1，對于耕地負荷是較安全的，同時，按2016年當季播種面積估算豬當量承載力為5.07 頭·hm-2·a-1，也符合《指南》推介的標準。

3.2 建 議

《指南》僅要求用當年存欄畜禽豬當量來估算畜禽養殖糞污排泄量，這與實際畜禽糞污產生量有一定的差距。因為養殖周期不足1 a的豬、肉雞等，年度飼養期內就有很大的畜禽出欄數和糞污產生量，僅用存欄量會使得糞污產量估算偏低[38]。建議在承載力實際應用中，各地可依據養殖種類與數量進行適當的調整。

把畜禽糞污的施用比例提高到50%理想狀態，需要逐步實施，且實行綜合配套技術。如設立與養殖規模相配套的作物及其他種植耕地面積，并訂立施用糞肥協議或責任書；推廣畜禽糞污的綜合加工技術，提高糞肥的吸收利用率；增加糞肥在林果和藥材等方面的施用比例，擴大施用總量。

鑒于商洛市生態承載力趨于下降態勢對可持續發展能力的影響[39]，應大幅度增加畜禽糞肥施用比例，減少化肥施用量，并積極探索與整個生態環境相適應的新型種養結合發展模式。