基于種養結合的種鵝場糞污養分管理模式研究

趙華軒 李尚民 王猛 蔣一秀 竇新紅

摘要：以糞污“干清糞+水沖糞—堆肥+氧化塘—農田利用”的種養結合模式種鵝場為研究對象，探究不同收集處理方式下，糞污養分留存情況，制定鵝場糞污養分管理模式。該鵝場糞便氮、磷產生量為28.105、7.665 t/年。最終還田的糞肥氮、磷供給量為6.491、4.083 t/年，留存率為23.10%、53.27%。干清糞收集過程氮、磷的留存率為64.95%、72.47%，水沖糞過程為32.00%、47.86%;堆肥處理過程氮、磷的留存率為36.82%和76.19%，氧化塘貯存過程為82.43%和84.91%。基于鵝場的糞污養分供給量及作物糞肥養分需求量，該鵝場糞肥氮磷供給情況為氮缺乏、磷過量。以氮投入為指標，14.66 hm2配套農田年消納固體有機糞肥980 t，液體糞肥13 600 m3，同時需配施含氮量17%的無機氮肥9.21 t，此時磷投入有盈余。制定鵝場糞污養分管理模式有利于提高鵝糞利用水平，為鵝場實現種養結合循環農業提供科學支撐。

關鍵詞：鵝糞;氮;磷;留存率;管理模式

中圖分類號：X713?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0219-06

收稿日期：2021-04-08

基金項目：江蘇省重點研發計劃（現代農業）項目（編號：BE2019347）;江蘇省第五期“333”工程培養資金資助項目;江蘇省家禽遺傳育種重點實驗室資助項目（編號：JQLAB-ZZ-202004）。

作者簡介：趙華軒（1994—），男，江蘇連云港人，碩士，研究實習員，主要從事家禽養殖環境控制及廢棄物處理研究。E-mail：lyghzzhx@163.com。

通信作者：李尚民，碩士，副研究員，主要從事家禽養殖環境控制及廢棄物處理研究。E-mail：372317312@qq.com。

隨著我國畜牧業規模化和集約化程度的不斷提高，畜禽養殖污染成為備受關注的焦點問題。畜禽糞污是放錯了位置的資源，經妥善處理后作為有機肥還田利用，能夠持續改善土壤團粒結構和養分狀況，提升土壤品質[1]。我國是世界第一養鵝大國，2016年出欄量達5.18億羽，占世界出欄總量的90%以上[2]。規模鵝場一般采用干清糞和水沖糞相結合的清糞方式，通過堆肥[2]、作為基質養殖蚯蚓[3]、直接還田施用[4]等方式處理固體糞便，污水則排入附近水體，極易造成周邊水體污染。隨著環保政策出臺，鵝場逐步構建了“糞污收集—堆肥+氧化塘—農田利用”的種養結合模式，固體糞便經堆肥處理、液體糞污經氧化塘貯存處理后還田利用，實現了種養循環。受運輸半徑限制，鵝場主要利用周邊配套的青綠飼料種植基地消納糞肥，長期施用容易導致氮流失和磷累積等環境問題。

近年來，我國在豬場、奶牛場、雞場等養殖場的種養結合模式方面研究較多[5-7]，形成了一系列的養分管理系統模型[8-9]，分析了糞污養分從產生、收集處理至還田利用過程的養分損失情況。賈偉等計算得出，奶牛場糞便在收集、處理和還田利用過程中的總氮（TN）、總磷（TP）留存率為62%和84%[10]。常志州等總結發現，畜禽糞便在清掃、堆積、還田過程中的TN留存率為29%～80%，清掃、堆積、高溫好氧堆肥、還田過程中的TN留存率為6%～56%，清掃、厭氧發酵、貯存、還田過程中的TN留存率為9%～51%[11]。郭新發現，豬糞經干清糞、堆置、還田過程的TN留存率為29%～80%，經干清糞、堆置、好氧堆肥、還田過程的TN留存率為6%～56%，經干清糞、厭氧發酵、沼液貯存、還田過程的TN留存率為9%～51%[12]。

在糞肥還田過程中，僅有準確估算養殖場糞污養分供給量和農田作物糞肥養分需求量，制定合理的糞肥施用管理模式[13-14]，才能避免因糞肥還田造成的二次污染問題。目前，還未見種養結合模式下鵝場糞污養分管理方面的研究;不同的糞污收集和處理方式下，氮磷養分的留存情況尚不清楚。因此，本研究以采用“干清糞+水沖糞—堆肥+氧化塘—農田利用”種養結合模式的種鵝場為例，通過實地調研、糞污及土壤樣品采樣測定、文獻參數搜集等方法，系統研究種鵝場的糞污養分供給情況，制定種鵝場的糞污養分管理模式，實現糞肥養分合理施用，為同類型鵝場開展糞污養分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 鵝場相關資料

本研究選擇東海縣志遠養鵝專業合作社的種鵝場作為研究對象。2020年10月進行實地調研和鵝糞及土壤樣品采樣測定。該場位于江蘇省連云港市東海縣，年存欄種鵝約2萬羽，清糞方式為人工干清糞和水沖糞相結合，處理方式為堆肥和氧化塘貯存處理。

1.1.1 鵝場糞污管理模式 由圖1可知，鵝場固體糞便來自干清糞和水沖糞沉淀后的固體部分，統一運送至田間堆置區進行堆肥處理，作為有機肥用于種植甜高粱、黑麥草、青貯玉米和菊苣。沖洗污水全部進入糞溝，經管道匯入沉淀池靜置沉淀后，液體糞污泵入氧化塘進行貯存。施肥時，液體糞肥通過管道輸送至農田，與灌溉水一起施用還田。

1.1.2 糞污產生量及養分含量 參照孫國榮等的鵝糞收集技術[15]進行采樣測定，種鵝糞便日排泄量約為350 g/羽。平均每3 d人工清掃完1次鵝場。10月至次年4月，每2周沖洗1次，每個月清理1次沉淀池的固體糞便（約14 t）。5—9月，每周沖洗1次，每個月清理2次沉淀池（約28 t）。因此，鵝場干清糞收集的固體糞便約為815 t/年，水沖糞沉淀后的固體糞便約為238 t/年，年產固體糞肥約980 t。鵝場每次沖洗產生廢水約400 m3，年產沖洗廢水 13 600 m3。

現場采集鵝場的新鮮糞便、干清糞、水沖糞固體糞便，鵝糞有機肥、沖洗廢水和氧化塘貯存后，將液體糞肥樣品帶回實驗室進行檢測（表1）。

1.2 配套農田種植參數

種鵝場的配套農田為山坡地，田間道路、灌溉管道設施完備，主要種植甜高粱、黑麥草、青貯玉米和菊苣， 并利用小型機械或人工進行收割。鵝糞有機肥和液體糞肥分別用作基肥和追肥，基肥施用在作物播種前，追肥施用在作物生育期。鵝糞有機肥表施后深翻入農田，液體糞肥利用管道輸送至農田與灌溉水一起施用。

1.2.1 作物種植情況 根據當地氣候條件，鵝場種植的甜高粱和菊苣為1年1季，每年收割3次;青貯玉米與黑麥草輪作，1年各1季。根據現場調研，鵝場配套農田面積為14.66 hm2，其中，甜高粱種植面積6.66 hm2，年平均產量112.5 t/hm2;黑麥草種植面積5.33 hm2，年平均產量22.5 t/hm2;青貯玉米與黑麥草輪作，年平均產量45 t/hm2;菊苣種植面積2.66 hm2，年平均產量22.5 t/hm2。

1.2.2 作物養分需求量 不同作物形成100 kg產量的養分需求量差異較大。由表2可知，甜高粱形成100 kg莖稈產量的養分需求量根據籽實產量換算得出[16]，青貯玉米、黑麥草和菊苣養分需求參數參照已有文獻[10，17-18]換算得出。

1.2.3 農田土壤理化指標 4種作物種植區域中，每種作物區域隨機取5點土壤，混合成1個代表性土壤樣品，進行土壤理化指標測定。土壤pH值為 7.2～8.1，有機質含量為1.265%～2.869%，全氮含量為0.64～0.92 g/kg，有效磷含量為11.25～70.05 mg/kg（表3）。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，土壤肥力狀況為：按有機質指標，青貯玉米土壤為缺乏，甜高粱、黑麥菜、菊苣土壤為中等;按全氮指標，青貯玉米土壤為很缺乏，甜高粱、黑麥菜、菊苣土壤為缺乏;按有效磷指標，甜高粱土壤為很豐富，黑麥草土壤為豐富，青貯玉米和菊苣土壤為中等。配套農田土壤肥力總體呈現磷富余、有機質缺乏、氮極度缺乏的特征。

1.3 計算方法

1.3.1 糞便和氮磷養分產生量 種鵝每天排泄的糞便和氮磷養分量乘以飼養周期及養殖數量，得到鵝糞和氮磷養分產生量[16]。計算公式為：

Q=∑N×T×P×10-6;（1）

式中：Q為鵝糞或氮磷養分產生量，t/年;N為飼養量，羽;T為生長期，取365 d;P為糞便或氮磷養分的排泄系數，g/（羽·d）。

1.3.2 糞污養分收集量 鵝場的糞污養分收集量包括干清糞鵝糞、水沖糞沉淀后固體糞便和沖洗廢水中的氮磷養分總量。計算公式為：

Qp=ms1×ρs1×（1-w1）+ms2×ρs2×（1-w2）+Vl×Cl×10-6;（2）

式中：Qp為鵝場的糞污氮磷養分收集量，t/年;ms1為干清糞糞便質量，t/年;ρs1為干清糞糞便氮磷養分含量（以干基計），%;w1為干清糞固體糞便含水率，%;ms2為水沖糞固體糞便質量，t/年;ρs2為水沖糞固體糞便氮磷養分含量，%;w2為水沖糞固體糞便含水率，%;Vl為沖洗廢水體積，m3/年;Cl為沖洗廢水氮磷養分含量，mg/L。

1.3.3 糞污養分供給量 鵝場的糞污養分供給量包括：鵝糞有機肥和氧化塘貯存的液體糞肥所提供的氮磷養分量。計算公式如下：

Qr=ms×ρs×（1-w）+Vl′×Cl′×10-6;（3）

式中：Qr為糞污養分供給量，t/年;ms為鵝糞有機肥質量，t/年;ρs為鵝糞有機肥的氮磷養分含量（以干基計），%;w為鵝糞有機肥含水率，%;Vl′為液體糞肥的體積，m3/年;Cl′為液體糞肥氮磷養分含量，mg/L。

1.3.4 作物養分總需求量 根據鵝場配套農田作物產量和單位產量的養分需求量，得到作物養分總需求量。計算公式如下：

An，i=∑（Pr，i×Qi×10-2）;（4）

式中：An，i為作物氮磷養分需求量，kg/年;Pr，i為第i種作物總產量，kg/年;Qi為第i種作物形成100 kg產量的氮磷養分需求量，kg。

1.3.5 作物糞肥養分需求量 根據不同土壤肥力下，農田作物氮磷養分總需求量、施肥供給養分占比、糞肥占施肥比例和糞肥當季利用率測算作物糞肥養分需求量，計算公式為：

An，m=An，i×FP×MPMR;（5）

式中，An，m為作物糞肥養分需求量，t/年;An，i為作物養分總需求量，t/年;FP為作物養分總需求中施肥供給養分占比，%;氮磷施肥供給養分占比根據土壤氮磷養分含量確定[16];MP為畜禽糞肥養分需求量占施肥養分總量的比例，%;本研究基于種鵝場糞肥施用實際，MP取值為100%;MR為糞肥養分當季利用率，%，本研究中MR取值為30%。

1.3.6 農田糞肥施用量 單位面積糞肥施用量根據糞肥養分含量測定值進行計算。公式如下：

Mi=An，iCi;（6）

式中：Mi為第i種作物單位面積預期產量下需要的糞肥量，t/hm2;An，i為第i種作物糞肥養分需求量，t/年;Ci為施入農田糞肥的養分含量，%。

農田糞肥施用量由每種作物的糞肥施用面積和單位面積糞肥施用量計算得到。公式為：

TM=∑Si×Mi;（7）

式中：TM為農田糞肥施用量，t/年;Si為第i種作物糞肥施用面積，hm2。

2 結果與分析

2.1 糞便和養分產生量

種鵝糞便日排泄量約為350 g/羽，糞便TN、TP的日排泄量分別為3.85和1.05 g/羽。因此，鵝場糞便產生量為2 555 t/年，糞便TN、TP產生量分別為28.105、7.665 t/年。

2.2 鵝場糞污養分供給量

根據鵝場糞污收集處理過程，核算糞污“干清糞+水沖糞—堆肥+氧化塘—農田利用”模式種鵝場糞污管理過程的養分留存情況。由圖2可知，鵝場糞便TN產生量為28.105 t/年，TP產生量為 7.665 t/年。干清糞工藝的氮磷收集量為16.303、4.961 t/年，水沖糞沉淀后固體糞便的氮磷收集量為0.665、0.339 t/年。固體糞便經堆肥處理，最終可還田利用的氮磷留存量為6.247、4.038 t/年。水沖糞沉淀后，液體糞污的氮磷收集量為0.296、0.053 t/年。液體糞污經氧化塘貯存處理，最終可還田利用的氮、磷留存量為0.244、0.045 t/年。綜上可知，該鵝場的糞污經收集處理后，可還田施用的氮磷留存量為6.491、4.083 t/年，氮磷養分留存率為23.10%和53.27%。

2.3 糞污養分留存率

根據鵝場糞污管理過程的養分留存情況計算不同糞污收集方式（干清糞和水沖糞）和處理方式（堆肥和氧化塘貯存）的養分留存率，結果（表4）表明，干清糞過程TN、TP留存率為64.95%和72.47%，水沖糞過程為32.00%和47.86%;堆肥處理過程TN、TP留存率為36.82%和76.19%，氧化塘貯存處理過程為82.43%和84.91%。上述結果表明，鵝糞收集處理過程中，TN留存率一直高于TP，水沖糞收集過程氮磷損失較多，堆肥處理過程氮損失嚴重。因此，鵝場要優化糞污收集處理方式，保留更多養分以供資源化利用。

2.4 農田糞肥養分需求量

甜高粱、黑麥草、青貯玉米和菊苣的單位面積作物養分需求量見表5。由表5可知，基于單位面積作物養分需求量，考慮作物總養分需求量中需要施肥的比例、糞肥占施肥比例和糞肥當季利用率，估算農田不同作物的糞肥養分需求量。根據土壤全氮和有效磷含量可知，菊苣和青貯玉米土壤氮磷養分分級為Ⅲ級，施肥占比推薦值為55%，甜高粱和黑麥草土壤氮磷養分分級為Ⅱ級，施肥占比推薦值為45%。糞肥占施肥比例取值為100%，糞肥氮磷養分當季利用率取值均為30%。計算可知，農田作物糞肥氮、磷總需求量分別為7.77、1.60 t/年。

可還田施用的糞肥氮、磷供給量為6.491、4.083 t/年。因此，配套農田可以完全消納鵝場糞便中的氮，但會導致土壤磷盈余。考慮當前部分農田土壤磷含量仍處于中等水平的現狀，為維持農業高效生產，建議以農田糞肥氮需求量為指標施用糞肥，并合理配施無機氮肥;同時定期監測土壤磷含量，當土壤磷含量達到警戒值時，需以農田糞肥磷養分需求量為指標施用糞肥。

2.5 農田糞肥施用管理模式

根據鵝場糞肥養分供給量及配套農田糞肥養分需求量，制定農田糞肥施用管理模式。由表6可知，設定農田作物糞肥施用方式為固體有機糞肥做基肥、液體糞肥做追肥。液體糞肥通過管道按面積平均施用。

配套農田液體糞肥施用量平均為680 m3/hm2。以N投入為基礎，甜高粱、黑麥草、青貯玉米、菊苣的單位面積基肥施用量分別為45.74、16.09、144.34、8.05 t/hm2，共需基肥1 181.67 t/年;以P投入為基礎，甜高粱、黑麥草、青貯玉米、菊苣的單位面積基肥施用量分別為15.84、2.73、47.51、1.46 t/hm2，共需基肥377.33 t/年。

該農田糞肥施用管理模式表明，以氮投入為指標，配套農田可完全消納種鵝場產生的液體糞肥和固體糞肥，同時，為保證作物生長，需配施含氮量為17%的無機氮肥9.21 t。設置青貯玉米農田土壤配施無機氮肥，則青貯玉米農田配施的無機氮肥量為1.73 t/hm2。以磷投入為指標，配套農田年利用固體糞肥 377.33 t，此時糞肥中的磷在土壤中累積，持續改善農田土壤養分狀況。由表6可知，鵝場配套農田土壤氮缺乏、磷比較充足，但部分農田土壤磷含量仍有提升空間。在土壤養分未超標的情況下，可以以氮投入為指標施用糞肥。因此，實施種養結合的循環農業時，要制定合理的農田糞肥施用管理模式，做到精準施用糞肥。

3 結論與討論

3.1 不同收集處理方式對鵝糞養分留存情況的影響

畜禽糞肥從產生到農田利用過程中，經歷了多重養分損失階段，最終可施用于農田的糞肥養分量，遠低于新鮮糞便的養分產生量。賈偉等對糞污固液分離、堆肥和氧化塘貯存處理、還田利用模式的奶牛場糞肥養分留存情況進行理論計算，發現糞污氮、磷養分留存率為62%和84%[10]。本研究的種鵝場糞污在干清糞和水沖糞收集、堆肥和氧化塘貯存處理、還田過程的TN、TP留存率為23.10%和53.27%。因此，要采取措施提高鵝場糞污的氮磷留存率，降低養分損失和對環境的污染。

在鵝糞收集處理過程中，TN留存率一直低于TP留存率，這主要是由于氮易于化學轉化，可通過NH3和N2O揮發損失;磷化學形態則較為穩定，更多地保留在糞肥中。水沖糞過程TN、TP的留存率都較低，原因在于水沖糞過程中氮磷經歷了吸附、徑流、揮發等作用，水沖糞沉淀后固體糞便晾曬過程也會導致氮磷損失嚴重。已有研究分析糞污收集過程中氮磷養分留存情況，發現豬場干清糞過程TN留存率為65%～80%[12]，奶牛場干清糞過程TN、TP留存率為40%和60%[19]，水沖糞過程TN、TP留存率分別為90%和95%[20]。因此，建議種鵝場多采用干清糞收集方式，這也是規模養殖場主要的糞污收集方式[21]。在鵝場糞污處理過程中，堆肥處理過程TN損失較大，主要由于開放式堆肥過程NH3揮發作用強烈。劉燁等總結農業廢棄物厭氧發酵及堆肥過程氮素變化，發現氮元素主要轉變為NH3和N2O等氣體損失，堆肥過程TN留存率為57.66%～80.85%;沼液貯存過程TN留存率為62.69%～95.50%[22];畜禽糞便與秸稈發酵沼液靜置貯存 30 d 后TN留存率為54.88%[23];吳華山等探究豬糞沼液貯存過程中養分變化，發現貯存90 d的沼液中TN、TP含量留存率分別為15.69%～32.78%，6.55%～40.30%[24]。相較已有研究，鵝糞堆肥過程氮素損失較大，應采取保氮措施，降低堆肥過程氨揮發作用。如采取覆蓋措施[25]，調節堆肥過程的物料參數[2，11]，堆肥時加入生物炭、沸石、鋸末等吸附材料吸附氨氣[26-27]，加入硫酸、竹醋酸、明礬等酸化劑以降低堆肥pH值[28-29]，堆肥過程添加固氮菌劑[30]等。

3.2 種養結合模式下的農田糞肥養分施用量

隨著畜牧業規模養殖迅猛發展，畜禽糞污面源污染已經嚴重制約我國生態農業發展和鄉村振興，這就要求推行高效生態循環的種養結合模式。江蘇是農業大省，農田經數千年耕種，土壤貧瘠，迫切需要統籌考慮環境承載能力，推行糞污全量還田技術。歐盟成員國以糞肥N投入作為指標，硝酸鹽敏感區設定糞肥氮年施用量為170 kg/hm2，也有一些歐盟成員國以糞肥磷投入為指標，要求土壤糞肥磷年施用量不超過35 kg/hm2，以防止過量磷流失，造成水體富營養化[31]。本研究發現，農田作物單位面積糞肥TN、TP需求量分別為63.53～932.25 kg/hm2和8.25～198? kg/hm2。鵝場年產980 t固體有機糞肥和13 600 m3液體糞肥，以氮為基礎，需配施無機氮肥，且糞肥中的磷在農田土壤中累積。在農田土壤養分未超標的情況下，可以允許較高的糞肥施用量，改善土壤肥力。在江蘇這個養殖量大、種植面積有限的省份，推行種養結合、糞污還田的循環農業時，長期施用糞肥的土壤應定期檢測土壤養分含量，當農田土壤磷含量達到警戒值時，需以土壤磷投入為指標，進行糞肥施用，過量糞肥制成有機肥售賣或運送至其他土地施用。

綜上所述，對糞污“干清糞+水沖糞—堆肥+氧化塘—農田利用”種養結合模式的鵝場進行糞污養分管理，存欄量2萬羽的鵝場TN、TP排放量分別為28.105、7.665 t/年，可還田利用的糞肥TN、TP供給量為6.491、4.083 t/年，留存率為23.10%和53.27%。鵝場應多采用干清糞收集方式，堆肥處理過程糞便氮素損失較大，應采取保氮措施。基于氮磷養分平衡的農田糞肥養分施用管理策略，該鵝場糞肥氮磷養分供給情況為氮缺乏、磷過量。要制定合理的鵝場糞肥養分管理模式，提高糞肥利用水平，實現循環農業綠色可持續性發展。

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