畜禽糞肥還田最遠(yuǎn)運輸距離及其影響因素

鄧 兵，彭潘婷，濮振宇，呂周亞，冉志平，文江輝

（1.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，武漢 430208；2. 武漢理工大學(xué)，武漢 430070）

中國大力推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化和調(diào)整。畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中所占比重不斷增加，對鄉(xiāng)村振興工作的推進(jìn)起到了重要作用［1］。畜牧業(yè)發(fā)展的同時，也帶來了畜禽糞肥的處理利用問題，該問題已成為限制畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素［2］。畜禽糞肥含有大量作物生長所需的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分，不僅可以在農(nóng)作物的種植過程中替代化肥大量使用，還可以有效解決養(yǎng)殖場廢棄物的利用問題，減少溫室氣體排放量。2020 年國務(wù)院辦公廳出臺《關(guān)于促進(jìn)畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》，對畜禽糞肥綜合利用進(jìn)行了明確要求［3］。畜禽糞肥還田利用成為國家處理糞肥的主推方式，國家大力支持符合條件的縣（市、區(qū)）推進(jìn)畜禽糞肥資源化綜合利用，支持農(nóng)民合作社、家庭農(nóng)場等在種植業(yè)生產(chǎn)中施用畜禽糞肥［4-6］。

由于畜禽糞肥的養(yǎng)分含量相對較低，同等養(yǎng)分含量下糞肥的質(zhì)量遠(yuǎn)大于化肥，導(dǎo)致運輸不便。如果糞肥的施用成本高于化肥，農(nóng)戶使用糞肥的積極性將受到影響。因此，有必要從經(jīng)濟(jì)角度對各種糞肥的施用成本進(jìn)行分析，探討糞肥施用的最遠(yuǎn)運輸距離（即施用糞肥的投入成本低于化肥的投入成本下最遠(yuǎn)的運輸距離，以下簡稱最遠(yuǎn)運輸距離）。最遠(yuǎn)運輸距離受糞肥種類、糞肥養(yǎng)分含量及作物養(yǎng)分需求等因素影響［7］，對優(yōu)化資源配置，指導(dǎo)農(nóng)戶高效合理利用畜禽糞肥具有重要意義。

國內(nèi)外有關(guān)糞肥替代化肥最遠(yuǎn)運輸距離的相關(guān)研究較少。2004 年，曾悅等［8］僅分析了在糞肥與化肥使用費用持平的情況下，雞糞、豬糞、牛糞等的最遠(yuǎn)運輸距離。Adhikari 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，得克薩斯州中部地區(qū)奶牛場牛糞用于主要農(nóng)作物（花生、玉米、小麥、燕麥、高粱）種植時的最遠(yuǎn)運輸距離為28～41 km，當(dāng)肥料含水量從50%降至40%，可以使最遠(yuǎn)運輸距離增加10 km。而周媛媛［10］則發(fā)現(xiàn)糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離為2 km。上述研究只是分析了特定條件下糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離，而不同畜禽糞肥的養(yǎng)分含量、不同地域的人工成本、運輸成本等均存在差異，這些因素如何影響畜禽糞肥還田最遠(yuǎn)運輸距離，有待進(jìn)一步研究。

本研究通過建立糞肥施用經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)模型，分析了不同糞肥種類、不同種植作物情況下糞肥施用比例、單位人工成本和運輸成本等因素對最遠(yuǎn)運輸距離的影響，以期為優(yōu)化畜禽糞肥還田利用路徑、降低糞肥還田成本提供借鑒，對促進(jìn)糞肥資源化利用具有重要的現(xiàn)實和理論意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 糞肥中氮養(yǎng)分含量 不同畜禽鮮糞氮養(yǎng)分含量詳見表1［11］。

表1 不同畜禽鮮糞氮養(yǎng)分含量

1.1.2 農(nóng)作物單位種植面積氮養(yǎng)分需求量 選取的農(nóng)作物包括小麥、水稻、玉米、花生、油菜，根據(jù)作物單位面積產(chǎn)量、每生產(chǎn)100 kg 作物的氮吸收量計算單位種植面積作物對氮養(yǎng)分的需求量，作物單位面積年產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自武漢市統(tǒng)計年鑒。每產(chǎn)出100 kg作物，植株氮養(yǎng)分的需求量來自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳《畜禽糞肥土地承載力測算技術(shù)指南》［12］。確定的單位種植面積作物氮養(yǎng)分需求量參數(shù)見表2。

表2 單位種植面積作物氮養(yǎng)分需求量

1.1.3 糞肥的施用成本 尿素價格為2.23 元∕kg，尿素含氮量為46%，糞肥的運輸費用為5 元∕（t·km），當(dāng)?shù)厝斯r格按150 元∕d 計算，糞肥施用面積按0.27 hm2∕（人·d）計算。

1.2 糞肥施用經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)模型相關(guān)參數(shù)

以盈虧平衡分析（Breakeven analysis）法為基礎(chǔ)，認(rèn)為農(nóng)田因使用糞肥而減少的化肥使用費是糞肥產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，即成本是糞肥的使用費（施用和運輸費用），效益是減少的化肥使用費。在費用和效益持平的情況下，得出糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離。

1.2.1 農(nóng)作物對氮養(yǎng)分的需求量 參考農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳《畜禽糞肥土地承載力測算技術(shù)指南》［12］，農(nóng)田對氮養(yǎng)分的需求量計算式如下。

式中，Nqd表示農(nóng)田內(nèi)作物對氮養(yǎng)分的需求量，kg∕年；X表示農(nóng)田的面積，hm2；n表示單位種植面積某一作物對氮養(yǎng)分的需求量，kg∕（hm2·年）；? 表示作物對氮養(yǎng)分的吸收利用指數(shù)。糞肥中氮養(yǎng)分當(dāng)季利用率推薦值為25%～30%，本研究取最小值25%，單位種植面積某一作物對氮養(yǎng)分的需求量計算式如下。

式中，ω表示某一作物的年產(chǎn)量，kg；ξ表示產(chǎn)出100 kg某一作物對氮養(yǎng)分的需求量，kg。

1.2.2 運輸成本 運輸成本由糞肥的運輸價格和平均運輸距離決定，計算式如下。

式中，y1表示運輸成本，Pd表示糞肥的運輸價格，元∕（t·km）；R表示平均運輸距離，km；A表示畜禽糞肥總運輸量，t。

1.2.3 勞動成本 勞動成本指施用畜禽糞肥的費用，計算式如下。

式中，y2表示勞動成本，PL表示人工施肥費用，元∕（人·天）；m表示單位勞動力一天的施用畜禽糞肥面積，hm2。

1.2.4 畜禽糞肥氮養(yǎng)分供給量與農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求量 畜禽糞肥氮養(yǎng)分的供給量計算式如下。

式中，Nsq表示氮養(yǎng)分的供給量，kg；TN表示畜禽糞肥的含氮量。農(nóng)作物對土壤中氮養(yǎng)分的需求量計算式如下。

1.3 糞肥施用經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)

畜禽糞肥農(nóng)田施用的費用由兩部分組成，第一部分為替代化肥所帶來的效益（節(jié)約的化肥費用），第二部分為糞肥施用和運輸所花費的成本，二者相減得到農(nóng)戶使用糞肥的總效益S。Zhang 等［5］研究表明，有機(jī)肥和化肥混合使用有利于增加作物產(chǎn)量，下面將全部施用糞肥的理想狀態(tài)和糞肥、化肥混合施用2 種情況分開討論。

1.3.1 全部施用糞肥 全部施用糞肥的總效益S計算式如下。

式中，PN表示氮素價格。把氮養(yǎng)分的需求量表達(dá)式和兩項成本代入，得到式子如下。

以農(nóng)田種植水稻時施用肉雞糞肥為例，最經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)計算式如下。

1.3.2 糞肥和化肥混合施用 假設(shè)糞肥的施用比例系數(shù)為k（0 ≤k≤1），效益函數(shù)如下。

1）糞肥氮養(yǎng)分的供給量和農(nóng)田中作物對氮養(yǎng)分的需求量滿足如下關(guān)系式。

2）補(bǔ)施氮肥的成本如下。

增加糞肥施用比例系數(shù)后的經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)表達(dá)式如下。

整理后計算式如下。

以農(nóng)田種植水稻時施用肉雞糞肥為例，考慮不同糞肥使用比例情況下的經(jīng)濟(jì)效益，單位種植面積的糞肥施用效益函數(shù)如下。

1.4 糞肥施用比例對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

當(dāng)運輸距離超過一定范圍時，運輸成本增加，使用化肥會比施用畜禽糞肥更加劃算，農(nóng)戶使用糞肥的意愿降低，糞肥利用價值減少。對糞肥的總經(jīng)濟(jì)效益S進(jìn)行求偏導(dǎo)，得到最遠(yuǎn)運輸距離Rmax。

1.4.1 全部施用糞肥 最遠(yuǎn)運輸距離計算式如下。

1.4.2 糞肥和化肥混合使用 最遠(yuǎn)運輸距離計算式如下。

1.5 單位面積作物氮養(yǎng)分需求量對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

以施用肉雞糞肥為例，將具體數(shù)據(jù)代入式（15），最遠(yuǎn)運輸距離與每公頃農(nóng)田作物對氮養(yǎng)分需求量之間滿足如下關(guān)系式。

1.6 糞肥氮養(yǎng)分含量對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

以種植水稻為例，將具體數(shù)據(jù)代入式（15），最遠(yuǎn)運輸距離與糞肥氮養(yǎng)分含量之間的關(guān)系式如下。

1.7 單位勞動力成本對糞肥最遠(yuǎn)運輸距離的影響

以種植水稻時施用肉雞糞肥代替化肥為例，將具體數(shù)據(jù)代入式（15），最遠(yuǎn)運輸距離與單位人工成本之間滿足如下關(guān)系式。

1.8 單位運輸成本對糞肥最遠(yuǎn)運輸距離的影響

以種植水稻時施用肉雞糞肥代替化肥為例，將具體數(shù)據(jù)代入式（15），最遠(yuǎn)運輸距離和單位運輸成本之間的關(guān)系式如下。

1.9 糞肥施用比例系數(shù)與最遠(yuǎn)運輸距離

糞肥和化肥混合使用時，最遠(yuǎn)運輸距離隨著2種肥料配比的不同而發(fā)生改變，以種植水稻時施用肉雞糞肥代替化肥為例，將數(shù)據(jù)代入式（16），二者之間滿足的關(guān)系式如下。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞肥還田最遠(yuǎn)運輸距離分析

畜禽糞肥最遠(yuǎn)運輸距離主要與畜禽糞便種類、種植作物類型、糞肥施用比例、單位運輸成本、運距離運輸成本和單位人工成本等因素有關(guān)。對不同種類糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離進(jìn)行分析,有利于農(nóng)戶掌握糞肥使用的經(jīng)濟(jì)性。

Zhang 等［5］2020 年通過Meta 分析，表明種植作物時完全施用畜禽糞肥有利于降低溫室氣體的排放，而糞肥與化肥混合施用時，則有利于增加作物的產(chǎn)量。本研究分析了單獨施用糞肥和混合施用化肥、糞肥2 種情境下的最遠(yuǎn)運輸距離。種植水稻所需氮養(yǎng)分，全部由糞肥提供的經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)見圖1a；80%由糞肥提供，20%由化肥提供的經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)見圖1b。

圖1 不同施肥模式下的經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)

2.2 糞肥種類對最遠(yuǎn)運輸距離的影響分析

由于不同作物對氮養(yǎng)分的需求存在差異，采用式（15）和式（16）計算不同作物施用不同類型糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離（圖2）。圖2a 表示在100%施用糞肥情況下種植不同作物糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離。圖2b表示按照農(nóng)田種植作物對氮養(yǎng)分的需求，在施用80%糞肥和20%化肥時種植不同作物糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離，以水稻種植時全部施用糞肥為例（圖2c），肉雞糞肥、蛋雞糞肥、豬糞肥、肉牛糞肥和奶牛糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離分別為6.39、6.30、2.84、2.13、1.95 km；80%施用糞肥，20%施用化肥則為4.15、4.09、1.84、1.38、1.27 km。

圖2 不同糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離差異比較

施用不同種類糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離存在明顯差異。最遠(yuǎn)運輸距離由遠(yuǎn)到近的順序依次為肉雞糞、蛋雞糞、豬糞、肉牛糞、奶牛糞。產(chǎn)生該差異的原因主要與畜禽糞肥的氮氧分含量有關(guān)。施用同一種糞肥，當(dāng)種植作物不同時，最遠(yuǎn)運輸距離也存在明顯差異，其中小麥的運輸距離最短，花生的運輸距離最長，這主要與單位種植面積作物對氮氧分需求量的差異有關(guān)。

以種植水稻為例，將80%施用糞肥的情況與全部施用糞肥的情況進(jìn)行對比（圖2c），結(jié)果表明，當(dāng)糞肥替代化肥時，最遠(yuǎn)運輸距離呈下降趨勢。肉雞糞肥、蛋雞糞肥、豬糞肥、肉牛糞肥、奶牛糞肥運輸距離分別縮短2.24、2.21、1.00、0.75、0.68 km。由此可見，雞糞的運輸距離受施用比例的影響較大，但80%施用糞肥時，雞糞的最遠(yuǎn)運輸距離仍明顯高于豬糞和牛糞。

2.3 不同糞肥施用比例對最遠(yuǎn)運輸距離的影響分析

從圖3 可以看出，隨著糞肥占比的增加，最遠(yuǎn)運輸距離逐漸增加，其中蛋雞糞肥和肉雞糞肥所對應(yīng)的最遠(yuǎn)運輸距離增加最為明顯。

圖3 糞肥占比對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

2.4 作物對氮養(yǎng)分的需求量與最遠(yuǎn)運輸距離的關(guān)系分析

不同農(nóng)作物對氮養(yǎng)分的需求量不同，為了更直觀地反映不同農(nóng)作物對氮養(yǎng)分的需求量與最遠(yuǎn)運輸距離間的關(guān)系，計算30～300 kg∕hm2氮養(yǎng)分需求對最遠(yuǎn)運輸距離的影響，從圖4 可以看出，在30～200 kg∕hm2氮養(yǎng)分需求量的情況下，不同畜禽糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離隨著作物對氮養(yǎng)分需求量的增加而增大，需求量大于200 kg∕hm2后最遠(yuǎn)運輸距離趨于平穩(wěn)。

圖4 作物氮養(yǎng)分需求量與最遠(yuǎn)運輸距離之間的關(guān)系

2.5 糞肥氮養(yǎng)分含量對最遠(yuǎn)運輸距離的影響分析

由于畜禽糞肥的氮養(yǎng)分含量與畜禽種類、糞肥發(fā)酵程度等多個因素有關(guān)，為了更直觀地反映不同糞肥氮養(yǎng)分含量對最遠(yuǎn)運輸距離的影響，以種植小麥、水稻、花生3 種農(nóng)作物為例，分析糞肥氮養(yǎng)分含量在0.1%～1.0%范圍內(nèi)對最遠(yuǎn)運輸距離的影響。從圖5 可以看出，隨著氮養(yǎng)分含量的增加，最遠(yuǎn)運輸距離也明顯增加，且二者呈正比，即提高糞肥中的氮養(yǎng)分含量可以有效增加糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離。

圖5 糞肥氮養(yǎng)分含量對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

2.6 糞肥施用的人工成本對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

糞肥施用的人工成本對糞肥最遠(yuǎn)運輸距離的影響見圖6。由圖6 可知，在糞肥施用過程中，當(dāng)人工成本從100 元∕（d·人）提高至300 元∕（d·人）時，最遠(yuǎn)運輸距離下降較明顯，其中雞糞對單位人工成本的敏感性最強(qiáng)。

2.7 運輸成本對最遠(yuǎn)運輸距離的影響

運輸成本對最遠(yuǎn)運輸距離的影響見圖7。從圖7 可以看出，單位運費在2～8 元∕（t·km）時，隨著單位運輸成本的提高，最遠(yuǎn)運輸距離呈下降趨勢，且下降明顯，當(dāng)單位運費超過14 元∕（t·km）時，最遠(yuǎn)運輸距離隨單位運輸成本波動較小。其中，雞糞的最遠(yuǎn)運輸距離受單位運輸成本的影響最大。

圖7 運輸成本對最遠(yuǎn)運輸距離影響

3 小結(jié)與討論

畜禽糞肥中含有豐富的氮、磷、鉀等作物所需養(yǎng)分，還含有豐富的具有改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤保肥能力、促進(jìn)作物生長等多種作用的有機(jī)質(zhì)。建議農(nóng)戶在種植作物的過程中，盡量選擇畜禽糞肥替代化肥。由于糞肥養(yǎng)分含量低、體積大等特點，建議用戶就近使用畜禽糞肥。但不同糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離并不相同，從本研究結(jié)果來看，雞糞的最遠(yuǎn)運輸距離較遠(yuǎn)，這與雞糞中氮養(yǎng)分含量高于其他畜禽糞肥有關(guān)。

Zhang 等［5］2020 年通過對大量的研究進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn)，將糞肥與化肥配合施用，將有利于提高作物的產(chǎn)量。主要原因是糞肥或有機(jī)肥對作物而言，不是全價肥，不能完全滿足作物的生長需求。建議農(nóng)戶在選擇施用糞肥時，盡量根據(jù)作物對養(yǎng)分的需求，選擇與化肥配合施用。當(dāng)選擇糞肥、化肥配合施用時，糞肥還田最遠(yuǎn)運輸距離有一定程度的降低。

通過不同農(nóng)作物對氮養(yǎng)分的需求量、糞肥不同氮養(yǎng)分含量對最遠(yuǎn)運輸距離的影響分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物對氮養(yǎng)分需求量越大，糞肥中的氮養(yǎng)分含量越高，則糞肥的最遠(yuǎn)運輸距離就越遠(yuǎn)。說明在對畜禽糞肥遠(yuǎn)距離運輸前，應(yīng)采取一定的處理措施，盡可能地提高糞肥中的氮養(yǎng)分含量，可以提高糞肥的運輸距離。研究還發(fā)現(xiàn)，糞肥的單位運輸成本和施用人工成本對其最遠(yuǎn)運輸距離的影響較大，因此需結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H，在合理的范圍內(nèi)施用糞肥。