基于土壤養分平衡的畜禽養殖承載力研究*

2018-12-13 08:32:36蔡美芳劉曉偉吳孝情吳仁人陳中穎盧文洲

土壤學報 2018年6期

關鍵詞：污染

蔡美芳劉曉偉吳孝情吳仁人陳中穎盧文洲

（環境保護部華南環境科學研究所國家環境保護水環境模擬與污染控制重點實驗室、廣東省水與大氣污染防治重點實驗室，廣州 510655）

畜禽糞便因含有豐富的養分（N、P2O5、K2O）往往作為有機肥返還農田［1］，據估算，2011年我國畜禽糞便的產生量已達到25.45×108t，其中的氮、磷含量分別達1419.76×104t和247.98×104t［2］，畜禽糞便帶來的氮、磷總量約為全年施用化肥中所含氮磷的78.9%和57.4%［3］。2017年，全國畜禽糞尿量已高達38×104t［4］，為了加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用，促進農業可持續發展，2017年6月12日，國務院辦公廳發布了《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》并明確提出，到2020年，全國畜禽糞污綜合利用率達到75%以上。因此，利用好畜禽糞便不但可以減少化學肥料的用量，有效降低畜禽養殖帶來的面源污染，還能增加土壤有機質，實現減肥增效和農田可持續利用。但是，當一定區域內畜禽產生的糞便超過作物生長需要和土壤的自凈能力時，就會出現土壤N、P盈余［5-6］，過量的N、P便會通過地表徑流和淋溶進入河流、湖泊和地下水，造成水體污染。為了控制畜禽糞便污染，歐盟委員會明確規定每年投入農田的糞便氮素不得超過170 kg·hm-2［7］，挪威、瑞典和愛爾蘭還分別規定了每年糞便磷的最高施用量為35、22和40 kg·hm-2［8］。

目前國內外有關畜禽養殖的研究主要集中在畜禽糞便組分、環境風險評估以及畜禽養殖承載力研究等方面［9-12］，而基于土壤氮磷平衡的畜禽養殖承載力研究則相對較少。為了合理控制畜禽養殖規模，有效防治畜禽養殖污染，保障農業可持續發展，本研究以江門市新會區為研究對象，選取水田、菜地、園地和林地4種農用地類型，測定土壤N、P養分以及As、Cu、Zn等重金屬含量，基于養分平衡模型，通過量化核算區域N、P的輸入和輸出項，判斷氮、磷盈余或缺損，并將區域內能承受的輸入量間接轉化為豬當量畜禽數量，即適宜的養殖量，以期為其他地區的畜禽養殖污染防治規劃提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與數據收集

2017年8月26—29日，在廣東省江門市新會區選擇水田、菜地、園地、林地四種農用地土壤類型，按照《農田土壤環境質量監測技術規范》（NY/T 395-2012）和《土壤檢測第1部分：土壤樣品的采集、處理與貯存》（NY/T 1121.1-2006）的要求，采用梅花布點和四分法共采集土壤樣品35個，其中水田、菜地、園地各10個，林地5個，采樣點分布見圖1。監測指標包括pH、土壤電導率（EC）、有機質、全氮、全磷、速效氮、有效磷以及Cu、Zn、As等重金屬共10個指標，其中，pH和EC采用電極法測定，有機質采用重鉻酸鉀滴定法測定，全氮和速效氮分別采用凱氏法和堿解法進行測定，全磷和有效磷分別采用分光光度法和鉬銻抗比色法進行測定，Cu、Zn、As采用分光光度法測定。

本研究中各種農作物的種植面積和產量數據來源于新會區統計年鑒，每形成100 kg作物的N、P需求量見表1。

圖1 土壤采樣點分布Fig. 1 Soil sampling sites

表1 作物形成100 kg產量需要的養分量Table 1 Nutrients required per 100 kg crop produced

續表

1.2 研究方法

根據土壤中養分的平衡原理，即：盈余量=輸入量-輸出量，本研究通過量化核算區域內氮、磷元素的輸入和輸出項，判斷氮、磷盈余或缺損，并將區域內能承受的輸入量間接轉化為豬當量畜禽數量，即為適宜的養殖量。

在一定的土地供肥能力和單位面積農作物產量條件下，考慮由畜禽糞便提供一定比例的農業生產需肥量的情況下，計算獲得的土地當量畜禽的承載量，計算公式如下：

式中，N為需要施加的畜禽糞便量，t·hm-2；A為單位面積產量作物需要吸收的養分量；即需肥量，t·hm-2；S為單位面積土壤的供肥量，t·hm-2；d為畜禽糞便（干基）中營養元素的含量（N為1%，P為0.9%）；r為畜禽糞便的當季利用率，%，本研究取30%；f為畜禽糞便的施用量占施肥總量的比例，%。

根據《2015年新會區統計年鑒》，新會區主要種植的農作物包括水稻、玉米、薯類、大豆、花生、蔬菜以及柑桔橙、香大蕉、荔枝、龍眼、番石榴等水果，主要的林產品為蒲葵，農作物的產量分別見表2，結合單位產品N、P需求量，便可計算出農業生產需肥量A。

表2 2015年新會區主要農產品產量（噸, 蒲葵單位為萬柄)Table 2 Yields of the main agricultural crops in Xinhui in 2015(t, the unit for Chinese fan palm is 104 plant）

采用《畜禽糞便農田利用環境影響評價準則》（GBT26622-2011）和《畜禽糞便還田技術規范》（GB/T 25246-2010）中推薦的方法計算單位面積土壤供氮和供磷量(S)：

式中，2.25×10-3表示土壤養分（N、P）的換算系數，土壤耕作層深度通常為20 cm，其每hm2土壤總重約為225×104kg，C表示土壤中N、P元素的測定值，mg·kg-1，t表示校正系數，因土壤具有緩沖能力，測定值只是代表供肥潛力，實際能被作物吸收的量只占測定值的一部分，可取0.5［18］。

2 結果與討論

2.1 土壤肥力水平

新會區農用地土壤的有機質、N、P含量結果見表3。從該表中可看出，新會農用地土壤中有機質平均含量在3.57%～3.80%之間，全氮平均含量在1.70～1.91 g·kg-1之間，有效氮平均含量在97.21～149.9 mg·kg-1之間，全磷平均含量在0.88～1.41 g·kg-1之間，有效磷平均含量在49.7～166.5 mg·kg-1之間。在水田、菜地、園地和林地四種農用地中，水田的有機質、全磷和有效磷的平均含量最低，林地的有機質、全氮、有效氮和全磷的平均含量最高，果園的全氮平均含量最低，菜地的有效磷平均含量最高。

本研究按照《畜禽糞便還田技術規范》（GB/T 25246-2010）推薦的土壤肥力分級標準，根據土壤全氮含量進行新會區農用地土壤肥力水平評價，結果顯示，在所監測的點位中，新會區土壤肥力等級較高，水田和林地肥力全為Ⅰ級，菜地除崖門鎮為Ⅲ級外，其余全為Ⅰ級，果園除大澤和雙水為Ⅱ級外，其余也為Ⅰ級，Ⅰ級點位數占所有監測點位的91.4%。

2.2 土壤Cu、Zn、As含量

根據土壤采樣監測結果，按照《農用地土壤環境質量標準》（三次征求意見稿），采用單因子指數法對新會區土壤中Cu、Zn、As污染情況進行評價，結果見表4。在所監測的所有菜地中，未出現Cu、Zn、As超標，部分果園土壤出現As超標，這可能與果園曾經使用含砷農藥有關，超標的點位分別為羅坑、沙堆、古井三個鎮，超標倍數分別為0.25、1.32、0.49此外，雙水和司前的水田、古井的林地也出現了As超標，超標倍數分別為0.15、0.08和0.23。

為了促進畜禽生長和提高免疫力，動物飼料中往往加入含Cu、Zn、As等重金屬的添加劑，然而，由于動物對Cu、Zn、As添加劑的利用率較低，導致這些重金屬隨畜禽糞便進入環境，引起土壤重金屬污染，尤其是As污染。有研究表明，豬飼料中As、Cu、Zn的平均含量分別為6.5、119.4、486.2 mg·kg-1，經過禽畜消化吸收后還會在禽畜糞中富集［19］。另有調查表明，廣東集約化養殖場豬糞中As、Cu、Zn的平均含量分別達89.3、765.1、1128 mg·kg-1；雞糞中As、Cu、Zn的平均含量分別達21.6、107.5、366.6 mg·kg-1［20］。因此，施用畜禽糞肥可能會導致土壤重金屬污染。

表3 新會區農用地土壤有機質、N、P測定結果(速效氮、有效磷單位為mg·kg-1，其余為g·kg-1)Table 3 Organic matter, nitrogen and phosphorus contents in farmland soils of Xinhui (the unit for available N and P is mg·kg-1，and for the rest, g·kg-1)

續表

2.3 土壤養分供需平衡

根據新會區土壤中N、P含量監測結果，利用式（2）分別計算各鎮街單位面積農用地供氮量和供磷量，并與農作物生產需要的養分量進行比較，以需要施肥量來表征土壤養分的盈虧狀況（“-”表示盈，“+”表示虧），見表5。從這些表可看出，除大澤外，其余10個鎮街的部分土壤均出現了供肥能力大于作物需肥量的情況，N、P肥料過量施用，P肥最為突出，其中，會城、三江和大鰲的所有農用地均存在土壤P肥或N肥過?，F象，會城園地和大鰲水田還同時出現N肥和P肥過剩，這與前人的研究結論［5-6］一致，因此，畜禽糞便中P2O5是限制畜禽糞便農田施用的主要限制因素。

2.4 適宜養殖量與現狀養殖量

根據調查，目前新會區有機肥施用比例約為20%，畜禽糞便收集率為70%（流失率30%），利用式（1）和式（2）計算出新會各鎮街適宜的養殖量（見表6），全區總的養殖量為27萬頭豬當量。同時，根據新會區農林局提供的畜禽養殖種類和數量，結合廣東省地方標準《畜禽養殖業污染物排放標準》，按30只蛋雞、30只鴨（蛋鴨和肉鴨）、30只兔、3只羊、15只鵝、60只肉雞折算成1頭豬；1頭奶頭折算10頭豬，1頭肉牛折算成5頭豬的折算標準，按豬當量計算各鎮街畜禽養殖量，全區現狀養殖總量為125.7萬頭豬當量。此外，根據《廣東國民經濟和社會發展統計公報》（2016），獲得年人均肉類消耗量為37.8kg，按每出欄1頭豬產肉75kg計，結合新會區人口數據，可算出基于新會區肉類需求的養殖量，為38萬頭豬當量。由此可見，現狀全區的養殖總量已經遠遠超出了適宜的養殖量和肉類需求量，需要大幅度削減養殖規模?；诔休d力的畜禽養殖量分布不均衡，其中，會城、三江、大鰲三個鎮已經沒有養殖空間，適宜養殖的區域主要分布在雙水和司前兩個鎮。

3 結論

新會區部分農用地土壤存在過量施肥現象，2015年全區化肥平均施用強度為367 kg·hm-2（按種植面積計算），超出了發達國家提出的警戒線（225 kg·hm-2）。新會區現狀畜禽養殖總量大，遠遠超出了畜禽養殖承載力，除崖門和睦州兩個鎮外，其余8個鎮都需要大幅削減養殖量才能滿足畜禽養殖承載力的要求。此外，部分農用地土壤出現As超標，畜禽糞肥農用的環境風險不容忽視。因此，新會區在施用畜禽糞肥時除了要考慮土壤的養分平衡，防止N、P盈余和累積外，還需關注糞肥帶來的As污染風險。