山東省畜禽糞污土地承載力時空分異特征分析

鄭 莉，張晴雯*，張愛平，劉杏認，劉士清，韓 聰

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,北京 100081；2.濱州市污染物排放總量控制辦公室，山東 濱州 256600）

畜牧業是農業甚至整個國民經濟的重要組成部分[1]。然而，隨著近年來畜牧業特別是規模化養殖業的迅猛發展，由畜禽養殖帶來的環境污染問題日益顯現[2]。2010年國家統計局發布第一次全國污染源普查公報，其中對畜禽養殖業196萬個對象進行普查，數據顯示畜禽養殖業產生糞便約2.43億t，尿液約1.63億t。主要水污染物排放化學需氧量1 268.26萬t，總氮102.48萬t，總磷16.04萬t，占全國排放總量的37.90%、21.67%和41.87%[3]。畜禽養殖業成為環境污染的主要來源之一[4]。高投入、高消耗、高污染的畜牧業發展方式不僅嚴重影響了我國生態環境質量，還限制了畜牧業的可持續發展。種養結合模式將作物種植與畜禽養殖結合在一起，兩者的協同效應可以促進農作物增產，提高畜禽糞污資源利用率，促進農業可持續發展[5]。種養結合模式有望成為禽畜養殖業糞污處理未來的發展方向[6]，但畜禽糞污養分產生量與農田消納量是否匹配影響了養殖業的可持續發展。分析評價畜禽糞便有效N、P養分量和作物N、P養分需求之間匹配關系對減少污染實現可持續農業具有重要意義[7]。

山東省是我國農業大省，糧食主產區之一，其畜牧產業規模多年位居全國第一。孫晨曦等[8]通過計算山東省各市畜禽養殖COD、氨氮的排放量，評價了山東省畜禽糞污環境污染現狀，楊軍香等[9]以山東省統計數據為例，確定了不同種植模式下的土地適宜載畜量，吳金欣等[10]以資源利用最大化和環境影響最小化原則，分析了山東省種植與養殖結構優化配置量化關系，但是均未進行時空演變特征的比較和分析。由于養殖結構以及糞污收集處理方式的差異，不同區域和不同時期畜禽糞便的產生量不一致，對環境的污染存在差異，這也就產生了畜禽糞便的時間和空間分布差異[11]。因此，有必要摸清不同時期山東省各市畜禽糞尿及其養分資源量的分布特征和變化規律，旨在為畜禽糞尿養分資源利用提供數據支撐。

目前國內對于畜禽養殖量較大區域的農田畜禽糞便環境承載力的評估已有較多研究，多采用負荷警報值分級[12-14]、灰色預測模型對畜禽養殖環境承載力進行評估[15-17]。為推進畜禽糞污資源化利用，優化調整畜牧業區域布局，促進農牧結合、種養循環農業發展，原農業部制定了《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》，為定量評估畜禽糞污土地承載力提供了計算標準。本文在結合前人研究的基礎上，結合山東省的實際情況，時間分布選取近十年山東省年鑒數據，空間分布選取山東省2017年分市年鑒數據，對畜禽糞便養分供給量、植物糞污養分需求量進行核算，采用畜禽糞污土地承載力指數對各區域農田畜禽糞污負荷進行評估，分析山東省不同時間不同區域畜禽糞便年排放量及負荷的差異，并進行分析比較，揭示不同區域的畜禽糞便負荷與污染特征及其動態變化規律，為優化畜禽養殖結構，推動區域畜禽養殖綠色發展，實現農業可持續發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 農作物糞污養分需求量

農作物種類、播種面積、產量來自于山東省2017年統計年鑒[18]。每100 kg產量N、P養分的需求量參考《土地承載力測算技術指南》[19]（表1）。

山東省區域植物氮（磷）養分需求總量計算公式如下：

式中：An,i代表區域內植物氮（磷）養分需求總量，t·a-1；Pr,i代表區域內第i種作物總產量，t·a-1；Qi代表區域內第i種作物的100 kg收獲物需氮（磷）量，kg；At,j代表區域內第j種人工林地總的種植面積，hm2；Qj代表區域內第j種人工林地的單位面積年生長量需要吸收的氮（磷）養分量，kg·hm-2。

植物的糞污養分需求量按公式（2）計算。

式中：An,m代表區域內植物糞污養分需求量，t·a-1；An,i代表區域內植物氮（磷）養分需求量，t·a-1；FP代表作物總養分需求中施肥供給養分占比，%；MP代表農田施肥管理中，畜禽糞污養分需求量占施肥養分總量的比例，%；MR代表糞污當季利用率，%。糞污N素利用率25%～30%，P素當季利用率30%～35%。

根據山東土壤養分特征（表2）和表3，確定土壤N、P養分分級為Ⅰ級，施肥供給占比為35%。有機肥與化肥配施比例按25%計算[20]。糞污N、P素當季利用率參考《土地承載力測算技術指南》分別取30%、35%。

1.2 畜禽糞污總養分供給量

山東省畜禽數量數據來源于2017年山東省統計年鑒[18]、中國統計年鑒（2008—2017）[21]、中國畜牧業年鑒（2008—2017）[22]，畜禽種類主要包括豬、奶牛、肉牛、山羊、綿羊、家禽、兔。不同畜禽的N、P日排泄量參考《土地承載力測算技術指南》（表4）。

表1 山東省主要作物產量及形成100 kg產量吸收的氮、磷、鉀養分量Table 1 Main crop yields in Shandong Province and nitrogen，phosphorus and potassium nutrients absorbed by 100 kg production

表2 山東省耕地土壤養分特征Table 2 Characteristics of soil nutrients of arable land in Shandong Province

表3 土壤不同N、P養分水平下施肥供給養分占比推薦值Table 3 The nutrient proportion of fertilizing under different nitrogen and phosphorus nutrient levels in soil

畜禽糞便養分產量按公式（3）計算：

式中：Qr,p代表區域內畜禽糞便養分產生量，t·a-1；Qr,p,i代表區域內第i種畜禽糞便養分產生量，t·a-1；APr,i代表區域內第i種動物年均存欄量，頭（只）；MPr,i代表第i種動物糞便中N、P的日產生量，g·d-1·頭-1。

畜禽糞污養分收集量按公式（4）計算：

式中：Qr,C代表區域內畜禽糞污養分收集量，t·a-1；Qr,C,i代表區域內第i種畜禽糞污養分收集量，t·a-1；Qr,p,i代表區域內第i種畜禽糞污養分產生量，t·a-1；PCi,j代表區域內第i種動物在第j種清糞方式所占比例，%；PLj代表第j種清糞方式氮（磷）養分收集率，%，見表5。

表4 2016年山東省不同畜禽（不區分畜禽生長階段）的日排泄N、P量Table 4 Daily excretion of nitrogen and phosphorus of different livestock and poultry in Shandong Province（Does not differentiate livestock and poultry growth stages）

不同清糞比例按全國的干清糞占72%，水沖清糞占28%[24]。

不同畜禽糞污的處理方式N、P養分留存率參考《土地承載力測算技術指南》，見表6。

畜禽糞污總養分供給量按公式（5）計算。

式中：Qr,Tr代表區域內畜禽糞污處理后養分供給量，t·a-1；Qr,Tr,i代表區域內第i種畜禽糞污處理后養分供給量，t·a-1；PCi,k代表區域內第i種動物在第k種處理方式所占比例，%；PLk代表第k種處理方式氮（磷）養分留存率，%。

不同畜禽糞污處理方式按全國厭氧發酵占7%，固體貯存占92%，堆肥占1%計算[25]。

1.3 區域畜禽糞污土地承載力

將山東省的總糞污養分供給量按公式（6）折算成單位豬當量養分供給量。

式中：NSr,a代表單位豬當量糞污養分供給量，kg·豬當量-1·a-1；Qr,Tr代表區域內畜禽糞污總養分供給量，t·a-1；A代表區域內飼養的各種動物根據豬當量換算系數，折算成豬當量的飼養總量，豬當量。

將不同的畜禽換算成豬當量，1頭豬按存欄量折算：100頭豬相當于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2500只家禽[26]，1頭豬相當于60只兔[27]。

表5 不同畜禽糞污收集工藝的N、P收集率（%）Table 5 Nitrogen and phosphorus collection rate of different livestock manure collection methods（%）

表6 不同畜禽糞污的處理方式N、P養分留存率（%）Table 6 Nitrogen and phosphorus retention rate of different livestock manure treatments（%）

區域畜禽糞污土地承載力按公式（7）計算，得到山東省理論最大養殖量（以豬當量計）。

式中：R代表區域畜禽以作物糞污養分需求為基礎的最大養殖量，豬當量；NUr,m代表區域內植物糞污養分需求量，kg·a-1；NSr,a代表豬當量糞污養分供給量，kg·豬當量-1·a-1。

將山東省各種畜禽實際存欄量（以豬當量計）除以區域最大養殖量（以豬當量計）得到區域畜禽糞污土地承載力指數，計算公式如下：

式中：I代表區域畜禽糞污土地承載力指數；A代表區域內飼養的各種動物根據豬當量換算系數，折算成豬當量的飼養總量，豬當量。

2 結果與分析

2.1 山東省畜禽糞污土地承載力空間分布特征

由于各市養殖結構差異，其畜禽糞便的產生和糞便中養分排放也隨空間分布出現差異性。選取2016年數據，對山東省17個市的作物養分需求量、畜禽糞污養分供應量進行估算，將不同畜種產生的畜禽糞便量統一換算為豬糞當量，計算各市畜禽糞污土地承載力指數，分析山東省畜禽糞污土地承載力空間分布特征。

2.1.1 山東省畜禽糞污N、P養分供給量空間分布特征

2016年山東省畜禽糞便N、P養分總量分別為101.7萬t和15.5萬t，主要來源于豬、肉牛、家禽糞便的供給，分別占總養分量的29.7%、14.3%和28.3%。根據不同畜禽種類不同糞污收集方式下N、P養分的收集率，估算實際畜禽糞污N、P養分收集量分別為89.2萬t和14.7萬t。由于不同畜禽種類在不同糞污處理方式下N、P養分的留存率不同，估算山東省2016年畜禽糞污產生的可供植物利用的N、P養分量分別為58.7萬t和11.7萬t。山東省有機肥資源量巨大，降低化肥施用量的潛力大。

圖1為各市畜禽糞便中N、P養分量的分布。從各市的畜禽養殖規模來看，規模大的地區主要分布在魯西南、魯中南區域。濰坊市、德州市和菏澤市達到了千萬級別，分別為1 059.9萬、1 078.9萬頭和1 034.2萬頭，是山東省養殖大市，分別占全省的11.3%、11.5%、11%。萊蕪市養殖規模屬山東最小，為101.2萬頭，僅占全省的1.1%。

圖1 山東省畜禽糞污養分供給量空間分布圖Figure 1 Spatial distribution of livestock manure nutrients in Shandong Province

由于不同區域養殖規模、養殖類型的分布不同，其畜禽糞便的產生以及糞污N、P養分供給量也存在差異。綜合來看，畜禽糞尿養分資源量的空間分布與畜禽養殖規模空間分布相似。畜禽糞便N養分供應量排名前五的市與P養分供應量排名前五的市具有一致性，分別是：濰坊市、濟寧市、臨沂市、德州市、菏澤市，5個市的畜禽糞尿N、P養分總量約占全省總量的50.5%、50.9%。其中N養分供應量最高是德州市，P養分供應量最高是菏澤市，分別為7.2萬t·a-1和1.5萬t·a-1，占全省畜禽糞便N、P養分供應量的11.1%和11.2%。N、P養分供應量最低是萊蕪市，分別為0.75萬t·a-1和0.16萬t·a-1，占全省畜禽糞便N、P養分供應量的1.2%、1.3%。畜禽糞便N、P養分在局部地區的集中產生和排放，給當地的水環境造成了很大的壓力。

2.1.2 山東省各市農作物N、P養分需求量空間分布特征

根據2016年山東省各種作物播種面積和產量，以及中等肥力和中等產量下的糧食作物和蔬菜作物N、P養分需求量，估算山東省適宜N、P養分需求量分別為205.4萬t和54.6萬t。根據山東的施肥習慣，計算出區域內植物通過畜禽糞污途徑的N、P養分需求量分別為59.9萬t和13.7萬t。在不考慮糧田秸稈還田的條件下，來自畜禽糞污的N、P養分供給量未超過植物糞污需求量，還需要施用化肥進行N、P素的補充。

山東省是農業大省，2016年農作物總播種面積約1 097.3萬hm2，其中排名前五的城市分別為：菏澤市134.4萬hm2、濰坊市102.0萬hm2、臨沂市100.9萬hm2、德州市100.3 萬hm2、聊城市 96.9萬 hm2，分別占總播種面積的12.2%、9.3%、9.2%、9.1%、8.8%。從山東省植物糞污N、P養分需求量空間分布圖（圖2）可以看出，植物糞便N養分需求量排名前五的市分別為：濰坊市、濟寧市、臨沂市、德州市、菏澤市；植物糞污P養分需求量排名前五的市分別為：聊城市、濟寧市、臨沂市、德州市、菏澤市。其中植物糞污N、P養分需求量最高是菏澤市，分別為7.1萬t·a-1和1.7萬t·a-1，占全省植物糞污N、P養分需求量的12.7%和12.6%。

2.1.3 山東省農田畜禽糞污土地承載力空間分布特征

將山東省作物糞污養分需求量換算成以豬當量計的最大養殖量，來表示畜禽糞污土地承載力。2016年山東省以N、P養分為基準的土地承載力分別為8576萬頭和9809萬頭。計算區域畜禽糞污土地承載力指數I，以N養分為基準時IN=0.98＜1，以P養分為基準時IP=0.86＜1。分別以N、P養分為基準時，該區域內土地消納畜禽糞污均不超載。對基于N和P測算的結果進行比較，取兩種計算結果的較低值為該區域的承載量，即山東的最大承載量為8576萬頭。2016年山東省的養殖規模為8401萬頭，相較于最大畜禽承載量還有一定的發展空間。

分別對山東省17個市的土地承載力指數I進行估算，如圖3。各市畜禽糞便污染風險差異較大，其中青島、淄博、聊城、菏澤以N、P為基準的I值均小于1，土地不超載，還能容納一定量的畜禽糞污。濟南、棗莊、煙臺、泰安、威海、日照、萊蕪、臨沂、德州以N、P為基準的I值均大于1，畜禽糞污量超過了農田的承受能力，農田畜禽污染風險較大。而萊蕪市土地承載力指數I均超過2，分別為2.14和2.36，這說明萊蕪市的畜牧業排放的糞污遠遠超過農田消納的量，畜禽固液糞便的N、P必須部分外輸到其他有機肥缺乏的區域，才能解決萊蕪市農田土壤N、P負荷過量問題。而東營、濰坊、濟寧、濱州4市以N為基準的I值均大于1，以P為基準的I值均小于1，說明該市來自畜禽糞污的N素盈余明顯，而P素的供給量低于農田作物P養分需求量，還需要來自于化肥的P素補充。

圖2 山東省植物糞污養分需求量空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of crop manure nutrients demand in Shandong Province

2.2 山東省畜禽糞污土地承載力時間分布特征

由于經濟的發展以及產業結構的調整，近年來山東省養殖結構不斷發生變化，山羊、兔養殖量逐年減少，豬、奶牛、肉牛、綿羊、家禽養殖量逐年增加，其中綿羊的養殖量從2007年的324.35萬只增加到2016年的1 023.8萬只，十年間增加了215.6%。總體來看，近十年山東省的畜禽養殖規模總體呈上升趨勢，增幅達19.3%。選取2008—2017年山東省統計年鑒數據，對山東省作物糞污養分需求量、畜禽糞污養分供應量以及歷年畜禽糞污土地承載力指數進行估算，分析山東省畜禽糞污土地承載力時間分布特征。

總體來看，分別以N、P養分為基準的各曲線變化趨勢具有一致性。由于山東省種植業的發展，近年來全省種植面積呈小幅上升的趨勢，從2007年的1 072.4萬hm2增加到2016年的1 097.3萬hm2，增長了2.3%。植物對糞污養分的需求量也呈穩定上升趨勢，從2007年到2016年，N養分的需求量從54.1萬t·a-1增加到了59.9萬t·a-1，增長了10.6%；P養分的需求量從 12.1 萬 t·a-1增加到了 13.7 萬 t·a-1，增長了13.1%。畜禽糞污N、P養分供應量在2008至2010年間下降，在2010年存在一個最低值分別為54.2萬t·a-1和11.16萬t·a-1，在2010年至2012年間迅速增加，總體呈現上升趨勢。由圖4可以看出，畜禽糞污N、P養分供應量隨時間變化特征曲線在2010年到2012年間均有上升趨勢，這是由于在該段時間內山東省畜禽養殖規模大幅增加，導致畜禽糞便量增加，畜禽糞污N、P養分供應量急劇增加，其中N養分供應量增加8.4%，P養分供應量增加7.5%。從指數I隨時間變化特征曲線來看，以N、P為基準的畜禽糞污土地承載力指數I均呈下降趨勢，以N為基準的I值在1上下浮動，以P為基準的I值始終小于1，并且兩者在2010年至2012年間均有小幅增加。

3 討論

由于2007年至2009年受禽流感的影響，山東各地區畜禽養殖量顯著下降，2010年山東省政府加大對現代畜牧業發展的扶持力度，出臺了一系列鼓勵畜牧業發展的優惠政策，使山東省畜禽養殖業得到快速發展，養殖規模在2010年以后呈迅速增加的趨勢。由于煙臺、青島、威海地處沿海，發展旅游業和漁業，畜牧業相對較弱。通過計算看出山東省畜禽養殖主要集中在魯西南、魯中南以及德州、濰坊等區域，而魯東地區畜禽養殖規模整體較小，這與吳金欣等[10]的結果一致。在2010至2012年期間以N、P為基準的山東省畜禽糞污土地承載力指數均緩慢增加，其原因可能與這一時期畜禽養殖規模大幅增加有關，根據計算得出在此期間N、P養分供應量增幅均大于養分需求量增幅，導致土地需要消納的畜禽糞污量增加，畜禽糞污土地承載力指數增大。整體來看，近十年山東省以N、P為基準的畜禽糞污土地承載力指數均呈下降趨勢，說明山東省畜禽養殖排放的糞便資源中N、P沒有超過土地的承載能力，仍具有一定的消納空間，而植物所需的N、P養分不能由糞污提供的那部分，需要通過秸稈還田、化肥施用等方式進行額外的養分補充。

圖3 山東省畜禽糞污土地承載力指數空間分布圖Figure 3 Spatial distribution of loading capacity of livestock manure in Shandong Province

圖4 山東省區域畜禽糞污土地承載力時間變化特征Figure 4 Time variation characteristics of loading capacity of livestock manure in Shandong Province

目前，中國畜牧業正處在由傳統養殖業向畜禽廢棄物資源化利用的現代生態養殖模式轉型升級的關鍵時期[28]。種養結合生產模式有利于保持生態平衡，緩解集約化、規模化養殖帶來的環境問題，實現農業可持續發展[29]。以農牧結合、種養平衡、生態循環為原則，加快發展現代生態養殖，促進畜牧產業轉型升級，推動養殖環境問題有效解決，是對實現畜禽養殖業可持續發展的要求[30]。山東作為我國的養殖大省，推廣種養結合生產模式對我國畜禽養殖廢物資源化利用具有示范意義。

為保障山東省各市畜禽糞污被安全消納，最大限度減少畜禽養殖對環境的影響，促進畜禽養殖業可持續發展，針對山東省畜禽養殖潛在環境風險狀態，對各市發展養殖業以及養殖廢棄物處理做出以下建議：

（1）調整優化畜禽養殖區域布局。近十年山東省畜禽糞污土地承載力逐漸提高，可容納的畜禽養殖量增加，但根據估算山東省所產生的畜禽糞污已接近于土地所能承載的上限值，故不建議繼續擴大養殖規模。其中淄博、濟寧、聊城、菏澤等市農田土地對于畜禽糞污還具有一定的消納空間；東營、濰坊、濟寧、濱州等市養殖業產生的畜禽廢物中N素超過了農田消納能力，而P素不超載，應在維持畜禽養殖量不變的基礎上增加化肥P素的投入；對于濟南、棗莊、煙臺、泰安、威海、日照、萊蕪、臨沂、德州等市，畜禽糞便的產生量超過了其農田系統消納能力，在運用種養結合模式時，應對養殖場進行合理選址和設計，確定種養結合模式中養殖場養殖規模與周邊農田的合理配置，以保障有足夠的農田對產生的畜禽糞污進行安全消納，多余的畜禽糞污可以采用異地消納的方式擴大畜禽糞污的消納半徑，如將畜禽糞污運至淄博、濟寧、聊城、菏澤等仍具有一定消納空間的城市進行處理，同時科學管理和引導合理利用有機肥，控制有機肥施用比例，減少化肥的投入；對于青島、威海、煙臺等沿海旅游城市，應減小畜禽養殖業的規模，盡可能降低環境風險，減少養殖廢棄物對大氣、水環境的污染。

（2）嚴格控制對畜禽糞污的收集處理。常規養殖廢棄物生化處理的運行費用較高，需要重建養殖系統，通過清潔生產減少糞污用水量，增加養分含量，提高肥效，恢復種植與養殖系統之間物流平衡，促進種植與養殖平衡發展，經濟有效地解決養殖場糞污問題。對政府部門而言，可以在建立對畜禽養殖無害化處理扶持制度的同時，通過政府補貼的方式引導、鼓勵畜禽養殖企業對畜禽糞污的處理，減少畜禽糞污的直接還田。對規模化養殖廠產生的大量畜禽糞污統一收集，經過畜禽糞污的預處理后，可以由專門的有機肥企業進一步加工為商品有機肥、有機無機復合肥或生物有機肥，這些產品轉入市場后，即可打破地域間畜禽養殖不平衡的問題；鼓勵畜禽養殖企業在沼氣發酵后對產生的沼氣進行脫硫、除濕處理，進一步將沼氣充分利用起來。

在計算過程中，我們假定將山東省年產生的所有畜禽糞便均勻分布到所有耕地面積上，且沒有考慮畜禽糞污省外施用以及畜禽糞便運輸條件的影響，而在實際農業生產過程中，畜禽養殖往往集中在某些區域，各地區實際的承載力將與本文計算得到的畜禽養殖承載力存在差別；并且在估算山東省植物糞污養分需求量時，沒有考慮人工林對畜禽糞污的消納。如果考慮將人工林地作為消納畜禽糞污的對象，將提高土地對畜禽糞污的消納量，進一步擴大山東省的畜禽養殖潛力。

4 結論

通過對2007—2016年山東省以及2016年各市的畜禽糞污養分供給量、植物糞污養分需求量以及畜禽糞污土地承載力進行估算，得到以下結論：

（1）近十年來，整體來看山東畜禽養殖規模呈現上升趨勢。山東省畜禽養殖主要集中在魯西南、魯中南、以及德州、濰坊等區域，畜禽糞尿資源豐富，魯東地區畜牧業不發達，畜禽養殖規模整體較小。

（2）山東省作物糞污N、P養分需求量呈逐年上升的趨勢，這就需要越來越多的畜禽糞便以有機肥、沼渣沼液等形式施入農田，對畜禽糞便安全還田提出了考驗。

（3）青島、淄博、聊城、菏澤等市產生的畜禽糞污未超載，濟南、棗莊、煙臺、泰安、威海、日照、萊蕪、臨沂、德州的畜禽糞污量超過了農田的承受能力，有潛在的N、P污染風險，而萊蕪市畜禽糞污土地承載力指數超過2，農田畜禽污染風險較大。但總體上看，山東省畜禽糞污土地承載力有增加的趨勢，山東省農田消納畜禽糞便仍然有一定消納潛力。