基于系統動力學的東莞有機廢棄物替代化肥潛力研究

秦 鐘，隆少秋，王 璐，張春霞，袁 蘭

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基于系統動力學的東莞有機廢棄物替代化肥潛力研究

秦 鐘1,2,3，隆少秋1,2,3，王 璐1,2,3※，張春霞1，袁 蘭1,2,3

（1. 華南農業大學資源環境學院，廣州 510642；2. 國土資源部建設用地再開發重點實驗室，廣州 510642；3. 廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣州 510642）

綜合考慮作物秸稈還田、禽畜養殖和農村生活有機廢棄物排放這3個過程中所產生的養分資源以及農作物、果樹生長需要吸納的養分，構建系統動力學模型，探究東莞種養結合、有效利用有機廢棄物養分從而替代化肥施用的潛力。結果表明，2025年農作物和果樹養分的總需求量為4.613 6×103t，作物秸稈、禽畜養殖和農村生活有機廢棄物肥料蘊含的養分為0.430 6×103和4.514 3×103t。若這些有機糞肥資源按存儲發酵、沼氣處理和堆肥加工這3種方式處理，則實際可提供的總養分依次為3.913 9×103，4.803 7×103和3.055 0×103t。根據有機肥氮素替代50%化肥氮的原則來估算有機廢棄物養分供應量，則有機糞肥資源所提供的氮、磷、鉀養分均超出當地農作物和果樹生長所需，需要外運糞肥以降低對環境的影響。考慮當地作物秸稈還田方式，即全部還田、部分還田和不還田（不還田的秸桿用于焚燒或作飼料），需要移出的養分比例分別為73.2%～74.1%，53.7%～60.0% 和24.1%～33.5%。

養分；糞；化肥；系統動力學；情景分析；東莞

0 引 言

近年來，隨著規模化、集約型畜禽養殖業的快速發展，畜禽糞尿產量大、廢棄物治理困難、農業面源污染等問題日益嚴重。畜禽糞便施入農田進行循環利用是最為經濟有效的處理方式，但由于資金、土地等條件的制約，在部分農牧脫節、治污設施不配套、畜禽養殖密度過高的地區，畜禽糞便養分已經超過農田作物養分的實際需求量[1-2]。種植業生產中使用大量化肥，農田耕地承載消納畜禽產污的能力降低等現象也屢有報道[3-4]。在此情況下，依據本地畜禽養殖量和耕地資源現狀，制定合理的區域農田循環利用糞肥養分策略，對降低環境污染風險、推動農業可持續發展等具有重要意義。

估算畜禽糞肥資源量及養分含量，明確時空分布動態等是實現糞肥循環利用的基礎性工作。已有學者從國家、區域/流域、乃至縣或生產企業等尺度，從畜禽糞肥養分產生數量和空間分布特征[5-6]、耕地氮/磷承載力[7-8]、污染潛勢與環境影響[9-10]等角度開展了大量研究。另有一些學者從系統的觀點出發，分析對農業農村主要廢棄物（包括畜禽糞便、作物秸稈、生活污泥和生活垃圾等）的產生量及分布特點，從種養結合、循環利用的角度，對這些廢棄物資源作為有機肥還田利用的潛力進行評估[11-12]，并從管理或政策層面提出環境友好型畜禽生態養殖的建議或方案[13]。這些研究為摸清中國畜禽養殖、糞肥管理現狀和存在的問題、探尋畜禽養殖環境管理與污染防治途徑等提供了堅實的基礎。

珠江三角洲是中國社會經濟發展活躍、人口高度密集、水系發達的地區。近年來，隨著生活水平的不斷提高和居民膳食結構的變化，畜禽養殖業得到了快速發展，已有16個生豬主產縣（市、區）集中分布于珠江西岸。據2014年統計數據顯示，這些主產縣生豬存欄量達398×104頭，出欄量706×104頭[14]。在耕地面積日益減少、規模化和集約化養殖業水平提高的背景下，區域生豬存欄量已超出土地承載能力。2000－2008年深圳、佛山和東莞等市單位耕地面積N、P2O5負荷量均高于300 kg/hm2[15]。針對這一情況，農業部及廣東省相關部門已做出了養殖產業的調整轉移、加大畜禽養殖污染治理，推廣豬沼茶等生態養殖模式等多項舉措，畜禽養殖規模已趨于持續縮小，亟需適時明確養殖產業布局調整后生豬主產區糞肥的產生量及養分資源，提出合理返還農田的糞肥資源處理和養分管理策略，從而推動畜禽養殖業的轉型升級。東莞是珠三角地區較早開展畜禽養殖污染治理的地區之一，本研究將以該地區為例，采用系統動力學（system dynamics，SD）方法，將人口、種植業、畜禽養殖業納入區域糞肥資源核算體系并構建相應的模型，以作物秸稈還田、糞肥處理不同方式為著眼點，分析畜禽養殖和農村生產、生活有機廢棄物糞肥的養分含量與作物養分需求之間匹配關系，探究未來有機養分資源替代化肥利用的潛力及變化，以期為其他水網地區制定有機養分資源在農田的可持續利用的策略等提供借鑒。

1 數據來源

東莞市主要畜禽（豬、牛、羊、雞、鴨、鵝）的養殖數量、農作物播種面積及產量、耕地面積、農村人口數量等數據主要來自《廣東農村統計年鑒》[16]（1993－2017年）、《東莞統計年鑒》[17]（1979－2017年）及省、市統計調查信息網等。

2 分析方法

2.1 模型框架與運算過程

模型以有機廢棄物養分的流動過程為主線，基于養分平衡和循環利用的角度，分析區域農業農村系統內種植、禽畜養殖和農村生活3個過程中養分的產生、需求及相互聯系，所構建的框架模型如圖1所示。在構建模型時，將設立以下3個子系統。

圖1 有機養分資源利用的系統動力學框架圖

2.1.1 人口子系統

人口子系統主要反映農村人口數量、產生的生活有機廢棄物資源及養分。該子系統以人口總數為庫，包含人口變化流率變量及影響人口數量的因子如出生率、死亡率、凈遷移率、農業人口所占比例等（表函數形式）；人均糞尿年排出量及N、P含量、流失率常數（圖2）。

計算方法如下：參考高祥照等[18]編寫的《肥料實用手冊》中對人糞、尿的研究，得出成年人年糞、尿排放量及N、P含量，即每個成年人年排放糞、尿分別為113.7和579.3 kg/(人·a)，糞中氮、磷質量分數分別為0.64%和0.11%，尿中氮、磷質量分數分別為0.53%和0.04%，人糞尿的流失率按21.9%計[19]。

根據東莞歷年農村人口數據，即可估算出農村生活所產生的糞肥及養分含量。

2.1.2 種植子系統

主要反映農作物秸稈產生量及所含的養分資源、糧食作物產量滿足地區人口糧食消費需求的程度及作物、果樹生長對氮、磷、鉀養分的需求情況。該子系統主要包括：

注：ZRK表示總人口；RCS，RSW，JQY分別表示人口出生率、死亡率和凈遷移率；NYRK，RNYRK分別表示農業人口及占總人口的比例；SHTN和SHTP分別表示農村生活所產生的糞肥氮（N）養分和磷（P2O5）養分；FenN 和 FenP分別表示禽畜養殖和農村生活有機廢棄物所含的氮、磷養分；CZRK1和CZRK2分別表示總人口的增長、減少。

Note: ZRK represents total population; RCS, RSW and JQY represent population birth rate, death rate and net migration rate respectively; NYRK and RNYRK represent agriculture-related population and its contribution to total population, respectively; SHTN and SHTP represent nitrogen (N), phosphorus (P2O5) nutrient derived from rural domestic manure, respectively; FenN and FenP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste; CZRK1 and CZRK2 represent the increased and decreased population, respectively.

圖2 人口子系統糞肥資源利用的動力學模型

Fig.2 System dynamic model of manure nutrient utilization for population subsystem

稻谷、薯類、大豆、甘蔗、花生、蔬菜和果樹單產產量共7個庫及相對應的單產增加率（即模型中的流率）；各類作物和水果單產增加率、播種/種植面積共14個表函數；各類作物和水果吸收的氮、磷、鉀養分系數共21個常量。子系統中也包括計算各類作物秸稈產生量和養分含量、作物和果樹營養元素吸收量的輔助方程。秸稈系數、秸稈的氮、磷、鉀養分含量系數直接寫入相應的輔助方程中。以水稻秸稈的養分為例，相應的模型如下（圖3）。

計算方法如下：各類作物田間收獲的秸稈量是基于作物產量和草谷比系數（又稱秸稈系數）進行估算。需要說明的是，由于甘蔗在統計年鑒中以鮮質量統計經濟產量，先將甘蔗莖稈按照70%的含水率[20]換算成干質量經濟產量，再按公式（1）計算田間秸稈量。秸稈中含有大量的氮、磷和鉀等營養元素，其養分含量系數取自文獻[21]，計算公式為

2.1.3 畜禽養殖子系統

主要反映畜禽養殖糞便產生量及其中的養分含量。該子系統包括豬出欄量、牛、羊末存欄量和雞、鴨、鵝（包括雞、鴨和鵝）出欄量共4個庫及各自對應的年增長率；年豬出欄量增長率、牛、羊年末存欄量增長率、雞、鴨、鵝年出欄量增長率4個表函數；各類畜禽糞便日排泄量、養分含量系數、飼養周期共計16個常數。以豬養殖、糞便產生量及其中的養分含量為例，相應的模型如下（圖4）。

注：DCSD：每公頃水稻產量；CLSD：水稻總產量；MJSD：水稻種植面積；JGSD：水稻秸稈產量；CDCSD和RDCSD分別表示水稻單產的增加及其每年的增長率；TNSD、TPSD和TKSD分別代表水稻秸稈所含的氮（N）、磷（P2O5）和鉀素（K2O）營養；SXNSD、SXPSD和SXKSD分別表示水稻生長需要吸收的氮、磷和鉀素；PsxNSD、PsxPSD和PsxKSD分別代表水稻對氮、磷和鉀素的吸收系數；FenN、FenP和FenK分別表示禽畜養殖和農村生活有機廢棄物所含的氮、磷和鉀養分；TSXN、TSXP和TSXK分別表示所有作物生長所需的氮、磷和鉀素；JGTN、JGTP、JGTK分別代表所有農作物秸稈（不包括果樹）所含氮、磷和鉀素；RSL、RFS和RHT分別代表用作飼料、燃料和肥料的秸稈比例；CZTN、CZTP和CZTK分別表示作物秸稈還田、禽畜養殖和農村生活有機廢棄物提供的氮、磷和鉀養分與農作物生長所需的養分之差；ZSTN、ZSTP和ZSTK分別代表農作物秸稈提供的氮、磷和鉀營養，這3個變量的值受作物秸稈處理/利用方式的影響。

Note: DCSD: rice yield per hectare; CLSD: total rice yield; MJSD: rice planting areas; JGSD: rice straw yield; CDCSD and RDCSD represent the increased rice yield per hectare and its increasing rate per year; TNSD, TPSD and TKSD represent rice straw nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrient, respectively; SXNSD, SXPSD and SXKSD represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption in rice, respectively; PsxNSD, PsxPSD and PsxKSD represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption coefficient in rice plant, respectively; FenN, FenP and FenK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste, respectively; TSXN, TSXP and TSXK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption in the whole cropping system, respectively; JGTN, JGTP and JGTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in all crop straws (not including the fruit trees); RSL, RFS and RHT represent proportion of straw used as feed, fuel and fertilizer, respectively; CZTN, CZTP and CZTK represent difference of nitrogen, phosphorus and potassium nutrient between the supply of crop residue retention, livestock farming and rural domestic waste and the demand of the whole cropping system; ZSTN，ZSTP and ZSTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient provided by crop straws, respectively. Values of the three variables were influenced by crop straw disposal/utilization schemes.

圖3 水稻種植子系統糞肥資源利用的動力學模型

Fig.3 System dynamic model of manure nutrient utilization for rice cropping subsystem

計算方法如下：采用日排污量計算法估算各類畜禽糞便產生量及養分量見公式（3）和（4）。

注：ZhuCL：生豬出欄量；CZhuCL和RZhuCL代表了生豬出欄量的增加及其每年的增長率；TS：時間變量（年份）；DZhu：豬的飼養周期；ZhuF：豬糞日排放量；PaZhuF：豬糞排泄系數；ZhuTN, ZhuTP and ZhuKO分別表示豬糞總氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）含量；PaZhuN、PaZhuP和PaZhuKO分別表示豬糞氮、磷和鉀的養分含量系數；ZfhN和ZfhP分別表示以氮和磷計的總豬糞當量；SJKZN、SJKZP分別表示實際土地總氮、總磷承載力；MJGD和MJGY分別代表耕地和果園面積；CMJGD和RMJGD分別增加了耕地面積及其年增長率；CP和CN代表歐盟發布的氮（170 kg/hm2）和磷（35 kg/hm2）應用標準；KZhuN和 KZhuP分別表示以氮、磷計算得到的畜禽養殖環境容量；RIN、RIP分別對應2種模式（作物所需的50%氮素來自于糞肥或所需的磷素全部來自于糞肥）下需要移出耕地的糞肥量。

Note: ZhuCL: the amount of pig slaughter; CZhuCL and RZhuCL represent the increased amount of pig slaughter and its increasing rate per year; TS: Temporal variable (year of study); DZhu: period of pig-raising; ZhuF: total amounts of pig excrement; PaZhuF: excretive coefficient of pig; ZhuTN, ZhuTP and ZhuKO represent total nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrient produced by pig industry, respectively; PaZhuN, PaZhuP and PaZhuKO represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in pig feces, respectively; ZfhN and ZfhP represent nitrogen and phosphorus nutrient in tons of pig manure equivalent derived from livestock and poultry feces, respectively; SJKZN, SJKZP represent actual loads of nitrogen and phosphorus nutrient in arable land; MJGD and MJGY represent arable land and orchard area, respectively; CMJGD and RMJGD represent the increased area of arable land and its increasing rate per year; CP and CN represent nitrogen (170 kg/hm2) and phosphorus (35 kg/hm2) application standard issued by the European Union; KZhuN and KZhuP represent load-carrying capacity of nitrogen and phosphorus nutrient according to the standard of European Union. RIN and RIP were estimated nitrogen and phosphorus nutrient that should be removed from arable land, based on two patterns of manure substituting potential (50% and 100%).

圖4 生豬養殖子系統農業農村糞肥資源利用模型

Fig.4 Pig breeding subsystem dynamic model of manure and nutrient utilization

參照已有的研究[22]，東莞畜禽養殖允許總量（）和實際數量（′）的計算見公式（5）和（6）。

2.2 模型主要參數的設定

2.2.1 耕地和果園面積

1978－2016年間，東莞耕地面積隨時間呈現波動性減少的趨勢，耕地面積由7.89萬hm2降為2016年的3.64萬hm2，即在39a時間里，耕地面積減少了一半以上，年均降幅為1.38%。其中2001－2002年的降幅最高，達22.2%，其次是1992－1993和1984－1985年，耕地面積年降幅為10%。隨著社會經濟的發展和工業化、城市化進程的加快，非農建設占用耕地的數量持續上升，東莞耕地面積的日益減少將發展為長期趨勢。在當前耕地面積約束條件下，當地政府制定了有關建設占用耕地必須占補平衡、農用地轉用報批、土地規劃和布局調整等一系列制度，其中在《東莞市土地利用總體規劃（2006－2020）》（以下簡稱《規劃》）中明確提出了耕地面積的控制性指標為：到2020年耕地保有量為3.18萬hm2，若按當前耕地面積年均減少速率，到2020年耕地面積為3.44萬hm2，符合當地對耕地面積的約束性指標。據此，文中將據這一減少速率預測2017－2025年的耕地面積。

東莞果園面積的階段性波動較為明顯，1987年面積最高達4.06萬hm2，之后持續減少，2007年后呈現微幅增長趨勢，至2016年達1.33萬hm2，可預計2017－2025年果園面積將以約2.3%的年降幅減少。

2.2.2 生豬養殖

東莞生豬出欄量呈現先增后降的雙峰波動趨勢，1978－2001年以年均22.1%的速率持續增加，之后略有下降，2004－2005生豬出欄量再次增加至峰值，達227.38萬頭，此后開始下降。2006年生豬出欄量急劇下降至42.06萬頭，其后以年均6.6%的速率逐年下降。2016年生豬出欄量達11.49萬頭。長期以來，東莞生豬養殖業在帶動移民增收的同時，也引發了嚴重的環境污染問題。為此，自2006年以來，東莞市相關部門制定了限制生豬養殖規模，設置生豬定點基地、實施標準化養殖等措施，并下發《東莞市生豬生產規劃（2012－2020年）》，提出到2020年，全市生豬出欄量達到10萬頭，豬肉自給率達3%左右。為此，2017－2020年東莞生豬出欄量將以年均3.2%的速率下降才能完成這一目標。此速率也將用于2020年后生豬出欄量的預測。

2.2.3 農作物和水果單產

根據1978－2016年間水稻、薯類和大豆3種糧食作物單產的數據，采用趨勢分析法、平均數法確定2017－2025年的年均增長率，分別為1.64%、4.24%和3.30%。2025年水稻、薯類和大豆的單產將分別達6.12、4.96和2.57 t/hm2。經比較發現，未來3種糧食作物的單產水平及增幅均接近于歷史單產的高值。以水稻為例，1990－1991年，1995－1999年單產在6.0～6.07 t/hm2之間，盡管2016年水稻單產降至5.65 t/hm2，但在水稻新品種大面積推廣、種植技術改進和農田管理強化等因素的影響下，單產恢復至歷史最好水平是完全可以實現的。甘蔗、花生、蔬菜（含菜用瓜）、水果產量單產的增長率也通過類似的方法獲得，2025年的單產將分別達到149.78、2.21、31.04和8.70 t/hm2。

2.2.4 其他參數的設定

為便于研究，文中對人口和禽畜養殖子系統做了如下設定：

1）假設2017－2025年東莞農作物復種指數維持在2016年的水平，即0.6893，由已估算出的耕地面積可得出2017－2025年農作物總播種面積。若各種作物占農作物總播種面積的比例保持不變，可計算出2017－2025年各種作物的播種面積。

2）假設人口的出生率、死亡率和遷移率均保持2016年的水平，即分別為13.92‰、5.28‰和8.5‰，2017－2025年非農業人口所占比例通過趨勢分析獲得。

3）牛年末存欄量、雞鴨鵝出欄量的增長率分別采用回歸模型擬合的方法求得。受市場等因素影響，東莞羊的養殖數量有限，年份間年末存欄量波動較大且逐年減少，2016年僅有889頭，在缺乏2008、2009年記錄的情況下，假設2016年后羊年末存欄量仍然保持現有的數量。

2.3 情景分析設定

作物秸稈和糞肥是農業生產中最為普遍的廢棄物資源。其中秸稈的利用方式主要有：還田（主要指秸稈機械粉碎翻壓還田、覆蓋還田、留高茬還田等直接還田和秸稈沼肥還田、堆漚還田等間接還田方式）、飼料（直接喂養牲畜、墊圈的秸稈以及通過氨化、青貯、微貯方式做飼料的秸稈）、燃燒（農戶直接用于生活燃料以及在田間和地頭焚燒的秸稈等），其他方式（如秸稈用作造紙、可降解材料、人造板等的原料以及棄置亂堆）。不同利用方式下秸稈養分還田比例并不相同，其中秸稈還田的養分全部還田，用于飼料的秸稈氮、磷、鉀養分還田率分別為50%、72%、77%（主要指秸稈飼用后過腹還田的養分比例），用作生活能源和焚燒的秸稈氮、磷、鉀養分還田率分別為0、70%、70%[23]。

糞肥資源主要來源于畜禽養殖，也包括農村生活所產生的有機廢棄物。糞肥還田、制取沼氣、有機肥商品化生產、用作飼料或生產動物蛋白等是常見的糞污處理方式，文中主要考慮前3種方式。固液糞肥資源的收集、運輸和儲藏以及沼氣設施、堆肥工藝等過程中都有不同程度的養分損失，氮、磷和鉀養分損失參數取自各類文獻報道中損失率的均值[13]。

秸稈和人畜糞便中蘊藏的養分資源是否得到合理的利用，所蘊藏的養分資源與農作物生長所需的養分相差多少，如何處理才能避免養分過量導致的污染風險是當前農業廢棄物資源化利用與管理所面臨的重要問題。為此，研究將針對當前作物秸稈和畜禽糞便的不同處理方式，設置相應的情景（表1）。根據文獻中現有作物秸稈資源利用不同方式及所占比例[25-26]，將不還田的情景（S3）分為2種，在這2種情景下不還田的那部分秸稈資源將分別用于焚燒和飼料來源。各情景將根據作物所需的50%氮素來自于糞肥[27]或所需的磷素全部來自于糞肥這2種模式來決定糞肥施用量[28]。當投入含1kg磷的糞肥時，所帶入的全氮為1.85 kg。化肥補充施用原則為總養分需求量減去糞肥提供的氮磷養分，不足部分由化肥氮磷補充。

表1 不同作物秸稈還田和糞肥處理方式的情景設置

2.4 模型的運行與檢驗

借助系統動力學模擬軟件STELLA（structural thinking, experiential learning laboratory with animation, STELLA)，向已構建的模型輸入收集到的主要變量初值、歷年統計數據、相關常數/系數項或函數關系式等，對不同秸稈還田和糞肥處理方式下養分的流動狀況進行模擬。為了檢驗模型的有效性和可靠性，研究先利用1978－2016年的數據，將模擬步長為1 a，采用微分方程的Euler法求解，運行模型。選取人口數量、主要農作物產量、耕地面積、禽畜養殖數量等指標與實際歷史數據資料相對比，相對誤差<5%的比例為84.7%，且每個變量的相對誤差不大于9%，表明模型可用于對未來糞肥養分利用狀況的模擬及預測。文中將以2016年各變量的數據為初值，對2017－2025年不同秸稈還田和糞肥處理方式下養分的流動進行預測。

3 結果分析

3.1 農業和農村廢棄物產生量及養分含量預測

模型預測結果顯示，2016年后東莞農作物秸稈資源及氮、磷、鉀養分均呈現逐年增加的趨勢。到2025年，農作物秸稈總量達4.89萬t，比2016年增加14.2%。水稻秸稈占秸稈總量的比例為11.2%～13.0%。2016年秸稈資源量為4.08萬t，蘊含的總養分為413.22 t，其中氮、磷、鉀分別為175.23、46.83和191.20 t（圖5）。預計秸稈總養分將以年均1%的速度增加（不考慮秸稈利用過程中的損失），在2025年達430.64 t。水稻、薯類和大豆3種糧食作物秸稈所提供的養分占秸稈總養分的62.3%～65.7%，且隨時間的推移而趨于下降。

2016年后東莞的豬出欄量、牛年底存欄量持續下降，而雞、鴨、鵝的數量略有回升。畜禽糞便產生總量由2016年的1 912.16萬t豬糞當量（以N計）逐年減少，至2025年僅為994.93萬t（圖6）。其中豬的糞便量減少了55%左右，而2025年雞、鴨、鵝的糞便量增加了30.8%。以耕地和果園畜禽糞便的主要消納場所，則2017－2025期間單位面積N和P2O5的載荷變動幅度分別為：34.5～50.1，28.2～36.5 kg/hm2，遠低于發達國家的限量標準[26-27]，也低于廣東省平均單位耕地面積畜禽糞便N、P2O5負荷量240.65和199.14 kg/hm2這一數值[15]。隨時間的推移，單位面積N和P2O5的載荷還將減少。

注：JGTN、JGTP、JGTK分別表示農作物（不包括果樹）秸稈的氮、磷、鉀養分。

Note: JGTN, JGTP and JGTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in all crop straws (not including fruit trees).

圖5 2016－2025年東莞農作物秸稈的養分動態

Fig.5 Amount of crop straw nutrient resources in Dongguan during 2016－2025

注：ZfhN, ZfhP分別表示禽畜糞肥分別換算為以氮、磷計的總豬糞當量。

Note: ZfhN and ZfhP represent nitrogen and phosphorus nutrient in tons of pig manure equivalent derived from livestock and poultry feces, respectively.

圖6 2016－2025禽畜養殖產生的豬糞當量

Fig.6 Pig manure equivalent produced from livestock and poultry breeding during 2016－2025

2016年農村生活產生的有機廢棄物為6.20萬t。禽畜養殖和農村生活有機廢棄物肥料養分呈現逐年減少的趨勢，總養分含量將由2016年的0.58萬t下降至2025年的4.51萬t，其中氮、磷、鉀養分將分別由2016年的3.09×103、1.55×103和1.19×103t以年均3.0%、3.4%和4.7%的速度下降（圖7）。禽畜養殖所提供的氮、磷養分的年均降幅均在3.8%以上，而農村生活有機廢棄物肥料養分的年均降幅僅為0.94%。從兩者對總糞肥養分的貢獻率來看，禽畜養殖氮、磷養分的貢獻率將由2016的49.81%、78.48%逐年下降，至2025年分別達41.27%和72.36%。相反地，農村生活有機廢棄物肥料氮、磷養分的貢獻率逐年增加。在禽畜養殖所產生的總養分中，以豬養殖糞肥的貢獻率為最高，達62.53%～83.16%，其次是雞、鴨、鵝。

注：FenN, FenP表示禽畜養殖糞肥所產生的氮、磷養分；SHTN、SHTP表示農村生活有機廢棄物肥料所產生的養分氮、磷養分。

Note: FenN and FenP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste, respectively; SHTN and SHTP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from rural domestic manure, respectively.

圖7 禽畜養殖和農村生活有機廢棄物肥料養分的動態變化

Fig.7 Nutrients released from livestock farming and rural domestic waste

隨著豬飼養量和出欄量的逐年減少，所產生的糞肥資源及養分貢獻率均明顯下降，年均降幅為6.2%。相反地，2016年后雞、鴨、鵝養殖所產生的糞肥及養分隨著養殖數量的適度增加而呈現上升趨勢，年增加率約3.7%。研究中因羊的年末存欄量極少且假設維持在2016年的水平，每年所產生的養分僅為0.347 t。

3.2 作物養分需求量及變化

根據各類糧食作物、經濟作物、蔬菜和果樹產量及單位產量所需的養分得出，2016年東莞農作物、果樹養分的需求量分別為3.9063×103和0.4968×103t。隨著時間推移，農作物、果樹養分的需求量將分別以年均0.7%和1.3%的速度增長，2025年兩者對養分的總需求量將分別達3.9857×103和0.6279×103t。在所有農作物中，水稻生長對養分的需求量相對較高，占所有農作物養分總需求的8.9%～10.7%，且隨時間的推移略有下降。花生對養分的需求量也將逐年減少，但蔬菜、薯類作物和大豆等對養分的需求量將增加（圖8）。

注：SC，SD和SG代表蔬菜、水稻和果樹這3類需要吸收較多養分的作物；DD，GZ，HS和SL代表大豆、甘蔗、花生和薯類這4類需要吸收較多養分的作物。

Note: SC, SD and SG represent three crop types (vegetable, rice, fruit) demanding relatively larger amounts of nutrient. DD, GZ, HS and SL represent four crop types (soybean, sugarcane, peanut, potato) demanding more amounts of nutrient.

圖8 農作物和果樹生長所需的養分及動態

Fig.8 Nutrients demanded by crops and fruit trees and their dynamics

3.3 糞肥養分替代化肥施用的情景分析

預計2016年后東莞農作物和果樹養分的總需求量處于平穩略升的態勢。至2025年，農作物和果樹養分的總需求量為4.613 6×103t，比2016年增加了4.3%，其中氮、磷、鉀分別為1.739 1×103，0.664 5×103和2.210 4×103t，年均增長率約1.4%。如果秸稈全部還田，則2025年還田可提供的總養分為507 t，其中氮、磷、鉀分別為205，53.8和248.2 t，在此情況下農作物養分的總需求量為4.394 0×103t，其中氮、磷、鉀分別為1.592 3×103、0.614 2×103和2.187 4×103t。秸稈不還田（S31）情景下農作物養分的總需求量比秸稈全部還田高5.04%，達4.627 0×103t（表2）。

表2 2025年不同秸稈還田方式下糞肥替代與化肥補充的養分

注：模式1(Q1)和模式2(Q2)分別指根據歐盟有機肥氮素替代50%化肥氮的原則或若根據作物需磷量來估算農作物糞肥養分供應量這2種方式，下同。

Note: Q1 and Q2 represent two patterns of manure application for crops based on rules issued by the European Union. One is 50% nitrogen substitution for chemical nitrogen (Q1), the other is the estimation of crop phosphorus nutrient requirement, the same as below.

從東莞市作物糞肥養分供應量的結果來看，2025年禽畜養殖和農村生活有機廢棄物肥料養分可提供的總養分為5.1794×103t，其中氮、磷、鉀分別為3.274 3×103t，1.283 0×103t和0.622 1×103t。考慮到有機廢棄物處理導致的養分損失，存儲發酵、沼氣處理和堆肥加工，3種情景下糞肥實際可提供的總養分依次為3.913 9×103、4.803 7×103和3.055 0×103t。若根據歐盟有機肥氮素替代50%化肥氮的原則來估算農作物糞肥養分供應量（Q1），預計糞肥存儲發酵、沼氣處理2種情景（即S1和S2）下，糞肥所提供的養分將出現不同程度的盈余，需要轉移出系統，其中S2情景下氮、磷、鉀養分超出量最多，4種秸稈處理方式下需要移出的養分比例分別為73.2%～74.1%，53.7%～60.0%，24.1%～33.5%，即氮、磷、鉀養分移出的比例以秸稈全部還田處理為最高，而秸稈不還田處理最低（圖9）。情景S3中糞肥經堆肥加工養分損失較大，盡管氮、磷養分仍然超出作物需求量，但實際糞肥中的鉀素與理論計算得到的代替鉀素養分相比略顯不足，因而還需補充57.3～103.2 t的化肥（鉀肥）才能滿足作物需要，其中秸稈不還田處理（S31）需要補充的鉀肥量居高。

注：2025年禽畜養殖和農村生活有機廢棄物肥料養分可提供的總養分為5.179 4×103t。在存儲發酵、沼氣處理和堆肥加工3種情景下，糞肥實際可提供的總養分依次為3.913 9×103、4.803 7×103和3.055 0×103t。

Note: Total available nutrient of crop residue retention, livestock farming and rural domestic waste was 5.1794×103t in 2025. Under scenarios of three typical manure management methods (stockpiling, biogas production and composting), the actual available nutrient elements were estimated to 3.913 9×103, 4.803 7×103and 3.055 0×103t, respectively.

圖9 2025年需要外運的糞肥養分

Fig.9 Outer transported nutrients in manure resources in 2025

若根據作物需磷量來決定糞肥施用量（Q2），則沼氣處理情景（S2）需要向外轉移出糞肥，其中氮素的轉移比例約66.7%，磷、鉀養分移出的比例分別為39.8%～42.2%和0.8%～3.2%。養分元素的移出量均以秸稈全部還田處理為最高。在糞肥存儲發酵情景下（S1），氮、磷養分有余而鉀素不足，故需分別向外轉移44.5%～46.0%和32.7%～35.3%的氮、磷養分，同時補充9.0%～12.2%的鉀肥進入系統。在堆肥加工（S3）處理中，僅氮養分有余而磷、鉀素均欠缺，故需移出37.9%左右的氮素，并補充0.5%～1.7%、33.7%～37.2%的磷肥和鉀肥才能滿足作物生長的需要。在需要補充化肥（磷肥、鉀肥）的2種情景中，以秸稈不還田，用于焚燒的秸稈比例為73.72%（S31）時所需要補充的化肥量為最高。

4 討 論

1978年至今，東莞畜禽養殖所經過了近20 a的增長，在1996－2005年養殖數量及所產生的糞肥均達到了頂峰，糞肥提供的總養分在1.0萬～2.0萬 t，對人畜糞肥總養分的貢獻率達73%～84%，已超過了當地農業耕地需要吸納的畜禽養分資源總量，成為轉運或輸出糞肥養分的主體。2005年后當地政府對全市各鎮的畜禽養殖場進行了全面整治，明確劃定了全市畜禽養殖的禁養區和限養區，畜禽存欄量大幅度減少，所產生的糞肥量也隨之下降。模型預測顯示，畜禽養殖對糞肥總養分的貢獻率將持續下降，但在同期耕地、果園面積逐漸減少的情況下，不論以哪種原則決定糞肥施用量或采用何種糞肥處理方式，均需將一定數量的氮養分移出，才能解決當地農田土壤氮素負荷過量問題。

總體來看，隨著東莞對畜禽養殖業環境監管工作的不斷推進，畜禽養殖數量和規模已明顯減少，單位耕地和果園面積N和P2O5的載荷遠低于發達國家限量標準和廣東省平均水平，說明畜禽養殖業所產生的污染得到有效遏制。在此基礎上，如何減少秸稈養分損失，合理利用糞肥養分資源替代化肥，促進農業的可持續發展顯得尤為重要。因地制宜，畜-禽-果-菜-魚相結合，提高秸稈養分循環利用比例，加強有機糞肥養分資源管理，不斷提高糞肥養分利用效率，控制糞肥在綜合利用過程中的養分缺失，才能有效緩解土地缺乏導致高的農田氮、磷養分載荷較高等問題，推動環境保護和農業的可持續發展。

本研究采用的是統計年鑒中的數據和公開發表文獻中的有關秸稈系數、秸稈養分含量參數、畜禽糞便排泄系數、作物養分吸收系數等來估算秸稈量、畜禽糞便資源量等及其養分含量等，實際中由于品種、生長地區、氣候、管理方式、廢棄物利用率等不同，這些系數在不同的報道或文獻中并不統一[29]。例如畜禽糞便的日排泄量與品種、體質量、生理狀態、飼料組成和飼喂方式等均相關，中國目前尚沒有相應的國家標準[9]，在估算時對排泄系數選取上差別很大，從而導致研究結果相差甚遠。此外，研究基于養分平衡法估算耕地和果園養分盈虧情況時，并未考慮大氣降水及灌概水養分輸入量、種子帶入的養分及其他如生物固氮、干濕沉降等因素的影響。因數據獲取所限，也未能將土壤淋溶、侵蝕、有機氮礦化和植物體蒸散損失的氮等計入。在糞肥處理方式上，僅考慮了3種常見的情景。實際上當前已涌現了多種技術成熟的糞肥資源化利用方式，如水糞混合做能源回收，糞肥的動物蛋白轉化利用等[30]。在處理和施用糞肥的時候，一些國家（如丹麥）還考慮了不同來源糞肥的特性以及不同作物對氮、磷、鉀的需求量等細節性措施[31]。因此，后續研究應針對參數選擇及結果進行不確定性分析，并結合實地觀測、農戶調研等獲取數據資料，從而使研究結果更具科學性和指導意義。

5 結 論

發展種養結合，將秸稈替代部分飼草，糞便通過還田替代部分化肥，是減少農業面源污染、踐行綠色發展理念的重要舉措。研究以地處珠三角水網區腹地的東莞為例，構建人口－種植業－畜禽養殖業的系統動力學模型，從耕地氮、磷承載力的角度，分析區域糞肥的產生量及養分資源的動態變化，探究農業和農村生活廢棄物資源化利用和養分有效管理的途徑。研究表明，東莞農業農村有豐富的有機廢棄物資源。2016年作物秸稈資源量、畜禽養殖和農村生活產生的有機廢棄物分別為4.08×104，1 912.16×104t豬糞當量（以N計）和6.20×104t。這些廢棄物資源中蘊含的潛在養分達0.702 4×104t，并以逐年3.4%的幅度減少。若根據有機肥氮素替代50%化肥氮的原則來估算有機廢棄物養分供應量，則氮、磷、鉀養分均超出當地農作物和果樹生長所需，需要外運糞肥以降低對環境的影響。在秸稈全部還田的情景下，最高有約84.7%的人畜糞肥（氮素）需要外運。隨著時間的推移，需要外運的糞肥數量趨于減少。需要注意的是，對于經堆肥加工處理的糞肥，在控制畜禽養殖和農村生活產生糞肥的氮、磷養分的同時，還需按照作物需鉀量補充適量的鉀肥，在秸稈不還田的情況下，需要補充的鉀素最多。

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Potential of partial substitution of chemical fertilizer by organic manures in Dongguan based on system dynamics

Qin Zhong1,2,3, Long Shaoqiu1,2,3, Wang Lu1,2,3※, Zhang Chunxia1, Yuan Lan1,2,3

(1.510642,; 2.,,510642,; 3.510642,)

Strategies for managing livestock manures and slurries in a sustainable manner have become an import issue with the rapid development in livestock and poultry industry in China. The manure production and utilization, usually involves the farming population, livestock and poultry breeding and crop cultivation, can achieve planting-breeding balance and reduce emissions of nutrients and pollutants to the environment. Understanding the process of manure nutrients in this comprehensive system can be helpful to strategies for the efficient recycling of manures. We develop a STELLA (Structural Thinking, Experiential Learning Laboratory with Animation) model for predicting the manure productions in agricultural and rural livelihoods and the changes in arable land bearing capacity for manure resources,and estimating the balance betweenlocal manure nutrients supply and fertilizer demand under different scenarios of crop straw returning to field and manure processing methods. The study aimed toprovide scientific information for optimize planting and breeding structure, achieve the sustainable recycling of manures, and promote the formulation of relevant policies. The model was applied to Dongguan in Pearl River Delta, an ideal candidate for investigating regional dynamics of manure nutrients with the adjustment of stock breeding industry and continuing reduced livestock and poultry breeding in recent years. The dynamics of manure nutrients included in the model were: 1) The loading capacity of agricultural land soil for nitrogen and phosphorus nutrients according to limitations on nitrogen and phosphorus application issued by the European Union; 2) The estimated amount of crop straw and its nutrient content. The crop straw nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrients returned to field were also quantified separately under three returning proportions; 3) The amount of livestock manure estimated by the excretive coefficient method. Manures produced from different livestock species were converted into pig equivalent. Manure nutrients were calculated under three manure processing methods; 4) Nutrients derived from rural domestic manures; 5)The average values of arable land loading of nitrogen and phosphorus nutrients. The model was calibrated using the statistical data during 1979－2017 and then used for the future prediction. The results showed that nutrients demand of crops and fruit trees in 2025 was 4.613 6×103t, while nutrients supplied by crop residue retention, livestock farming and rural domestic wastes were 430.64 and 4.5143×103t, respectively. Under scenarios of three typical manure management methods (stockpiling, biogas production and composting), the actual available nutrient elements were estimated to 3.913 9×103, 4.803 7×103and 3.055 0×103t , respectively. According to the rule of organic fertilizer N substituting 50% of chemical fertilizer N, the amount of N, P, K contained in organic wastes has exceeded the requirements of crop and fruit trees and should be transported out to reduce the risk of environmental pollution. Under the scenario of all straw returned to field, up to 87% of livestock manures should be exported out. Moreover, the additional K needed to be supplied with chemical fertilizers to meet the needs of crops and fruit trees under the compost processing scenario. The prediction posed a caution that the livestock farms and farmers in Dongguan shouldensure the amount of manure nutrients supplied by crop residue retention, livestock farming and rural domestic not to exceed the demand of crops and fruit trees.

nutrients; manures; fertilizers; system dynamics; scenario analysis; Dongguan

2018-12-17

2019-05-15

廣東省科技計劃項目（2014B020206002）、國家重點研發計劃資助（2018YFD1100103）、國土資源部建設用地再開發重點實驗室、廣東省土地利用與整治重點實驗室開放課題（SCAUGIS-OF2014-01）

秦 鐘，博士，副教授。主要的研究領域為生態系統分析與模擬。Email：q_breeze@scau.edu.cn

王 璐，博士，副教授。主要研究方向為生態系統分析與模擬。Email：selinapple@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.026

S11+7

A

1002-6819(2019)-11-0223-10

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Qin Zhong, Long Shaoqiu, Wang Lu, Zhang Chunxia, Yuan Lan. Potential of partial substitution ochemical fertilizer by organic manures in Dongguan based on system dynamics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 223－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.026 http://www.tcsae.org