華北平原主要作物輪作模式下牛養殖適宜承載量分析

聶勝委，張巧萍，王二耀，張玉亭，何 寧

（1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南鄭州450002；2.河南省農業科學院畜牧獸醫研究所，河南鄭州450002）

隨著人們生活水平的不斷提高，對肉、蛋、奶的需求量也越來越大。與之相應的是畜禽養殖規模和數量不斷擴大，畜禽養殖產生的糞尿廢棄物總量也日益增多，導致養殖糞尿排泄物超過了區域自身的消納吸收能力，污染加劇。運用土地承載力的計算方法可以快速方便地計算出一定區域內適宜的畜禽養殖承載數量，科學合理地規劃區域內養殖規模和結構。

在研究土地承載力的尺度、方法、理論等方面，研究涉及的內容也越來越豐富。區域內畜禽養殖規模和土地承載力在省域大尺度方面已有較多研究。王奇等[1]分析了全國各省的畜禽養殖總量及承載能力；汪開英等[2]研究了浙江省畜禽業產排污和土地承載力情況，并提出區域內養殖業布局的建議；陳斌璽等[3]分析了海南省農用地的畜禽糞便承載力和養殖環境容量；孫國波等[4]采用氮磷養分平衡法研究了江蘇省畜禽養殖的土地承載力。地區（市）域中尺度方面，已在江蘇淮安[5]和鹽城[6]、陜西安康[7]和西安[8]、廣東江門[9]、甘肅慶陽[10]、河北滄州[11]等地進行了區域土地承載力分析。縣（區）域小尺度方面，在江西桐鄉[12]、北京平谷區[13-14]、江西鄱陽湖生態經濟區[15]、山東壽光[16]、浙江江華[17]等已有研究。

此外，在土地承載力的研究中融合了其他分析方法，例如，分析區域養殖環境承載力結合系統分析的灰色理論和模型[18-19]、系統動力學與模糊預警模型[20]、層次分析法[21]等。而且，對土地承載力研究的尺度也更加微觀化，如基于種植業、養殖業養分平衡分析環境承載力[22]，基于養分平衡法分析大田作物、蔬菜地和果園地土地畜禽承載力[23]。理論方面，徐宇鵬等[24]研究了規模化畜禽養殖布局的環境敏感影響因子；鞠昌華等[25]分析了畜禽養殖環境承載力的關鍵特征。

華北平原是我國重要的糧食生產基地和畜禽養殖基地，也是我國今后發展秸稈養殖（牛）業的重要地區。上述研究大多是從養殖規模、耕地面積、產量等方面來分析，而土地承載力與區域內土地生產力水平（高產、中產、低產）、作物輪作種植模式、堆糞肥施用量以及科學技術水平等因素關系密切。

本研究運用土地承載力計算方法結合不同土地生產力水平，研究華北平原區主要作物輪作模式和不同生產力水平下的牛養殖業適宜承載量，以期為實現種植業、牛養殖業清潔生產、農牧產業鏈循環、資源循環利用提供參考和借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

華北平原（32°～40°N，114°～121°E）跨越京、津、冀、魯、豫、皖、蘇7省市，是我國重要的農業區域之一。屬暖溫帶季風氣候，四季變化明顯，年均溫8～15℃，熱量資源較為豐富，一年兩熟輪作種植模式。≥0℃積溫為4 100～5 400℃，≥10℃積溫為3700～4700℃，無霜期190～220d，年降水量500～1 000 mm，年總輻射量為4 605～5 860 MJ/（m2·a），年日照時數為2 300～2 800 h。同時該區也是我國重要的牛養殖區域之一，2017年底，該區牛存欄量1172萬頭，牛肉和牛奶產量分別為172萬、897萬t。

1.2 研究方法

表1 不同生產力水平下主要作物的氮肥施用量及產量水平 kg/hm2

選取該區主要的作物輪作種植模式：小麥/玉米（糧/糧模式）、小麥/花生（糧/油模式）、小麥/水稻（糧/糧模式）、小麥/大豆（糧/油模式）、油菜/水稻（油/糧模式）等，土地生產力水平分為高產田、中產田、低產田（表1）。土地承載力的計算和參數參照農業農村部印發的《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》，以養分N為標準，單位豬當量氮養分供給量按7.0 kg計算。生產力水平及肥料利用率參考《作物專用復混肥料農藝配方》等研究的相關結果[26-27]，在高產田、中產田、低產田中的糞肥占施用肥料總量的比例和肥料吸收利用率分別為25%，35%，50%和50%，40%，30%，不同生產力水平條件下單位耕地面積氮肥施肥量及產量水平列于表1。

1.3 數據分析

數據、表、圖采用Excel和SPSS 25.0等軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同輪作種植制度下作物糞肥養分需求量分析

從表2可以看出，華北平原一年兩熟區不同輪作種植制度下，在高產田、中產田和低產田3種生產力水平下的養分需求總量存在差異，相同輪作模式下，高產田養分需求量最大，低產田需求量最小；相同土地生產力水平條件下，糧/糧輪作模式的養分需求量高于糧/油輪作模式。

表2 不同輪作種植制度下單位面積的氮肥養分需求量 kg/hm2

由于不同生產力水平的耕地土壤對養分需求不同，依據施用堆肥或有機肥對作物產量的影響，同時參照施用有機肥對中、低產田土壤具有良好的改良效果等研究，本研究采用施用糞肥占總量氮肥的比例在高產田、中產田、低產田分別為25%，35%，50%，加大了糞肥在中、低產田的施用量，計算結果如表3所示。

表3 不同輪作種植制度下糞肥氮的施用量 kg/hm2

此外，肥料的吸收利用效率在不同生產能力條件下也存在差異，本研究參考了以往的研究，確定氮肥養分吸收利用率在高產田、中產田、低產田水平下分別為50%，40%，30%，依據養分吸收利用效率和生態承載力糞肥需求量計算公式，得出不同輪作種植制度下糞肥的需求量（表4），糞肥在中、低產田的需求量大于高產田，在“糧/糧”模式下（小麥/玉米、小麥/水稻）的需求量大于“糧/油或油/糧”模式（小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻）。

表4 不同輪作種植制度下糞肥的需求量 kg/hm2

2.2 不同輪作種植制度下農田牛適宜承載量分析

按照《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》的計算方法，單位豬當量氮養分供給量為7.0 kg計算（表5），小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻輪作模式下，高產田的生態承載力的豬當量頭數分別為 32.1，32.1，21.4，20.4，21.4 頭 /hm2；中產田分別為 54.4，54.4，35.6，37.5，37.5 頭 /hm2；低產田分別為 96.4，100.0，64.3，67.9，67.9 頭 /hm2。

表5 不同輪作種植制度下生態承載力 頭/hm2

依據指南中的換算系數，100頭豬相當于15頭奶牛、30頭肉牛，不同輪作種植模式、不同土地生產能力水平下肉牛適宜養殖量如圖1所示。小麥/玉米種植模式在高產田、中產田、低產田中適宜的肉牛養殖量分別為9.6，16.3，28.9頭/hm2，小麥/水稻種植模式分別為9.6，16.3，30.0頭/hm2，小麥/花生種植模式分別為6.4，10.7，19.3頭/hm2，小麥/大豆種植模式分別為6.1，11.3，20.4頭/hm2，油菜/水稻種植模式分別為 6.4，11.3，20.4頭 /hm2。

從圖2可以看出，單位耕地面積上奶牛的養殖量，小麥/玉米種植模式在高產田、中產田、低產田中適宜養殖量分別為4.8，8.2，14.5頭/hm2，小麥/水稻種植模式分別為4.8，8.2，15.0頭/hm2，小麥/花生種植模式分別為3.2，5.3，9.6頭/hm2，小麥/大豆種植模式在高產田、中產田、低產田中適宜養殖量分別為3.1，5.6，10.2頭/hm2，油菜/水稻種植模式分別為 3.2，5.6，10.2 頭 /hm2。

3 討論

土地承載力與土地的生產力水平、養分吸收效率等關系密切，已有研究表明，大田作物每季載畜量，小麥、水稻、玉米分別為肉牛3，4，3頭/hm2和奶牛2，2，2頭/hm2，經過計算可知，小麥/玉米、小麥/水稻種植模式下土地載牛量則分別為肉牛6，7頭/hm2和奶牛4，4頭/hm2[23]。而本研究得出，小麥/玉米種植模式在高產田、中產田、低產田中適宜養殖量分別為 9.6，16.3，28.9頭/hm2，小麥 /水稻種植模式在高產田、中產田、低產田中適宜養殖量分別為9.6，16.3，30頭/hm2。同時，利用種植、養殖養分平衡計算出杭州市畜禽養殖量大的地方環境生態承載力的豬當量為35.59頭/hm2，一般為20～30頭/hm2[22]。本研究中，小麥/玉米、小麥/水稻每公頃高產田、中產田、低產田的生態承載力的豬當量分別為32.1，32.1 頭 /hm2；54.4，54.4 頭 /hm2；96.4，100.0 頭 /hm2。本研究的結論與已有研究報道結論相比，高產田與之持平略高，中、低產田遠高于文獻結論，這是由于在本研究中，考慮到不同地力水平下，施用糞肥占肥料施用總量不同，而且肥料在不同地力水平下，土壤的蓄水蓄肥能力差異較大因而導致吸收利用率差異也較大。同時，未來我國中低產田改良和有機質提升的主要做法就是增大有機肥的施用量。因此，在中、低產田地力水平下，適當提高不同種植模式的養殖承載量，不僅能夠使農田消納更多的牛養殖業糞（尿）廢棄物，實現種養循環和清潔生產，而且可以更好地改善土壤團粒結構，增加土壤有機質，培肥地力，提高土地生產能力。

另一方面，本研究中土壤生產力水平、化肥替代比例以及養分吸收效率數據均采用區域內以往的研究結果[26-27]，與區域內的生產實際相吻合，所得出的結論與生產實際契合度較好；既能夠為種植戶發展養殖業提供參考，也能為養殖戶發展種植業提供借鑒，實現區域的以種定養，以養促種，實現產業循環發展，有利于產業結構的調整和銜接。

4 結論

本研究初步得出，在高產水平下，小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻種植模式的肉牛適宜承載量分別為9.6，9.6，6.4，6.1，6.4 頭 /hm2，奶牛適宜承載量分別為 4.8，4.8，3.2，3.1，3.2頭/hm2；在中產水平下，小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻種植模式的肉牛適宜承載量分別為16.3，16.3，10.7，11.3，11.3 頭 /hm2，奶牛適宜承載量分別為 8.2，8.2，5.3，5.6，5.6頭/hm2；在低產水平下，小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻種植模式的肉牛適宜承載量分別為28.9，30.0，19.3，20.4，20.4 頭 /hm2，奶牛適宜承載量分別為 14.5，15.0，9.6，10.2，10.2 頭 /hm2。