我國果菜茶中畜禽糞便有機肥替代化肥潛力

安思羽，李艷霞*，張雪蓮，劉笑冰，陳興財，童 心，胡柏楊，劉克鋒

（1.北京師范大學環境學院，水環境模擬國家重點實驗室，北京100875；2.北京市土肥工作站，北京 100029；3.北京農學院，北京102206）

我國水果、蔬菜、茶葉生產不但滿足國內日益增長的需求，更是出口創匯的重要產品。數據顯示，2013年世界41.8%和51.9%的蔬菜和水果均產自中國[1]，果菜茶種植產業已成為我國農業最重要的組成部分[2]。但是調查同時發現，我國果樹、蔬菜種植區土壤肥力普遍偏低，土壤退化嚴重，為了實現高產，農民通常采用過量施肥的方式[3-4]，從而導致菜園、果園、茶園化肥用量遠遠高于玉米、小麥、水稻等糧食作物，最高可達25倍[3，5-7]。由此可以看出，我國果菜茶栽培中高施肥量的生產方式使得其在化肥減量上有著較大的潛力。與此同時，我國畜禽養殖業每年產生的畜禽糞便有超過50%得不到合理利用[8]，造成了資源的浪費和環境的污染。畜禽糞便可以作為很好的有機肥，在替代化肥方面有諸多優勢，提高土壤肥力、改善土壤狀況以及微生物群落，最終有效促進作物生長[9-12]。

針對畜禽糞便的土地利用優勢，農業部于2017年提出了《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》（以下簡稱“行動方案”），其目的主要是實現化肥減量與生產增效并重，減少果菜茶化肥施用量的同時，降低成本、減少污染，增加我國畜禽糞便有機肥的土地施用量，提高土壤肥力水平[8]。行動方案提出了具體化肥減量化指標：提高有機肥用量，到2020年我國果菜茶優勢產區化肥用量減少20%以上，核心產區和知名品牌生產基地（園區）化肥用量減少50%以上[13]。但畜禽糞便產量、其養分含量以及區域分布是否能夠滿足化肥替代的需求，從而達到減量的目標，目前還未見相關研究報道。

因此，本文計算了果菜茶中無機氮、磷肥實際施用量及理論氮、磷養分需求量，同時統計了我國畜禽糞便產量及其資源量，首先從滿足化肥減量目標的角度分析了畜禽糞便的替代能力，再從滿足果菜茶對養分理論需求的角度，探究完全替代的條件下畜禽糞便有機肥對果菜茶養分需求的供應能力，以期為推動果菜茶化肥減量的目標提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

依據《中國統計年鑒》[2]獲得2015年我國蔬菜、水果、茶葉的產量及種植面積，通過《全國農產品成本收益匯編》[14]獲得2015年水果、蔬菜化肥實際施用量，依此計算果菜茶的實際化肥施用量及其理論養分需求量。2015年我國各省（自治區）主要畜禽年末存欄量從《中國畜牧獸醫年鑒》[15]中獲取，計算畜禽糞便及其養分含量。

1.2 果菜茶實際化肥用量與理論化肥用量估算

我國蔬菜、水果氮肥、磷肥實際施用量通過下式計算：

式中：H為蔬菜（水果）氮（磷）肥實際施用量，104t；Si為蔬菜（水果）的種植面積，103hm2；di為每公頃蔬菜（水果）的氮（磷）肥施用量，kg·hm-2。

參照中國化肥網提供的茶園施肥技術[16]，茶園化肥施用量按照標準控制的氮、磷肥量計算，分別為40、13.3 kg·t-1，照下式計算：

式中，H′為茶葉中氮（磷）肥實際施用量，104t；L為茶葉產量，104t；e為生產單位質量茶葉施用氮（磷）肥量，kg·t-1。

不同作物對養分的理論需求量如表1所示[17]，根據公式（3）計算我國果菜茶產品氮、磷養分理論需求量：

式中：Q為果菜茶對于氮（磷）養分的理論需求量，104t；Ai為 i類作物年產量，104t；ai為 i類作物形成 100 kg產量所需的氮（磷）養分量，kg·100 kg-1。

1.3 畜禽糞便產生量及養分含量估算

統計研究表明，牛、豬、羊和家禽是我國畜禽糞便的重要組成來源，其年糞便產生量占全國畜禽糞便總產量的87%～96%[18]，因此本文主要選取豬、牛、雞、羊進行研究。綜合分析了現有的四種畜禽糞便年產生量的估算方法[19]，本研究采用公式（4）、（5）進行計算：

式中，Pi為 i種畜禽糞便產生量，104t；Ni為 i種畜禽糞便中氮（磷）養分含量，104t；Bi為i種畜禽飼養量（對于飼養周期大于一年的畜種以存欄量計，小于一年的以出欄量計），104只（頭）；Ti為i種畜禽飼養周期（養殖超過一年的飼養周期為365 d，少于一年的為其實際飼養周期），d；bi為i種畜禽的糞便排泄系數，kg·d-1·只（頭）-1；ci為i種畜禽糞便中的氮（磷）排泄系數（磷換算成P2O5時乘系數2.29），g·kg-1。

表1 不同作物形成100 kg產量所需氮、磷養分量[19]Table 1 Approximate amount of N and P absorption of main crops[19]

1.3.1 畜禽飼養周期及飼養量確定

依據國家環保總局給出的官方數據[20]，豬飼養周期平均為199 d，因此以出欄量計，但其中母豬主要以生產仔豬為主，一般不出欄，因此母豬以存欄量計算，飼養周期為365 d。牛、羊的飼養周期均大于一年，以年末存欄量計[21]。因省級層面的統計數據沒有對家禽進行細分統計，因此本研究中蛋雞與肉雞的存欄、出欄量參照朱寧等[22]給出的算法，利用雞蛋、雞肉的產量進行估算，此計算結果對蛋雞、肉雞糞便產生量可能存在偏差。

1.3.2 畜禽養殖產污系數確定

據《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數手冊》各地區豬、奶牛、肉牛、肉雞、蛋雞的產污系數，并參照林源等[21]對不同時期的排泄系數做如下計算處理：

（1）生豬日產污系數=（保育期日產污系數×65 d+育肥期日產污系數×104 d）/169 d；

（2）母豬日產污系數由生豬妊娠期的產污系數和仔豬的產污系數合并所得，為：母豬產污系數=[（妊娠期產污系數+仔豬產污系數）×20×30 d]/365 d；

（3）奶牛按照育成牛（35%）和產奶牛（65%）的比例進行折算，即奶牛日產污系數=育成牛日產污系數×35%+產奶牛日產污系數×65%；

（4）蛋雞按育雛育成（15%）和產蛋雞（85%）的比例進行折算，即蛋雞日產污系數=育雛雞日產污系數×15%+產蛋雞日產污系數×85%；

（5）肉牛和肉雞均為手冊中所給出的系數。

役用牛和羊的產污系數未在手冊中給出，依據文獻報道，取其均值進行計算[23-25]。

對于各畜種糞便中氮、磷排泄系數則選用國家環保總局發布的《畜禽養殖排污系數表》[20]中所給出的系數，豬糞、牛糞、雞糞中總氮、總磷含量分別為5.88、3.41 g·kg-1，4.37、1.18 g·kg-1和9.84、5.37 g·kg-1。羊糞中氮、磷排泄系數同樣取各文獻報道的均值，得到氮為8.51 g·kg-1，磷為1.93 g·kg-1[23-25]。

2 結果與討論

2.1 我國果菜茶生產過程中化肥實際施用量及理論需求量

通過果菜茶中化肥實際施用量及理論養分需求量的對比，2015年果菜茶中氮、磷肥（折純量，下同）施用量遠超過作物實際需求量，達2倍左右。生產過程中氮肥施用總量為1.12×107t，高于磷肥的7.18×106t，各省（市、自治區）氮肥施用范圍為6.9×103～7.87×105t，磷肥為3.9×103～5.23×105t（表2），氮肥普遍高于磷肥施用量主要與作物自身需求有關。總體看來，我國氮、磷肥用量區域分布與果菜茶的養分需求量分布一致，中部及東南部化肥用量明顯大于西北部。西北地區為我國的主要牧區，種植業的用肥需求相對較少，但是新疆地區由于水果產業發達，葡萄、甜瓜等水果類作物化肥投入大，占80%以上[26]，水果類氮、磷肥施用量分別為其實際需求量的3.8倍和6.8倍，所以理論上看新疆在水果化肥減量施用上有很大空間。東北三省土壤以黑土為主，自然肥力高，保肥能力強[27]，同時耕地的輪作或連作率低于我國中南部地區，因此其化肥的理論需求量也較低。我國中部及東南部人口密集，經濟較為發達，蔬菜、水果、茶葉的需求旺盛，較明顯的是山東、河南、河北、四川四省，此外在浙江、廣東、福建等經濟發達地區，農民在種植過程中更傾向于高投入促產量的模式[3]，從而造成化肥過量施用現象嚴重，蔬菜、水果氮肥施用均高于全國平均水平，特別是水果種植中化肥過量現象更為嚴重，氮、磷肥施用量達到理論需求量的3～9倍，但也因此表明該地區節肥潛力相對較大。

從區域分布來看，我國蔬菜產業主要以黃淮海地區全年蔬菜供應和長江流域春冬季蔬菜供應為主[28]，山東、河南、河北、江蘇、廣東、四川、湖南、湖北、廣西幾省蔬菜化肥施用量大，氮、磷肥施用量均占到全國氮、磷肥施用量的58%左右。我國水果以蘋果、柑橘為主，蘋果以渤海灣和黃土高原為兩個優勢區，包括山東、河北、河南和陜西；以陜西省最為突出，在洛川蘋果優勢產業的帶動下，當地水果中氮、磷肥施用量分別占該省果菜茶中氮、磷肥施用量的79%和84%，若水果中氮肥減量20%和50%，則本省果菜茶氮肥相應減少16%和40%，磷肥減量20%和50%的情況下，總體磷肥施用可相應減少17%和42%；柑橘生產則著重在贛南-湘南-桂北、浙-閩-粵、鄂西-湘西幾大優勢區，對應江西、湖南、湖北、廣東、廣西、福建省（區）水果氮、磷施用量均占該省（區）果菜茶化肥總用量的50%以上，按這六省（區）施用的氮磷肥減量50%計算，全國水果氮磷肥施用量可相應減少15%以上。我國茶葉產量較蔬菜和水果小很多，種植區域更加集中，主要以福建、云南、湖北、四川等省為代表[2，17]，化肥施用量相對較少。

表2 我國果菜茶化肥施用量及養分需求量（104t）Table 2 The application of chemical fertilizer and the theoretical nutrient demand in fruit，vegetables and tea（104t）

經上述分析，我國目前果菜茶中化肥施用分布相對不平衡，中部、東南部化肥投入大，均高于國際公認的化肥施用安全上限（225 kg·hm-2）[29]；不同作物的實際化肥施用量與理論養分需求量的差距很大，全國水果中氮、磷肥施用平均水平分別為其理論需求量的3、5倍左右，最高可達10倍左右。因此，我國的果菜茶作物，特別是水果在種植過程中需要嚴格管控化肥施用量。

2.2 我國畜禽糞便產量及其養分資源量

依據不同畜禽的飼養量、飼養周期及產污系數等計算得到，2015年我國畜禽糞尿產量達2.09×109t，由于目前我國主要將固體糞便堆肥用于生產商品有機肥，因此本文對我國31個省（市、自治區）的豬、牛、雞、羊四種主要畜禽的固體糞便（以下稱“糞便”）及其中氮磷養分資源量進行研究（圖1、圖2），糞便總產量達 1.30×109t，排放 7.98×106t氮和 6.42×106t磷（以P2O5計，下同）。

空間上，我國畜禽糞便資源分布差異顯著，總體表現為發達地區（四個直轄市及江蘇、浙江、福建等省）畜禽糞便資源量遠小于華北、東北、中南及西北地區眾多欠發達省份，養殖區域主要集中在經濟糧食、牧草等資源豐富地區[30]，以河南、山東、內蒙古、河北、四川為代表[15]。在養殖類型上，我國形成了以四川、湖南、湖北、重慶、江西、江蘇、浙江等省份為主的長江中下游地區生豬養殖帶[31]，豬糞產生量6.61×107t，占全國的36%。肉牛、奶牛糞便高產量地區主要集中在東北和華北，分布在以河南、山東、河北為代表的中原肉牛帶和東北三省肉牛帶，糞便產量占全國牛糞產量的50%左右。羊糞產生量更為集中，主要分布在內蒙古和西北幾大牧區，內蒙古和新疆兩區羊糞貢獻量可達全國總量的1/3。肉雞養殖主要集中在我國東部地區，如山東、遼寧、江蘇、廣東，蛋雞養殖則主要在長江以北，以山東、河南、河北最多，見圖1。

不同畜種糞便中所排放氮磷養分不同。Turner等[32]和Pagliari等[33]研究認為，豬和雞是無法產生植酸酶的非反芻動物，對谷物及飼料中添加的有機磷利用率低，因此糞便中磷排放量明顯高于牛和羊等反芻動物，我國畜禽糞便普查時已發現全國豬和雞糞磷排放總量為牛糞的2倍[34]；由于養殖種類及養殖數量的不同，各省份畜禽糞便氮、磷排放總量存在顯著差異（圖2）。其中畜禽糞便氮排放量最低的上海市僅有9.37×103t，內蒙古最高，為上海市的78倍；糞便磷排放量范圍為8.63×103～5.69×105t，排放量最高的河南省是最低的上海市的63倍。總體看，四川、河南、河北、山東、內蒙古作為畜禽養殖大省（區），糞便氮、磷養分的排放位于全國前列，5省（區）共計排放氮3.05×106t、磷2.43×106t，均占全國的38%左右，與此前研究報道相一致[18，21，35]。

圖1 我國主要畜種糞便產生量Figure 1 Quantity of livestock and poultry manure in different provinces

圖2 畜禽糞便氮、磷養分排放量分布Figure 2 Spatial distribution of nutrient quantity from livestock and poultry manure

對比表2與圖2發現，畜禽糞便氮磷排放量分布基本與果菜茶中實際化肥施用量分布呈相反趨勢，對于經濟發達的福建、浙江、江蘇等地化肥用量大而畜禽糞便氮、磷排放量少，化肥用量最高可達畜禽糞便中氮磷排放的8倍，相反西北、東北地區的果菜茶中化肥施用量僅為其畜禽糞便氮、磷排放量的1/6～1/3。因此，對于我國各個省（市、自治區）的畜禽糞便養分含量是否能滿足化肥減量的需求，本研究將進一步討論分析。

2.3 畜禽糞便有機肥替代化肥潛力分析

研究表明，我國畜禽糞便可提供1.44×107t的氮、磷養分，達目前果菜茶中氮、磷化肥施用量的78%。據報道[4，36]，我國化肥施用后約有20%～36%的養分流失，若將所產生畜禽糞便有機肥完全替代化肥利用，可減少2.88×106～5.18×106t化肥流失，減少大量氮磷進入環境，從而減輕面源污染風險。可見，畜禽糞便作為有機肥替代果菜茶中施用的化肥具有切實的環境、經濟效益。

根據農業部行動方案要求，本文按各省（市、自治區）果菜茶化肥相應減量20%和50%計算，并將減量的化肥用等養分含量的畜禽糞便替代，得到所需糞便量，見圖3。以內蒙古自治區為例，果菜茶產品化肥施用量的20%所需氮、磷肥量分別為2.4×104、1.5×104t，提供相應量氮、磷養分所需畜禽糞便量分別為3.88×106、2.99×106t，以需求量大的氮為計算基礎，畜禽糞便替代20%的氮、磷肥后仍有1.03×109t糞便資源剩余，同理替代50%的化肥后畜禽糞便盈余9.68×107t，可見內蒙古自治區畜禽糞便替代果菜茶化肥潛力巨大。相應地，對于我國31個省（市、自治區），果菜茶化肥施用量減少20%的目標基本可以實現，僅陜西、浙江、福建三省畜禽糞便存在缺口，這與其化肥嚴重的過量施用有關，陜西僅蘋果種植的氮、磷肥投入過量比可高達72%和50%[37]。依據行動方案減少50%的化肥施用量的目標，華北、東北地區省份，養殖大省四川、山東、河南以及主要牧區青海、西藏、新疆等省（市、自治區）畜禽糞便資源量大，替代化肥潛力大，不存在糞便資源缺乏的問題。總體看來，由于單位面積上化肥施用量呈中部、東西部高于西北部分布，而糞便資源量分布恰恰相反，導致西部和北部各省份畜禽糞便替代化肥后盈余較大，以內蒙古自治區最多，東南部、中部的部分省（市、自治區）替代化肥的糞便量存在供應不足的可能，以陜西省缺口最大。

然而，本研究是基于目前各省市果菜茶化肥實際施用量進行計算，存在化肥過量施用的問題，若能降低化肥實際施用量，糞便需求量也會同步降低。因此，本文針對果菜茶理論養分需求量進行了各省市畜禽糞便替代化肥的估算。表3是各省市果菜茶化肥理論養分需求完全被畜禽糞便所替代時，畜禽糞便的盈虧量。

在果菜茶理論化肥養分需求計算的基礎上，24個省市畜禽糞便氮、磷養分可全部滿足作物的需求，并且糞便磷的供應比氮更充足，僅余上海、浙江、江蘇、福建、山東、廣東、陜西畜禽糞便的氮或磷養分無法滿足果菜茶的需求。分析原因認為，上海、浙江經濟發展較快且更重視環保，畜禽養殖規模不斷縮小，逐漸向周邊省市轉移，畜禽糞便的供應量也自然減少，同時浙江省作為茶葉種植大省，茶葉產量居全國第六[2]，其糞便有機肥無法滿足化肥的完全替代；山東省雖養殖量大，果菜茶種植量也大，蔬菜、水果產量位居全國首位[2]，因而糞便有機肥也無法滿足化肥減量的替代；福建、廣東、陜西三省主要是由于存在一些優勢種植區，如福建天福茗茶、福建日春茶葉、陜西洛川蘋果等，造成了較大的養殖量仍無法滿足化肥的減量替代現象。其余區域，如黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、四川、西藏、青海、新疆等省市，畜禽糞便產量大、養分排放量大，不僅能夠滿足果菜茶作物的需求，較多的盈余可以在其他大田作物栽培過程中施用，以提高土壤肥力、減少化肥的使用；對于供應量遠超出自身消納量的區域，特別是內蒙古、四川、河南等省（區），可將畜禽糞便作為有機肥源向欠缺的省份輸出，實現資源的互補。

3 結論

（1）我國果菜茶生產過程中化肥用量普遍偏高，實際氮、磷肥施用量為其理論養分需求量的2倍左右，化肥高投入促產量的施肥模式不合理。

（2）2015年我國豬、牛、羊、雞等排泄氮、磷養分分別為7.98×106t和6.42×106t，具有巨大的化肥替代潛力，若完全替代化肥利用，可減少2.88×106～5.18×106t化肥養分的流失。

（3）我國28個省（市、自治區）的畜禽糞便養分供應可滿足其化肥減量20%的目標，22個省（市、自治區）可達到化肥減量50%的目標；從養分對作物需求供應的角度，24個省（市、自治區）畜禽糞便氮、磷養分可實現充分供應，并且糞便磷的供應比氮更充足，以內蒙古、四川及東北三省為代表，畜禽糞便有機肥替代化肥潛力巨大。

表3 果菜茶化肥減量后畜禽糞便替代潛力分析（104t）Table 3 The potential of animal manure to replace chemical fertilizer（104t）

雖然本研究按照畜禽糞便替代化肥分析了其供應潛力，但畜禽糞便有機肥是一種緩釋肥料，為保證果菜茶產量配合一定量的無機化肥是必要的，因此有機肥的替代化肥應遵循科學、合理的過程。另外，對于畜禽糞便中高重金屬、獸藥抗生素等污染物殘留的問題，也需進行進一步的研究，實現畜禽糞便的無害化利用。

圖3 果菜茶養分需求量與畜禽糞便養分供應量對比圖Figure 3 The theoretical nutrient requirement and the nutrient supplement amount