商洛市畜禽糞污排泄量及其替代化肥潛力研究

王忙生，張 雁，張雙奇，楊 雷

(1.商洛學院, 陜西 商洛 726000；2.商洛市畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心, 陜西 商洛 726000)

依據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒——2016》[1],中國2000-2015 年的化肥施用量年均增長率達3.08%；2015 年, 中國的農(nóng)業(yè)化肥施用量為6.06×107t, 是全球農(nóng)業(yè)化肥投入總量的30.97%, 居首位。化肥為提高中國糧食及其他作物產(chǎn)量做出了貢獻，但帶來的環(huán)境問題十分嚴重，且是農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[2]。劉欽普[3]通過評估全國區(qū)域化肥施用及其風險后認為，目前中國農(nóng)田化肥使用量平均達到480 kg·hm-2, 大多數(shù)省區(qū)農(nóng)田化肥投入過量。房珊琪等[4]特別研究了南水北調(diào)水源保護地化肥施用情況，認為2002-2014 年水源地化肥施用明顯過量且逐年增加，凈增214.44 kg·hm-2，年平均增長率為3.03%，水源地化肥施用強度是發(fā)達國家化肥施用安全標準上線的2.74 倍，是全國化肥施用強度平均值的1.50倍，是我國生態(tài)縣建設化肥施用負荷標準的2.47倍。唐肖陽等[5]研究認為，漢江流域農(nóng)業(yè)面源污染TN等標污染負荷貢獻率最大的污染源是農(nóng)田化肥，TP等標污染負荷貢獻率最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖。為了扼制化肥的超量增長，促進畜禽糞污等有機肥的施用，農(nóng)業(yè)部于2015年3月份頒布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》(下稱《零增長方案》)[6]，國務院辦公廳制定了《關于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》(下簡稱《利用意見》)[7]等一系列文件。因此，研究畜禽糞污排放量及其對環(huán)境的污染風險、探討畜禽糞肥替代化肥施用、估算畜禽養(yǎng)殖合理承載力等已成為當前研究的重點之一[8-11]。

商洛市地處秦嶺山區(qū)的東南部腹地，區(qū)域面積19 292 km2, 四季分明，年降雨量平均900 mm，屬半濕潤山地氣候，耕地約占區(qū)域面積的10%。發(fā)源于商洛市商州區(qū)西部秦嶺南麓的丹江, 流經(jīng)商洛市至丹江口水庫中線陶岔渠首的直線距離也只有400 km左右(還有部分支流又匯入漢江)。另外發(fā)源于該市洛南縣的洛河也是黃河的重要支流之一。因此，商洛市是長江、黃河兩大水系重要的水源保護地，區(qū)域地理位置特殊, 肩負著重要的環(huán)保責任。

一直以來，商洛市是陜西養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的重要基地之一，蛋肉雞以及牛羊等養(yǎng)殖也占有重要的地位。但是，該地畜禽糞污的污染風險以及種養(yǎng)結合等方面的研究較少[12]，特別是評估當?shù)匦笄菁S肥替代化肥施用的研究尚未見報道。本研究擬以商洛市轄一區(qū)六縣2016年畜禽養(yǎng)殖基本數(shù)據(jù)，采用畜禽糞便排泄系數(shù)法，估算各區(qū)縣的畜禽糞污產(chǎn)量及其耕地負荷，同時，測算當?shù)馗鲄^(qū)縣作物產(chǎn)量及其養(yǎng)分需求，比較分析畜禽糞肥替代當?shù)鼗适┯昧康臐摿Γ瑸榇龠M養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供基礎數(shù)據(jù)和建議。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

1.1.1 商洛市各區(qū)縣2016年畜禽養(yǎng)殖量及數(shù)據(jù)處理 由“農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)統(tǒng)計監(jiān)測系統(tǒng)”，可獲得中商洛市2016年度的養(yǎng)殖業(yè)的基本數(shù)據(jù)。同時，按照100頭豬相當于30頭牛、250頭羊、2 500只家禽的當量換算各區(qū)縣的畜禽存欄豬當量數(shù)[13]。

1.1.2 商洛市2016年各區(qū)縣種植業(yè)產(chǎn)量與相關數(shù)據(jù)處理 依據(jù)《商洛統(tǒng)計年鑒-2017》[14]，可獲得各區(qū)縣2016年的主要農(nóng)作物與其他經(jīng)濟作物的產(chǎn)量及其播種面積。全市2016年初總耕地面積為195 167.4 hm2，全年總播種面積為461 620.7 hm2。商洛市的主要農(nóng)作物是冬小麥、玉米和馬鈴薯，另外，還包括核桃、板栗、中草藥等經(jīng)濟作物，近幾年的蔬菜種植(包括設施蔬菜種植)也有較大種植。為了便于分析核算，將夏季少量的豆類與秋季豆類合并、將夏季油料(油菜籽)和秋季油料(花生、芝麻、葵花籽)合并；核桃、板栗等選擇當年采摘面積。

1.1.3 商洛市各區(qū)縣耕地面積及化肥施用量 《商洛統(tǒng)計年鑒-2017》統(tǒng)計，全市2016年共施用各類農(nóng)用化肥178 724 t，其中氮、磷、鉀及復合肥分別為98 932、13 650、7 155、5 8987 t。表1匯集了各區(qū)縣耕地面積及各類化肥施用的折純量。全市化肥施用總折純?yōu)?9 555 t，在施肥總量和類別上各區(qū)縣間有一定的差別。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽糞便排泄的氮磷鉀養(yǎng)分估算方法 總結多人[15～18]研究結果，可以用下列公式估算畜禽糞便排泄的氮磷鉀養(yǎng)分量。

Pix= ∑Mi· Ri·Six

(1)

式中, Pix為i畜禽年度糞污x養(yǎng)分量, t·a-1，x分別表示氮、磷、鉀；Mi為i畜禽年度養(yǎng)殖數(shù), head·a-1；Ri為i畜禽飼養(yǎng)期內(nèi)畜禽糞尿排泄量, t·head-1；Six分別為i畜禽糞污的氮磷鉀含量, g·kg-1。

程波[16]針對北方地區(qū)養(yǎng)殖糞污經(jīng)過簡單堆漚的處理實際，匯總了各類畜禽糞污的飼養(yǎng)期及其排放量；白明剛[18]核算了羊的飼養(yǎng)期糞污排放量；賈偉等[19]在匯集北京53個不同畜禽場糞便實驗的基礎上，按有機肥行業(yè)標準測定了各畜禽固體糞便的氮磷鉀平均含量。選擇上述估算方法與參數(shù)(詳見表2)，是因為當前商洛市畜禽糞便的處理和施用方式與上述研究背景基本一致。

表1 2016年商洛市各區(qū)縣耕地面積與化肥施用折純量

表2 畜禽糞污排泄量及其各養(yǎng)分供給含量

基于商洛市畜禽養(yǎng)殖實踐, 牛(主要是黃牛)和羊(主要是山羊)的養(yǎng)殖周期均超過了1 a, 蛋雞多實行全進全出制養(yǎng)殖方式, 一般超過72周齡, 所以牛、羊、蛋雞都以年末存欄量為估算基準, 并以365日為飼養(yǎng)周期。肉雞也多實行全進全出養(yǎng)殖方式, 養(yǎng)殖周期為55日齡, 以當年出欄數(shù)為準。兼用型的雞養(yǎng)殖時間或多半年或超過1年, 估算時用當年出欄數(shù)與年末存欄數(shù)的平均值, 且列入蛋雞合并估算。商洛地區(qū)目前育肥豬養(yǎng)殖周期為180日齡，母豬一般養(yǎng)殖時間都在兩年左右, 應選365日作為估算基礎, 而母豬養(yǎng)殖數(shù)量可以按照我國目前每頭母豬能夠育肥出欄14頭仔豬(各地有所不同)的標準折算。各類畜禽飼養(yǎng)期及其糞便排泄量、糞便中氮磷鉀養(yǎng)分含量等一并列入表2。

1.2.2 作物吸收營養(yǎng)物質的估算以及相關估算系數(shù)選擇 基于營養(yǎng)平衡理論，作物對營養(yǎng)物質的需要量和吸收效率與當?shù)赝寥婪柿Α⑹┓史N類和數(shù)量等有關。通過主要農(nóng)作物和其他種植產(chǎn)品產(chǎn)量可以估算出當?shù)胤N植業(yè)需要的養(yǎng)分總量，估算公式如下。

Zix= ∑Mij·djx

(2)

公式(2)中，Zix為 i區(qū)域作物養(yǎng)分需要量，kg·a-1, x分別表示氮、磷、鉀；Mij為i區(qū)域j作物和其他種植產(chǎn)品的產(chǎn)量，kg·a-1；djx為j作物或其他種種植產(chǎn)品100 kg產(chǎn)量需要吸收氮磷鉀養(yǎng)分量, kg(見表3)。

2 結果與分析

據(jù)公式(1)、表2，結合商洛市各區(qū)縣2016年畜禽養(yǎng)殖量，可估算出當年畜禽糞便排泄量與糞肥的氮、磷、鉀養(yǎng)分量及其折純量。全市2016年畜禽糞污的氮磷鉀養(yǎng)分量分別為10 281.70、5 646.08、5 014.64 t，其折純?yōu)?0 942.42 t, (見表4)。

據(jù)公式(2)、表3，結合商洛市各區(qū)縣的農(nóng)作物和其他種植產(chǎn)品產(chǎn)量情況，可估算出各區(qū)縣范圍種植主要農(nóng)作物和其他種植產(chǎn)品的氮磷鉀養(yǎng)分總需求量(表4)。2016年全市作物總氮磷鉀需要量分別為23 281、3 962、20 000 t，需求比例為1∶0.17∶0.86。由于當?shù)亓止姆N植面積較大、產(chǎn)量較高是造成鉀肥需求較大的原因之一；而磷的需求不大，也說明糧食與油料作物產(chǎn)量較低。

表3 各種作物吸收氮磷鉀的系數(shù) (kg·10kg-1)

注：1)單位：kg·100 kg-1。2)氮素(N)指總氮；磷素(P)指P2O5；鉀素(K)指K2O，下同。

表4 商洛市2016年各區(qū)縣作物養(yǎng)分需求量與施肥比較

注：**該組數(shù)據(jù)是將各區(qū)縣的復合肥按照氮磷鉀1∶ 1∶ 1比例折算[24]，然后與表2的氮磷鉀肥量合并而得。

2.1 商洛市2016年各區(qū)縣化肥施用效率及其特點

據(jù)瞿曉蒼[25]研究，商洛市2014年化肥施用量為5.8×104t，單位面耕地化肥施用量從2000年的213 kg·hm-2增加到2014年的355.5 kg·hm-2，有機肥施用耕地面積從2000年的30.6%下降到2014年的19.8%。通過表1、表4可算出2016年商州、洛南、丹鳳、商南、山陽、鎮(zhèn)安和柞水縣的單位耕地化肥施用量，其結果分別為：335.7、395.0、232.3、253.7、241.0、308.8 kg·hm-2和306.6 kg·hm-2，全市加權平均305.1 kg·hm-2，雖略有降低，但仍處于較高的水平。按照國家環(huán)保局規(guī)定的中國生態(tài)文明市建設要求的化肥施用250 kg·hm-2標準衡量，全市只有丹鳳縣、商南縣、山陽縣與標準基本持平，其他各區(qū)縣都遠超過了該規(guī)定。對比全國化肥氮磷鉀的1∶0.49∶ 42施用比例，商洛市化肥氮磷鉀施用比例為1∶0.32∶0.38，說明該市施用的氮肥占較大比例(氮的施用量占58.8%)，且與該市作物氮磷鉀1∶0.17∶0.86的需求比較也極不平衡，特別是鉀肥的施用比例偏低。

王偉妮等[26]研究的施肥對水稻、小麥、油菜和棉花產(chǎn)量的貢獻率分別為29.6%、48.6%、56.2%和38.0%，平均貢獻率為43.1%；石元亮等[27]認為，我國化肥對糧食產(chǎn)量的貢獻率為40.8%；王祖力等[28]研究化肥對產(chǎn)量的貢獻率可達56.81%。商洛市2014年度小麥和玉米的氮磷鉀化肥利用率平均是21.2%、18.2%和33.1%，加權平均大約是24.3%[24]。同作物氮磷鉀實際需求相比較，較大的化肥供給量與實際較低的利用率說明商洛市化肥施用浪費嚴重，當然也就造成潛在的環(huán)境問題。商洛市地形地貌復雜、山坡地多、土壤肥力以及種植與施肥方法等，可能是商洛市化肥利用率不高的主要因素。

2.2 商洛市2016年畜禽糞肥替代化肥的潛力分析

經(jīng)該計算，全市2016年各類畜禽存欄量為293.1×104頭豬當量，產(chǎn)生糞污量為129.4×104t。表4顯示，商洛市2016年畜禽糞肥(折純)為20 942.42 t，氮磷鉀的比例為1∶ 0.55∶ 049，可替代化肥的比例是35.2%，其中氮磷鉀的替代比分別是29.3%、50.0%和38.1%，但各區(qū)縣實際替代比例不平衡。商南縣的氮磷鉀的替代比例分別達到了86.2%、209.2%、143.2%；丹鳳縣也基本達到了較高的狀態(tài)；其他區(qū)縣則相對較低，特別是氮的施用替代比例較低，而磷的替代潛力相對較大。

Liang等[29]用50%有機肥和50%的無機肥的配制比例施用于煙草種植，結構煙草的產(chǎn)量和一級質量的煙草比例都得到提高。劉海濤等[30]研究認為，用有機肥替代化肥不僅可以增加土壤肥力，而且可以顯著減少農(nóng)田溫室氣體的排放。周玉琴等[31]研究表明在秸稈還田的同時，施用適量的有機肥與無機肥，可以提高小麥前期、中期營養(yǎng)需要，以及中后期的生殖生長階段的需肥量。謝軍等[32]研究表明，有機肥氮替代50%化肥氮時，能顯著提高玉米經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，可以促進玉米對氮素的吸收和向籽粒的轉運，提高了氮的利用效率。劉紅江等[33]采取不同的無機肥和有機肥比例，用武運粳29 號水稻種植試驗，結果表明用50%有機肥替代化肥的水稻產(chǎn)量最高、且氮的轉化率最好。

基于上述研究結論和表4數(shù)據(jù)，假如商洛市的作物產(chǎn)量不變，化肥種類與施用方式不變，若把化肥的施用量減到國家要求平均水平(250 kg·hm-2)，那么全市化肥施用量(折純)將降低到48 792 t。如果把減少的化肥量作為糞肥，并與現(xiàn)有糞肥量(折純)合計，那么糞肥將增加到31 709.42 t，此時，糞肥替代化肥的比例將達到65%。

與此同時，若按65%替代率的假設，在當前養(yǎng)殖結構不變的情況下，商洛市需要增加的畜禽存欄數(shù)為150.7萬頭豬當量，全市養(yǎng)殖存欄規(guī)模將達到443.8萬頭豬當量，而全市平均豬糞當量耕地負荷也將為9.45 t·hm-2，仍然在安全范圍[34]。該假設過程進一步說明畜禽糞肥替代化肥的潛力較大且有較為安全的空間。當然，各區(qū)縣的養(yǎng)殖規(guī)模是不平衡的，表7的糞肥產(chǎn)生量也顯示，應當在商州、洛南、鎮(zhèn)安、柞水山陽等縣區(qū)增加一定養(yǎng)殖量，穩(wěn)定丹鳳縣養(yǎng)殖規(guī)模，同時要減少商南縣養(yǎng)殖規(guī)模。

3 討論

3.1 畜禽糞肥替代化肥的有限性

《零增長方案》已經(jīng)為減少化肥的施用提出了基本方針和計劃，但要大幅度地降低化肥施用卻受許多因素限制。麻坤和刁鋼[35]在研究化肥對我國糧食的貢獻率后認為，雖然在大量化肥施用的情況下，化肥增長對糧食增產(chǎn)效果已經(jīng)在減弱，但由于化肥施用量彈性系數(shù)值較高，并且大于其他要素，表明化肥的增產(chǎn)效力尚不可替代。盡管我國化肥的實際施用量大[1-3]，且利用率較低[36]，而畜禽糞肥利用率(60%)較高[11]，但即使用全部畜禽糞肥也不能夠全部替代化肥。如2014年全國畜禽產(chǎn)生糞尿可替代氮磷鉀化肥潛力總和為3 162.44萬t，也僅占化肥實際投入量的52.74%，其中畜禽糞肥替代氮磷鉀肥的比例分別為38.30%、52.00%、86.77%[11]。商洛市的化肥施用強度高于全國水平，但就商洛市目前養(yǎng)殖的規(guī)模而言，畜禽糞肥施用尚不能大幅度替代化肥的施用。

3.2 控制化肥施用與加大畜禽糞肥施用量的措施

基于上述分析，在保障當前作物產(chǎn)量和其他種植產(chǎn)量的情況下，要實行化肥的有序減少和畜禽糞肥分類施用相結合的原則。首先應設定化肥施用遞減計劃，比如按照前文估算，商洛市2016年化肥施用量305.1 kg·hm-2，如每年減少1 000 t, 那么10年后即可達到250 kg·hm-2標準。其次，依據(jù)《利用意見》要求，切實加強畜禽糞污的資源化利用，提高畜禽糞肥的施用面積和施用頻度，另外，擴大當?shù)亓止麡I(yè)、蔬菜以及中草藥的畜禽糞肥的施用量。其三，要有針對性進行糞肥替代化肥，調(diào)整施肥結構，推廣先進的施肥技術，做到缺什么補什么，施用畜禽糞有利于提高當?shù)赝寥懒姿匦枨蠛陀袡C質含量，同時，適當增加鉀肥的供給比例。其四，重點提高當?shù)剞r(nóng)作物的生產(chǎn)水平，以糧食和油料為主，兼顧林果等，增加對糞肥的需求量，為“種養(yǎng)結合”的可持續(xù)發(fā)展打下基礎。