山西省畜禽糞污土地承載力及糞尿替代化肥潛力分析

郭彩霞，楊子森，馬文奇，焦光月，張建杰*

（1.山西省農業科學院農業環境與資源研究所/山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，太原030031；2.山西省生態畜牧產業工作站，太原030001；3.河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定071001）

過去幾十年，隨著我國人口的持續增長、經濟水平的不斷提高、城鎮的快速擴張，飲食結構中動物蛋白的消費比例和消費總量不斷增加，拉動了畜牧業的養殖規模快速增長；此外，養殖技術的不斷發展、農牧業各種補貼、寬松的環保政策，推動了畜牧業由傳統養殖向集約化發展[1]。一方面畜牧業成為國家經濟的支柱產業，并極大地滿足了國民飲食需求[2]；另一方面，中國畜牧業的蓬勃發展付出了極大的資源環境代價：畜牧業生產過程中的氨排放占整個農業源氨排放的50%[3]，促進了PM2.5的形成[4]，是氮素大氣沉降的重要來源[5]；畜禽糞污通過地表徑流和淋溶進入水體，造成水體的污染和富營養化[6]；此外，畜禽糞污的處理不當還是影響農村人居環境的重要因素。因此，在國家實施鄉村振興戰略、提倡農牧業綠色發展的大背景下，從環境友好的角度進行約束，確定區域范圍內合理的畜禽規模和布局顯得尤為必要。

承載力（Carrying capacity）概念起源于19 世紀40年代的工程機械領域，之后在生態學、地理學、資源環境科學領域得以延續并發展。畜牧承載力的概念作為資源環境承載力的一個分支，在20 世紀初期被有關學者提出[7]。本研究基于農牧生產體系養分平衡的原理，以畜禽糞尿的氮、磷去向作為計算依據，通過計算畜禽糞污土地承載力來進一步確定區域的畜禽合理養殖數量。在20 世紀90 年代，歐盟就耕地畜禽糞尿的養分投入作了明確的規定：在歐盟硝酸鹽脆弱區內農田氮的投入量不得超過170 kg·hm-2[8]，磷的投入不得超過35 kg·hm-2[9]，部分歐洲國家據此確定了單位面積的家畜養殖數量。歐美國家的養殖體系大多以農場為單位，對于畜禽糞尿的養分限量主要目標在于控制養分的環境排放，而我國由于人口眾多，面臨著解決糧食安全和減少環境污染的雙重壓力，且養殖方式以集約化為主，大多沒有配套足夠的農田來消納糞肥，更多需要著眼于從區域的尺度來考慮畜禽糞污土地承載力的問題，因此我國的畜禽糞污土地承載力不能簡單套用歐美的標準。我國已有學者基于遙感技術，對黃河源區高山草地自然放牧條件下畜禽承載力的歷史變化進行了研究，發現畜禽承載力的變化與坡度、近水距離和植被覆蓋度有很強的相關性，大部分區縣存在嚴重的過度放牧問題[10]，也有學者從農田消納畜禽糞尿氮磷養分的角度，發現福建莆田市[11]和北京都市圈城郊[12]的畜禽養殖整體出現超載，主要表現為種植業與養殖業的嚴重脫節。潘瑜春等[13]以畜禽糞便的產生量上限不超過35 t·hm-2作為限量依據，分析了北京平谷區的畜禽養殖承載力，但沒有考慮畜禽糞尿的養分含量；耿維等[14]以安徽省為案例，考慮了將耕地、園地、牧草地和林地作為消納糞肥的場所，用歐盟的標準為依據，分析了縣域尺度畜牧業環境承載力及糞便替代化肥的潛力，忽視了農作物生產能力高低對于糞尿養分的消納能力；孫超等[15]以河北省為研究案例，用農田氮肥投入150 kg·hm-2作為限量標準，糞尿氮素投入50%作為限量依據，來判定縣域尺度的農田畜禽承載量是否超載，未考慮種植結構對于糞尿消納能力的影響。這些研究或只是考慮了畜禽糞便的產生量，忽視了不同類型畜禽糞便中的養分含量差異；或只考慮消納場所的面積，而忽視了作物產量對糞尿消納能力的影響；或未考慮畜禽糞尿在養殖、糞尿存儲以及處理過程中不可避免的損失，而這些是區域畜禽糞污承載力的關鍵影響因素。全國畜牧總站于2018年1月正式印發了畜禽糞污《土地承載力測算技術指南》[16]，基于養分平衡的思想，根據農作物養分需求規律，區別了不同農作物對于糞污的吸收能力，考慮了不同糞污處理過程中糞尿養分的損失情況，為計算區域尺度的畜禽糞污土地承載力提供了技術支撐，鄭莉等[17]依據該指南測算了山東省17個市的畜禽糞污土地承載力，但沒有考慮糞尿氮磷養分資源的利用潛力。本研究以畜禽糞污《土地承載力測算技術指南》為主要計算依據構建了數學模型，分析了山西省縣域尺度畜禽糞污土地承載力，并在此基礎上估算了有機肥替代化肥的潛力。

山西作為全國13 個牧區半牧區的省份之一[18]，同時也是中國農牧交錯帶的核心區域[19]，目前正處于農業供給側結構改革的關鍵時期，迫切需要分析縣域尺度的畜禽糞污土地承載力，為農牧業綠色發展、畜牧業發展規模和布局優化提供數據支撐和科學依據。此外，研究山西省的畜禽糞污土地承載力及有機肥替代化肥潛力，對于其他農牧交錯帶的區域也有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 統計數據

鑒于分縣數據獲取途徑較為單一，本研究只獲取了山西省2016 年的分縣統計數據。2016 年山西省119 個區（縣）的耕地面積、糧食作物面積、蔬菜播種面積、水果種植面積、糧食作物產量、蔬菜產量、水果產量、化肥施用量、豬存欄量、牛存欄量、羊存欄量和家禽存欄量數據均來源于《山西省統計年鑒2017》[20]。由于奶牛和肉牛的糞尿排泄系數差異較大，結合11地市的統計年鑒以及部分區縣的縣級統計年鑒進行了區分。

1.1.2 糞污排泄系數和養分含量

畜禽糞污的排泄系數和養分含量來源于全國畜牧總站編寫的畜禽糞污《土地承載力測算技術指南》[16]。

1.1.3 各區縣土壤養分信息

各區縣的土壤養分信息來源于全國農業技術推廣服務中心編寫的《測土配方施肥土壤基礎養分數據集（2005—2014）》[21]。

1.2 計算方法

本文通過計算區域糧食作物、蔬菜和水果的卡路里產量，來反映區域農田系統的生產能力，各種作物的每100 g 產量的卡路里產生量分別為：小麥301.5 kcal，玉米290 kcal，水稻376 kcal，谷子256 kcal，高粱279 kcal，其他谷類作物256 kcal，豆類229 kcal，薯類71 kcal，花生517 kcal，菜籽885 kcal，甜菜7 kcal，蔬菜24 kcal，果樹41 kcal，上述參數的依據來源于FAO 數據庫[2]。

通過構建數學模型的方法來計算畜禽糞污氮（磷）土地承載力及承載力指數，具體方法如下：

豬當量的折算方法來源于畜禽糞污《土地承載力測算技術指南》[16]，按存欄量折算：100 頭豬相當于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2 500只家禽。

式中：Q為區域內畜禽養殖實際存欄量，豬當量；Ai為區域內第i種畜禽種類的存欄量；Ri為區域內第i種畜禽種類折算豬當量的系數。

區域內作物氮（磷）養分需求總量的計算公式為：

式中：NUN,P為區域內所有農作物的氮（磷）養分需求總量，t·a-1；Pi為區域內第i種作物的產量，t·a-1；Ci為區域內第i種作物形成100 kg產量的養分需求量，kg·100kg-1。

式中：NUr,m為區域內作物糞尿養分需求量，t·a-1；NUN,P同公式（2），為區域內所有農作物的氮（磷）養分需求總量，t·a-1；FP為施肥供給養分占作物總養分需求的比例，%；MP為畜禽糞尿養分需求占施肥供給養分總量的比例，按50%計算；MR為糞尿養分的當季利用效率，%。

式中：MN,P為區域內畜禽糞尿養分產生總量，t·a-1；Ai同公式（1），為區域內第i種畜禽種類的存欄量；Ei為區域內第i種畜禽種類氮（磷）日排泄量，kg·d-1；

式中：Ms為區域內畜禽糞尿養分供給量，是考慮了收集和留存過程中損失后實際的糞尿氮、磷養分留存量，t·a-1；MN,P同公式（4），t·a-1；Gr為糞尿養分在收集過程中的收集系數，與養殖方式有關，%；Sr為糞尿養分在留存過程中的留存系數，與糞污處理措施有關，%；

用公式（5）除以公式（1）：

得到區域內單位豬當量的糞尿養分供給量NSr,a，kg。

用公式（3）除以公式（6）：

得到區域畜禽以作物糞尿養分需求為基礎的最大養殖量R，單位為豬當量。

區域畜禽糞污土地承載力指數的計算方法是區域內畜禽養殖實際存欄量與可容納的最大畜禽養殖量之間的比值，用公式（1）除以公式（7）：

式中：I為區域畜禽糞污氮（磷）土地承載力指數，I＞1.0 表明區域內畜禽養殖存欄量超載，需要調減養殖量；I＜1.0 時表明區域內仍有一定的養殖空間，可以適當增加養殖規模。

用公式（5）除以公式（3），得到區域有機肥替代化肥的潛力P（%）：

2 結果與分析

2.1 山西省種植業與畜禽養殖業分布特征

山西省種植業與養殖業在區域分布上存在一定的錯位。將縣域農作物、蔬菜和水果的卡路里產量作為反映區域種植業生產能力的指標，結果見圖1。山西省種植大縣主要分布在盆地區的區縣，特別是省域南部運城的芮城縣、永濟市、臨猗縣、臨汾的襄汾縣和洪洞縣、中部晉中的壽陽縣，卡路里產量達到了1.2×1012kcal；省域西北部的呂梁山區及沿黃流域是本省主要的生態脆弱區，受土壤類型、氣候因素、水土流失等影響種植業生產能力普遍較低，省域東部的太行山區主要受地形地貌的限制，作物生產能力也較弱，3類作物的卡路里總產低于3×1011kcal。

山西省畜禽養殖分布特征見圖2。全省的養殖大縣零星分布在省域東南部的晉城、中部晉中市的部分區縣和北部大同、朔州的部分區縣，養殖規模達到了50 萬頭豬當量以上。省域北部大同的陽高縣、朔州的應縣和山陰縣，這些區域的養殖以奶牛和羊為主；省域中部晉中市的太谷、祁縣和平遙縣，以生豬養殖和肉牛養殖為主；省域東南部晉城市的澤州縣和高平市，是國家級的生豬養殖大縣。省域西北部的呂梁山區，大部分是貧困縣，發展畜牧業的條件較差，畜牧業發展受到一定的制約。

圖1 山西省種植業空間分布特征Figure 1 Spatial distribution of crop husbandry in Shanxi

圖2 山西省畜禽養殖空間分布特征Figure 2 Spatial distribution of livestock husbandry in Shanxi

2.2 糞尿養分產生量及其分布特征

從省域尺度來看（表1），2016 年山西省化肥投入117.07 萬t，其中氮肥31.60 萬t，磷肥14.80 萬t，復合肥60.33萬t，將復合肥按N∶P2O5∶K2O養分1∶1∶1折算后，相當于化肥氮投入51.71萬t，化肥磷投入34.91萬t；畜禽糞尿氮素產生量為25.97 萬t，占化肥氮投入的50.22%，畜禽糞尿磷產生量為4.15 萬t（折合P2O5為9.50萬t），相當于化肥磷投入的27.22%，由此可見，山西省畜禽糞尿中的氮、磷養分替代化肥施用量的潛力巨大。

從空間分布來看（圖3a），有半數以上區縣的糞尿氮年產生量低于2 000 t·a-1，集中分布在省域中部，糞尿氮年產生量在2 000～4 000 t·a-1的相對集中分布在省域南部運城市和晉城市的大部分區縣、臨汾的部分區縣、省域中部呂梁和晉中的部分區縣、省域北部大同市的大部分區縣和朔州市的部分區縣；糞尿氮產生量較高的區域主要分布在省域北部的大同、朔州等地市的區縣，其中大同的陽高縣、朔州的應縣和山陰縣糞尿氮的年產生量在5 000 t·a-1以上，省域中部晉中市和呂梁市的交界處區縣糞尿氮產生量也較高，其中晉中市的太谷縣、祁縣、平遙縣和呂梁的文水縣糞尿氮的年產生量也在5 000 t·a-1以上，省域南部的臨汾、晉城和運城等地市的糞尿氮產生量較高，其中晉城市澤州縣和晉城城區，臨汾市的襄汾縣糞尿氮的年產生量也在5 000 t·a-1以上。

糞尿磷的分布格局與糞尿氮相似（圖3b），低值區（年產生量低于400 t·a-1）集中分布在省域中部；而高值區（年產生量高于400 t·a-1）主要分布在省域北>部大同市和朔州市的大多數區縣、省域中部太原市和晉中市的部分區縣、省域南部臨汾和晉中市的大部分區縣和運城市的部分區縣，其中陽高縣、應縣、山陰縣、懷仁市、太谷縣、祁縣、平遙縣、晉城市城區和澤州縣的糞尿磷年產生量在800 t·a-1以上。

圖3 山西省糞尿養分空間分布特征Figure 3 Spatial distribution of production of manure nutrients in Shanxi

2.3 基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力分布特征

山西省現有畜禽養殖規模為2 371.77 萬豬當量，以糞尿氮作為指標，山西省可容納的畜禽養殖規模為5 969.01萬豬當量，以糞尿磷作為指標，山西省可容納的畜禽養殖規模為7 202.27萬豬當量。從省域尺度來看，山西仍有很大的空間來發展畜禽養殖業。

用現有實際豬當量與可容納豬當量之間的比值，作為畜禽糞污土地承載力的表征指數。可以看出（圖4a），在用糞尿氮作為指標時，全省絕大多數的區縣（101個）并未超載，有64個區縣的糞尿氮承載力指數＜0.5，絕大多數分布在省域的中南部；氮素承載力指數在0.5～0.8 的有29 個區縣，大多數分布在省域的中部和北部；有8個區縣接近超載；僅有15個區縣超載，從北到南依次為大同市的南郊區、靈丘縣，朔州市的右玉縣，忻州市的繁峙縣和寧武縣，太原市的迎澤區、尖草坪區、萬柏林區、杏花嶺區和古交市，呂梁市的離石區、方山縣和交城縣，晉中市的和順縣，長治市的長治城區。

糞尿磷承載力指數的空間分布特征與糞尿氮相似（圖4b），絕大多數區縣（102 個）未超載，有63 個區縣的糞尿磷承載力指數＜0.5，有31 個區縣的磷承載力指數在0.5～0.8，有8 個區縣接近超載，有14 個區縣超載，與氮素承載力超載情況分布高度相似，僅僅少了忻州市的寧武縣。

結合圖1 和圖2 也可以看出，糞尿氮磷土地承載力超載的區縣并不是養殖量較高的區縣，一種情況是種植業生產能力較弱的區縣沒有能力消納畜禽糞便，另外一種情況是城市周邊的區縣沒有足夠的農田來消納畜禽糞便。

表2 2016年山西省作物氮、磷需求量及糞尿氮、磷可供給量（萬t）Table 2 Crop N，P demand and manure N，P supply in Shanxi Province in 2016（104 t）

圖4 山西省畜禽糞污土地承載力指數空間分布特征Figure 4 Spatial distribution of manure land carrying capacity index in Shanxi

2.4 縣域尺度畜禽糞尿養分替代化肥潛力分析

2016年全省作物生產氮素需求總量為50.12萬t，磷素需求總量為10.36萬t（表2）。在考慮了糞肥占養分投入的比例和糞肥當季利用效率后，計算出糞尿氮、磷的需求量分別為45.94萬t和9.50萬t，在綜合畜禽糞便在飼舍、儲存和處理環節的損失后，根據損失量計算出糞尿氮、磷的有效供給量分別為18.28萬t和3.15 萬t，可以分別有效替代氮肥和磷肥39.79%和33.21%，替代潛力巨大。

糞尿養分替代化肥潛力在縣域尺度上表現出較強的空間分布特征，糞尿氮和磷的化肥替代潛力表現出較強的一致性（圖5）。總體上看，替代潛力高（＞80%）的區縣主要分布在大同的南郊區、大同縣和靈丘縣，朔州的右玉縣和山陰縣，忻州市的繁峙縣和寧武縣，太原、呂梁的大部分區縣，晉中的和順縣和靈石縣以及臨汾的鄉寧縣；替代潛力在60%～80%的區縣主要分布在大同市、朔州市、晉中市的大部分區域，忻州的偏關縣、岢嵐縣、靜樂縣、五臺縣和代縣等區縣，晉城市的大部分區縣；替代潛力在30%～50%的區縣主要分布在省域西部沿黃流域和晉東南的大部分區縣；替代潛力不足30%的區縣主要分布在運城和臨汾一帶，這些區域種植業發達，但畜禽養殖業發展規模相對較小，畜禽糞便的產生量不能滿足種植業生產的需求，因此畜禽糞尿養分替代化肥的潛力較小。

3 討論

（1）山西位于北緯38°黃金養殖帶，牧坡資源豐富，草地面積達到400 萬hm2，為畜牧業的發展創造了得天獨厚的自然條件；充足的玉米產量也推動了山西畜牧業的迅猛發展，2016 年山西省玉米產量達到888.89 萬t，占 全 年 糧 食 總 產 量1 318.50 萬t 的67.42%[20]，為山西畜牧業的發展提供了重要的飼料保障；此外，自2001 年以來，山西省政府大力推進畜牧業的發展，雁門關生態畜牧經濟區建設、畜牧振興計劃等省級重大戰略政策的出臺，特別是十八大以來把畜牧業作為振興山西經濟的非煤產業之一，作為發展特色現代農業的重中之重，為發展畜牧業提供了有力的政策支持。養殖數量增加到1978 年的1.7 倍，畜禽養殖的功能發生了重大改變，役用的牛馬驢騾大幅減少，而用于生產動物蛋白的奶牛、肉牛、豬、羊和禽類則大幅增加，養殖方式則由傳統養殖向集約化養殖快速轉變，2014 年山西省畜禽養殖集約化程度就達到47%，比全國平均水平高出11%[22]。山西省畜禽養殖總量不大，牛、豬、羊和家禽的存欄量分別僅占全國的0.93%、1.08%、0.17%和1.51%[23]，因此山西省的畜禽糞尿氮、磷的平均單位農地負荷較低，均明顯低于歐盟的限量標準[8-9]（糞尿氮和糞尿磷的單位農田投入限量分別為170 kg·hm-2和35 kg·hm-2），略高于全國平均水平（糞尿氮和糞尿磷的平均農地負荷分別為48.73 kg·hm-2和9.16 kg·hm-2）[24]。但由于集約化程度較高，養殖場的主要分布位于十幾個養殖大縣，因此除了關注縣域尺度的糞尿養分資源的環境承載力之外，對大中型規模化養殖場引起的點源污染應當高度關注，采取合理、切實可行的污染消減措施。

圖5 山西省畜禽糞尿替代化肥空間分布特征Figure 5 Spatial distribution of manure organic fertilizer substitute for potential in Shanxi

（2）有機肥合理替代化肥，可以有效提高作物產量，減少活性氮損失，并可以增加土壤有機碳的儲量[25]。對于蔬菜作物，有機肥替代化肥可以明顯減少蔬菜硝酸鹽累積[26]，針對果樹的研究表明[27-28]，施用有機肥可以顯著促進蘋果根系的生長和根系活力的提高，并對產量和品質有顯著提高作用。原農業部于2017 年印發了《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》[29]的通知，提出要以果菜茶生產為重點，實施有機肥替代化肥，推進資源循環利用，實現節本增效、提質增效，探索出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路，并提供了政策保障和經費支持。另外受經濟利益的驅動，農戶在經濟作物上施用有機肥的意愿要高于大田作物。結合蔬菜、水果等對于有機養分的需求規律、國家的政策導向以及農戶意愿，經濟作物的主要產區對于畜禽糞尿養分的消納有較大的潛力。山西省種植業與養殖業在空間上不匹配，運城、臨汾2 個地市是山西省農業主產區，糧食作物、蔬菜和水果的總產量達到3 485.38 萬t，占全省總產的45.94%，具有較強的消納畜禽糞尿養分的能力，尤其是果園面積為22.49 萬hm2，占全省的63.19%，更是消納糞肥的重要場所。而這2 個地市的養殖規模為551.06 萬豬當量，僅占全省養殖規模的23.23%，導致有機肥供不應求。在這些區域，可以考慮適度增加養殖規模，而在省域北部的一些區縣則存在相反的情況，應該考慮限制養殖規模。因此，未來山西畜禽糞尿的養分管理策略：一方面根據種植業的生產能力與產業結構來優化農牧業的生產布局；另一方面進行區域間養分協同管理，在考慮合理的生產成本和運輸距離的前提下，打破行政界線，以加工成商品有機肥的方式在空間上進行調配[30]。

（3）統計數據與真實畜禽養殖數量的差異有時會很大[31]，但同時又是進行宏觀研究的唯一數據來源，可能會給研究帶來一定的不確定性。關于區域尺度有機肥替代化肥的概念和計算方法，一直沒有形成統一的標準。有學者[14]用區域糞尿養分產生量與化肥施用量比值作為區域有機肥替代化肥的潛力，一方面沒有考慮糞尿在飼舍、儲存和處理過程中的損失，計算出的結果可能偏大，另一方面沒有考慮現有施肥量的合理性；本研究基于各種作物的產量，考慮了作物的需肥特征，土壤的基礎肥力，養分的當季供應能力，畜禽糞肥在飼舍、儲藏和處理等環節的損失等因素，結合要實現高產的實際條件，確定化肥和有機肥的施用比例各占50%之后，推算出適宜糞肥需求量（公式3），用區域的糞肥養分供給量與需求量的比值作為有機肥替代化肥的潛力，來估算山西縣域尺度的畜禽糞尿養分替代化肥的實際潛力，更能反映真實替代潛力。

（4）中國畜禽業向著集約化、規模化快速轉變，導致養殖業逐步與種植業分離。這種分離使得我國農業系統內部種植業和養殖業之間的養分循環出現了脫節[32]，大量畜禽糞尿養分無法及時歸還農田，流失于環境中，導致農業面源污染[33]。通過調整養殖業的空間布局可以緩解畜禽養殖對于環境的負面影響，但是這種空間布局調控需要對環境的多重風險進行評估[34]。本研究基于農牧生產系統的養分平衡思想，定量分析了山西省縣域尺度的畜禽糞尿氮磷養分產生量，并以作物產量為消納畜禽糞尿養分的主要依據，研究了縣域尺度的畜禽糞污氮磷土地承載力，但由于缺乏實際的水系分布數據，一方面尚未考慮養分徑流和淋溶對地表水和地下水的影響，另一方面沒有獲取養殖場的具體位置信息，無法分析畜禽糞尿養分向環境排放的熱點區域，進而獲取區域高分辨率的畜禽糞尿養分排放特征，這也是未來需要研究的重要內容之一。

4 結論

山西省種植業生產能力和產業結構與養殖業發展規模在空間上的不匹配，導致了畜禽糞尿產生與消納場所的錯位，是制約畜禽糞污資源化利用的重要影響因素。

山西省畜禽養殖有較大的發展空間，在運城、臨汾等糧食與果業主產區可適度增加畜禽養殖規模。太原、呂梁、長治、大同等大城市近郊區縣畜禽糞尿氮磷向環境排放的風險值得關注。省域北部部分養殖規模較大的區縣，無法消納區域內的畜禽糞尿氮磷養分，需要通過有機肥外運或核減養殖規模來進行調控。畜禽養殖重點縣大中型養殖場的點源污染問題不容忽視。

山西省縣域尺度畜禽糞尿養分替代化肥潛力區域間差異很大，在畜禽糞尿養分資源管理策略上，應以優化農牧業生產布局和區域間協同管理為目標，進行宏觀調控和管理，實現畜禽糞尿資源的高效利用和農牧產業的綠色發展。