湖北省畜禽糞污還田安全性分析

冉志平，劉 明，陶利文，文江輝，周 琦，鄧 兵，高其雙，彭 霞，譚珺雋，邵中保，濮振宇

（1.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，武漢 430208；2.武漢市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，武漢 430016；3.武漢理工大學(xué)理學(xué)院，武漢 430070）

近年來(lái)，隨著畜牧業(yè)集約化程度越來(lái)越高，大量而集中產(chǎn)生的畜禽糞便正成為農(nóng)業(yè)面源污染治理的主要難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)每年產(chǎn)生的糞污量接近40 億t［1］。根據(jù)國(guó)務(wù)院出臺(tái)的指導(dǎo)意見(jiàn)，到2020 年中國(guó)畜禽糞污綜合利用率要達(dá)75% 以上［2］。目前中國(guó)畜禽糞污綜合利用率已達(dá)70%，規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施裝備配套率達(dá)63%，其中最主要的糞污資源化利用方式為種養(yǎng)結(jié)合［3］。種養(yǎng)結(jié)合是指畜禽糞污經(jīng)過(guò)處理后用作種植肥料，糞肥中的氮、磷等肥效元素被農(nóng)作物吸收利用，能大幅減少化肥的使用量并改良土壤狀況。但是如果糞污還田超過(guò)耕地所能承載的上限，則會(huì)導(dǎo)致土壤中氮、磷超標(biāo)，造成農(nóng)作物生長(zhǎng)異常，產(chǎn)量降低。而且長(zhǎng)期氮、磷積累，將會(huì)縮短耕地利用年限，降低氮、磷的利用效率，使得土壤中氮、磷元素?fù)]發(fā)和淋失，污染大氣和水源［4，5］。因此，提高畜禽糞污還田利用的安全性是保證中國(guó)畜禽糞污資源化利用目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的前提。

湖北是養(yǎng)殖業(yè)大省，生豬和蛋雞的飼養(yǎng)規(guī)模和集約化程度居全國(guó)前列。2017 年湖北省出欄生豬4 400 多萬(wàn)頭，出欄禽類(lèi)超過(guò)5 億只［6］。生豬出欄量居全國(guó)第五，禽蛋產(chǎn)量居全國(guó)第七。畜牧產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)也給湖北省帶來(lái)了環(huán)境治理難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，湖北省2016 年畜禽養(yǎng)殖的化學(xué)需氧量排放量達(dá)27.8 萬(wàn)t［7］，而氮、磷的產(chǎn)生量分別高達(dá)62 萬(wàn)t 和9.6 萬(wàn)t（2011 年）［8］，對(duì)于水系眾多的湖北省而言，這些氮、磷的合理利用顯得尤為關(guān)鍵。本文結(jié)合湖北省當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的實(shí)際情況，討論了養(yǎng)殖場(chǎng)需配套土地面積、各區(qū)域耕地氮磷負(fù)荷以及糞肥還田潛力，為提高湖北省各市、州畜禽糞污還田的安全性提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中的數(shù)據(jù)來(lái)自于2018 年湖北省各市（州）統(tǒng)計(jì)年鑒和2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》［9］（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《指南》），其中的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)為湖北省主要農(nóng)作物播種面積和產(chǎn)量、各市（州）畜禽存欄量和出欄量、各市（州）主要農(nóng)作物產(chǎn)量、各市（州）耕地面積。引用《指南》中的數(shù)據(jù)包括單位豬當(dāng)量的氮和磷供給量、不同畜種對(duì)應(yīng)豬當(dāng)量的換算關(guān)系、糞肥中氮（磷）的當(dāng)季利用率、土壤不同氮（磷）養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比和主要作物100 kg 收獲物需氮、磷數(shù)據(jù)。引用的數(shù)據(jù)用于計(jì)算湖北省各區(qū)域畜禽糞污的氮、磷養(yǎng)分供給量以及區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物的養(yǎng)分需求量，用于評(píng)價(jià)湖北省各市、州的耕地負(fù)荷和資源化利用潛力。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 畜禽糞污氮（磷）供給量的估算 畜禽糞污氮（磷）供給量的計(jì)算公式如下：

式中，Q 為糞污中氮（磷）的供給量（萬(wàn)t）；Ni為第i 種畜種的飼養(yǎng)量（只）；CN和CP為常數(shù)，分別為單位豬當(dāng)量氮和磷的供給量（kg/豬當(dāng)量），其中，CN為7 kg/豬當(dāng)量，CP為1.2 kg/豬當(dāng)量；Pi為不同畜種的豬當(dāng)量換算常數(shù)。豬為1，肉牛、奶牛、羊和家禽分別按照6.7、3.3、0.4、0.04 計(jì)算。

1.2.2 養(yǎng)殖場(chǎng)需配套的作物種植面積估算 規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)需配套的作物種植面積的計(jì)算公式：

式中，S 為對(duì)應(yīng)種植作物的所需配套面積（hm2）；Q 為養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的氮（磷）供給量（kg）；MR 為糞肥當(dāng)季利用率（%），糞肥氮素當(dāng)季利用率取值范圍為25%～30%，在本公式中取值30%，糞肥磷素當(dāng)季利用率取值范圍為30%～35%，在本式中取值35%；Y0為對(duì)應(yīng)種植作物的預(yù)期單產(chǎn)（kg/hm2）；M 為該農(nóng)作物每形成100 kg 產(chǎn)量所需氮量（kg），W 為該農(nóng)作物每形成100 kg 產(chǎn)量所需磷量（kg）；FP 為農(nóng)作物總氮（磷）需求量中施肥供給占比（%），與土壤中氮磷養(yǎng)分水平有關(guān)，占比35%、45%、55% 分別對(duì)應(yīng)土壤氮磷養(yǎng)分I、II、III 級(jí)，本研究參照任文海等［10］關(guān)于湖北省耕地地力等級(jí)的研究結(jié)果，F(xiàn)P 取值45%。

1.2.3 各市、州耕地的氮、磷負(fù)荷 區(qū)域耕地氮（磷）負(fù)荷=區(qū)域內(nèi)糞便氮（磷）含量/耕地面積

1.2.4 各市、州農(nóng)作物生長(zhǎng)所需氮（磷）施肥量 區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需氮（磷）施肥量的計(jì)算公式如下：

式中，A 為區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的氮（磷）需求量（萬(wàn)t）；Y 為該農(nóng)作物的實(shí)際產(chǎn)量（萬(wàn)t）；M、W 的含義同公式（3）；FP 的含義同式（3）；i 為第i 種農(nóng)作物。

1.2.5 各市、州主要農(nóng)作物利用畜禽糞污養(yǎng)分的潛力 本研究中以區(qū)域內(nèi)糞肥提供氮（磷）量占農(nóng)作物所需施入氮（磷）量比例來(lái)衡量該地區(qū)農(nóng)作物利用糞污的潛力。這一比例越大說(shuō)明利用潛力越小，糞污還田利用形勢(shì)越嚴(yán)峻。具體的計(jì)算公式如下：

式中，B 為糞肥提供氮（磷）占農(nóng)作物所需施入氮（磷）量的比例（%）；Q 為區(qū)域內(nèi)糞污氮（磷）供給量（萬(wàn)t）；MR 含義同式（3），糞肥的氮素當(dāng)季利用率取值30%，磷素當(dāng)季利用率取值35%；A 為區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需氮（磷）量（萬(wàn)t）；FP 的含義同式（3）。

為了直觀地顯示湖北省各市、州農(nóng)作物利用糞污養(yǎng)分潛力的空間分布特征，本文利用ArcMap 10.5的空間分析功能將湖北省2017 年各市（州）農(nóng)作物利用糞污養(yǎng)分潛力繪制成空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖北規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田需要配套的土地面積估算

以年出欄1 萬(wàn)頭的豬場(chǎng)、存欄量500 頭的奶牛場(chǎng)、存欄量1 萬(wàn)羽的蛋雞場(chǎng)、年出欄量5 萬(wàn)羽肉雞場(chǎng)以及存欄量5 000 頭的羊場(chǎng)作為規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)研究對(duì)象，將2018 年統(tǒng)計(jì)年鑒中湖北省主要農(nóng)作物的平均產(chǎn)量作為預(yù)期產(chǎn)量（表1），以畜禽糞肥氮（磷）養(yǎng)分供給和植物氮（磷）養(yǎng)分需求為基礎(chǔ)進(jìn)行估算，利用式（3）得到規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田所需的配套土地面積（表2、表3）。

由表2 可知，以當(dāng)前湖北省內(nèi)主要農(nóng)作物的平均生產(chǎn)水平為基準(zhǔn)，如果以農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求和糞肥氮養(yǎng)分供給平衡為基礎(chǔ)估算，僅使用糞肥作為種植肥料，選擇水稻作為種植品種，所需要的配套農(nóng)田面積最小，其次是油料作物（花生、油菜、芝麻）和麻類(lèi)。甘蔗雖然單產(chǎn)較高，但是因其生長(zhǎng)需要的氮肥很少，選擇種植甘蔗需要的配套土地面積最大。

表1 2017 年湖北省主要農(nóng)作物的種植面積及產(chǎn)量

由表3 可知，如果以農(nóng)作物磷養(yǎng)分需求和糞肥磷養(yǎng)分供給平衡為基礎(chǔ)估算，僅使用糞肥作為肥料，水稻仍是湖北省主要農(nóng)作物品種中最適宜選取的返田作物，其次是小麥、棉花以及油料作物。值得注意的是，在湖北省主要的農(nóng)作物中，以P 平衡為基礎(chǔ)計(jì)算的配套面積和以N 平衡為基礎(chǔ)計(jì)算的面積都存在較大差異，這意味就大多數(shù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求而言，糞肥中的N/P 都不適宜。在實(shí)際進(jìn)行糞肥還田時(shí)，都必須根據(jù)土壤氮（磷）本底值和作物的實(shí)際生長(zhǎng)狀況配合施用其他肥料。

表2 湖北省規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田所需匹配的土地面積推薦值（以N 為基礎(chǔ)）

表3 湖北省規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田所需配套土地面積推薦值（以P 為基礎(chǔ)）

2.2 湖北省內(nèi)各市、州的耕地氮（磷）負(fù)荷

引用2018 年湖北各地市統(tǒng)計(jì)年鑒中豬、雞、牛、羊的存欄量數(shù)據(jù)，根據(jù)《指南》中所述方法，計(jì)算可得各區(qū)域畜禽的養(yǎng)殖總量（以豬當(dāng)量計(jì)）（表4）以及畜禽糞污所能供給的氮、磷總量，然后參照“1.2.3”方法得到湖北省內(nèi)各市、州耕地的氮和磷負(fù)荷，見(jiàn)圖1、圖2。

表4 湖北省各市、州養(yǎng)殖總量和耕地面積

總體而言，在未將少量的特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)物統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的情況下，湖北省整體的耕地氮、磷負(fù)荷分別為126.46 和21.68 kg/hm2，均未超過(guò)歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)（單位面積耕地總氮、總磷負(fù)荷為170 kg/hm2和35 kg/hm2）。各市中黃岡市的耕地氮負(fù)荷226.25 kg/hm2最高，其次是鄂州市177.17 kg/hm2，兩市的氮負(fù)荷均高于歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)，其余耕地氮負(fù)荷較高的城市是襄陽(yáng)市、孝感市、隨州市以及咸寧市，耕地氮負(fù)荷也都高于140 kg/hm2，接近了限值。

就磷負(fù)荷而言，只有黃岡市耕地磷負(fù)荷38.79 kg/hm2超過(guò)歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)，其余耕地氮、磷負(fù)荷較高的地市是鄂州市和襄陽(yáng)市。

2.3 各市、州主要農(nóng)作物利用畜禽糞污養(yǎng)分的潛力

圖1 湖北省內(nèi)各市、州的耕地氮負(fù)荷

圖2 湖北省內(nèi)各市、州的耕地磷負(fù)荷

本文納入統(tǒng)計(jì)的種植品種如下，糧食作物有水稻、小麥、玉米、薯類(lèi)、大豆，經(jīng)濟(jì)作物有棉花、油料、甘蔗、煙草、茶葉，水果類(lèi)有桃、柑橘、蘋(píng)果。參考湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒中各市、州畜禽存欄量和種植作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，根據(jù)“1.2.1”和“1.2.4”中的公式可以得到各市本年度畜禽糞污的氮（磷）供給量和農(nóng)作物維持產(chǎn)量所需氮（磷）量，進(jìn)而計(jì)算得到糞肥還田提供的氮（磷）占農(nóng)作物氮（磷）所需施肥量的比例，以此來(lái)衡量當(dāng)前各地區(qū)農(nóng)作物種植所能消納的糞肥養(yǎng)分量，也反映了各地區(qū)糞肥還田的潛力。

湖北省各市、州的比例分布見(jiàn)圖3、圖4，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，2017 年神農(nóng)架林區(qū)畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞污全量還田后可提供區(qū)域內(nèi)種植作物生長(zhǎng)所需89.84% 的氮肥和47.02% 的磷肥，其次是黃岡市和恩施市，分別可以提供本區(qū)域內(nèi)作物生長(zhǎng)54.58%的氮肥、40.06% 的磷肥以及52.56% 的氮肥、38.23%的磷肥。

3 小結(jié)與討論

圖3 湖北省各市、州糞肥還田提供的氮量占農(nóng)作物所需氮施入量的比例分布

圖4 湖北省各市、州糞肥還田提供的磷量占農(nóng)作物所需磷施入量的比例分布

本文給出的規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田所需配套的農(nóng)田面積推薦值是綜合湖北省主要農(nóng)作物平均產(chǎn)量給出的。根據(jù)作物的需求量和畜禽糞污養(yǎng)分供給量科學(xué)評(píng)估配套土地面積是保證糞污資源化利用安全性的關(guān)鍵。如果配套的土地面積過(guò)小，必然導(dǎo)致糞肥養(yǎng)分的過(guò)量施用。以氮元素為例，當(dāng)土壤中氮肥過(guò)量，將導(dǎo)致氮素利用率降低，土壤中的氮以硝酸鹽形式淋失，造成土壤酸化，進(jìn)入水體后引起水體富營(yíng)養(yǎng)化［11］。對(duì)于作物而言，過(guò)量的氮肥會(huì)降低莖稈中苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、酪氨酸解氨酶等與木質(zhì)素合成相關(guān)的酶活力，降低莖稈中的木質(zhì)素含量、抗折力和抗倒伏指數(shù)［12］，導(dǎo)致作物倒伏減產(chǎn)。而磷元素盈余同樣危害嚴(yán)重，會(huì)造成土壤磷素流失和和地表水質(zhì)退化的風(fēng)險(xiǎn)［13］。合理利用糞肥中的氮、磷資源已經(jīng)成為糞污資源化利用過(guò)程中無(wú)法回避的問(wèn)題。

目前，從利用養(yǎng)殖糞污的角度出發(fā)，水稻是湖北省規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)較適宜的糞肥返田種植作物，但是由于養(yǎng)殖場(chǎng)周邊種植條件以及不同作物經(jīng)濟(jì)效益差異較大，此外，不同養(yǎng)殖場(chǎng)所采用的糞污處理設(shè)施不盡相同，也會(huì)導(dǎo)致糞肥中氮、磷存留率有一定的差異，本文引用《指南》中的數(shù)據(jù)是宏觀統(tǒng)計(jì)的平均數(shù)據(jù)，具有一定的代表性，但并不能適合所有養(yǎng)殖場(chǎng)的情況。因此，養(yǎng)殖場(chǎng)還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的種植品種。本研究也發(fā)現(xiàn)以氮、磷為基礎(chǔ)計(jì)算出的養(yǎng)殖場(chǎng)需配套土地面積數(shù)值差異較大，說(shuō)明畜禽糞便的氮磷比并不能滿足大多數(shù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，測(cè)土配方施肥、科學(xué)使用糞肥才能充分發(fā)揮有機(jī)肥的肥效，避免氮、磷養(yǎng)分的流失及污染生態(tài)環(huán)境。

2017 年湖北省總氮、總磷的耕地負(fù)荷分別為126.46 和21.68 kg/hm2。絕大多數(shù)地區(qū)畜禽糞污還田形勢(shì)仍在可控范圍內(nèi)。在全國(guó)范圍內(nèi)，相較于朱建春等［14］根據(jù)2011 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的中國(guó)耕地氮、磷負(fù)荷（79.3 kg/hm2和13.98 kg/hm2），若不考慮時(shí)間的因素，湖北省的數(shù)據(jù)明顯高于全國(guó)平均水平。縱向?qū)Ρ龋噍^于根據(jù)湖北省2011 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到的耕地氮、磷負(fù)荷（157.9 kg/hm2和24.5 kg/hm2）［7］，2017 年的數(shù)據(jù)有了小幅下降，湖北省畜禽糞污氮、磷還田的壓力有所緩解。但在局部地區(qū)，如黃岡和鄂州等地，耕地的氮磷負(fù)荷仍然較高，兩地的耕地氮負(fù)荷都超過(guò)了歐盟限量標(biāo)準(zhǔn)，需要控制本地區(qū)的養(yǎng)殖總量，同時(shí)增加畜禽糞污資源化利用的方式，包括飼料化利用、能源化利用等。

將湖北省各地區(qū)主要農(nóng)作物的實(shí)際產(chǎn)量考慮在內(nèi)以后，可知神農(nóng)架林區(qū)畜禽糞污供給氮、磷占農(nóng)作物生長(zhǎng)所需施入氮磷的比例最高，這是由于神農(nóng)架林區(qū)地處鄂西南山區(qū)，并不屬于水稻、玉米等大宗農(nóng)產(chǎn)品的主產(chǎn)區(qū)，境內(nèi)多以林區(qū)和山地為主，林業(yè)發(fā)達(dá)，因此畜禽糞污消解的主要途徑可能不是通過(guò)農(nóng)業(yè)種植。相對(duì)而言，黃岡市和恩施市的畜禽糞污還田形勢(shì)則更加嚴(yán)峻。黃岡市的養(yǎng)殖總量1 189.41 萬(wàn)頭（以豬當(dāng)量計(jì)）位居全省第1，耕地面積居全省第3，而恩施市養(yǎng)殖總量和耕地面積都位居全省第5。以當(dāng)前這兩個(gè)地區(qū)主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水平來(lái)看，本地區(qū)畜禽糞污全量還田的壓力較大，容易出現(xiàn)耕地氮、磷超標(biāo)的問(wèn)題，需要重點(diǎn)關(guān)注。