中南地區(qū)畜禽糞污土地承載現狀及處理利用發(fā)展趨勢

蔣尊芳， 胡曉勇， 劉平云

(1.農業(yè)部南京設計院中南分院， 長沙 410000； 2.永清環(huán)保股份有限公司， 長沙 410000)

畜禽養(yǎng)殖過程中產生的糞便、尿液和污水統(tǒng)稱為畜禽糞污[1]，隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展[2],畜禽糞污造成的污染日益劇增。據第二次全國污染源普查公報結果顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)年排放化學需氧量1000.53萬噸，氨氮11.09萬噸，總氮59.63萬噸，總磷11.97萬噸，畜禽糞污已居農業(yè)源污染之首[3]。畜禽養(yǎng)殖污水成為水環(huán)境污染的主要來源之一[4-5]，高濃度的畜禽污水使水中溶解氧含量降低，水體富營養(yǎng)化[6]，從而導致水生生物過度繁殖，極易造成水源生態(tài)系統(tǒng)污染惡化。畜禽糞污同時對大氣環(huán)境帶來極大的破壞，糞污里降解或未降解的有機物腐敗發(fā)酵產生大量的硫化氫、氨、甲烷、二氧化碳、醇類等有害氣體[7]，研究數據表明，畜禽養(yǎng)殖排放的氨占整個農業(yè)源氨排放的50%[8]，是促進PM2.5形成[9]，氮素大氣沉降的重要來源[10]，這些氣體揮發(fā)到大氣中，不僅造成溫室效應，還會引發(fā)酸雨，嚴重影響了人們的生存環(huán)境。

我國既是養(yǎng)殖大國，也是種植業(yè)大國，一方面畜禽養(yǎng)殖排放大量的糞污對環(huán)境造成污染，另一方面農業(yè)種植大量施用化肥造成土壤有機質下降[11]，農業(yè)面源污染加劇[12]。畜禽糞污既是養(yǎng)殖業(yè)的重要污染源，也是放錯位置的寶貴資源，畜禽糞污肥料化利用既可有效解決養(yǎng)殖污染問題，同時也可提高土壤有機質含量、減少種植氮磷流失[13]。但是，由于我國專業(yè)化種植與規(guī)?；B(yǎng)殖脫節(jié)[14-15]、種養(yǎng)循環(huán)不暢，專業(yè)化服務組織數量少、規(guī)模小、專業(yè)化機械化水平低、服務能力弱，種養(yǎng)結合的渠道不暢；缺乏種養(yǎng)結合養(yǎng)分平衡管理機制，沒有全面考慮植物養(yǎng)分需求，施用的畜禽糞污養(yǎng)分近40%排放到水體和大氣中[16]，不僅造成作物減產，同時還帶來了環(huán)境污染。

歐美等發(fā)達國家與我國一樣，規(guī)?；B(yǎng)殖發(fā)展也曾經歷過污染嚴重的階段，但隨著種養(yǎng)結合機制建立和機械化還田的普及，基本實現了糞便就地就近還田利用，不僅解決了環(huán)境污染問題，也促進了農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[17-18]。如美國，農田面積大，畜禽糞污一般采用全量還田模式，糞水混合貯存后直接進行農田利用，并建立了以綜合養(yǎng)分管理計劃(CNMP)為核心的政策體系[19]；歐盟國家實施以養(yǎng)分平衡為基礎的生態(tài)利用模式，嚴格限定糞便施肥時間、施用方法和施肥量，并記錄糞便農田利用臺賬。

中南地區(qū)按照地域細分為華中地區(qū)和華南地區(qū)。華中地區(qū)包括河南、湖北、湖南，該區(qū)域屬暖溫帶-亞熱帶季風氣候，大型規(guī)模養(yǎng)殖場多，人均土地面積小，環(huán)境容量較小，相對其他地區(qū)對畜禽養(yǎng)殖污染治理要求更高。華南地區(qū)包括廣東、廣西、海南，該區(qū)域屬于亞熱帶和熱帶季風氣候，河網水系密集，降雨量豐富，種植間隔期短，糞便儲存時間短，相對于生產有機肥來說，儲存農業(yè)利用成本更低。

畜禽糞污土地承載力是資源環(huán)境承載力的一個分支，早在20世紀初被提出[20]，本研究從種養(yǎng)結合的角度，基于氮平衡分析，以畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量、農作物氮養(yǎng)分需求量為計算依據，通過計算土地承載力指數來確定畜禽糞污土地承載力現狀，結合我國中南地區(qū)畜禽糞污資源化利用現狀，借鑒國際國內成功經驗，探討符合我國中南區(qū)域特點的糞污資源化利用發(fā)展建議，對全面推動畜禽糞污處理利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 統(tǒng)計數據

本文主要農作物產量，豬、牛、羊和家禽存欄量數據均來源于2019年中南六省的統(tǒng)計年鑒[21-26]，中南地區(qū)各省的畜禽養(yǎng)殖情況見表1，主要農作物產量見表2。

表1 2019年中南地區(qū)各省畜禽養(yǎng)殖情況統(tǒng)計表

表2 中南地區(qū)各省主要農作物生產情況統(tǒng)計表

1.1.2 畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量及作物氮養(yǎng)分需求量

畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量及作物氮養(yǎng)分需求量根據《土地承載力測算技術指南》[1]計算。

1.2 計算方法

1.2.1 畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量

畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量按公式(1)計算：

Qr,p=∑Qr, p,i=∑APr,i×MPr,i× 365 × 10-6

(1)

式中：Qr,p代表區(qū)域內畜禽糞污氮養(yǎng)分產生量，t·a-1；Qr, p,i代表區(qū)域內第i種畜禽糞污氮養(yǎng)分產生量，t·a-1；APr,i代表區(qū)域內生豬當量存欄量，頭(只)；MPr,i代表每頭生豬當量中氮的日產生量，g·d-1頭-1。

1.2.2 豬當量折算

豬當量的折算方法來源于《土地承載力測算技術指南》[1]，按存欄量折算：100頭豬相當于 15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2500只家禽。

Q=∑Qi=∑Ai×Ri

(2)

式中：Q為區(qū)域內畜禽養(yǎng)殖實際存欄量，豬當量；Qi為區(qū)域內第i種畜禽種類的豬當量，存欄量；Ai為區(qū)域內第i種畜禽種類的存欄量；Ri為區(qū)域內第i種畜禽種類折算豬當量的系數，奶牛、肉牛、羊、家禽的折算系數分別為100/15，100/30，100/250，100/250。

1.2.3 農作物氮養(yǎng)分需求量

農作物氮養(yǎng)分需求總量按公式(3)計算如下：

An,i=∑(Pr,i×Ri× 10-2)

(3)

式中：An,i代表區(qū)域內植物氮養(yǎng)分需求總量，t· a-1；Pr,i代表區(qū)域內第 i種作物總產量，t·a-1；Ri代表區(qū)域內第 i 種作物的100 kg收獲物需氮量，kg。

1.2.4 農作物糞污氮養(yǎng)分需求量

農作物糞污氮養(yǎng)分需求量計算見公式(4)：

NUr,m=An,i×FP×MP/MR

(4)

式中：NUr,m為區(qū)域內作物糞污氮養(yǎng)分需求量，t·a-1；An,i為區(qū)域內所有農作物的氮養(yǎng)分需求總量，t·a-1；FP為施肥供給養(yǎng)分占作物總養(yǎng)分需求的比例，%。根據土壤氮養(yǎng)分等級確定；MP為畜禽糞尿養(yǎng)分需求占施肥供給養(yǎng)分總量的比例，按 50% 計算；MR為糞尿養(yǎng)分的當季利用效率，%。糞污氮素利用率25%～30%。

表3 土壤不同N和P養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比推薦值

1.2.5 畜禽糞污土地承載力指數

一定區(qū)域畜禽理論最大養(yǎng)殖量(以豬當量計)按公式(3)計算。

(5)

式中：R代表區(qū)域畜禽以作物糞污養(yǎng)分需求為基礎的最大養(yǎng)殖量，豬當量；NUr,m代表區(qū)域內植物糞污氮養(yǎng)分需求量，kg·a-1；NSr, a代表豬當量糞污氮養(yǎng)分供給量，kg·豬當量-1·a-1，單位豬當量氮養(yǎng)分供給量按7.0 kg·豬當量-1·a-1計算[1]。

將一定區(qū)域內各種畜禽實際存欄量(以豬當量計)除以區(qū)域最大養(yǎng)殖量(以豬當量計)得到區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數，計算公式如下：

I=A/R

(6)

式中：I代表區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數；A代表區(qū)域內實際飼養(yǎng)的各種動物根據豬當量換算系數，折算成豬當量的飼養(yǎng)總量，豬當量；R代表區(qū)域畜禽以作物糞污養(yǎng)分需求為基礎的最大養(yǎng)殖量，豬當量；畜禽糞污土地承載力指數I>1，表示畜禽養(yǎng)殖已超過理論承載力，需要控制養(yǎng)殖規(guī)模，或者采取措施將畜禽糞污異地消納；I≤1，表示畜禽養(yǎng)殖在理論承載力范圍內，現有土地可以消納畜禽糞污。

2 結果與分析

2.1 畜禽糞污總養(yǎng)分供給量

中南地區(qū)各省畜禽養(yǎng)殖氮養(yǎng)分供給量見表4。

表4 中南地區(qū)各省畜禽養(yǎng)殖氮養(yǎng)分供給量

以各省的畜禽養(yǎng)殖存欄量為基數，根據豬當量折算方法，計算各省的生豬當量，如上表所示。以豬當量為基數，綜合考慮畜禽糞污養(yǎng)分在收集、處理和貯存過程中的損失，單位豬當量氮養(yǎng)分供給量為7.0 kg[1]，計算氮供給量，各省的畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量如上表所示。

2.2 農作物養(yǎng)分需求量

根據2019年統(tǒng)計數據[21-26]，中南地區(qū)主要農作物養(yǎng)分需求量統(tǒng)計見表5。

表5 中南地區(qū)各省主要農作物養(yǎng)分需求量統(tǒng)計表 (t)

以各省農作物產量為基數，根據不同植物形成100 kg產量需要吸收氮磷量推薦值[1]，計算農作物氮養(yǎng)分需求量，具體數據如上表所示。

2.3 土地承載力現狀

從表6可以得出，在土壤氮養(yǎng)分等級分別為Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級時，所得土地承載力指數均少于1，說明畜禽糞污土地承載力均未超載，畜禽糞污可以完全消納，同時，畜禽養(yǎng)殖還有一定的發(fā)展空間。

表6 中南地區(qū)各省土地承載力指數

3 討論

通過對中南地區(qū)畜禽糞污土地承載力分析，結果表明，在不同的土壤養(yǎng)分等級下，畜禽糞污土地承載力均未超載，可以完全消納產生畜禽糞污，種養(yǎng)結合潛力巨大。為進一步提高畜禽糞污處理利用率，建立種養(yǎng)結合畜禽糞污處理長效運行機制是畜禽糞污處理利用的根本出路，是解決農業(yè)面源污染問題、踐行農業(yè)綠色發(fā)展的重要舉措，使物質和能量流在動植物之間進行有序轉換。今后，畜禽糞污處理利用發(fā)展趨勢如下：

(1)培育第三方服務組織，提升糞污處理利用專業(yè)化。培育和壯大糞肥還田專業(yè)化合作社或公司等社會化服務主體，開展糞肥收運施用第三方服務，大力發(fā)展訂單式作業(yè)、生產托管、承包服務等新模式、新業(yè)態(tài)。第三方服務是一種高效的組織模式，可以將養(yǎng)殖和種植聯合起來，通過專業(yè)化的糞污收集、貯存和施肥管理，可避免非專業(yè)還田存在的施用成本高和環(huán)境風險；對減少面源污染和提高土壤肥力都起到了積極作用。針對不同需求可以提供糞污收集、處理，糞肥運輸、施用等單環(huán)節(jié)、多環(huán)節(jié)不用類型的服務，政府可對運輸車輛、施肥機械、服務費用等進行引導性補貼，降低種植戶肥料成本，保障第三方服務長效運行。

(2)改進糞肥施用方式，推進糞肥施用機械化。推廣全量機械化施用，提升畜禽糞污還田利用機械化水平。針對不同區(qū)域、不同田塊類型推廣適宜的糞肥還田利用輸送和施肥設備，加強種植基地宜機化改造，提高糞肥還田的效率，讓農戶從繁重的糞肥施用中解放出來，提高種植戶使用畜禽糞肥的積極性。鼓勵通過機械深施、注射施肥等方式進行糞肥還田，提高氮素利用率，減少養(yǎng)分損失。

(3)建立糞便處理利用臺賬，實施糞污管理信息化。建立全鏈條畜禽糞污還田利用監(jiān)測網絡，開展糞肥還田利用的信息化管理，保證糞肥科學規(guī)范還田，充分利用糞水資源、控制環(huán)境污染。以養(yǎng)殖場、第三方服務機構、種植戶為監(jiān)測重點，督促指導養(yǎng)殖場監(jiān)測記錄畜禽糞污產生量，糞肥氮磷鉀養(yǎng)分、重金屬、抗生素等含量；第三方服務機構做好糞污收集、處理、利用全過程信息記錄；種植農戶對施肥農田類型、種植制度、糞肥使用時間及使用量等相關信息動態(tài)管理。建立糞污還田利用大數據庫，逐步實現糞肥農田利用的可監(jiān)測、可報告和可核證，實現糞肥還田從養(yǎng)殖場到田塊的全過程信息記錄，確保糞肥還田利用科學準確。

4 結論

(1)在不同的土壤氮養(yǎng)分等級條件下，所得土地承載力指數均少于1，說明畜禽糞污土地承載力均未超載，現有的種植作物可完全消納畜禽產生的糞污，種養(yǎng)結合潛力巨大。

(2)提出畜禽糞污處理利用的根本出路在于種養(yǎng)結合，建議畜禽糞污處理利用走專業(yè)化、機械化、信息化之路，構建起種養(yǎng)結合長效可運行機制。