基于氮平衡原理的成都市單位土地面積載畜量分析

劉金鑫，白林，周立新，王定國，劉一輝，薛佳

（1.四川省成都市動物疫病預防控制中心，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，四川 成都 611130；3.四川省畜牧總站，四川 成都 610041）

1 研究目的

基于氮平衡原理，根據(jù)土地對畜禽養(yǎng)殖廢棄物的承載能力，測算作物單位種植面積的載畜量，是實現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合預防污染的基礎(chǔ)。在各地養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃實踐中，因為已有的計算模型［1-4］沒有考慮一些影響廢棄物還田的重要因素，得出的載畜量數(shù)據(jù)過大，存在著總體平衡和局部不平衡的問題。本研究基于氮平衡原理，在充分考慮各種影響?zhàn)B殖廢棄物資源化還田因素的前提下，引入距離系數(shù)、地形系數(shù)等新參數(shù)，對已有的載畜量計算模型進行完善和修正，并利用新算法對成都市不同作物的單位土地面積載畜量進行分析，以期為規(guī)模養(yǎng)殖場就近配套適合的種植基地提供科學依據(jù)。

2 分析方法

2.1 計算方式 單位土地面積載畜量是指單位土地面積內(nèi)能夠承載牲畜的最大容量，可用于指導規(guī)模養(yǎng)殖場建設(shè)中配套種植面積的多少。根據(jù)成都市畜禽養(yǎng)殖、種植現(xiàn)狀和地理環(huán)境條件，參考陳天寶等［5］計算模型中非約束條件和完全約束條件的概念，再引入糞肥還田耕地距離系數(shù)和地形系數(shù)概念，提出成都市單位土地面積載畜量計算公式。要計算出單位土地面積載畜量需先計算單位土地面積作物產(chǎn)量所需的氮含量，再與一個豬當量提供的氮含量進行比較，即得出單位土地面積載畜量計算公式：

式中，X表示單位土地面積載畜量；q表示作物單位面積產(chǎn)量；t表示不同植物形成1 kg產(chǎn)量需要吸收的氮量；k表示施肥供給養(yǎng)分占比；β表示糞肥占總施肥比例；α表示耕地距離系數(shù)；λ表示地形系數(shù)；a表示單位豬當量的氮養(yǎng)分供給量；r表示氮素當季利用率。根據(jù)公式先計算單位面積作物產(chǎn)量，然后結(jié)合不同植物形成1 kg 產(chǎn)量需要吸收的氮量、施肥供給養(yǎng)分占比、糞肥占總施肥比例、單位豬當量的氮養(yǎng)分供給量和氮素當季利用率來計算單位土地面積載畜量。單位土地面積載畜量主要受β、α和λ三個變量的影響，計算時可固定其中兩個變量來得出不同條件下的單位土地面積載畜量。

2.2 具體參數(shù)

2.2.1 豬當量折算系數(shù) 由于畜種不同，計算時將其他畜種折算為豬當量作為衡量畜禽氮排泄量的度量單位，1頭豬為1個豬當量，其他畜種的折算系數(shù)根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596-2001）來確定，并用于后續(xù)分析。

2.2.2 成都市主產(chǎn)作物產(chǎn)量 成都市農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)以糧食作物、蔬菜和水果為主，其中水稻、小麥和玉米產(chǎn)量占糧食作物產(chǎn)量的85%以上，水果生產(chǎn)以蘋果和柑橘為主，通過查閱2014～2018年的《成都市統(tǒng)計年鑒》，得到10種主要農(nóng)作物（水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物、蔬菜、茶葉、蘋果、柑橘）產(chǎn)量。本研究以水稻、玉米、油料作物、蔬菜等成都地區(qū)主要農(nóng)作物為研究對象，通過《成都市統(tǒng)計年鑒-2018》獲得總產(chǎn)量和播種面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過計算得到單位土地面積作物產(chǎn)量（q）。

2.2.3 農(nóng)作物生產(chǎn)所需要的氮含量（t）本次未對農(nóng)作物單位產(chǎn)量的需氮量進行實驗室檢測，而直接采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公布的不同植物形成100 kg產(chǎn)量需要吸收的氮量推薦值來進行計算；蔬菜吸收氮量的數(shù)據(jù)來自文獻《土壤肥料學通論》［6］。

2.2.4 糞肥所提供的氮含量 本次研究綜合考慮畜禽糞污在貯存和發(fā)酵過程的留存率以及在不同階段的損失情況，參考《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》，最終采用單位豬當量氮養(yǎng)分供給量（a）為7.0 kg，其他畜禽日產(chǎn)生量采用豬當量進行轉(zhuǎn)換獲得。

2.2.5 氮肥中氮素使用量 化肥中氮素的使用量采用折純法計算，即把氮肥、磷肥和鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之一百成分折算后的數(shù)量。通過查閱2014～2018 年的《成都市統(tǒng)計年鑒》，得到氮肥中氮素的使用量。

2.2.6 氮素當季利用率（r）指在氮肥施入后，當季農(nóng)作物生長所吸收的氮素占所施入氮素總量的比值，即氮肥的利用效率。氮素當季利用率一般受土壤條件、作物種類、氣候條件、農(nóng)藝水平、環(huán)境條件等因素影響，如土壤中有機質(zhì)、pH值、土壤微生物等影響氮肥轉(zhuǎn)化的因素均對氮素當季利用率產(chǎn)生影響。不同作物的氮素當季利用率均不同，一般認為C4植物的利用率高于C3植物，且不同氣候條件也會對氮素當季利用率產(chǎn)生影響。根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》和《畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評價準則》（GB/T 26622-2011），確定氮素當季利用率為25%～30%。

2.2.7 施肥供給養(yǎng)分占比（k）參考《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于印發(fā)＜畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南＞的通知》（農(nóng)辦牧〔2018〕1號）附表中“土壤不同氮磷養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比推薦值”。

2.2.8 糞肥占總施肥比例（β）β的取值范圍在0～1 之間，我們可將其分為三種情況，非約束條件、約束條件和完全約束條件。在非約束條件下，作物從肥料中吸收的氮素含量全部來源于畜禽糞肥，即只施用畜禽糞肥，不施用化肥，β＝1，此時單位土壤畜禽承載能力最大；在完全約束條件下，作物從肥料中吸收的氮素含量全部來源于化肥，即只施用化肥，不施用畜禽糞肥，β＝0，此時單位土壤畜禽承載能力最?。辉诩s束條件下，化肥和畜禽糞肥按照一定比例施用，0＜β＜1。在實際生產(chǎn)中，常根據(jù)作物生長養(yǎng)分需要和土壤養(yǎng)分含量的實際情況來確定化肥和畜禽糞肥的施用比例，β的取值處在約束條件下。要想充分利用畜禽養(yǎng)殖廢棄物，避免污染環(huán)境，實現(xiàn)種養(yǎng)平衡，我們假設(shè)畜禽養(yǎng)殖廢棄物產(chǎn)生的氮素量全部還田使用，這樣可以計算出2013～2017年五年間成都市糞肥占總施肥比例為0.50、0.51、0.51、0.50和0.49，可見在氮肥使用量不變，畜禽糞肥被充分利用的情況下，成都市糞肥占總施肥比例取值為0.50。

2.2.9 耕地距離系數(shù)（α）在計算單位面積載畜量時，考慮畜禽糞污還田成本的因素，需加入耕地距離系數(shù)，增加計算準確性。耕地距離系數(shù)指根據(jù)畜禽養(yǎng)殖場距離配套耕地遠近所確定的計算指數(shù)，即α值，取值范圍在0～1之間。畜禽養(yǎng)殖場距離配套耕地越近取值越高，從經(jīng)濟學角度來分析，以養(yǎng)殖場為中心，一般在方圓0～5 km范圍內(nèi)，畜禽糞污還田利用的運輸成本較低，α取值1。超過5 km的以5為基數(shù)，除以實際還田距離，得出α實際取值，距離越遠運輸成本越高，養(yǎng)殖廢棄物還田越困難，α取值也越低。

2.2.10 地形系數(shù)（λ）在計算單位面積載畜量時，還需要考慮地形因素對畜禽糞污還田利用的影響，增加計算準確性。地形系數(shù)指畜禽養(yǎng)殖廢棄物還田利用受地形因素影響，根據(jù)耕地所在的不同地形確定的計算指數(shù)，即λ值，取值范圍在0～1之間。成都市地形以平原為主，有少部分丘陵和山地。根據(jù)成都市地貌特征，將地形分為平原、淺丘、深丘、淺山和深山5種，按照還田利用難易程度，λ分別取值1、0.8、0.6、0.4和0.2。

3 結(jié)果

3.1 只有β值變動情況下的單位土地面積載畜量計算結(jié)果 以耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場距離小于10 km范圍為前提，α和λ取值為1。

計算時，q值及t值根據(jù)參考資料計算而得，k取值0.55，a取值7.0，r取值0.3。將以上測算出的數(shù)據(jù)帶入單位土地面積載畜量計算公式中，可以得出β取值在0～1之間的不同作物的單位土地面積載畜量。其中，β＝0.50 時為成都市目前單位土地面積載畜量推薦值，見表1。

表1 僅β值變動下不同作物的單位土地面積載畜量 頭/畝

從測算結(jié)果看，在非約束條件下，成都市水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量（豬當量單位）分別為3.80頭/畝、2.80 頭/畝、2.66 頭/畝、3.91 頭/畝、0.40 頭/畝、3.73 頭/畝和2.88 頭/畝（1 畝≈667 m2，下同）。在約束條件下，β＝0.50，即目前成都市畜禽養(yǎng)殖廢棄物實際產(chǎn)生量得以充分循環(huán)利用的情況下，水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量（豬當量單位）分別為1.90 頭/畝、1.40 頭/畝、1.33 頭/畝、1.95 頭/畝、0.20頭/畝、1.86頭/畝和1.44頭/畝。

3.2 只有α值變動情況下的單位土地面積載畜量計算結(jié)果 以耕地處于平原地區(qū)且糞肥與化肥1∶1混施為前提，λ取值1，β取值0.50，計算得出不同作物的單位土地面積載畜量，見表2。

表2 僅α值變動下不同作物的單位土地面積載畜量頭/畝

3.3 只有λ值變動情況下的單位土地面積載畜量計算結(jié)果 以耕地與養(yǎng)殖場距離小于10 km范圍且糞肥與化肥1∶1 混施為前提，α取值1，β取值0.50，在耕地位于平原地區(qū)、丘陵地區(qū)和高山地區(qū)時，計算得出不同作物的單位土地面積載畜量，見表3。

表3 僅λ值變動下不同作物的單位土地面積載畜量 頭/畝

4 分析與討論

4.1 單位土地面積載畜量計算公式的合理性 本研究提出的單位土地面積載畜量計算公式以氮平衡原理為前提，參考計算模型中非約束條件和完全約束條件的概念，充分考慮了施肥占比、還田距離、養(yǎng)殖場地理位置等因素對糞肥還田利用的影響，使得計算結(jié)果更為準確，對實現(xiàn)種養(yǎng)平衡，配套適宜的種養(yǎng)殖規(guī)模更具有實際操作性。

4.2 不同作物的單位土地面積載畜量不同 本研究結(jié)果表明，不同作物的單位土地面積載畜量不同，載畜量最大的是大豆，其次是水稻和油料作物，最差的是馬鈴薯，其次是玉米和小麥。需氮量越高的農(nóng)作物，對肥料的需求量就越大，可消納的畜禽養(yǎng)殖廢棄物就越多。油料作物和茶葉對氮需求量較大，在畜禽養(yǎng)殖數(shù)量較多的地區(qū)種植油料作物和茶葉，可以充分利用畜禽糞肥，降低畜禽養(yǎng)殖廢棄物對環(huán)境的污染。相應地，我們也可以根據(jù)成都市當前農(nóng)作物主產(chǎn)或分布區(qū)域來指導養(yǎng)殖場的分布，即鼓勵在單位土地面積載畜量大的地區(qū)發(fā)展規(guī)模養(yǎng)殖場，而在單位土地面積載畜量小的區(qū)域采取限養(yǎng)措施。這也與成都市當前劃定的禁限養(yǎng)區(qū)相吻合，已劃定的適養(yǎng)區(qū)都有較好的農(nóng)作物資源，例如彭州市是重要的蔬菜產(chǎn)地，崇州市是糧油生產(chǎn)基地，蒲江縣、邛崍市是水果、茶葉生產(chǎn)基地。

5 結(jié)論

本研究基于氮平衡原理來測算成都市畜禽糞污環(huán)境承載能力，主要得出以下結(jié)論：

5.1 以豬當量單位計，在耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場距離小于10 km 范圍的非約束條件下，成都市水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量分別為3.80 頭/畝、2.80 頭/畝、2.66 頭/畝、3.91 頭/畝、0.40 頭/畝、3.73頭/畝和2.88頭/畝。

5.2 以豬當量單位計，在耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場距離小于10 km 范圍的約束條件下，β＝0.50，即目前成都市畜禽養(yǎng)殖廢棄物實際產(chǎn)生量得以充分循環(huán)利用的情況下，水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量分別為1.90 頭/畝、1.40 頭/畝、1.33 頭/畝、1.95頭/畝、0.20頭/畝、1.86頭/畝和1.44頭/畝。