泛種養結合視角下北京市養殖業土地承載力評估

郭薇儀，崔建宇，張 望，王 濤，劉 忠，李金橋，薛方旭，慕康國，胡 林※

（1. 中國農業大學資源與環境學院/農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193；2. 中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193；3. 石家莊高新技術產業開發區環境監控中心，石家莊 050000）

0 引 言

畜禽養殖業的快速發展，在滿足人類對于肉蛋奶需求的同時，也產生了大量的畜禽糞污。畜禽糞污中含有豐富的氮磷養分資源，可以制成有機肥，為有機農業提供支撐。但是，如果畜禽糞污施用量過大，也易造成環境污染。因此，種養業的合理匹配對一個地區的養殖業發展和環境保護有著重要影響。種養結合、綠色發展是中國未來農業的必由之路，國家和地方政府對此十分重視。近十年來，在畜禽糞污循環利用、土地消納等方面多次出臺有關政策。為了防止畜禽糞污對環境的污染，2016年北京市提出了畜禽養殖禁養區劃定的要求（京政農函〔2016〕10號）。為了更好地促進種養結合，農業農村部和財政部于2021年5月出臺了關于綠色種養循環農業試點的最新指導意見（農辦農〔2021〕10號）。

對畜禽糞污的土地承載力的準確估算是種養結合的關鍵。首先，應該準確計算養殖業畜禽糞污的產生量。早在1986年，陳恩平等[1]就對上海市郊區的畜禽糞污產生量及利用情況進行了調查和研究。但在早期的研究中，在畜禽種類選擇、估算方法、參數取值等方面都不一致，因此畜禽糞污產生量的結果差距很大，相互之間的可比性差。2006年，王方浩等[2]較為全面地收集整理了1994—2004年國內公開發表的文章中各種畜禽糞便排泄系數，并與美國農業工程學會實驗得出的產排污系數進行對比分析，在此基礎上確定參數取值，進而估算了全國的畜禽糞污產生量。2009年中國開展第一次全國污染源普查，并發布了《畜禽養殖業源產排污系數手冊》[3]（以下簡稱《手冊》）。這就使得計算畜禽糞污的產生量有了相對統一的標準。

對于畜禽糞污消納場所的選擇，大部分研究者都以耕地為研究對象[4-6]，只有少量的研究者計算了除耕地以外的畜禽糞污土地消納能力[7-9]。如潘瑜春等[7]在北京平谷的研究發現，僅僅使用耕地作為消納場所，單位面積土地糞污負荷達49.74 t/hm2，而使用園地加耕地作為消納場所時，糞污的負荷降為16.7 t/hm2；王濤等[8]在評估西安市畜禽養殖潛力時，將獼猴桃園作為畜禽糞污消納場所進行了研究。耿維等[9]在評估安徽省的畜牧業環境承載負荷時，也初步將園地、林地、牧草地納入了考慮范圍，但是沒有考慮到并非所有林地都適合的問題。對于單位面積耕地氮磷養分需求參數取值，簡略的方法是直接選擇歐盟標準，其總氮、總磷的限值分別為170及35 kg/hm2，這也是很多研究者所采用的取值[10-11]。但是，中國地域廣闊，生態條件各異，種植制度與歐盟有很大不同，直接取歐盟標準值過于粗略，按照不同生態條件、不同土地類型的植物實際生長狀況確定單位面積氮磷需求量才更為準確[12-14]。

耕地是畜禽糞污消納的重要場所。但是，從種養結合的角度來看，園地、林地、草地等其他類型的土地也是可以作為消納場所的。充分利用各類土地的畜禽糞污消納能力，對于更好的促進養殖業發展和環境保護之間的協調，具有重要意義。但是，目前在北京全市域范圍內，全面評估可作為畜禽糞污消納場所的各類土地的糞污承載力研究尚未開展。本研究選擇糧地、菜地、園地、部分林地、草地及未利用土地6種地類作為畜禽糞污的消納場所，以一種更廣泛的視角將養殖業與種植業結合起來，計算北京地區畜禽養殖業的土地承載力，旨在為環境保護和種養業的長遠協調發展提供指導。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 畜禽飼養量、飼養周期、產排污系數

2018年北京畜禽養殖量數據來自2019年《北京市統計年鑒》[15]、2019年北京各區縣統計年鑒以及北京市統計局相關資料。選擇的畜禽種類有生豬、能繁母豬、肉牛、奶牛、羊、肉雞、蛋雞，鴨。產排污系數和飼養周期數據來源于2009年頒布的《手冊》[3]，如表1所示。其中，豬產污系數=1/3保育期產污系數+2/3育肥期產污系數；能繁母豬按妊娠階段豬產排污系數計；奶牛產排污系數以產奶階段計；蛋雞產排污系數以蛋雞產蛋階段產污系數計；肉禽（肉雞、鴨）產排污系數以肉雞的產排污系數計。羊的產排污系數來自文獻[16]。

表1 畜禽產排污系數Table 1 Pollution production coefficient of animals

1.1.2 糧地、菜地、園地的面積及單位面積養分需求量

北京市糧地、菜地、園地的面積，從統計年鑒中獲取。根據北京市糧地、菜地、園地的實際種植情況，糧食體系選擇小麥-玉米輪作體系計算；蔬菜體系將蔬菜種類分為喜溫類和喜涼類，蔬菜地全年氮磷養分需求為喜溫類和喜涼類之和；果樹體系選擇北京市種植面積最大的3種果樹（蘋果、梨、桃）進行計算。作物的產量來自2017—2019年北京市各區縣統計年鑒，取3 a的單產平均值作為北京市相關作物的產量統計值。統計年鑒中蔬菜數據不全，相關補充數據來自北京市農業局。

糧地、菜地、園地的單位面積養分需求量根據農業部出臺的《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》[17]（以下簡稱《指南》）并參照近15 a前人發表的相關研究結果校驗確定。

1.1.3 林地、草地、未利用土地的面積及單位面積養分需求量

關于林地、草地、未利用土地的面積數據，北京市統計年鑒中數據不全。本研究根據中國科學院地理科學與資源研究所2015年北京市域土地1 km×1 km柵格二級地類成分數據，按照中科院土地利用/土地覆蓋變化分類體系[18]，獲得了林地、草地、未利用土地的面積數據。

并非所有的林地都可以作為畜禽糞污的消納場所，尤其是位于崎嶇陡峭的山區。本研究所選的林地是指離養殖場較近、交通便利、地形相對平緩的林地。以所在地區縣政府海拔基準點±50 m的條件進行篩選。對于草地和未利用土地，用同樣的方法篩選，在本研究中統稱為可用林地、可用草地和未利用土地。

可用林地、可用草地、未利用土地的單位面積養分需求量根據園地、歐盟標準及各地類特點調整取值。

1.2 計算方法

1.2.1 畜禽糞污產生量

式中M為畜禽糞污產生量，萬t；i為第i種畜禽；Ni為飼養量，萬頭或萬只；Ti為飼養周期，d；ηi為產排污系數，kg/d。

1.2.2 畜禽糞污氮磷養分資源量

式中N為氮養分資源量，t；P為磷養分資源量，t；i?、ψi為氮、磷產生系數，g/d。

1.2.3 畜禽養殖土地承載力

本研究中，畜禽養殖土地承載力是指在種養結合的情況下，一個地區產生的畜禽糞污施用到種植業或植物生長的土地中，在不污染環境的條件下，該地區土地所能容納的畜禽養殖的最大量。單位面積土地氮磷消納量是通過該地區植物生長的氮磷養分需求量來估算的。

2018年農業部發布的《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》[17]指出，采用豬當量來計算畜禽養殖的土地承載力。豬當量是指用于衡量畜禽氮（磷）排泄量的度量單位，主要用于不同畜禽之間的歸一化計算和比較。在本研究中，一頭豬的豬當量是指一頭肉豬在一個飼養周期里排泄的氮磷量。《指南》中認為單位豬當量的氮排泄量為11 kg，磷排泄量為1.65 kg，其數值更接近于能繁母豬全年的排泄量。本研究根據2009年發布《手冊》[3]的參數計算出華北地區單位豬當量氮、磷養分排泄量分別為5.76和1.03 kg。在潘瑜春等[7]的研究中單位豬當量氮供給量為5.77 kg，與本研究相似。所以本研究未采用《指南》中的值，而采用《手冊》中的結果。

2 結果與討論

2.1 畜禽糞污產生量及氮磷養分資源量

根據2018年畜禽數量與飼養周期、產排污系數得到了2018年北京市的畜禽糞污總量為380.1萬t，如表2所示。從各區（縣）來看，產生量最大的3個區是順義、平谷和通州，分別為81.3萬、71.2萬和67. 4萬t，三區合計占全市總量的57.9%，其次，延慶和密云縣的糞污產生量為48.0萬和47.1萬t，兩者合計占比25%。豐臺、門頭溝、海淀區產生量較少，三者合計占比不足7%。從各畜禽大類來看，糞污產生量大小依次為牛（肉牛、奶牛）、豬（生豬、能繁母豬）、禽類（蛋雞、肉雞、鴨）、羊，占北京市總量依次為35.64%，34.21%，22.02%，8.13%。

表2 還列出了北京各區（縣）畜禽糞污氮養分資源量。2018年北京市畜禽糞污氮養分資源總量為26 118.2 t，折合為453.4萬頭豬當量。從畜禽大類來看，各類畜禽糞污氮資源量大小依次為豬、禽類、牛、羊，比重依次為42.05%、28.39%、26.72%、2.84%，豬、禽類、牛是氮養分資源的主要貢獻者。從各區（縣）來看，氮養分資源量最大的3個區為平谷、順義、通州，分別為98萬頭、97萬頭、75.9萬頭豬當量，占全市資源量的比例分別為21.63%、21.39%、16.75%，3區合計占比達到59.77%。占比最少的是豐臺、門頭溝、海淀3區，合計占比不足2.5%。

表2 2018年北京市各區（縣）畜禽糞污氮養分資源量Table 2 Nitrogen resources of animal manure in various districts of Beijing in 2018

2018年北京市磷養分資源總量為5 289.8 t，折合成豬當量，為513.6萬頭豬當量。從畜禽大類來看，各類畜禽糞污磷資源量大小依次為禽類、豬、牛、羊，比例依次為39.19%、38.40%、19.64%、2.77%，禽類、豬、牛是磷養分資源的主要貢獻者。禽類在磷養分資源總量中的貢獻比在氮養分資源總量中要大，占比從28.39%增加到39.19%；豬和牛的磷養分資源總量貢獻占比相對于氮養分資源總量有所下降，分別從42.05%和26.72%下降到38.40%和19.64%。從各區（縣）來看，磷養分資源量最大的3個區還是平谷、順義、通州，分別為131.0萬頭、102.5萬頭、74.5萬頭豬當量，占全市的比例分別為25.51%、19.96%、14.50%，3個區合計占比達到59.98%。

2.2 北京市可用于消納畜禽糞污的土地資源量

能用于消納畜禽糞污的糧地、菜地、園地的土地資源量，根據北京市統計年鑒獲得；可用林地、可用草地、未利用土地的資源量根據中國科學院地理所的遙感數據，按中科院土地利用/土地覆蓋變化（Land-Use and Land-Cover Change, LUCC）分類體系提取獲得，數據匯總見表3。

表3 北京市可用于消納畜禽糞污的土地面積Table 3 Land area available to be used for animal manure disposals in Beijing hm2

北京市可用于消納畜禽糞污的6種土地面積總和為21.8萬hm2，其中占比最大的是糧地（6.9萬hm2），占總面積的31.72%；其次是園地（5.9萬hm2），占總面積的27.01%；菜地為4.3萬hm2，占總面積的19.81%，糧地和菜地是典型的耕地, 占總面積的52%，是畜禽糞污的主要消納場所。可用林地為3.76萬hm2，占總面積的17.22%；可用草地為9171.2 hm2，占總面積的4.20%；占比最小的是未利用土地，面積為79.6 hm2，僅占總面積的0.04%，幾乎可以忽略。研究發現，可用林地和可用草地占北京市能用于消納畜禽糞污土地總面積的21.42%，這些土地資源是不可忽視的。

對于林地而言，可用于消納畜禽糞污的土地面積為3.8萬hm2，占北京市林地總面積的5.14%；對于草地而言，可用面積為9 171.2 hm2，占草地總面積的8.28%；可用于畜禽糞污消納的未利用土地面積為79.6 hm2，占總未利用土地的53.64%。從各區來看，能用于消納畜禽糞污的土地資源量最大的前3個區是密云、延慶、平谷，分別為30 922.2、29 360.4、27 143.2 hm2，比例依次為14.16%、13.44%、12.43%，3個區合計達到40.03%。

2.3 不同類型土地單位面積養分需求量

糧地、菜地、園地、可用林地、可用草地以及未利用土地的單位面積氮磷養分需求值在考慮到北京各地類種植模式的情況下、通過廣泛參照有關文獻校驗確定取值，文獻來源及取值結果歸納匯總如表4。

表4 北京市各種土地利用模式下單位面積氮磷養分需求量Table 4 Demands of nitrogen and phosphorus per unit area in various land types in Beijing kg·hm-2

2.3.1 糧 地

按照北京市糧地的種植結構，本研究選擇了廣泛種植的冬小麥-夏玉米輪作復種模式估算。按照《指南》[17]中的參數、統計年鑒中的單位面積產量，可以得到各作物單位面積土地的氮磷養分需求量。北京市單位面積小麥氮磷養分需求量分別為160.89和53.63 kg/hm2，玉米的單位面積氮磷養分需求量為148.05和19.31 kg/hm2。根據《指南》計算的結果與其他文獻調研[19-22]的結果相近，從而確定北京市糧地單位面積的氮磷養分需求量分別為308.9和72.9 kg/hm2。

2.3.2 菜 地

糧食地和蔬菜地構成了北京市耕地的主體。北京新時期都市現代農業發展規劃，重點推進菜籃子工程，拓展了蔬菜種植規模。本研究根據2018年不同類型蔬菜的統計數據，將其分為喜溫類和喜涼類，在單位產量的基礎上，運用《指南》[17]的氮磷養分需求參數，按照種植面積進行加權平均，得到各類蔬菜的單位面積氮磷養分需求值。喜溫類蔬菜的單位面積需氮磷量為146.27和53.34 kg/hm2；喜涼類蔬菜單位面積需氮磷量為257.93和69.56 kg/hm2，喜溫類加喜涼類蔬菜種植組成全年蔬菜復種種植模式。根據《指南》計算的結果與其他文獻調研[23-26]的結果進行比較，確定北京市菜地的單位面積全年氮磷養分需求量為404.2和122.9 kg/hm2。

2.3.3 園地

畜禽糞污也可以利用園地進行消納，如北京平谷區的果園在農地中占有很大的比例。因為缺乏準確的統計年鑒數據，所以對于園地的單位面積氮磷消納量主要采用文獻調研的方式確定。潘瑜春等[7]評估北京平谷區的果園地畜禽糞污消納能力時認為，園地氮、磷需求值為250和55 kg/hm2；李燕青等[27]在研究遼寧省蘋果主產區時，認為維持適宜產量合理的施肥量為純氮200～360 kg/hm2，純磷100～180 kg/hm2。本研究綜合分析文獻[7,27-29]，確定園地的氮磷養分需求值分別250和55 kg/hm2。

2.3.4 可用林地，可用草地，未利用土地

可用林地作為畜禽糞污消納場所的相關研究很少。有調研資料[30]顯示，林場工人憑借經驗施肥，認為氮肥需求值為240 kg/hm2。劉曉永[12]在計算中國農業生產中養分平衡時，分析國內外植物營養試驗數據和相關文獻認為竹林地的氮肥需求值為205.85 kg/hm2，草地的氮肥需求值為150 kg/hm2。相對于園地，一般的林地土層較薄，土壤條件較差，地塊中石礫，甚至巖石也很常見，所以林地植物生長對氮磷需求比園地要少。本研究以園地為參考，選擇其80%作為可用林地的單位面積氮磷養分需求值，分別取200及44 kg/hm2。

可用草地作為畜禽糞污消納場所的相關研究更少。對于可用草地的單位面積氮磷養分需求值，為了便于計算，本研究選擇歐盟標準，分別取170及35 kg/hm2。未利用土地，一般由于存在某種不利因素而難以利用，如存在地質、土壤、水文、肥力等障礙。對于植物生長而言條件較差，對氮磷的需求比草地更少。未利用土地作為畜禽糞污消納場所的相關研究幾乎沒有，為了便于計算，本研究選擇歐盟標準的50%作為取值標準，分別為85及17.5 kg/hm2。

2.4 北京地區養殖業土地承載力

根據不同類型土地的資源量和單位面積的氮磷養分需求分析可知，北京市6種土地類型總的養殖業承載力以氮計為1 089萬頭豬當量；以磷計為1 514萬頭豬當量。從限制因素角度考慮，氮是限制因素，因此本研究重點討論以氮計的結果。北京各區縣各種地類的畜禽養殖土地承載力（以氮計）分布如圖1所示。從各區縣來看，在以6種土地類型作為消納場所的情況下，大興畜禽養殖業承載力最大，為157萬頭豬當量；密云次之，為144萬頭豬當量；延慶第三，為131萬頭豬當量。平谷、順義、房山的畜禽養殖土地承載力也都達到100萬頭豬當量以上；海淀、門頭溝和豐臺的畜禽養殖土地承載力較小，三者合計只有56萬頭豬當量。

對北京市的不同地類畜禽糞污消納能力而言，糧地的養殖業承載力為371.6萬頭豬當量，菜地的養殖業承載力為303.6萬頭豬當量，糧地和菜地構成耕地的主體，總量達到675.2萬頭豬當量。本研究發現園地也起重要作用，加上園地的貢獻，土地養殖業承載力從耕地的675.2萬頭豬當量增加到了931.3萬頭豬當量，增加了256萬頭豬當量，是耕地養殖承載力的1.38倍。

可用林地的養殖業承載力為130.6萬頭豬當量，則4種地類的養殖業承載力總量達到1 061.9萬頭豬當量，是耕地的養殖業承載力的1.57倍。可用草地和未利用土地使畜禽養殖業承載能力增加不多，這主要是北京草地和未利用土地面積很小，單位面積的氮磷消納量也很小。可用草地的養殖業土地承載力為27萬頭豬當量，未利用土地的養殖業承載力只有0.12萬頭豬當量，幾乎沒有什么影響。6種地類的承載力總量達到1 089.1萬頭豬當量，是耕地的養殖業承載力的1.61倍。其中，增量的主要貢獻者是園地和可用林地，占增量的93.4%。以氮計，消納畜禽糞污的土地類型增加對北京市畜禽養殖承載力影響如圖2所示。對北京而言，重點應考慮園地和可用林地對畜禽養殖土地承載力增加的貢獻。

2018年北京實際畜禽養殖量為453.4萬頭豬當量。若以耕地的畜禽養殖土地承載力計，還有221.8萬頭豬當量的養殖容量；若以6種土地的承載力計，還有635.7萬頭豬當量的容量。

以上的研究結果是以有機肥全部作為土地的氮磷養分供應來分析的，考慮到化肥肥效高，使用方便等因素，實際上完全替代化肥是很難做到的。在有機肥50%替代化肥的情形下，若僅以耕地（糧地、菜地）為畜禽糞污的消納場所，土地承載力為337.6萬頭豬當量，則2018年的養殖規模已經超過耕地承載力。若以糧地、菜地、園地作為消納場所，則土地承載力為465萬頭豬當量，與實際養殖量接近。若再增加可用林地，則4類土地的養殖容量為531萬頭豬當量，比現有養殖規模大17%，若以6種土地作為消納場所，其土地承載力為544.5萬頭豬當量，與現有養殖規模相比，還有20.1%的養殖潛力。

李艷梅等[31]在評估北京順義區畜禽糞污資源量時，計算得到豬牛可替代氮的純養分量為4 477 t，在本研究中，順義區的豬牛糞污產生的氮養分量為4 825 t，兩者結果較為接近。張莎莎等[30]估算了2018年北京畜禽糞便資源總量為330萬t，比本研究的結果少50萬t，主要是其畜禽種類少選了能繁母豬、肉牛、羊和鴨。另外，其研究認為北京市總體農用地畜禽糞肥負荷現狀不容樂觀，存在環境污染風險，這與本研究的結論不同。主要原因是該研究對作物氮磷需求值的估算偏小，不論是糧食還是蔬菜地都以單季作物平均值估算，比北京實際種植的復種模式養分需求少了約一半。另外，其畜禽糞污的消納場所也僅考慮了耕地和園地。王海蓮等[32]研究認為北京市畜禽糞污對環境不存在威脅。不過該研究是基于2019年北京市的養殖數據做出的，而2019年北京市畜禽養殖規模與2018年相比有大幅度的下降。

近年來，北京市畜禽養殖規模下降明顯。張望[33]根據2016年的數據，計算出北京當年畜禽養殖氮養分資源量為758.8萬頭豬當量，與本研究的453.4萬頭豬當量相比，2 a之間下降了305.3萬頭豬當量，降幅達40.24%。養殖業的大起大落也是不利的，理想的種養匹配，要考慮環境保護和養殖業的協調發展，對環境容量要進行科學測算。既不盲目擴張養殖業造成環境污染，也要充分利用土地承載力來支持養殖業發展。

與大多數研究者僅將耕地作為畜禽糞污的消納場所不同，本研究選擇了糧地、菜地、園地、可用林地、可用草地以及未利用地6種土地類型作為畜禽糞污的消納場地開展了研究，為本研究領域打開了新的視角。根據本研究結果，充分利用6種土地類型比僅僅用耕地作為消納場所，其畜禽養殖土地承載力可以增加60%以上。

本研究畜禽糞污的土地承載力主要依據畜禽糞污中氮磷供給量與植物吸收帶出量的關系確定，沒有考慮土壤中氮磷的本底，其研究結果主要適用于區域宏觀分析、環境影響評價、產業布局及政策制定，而不是用于地塊尺度上的種植和施肥決策。

3 結 論

1）2018年，北京市畜禽糞污實物量為380.1萬t，氮養分資源量為26 118.2 t，磷養分資源量為5 289.8 t。

2）在有機肥全部替代化肥的情形下，僅以耕地作為畜禽糞污的消納場所，則全市耕地能夠承載的最大養殖量為675.2萬頭豬當量；若以6種土地作為畜禽糞污的消納場所，則土地承載力為1 089.1萬頭豬當量，總的養殖容量是僅以耕地作為消納場所的1.61倍。其中，增量的主要貢獻者是園地和可用林地，占增量的93.4%。

3）在有機肥50%替代化肥的情形下，若僅以耕地作為畜禽糞污的消納場所，其承載力不足以支撐2018年的養殖規模；若加上園地、可用林地，則4種土地的養殖容量為531萬頭豬當量，比現有養殖規模大17%。

因此，在環境保護的前提下促進養殖業的發展，一是要擴大有機肥對化肥的替代比例，二是要將更多的可作為畜禽糞污消納的土地類型加以充分利用，對北京而言，特別要關注園地和可用林地的土地承載潛力。