煙臺市種植業有機廢棄物還田對畜禽糞污土壤消納量的影響研究

周永馨，王圣偉，何書朋，徐 皓，王文飛，邵 蕾

（中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

山東省煙臺市是種植大市，也是養殖大市。2019年煙臺市果園面積17.03萬hm2，農作物種植面積44.13萬hm2，畜禽養殖量1007.35萬頭豬當量［1］。種植業和養殖業帶來的果樹修剪枝條、農作物秸稈、畜禽糞污等有機廢棄物已經成為農村生態建設、農業發展的限制性因素之一。當前我國正處在推動農業綠色發展、實施鄉村振興戰略改革期［2］，為治理農村污染，農業農村部明確了“一控、兩減、三基本”的目標，通過資源化利用農業有機廢棄物可以有效解決“畜禽養殖污染”和“秸稈焚燒”等問題［3］。

畜禽糞污、果樹修剪枝條、農作物秸稈等農業有機廢棄物還田可以替代化肥，減少有機肥的投入。分析研究農業有機廢棄物養分產生量與土地消納量是否匹配對加強農村污染治理和生態環境保護、實現綠色農業具有重要意義。土地承載力通常以畜禽糞污的產生量和養分排泄量為指標進行量化分析［4-6］。2018年農業農村部頒布的《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》（以下簡稱《指南》）通過計算不同作物的糞肥養分需求量與單位豬當量糞肥養分供給量的比值來衡量畜禽糞污土地承載力；張羽飛等［7］、吳永勝等［8］、史瑞祥等［9］、張藤麗等［10］則通過不同畜種的糞便排泄總量與耕地面積計算單位面積的畜禽糞污耕地負荷。

煙臺市農作物以小麥、玉米、花生為主（種植面積占農作物種植面積的84.32%［1］），農作物成熟后通過聯合收割機收割、秸稈粉碎直接還田；果樹種植以蘋果、葡萄為主（種植面積占果園面積的82.39%［4］），果樹修剪枝條還田主推“高溫高壓熟化枝條+尿素+工廠化集中好氧處理”與“果樹枝條+畜禽糞便+微生物菌種+地頭原位好氧處理”技術。《指南》在計算糞污土地承載力時只考慮了糞污還田輸入土壤的氮、磷，而果樹修剪枝條和農作物秸稈也同時需要土壤消納。種植業有機廢棄物還田輸入土壤的氮、磷會減少畜禽糞污的氮、磷土壤消納量，因此有必要對果樹修剪枝條和農作物秸稈還田條件下畜禽糞污氮、磷的土地承載力進行進一步研究。本文統計了2010～2019年煙臺市10年間畜禽養殖、果樹、農作物種植規模與糞便產量、果樹修剪枝條量、秸稈量及其所含養分量，并利用《指南》中畜禽糞污土地承載力計算方法，比較果樹修剪枝條、秸稈還田與不還田情況下的畜禽糞污土地承載力，為煙臺市養殖業、種植業的發展規劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

數據來源于煙臺市統計局發布的《煙臺統計年鑒》（2011～2020年），統計范圍包括2010～2019年煙臺市15個縣市區畜禽的養殖情況、果園面積、農田面積及產量。選取豬、肉牛、奶牛、羊、肉禽、蛋禽作為畜禽的研究對象（占煙臺市畜禽總養殖量的99.99%）；選取蘋果、梨、桃、葡萄作為果樹的研究對象（占果園面積的88.90%）；選取小麥、玉米、谷子、豆類、薯類、花生作為農作物的研究對象（占農作物總播種面積的89.17%）。

1.2 計算參數與方法

1.2.1 畜禽糞污養分排泄量與還田量的計算

根據《指南》將不同畜禽的養殖量按照一定的比例折算成豬當量后進行求和計算畜禽總豬當量（豬、肉牛、奶牛、羊、肉禽、蛋禽的畜禽豬當量折算系數分別為1、5、10、1/3、1/60、1/30），以畜禽總豬當量和單位豬當量的氮、磷排泄量的乘積計算畜禽糞污氮、磷還田量［1，11］。該方法雖然簡化了畜禽糞污氮、磷排泄量的計算，但是忽視了不同畜禽的畜禽糞污排泄系數和糞污中氮、磷含量的差異，因此本文參照張羽飛等［7］的計算方法與相關系數，根據不同畜禽對應的糞污排泄系數、養殖周期及糞污養分含量計算不同畜禽的糞污產生量與養分排泄量［7］：

畜禽糞污年產生量=畜禽糞污排泄系數×年養殖量×養殖周期

畜禽糞污年養分排泄量=畜禽糞污年產生量×養分含量

參考《指南》（1個豬當量的氮排泄量為11 kg，磷排泄量為 1.65 kg；氮養分供給量為 7.0 kg，磷養分供給量為1.2 kg），畜禽糞污養分在收集、貯存和無害化處理過程的氮、磷養分留存率分別為63.64%、72.73%。因此，畜禽糞污年養分還田量=畜禽糞污年養分排泄量×養分留存率。

1.2.2 果樹修剪枝條量與養分量的計算

參照陳煬等［12］的計算方法與相關系數，計算果樹年修剪枝條量與年修剪枝條所含養分（氮、磷、鉀、有機質）量：果樹年修剪枝條量=果樹種植面積×枝條修剪系數（單位面積的果樹枝條修剪量）；枝條年養分量=果樹年修剪枝條量×枝條養分含量；茍新卯等［13］經調研后推薦小型移動式粉碎機在果園直接進行樹枝粉碎還田，此方式不用搬運枝條，便于農戶操作，因此本文中果樹修剪枝條年養分還田量=枝條年養分量。

1.2.3 農作物秸稈量與養分量的計算

參照龐力豪等［14］的計算方法與相關系數，計算秸稈資源量與秸稈所含養分（氮、磷、鉀、有機質）量：秸稈資源量=農作物產量×秸稈系數×秸稈可收集系數+農作物產量×加工副產品系數；秸稈所含養分量=秸稈資源量（干基）×養分含量；農作物秸稈直接粉碎、全量還田是常用的還田方式［15-16］，因此農作物秸稈養分還田量=秸稈所含養分量。

1.2.4 植物氮、磷養分需求量的計算

參照《指南》，植物養分需求量=植物產量×單位產量養分需求量。

1.2.5 糞污土地承載力與土地承載力指數的計算

糞污土地承載力（R）表征的是理論最大養殖量，畜禽糞污土地承載力的計算方法參照《指南》；糞污土地承載力指數（I）表征的是實際養殖量與理論最大養殖量的比值，計算方法參照鄭莉等［4］的研究：若I<1，則說明區域內養殖量仍有提升空間；若I>1，說明該區域的養殖量已超負荷，農田、果園土地對畜禽糞污的消納能力不足，需縮小畜禽養殖規模。

（1）在果樹修剪枝條、秸稈未還田情況下：植物糞肥養分需求量W0（N/P）=植物（農作物和果樹）養分需求量×施肥供給養分占比×糞肥占肥料施用比例/糞肥當季利用率；畜禽糞污土地承載力R0（N/P）（理論最大養殖量，以豬當量計）=植物糞肥養分需求量/單位豬當量糞肥養分供給量；糞污土地承載力指數I0（N/P）=畜禽總豬當量/糞污土地承載力。

2018年煙臺市土壤全氮含量為0.9 g/kg，有效磷含量為59.5 mg/kg［17］。根據《指南》中土壤不同氮、磷養分水平下施肥供給養分占比推薦值，確定土壤氮養分分級為Ⅱ級、磷養分分級為Ⅰ級，對應的施肥供給占比分別為45%、35%；氮和磷的利用率分別取30%和35%［4］，糞肥施用比例為50%［18-19］。

（2）在果樹修剪枝條、秸稈還田情況下：植物糞肥養分需求量W1（N/P）=W0（N/P）-（果樹枝條年養分還田量+農作物秸稈年養分還田量）；糞污土地承載力R1（N/P）與土地承載力指數I1（N/P）的計算與R0（N/P）、I0（N/P）相同。

2 結果與分析

2.1 種養結構分析及農業有機廢棄物資源評估

2.1.1 10年間養殖量、種植量與農業有機廢棄物產生量變化

煙臺市10年間畜禽養殖量為795.42萬～1007.35萬頭豬當量，畜禽糞污產生量為729.37萬～826.18萬t，畜禽糞污耕地負荷量為10.72～13.35 t/hm2（表1）。《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策》中提出耕地的畜禽糞污承載量不超過30 t/hm2［20］，以此為標準則煙臺市農田、果園土地具備消納畜禽糞污的能力，具有擴大畜禽養殖規模的潛力。隨著煙臺市肉雞養殖企業如山東益生種禽股份有限公司、山東仙壇股份有限公司、山東民和牧業股份有限公司的上市與發展，煙臺市肉雞和豬的出欄量穩步上升，分別從2010年1.30億只和314.11萬頭增加至2019年的2.22億只和433.23萬頭［1］。10年間煙臺市畜禽養殖量、畜禽糞污產生量總體呈上升趨勢：相對于2010年，2019年的養殖量提高了26.64%，糞污產生量提高了4.94%；糞污中氮、磷、鉀、有機質含量變化范圍分別為2.51萬～3.01萬、0.95萬～1.21萬、2.25萬～2.59萬、89.79萬～109.26萬t（表2）。

表1 煙臺市10年間農業有機廢棄物產生情況

表2 煙臺市10年間農業有機廢棄物氮、磷、鉀和有機質還田量 （萬t）

10年間經濟效益高的蘋果種植面積增加顯著（從10.75萬hm2增加至12.95萬hm2），而經濟效益較差的小麥、玉米等種植面積逐年下降。相對于2010年，2019年果園面積和果樹修剪枝條量分別增加14.22%和8.05%；煙臺市果樹修剪枝條中的氮、磷、鉀、有機質含量變化范圍分別為0.62萬～0.68萬、0.20萬～0.23萬、0.24萬～0.33萬、47.34萬～52.04萬t。2015年果樹修剪枝條中所含的氮、鉀量最大，2017年果樹修剪枝條中的磷最大，原因為：2015年煙臺市葡萄種植面積大于2017年，而2017年蘋果種植面積大于2015年，葡萄枝條的氮（1.60%）、鉀（2.00%）養分含量高于蘋果枝條（0.95%、0.10%），蘋果枝條中的磷（0.42%）含量高于葡萄枝條（0.22%）。相對于2010年，2019年農田面積、秸稈量、秸稈所含的氮、磷、鉀和有機質分別下降了20.89%、30.24%、30.02%和30.43%。

畜禽糞污、果樹修剪枝條、秸稈等農業有機廢棄物還田可以減少化肥和有機肥的投入［21-22］。參照張羽飛等［7］、陳煬等［12］的研究，對農業有機廢棄物的肥料化潛力進行評估，將氮折算為尿素（46-0-0，1600元/t），磷折算為過磷酸鈣（0-12-0，1000元/t），鉀折算為硫酸鉀（0-0-50，3000元/t），將有機質折算為有機肥（參照NY 525-2021《有機肥料》中規定的有機質含量≥30%、水分含量≤30%，800元/t）。煙臺市10年間農業有機廢棄物（畜禽糞污、修剪枝條和秸稈）中的養分量（N-P2O5-K2O）和有機質的平均值分別為12.45萬和344.18萬t，折算成化肥、有機肥分別為35.7萬、1638.95萬t，還田后可節約化肥投入6.42億元、有機肥投入131.12億元。

2.1.2 2019年煙臺市不同縣市區養殖量、種植量與農業有機廢棄物產生量的比較

煙臺市養殖品種主要為肉雞和豬（分別占總養殖量的36.66%和43.11%［1］），并且具有龍頭企業帶動區域養殖的特點。山東益生種禽股份有限公司、山東仙壇股份有限公司帶動了牟平區肉雞養殖（占煙臺市肉雞養殖量的34.73%［1］）；萊陽市和萊州市是煙臺市生豬調出大市（分別占煙臺市養豬量的21.35%和20.89%［1］），萊陽市的龍頭企業包括龍大食品集團有限公司、煙臺福祖食品有限公司，萊州市的龍頭企業包括新希望六和農牧有限公司。

煙臺市果園種植以蘋果為主，種植面積占煙臺市果園面積的76.04%［1］。棲霞市蘋果種植面積最大（占煙臺市蘋果種植面積的34.14%［1］），蓬萊市以葡萄種植為主（占煙臺市葡萄種植面積的35.17%［1］）。煙臺市農作物以小麥、玉米和花生為主，分別占農田總面積的27.83%、34.47%和22.02%，萊州市小麥和玉米種植面積最大，萊陽市花生種植面積最大。

2019年全市畜禽養殖量為1007.35萬頭豬當量（表3），3類農業有機廢棄物中氮磷鉀養分總量和有機質分別為11.87萬和309.12萬t，折算成化肥35.21萬t（6.15億元）、有機肥1472萬t（117.76億元）。

15個縣市區中萊陽市養殖規模最大（185.70萬頭豬當量），占全市總養殖量的18.43%；長島縣的養殖規模最小（0.06萬頭豬當量）。糞便產生量前3位的縣市區分別是萊陽市、海陽市和牟平區，每年糞污量分別為155.47萬、114.06萬和112.77萬t，分別占全市畜禽糞污產生總量的19.04%、13.97%和13.81%。

煙臺市畜禽糞污耕地負荷量為13.35 t/hm2，牟平區的畜禽糞污耕地負荷量最大（23.48 t/hm2）；氮、磷、鉀、有機質養分量前3位的分別是牟平區、萊陽市、蓬萊市（表4）；萊陽市的畜禽糞污排泄量最大，但牟平區的畜禽糞污養分量高于萊陽市，原因為：牟平區的家禽養殖量大（8150.74萬只），萊陽市的豬養殖量大（92.70萬頭），而家禽糞便中氮、磷、鉀養分含量（1.03%、0.41%、0.72%）高于豬糞便（0.24%、0.07%、0.17%）。

表4 2019年煙臺市各縣市區農業有機廢棄物氮、磷、鉀和有機質還田量

煙臺市是山東省重要的水果生產基地，果園面積位居山東省第1位［12］。2019年煙臺市共修剪109.67萬t果樹枝條，果樹修剪枝條總量前3位的地區依次為棲霞市、蓬萊市、龍口市，三市修剪枝條量分別占全市的28.07%、20.59%、10.64%；棲霞市果樹修剪枝條中氮、磷的量最大，龍口市的鉀量最大，原因為：棲霞市蘋果種植面積（44197 hm2）大于龍口市（6588 hm2），而龍口市葡萄種植面積（3783 hm2）大于棲霞市（522 hm2），蘋果枝條中的磷含量（0.42%）高于葡萄（0.22%），葡萄枝條中鉀含量（2.00%）高于蘋果枝條（0.10%）。

煙臺市秸稈量前3位的地區依次為萊州市、萊陽市、海陽市，三市秸稈量分別占煙臺市總量的27.18%、22.41%、17.00%。

2.2 糞污土地承載力分析

2.2.1 2010～2019年煙臺市10年間糞污土地承載力分析

參照《指南》，區域內植物養分需求量（W）由植物的種植結構與產量決定，植物養分需求由化肥、糞肥、果樹修剪枝條與秸稈提供；化肥施用量由當地土壤肥力水平決定，因此為固定值；當果樹修剪枝條與秸稈還田時，植物對糞肥供應養分的需求量減少，則區域內的土地消納糞污的量降低，糞污土地承載力（最大養殖量，R）也相應減低。

植物糞肥養分需求量W0N和W1N的變化范圍分別為7.09萬～8.91萬和4.68萬～5.71萬t，糞污土地承載力（最大養殖量）R0N和R1N的變化范圍分別為1013.07萬～1272.46萬和668.26萬～815.53萬頭豬當量（表5）；相對于果樹修剪枝條、秸稈未還田時的W0N、R0N，還田后的W1N與R1N的減小幅度都為33.63%～36.10%。

表5 煙臺市10年間以單位豬當量氮養分供給量計算的土地承載力

10年間果樹修剪枝條、秸稈還田時可供應植物的氮、磷養分年平均分別為2.91萬、0.52萬t；區域內植物養分需求量（W）一定，則植物的糞肥養分需求量下降，區域最大養殖量下降，因此R1I0。

10年間W0P和W1P的變化范圍分別為1.01萬～1.25萬和0.54萬～0.71萬t，R0P和R1P的變化范圍分別為837.81萬～1041.16萬和448.75萬～587.63萬頭豬當量（表6）；相對于W0P與R0P，W1P、R1P的降幅均為43.56%～46.44%。

表6 煙臺市10年間以單位豬當量磷養分供給量計算土地承載力

2017、2018、2019年3年的I0P均大于1，10年的所有I0N都小于1，而10年的I1N、I1P都大于1。相對于I0N、I0P的10年間平均值，I1N和I1P分別提高了55.41%和80.22%。

2.2.2 2019年不同縣市區的糞污土地承載力分析

芝罘區、福山區、萊山區、開發區、長島縣和高新區為煙臺市的商業、工業或旅游業區，昆崳區以昆崳山自然保護區為主體［23-24］，這些地區的畜禽養殖量、農田和果園面積低于其他縣市區，因此本研究不考慮此7縣市區的W值、R值與I值。

2019年煙臺市W0N、W1N、R0N、R1N前3位的地區分別為萊州市、萊陽市與海陽市，其中三者的W0N、R0N占全市的53.70%，W1N與R1N占全市的57.04%。萊陽市只有I1N超過1，牟平區、龍口市和蓬萊市的I0N與I1N均超過1（表7）。

表7 2019年煙臺市各縣市區以單位豬當量氮養分供給量計算的土地承載力

2019年 煙 臺 市W0P、W1P與R0P、R1P前3位的地區分別為萊州市、萊陽市與海陽市，三者的W0P、R0P均占全市的50.92%，W1P、R1P均占全市的60.06%；牟平區、蓬萊市、萊陽市、海陽市的I0P均超過1；而I1P超過1的有7個縣市區（表8）。

表8 2019年煙臺市各縣市區以單位豬當量磷養分供給量計算的土地承載力

3 討論

3.1 果樹修剪枝條、秸稈還田與不還田對糞污土地承載力的影響

《指南》與鄭莉等［4］、王琳琳等［5］、閆熠峰等［6］的研究在計算畜禽糞污土地承載力時未考慮種植業有機廢棄物還田后對畜禽糞污土地承載力的影響，而本文在計算畜禽糞污氮、磷土地承載力時納入了果樹修剪枝條與秸稈還田因素。區域內植物養分需求量一定，果樹修剪枝條、農作物秸稈還田養分量與糞肥還田的養分量存在“此消彼長”的關系。果樹修剪枝條、秸稈還田降低了土地糞污消納量，進而降低了糞污土地承載力（最大養殖量）。

2019年煙臺市種植業產生的果樹修剪枝條、農作物秸稈和養殖業畜禽糞污排泄量分別為109.67萬、205.60萬、816.67萬t，種植業和養殖業有機廢棄物還田可提供氮分別為2.39萬、2.68萬t，磷分別為0.45萬、1.03萬t。種植業產生的有機廢棄物還田進入土壤中的氮、磷減少了農田、果園土地對畜禽糞污的氮、磷承載量。在2類種植業有機廢棄物還田的情況下，2010～2019年煙臺市10年間糞肥養分需求量、糞污土地承載力降低了33.63%～36.10%（以氮素計）、43.56～46.44%（以磷素計），糞污氮、磷土地承載力指數分別升高了50.68%～56.49%、77.18%～86.70%。

在2類種植業有機廢棄物未還田情況下，2019年煙臺市所有縣市區中萊州市、招遠市、棲霞市具備養殖業發展潛力（以氮和磷為基準計算的糞污土地承載力指數I值均小于1）。而對于種植業有機廢棄物還田情況，則只有萊州市具備養殖業發展潛力（糞污氮、磷土地承載力指數分別為0.74、0.85），其他縣市區的糞污氮、磷土地承載力指數至少有一項超過1。本研究中由于果樹修剪枝條、秸稈還田導致土地承載力降低甚至一些地區由具備畜禽養殖發展潛力的地區變成畜禽養殖量超負荷的地區，因此建議種植規模大、種植業有機廢棄物產量高的地區計算土地承載力時納入種植業有機廢棄物還田的因素。

種植業有機廢棄物還田降低了畜禽糞污的土地承載力，為提高農田、果園土地的畜禽糞污消納量可考慮果樹修剪枝條與秸稈的多元化利用。“十三五”以來國家提出了多項關于秸稈綜合利用（肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化）的政策［25-26］，在畜禽糞污還田為種植業提供養分和有機質的前提下可提高果樹修剪枝條、秸稈用作飼料、燃料、基料和原料的比例，從而提高農田、果園土地的糞污消納能力。

3.2 10年間農業有機廢棄物的產生與糞污土地承載力的變化

2010～2019年煙臺市養殖規模呈逐漸上升趨勢（畜禽養殖總豬當量由795.42萬增至1007.35萬頭），種植規模呈逐漸下降趨勢（農田、果園面積由70.69萬減至61.16 萬hm2）；養殖規模的擴大與種植規模的減小，導致畜禽糞污的產生量超過土地的承載量：2017、2018、2019年果樹修剪枝條、秸稈未還田時磷的土地承載力指數大于1，2010～2019年果樹修剪枝條、秸稈還田時氮、磷的土地承載力指數則均大于1。因此建議煙臺市控制養殖規模，擴大種植面積從而減少農田、果園土地的糞污負荷量。

3.3 煙臺市種養布局規劃建議

煙臺市種植業和養殖業分布相對集中，但存在種養分離的問題。養殖業規模前4位的地區分別是萊陽市、牟平區、蓬萊市、萊州市，畜禽養殖量共占全市的63.97%；種植業主要集中在萊陽市、萊州市、海陽市、棲霞市，農田和果園面積占全市的63.13%。牟平區和蓬萊市養殖量大（養殖規模分別占全市的17.33%和14.36%），而兩地區的種植面積小（農田與果園面積分別占全市的7.85%和8.19%）導致種植業不能完全消納養殖業產生的糞污（I>1）。針對煙臺市存在的種養分離問題進行種養布局規劃時，應根據各縣市區的農田、果園面積和糞污土地承載力來限定各縣市區的畜禽養殖規模。糞污土地承載力指數大于1的縣市區應擴大種植規模、限制養殖業畜禽養殖數量從而降低農田、果園土地的糞污承載量。

種養布局規劃時也需考慮種植業有機廢棄物的還田對養殖量的影響。不考慮果樹修剪枝條、秸稈還田因素時，棲霞市具備養殖業發展潛力（氮、磷糞污土地承載力指數分別為0.50、0.63）；而棲霞市作為我國蘋果的主產區［27］，（果園面積4.86萬hm2、產量202.88萬t［1］）果樹枝條修剪量大（30.78萬t），在還田情況下糞污磷土地承載力指數為1.51，需控制畜禽養殖規模。

為減少區域內糞污的還田量，鼓勵糞污處理公司將處理產物商品化（糞便堆肥生產有機肥料［28］，糞水厭氧處理后的沼液生產水溶肥料［29-30］），運輸至種植量大、養殖量小、糞肥需求量大的地區（如濰坊壽光蔬菜大棚產區）進行異地銷售。

3.4 土地承載力氮、磷養分測算原則

根據陳廣銀等［31］的研究，各地區養殖類型、作物種類和產量存在差異導致各地區基于氮和磷估算出的土地承載力存在差異，在計算土地承載力時應采用以氮或磷為基準計算值的較小數。本研究中，除龍口市、蓬萊市外其余地級市以磷為基準計算的土地承載力均小于以氮為基準的計算值。

4 結論

10年間煙臺市養殖規模逐漸上升、種植規模逐漸下降，導致畜禽糞污的產生量超過土地的糞污安全消納量；煙臺市存在種養分離和養殖布局不合理的問題。在禁止秸稈和果樹枝條焚燒、保護環境的背景下，果樹修剪枝條、秸稈還田供給的養分進一步降低了植物對糞肥養分的需求量，進而降低了區域內的養殖潛力。