秸稈還田對畜禽糞污土地承載力的影響

摘要：為完善種養結合、促進循環農業發展提供參考依據，通過豬當量法和求和法分別計算秸稈還田和不還田情況下的畜禽糞污土地承載力，分析秸稈還田對畜禽養殖發展潛力與產業布局的影響。結果表明，相較于豬當量法，求和法計算的黑龍江省糞便排泄量和糞便磷養分供給量分別提高37.5%、28.5%，氮養分供給量降低28.8%；畜禽糞污氮土地承載力提高40.4%（不還田）和9.4%（還田），磷土地承載力降低22.1%（不還田）和8.4%（還田）。秸稈還田后，全省氮、磷土地承載力分別降低70.1%、67.7%（豬當量法）和76.7%、62.0%（求和法）。在還田和不還田情況下所求得全省氮承載力指數分別為1.23、4.10（豬當量法）和1.34、5.76（求和法），全省磷承載力指數分別為1.60、4.94（豬當量法）和1.46、3.85（求和法）。秸稈不還田情況下，2種方法計算的所有市（地區）養殖量未超過最大養殖量（以氮和磷為基準的土地承載力）；秸稈還田情況下，鶴崗市、綏化市、大慶市的養殖量超過以氮為基準的最大養殖量及大慶市的養殖量超過以磷為基準的最大養殖量（豬當量法），大慶市的養殖量超過以氮為基準的最大養殖量及齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市、大慶市的養殖量超過以磷為基準的最大養殖量（求和法）。秸稈還田輸入的養分降低了土地消納的糞污量和畜禽養殖潛力。

關鍵詞：畜禽糞污；土地承載力；秸稈還田；土地承載力指數

中圖分類號：X71" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）03-0187-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.029 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of straw mulching on land bearing capacity of livestock and poultry manure

WANG Sheng-wei， ZHOU Yong-xin， WANG Li-xia， XU Hao， WANG Wen-fei， SHAO Lei

（Yantai Institute of China Agricultural University， Yantai" 264670， Shandong， China）

Abstract：To analyze the effect of straw mulching on animal husbandry， the land bearing capacity （LBC） of livestock and poultry manure gained by the pig equivalent method and the summation method comparing straw mulching with not mulching respectively were calculated. The results showed that compared with PM， the amount of manure in Heilongjiang Province and phosphorus in the manure calculated by SM increased by 37.5% and 28.5% respectively， while the amount of the nitrogen in the manure decreased by 28.8%， the LBC of the manure nitrogen increased by 40.4% （not mulching） and 9.4% （mulching）， and the LBC of the manure phosphorus decreased by 22.1% （not mulching） and 8.4% （mulching）. Straw mulching decreased the LBC of the manure nitrogen and phosphorus by 70.1%， 67.7% （PM） and 76.7%， 62.0% （SM） respectively. With straw mulching， the provincial indexes of the nitrogen and phosphorus LBC were 1.23， 1.60 （PM） and 1.34， 1.46 （SM）. And without straw mulching， the indexes of the nitrogen and phosphorus LBC were 4.10， 4.94 （PM） and 5.76， 3.85 （SM）. In the case of straw not mulching， both nitrogen and phosphorus LBC （calculated by SM and PM） of all cities in this province were more than the amount of livestock and poultry （ALP）. In the case of straw mulching， the nitrogen LBC of Hegang City， Suihua City， Daqing City and phosphorus LBC of Daqing City were less than the ALP （PM）， the nitrogen LBC of Daqing City and phosphorus LBC of Qiqihar City， Suihua City， Mudanjiang City， Daqing City were less than the ALP （SM）. Nutrients from straw mulching decreased the land bearing capacity of manure and the development potential of animal husbandry.

Key words： livestock and poultry manure； land bearing capacity； straw mulching； index of land bearing capacity

隨著經濟社會的發展，規模化、集約化的畜牧養殖對環境產生的污染嚴重［1］。種植業產生的秸稈露天堆放、焚燒造成資源浪費和環境污染。畜禽糞污和秸稈的綜合利用是農業農村環境治理工作的重點與難點。畜禽糞污和秸稈的最優利用方式是還田，而還田需要考慮土地的糞便負荷量和氮磷承載力［2，3］，楊朝飛［4］將30 t/hm2的糞便負荷量作為土地承載力的指標，計算畜禽糞污土地承載力要明確區域內糞污及氮磷養分的排泄量；2018年農業農村部發布的《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》中將不同種類畜禽按照一定比例換算為豬當量，根據單位豬當量的糞便與氮磷養分排泄量估算區域內糞便及養分排泄量（以下簡稱豬當量法）［5］；而以往畜禽糞便及養分排泄量的計算是根據不同種畜禽對應的飼養量、排泄系數、飼養周期及糞便養分含量計算該種畜禽的糞便及養分排泄量［6］，再對所有畜種的排泄量進行求和得到總糞便量和總養分量（以下簡稱求和法）。豬當量法只需計算區域內的總豬當量就可以根據給定的單位豬當量養分供給量常數計算該區域內的養分供應和土地承載力，雖然該方法計算簡便，但未考慮區域內種群結構和不同種畜禽之間的差異。雖然求和法考慮了不同種畜禽之間的差異，但須考慮不同畜禽排泄系數、飼養周期、糞便養分含量等相關系數，且不同畜禽在不同階段、不同地域、同一種類的不同品種以及飼喂情況等都會影響排泄相關系數，已有文獻中的排泄相關系數差異顯著［7-11］。

對土地承載力的研究中僅考慮了畜禽糞便還田情況下的土地承載力，而當秸稈還田后，其氮磷養分的輸入會降低作物對糞便養分的需求量，從而降低畜禽糞污土地承載力。本研究以黑龍江省為例，運用豬當量法和求和法分別計算秸稈還田和不還田情況下的畜禽糞污土地承載力，分析秸稈還田對黑龍江省畜禽養殖發展潛力與產業布局的影響，為完善種養結合、促進循環農業發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究數據來源于《黑龍江統計年鑒2019》，統計范圍包括黑龍江省14個市（地區）畜禽飼養量、農產品產量和耕地面積。畜禽選取黃牛及肉牛、奶牛、豬、羊、家禽（養殖數量占全部畜禽的99.9%）為研究對象。農作物選取水稻、玉米、大豆、小麥、谷子、薯類（播種面積占全部作物96%）主要作物為研究對象。黑龍江省農墾總局于2018年摘牌，2020年正式撤銷，年鑒中列出種植業數據，但其畜牧業數據包含于各地市。

1.2 計算參數

1.2.1 畜禽飼養量 畜禽飼養量根據畜禽的出欄量和年末存欄量進行計算，豬、牛、羊飼養量計算方法參照王方浩等［12］的研究。家禽飼養量參照韋春波等［13］的研究，黑龍江省養殖家禽為肉蛋兩用的地方品種，因此家禽飼養量按照肉蛋兼用型家禽進行計算。

1.2.2 畜禽糞便排泄系數及養分含量 豬、牛、羊的糞便排泄系數（包括糞與尿）和糞便中N、P2O5養分含量參照張羽飛等［6］的研究，家禽相關參數參照韋春波等［13］的研究。

1.2.3 秸稈系數、農作物可收集系數和農作物副產品系數 秸稈可分為田間秸稈（作物的莖和葉等）和加工副產物（如玉米芯、稻殼、花生殼等）［14］。田間秸稈通過秸稈系數與可收集系數估算，加工副產物通過副產品系數估算［15］；秸稈系數參照王曉玉等［16］的研究，可收集系數參照崔蜜蜜等［17］的研究；參照郭利磊等［18］的研究，當地農作物主要副產品有稻殼及玉米芯，其副產品系數均為0.17。

1.2.4 秸稈養分含量 秸稈養分含量為秸稈干物質與對應養分含量的乘積［19］。主要農作物秸稈干物質與養分含量參照龐力豪等［15］研究。

1.3 計算方法

1.3.1 糞便排泄量

1）求和法。

式中，Es為糞便年排泄量（求和法），萬t；Ei為第i種畜禽糞便年排泄量；Qi為第i種畜禽的飼養量；Ti為第i種畜禽的飼養周期，d，超過1年以1年（365 d）計；Ci為第i種畜禽排泄系數，kg/d或t/a。

2）豬當量法。參照《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》（以下簡稱《指南》），以存欄量折算，豬與奶牛、肉牛、羊、家禽的換算比例分別為100∶15、100∶30、10∶25、1∶25，將不同畜禽飼養量換算為豬當量，以單位豬當量的排泄系數來估算全部畜禽的排泄量。《指南》中糞污包括糞、尿和污水［5］。由于《指南》未提供單位豬當量糞污排泄量，故采用豬的糞便排泄系數計算豬當量法的糞便排泄量。

式中，Ep為糞便年排泄量（豬當量法），萬t；Qp為所有畜禽換算為豬當量的數量，萬個；Tp為豬的飼養周期（365 d）；Cp為豬排泄系數，kg/d。

1.3.2 氮磷養分供給量

1）求和法。養分供給量=∑（不同畜禽糞便排泄量×養分含量）×養分留存率。由于糞污養分在收集、處理和貯存過程中的損失［5］，因此需考慮養分留存率，參照《指南》，氮、磷養分留存率分別為62%、72%（以還田利用為主）。

2）豬當量法。養分供給量=總豬當量×單位豬當量氮（磷）供給量。根據《指南》，單位豬當量每年的氮、磷養分供給量分別為7.0、1.2 kg。

1.3.3 作物養分需求量 參照《指南》，作物養分需求量=∑作物形成100 kg產量吸收養分×該作物產量/100。

1.3.4 作物秸稈總量 秸稈總量=作物產量×秸稈系數×可收集系數+作物產量×加工副產品系數［18］。

1.3.5 作物秸稈養分含量 秸稈養分含量=秸稈總量×相應干物質含量×對應養分含量。

1.3.6 單位豬當量養分供給量

1）秸稈不還田情況下的單位豬當量養分供給量。

①求和法。

式中，Zls1為單位豬當量養分供給量（l為氮或磷，下同），kg；Fls為畜禽糞便l養分年供給量（求和法），萬t；Qp為所有畜禽換算為豬當量的數量，萬個。

②豬當量法。根據《指南》，單位豬當量氮、磷養分供給量分別為7.0、1.2 kg。

2）秸稈還田情況下的單位豬當量養分供給量。

①求和法。

式中，Zls2為單位豬當量養分供給量，kg；Yl為作物秸稈的l養分總量，萬t；Fls為畜禽糞便l養分年供給量（求和法），萬t；Qp為所有畜禽換算為豬當量的數量，萬個。

②豬當量法。

式中，Zlp2為單位當量養分供給量，kg；Yl為作物秸稈的l養分總量，萬t；Flp為畜禽糞便l養分年供給量（豬當量法），萬t；Qp為所有畜禽換算為豬當量的數量，萬個。

1.3.7 糞肥養分需求量 參照《指南》中計算方法，

[糞肥養分需求量=作物養分需求量×施肥供給養分占比×糞肥占施糞肥當季利用率]

黑龍江省土壤全氮和有效磷含量分別為2.00 g/kg、37.19 mg/kg［20］。根據《指南》中的土壤氮磷養分分級標準，確定土壤氮、磷養分分級分別為Ⅰ、Ⅱ級，對應施肥供給占比分別取35%、45%。參照相關研究，氮、磷當季利用率分別取25%、30%［7］，糞肥占施取40%［21］。

1.3.8 畜禽糞污土地承載力與承載力指數" " 參照《指南》，畜禽糞污土地承載力=糞肥養分需求量/單位豬當量養分供給量。糞污土地承載力指數（Φ）衡量的是區域內最大養殖量與實際養殖量的比值［22］。

2 結果與分析

2.1 糞便產生與養分供給情況

2.1.1 糞便排泄量 全省糞便排泄量分別為5 335.54萬t（豬當量法）和7 336.48萬t（求和法）；求和法計算的各市（地區）糞便排泄量較豬當量法提高8.1%～61.5%（表1）。糞便排泄量前三位的市（地區）分別為綏化市、齊齊哈爾市和哈爾濱市，分別占全省總量的23.4%、19.4%、16.3%（豬當量法）與21.8%、20.5%、15.2%（求和法）；大興安嶺地區的糞便排泄量最少。

2.1.2 糞便養分供給量 求和法計算的氮養分供給量低于豬當量法，磷養分供給量高于豬當量法：相較于豬當量法計算的全省氮（28.03萬t）、磷（4.81萬t）養分供給量，求和法計算值氮（19.97萬t）降低28.8%，磷（6.18萬t）提高28.5%。豬當量法、求和法求得氮、磷養分供給量前三位的市（地區）依次為綏化市、齊齊哈爾市和哈爾濱市；三市（地區）養分供給量占全省氮總量分別為59.2%（豬當量法）、57.3%（求和法），占磷總量分別為59.0%（豬當量法）、57.8%（求和法）；大興安嶺地區氮、磷養分供給量最小。

2.2 秸稈不還田情況下單位豬當量養分供給量

單位豬當量養分供給量表征的是每個豬當量所能提供給作物的氮（磷）養分。根據《指南》，豬當量法的單位豬當量氮、磷養分供給量為常數（7.0 kg與1.2 kg）。求和法計算的全省平均單位豬當量氮、磷養分供給量（表2）分別為4.99、1.54 kg。相對于豬當量法，求和法計算的各市（地區）單位豬當量氮養分供給量降低了17.0%～42.3%，磷養分供給量提高了19.2%～41.7%。

2.3 秸稈還田情況下單位豬當量養分供給量

2.3.1 秸稈資源量與養分供給量 黑龍江省耕地面積約1 600萬hm2［23］，秸稈資源豐富（1.3億t）［24］，《東北黑土地保護性耕作行動計劃（2020—2025年）》指出要重點推廣秸稈還田技術［25］。黑龍江省秸稈資源共計8 162.25萬t，秸稈中氮、磷總量分別為65.73萬、10.06萬t（表3）。

2.3.2 糞便與秸稈養分總供給量 糞便與秸稈養分總供給量衡量的是糞便與秸稈還田輸入土壤的氮磷養分。相對于豬當量法，求和法計算的各市（地區）氮養分總供給量降低6.8%～21.2%，磷養分總供給量提高5.3%～23.5%。

2種方法求得的氮總供給量前三位為綏化市、齊齊哈爾市、哈爾濱市，分別占全省總供給量的17.5%、16.6%、16.1%（豬當量法）和16.6%、16.9%、15.7%（求和法）；磷總供給量前三位依次為綏化市、齊齊哈爾市、哈爾濱市，分別占全省總供給量的18.0%、17.0%、16.5%（豬當量法）和17.8%、17.6%、16.2%（求和法）。2種方法計算的大興安嶺地區養分總供給量最少，占全省氮磷總量分別為0.4%、0.3%（豬當量法）和0.4%、0.4%（求和法）。

2.3.3 單位豬當量養分供給量 由表4可知，豬當量法、求和法求得全省平均單位豬當量養分供給量分別為23.41、21.40 kg（氮）和3.71、4.05 kg（磷）。相較于豬當量法，求和法計算的各市（地區）單位豬當量氮養分供給量降低6.9%～20.8%，單位豬當量磷養分供給量提高5.9%～20.2%。

豬當量法、求和法計算的雙鴨山市單位豬當量氮、磷養分供給量最大，分別為31.00、28.72 kg（氮）和4.90、5.19 kg（磷）；鶴崗市最小，分別為14.21、11.25 kg（氮）和2.28、2.64 kg（磷）。

2.4 糞肥養分需求量

全省糞肥氮、磷養分需求量分別為115.07萬、23.72萬t（表5）；農墾總局氮、磷養分需求量最大（24.0%、31.3%），大興安嶺地區需求量最小（0.8%、0.5%）。

2.5 秸稈不還田情況下畜禽糞污土地承載力及指數

2.5.1 畜禽糞污土地承載力 畜禽糞污土地承載力表征區域內最大養殖量。豬當量法與求和法求得的全省畜禽糞污土地承載力分別為1.64億、2.31億豬當量（氮）和1.98億、1.54億豬當量（磷）（表6）。

豬當量法、求和法計算的全省氮、磷畜禽糞污土地承載力（表6）前三位為哈爾濱市、綏化市、齊齊哈爾市；三市（地區）合計土地承載力占總承載力分別為41.6%、43.3%（氮）和36.9%、37.7%（磷）；哈爾濱市承載力最高，占總承載力分別為14.1%、15.9%（氮）和13.4%、13.9%（磷）；大興安嶺地區承載力最低。

2.5.2 畜禽糞污土地承載力指數 若畜禽糞污土地承載力指數（Φ）gt;1，則區域內養殖量仍有提升空間；若Φlt;1，則區域內養殖量已超負荷，需降低養殖規模。豬當量法、求和法求得全省ΦN分別為4.10、5.76，全省ΦP分別為4.94、3.85。豬當量法、求和法求得雙鴨山市ΦN（5.98和8.87）最高，佳木斯市ΦP（8.26和6.24）最高，大慶市ΦN（1.66、2.01）與ΦP（1.62、1.15）最低。

2.6 秸稈還田情況下畜禽糞污土地承載力及指數

2.6.1 畜禽糞污土地承載力 從表7可以看出，豬當量法與求和法求得的氮磷土地承載力前三位分別為綏化市、齊齊哈爾市、哈爾濱市；三市（地區）的土地承載力占總承載力的48.6%、49.9%（氮）和42.1%、41.9%（磷）；求和法計算的全省氮、磷畜禽糞污土地承載力（5 377.23萬、5 856.79萬豬當量）較豬當量法（4 915.54萬、6 393.54萬豬當量）分別提高9.4%（氮）和降低8.4%（磷）；各市（地區）之間，求和法計算的氮承載力高于豬當量法7.4%～26.3%，磷承載力降低了5.6%～16.8%。

2.6.2 畜禽糞污土地承載力指數 豬當量法、求和法求得全省ΦN分別為1.23、1.34，全省ΦP分別為1.60、1.46。豬當量法求得鶴崗市、綏化市、大慶市ΦN和大慶市ΦP小于1；求和法求得大慶市ΦN和齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市、大慶市ΦP小于1。

3 討論

3.1 求和法與豬當量法計算的畜禽糞污土地承載力差異分析

雖然豬當量法計算簡單，但未考慮不同畜種間排泄的差異。相較于豬當量法，求和法計算的全省糞便排泄量和糞便磷養分供給量分別提高37.5%、28.5%，氮養分供給量降低28.8%；畜禽糞污氮土地承載力提高40.4%（不還田）和9.4%（還田），磷土地承載力降低22.1%（不還田）和8.4%（還田）。豬當量法與求和法計算的全省ΦN分別為4.10、5.76（秸稈不還田）和1.23、1.34（秸稈還田），全省ΦP分別為4.94、3.85（秸稈不還田）和1.60、1.46（秸稈還田）。在評估區域內畜禽養殖情況時，2種方法得到不同結果：在秸稈還田情況下，豬當量法求得鶴崗市、綏化市的養殖量超過以氮為基準的最大養殖量而求和法計算未超過；求和法求得齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市的養殖量超過以磷為基準的最大養殖量而豬當量法計算未超過。

豬當量法不考慮養殖種類和同一畜種不同地區間的差異，以給定的單位豬養分排泄量計算區域內的養分總排泄量；該方法計算簡單，適用于多畜禽種類、多養殖場的大尺度區域內畜禽糞污土地承載力的計算。求和法根據不同畜種的排泄系數和養殖量計算區域內糞污總養分量；不同畜禽種類或同一畜種在不同地區的排泄系數已有大量研究，但不同文獻中差異顯著［3，11，13，26-28］，因此要準確獲取畜禽糞污排泄系數需對當地養殖場進行實地調研。

3.2 秸稈不還田與秸稈還田對土地承載力的影響

秸稈還田輸入氮磷養分，降低土地對糞便的消納能力。秸稈還田后，全省氮、磷土地承載力分別降低70.1%、67.7%（豬當量法）和76.7%、62.0%（求和法）。

在評估區域內畜禽養殖情況時，秸稈還田與不還田得到不同結果：秸稈不還田情況下，2種方法計算的所有市（地區）養殖量未超過最大養殖量（以氮和磷為基準的土地承載力）；秸稈還田情況下，鶴崗市、綏化市、大慶市的養殖量超過以氮為基準的最大養殖量及大慶市的養殖量超過以磷為基準的最大養殖量（豬當量法），大慶市的養殖量超過以氮為基準的最大養殖量及齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市、大慶市的養殖量超過以磷為基準的最大養殖量（求和法）。

《指南》建議以氮養分供給和氮養分需求為基準計算畜禽糞污土地承載力，對于土壤本底值磷含量較高的區域可選擇以磷為基準進行計算。本研究中黑龍江省土壤氮、磷養分分級分別為Ⅰ、Ⅱ級（全氮和有效磷含量分別為2.00 g/kg、37.19 mg/kg［20］），可以氮為基準進行畜禽糞污土地承載力的核算。本研究中在秸稈不還田情況下通過求和法計算的以氮為基準的黑龍江省畜禽糞污土地承載力高于以磷為基準的計算值，豬當量法則相反。為合理設定區域內畜禽養殖數量最大值（土地承載力）、避免因糞污還田造成氮磷面源污染，可將氮、磷土地承載力中的較小值作為區域內的畜禽養殖數量控制值［29］。

4 結論

本研究以黑龍江省為例，通過豬當量法和求和法計算畜禽糞污土地承載力。求和法計算的以磷為基準的畜禽糞污養分供給量高于豬當量法，土地承載力低于豬當量法；以氮為基準的計算結果相反。

秸稈還田會降低畜禽養殖發展潛力（畜禽糞污土地承載力與實際畜禽養殖量差值）：以氮計，全省養殖潛力分別降低了1.15億（豬當量法）和1.77億（求和法）豬當量；以磷計，養殖潛力分別降低了1.34億（豬當量法）和0.95億（求和法）豬當量。由于還田后秸稈不易腐爛，造成失墑、吊根，影響作物出苗和根系發育，同時土壤中病原菌還會跟隨秸稈回到土壤，加重土傳病害的發生［30］。國務院發布的《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》提出推進秸稈“五化”綜合利用方式，因此在種植業與養殖業均較發達的地區可采取提高“燃料化、飼料化、原料化、基料化”利用比例、降低“肥料化”利用比例，通過畜禽糞便還田補充土壤養分與有機質、保持地力，從而提高土地消納糞便能力和畜禽養殖潛力與規模。

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