不同有机肥占比率下的湖南省畜禽养殖承载力研究

易湘琳 宋李思莹 李汪晟 彭河山 吴根义、2

1. 湖南农业大学； 2.环境保护部华南环境科学研究所

湖南省是我国的畜禽养殖大省，生猪养殖量尤为大，畜禽养殖废弃物产生量大且地区分布不均，造成部分地区畜禽养殖污染较为严重。畜禽养殖业污染占湖南省污染物排放总量的比重较大，根据《2012 年湖南省环境状况公报》 数据显示，2012 年COD 排放总量为126.33 万吨， 其中农业源排放量为56.73 万吨，占排放总量的44.91%。 氨氮排放总量为16.13 万吨，其中农业源排放量为6.26 万吨， 占排放总量的38.81%。畜禽养殖废弃物随意排放或不合理利用已成为湖南省污染物排放总量的主要来源之一。畜禽养殖废弃物同时也可作为农业种植的肥料得到合理利用，一方面解决养殖废弃物污染问题， 另一方面也可减少农业种植化肥施用量，提高土壤和农产品质量。 畜禽废弃物能确保得到合理利用的前提是实现区域内种养平衡，降低运输成本和施用难度。 本研究依据在特定地理区域范围内农业生产活动所能够消纳畜禽废弃物的能力核算出湖南省各地区畜禽养殖承载力。

一、核算方法

1.方法确定

氮是绝大多数影响农作物产量的限制因子，氮肥的施入量能否满足作物的需求决定了作物的产量。氮平衡是利用物质平衡原理，即：盈余量=输入量-输出量。 通过量化核算区域内氮元素的各个输入和输出项，利用计算结果判断氮的盈余或缺损的情况，将区域内能承受的输入量转化为猪当量畜禽数量，即区域畜禽养殖承载能力。

2.模式构建

参照湖南省畜禽废弃物承载力指数定义，在一定的土地供肥能力和单位面积农业生产预期产量条件下，不考虑化学肥料供给，完全由畜禽粪便提供农业生产的需肥量（需氮量）的理想状况下，这种状况下得到的环境承载量即为土地当量畜禽的最大承载量。其计算参照《畜禽粪便农田利用环境影响评价准则》[1]中的相关公式如下：

式中：A 表示农业生产需肥量， 湖南省畜禽养殖废弃物主要农业利用方式为种植业农田利用和生态林利用，包括农作物生长和生态林所需要投入的肥料总量，吨/公顷；S 为土壤供肥量，吨/公顷；d 为出栏一头生猪排放进入土壤的氮素量；r 为畜禽粪便的年季利用率， 有研究表明有机肥的年季利用率在23%～50%之间，为降低环境污染，本研究采用最低养分损失进行，即r 取值为0.5；a 为施用有机肥占比率。

二、氮平衡法核算湖南省各参数取值确定

1.农业生产需肥量A 的确定

(1)湖南各市县种植业需肥量核算。湖南农业基础较好， 农业资源十分丰富， 主要粮食作物有水稻、玉米、大豆、薯类，其它主要农作物也包含油菜、茶叶、柑橘等。 因此，本研究选择这7 类主要作物作为统计对象。

通过总结国内外研究和《肥料手册》[2]确定农作物氮养分消耗标准，本研究氮素取值为：每生产100 千克稻谷需从土壤中吸收氮为2.2 千克， 玉米为2.5 千克，大豆为5.3 千克，大豆为5.3 千克，薯类为0.25 千克，油料为8 千克，蔬菜为0.28 千克，茶叶为1.1 千克，水果类为0.4 千克。 单位面积作物产量参照《2014年湖南省农村统计年鉴》[3]。计算出主要农作物需氮量如表2-1。

（2）湖南省及其各市县生态林地可消纳畜禽废弃物量。 目前，利用畜禽废弃物对生态林地进行生产是畜禽废弃物的一种新型的利用途径，既解决了生态林地用肥问题，又提供了一种解决畜禽养殖废弃物的方法。 一棵林木一年可施入的畜禽粪便等有机肥在25～45 千克之间，每亩林地一般种植树木100 棵左右，施入林地的有机肥氮素含量一般在1.5%左右。 由此可得到每公顷林地年需肥量为100×15×35×0.015=787.5千克/公顷。

因此，结合《2014 年湖南省农村统计年鉴》中湖南省各市县的生态林（生态林包括用材林、防护林和特种用途林等三种类型）用地面积和单位林地需氮量得到湖南省各地市生态林需氮量情况。 结果见表1。

表1 湖南省各地市农业种植、生态林需肥量（单位:千克）

2.土壤供肥量S 的确定

(1)湖南省土壤有效氮平均含量。 湖南省种植区的土壤划分为地带性土壤和非地带性土壤两种类型，地带性土壤主要为红壤和黄壤，其中红壤面积约为全省土地总面积的51.0%， 黄壤占全省土地总面积的12.24%。 非地带性土壤主要有水稻土、紫色土和石灰土，分别占全省土地面积的百分比为16.5%、7.86%和6.9%。

本实验选取长沙县、望城县、攸县等有连续5 年以上耕作历史的8 个取样点，其中3 个取样点为水田、3 个点为旱地菜园、2 个点为生态林地， 取样点具体分布见表2.4，检测方法按照国标《森林土壤水解性氮的测定》LY-T 1229-1999 标准对土壤样品进行检测。 对全省各检测点不同土壤样品进行采集，检测结果见表2。

表2 检测点位分布及含氮量检测结果（毫克/千克）

由上表检测结论可知，全省范围内红壤中有效氮含量为130.22 毫克/千克， 黄壤中有效氮含量约为132.33 毫克/千克， 水稻土有效氮含量在141.82 毫克/千克， 石灰土中有效氮的含量为121.7 毫克/千克，紫色土中有效氮含量为103.34 毫克/千克。

根据湖南省五种主要土壤理化性质中有效氮的含量， 利用《畜禽粪便农田利用环境影响评价准则》GBT26622-2011 中相关公式计算五种土壤单位面积的供氮量。 公式如下：

式中S1表示土壤供氮量（吨/公顷）；2.25×10-3表示土壤养分的“换算系数”；c 表示土壤中某营养元素的测定值（毫克/千克）；S2表示土壤实际供氮量（吨/公顷）；t 表示土壤养分校正系数， 本研究取土壤氮素校正系数为0.5。

以红壤、水稻土、黄壤、石灰土、紫色土等五种主要土壤类型所占比例计算出其加权平均有效氮含量，作为湖南省土壤有效氮含量的参考标准。经过计算得湖南省内土壤的平均供氮能力为18.38 千克/亩。

（2）湖南省各市土壤供肥能力。 根据《2014 湖南省农村统计年鉴》所提供的湖南省各市县耕地和园地面积，利用公式（2）和公式（3）可计算出湖南省各地市土壤供氮能力也和实际供氮量。 结果见表3。

表3 湖南省各市土壤供氮能力

3.每头当量生猪产氮系数d 的确定

试验在湖南省长沙市某养殖场进行，生猪产污系数试验选取养殖场1 周内出生的猪5 头。待样本选定后饲养1 周后再正式开始试验， 每天定时 （上午8：00±30 分钟）收集猪粪及猪尿并记录其产生量，每隔15 天左右对猪粪和猪尿中的TN 进行监测分析。

根据董红敏[4]等对畜禽养殖业产污系数提出的计算方法，畜禽产污系数的计算公式如下：

式中，FPi,j,k为单位畜禽生长周期内的产污系数，为千克/年；QFi,j为单位粪便产量，千克/天；CFi,j,k为畜禽第j 生产阶段粪便中含有第k 种污染物的浓度，毫克/千克或克/千克；T 为每次试验样品间隔的天数，单位为天。

通过对试验数据的分析和总结，得到湖南省生猪产氮系数为3.78 千克/头。 从湖南省目前畜禽养殖水平和养殖业减排措施情况看，湖南省畜禽养殖废弃物氮素的流失率为30%左右。 所以本研究d 取值为3.78×0.7 千克/头。

三、核算结果

近十年来全省的化肥施用量在逐年增加，2013年湖南省化肥施用量为248.19 万吨， 且当年的农作物总播种面积为3084.30 千公顷[5]。 按播种面积计算，湖南省2013 年平均化肥施用量达362.41 千克/公顷，远远超过了发达国家设置的225 千克/公顷的安全上限[6]。 沈根祥[7]等报道，上海市市郊畜禽粪便作为有机肥施用于农田占农村总肥源（含化肥）的20%～50%。王晓燕[8]等报道，北京市密云县各乡镇实际化学氮肥施用量占总肥源的比例为10%～30%。根据2014 年湖南省统计年鉴可知2013 年湖南省的化肥施用量为248.19 万吨，结合农业生产需肥量，得出目前湖南省化肥施用量占总量的45%左右， 即有机肥占比率为55%。 大量研究表明，施用有机肥不仅可以提高农作物的产量，增加土壤肥力，更能改善农产品品质[9-10]。因此，农田施用有机肥越来越引起人们的关注。 以湖南省化肥施用现状为基础，结合实际情况，分别研究有机肥占比率25%、40%、55%、70%、85%和100%情况下的承载力分析。利用公式（1）和相关参数，得到在农业生产过程中不同有机肥占比情况下的湖南省各地市畜禽承载当量见表4。

表4 湖南省各地市在不同情况有机肥占比下的生猪承载当量

1.有机肥施用量占总施肥量100%情况下的最大承载量分析

在农业生产过程中全部施畜禽废弃物作为肥源的理想状况下，此时得到的承载量即为当量猪的最大承载量。 从上表可看出，湖南省可承载当量猪的最大养殖量为348884831 头，其中畜禽养殖承载量最大的前5 个市依次为：常德市、永州市、衡阳市、岳阳市和益阳市。 当量猪承载量最少的为湘西自治州，仅1670562 头。 而当年的养殖量为2595862 头，已超出最大承载量，应进一步缩减饲养规模，减少畜禽养殖污染风险。

2.有机肥施用量占总施肥量55%情况下的最佳承载量分析

在有机肥施用量占总施肥量55%的情况下，即在当前施肥现状下，此时得到的承载量即为当量猪的最佳承载量。 湖南省可承载当量猪的最佳养殖量为191886655 头， 较2013 年养殖现状的仍有65146146头当量猪的容量。 从全省范围内畜禽养殖总量上看，目前湖南省的畜禽养殖量没有超出现有施肥水平下的环境承载量，对生态环境没有构成威胁，可见在保持化肥施用量占比不变的情况，畜禽养殖业从总量上说仍有一定的发展空间。 从各地市养殖情况来看，邵阳、张家界、怀化、娄底和湘西州这五个地市超出了现有的环境承载量。 应在严格控制畜禽养殖量的前提下，积极加强养殖场废弃物处理措施的建设与资源化利用，以缓解养殖量的增加带来的环境压力。

3.有机肥施用量占总施肥量70%和85%理想状况下的承载量分析

在有机肥施用量占总施肥量70%和85%的理想状况下，湖南省畜禽养殖容量很大，较当年养殖现状分别有117478872 头和169811598 头的养殖容量。在有机肥占比率提高的情况下，保持现有养殖状况对生态环境不会构成威胁，还可扩大饲养规模。 然而湘西州仍然超出了养殖容量， 应当严格控制饲养规模，合理规划出适养区、限养区和限养区，以控制畜禽养殖对环境的污染。

4.有机肥施用量占总施肥量25%和40%情况下的承载量分析

在有机肥施用量占总施肥量25%的情况下，湖南省可承载当量猪的养殖量为87221202 头， 此时已超出当年养殖现状39519307 头当量猪， 除了常德市外其他13 个地市均超出当地的养殖容量。 由此看来在保持有机肥占比率25%的情况下， 湖南省畜禽养殖业对生态环境会造成了一定污染。

在有机肥施用量占总施肥量40%的情况下，较2013 年养殖现状的还有有12813420 头的当量猪容量。 在保持有机肥占比率25%的情况下，从各地市养殖现状来看，湘潭、株洲、衡阳、岳阳、常德、益阳、永州这7 个地市仍有一定的发展空间，其他7 个地市应当控制饲养规模，减少畜禽养殖对环境的污染。

四、结论

1.湖南省畜禽废弃物的环境承载能力结果表明：随化肥施肥比例增加，畜禽废弃物的环境承载能力越来越弱。 在有机肥施用量占总施肥量100%的情况下，湖南省当量猪的最大承载量为34888.48 万头。 在有机肥施用量占总施肥量55%的情况下， 即在湖南省可承载当量猪的最佳养殖量为19188.66 万头、在有机肥施用量占总施肥量25%的情况下， 湖南省可承载当量猪的养殖量为8722.12 万头。 在加强畜禽废弃物的综合处理和资源化利用的同时，提高畜禽粪便等有机肥在农业生产需肥中所占比例，可增大湖南省畜禽废弃物的环境承载量。

2.综合湖南省目前的畜禽养殖业发展水平和农业生产肥料使用情况，在目前化肥施用总量约占农业生产施肥总量的45%的情况下， 湖南省畜禽养殖业从养殖总量上说仍有6514.6 万头当量猪的发展空间。 但是由于各地区发展情况不一致，出现个别地区目前的畜禽养殖量超过了环境的承载量，主要集中在邵阳、张家界、怀化、娄底和湘西州五个市。

[1]GBT 26622-2011 畜禽粪便农田利用环境影响评价准则[S].

[2]北京农业大学.《肥料手册》编写组.肥料手册[M].北京农业出版社，1979.

[3]湖南省农村统计年鉴：2014[M],中国统计出版社,2014.[4]董红敏,朱志平,黄宏坤等.畜禽养殖业产污系数和排污技术计算方法[J].农业工程学报,2011,27(1)：303～308.

[5]湖南省统计局.《湖南统计年鉴》[M].中国统计出版社,2014.

[6]张锋.中国化肥投入的面源污染问题研究-基于农户施用行为的视角[D].南京农业大学,2011.

[7]沈根祥,汪雅谷,袁大伟.上海市郊农田畜禽粪便负荷量及其警报与分级[J].上海农业学报，1994,(11)：18-21.[8]王晓燕,王一峋,蔡新广等.北京密云水库流域非点源污染现状研究[J]. 环境科学与技术. 2002,24：7-11.[9]徐明岗,李冬初,李菊梅等.化肥有机肥配施对水稻养分吸收和产量的影响[J].中国农业科学.2008,41(10)：3133-3139.

[10]徐阳春,沈其荣.有机肥和化肥长期施用对土壤及其不同粒级供氮特性的影响[J].土壤学报.2004,41(1)：87-92.