基于养分平衡的有机肥替代化肥潜力估算

路国彬 王夏晖

（环境保护部环境规划院，北京 100012）

基于养分平衡的有机肥替代化肥潜力估算

路国彬 王夏晖

（环境保护部环境规划院，北京 100012）

为畜禽粪肥替代化肥的可行性提供理论依据，本研究通过构建畜禽粪肥替代化肥潜力的估算模型，并对畜禽粪肥替代化肥的潜力进行了估算；结果表明：2014年，畜禽粪肥可替代氮肥、磷肥、钾肥的潜力分别为1 186.78万吨、806.41万吨和1 169.25万吨，分别占当年实际化肥施用量的38.30%、52.00%、86.77%；我国不同地区畜禽粪肥可替代化肥潜力的差异较大，河南、四川、山东、湖南和湖北畜禽粪肥替代化肥潜力排在前五位，京津冀、长三角、珠三角和长江经济带的部分地区替代潜力较大；不同畜禽粪肥中养分元素含量也存在一定差异，猪粪尿对钾肥的替代潜力较大，鸡粪对氮肥和磷肥的替代潜力较大。

养分平衡；有机肥；化肥；潜力；估算

农业污染已经成为继城镇生活污染的第二大污染源。数据显示，2014年，农业源COD、NH3-N排放量分别为1 102.4万吨和75.5万吨[1]，分别占全国污染物排放总量的48.04%和31.66%，其中，畜禽养殖源COD、NH3-N排放量分别占农业源排放量的95%和77%[2]。“十二五”期间，我国化肥施用量持续增长，到2014年达到5 996.6万吨[3]，创2010年以来的新高，化肥施用强度严重超过安全限值。为促进化肥减量、推进有机肥合理利用，国家制定出台了一系列政策措施。本文基于养分平衡原理，初步构建畜禽粪肥替代化肥潜力的估算模型，并对畜禽粪肥替代化肥的潜力进行了试算，以期为有关部门制定相应政策和有关企业开展畜禽粪污资源化利用工作提供参考。

1 材料与方法

本研究的畜禽指猪、牛、家禽，均以存栏量统计粪污排放量。畜禽养殖量数据来源于《中国畜牧兽医年鉴（2015）》，化肥施用量（折纯量）来源于《中国统计年鉴（2015）》。畜禽粪肥可替代化肥的估算模型如下：

以上公式中，W：畜禽粪肥可替代化肥量（折纯量），吨；Wi：i类畜禽粪肥可替代化肥量（折纯量），吨；Mi：i类畜禽鲜粪量，吨/年/头；Ni：i类畜禽尿含量，吨/年/头；Pmi：i类畜禽粪含N（P/K）率，%；Pni：i类畜禽尿含N（P/K）率，%；α：沼肥中N（P/K）收集常数，沼气工程中，每年每头（只）畜禽粪便的氮、磷、钾的收集率分别为95%、90%、95%。

畜禽粪尿中养分含量见表1[4]。

2 结果

2.1 畜禽粪尿产生情况分析

据计算，2014年，全国猪、牛、家禽粪尿产生总量超过20多亿吨，其中粪、尿产生量分别约为13.68亿吨和6.37亿吨。从不同地区来看，河南、四川、湖南、山东和云南粪尿产生量排在全国前五位，分别达到1.92亿吨、1.91亿吨、1.36亿吨、1.28亿吨和1.13亿吨，合计约占全国粪尿产生总量的38%，五省产生粪尿的主要畜禽皆为生猪。京津冀、长三角、珠三角粪尿产生量分别为1.03亿吨、0.88亿吨和0.79亿吨，分别占全国畜禽粪尿产生量的5.14%、4.39%和3.94%。长江经济带粪尿产生量为8.69亿吨，占全国畜禽粪尿产生总量的43.34%，其中四川、湖南、云南排在全国前五位。从不同畜禽来看，猪粪尿产生量最多，达到9.78亿吨，占畜禽粪尿产生总量的48.78%；其次为牛粪尿，禽粪产生量最小，仅占畜禽粪尿产生总量的16.16%。这说明我国畜禽粪尿产生量呈明显区域特征，且重点区域间也存在明显差异；全国畜禽粪尿主要贡献源为生猪，全国各地区间基本一致。

表1 畜禽粪尿中养分含量 （%）

2.2 不同地区畜禽粪肥替代化肥潜力分析

全国产生的畜禽粪肥每年可以替代氮肥、磷肥和钾肥分别为1 186.78万吨、806.41万吨和1 169.25万吨，不同地区产生的畜禽粪肥替代化肥潜力见表2。从表2可以看出，河南产生的畜禽粪肥替代化肥潜力最大，达到323.18万吨，占可替代化肥总量的10.22%，其次为四川、山东、湖南和湖北，分别占全国可替代化肥总量的8.77%、7.55%、6.61%和5.24%。重点区域中，京津冀、长三角、珠三角的河北、江苏、广东产生的畜禽粪肥替代化肥潜力较高，分别占全国可替代化肥总量的5.03%、3.72%和4.51%；长江经济带产生的畜禽粪肥替代化肥潜力为1 354.54万吨，约占全国可替代化肥总量的42.83%，其中，四川、湖南、湖北、云南产生的畜禽粪肥替代化肥潜力较大，合计约占长江经济带可替代化肥潜力的60%。说明不同地区间畜禽粪肥替代化肥潜力存在差异，重点区域间及重点区域内不同地区间畜禽粪肥替代化肥潜力差异也较为明显。

表2 不同地区粪肥可替代化肥潜力 （万吨）

2.3 不同畜禽替代化肥潜力分析

不同畜禽粪尿可替代氮肥、磷肥和钾肥等化学肥料潜力见表3。由表3可知，猪粪尿中养分含量可替代化肥潜力最大，占到可替代化肥潜力的40.45%，其次为家禽粪，牛粪尿中养分含量较低。从可替代的三种化学肥料来看，畜禽粪尿可替代氮肥和钾肥的潜力较大，分别占总替代化肥潜力的37.53%和36.97%；猪粪尿中钾肥含量较高，占可替代钾肥潜力的55.24%，家禽粪中氮肥和磷肥含量较高，分别占可替代氮肥和磷肥总量的42.23%和55.62%，牛粪尿中三种肥料含量均较低。说明不同畜禽粪肥中养分含量不同，猪粪、家禽粪中养分含量较大，但对于单一养分贡献率，不同畜禽间又存在一定差异。

2.4 畜禽粪肥替代能力与化肥实际施用对比分析

据统计，2014年，全国化肥施用总量为5 996.6万吨，将复合肥按含氮、磷、钾养分比例折算后，氮肥、磷肥、钾肥施用分别为3 098.37万吨、1 550.77万吨和1 347.47万吨，分别占化肥总施用量的 51.67%、25.86%和22.47%；从各地区来看，化肥施用排在前五位的依次为河南、山东、湖北、安徽、河北，合计占全国总施用量的36.68%。从单位耕地面积化肥施用量来看，2014年全国化肥施用强度为443.63 kg/公顷，明显高于225 kg/公顷的最高限值，其中，单位面积化肥施用量在最高限值以上的有25个省，占全部省份的80%以上；单位面积化肥施用量最大的为广东，达到952.02 kg/公顷，其次为福建、河南、江苏、海南，化肥施用强度均在680 kg/公顷以上；重点区域中，京津冀、长三角、珠三角、长江经济带化肥使用强度均在最高限值以上。

据测算，2014年全国畜禽产生粪尿可替代氮肥、磷肥、钾肥潜力总和为3 162.44万吨，占化肥实际投入量的52.74%，其中，畜禽粪肥替代氮肥、磷肥、钾肥占实际施用量的比例分别为38.30%、52.00%和86.77%。从各地区来看，畜禽粪肥替代潜力高于化肥实际施用量的有辽宁、四川、青海和西藏四省，占全国地区总数的12.90%；畜禽粪肥替代潜力占化肥实际施用量比例高于全国均值的有北京、天津、上海、江西、湖南、广东、广西、海南、重庆、贵州、云南和甘肃，占全国地区总数的38.71%。从可替代的不同肥料来看，畜禽粪肥替代潜力高于氮肥、磷肥、钾肥实际施用量的地区分别有2个、4个和14个，分别占全国地区总数的6.45%、12.90%和45.16%；畜禽粪肥替代潜力占氮肥、磷肥、钾肥实际施用量比例高于全国均值的地区分别有14个、14个和1个，分别占全国地区总数的45.16%、45.16%和3.23%。

3 讨论

改革开放以来，随着粮食产量的逐年增长，我国13亿人口的温饱问题基本得到解决，但随之而来的是化肥等农业投入品使用量的急速上升，给粮食安全、生态环境造成了严重威胁。根据世界粮农组织（FAO）数据，目前世界平均每公顷耕地化肥施用量约120 kg，美国为110kg，德国为212 kg、日本为270 kg、英国为290 kg、荷兰为623kg，我国的单位耕地面积化肥施用量为444kg，仅比荷兰低[5]。赖力等[6]对1990—2005年我国化肥施用的环境成本分析表明，化肥施用对环境的影响比较显著，且呈东强西弱的态势，与本研究结果基本一致。栾江等[7]对我国化肥施用量持续增长的原因分析发现，化肥施用强度的增长是化肥施用总量增长的主因，但从2007年以来，施用强度的贡献不断下降，播种面积调整的贡献有所提高。杨帆等[8]对我国种植业化肥施用状况的分析表明，粮食作物化肥施用量占种植业化肥施用总量的50.6%，但经济、园艺作物单位面积化肥施用量大于粮食作物，春耕、夏播、秋冬种化肥施用量分别占全年化肥施用量的34.2%、35.6%、30.2%。化肥施用量的持续增长给水体、土壤等环境带来一系列问题。随着经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，人们对食品的要求已不再满足于吃饱，食品安全越来越受到国家和人民群众的重视。为遏制化肥施用持续增长的势头，《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》中提出实施化肥零增长行动，并制定出台了《到2020年化肥施用量零增长行动方案》，提出推进种养结合、增施有机肥是实施化肥减量行动的有效手段之一。

表3 畜禽粪尿可替代化肥潜力 （万吨）

据行业统计，全国每年产生38亿吨畜禽粪污，综合利用率不到60%。畜禽粪尿本身不是废物，其本身含有大量N、P、K等营养物质，自古以来人们就有施粪于田的习惯。2014年，全国产生的畜禽粪肥可以替代氮肥、磷肥和钾肥分别为1 186.78万吨、806.41万吨和1 169.25万吨，分别占当年实际化肥施用量的38.30%、52.00%和86.77%，说明钾肥的替代潜力较大，其次为磷肥，而氮肥的替代潜力仅为三分之一。总体来看，辽宁、四川、青海和西藏四省产生的畜禽粪肥替代化肥潜力高于实际化肥施用量，可以重点推进畜禽粪肥替代化肥行动。从单一肥料来看，除青海和西藏外，北京和辽宁磷肥替代潜力高于实际施用量，北京、天津、辽宁、上海、浙江、江西、湖南、重庆、四川、贵州、云南和甘肃钾肥替代潜力高于实际施用量，在这些地区可以逐渐推进畜禽粪肥对氮肥、磷肥或钾肥的替代施用，并逐步降低化肥的施用量，在有条件的地区，可以开展畜禽粪肥对化肥的完全替代示范。同时，根据不同畜禽粪肥中养分元素含量的不同，如猪粪尿中钾元素含量高、鸡粪尿中N和P元素含量高的特点，在对地方耕地土壤营养元素需求测定的基础上，开展有机肥配方研制，推进有机肥的生产和使用，达到降低化肥和畜禽养殖污染的目的。本研究是以猪、牛、家禽等三类畜禽的存栏量为基础数据开展的畜禽粪尿替代化肥潜力估算，其计算结果势必比实际情况小，所以畜禽有机肥研制与使用潜力巨大。

4 结论

当前，我国化肥投入量大，造成较严重的污染问题，除部分省区外，全国80%以上的地区单位面积化肥施用量严重超标，同时，畜禽粪肥未被有效利用，也造成严重的污染问题。本文的研究结果表明，畜禽粪肥对钾肥的替代潜力最大，其次为磷肥，氮肥替代潜力仅为三分之一左右；不同地区畜禽粪肥可替代化肥潜力差异较大，河南、四川、山东、湖南和湖北畜禽粪肥替代化肥潜力排在前五位，京津冀、长三角、珠三角和长江经济带的部分地区替代潜力较大；不同畜禽粪肥中养分元素含量也存在一定差异，猪粪尿对钾肥的替代潜力较大，鸡粪对氮肥和磷肥的替代潜力较大。建议开展有机肥配方研制，推进有机肥的生产和使用，在有条件的地区，可以开展畜禽粪肥对化肥的完全替代示范。

[1]环境保护部.全国环境统计公报(2014年)[EB/OL].http://zls. mep.gov.cn/hjtj/qghjtjgb/201510/t20151029_315798.htm. 2015-10-29.

[2]国家统计局.中国环境统计年鉴[M].北京:中国环境年鉴社, 2015.

[3]国家统计局.中国统计年鉴—2015[EB/OL].http://www.stats. gov.cn/tjsj/ndsj/2015/indexch.htm.

[4]李书田,刘荣乐,陕红.我国主要畜禽粪便养分含量及变化分析[J].农业环境科学学报,2009,28(1):179-184.

[5]张智峰,张卫峰.我国化肥施用现状及趋势 [J].磷肥与复肥, 2008,23(6):9-12.

[6]赖力,黄贤金,王辉,等.中国化肥施用的环境成本估算[J].土壤学报,2009,46(1):63-69.

[7]栾江,仇焕广,井月,等.我国化肥施用量持续增长的原因分解及趋势预测[J].自然资源学报,2013,28(11):1869-1878.

[8]杨帆,孟远夺,姜义,等.2013年我国种植业化肥施用状况分析[J].植物营养与肥料学报,2015,21(1):217-225.

S811.5

A

1673-4645(2016)11-0015-04

2016-09-26

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2015ZX07103-007）

路国彬，河北容城人，工程师，主要研究方向：农业环境保护；E-mail：lugb@caep.org.cn