江苏省滨海地区畜禽养殖业合理规模及其承载风险

刘丽丽，张椿林，袁冯伟，李 强，张忠启，李建国,2

(1.江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116; 2.萨塞克斯大学全球研究院地理系，英国 布莱顿 BN1 9RH)

江苏滨海地区是典型的淤长型海岸，是中国东部少见的后备土地资源集中区。该区域具有滩涂面积广、滩地宽阔平缓、生态环境本底条件优良、环境容量不高等特点[1]。这一区域一直是中国滩涂围垦开发利用的主要区域。由于这一区域围垦土地资源丰富，土地成本低廉使江苏滨海地区逐渐成为畜禽养殖业主要集聚区域[2]。近年来，随着人民生活水平不断提高，人们对于鸡鱼肉蛋等畜禽产品的需求也在不断增加，畜禽养殖业的发展已经进入快速扩张期[3-7]。畜禽养殖的圈舍、粪便、尿液、废水以及病死畜禽是区域环境的主要威胁[8-12]。已有的报道显示，目前畜禽粪便释放已经占到中国非点源污染的90%以上[7]。江苏滨海地区养殖体量大，但小农经营多、配套设施不到位、空间分散、加之区域脆弱的本底环境与临海区位，相比内陆传统农业区更容易产生大范围的环境污染[13-15]。

测算滨海地区畜禽养殖业承载风险、优化畜禽养殖业规模是缓解其环境风险的首要工作[16]。畜禽养殖污染中，粪便与尿液的处理是关键。畜禽粪尿是农业有机肥的理想来源，因此将种植业与畜禽养殖相结合，形成种养结合的互惠发展模式一直是国内外解决畜禽养殖业发展过程当中环境问题的主要思路[17-21]。种养结合将畜禽养殖产生的废弃物引入耕地，根据区域耕地的保有量去约束区域畜禽养殖业发展规模，能够有效的缓解畜禽养殖带来的环境风险[22]。滩涂垦区土壤质量普遍低下，尤其氮磷含量偏低，影响农业产量。借助种养平衡的思路可以在有效降低畜禽养殖风险的基础上，提升土壤质量，达到共赢的局面。本研究通过选取2014年江苏滨海地区种植业与养殖业的主要数据，结合区域土壤主要有效养分数据，分析江苏滨海地区13个县(市、区)的畜禽养殖业承载能力及其风险，并在此基础上测算其畜禽养殖业的合理规模，为促进江苏滨海畜禽养殖业健康发展、降低畜禽养殖业环境风险，为滨海地区可持续发展提供信息参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

江苏沿海地区是中国主要的淤泥粉砂质海岸，根据2003年启动的“908”专项数据，江苏滩涂面积广阔，达到9.97×105hm2，占全国滩涂总面积的1/4强[23]。江苏滨海地区海岸线沿西北—东南走向，年降水量在1 000～1 200 mm之间，年平均气温介于13～16 ℃，属于亚热带—温带海洋性季风气候。人口密集，经济发达。江苏滩涂开发历史较为悠久，11世纪范公堤的建设就已经拉开了当时围垦开发的序幕。2009年《江苏省沿海地区开发规划》上升为国家战略，计划在2020前完成270万亩新滩涂的围垦开发工作，主要集中于江苏盐城的条子泥和南通的如东县。新时期，江苏滩涂围垦严格按照6:2:2的比例安排土地利用空间，即60%用于农业围垦、其余各20%用于工业与生态利用。本研究选取江苏省沿海13个县、区、市作为研究区，分别为赣榆区、连云港市区、灌云县、灌南县、响水县、滨海县、射阳县、大丰区、东台市、如东县、通州区、海门市和启东市。

2.2 方法及数据来源

区域畜禽养殖业合理承载规模的计算公式为：

T=S×C

(1)

式中:T为区域合理畜禽养殖规模(头猪当量)；S为区域种植业用地面积(hm2)，本研究为耕地与园地的面积之和；C为单位面积种植业用地合理承载规模(头猪当量/hm2)。

单位面积种植业用地合理承载规模C采用如下公式：

(2)

式中:D为区域种植业所需养分总量(t)，本研究为氮和磷；E为土壤地力，即区域土壤能够提供的氮磷总量(t)；I为一头猪每年排泄物中的氮磷含量(kg/a)，包括粪便和尿液，根据《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》确定，猪的排泄物中氮磷含量分别为4.51 kg/a和1.7 kg/a；S位区域种植业用地面积。

区域种植业所需养分总量D利用如下公式计算：

(3)

式中:Ai为研究区主要农产品i的总量(t)；Ei为农产品i所消耗的土壤氮磷养分(kg/100kg)，数据来源见表1。

区域土壤能够提供的氮磷总量E利用如下公式计算[19]：

(4)

式中:M为研究区实测有效氮磷的含量(mg/kg)，2.25为调整系数，将浓度单位换算成密度单位、∂为有效养分的校正系数，本研究采用曹连福等“3414”田间试验获得的土壤有效氮磷含量与校正系数之间的线性关系(公式5～6)[26]。

∂N=MN-0.7728×11.831

(5)

∂P=MP-0.9563×22.726

(6)

式中:∂N、∂P分别为有效氮磷的校正系数；MN、MP分别为有效氮与有效磷的实测值，本研究有效氮为铵态氮与硝态氮的总和，有效磷为速效磷含量。

本研究需要将不同畜禽种类统一换算成猪，即头猪当量。根据不同畜禽种类有机体氮磷含量确定不同畜禽种类与猪的转换系数[19](表1)。将区域当年统计的存栏头数和养殖数量除以对应的系数进而获得当年的标准头猪当量(头)(图1)。本研究选择各区县市2015年统计年鉴与农业统计年鉴，获得12种主要作物的产量与5种畜禽类型养殖数据(见表1)。土壤有效氮磷数据来源于研究区土壤志与中国土壤数据库数据(http://vdb3.soil.csdb.cn/)(表2)。

滨海地区畜禽养殖业承载风险指数，运用公式：

(7)

式中：R为滨海地区畜禽养殖承载风险指数；G为区域实际畜禽养殖规模(头猪当量)；T为区域合理畜禽养殖规模(头猪当量)。

2 结果与分析

2.1 区域作物生长养分需求总量

将研究区不同区域土壤氮磷需求总量进行加和获得江苏滨海地区氮磷需求总量分别为39.62万t和19.03万t。从图2和图3可以看出，江苏滨海地区东台市作物氮磷的需求量最高，2014年分别达到39 716.12 t和19 397.48 t。其次是大丰区，分别为36 007.16t与18 608.2 t。紧随其后的射阳县与连云港市区。海门市最低，分别为13 293.77 t与5 993.31 t，仅相当于东台市的30%左右。可以看出在养分需求上，种植业对N的需求要远远高于P的需求，N的需求约是P的需求的两倍。从区域上来看，江苏滨海地区中部的盐城市N与P需求最高，盐城滨海地区三县一区一市N、P需求总量分别达到159 669.19 t和78 863.97 t。其次是连云港市，分别为97 572.21 t和45 972.2 t。南通市最低，滨海地区种植业N和P的需求总量分别为83 812.55classt和38 555.95 t。盐城的东台市与大丰区是N、P需求最高的两个区域，主要是由于这两个地区种植业产量很高，特别是N、P消耗非常高的小麦、玉米、豆类、油菜籽、瓜类、薯类和水果产量都很高。以东台市为例，2014年上述农产品产量分别达到323 901 t、323 901 t、19 781 t、68 173 t、401 999 t、12 936 t和81 728 t，分别居江苏滨海地区第2、1、3、4、1、1、1位。

表1 研究区作物养分需求系数与畜禽当量系数(标准头猪当量)Table 1 Crop nutrient demand coefficients and livestock and poultry transforming coefficients in study area (standard pigs)

数据来源：养分需求系数来自于文献[24]，瓜类氮磷需求系数为黄瓜、冬瓜和西瓜的均值；家禽的当量转换系数来源于文献[25]。

Data sources: Nutrient demand ratio was from reference[24],of which, Melon's ratio was the mean value of cucumber, melon and watermelon; poultry's ratio was acquired from reference[25]

表2 研究区土壤有效氮磷含量与耕作面积Table 2 Available nitrogen, phosphorus contents in soil and cropland area in study area

注：耕地与园地面积来源于文献[27]。

Notes: The area of cropland and garden plot was obtained from reference[27].

图1 江苏滨海地区畜禽养殖业规模Fig.1 The scale of livestock and poultry breeding in Jiangsu's coastal areas

2.2 区域土壤养分供给水平

根据大量研究的结果，滨海滩涂区域土壤氮磷含量较低，而钾元素较丰富[28]。因此，本研究以氮和磷养分作为衡量区域土壤地力的标准。结果可以看出(图2、图3)，江苏滨海地区土壤氮磷供给的水平具有较为一致的规律性，这是因为从公式(4～6)可以看出，土壤养分的供给总量取决于土壤的有效养分含量和种植业面积，其中种植业面积占主导地位。因此，种植业面积大的区域，土壤氮磷供给总量水平也高(表2、图2和图3)。结果显示研究区土壤氮磷的供给总量分别为154 749.52 t和126 496.13 t，氮的供给总量略高于磷，其中盐城滨海地区的土壤养分供给总量最高，分别为77 326.76 t和67 258.04 t，其次是连云港，分别为47 731.72 t和36 656.4 t，南通最低。从不同的研究区来看，大丰区最高，氮磷供给总量分别为20 140.04 t和17 903.49 t，其次分别为东台市、连云港市区和射阳县，海门市最低，分别仅为4 573.84 t和3 502.7 t。

图2 畜禽养殖业N元素承载D为作物生长需N量；E为土壤供应N总量；CN为区域氮承载水平；TN为以N为标准的畜禽养殖合理规模(头猪当量)Fig.2 N element carrying capacity of livestock breeding industryD is the total amount N for crop growth; E is the total amount N supplied by soil; CN is the regional carrying capacity of N;TN is the reasonable scale of livestock breeding based on N (pig equivalent)

图3 畜禽养殖业P元素承载D为作物生长需P量；E为土壤供应P总量；CP为区域磷承载水平；TP为以P为标准的畜禽养殖合理规模(头猪当量)Fig.3 P element carrying capacity of livestock breeding industry D is the total amount P for crop growth; E is the total amount P supplied by soil; CP is the regional carrying capacity of P; TP is the reasonable scale of livestock breeding based on P(pig equivalent)

可以看出，研究区耕地面积最大的江苏滨海中部区域是种植业发展与土壤养分供给能力最好的区域，这也符合种植业发展与土肥资源匹配的一般规律。

2.3 区域畜禽养殖业合理承载能力与规模

从N角度来看，江苏滨海地区畜禽养殖业的平均承载力水平为21.75头猪当量/hm2(图2)，合理承载规模总量约为4 131万头猪当量。从不同城市的承载能力来看，南通市最高，平均约为30.63头猪当量/hm2，连云港市次之，为18.33头猪当量/hm2，盐城市最低，平均仅约为16头猪当量/hm2。从合理承载规模来看，盐城最高，约为1 825万头猪当量，连云港和南通分别为1 104和1 200万头猪当量。盐城较高的承载规模主要是区域耕地面积较大所致。从不同区县的承载能力来看，如东县最高，达到48.08头猪当量/hm2，主要是由于如东县规模较大的农业产量和快速淤长条件下的低土壤肥力造成的。其次分别是海门、启东和灌云县，分别约为31、24和23头猪当量/hm2。灌南县最低，仅约为9头猪当量/hm2。灌南县较低的畜禽养殖水平主要是由于灌南县地处淮、沂、沭、泗下游，河流常年冲淤形成肥沃的土壤，土壤肥力较高，在现有种植业产量的条件下对畜禽粪便的消纳能力较弱。高的承载能力使如东县的合理畜禽养殖规模约为492万头猪当量，在江苏滨海地区畜禽承载规模最大。盐城市的滨海县和射阳县的畜禽养殖可承载规模也都比较大，主要是由于滩涂垦区大面积的可利用耕地。

从P的角度来看(图3)，江苏滨海地区畜禽养殖业的承载能力要低于N，平均约为14头猪当量/hm2，其中南通承载能力最高，平均约为24头猪当量/hm2，连云港次之，约为9头猪当量/hm2，盐城最低，仅为6头猪当量/hm2。这主要是由于盐城位于江苏滨海滩涂淤长最快的中部区域，耕地面积大，农业产量高，农业与土肥匹配较好。从承载规模上看，江苏滨海地区畜禽合理承载规模约为2 170万头猪当量，其中南通承载规模较高，达到940万头猪当量，盐城次之，为682万头猪当量/hm2，而连云港畜禽养殖承载规模平均约为548万头猪当量。从不同区县的承载能力上看，如东县也最高，达到46头猪当量/hm2，是排名第二的海门市的两倍(约为23头猪当量/hm2)，而大丰区和灌南县最低，约为1.5头猪当量/hm2左右。这两个区县相近的畜禽养殖承载能力原因不尽相同：灌南县低的承载能力与其较高的土壤肥力有关，而大丰区则是由于较为合理的种植业与土肥资源耦合状况决定的。从不同区县的承载规模上看，如东县最高，达到476万头猪当量，其次是灌云县，约为257万头猪当量，灌南县最低，仅约为29万头猪当量。

2.4 区域畜禽养殖业承载风险

借助公式(7)计算江苏滨海各个区县的畜禽养殖业承载风险指数，并导入ArcGIS 10.2软件采用快速聚类方法出图(图4)。高的风险指数意味着区域过大的畜禽养殖业规模和环境污染风险。从图4可以看出，由于江苏滨海较高的N富集的承载能力(种植业消耗较大)，所以研究区畜禽养殖业N污染风险不高，最高的为灌南县和启东市，仅为0.56，最低的是如东县，仅为0.05。而研究区畜禽养殖业P污染的风险较高，特别是大丰区和灌南县，分别达到4.07和2.07，这意味着这两个地区畜禽养殖规模已经严重超出区域的P承载能力，具有非常严重的P释放风险。同时赣榆区和东台市P污染风险指数都超过了1，分别达到1.14和1.36，也需要加强畜禽养殖业的管控。

图4 江苏滨海地区畜禽养殖业污染风险Fig.4 Pollution risk of livestock breeding industry in Jiangsu's coastal areas

3 讨 论

3.1 江苏沿海地区畜禽承载能力及其合理规模

江苏滨海地区畜禽养殖业承载能力约为22头猪当量/hm2(以N计)和14头猪当量/hm2(以P计)，合理承载规模分别为4 131万头猪当量(以N计)和2 170万头猪当量(以P计)。基于污染物防控的基本原则——“木桶效应”，研究区实际畜禽承载能力与合理规模应分别为14头猪当量/hm2和2 170万头猪当量，这在中国东部区域处于相对偏低的水平[19-20，29]。邱岳丰等[19]在杭州市的研究表明，杭州市畜禽养殖的承载能力在18头猪当量/hm2左右；而武兰芳等在山东禹城的研究发现，禹城的畜禽养殖承载能力也约为14头猪当量/hm2左右[20]。但相比于中国中西部地区的畜禽承载能力要高出许多，湖南桃源的研究发现，当地的畜禽养殖承载能力仅为9头猪当量/hm2左右[19]，主要是由于西部地区较低的农业产量降低了区域粪便承载的上限所致。江苏滨海地区畜禽养殖承载能力比欧盟规定的阈值47头猪当量/hm2(即80 kg P/(hm2·a)要低很多[30]，显然这一阈值的设置不适用于江苏滨海滩涂区域。从研究区不同区县的畜禽养殖承载能力来看，以N和P为标准获得的较为结果一致，如东县、灌云县和海门市三个区域都具有较高的承载能力。虽然研究区畜禽养殖具有较低的承载能力，但是具有非常大的提升潜力。主要是因为江苏滨海地区是中国主要的淤长型滩涂的集中区，每年新增近万亩滩涂，随着围垦的进一步深入，研究区逐渐兴起的盐土农业与绿色农业必将促使有机肥料需求的进一步增加，有助于滨海地区畜禽养殖业承载能力的增加。

4.2 江苏沿海地区畜禽养殖业污染风险

江苏滨海地区畜禽养殖的低承载力意味着高的面源污染风险。江苏滨海地区是江苏省畜禽养殖最为集中的区域[2]。滨海地区较高的畜禽养殖承载潜力并不意味着未来要通过农业经营与施肥手段去提高研究区的畜禽养殖承载能力。相反，江苏滨海地区作为低环境容量、污染物高扩散风险的海-陆过渡地带，是中国重要的畜禽养殖重点防治区。按照2012年颁布的《全国畜禽养殖污染防治“十二五”规划》，江苏属于全国16个禽养殖污染防治重点区域，而滨海地区大量存在的养殖专业户和畜禽散养密集区域是需要重点关注的治理单元。因此，江苏滨海地区应该通过规范养殖方式、约束养殖空间，通过规模化、专业化与生态化养殖的方式优化养殖规模，降低养殖的环境风险。目前，研究区畜禽养殖的P的风险较高，大丰、东台、灌南和赣榆都已出现超载的问题，应该严格控制这些区域的畜禽养殖规模。本研究还没有将化学肥料添加的影响进行考虑，如果再考虑到滨海地区农户接近1 500 kg/(hm2·a)的化学肥料施用量，根据朱兆良先生建议的150～240 kg/hm2化肥添加的面源污染触发阈值[31]，可以预见，除了以上4个县区之外，其他县区也可能有较为严重的畜禽养殖环境风险。而随着社会对畜禽产品需求的进一步增加，这一风险将更加明显。将研究区2014年的实际畜禽承载规模换算成N、P污染负荷，分别达到46.07和44.5 kg/hm2，与全国的平均水平相比(43.73 kg N/(hm2·a)、9.16 kg P/(hm2·a)[4]，江苏滨海地区畜禽养殖N和P负荷要高，特别是P。同时，江苏滨海地区畜禽养分污染负荷也要高于江苏省的畜禽养殖氮磷负荷平均水平(40.5 kg N/(hm2·a)和18. 4 kg P/(hm2·a)[32]。江苏滨海地区土壤肥力较低(图5)，这与传统农区275 kg/hm2左右的供肥能力相比差距很远[33]。研究区当地农户多通过大量的化学肥料添加来维持区域农业产量，一方面加速土壤发生酸化、板结；另一方面导致畜禽粪便利用率不高，面源污染风险高，污染严重。滨海地区土壤质量低下，而有机肥(畜禽粪便)相比于化学肥料具有更好的土壤改良效果。中国计划在2020年左右达到农田化肥使用量零增长，在这一政策驱使之下，通过调整有机肥(畜禽粪便)与化学肥料的施用比例，进而可以更好的形成种养平衡体系[34-36]，在促进滨海地区土壤质量提升的同时，最大限度的降低畜禽养殖发展带来的环境风险。

图5 江苏滨海地区土壤单位供肥能力Fig.5 Unit fertilizer supplying capacity of soil in Jiangsu's coastal areas

4 小 结

(1)江苏滨海地区氮磷需求总量分别为39.62万t和19.03万t。其中东台市氮磷的需求量最高，海门市最低。

(2)江苏滨海地区土壤氮磷的供给总量分别为15.47万t和12.65万 t，氮的供给能力略高于磷。大丰区最高，海门市最低。

(3)江苏滨海地区畜禽养殖业承载能力约为22头猪当量/hm2(以N计)和14头猪当量/hm2(以P计)，合理承载规模分别为4131万头猪当量(以N计)和2170万头猪当量(以P计)。研究区实际畜禽承载能力与合理承载鬼母应分别约为14头猪当量/hm2和2170万头猪当量，这在全国处于较低的水平。如东县、灌云县和海门市三个区域畜禽承载水平较高，灌南县最低。

(4)江苏滨海地区畜禽养殖业N污染风险不高，P污染风险很高。大丰区和灌南县畜禽养殖规模已经严重超出区域的P承载能力，具有非常严重的P释放风险。赣榆区和东台市P污染风险指数都超过了1，也需要加强畜禽养殖业的管控。