基于氮平衡的公安县畜禽养殖分析

夏艳阳，雷书彦，张 智，吴 超，汪 冉，左 璐

(1.湖北省农业科学院 农业经济技术研究所，湖北 武汉 420111；2.农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北 武汉 420111)

近年来，随着种植业和养殖业规模化、集约化发展程度的不断提高，“种养脱节、农牧分离”现象凸显，造成资源浪费和环境污染。同时，日趋严峻的种养不协调对环境的影响也被学术界广泛热议。一方面，养殖规模过大会对环境产生一定影响。随着现代畜牧业的发展，养殖方式已经由传统的散养模式向集约化、规模化模式转变，导致大量畜禽粪便在固定区域内集中产生[1]，不利于处理。未经有效利用的粪污直接排入水体，导致富营养化[2-6]。另一方面，种植规模过大对环境也有一定的影响。集约化种植导致化肥施用过量，促使土壤酸化、板结，破坏土壤结构[7]。当前，超过一半以上的湖泊处于富营养状态，其主要原因是农业化肥投入量过多[8]。因此，加强区域种植、养殖结构的合理规划，使区域内农业发展实现种养结构合理，减少农业污染，促进农业绿色发展，就显得十分重要和迫切。针对当前形势下的不同区域开展畜禽养殖环境承载力估算与评价，国内学者已开展了探索性研究[9-15]。但多参照过去氮养分平衡学说，以耕地氮总需求量减去实际畜禽养殖排泄氮总量，来计算区域内畜禽养殖环境承载力，较少考虑化肥及秸秆还田对农作物生长氮的供给量，造成区域畜禽养殖环境承载力估算偏大。

公安县地处洞庭湖水系敏感区，位于湖北省“两圈两带”战略格局中长江经济带和鄂西生态文化旅游圈的交接地带，承担着沟通长江和洞庭湖水系、调蓄长江水量的重要生态功能，属重度敏感区。如该区域受畜禽污染影响，会严重威胁洞庭湖流域的生态安全。基于此，本研究以《公安县统计年鉴2017》为基础，对区域内作物生长对氮养分的需求量、区域内化肥使用为作物生长提供的氮养分供给量、秸秆还田为作物生长提供的氮养分供给量、畜禽养殖环境承载力进行估算分析，采用修正后的氮养分平衡法评价畜禽养殖污染风险，为公安县乃至华中地区种养结构优化提供量化、科学、客观的判断依据，为农业生态循环发展提供重要参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域种养殖概况

公安县位于湖北省中南部、江汉平原南部、长江中游南岸，隶属荆州市。公安县辖埠河镇、斗湖提镇等16 个乡镇，是全国重点粮、棉、油生产基地。同时，公安县又是典型的畜牧大县，连续10 a为全国生猪调出大县。

如表1所示，2016年公安县农用地面积约163 970 hm2，主要种植作物有水稻、小麦、油菜、棉花等。其中，稻谷产量最高，为494 160 t，其次是蔬菜，产量为395 539 t；2016年公安县施用含氮化肥中，尿素94 995 t、复合肥54 455 t。

表1 2016年公安县各乡镇农用地面积、主要作物产量及化肥施用量

续表1 2016年公安县各乡镇农用地面积、主要作物产量及化肥施用量

注：数据来源于《公安县统计年鉴2017》[17]，下同。

Note:Data fromStatisticalYearbookofGonganCounty2017[17]，the same below.

如表2所示，公安县畜禽养殖以生猪、肉牛、肉羊、蛋鸡等为主，以存栏量计，2016年共有生猪1 185 000 头，肉牛3090 头，肉羊16 856 头，蛋鸡753.34 万羽、肉鸡20.70 万羽。根据农业农村部《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16]，主要畜禽的猪当量转换系数为100头猪相当于15 头奶牛、30 头肉牛、250 只羊、2 500 只家禽。可计算出2016年公安县畜禽养殖为1 503 378头(猪当量)。

表2 2016年公安县各乡镇养殖规模

1.2 研究方法

本研究在前人研究结果[18-21]和农业农村部《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16]的基础上，对氮养分平衡法进行了改进，考虑了化肥施用、秸秆直接还田对畜禽养殖环境承载力的影响。本研究假设所有畜禽粪污实现区域内就地消纳，作物生长对氮养分的需求量等于化肥施用、秸秆直接还田和畜禽粪污还田的氮养分的供给量，不考虑过量氮养分径流进入水体的情况，由此计算出畜禽养殖环境承载力。

首先，计算区域内作物生长对氮养分的需求量，公式如下：

(1)

式中，D为作物生长对氮养分的需求量(t)；Gj为第j类农产品年总产量(t)，Hj为第j类作物每100 kg产量氮需求量(kg)，数据来自于2018年农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16](表3)。

表3 主要作物每100 kg产量氮养分需求量

其次，计算区域内化肥施用为作物生产提供的氮养分供给量，公式如下：

(2)

式中，O为区域内化肥施用为作物生长提供的氮养分供给量(kg)；Fi为第i类化肥的年总施用量(kg)；Ki为第i类化肥的氮含量(%)；2016年公安县使用的尿素中氮含量，取46%，复合肥中氮含量介于13%～16%(取14.5%)，Ui为第i类化肥施用后的氮养分当季利用率(%)，褚明辉等[20]研究表明，当前我国作物生长氮养分当季利用率仅为33%。

秸秆还田为作物生长提供的氮养分供给量，公式如下：

(3)

式中，Y为区域内秸秆还田为作物生长提供的氮养分供给量(t)；Gj为第j类农产品的年总产量(t)；Rj为第j类农作物的草谷比系数，Lj为第j类单位农作物秸秆产量中的氮含量(%)，目前公安县还田秸秆包括稻谷、玉米、小麦、大豆秸秆等，而关于草谷比与秸秆含氮量系数的测算，国内进行了大量研究，本研究选择采用毕于运[22]的成果研究(表4)；Aj为第j类农作物秸秆还田比例(%)，公安县由于受气候、土壤等条件的影响，秸秆还田后不易腐烂，需采用大型机械进行深翻填埋才能不影响下茬作物生长，由于当前的秸秆还田机械普及率不高，总秸秆还田比例只有40%；Mj为第j类秸秆直接还田后的氮养分当季利用率(%)，据黄显雷[21]研究表明，秸秆还田氮养分当季利用率为10%～20%，本研究取15%。

表4 主要农作物草谷比与秸秆含氮量系数

最后，计算区域内畜禽养殖环境承载力，公式如下：

N=(D-O-N)×R/(S×B×E)

(4)

式中，N为区域内畜禽养殖环境承载力(头/hm2)(猪当量)；D为区域内作物生长对氮养分需求量(kg)，O为区域内化肥施用氮养分供给量(kg)；N为区域内秸秆还田氮养分供给量(kg)；R为施肥供给占比，根据2018年农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16]，R值为45%；S为农用地面积(hm2)，B为每头猪当量的产氮系数(kg/头)，根据2018年农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16]，B值为7 kg/头；E为畜禽粪便还田后的氮养分当季利用率(%)，根据2018年农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16]，E值为25%。

单位面积畜禽养殖污染负荷公式如下：

A=M/(S×f)

(5)

式中，A为单位面积畜禽养殖污染负荷(kg/hm2)；M为畜禽养殖污染负荷(kg)；S为农用地面积(hm2)，f为粪肥比例系数，根据2018年农业农村部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[16]，f值为50%。

本研究引入畜禽养殖污染风险，评价各乡镇当前单位面积农用地实际承载畜禽量，相对于单位面积农用地畜禽环境承载力的饱和程度，公式如下：

(6)

式中，PI为畜禽养殖污染风险；L为单位面积农用地实际承载畜禽量(头/hm2)(猪当量)；C为单位面积农用地畜禽环境承载力(头/hm2)(猪当量)。当01时，说明畜禽实际养殖量超出畜禽环境承载力上限，会对当地生态环境造成一定影响。

2 结果与分析

2.1 氮养分需求量与供给量

2.1.1 区域内农作物生长的氮养分需求量 根据公式(1)，结合表1、3，估算出公安县农作物生长的氮养分总需求量为26 183 t。由于公安县各乡镇种植作物品种和面积不同，导致各乡镇农作物生长对氮养分需求量也不一样。从空间分布来看，全县16个乡镇中，斑竹垱镇、章庄铺镇、毛家港镇作物生长的氮养分需求量分别为2 166 、2 120 、2 111 t，占总量的8.27%、8.10%、8.06%，为氮养分需求量前3位(图1)。

图1 公安县不同乡镇作物生长的氮养分需求量

2.1.2 区域内化肥施用为作物生长提供的氮养分供给量 根据公式(2)、表1估算出全县化肥施用为作物生长提供的氮养分供给量为17 068 t，从空间分布来看，全县16个乡镇中，毛家港镇、夹竹园镇、斑竹垱镇化肥施用为作物生长提供的氮养分供给量分别为1 719、1 559、1 457 t，占总供给量的10.07%、9.13%、8.54%，是化肥施用为作物生长提供的氮养分供给量的前3位(图2)。

图2 公安县不同乡镇化肥施用为作物生长提供的氮养分供给量

2.1.3 秸秆还田为作物生长提供的氮养分供给量 根据公式(3)，结合表1估算全县秸秆还田氮养分供给总量为375 t，其中，章庄鋪镇、埠河镇分别为32、30 t，分别占总量8.53%、8.00%，为秸秆还田为作物生长提供的氮养分供给量的前2位(图3)。

图3 公安县不同乡镇秸秆还田为作物生长提供的氮养分供给量

2.2 畜禽养殖环境承载力

根据公式(4)，估算出公安县畜禽养殖环境承载力为2 307 464头(猪当量)，单位面积畜禽环境承载力为11.56 头/hm2(猪当量)，而公安县实际养殖量为1 503 378头(猪当量)，单位面积实际畜禽量为9.17头/hm2(猪当量)(表2)。根据图4将全县16个乡镇分为3个层次：孟家溪镇、藕池镇、杨家厂镇3 个乡镇畜禽养殖环境承载力处于20.00～30.00头/hm2(猪当量)，最高达到21.48头/hm2(猪当量)；章庄铺镇、南平镇、埠河镇、章田寺乡、狮子口镇、麻豪口镇、黄山头镇、斑竹垱镇、夹竹园镇9 个乡镇畜禽养殖环境承载力处于10.00～20.00头/hm2(猪当量)；毛家港镇、闸口镇、斗湖堤镇和甘家厂乡的环境承载力偏低，畜禽养殖环境承载力处于10.00头/hm2(猪当量)以下。

图4 公安县不同乡镇畜禽养殖环境承载力及单位面积实际畜禽量

2.3 畜禽养殖污染量

根据公式(5)得到公安县2016年单位耕地畜禽养殖污染量为125.77 kg/hm2。根据图5，将公安县16个乡镇分为2个层次：孟家溪镇、杨家厂镇、夹竹园镇畜禽养殖污染量分别为226.06、183.88、179.65 kg/hm2，以上乡镇均超出了欧盟限制标准(170.00 kg/hm2)[25]；其他乡镇畜禽养殖污染量均在欧盟限制标准以下，以狮子口镇最低，为60.09 kg/hm2。

2.4 畜禽养殖污染风险

根据公式(6)计算得到公安县畜禽养殖污染风险为0.79，说明公安县整体畜禽养殖风险较低，但各乡镇畜禽养殖污染风险状况差别显著，介于0.31～7.69。其中，夹竹园镇畜禽养殖污染风险最高，达到7.69，存在严重风险，闸口镇、斗湖提镇畜禽养殖污染风险分别为1.85、1.70，均存在较高风险，其他乡镇畜禽养殖污染风险均小于1.00，风险较小(图6)。

图5 公安县不同乡镇畜禽养殖污染量

图6 公安县不同乡镇畜禽养殖污染风险

3 结论与讨论

3.1 公安县畜禽养殖环境承载力分析

2016年公安县单位面积畜禽环境承载力为11.56头/hm2(猪当量)，单位面积实际畜禽量为9.17头/hm2(猪当量)，小于单位面积畜禽养殖环境承载力，环境压力较小，与国内外相比，单位面积畜禽环境承载力相对较低。邱乐丰等[14]研究表明，杭州市畜禽养殖环境承载力为18.20头/hm2(猪当量)；武兰芳等[23]根据分平衡理论，分析得到山东禹城耕地年最大畜禽养殖环境承载力为13.80头/hm2(猪当量)；湖南桃源畜禽养殖环境承载力为14.60头/hm2(猪当量)；PENG等[24]研究表明，福建莆田市农用地年最大畜禽养殖环境承载力为14.97头/hm2(猪当量)；欧盟国家畜禽养殖环境承载力相当于37.69头/hm2(猪当量)[25]。从以上可知，公安县畜禽养殖环境承载力相对于国内和国外均处于较低水平。主要原因如下：一方面，国外发达国家普遍使用有机肥而化肥用量较少，因此畜禽养殖环境承载力较高；另一方面，由于国内规模种植导致化肥和畜禽粪污使用量过多，产生大量的氮、磷养分剩余[26]，降低了畜禽养殖环境承载力。

3.2 公安县畜禽养殖污染量分析

公安县2016年单位耕地畜禽养殖氮污染量为125.77 kg/hm2。杨飞等[27]研究表明，当前我国平均耕地面积的畜禽养殖污染量达到138.13 kg/hm2，其中，湖北省为155.90 kg/hm2。目前，我国还没有全国性的单位面积耕地土壤畜禽养殖污染量限制标准，欧盟制定的农田有机肥氮的限制标准为170 kg/hm2[25]，潘瑜春等[9]在综述欧洲和国内研究的基础上，提出畜禽养殖污染量的限制标准为200 kg/hm2。由此可以看出，公安县畜禽养殖污染量相对较低。但孟家溪镇、杨家厂镇、夹竹园镇畜禽养殖污染量超出了欧盟限制标准。孟家溪镇、杨家厂镇畜禽养殖环境承载力较高，同时畜禽养殖污染量也较高，基本可以消纳本地粪污量。夹竹园镇畜禽养殖环境承载力较低，而污染量又较高，会造成较大的环境污染，因此需通过转移至埠河镇、毛家港镇等有较大消纳潜力的周边乡镇，以降低环境污染。

3.3 公安县畜禽养殖污染风险分析

2016年公安县畜禽养殖污染风险为0.79，整体畜禽养殖污染风险较小。高定等[28]研究表明，我国受畜禽粪便污染威胁较大的省(区、市)多分布在东部经济发达地区，湖北省畜禽养殖污染风险相对较低，与本研究结果一致。虽然公安县畜禽养殖污染风险整体较低，但各乡镇之间差别较大。其中，夹竹园镇畜禽养殖污染风险最高，达到7.69，存在严重风险；闸口镇、斗湖堤镇畜禽养殖风险分别为1.85、1.70。因此，这些乡镇需通过积极引导畜禽粪便堆肥化和资源化利用技术的发展，提倡农牧结合、种养平衡，扩大畜禽粪便资源化利用的出路，将养殖业产生的废物转化为种植业可利用的资源，最终实现种养结合的良性生态农业链。