内陆干旱地区基于畜禽养殖量的种养循环实例研究

贠 超, 申为民, 宋成军, 刘国涛, 党 鹏, 李 忱

(1.安阳市农业科学院， 河南 安阳 455000； 2.农业农村部农业生态与资源保护总站， 北京 100125)

2015年，我国畜禽养殖场(户)1亿多个，畜牧业产值达2.98万亿元，占农业总产值的27.8%。畜牧业的快速发展，在保证了不断增长的畜产品需求的同时，也产生了大量的养殖废弃物。目前，全国畜禽粪污年产生量约38亿吨。2010年《全国第一次污染源普查公报》显示，畜禽养殖业排放的化学需氧量达到1268.26万吨，占农业源排放总量的96%。总氮和总磷排放量为102.48万吨和16.04万吨，分别占农业源排放总量的38%和56%。畜禽粪污成为农业面源污染的主要来源。中央财经领导小组第十四次会议指出，加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化，关系6亿多农村居民生产生活环境，关系农村能源革命，关系能不能不断改善土壤地力、治理好农业面源污染，是一件利国利民利长远的大好事[1]。

对于农作物而言，畜禽粪便含有丰富的养分资源，自古以来就被做为有机肥返还农田[2]，将畜禽粪便为提高土壤肥力的主要原料。大规模的畜禽粪污，同时也是巨大的资源库。农牧结合、种养结合和循环利用是资源化、减量化、无害化和生态化解决畜禽养殖污染的根本途径[3-4]。

2017年中央一号文件《关于深入推进农业供给侧结构性改革加快培育农业农村发展新动能的若干意见》中，指出要推进农业清洁生产，开展有机肥替代化肥试点，促进农业节本增效。大力推行高效生态循环的种养模式，加快畜禽粪便集中处理，鼓励各地加大农作物秸秆综合利用支持力度。

在美国、加拿大、法国、荷兰等欧美发达国家，奶牛养殖普遍采用种养结合模式[5-6],根据环境氮、磷本底信息、区域主要收支途径与强度、时空变化等特征,以流域为单元制订实施氮、磷环境承载力是当前欧美通用的面源污染防控方法[7]。通过科学测算区域内畜禽养殖的环境承载力，有利于优化调整种植业畜牧业空间布局，实现农牧业有机结合平衡发展[8]。

新疆吉木乃县，位于新疆北部，属于内陆干旱地区，降雨量少，日照充足，蒸发量大，土地瘠薄，水是当地农业重要的限制性因素。畜牧业占农业总产值的55%，是农业的主要组成部分。随着畜牧业的集约化和规模化，养殖产生的大量粪便和污水成为一个严重的环境问题。为解决养殖带来的环境问题，增加种植收益，减少农田化肥和水的使用量，区域范围内的畜禽粪污种养循环是一种非常可行的模式。规模化养殖业带来的大量粪便和污水一方面为贫瘠的土壤提供了养分，降低了化肥使用量，改善了土壤，同时给干旱地区的作物带来了急需的水分，这对我国西部干旱地区的农业有着特别的意义。

本文以新疆吉木乃县某农牧企业为例，以小麦、苜蓿种植基地和牛羊养殖场为依托，以全氮和全磷为测算依据，探讨该类型区域条件下的畜禽承载力和种养平衡，以期为该类型区域生态农业的发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 项目区概况

该种养加结合的农业园位于新疆北部吉木乃县，地处亚欧大陆腹地，属于北温带亚干旱气候区，降雨量少，日照充足，蒸发量大。常年平均气温在4℃左右，无霜期140天，平均风速5.5 m·s-1，年降水量200 mm左右。

项目实施区域位于托普铁热克乡和恰勒什海乡。两个乡种植业和养殖业均较为发达，牲畜存栏量50319头(只)，占到全县牲畜存栏量的24%，耕地面积为6.75万亩，占到全县耕地的46%。作为全县的粮食和肉类主产乡，具有种养循环模式的典型示范价值。

项目核心区面积为23383亩，主要在阿勒泰某有机面业有限公司的种植基地、加工厂、有机肥厂和协作养殖场内。包括：种植基地23000亩，养殖场300亩，存栏肉牛1100头、肉羊28800头，面粉加工厂60亩，有机肥加工厂23亩。

根据吉木乃县农业技术推广站土壤测试结果，土壤状况见表1所示。

表1 项目区土壤数据

1.2 生态问题分析

1.2.1 农副作物秸秆利用率低

项目区域内农作物秸秆产量为3万余吨，但是对农作物秸秆的饲料化、肥料化、基料化、燃料化等的综合利用程度十分低下。

1.2.2 化肥和畜禽粪便污染严重

化肥使用量不断增加，从上世纪90年农田每亩地化肥使用量平均在35 kg左右, 增加到目前的45 kg左右。作物无法全部吸收，造成土壤和水体污染。集约化养殖场产生大量粪污，当地环境无法消纳，引起水土和空气污染。

1.2.3 水资源短缺与水污染并存

地表水多年平均年径流量0.74亿m3，地表水资源人均占有量1977 m3，是疆平均水平5321 m3的1/3，地表水资源利用率已经达到80%以上，大大超出了60%的生态警戒线。农、林、牧业用水高峰期供需矛盾十分突出，是制约吉木乃县农牧业生产的主要限制因素之一。

1.3 种养平衡分析

1.3.1 分析方法

国外通常有2种方法来评价畜禽承载力：一种是根据土地提供畜禽饲料的能力，另一种是根据特定地理区域消纳畜禽粪便的能力。为减少畜牧业带来的环境污染，加之我国绝大多数畜牧场周围没有与之配套的农田来提供畜禽饲料，而且不同区域提供的饲料会在全国范围内流通，所以本研究采用第2种评价方法[9]。

欧美等国家根据土地能够消纳的畜禽粪便氮或磷来确定畜禽粪便施用量。以氮为标准会导致农用地磷素超标，美国后期的养分管理计划将主要以磷作为标准。所以本报告将分别以氮和磷为标准，采用单位农用地承载畜禽粪便氮或磷的方法来确定承载的畜禽数量，在区域范围内形成农牧良性循环，从而降低环境的污染。

1.3.2 畜禽承载力确定

本研究将分别以氮、磷为标准，根据单位面积农用地不同作物每季养分需要量(N)、畜禽粪便养分年可利用量(M)和有机肥利用率(k)来确定单位农用地(有效耕地面积)承载的最大畜禽数量(Qmax)。由于多季的作物和蔬菜会在同一块农用地上耕种，所以计入各类作物的复种指数(A)。由于我国化肥用量较大，本方法考虑了有机肥的利用率，作物养分需要量的不足部分由化肥提供。

Qmax=k×N×A÷M

(1)

式中：Qmax为每公顷农用地所能承载的最大畜禽数量，头(只)·hm-2；N为每公顷第i种作物每季的养分需要量，kg·hm-2s-1；A为各地区的复种指数(每种类型作物的播种面积除以其占用耕地面积)；M为每头每(只)畜禽粪便养分年产量，kg·a-1只-1；k为有机肥利用率，%。

1.3.3 畜禽粪便养分的确定

畜禽粪便养分由分式(2)可知：

M=365×Q×P×(1-L)

(2)

式中：M为每头每(只)畜禽粪便养分年产量，kg·a-1只-1；Q为每头存栏动物日平均粪尿产量，kg·d-1只-1；P为粪尿养分百分含量，%；L为养分损失率，%。

1.3.4 养分需求量的确定

养分需求量的确定由公式(3)可知：

N=10×D×W

(3)

式中：D为作物单位重量经济产量的养分需求量，kg·100 kg-1；W为每种作物的目标经济产量，t·hm-2。

首先测算养殖场各养殖品种单位粪便养分含量和农作物单位面积产出物肥料养分消耗量。通过比较后得出单位面积各类养殖品种的承载量，即为单位面积畜禽养殖环境承载力。

2 结果与分析

2.1 养殖场牛羊粪便及养分产生量

养殖场存栏肉牛1100头、肉羊28800头。由于国家第1次农业污染源普查中只有肉牛产排污系数，故肉羊折算成肉牛计算。1头牛折算15只肉羊，肉羊折合肉牛当量1920头，养殖场合计折合肉牛3020头。根据肉牛产污系数估算，整个养殖场粪便生产量为22509 吨，粪便全氮产量114.76 吨·年-1，全磷产量11.26 吨·年-1(见表2)。

表2 养殖场育肥肉牛粪便及养分产生量

2.2 养殖场粪便养分可供给量

该养殖场采用漏缝地板下刮粪板清理粪污。收集的牛羊粪污经过固液分离后，粪运送至堆肥厂进行堆肥，废水暂存于氧化储液池，无害化处理作为液肥回用农田。固液分离得到的液体中氮、磷养分含量占总含量的81%和86%[10]。粪便堆肥的氮和磷损失率为20%和5%[11-12]，氧化塘氮和磷的损失率为15%和5%[13-14]。养殖场最终的氮磷供给量为96.76吨·年-1和10.70吨·年-1。具体数据如图1所示。

图1 粪便氮、磷供给量示意图

2.3 种植作物品种的选择及其养分需求量

新疆吉木乃县，位于新疆北部，属于北温带亚干旱气候区。常年平均气温在4℃左右，无霜期140天，年降水量200mm左右，气候寒冷干旱，可选择作物的品种非常有限。考虑到项目主体拥有小麦加工厂和牛羊养殖场，种植小麦或苜蓿最为适宜，当地小麦单产在6 t·hm-2左右，苜蓿单产在11 t·hm-2左右。

不同作物有不同的单位经济产量养分移走量和目标经济产量，由此带来年单位面积的养分移走量也不同。如表3所示，小麦单位经济产量氮的移走量为2.75 kg·100kg-1，磷为0.37 kg·100kg-1；紫花苜蓿单位经济产量氮的移走量为3.00 kg·100kg-1，磷为0.60 kg·100kg-1。当小麦每公顷目标产量为6 t时，小麦每年氮和磷的移走量为165 kg·hm-2和22.20 kg·hm-2[12]；紫花苜蓿每公顷目标产量为11 t时，苜蓿每年氮和磷的移走量为330 kg·hm-2和66 kg·hm-2[18]。单位面积苜蓿的磷的转移量是小麦的3倍，氮的转移量是小麦的2倍。

表3 每公顷作物每年的养分移走量

2.4 畜禽承载力

在用粪肥替代化肥时，用50%粪肥替代化肥，养分利用率较高。有利于作物稳产高产，减少环境风险，提高经济效益，是较为合适的施用比例[18-19]。如表4所示，在目标经济产量下，以氮为基础，单位每公顷小麦可承2.57头肉牛，每公顷紫花苜蓿可承载5.15头肉牛，苜蓿的承载力是小麦的2倍；以磷为基础，单位每公顷小麦可承3.10头肉牛，每公顷紫花苜蓿可承载9.31头肉牛，苜蓿的承载力是小麦的3倍。这表明单位面积的紫花苜蓿较小麦可以承载较多的畜禽量，这对有畜禽超载风险的地区有较大的生态意义。

表4 每公顷作物每季可承载的畜禽数量与需要匹配的农田面积

养殖场有效的氮、磷供给量为96.76吨·年-1和10.70吨·年-1。在用50%粪肥替代化肥模式下，养殖场现有的养分供给量可满足14612.90亩小麦磷的需求或17626.50亩小麦氮的需求，占农场可种植面积的63.53%和76.64%。亦可满足4865.74亩苜蓿磷的需求或8796.15亩氮的需求，占农场可种植面积的21.16%和38.24%，这为养殖场扩大规模提供了较大的生态空间。

本项目实施单位拥有23000亩的种植基地，无论种植小麦还是紫花苜蓿都可以承载养殖场所有牛羊产生的粪污。可根据实际需要安排小麦和苜蓿的种植面积，也可根据承载量适度扩大养殖规模。

3 生态循环模式设计

项目主要针对公司种植基地产生的麦秆、紫花苜蓿，养殖场产生的畜禽粪便，采用种养结合方式，通过秸秆饲料化、粪污肥料化，实现农田地力提升、化肥减量、农牧循环的目标。

技术模式如图2所示：1)收集养殖场粪污,进行固液分离后，固体进行堆肥生产有固体有机肥，液体进入氧化塘后生产液体有机肥，用于项目自有种植基地，固体粪肥只做基肥，液体肥料只做追肥；2)种植基地根据需要种植小麦和苜蓿；3)小麦进入加工厂，苜蓿收集待用；4)收集加工厂的不完善粒、麸皮等农副产品和秸秆等废弃物，用于制作秸秆微贮饲料和日混料，苜蓿晾干后生产苜蓿草料，用于牛羊养殖。

图2 项目区域循环农业示范模式示意图

4 结论

4.1 畜禽粪便氮、磷含量

养殖场肉牛1100头、肉羊28800头，粪尿生产量为22509 t，全氮产量114.76 t·年-1，全磷产量11.26 t·年-1，减去收集运输过程中的损失，养殖场最终的氮磷供给量为96.76 t·年-1和10.70 t·年-1。

4.2 畜禽承载力

在50%粪肥替代化肥模式下，养殖场现有的养分供给量可满足14612.90亩小麦磷的需求或17626.50亩小麦氮的需求，占农场可种植面积的63.53%和76.64%；亦可满足4865.74亩苜蓿磷的需求或8796.15亩苜蓿氮的需求,占农场可种植面积的21.16%和38.24%。无论种植小麦还是紫花苜蓿，23000亩的种植基地都可以承载养殖场牛羊产生的全部粪污，可根据实际需要安排小麦和苜蓿的种植面积，也可根据承载量适度扩大养殖。

4.3 生态循环模式

技术模式如下： 1)收集养殖场粪污,进行固液分离后，固体进行堆肥生产有固体有机肥，液体进入氧化塘后生产液体有机肥，用于项目自有种植基地，固体粪肥只做基肥，液体肥料只做追肥； 2)种植基地根据需要种植小麦和苜蓿； 3)小麦进入加工厂，苜蓿收集待用； 4)收集加工厂的不完善粒、麸皮等农副产品和秸秆等废弃物，用于制作秸秆微贮饲料和日混料，苜蓿晾干后生产苜蓿草料，用于牛羊养殖。以期实现污染减少、地力提升、化肥减量、农牧循环的目标。

5 讨论

5.1 粪便养分产量对畜禽承载力的影响

粪便的收集、处理、贮存和运输方式是影响粪便养分供给量的重要因素。氮、磷在不同粪便处理和贮存方式下的损失率为 15%～85%和10%～85%[9]，使耕地承载力随之发生变化。本文为了方便计算，仅计算了粪便在堆肥和氧化塘氮中氮磷的损失，并未计算养分在收集、储存、运输等过程中的损失。实际操作过程中，这部分损失可能较大，耕地实际的畜禽承载力应该会比理论结果大[17]。同时也意味着我们在粪尿的收集、处理、贮存和运输过程中有很多需要改善的地方。

5.2 不同类型作物对畜禽承载力的影响

蔬菜地的畜禽承载力最大，大田作物地次之，园地承载力最小。所以不同地区可以根据调整当地的种植结构来增大区域范围内的畜禽承载力，使农田能够最大限度地消纳当地的畜禽粪便，减少环境污染[9]。该种植基地所种植的苜蓿是一种经济产量高、养分含量高的优质牧草。苜蓿对土壤养分需求量高，可承载较多的畜禽。目前国内很多养殖量大的地方都面临畜禽超载的风险，苜蓿在种养循环链条中具有较高的生态价值，可作为一种缓解该风险的作物进行种植。