湖北省畜禽粪污还田安全性分析

冉志平，刘 明，陶利文，文江辉，周 琦，邓 兵，高其双，彭 霞，谭珺隽，邵中保，濮振宇

（1.武汉市农业科学院畜牧兽医研究所，武汉 430208；2.武汉市动物疫病预防控制中心，武汉 430016；3.武汉理工大学理学院，武汉 430070）

近年来，随着畜牧业集约化程度越来越高，大量而集中产生的畜禽粪便正成为农业面源污染治理的主要难题。据统计，中国畜禽养殖业每年产生的粪污量接近40 亿t［1］。根据国务院出台的指导意见，到2020 年中国畜禽粪污综合利用率要达75% 以上［2］。目前中国畜禽粪污综合利用率已达70%，规模养殖场粪污处理设施装备配套率达63%，其中最主要的粪污资源化利用方式为种养结合［3］。种养结合是指畜禽粪污经过处理后用作种植肥料，粪肥中的氮、磷等肥效元素被农作物吸收利用，能大幅减少化肥的使用量并改良土壤状况。但是如果粪污还田超过耕地所能承载的上限，则会导致土壤中氮、磷超标，造成农作物生长异常，产量降低。而且长期氮、磷积累，将会缩短耕地利用年限，降低氮、磷的利用效率，使得土壤中氮、磷元素挥发和淋失，污染大气和水源［4，5］。因此，提高畜禽粪污还田利用的安全性是保证中国畜禽粪污资源化利用目标实现的前提。

湖北是养殖业大省，生猪和蛋鸡的饲养规模和集约化程度居全国前列。2017 年湖北省出栏生猪4 400 多万头，出栏禽类超过5 亿只［6］。生猪出栏量居全国第五，禽蛋产量居全国第七。畜牧产业快速发展的同时也给湖北省带来了环境治理难题。据统计，湖北省2016 年畜禽养殖的化学需氧量排放量达27.8 万t［7］，而氮、磷的产生量分别高达62 万t 和9.6 万t（2011 年）［8］，对于水系众多的湖北省而言，这些氮、磷的合理利用显得尤为关键。本文结合湖北省当前养殖业和种植业的实际情况，讨论了养殖场需配套土地面积、各区域耕地氮磷负荷以及粪肥还田潜力，为提高湖北省各市、州畜禽粪污还田的安全性提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究中的数据来自于2018 年湖北省各市（州）统计年鉴和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》［9］（以下简称《指南》），其中的统计年鉴数据为湖北省主要农作物播种面积和产量、各市（州）畜禽存栏量和出栏量、各市（州）主要农作物产量、各市（州）耕地面积。引用《指南》中的数据包括单位猪当量的氮和磷供给量、不同畜种对应猪当量的换算关系、粪肥中氮（磷）的当季利用率、土壤不同氮（磷）养分水平下施肥供给养分占比和主要作物100 kg 收获物需氮、磷数据。引用的数据用于计算湖北省各区域畜禽粪污的氮、磷养分供给量以及区域内主要农作物的养分需求量，用于评价湖北省各市、州的耕地负荷和资源化利用潜力。

1.2 数据处理

1.2.1 畜禽粪污氮（磷）供给量的估算 畜禽粪污氮（磷）供给量的计算公式如下：

式中，Q 为粪污中氮（磷）的供给量（万t）；Ni为第i 种畜种的饲养量（只）；CN和CP为常数，分别为单位猪当量氮和磷的供给量（kg/猪当量），其中，CN为7 kg/猪当量，CP为1.2 kg/猪当量；Pi为不同畜种的猪当量换算常数。猪为1，肉牛、奶牛、羊和家禽分别按照6.7、3.3、0.4、0.04 计算。

1.2.2 养殖场需配套的作物种植面积估算 规模化养殖场需配套的作物种植面积的计算公式：

式中，S 为对应种植作物的所需配套面积（hm2）；Q 为养殖场粪污的氮（磷）供给量（kg）；MR 为粪肥当季利用率（%），粪肥氮素当季利用率取值范围为25%～30%，在本公式中取值30%，粪肥磷素当季利用率取值范围为30%～35%，在本式中取值35%；Y0为对应种植作物的预期单产（kg/hm2）；M 为该农作物每形成100 kg 产量所需氮量（kg），W 为该农作物每形成100 kg 产量所需磷量（kg）；FP 为农作物总氮（磷）需求量中施肥供给占比（%），与土壤中氮磷养分水平有关，占比35%、45%、55% 分别对应土壤氮磷养分I、II、III 级，本研究参照任文海等［10］关于湖北省耕地地力等级的研究结果，FP 取值45%。

1.2.3 各市、州耕地的氮、磷负荷 区域耕地氮（磷）负荷=区域内粪便氮（磷）含量/耕地面积

1.2.4 各市、州农作物生长所需氮（磷）施肥量 区域内农作物生长所需氮（磷）施肥量的计算公式如下：

式中，A 为区域内农作物生长的氮（磷）需求量（万t）；Y 为该农作物的实际产量（万t）；M、W 的含义同公式（3）；FP 的含义同式（3）；i 为第i 种农作物。

1.2.5 各市、州主要农作物利用畜禽粪污养分的潜力 本研究中以区域内粪肥提供氮（磷）量占农作物所需施入氮（磷）量比例来衡量该地区农作物利用粪污的潜力。这一比例越大说明利用潜力越小，粪污还田利用形势越严峻。具体的计算公式如下：

式中，B 为粪肥提供氮（磷）占农作物所需施入氮（磷）量的比例（%）；Q 为区域内粪污氮（磷）供给量（万t）；MR 含义同式（3），粪肥的氮素当季利用率取值30%，磷素当季利用率取值35%；A 为区域内农作物生长所需氮（磷）量（万t）；FP 的含义同式（3）。

为了直观地显示湖北省各市、州农作物利用粪污养分潜力的空间分布特征，本文利用ArcMap 10.5的空间分析功能将湖北省2017 年各市（州）农作物利用粪污养分潜力绘制成空间分布图。

2 结果与分析

2.1 湖北规模化养殖场粪污还田需要配套的土地面积估算

以年出栏1 万头的猪场、存栏量500 头的奶牛场、存栏量1 万羽的蛋鸡场、年出栏量5 万羽肉鸡场以及存栏量5 000 头的羊场作为规模化养殖场研究对象，将2018 年统计年鉴中湖北省主要农作物的平均产量作为预期产量（表1），以畜禽粪肥氮（磷）养分供给和植物氮（磷）养分需求为基础进行估算，利用式（3）得到规模化养殖场粪污还田所需的配套土地面积（表2、表3）。

由表2 可知，以当前湖北省内主要农作物的平均生产水平为基准，如果以农作物氮养分需求和粪肥氮养分供给平衡为基础估算，仅使用粪肥作为种植肥料，选择水稻作为种植品种，所需要的配套农田面积最小，其次是油料作物（花生、油菜、芝麻）和麻类。甘蔗虽然单产较高，但是因其生长需要的氮肥很少，选择种植甘蔗需要的配套土地面积最大。

表1 2017 年湖北省主要农作物的种植面积及产量

由表3 可知，如果以农作物磷养分需求和粪肥磷养分供给平衡为基础估算，仅使用粪肥作为肥料，水稻仍是湖北省主要农作物品种中最适宜选取的返田作物，其次是小麦、棉花以及油料作物。值得注意的是，在湖北省主要的农作物中，以P 平衡为基础计算的配套面积和以N 平衡为基础计算的面积都存在较大差异，这意味就大多数农作物的生长需求而言，粪肥中的N/P 都不适宜。在实际进行粪肥还田时，都必须根据土壤氮（磷）本底值和作物的实际生长状况配合施用其他肥料。

表2 湖北省规模化养殖场粪污还田所需匹配的土地面积推荐值（以N 为基础）

表3 湖北省规模化养殖场粪污还田所需配套土地面积推荐值（以P 为基础）

2.2 湖北省内各市、州的耕地氮（磷）负荷

引用2018 年湖北各地市统计年鉴中猪、鸡、牛、羊的存栏量数据，根据《指南》中所述方法，计算可得各区域畜禽的养殖总量（以猪当量计）（表4）以及畜禽粪污所能供给的氮、磷总量，然后参照“1.2.3”方法得到湖北省内各市、州耕地的氮和磷负荷，见图1、图2。

表4 湖北省各市、州养殖总量和耕地面积

总体而言，在未将少量的特种经济动物统计在内的情况下，湖北省整体的耕地氮、磷负荷分别为126.46 和21.68 kg/hm2，均未超过欧盟的限量标准（单位面积耕地总氮、总磷负荷为170 kg/hm2和35 kg/hm2）。各市中黄冈市的耕地氮负荷226.25 kg/hm2最高，其次是鄂州市177.17 kg/hm2，两市的氮负荷均高于欧盟的限量标准，其余耕地氮负荷较高的城市是襄阳市、孝感市、随州市以及咸宁市，耕地氮负荷也都高于140 kg/hm2，接近了限值。

就磷负荷而言，只有黄冈市耕地磷负荷38.79 kg/hm2超过欧盟的限量标准，其余耕地氮、磷负荷较高的地市是鄂州市和襄阳市。

2.3 各市、州主要农作物利用畜禽粪污养分的潜力

图1 湖北省内各市、州的耕地氮负荷

图2 湖北省内各市、州的耕地磷负荷

本文纳入统计的种植品种如下，粮食作物有水稻、小麦、玉米、薯类、大豆，经济作物有棉花、油料、甘蔗、烟草、茶叶，水果类有桃、柑橘、苹果。参考湖北省统计年鉴中各市、州畜禽存栏量和种植作物产量数据，根据“1.2.1”和“1.2.4”中的公式可以得到各市本年度畜禽粪污的氮（磷）供给量和农作物维持产量所需氮（磷）量，进而计算得到粪肥还田提供的氮（磷）占农作物氮（磷）所需施肥量的比例，以此来衡量当前各地区农作物种植所能消纳的粪肥养分量，也反映了各地区粪肥还田的潜力。

湖北省各市、州的比例分布见图3、图4，从统计结果来看，2017 年神农架林区畜禽养殖所产生的粪污全量还田后可提供区域内种植作物生长所需89.84% 的氮肥和47.02% 的磷肥，其次是黄冈市和恩施市，分别可以提供本区域内作物生长54.58%的氮肥、40.06% 的磷肥以及52.56% 的氮肥、38.23%的磷肥。

3 小结与讨论

图3 湖北省各市、州粪肥还田提供的氮量占农作物所需氮施入量的比例分布

图4 湖北省各市、州粪肥还田提供的磷量占农作物所需磷施入量的比例分布

本文给出的规模化养殖场粪污还田所需配套的农田面积推荐值是综合湖北省主要农作物平均产量给出的。根据作物的需求量和畜禽粪污养分供给量科学评估配套土地面积是保证粪污资源化利用安全性的关键。如果配套的土地面积过小，必然导致粪肥养分的过量施用。以氮元素为例，当土壤中氮肥过量，将导致氮素利用率降低，土壤中的氮以硝酸盐形式淋失，造成土壤酸化，进入水体后引起水体富营养化［11］。对于作物而言，过量的氮肥会降低茎秆中苯丙氨酸转氨酶、酪氨酸解氨酶等与木质素合成相关的酶活力，降低茎秆中的木质素含量、抗折力和抗倒伏指数［12］，导致作物倒伏减产。而磷元素盈余同样危害严重，会造成土壤磷素流失和和地表水质退化的风险［13］。合理利用粪肥中的氮、磷资源已经成为粪污资源化利用过程中无法回避的问题。

目前，从利用养殖粪污的角度出发，水稻是湖北省规模化养殖场较适宜的粪肥返田种植作物，但是由于养殖场周边种植条件以及不同作物经济效益差异较大，此外，不同养殖场所采用的粪污处理设施不尽相同，也会导致粪肥中氮、磷存留率有一定的差异，本文引用《指南》中的数据是宏观统计的平均数据，具有一定的代表性，但并不能适合所有养殖场的情况。因此，养殖场还应结合实际情况选择合适的种植品种。本研究也发现以氮、磷为基础计算出的养殖场需配套土地面积数值差异较大，说明畜禽粪便的氮磷比并不能满足大多数农作物的生长，测土配方施肥、科学使用粪肥才能充分发挥有机肥的肥效，避免氮、磷养分的流失及污染生态环境。

2017 年湖北省总氮、总磷的耕地负荷分别为126.46 和21.68 kg/hm2。绝大多数地区畜禽粪污还田形势仍在可控范围内。在全国范围内，相较于朱建春等［14］根据2011 年的统计数据得出的中国耕地氮、磷负荷（79.3 kg/hm2和13.98 kg/hm2），若不考虑时间的因素，湖北省的数据明显高于全国平均水平。纵向对比，相较于根据湖北省2011 年统计数据得到的耕地氮、磷负荷（157.9 kg/hm2和24.5 kg/hm2）［7］，2017 年的数据有了小幅下降，湖北省畜禽粪污氮、磷还田的压力有所缓解。但在局部地区，如黄冈和鄂州等地，耕地的氮磷负荷仍然较高，两地的耕地氮负荷都超过了欧盟限量标准，需要控制本地区的养殖总量，同时增加畜禽粪污资源化利用的方式，包括饲料化利用、能源化利用等。

将湖北省各地区主要农作物的实际产量考虑在内以后，可知神农架林区畜禽粪污供给氮、磷占农作物生长所需施入氮磷的比例最高，这是由于神农架林区地处鄂西南山区，并不属于水稻、玉米等大宗农产品的主产区，境内多以林区和山地为主，林业发达，因此畜禽粪污消解的主要途径可能不是通过农业种植。相对而言，黄冈市和恩施市的畜禽粪污还田形势则更加严峻。黄冈市的养殖总量1 189.41 万头（以猪当量计）位居全省第1，耕地面积居全省第3，而恩施市养殖总量和耕地面积都位居全省第5。以当前这两个地区主要农作物的生产水平来看，本地区畜禽粪污全量还田的压力较大，容易出现耕地氮、磷超标的问题，需要重点关注。