干旱区绿洲种植业—养殖业一体化模式研究

刘淑娟，万 翔，刘虎俊，刘光武，刘开琳，杜 娟，李菁菁

（甘肃省治沙研究所&甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建培育基地，甘肃兰州 730070）

1 前言

国际上公认种养结合一体化发展是生态循环可持续农业的一种有效模式。在欧盟等发达国家“种养平衡区域一体化”主要是将畜禽废弃物转变为有机肥，使废弃物在养殖区域内循环综合利用，避免环境污染，实现农牧业的可持续发展。我国的种养一体发展缓慢，种植业和养殖业之间缺乏协调互补。截至 2017 年底，全国 70% 以上农业园区还是单一种植业或单一养殖业[3]。“种养分离”模式造成了种养系统间物质循环割裂，大量资源浪费、能量高耗和环境污染等负面影响。为此我国政府制定了一系列政策，鼓励种养一体化的发展。2017 年 2 月，原农业部印发了《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》，在全国选择了 100 个果、菜、茶生产重点县开展有机肥替代化肥行动。通过上述行动的实施，加快推进了畜禽排泄物的处理利用率。优良的种养一体化模式研究不仅可为农业可持续发展提供模式，也可为区域环境保护提供指导。为此众多研究者也进行了多方面探讨，研究了种养一体化的理论基础，提出了二者结合的模式。我国也形成了众多种养一体化模式，如“畜禽—沼—作物”、“猪－沼－菜（果）”和“牛（羊）－沼－菜（果）”、“鸡－粪－鱼（珍珠）”，还有玉米－牛羊－蚯蚓－鸡－肥模式等种养结合模式。有些模式也在全国范围内得到了广泛的推广和应用，取得了很好的效益。甜高粱作为高产作物，不仅表现出很强的耐旱、耐涝和耐盐碱等抗逆性方面的优点，其钙、磷含量也高于玉米，且营养比例合理，生物产量比青饲玉米高0.5～1.0倍，适口性较好。甜高梁在家畜养殖业中表现出明显的优势和显著的经济效益，已在我国得到大面积推广种植，并产生了良好的效果。在我国干旱绿洲区，水资源缺乏。在甘肃省武威的研究表明：未来的10～30年，发展节水农牧业将成为农民增收的主要来源，对武威市农牧民全面建设小康社会起决定性作用。武威市养牛的玉米和麦草利用率大幅提高，较好地缓解了当地人畜争粮的矛盾。肥育型养牛占甘肃省武威市凉州区有66.67%以上。因此，我们开展甜高粱秸秆和肉牛养殖粪便资源利用调查，以及甜高粱田间种植和喂牛实验，提出甜高粱种植业—肉牛养殖业一体化模式，分析甜高粱种植业-肉牛养殖业一体化限制因素及其模式效益，为区域种植业-养殖业一体化模式建立提供参考。

2 研究方法

首先对甘肃省武威市凉州区和民勤县开展玉米、小麦、苜蓿和甜高粱种植，以及肉牛养殖粪便资源利用调查，进行水效益、收入比率以及种植业与养殖业联系程度计算。同时进行甜高粱田间种植及其西门塔尔肉牛喂养实验，探索甜高粱节水高效种植技术、牛粪堆肥快速发酵技术和甜高粱养殖西门塔尔肉牛技术，分析甜高粱种植业-肉牛养殖业一体化限制因素及其模式效益。

3 结果分析

3.1 种植业—养殖业一体化影响因素

3.1.1 种植业和养殖业一体化接口产品。研究区种植业主要大田作物是小麦、玉米和牧草，而养殖业则以舍饲肉牛和羊为主。种植业和养殖业自成系统，二者联系只能通过其产品，如种植作物果实和秸秆加工为养殖业提供食料，养殖业排泄物通过发酵为有机肥还田给作物提供养料。种植业和养殖业一体循环的“接口”为产品，种植业和养殖业一体化及其程度是各自产品为对方所利用的机会和比例。以甘肃省民勤种植与养殖业关系（表1）为例，玉米和小麦作为农作物，主要产品为粮食，影响养殖业发展的直接因素是玉米和小麦加工的精料，以及玉米和小麦秸秆青贮等加工的饲草，二者产品部分或全部与养殖业相关。而甜高粱和苜蓿种植的产品为饲草，产品全部依赖养殖业消化，种植业完全依附于养殖业，相互影响。养殖业的排泄物只有加工成有机肥，才能对种植物有用，才能与种植业发生联系。种养一体化限制因素是产品相互适应性，提高有机肥及饲料加工产品利用效率是提高种养一体化的主要途径。

3.1.2 种植业与养殖业联系程度。如果将作物经济收入直接来自养殖业的比例定义为养殖影响率（%），应用作物秸秆出售收入与纯收入的比率表示种植业对养殖业的影响。以养殖减投率（%）比较养殖业对种植业影响，将底肥投入与总投入的比作为比较依据。将养殖影响率（%）与养殖减投率（%）的乘积作为种业与养殖业的联系率（%）。分析玉米、小麦、甜高粱和苜蓿种植投入、收入和灌溉水量，计算水效益和相关比率，说明种植业与养殖业联系（表1）。比较种植作物玉米、小麦、甜高粱和苜蓿与养殖业关系，种植玉米和小麦的主要产品为粮食，其秸秆可作为饲草直接影响养殖业发展，影响率则分别是22.54%和21.35%。而甜高粱和苜蓿种植产品则100%依赖养殖业消纳（表1）。养殖业的排泄物发酵成有机肥作为种植作物的底肥，则可计算比较获得养殖业对于种植业影响较大的是小麦和苜蓿，甜高粱受养殖影响最小（表1）。如果综合种植业和养殖业的相互影响，以种植业的作物秸秆收入比例和养殖业有机肥投入之积为种养联系率进行比较，可以看出饲草种植和养殖一体化的联系明显高于农作物种植与养殖业一体化的联系。甜高粱种植与肉牛养殖之间的联系是玉米与肉牛养殖的4.2倍，是小麦种植与肉牛养殖的2.6倍。虽然苜蓿种植与肉牛养殖之间的联系率大于甜高粱种植与肉牛养殖，但是，甜高粱种植水效益是苜蓿种植的1.05倍。因此，在干旱区将甜高粱种植与肉牛养殖联系起来，是相对较优的种养一体化模式。

表1 甘肃省民勤4种作物种植效益与养殖业关系比较

3.2 甜高粱种植—肉牛养殖一体化模式

3.2.1 甜高粱节水高产种植模式。膜下滴灌技术在节水和土壤改良等方面具有较大优势，是我国干旱半干旱地区节水、增产、防止次生盐碱化和盐碱地开发利用的成熟高效技术。通过设置灌溉梯度（3 600m3/hm2、4 200m3/hm2、4 800m3/hm2）和大田漫灌低水（5次浇水，6 000m3/hm2）、中水（6次浇水，7 200m3/hm2）、高水（7次浇水，8 400m3/hm2），比较膜下滴灌与传统漫灌处理下甜高粱产量与水生产力的差异。实验显示：膜下滴灌方式下甜高粱和玉米产量都显著高于大田漫灌低水、中水和高水条件下的产量（P＜0.05），比低水、中水和高水分别高出33.81%、35.76%和23.71%。此外，滴灌方式比大田漫灌低水、中水和高水要分别节水40.00%、50.00%和57.14%。大田漫灌方式下，低水、中水和高水的产量差异不显著（P＜0.05）。滴灌方式下甜高粱灌溉水生产力比大田漫灌方式下低水、中水、高水分别提高显著提高21.88%、36.80%和38.71%。滴灌方式无论从产量还是灌溉水生产力都优于大田漫灌，而且滴灌方式能够实现节约水资源的目标，弥补了西北干旱区作物种植水资源短缺的短板，因此滴灌方式更需要在西北干旱地区推广。

3.2.2 牛粪堆肥发酵模式。进行新鲜牛粪加入有机肥发酵菌剂和麦秸的牛粪腐熟实验，将牛粪+麦秸+发酵菌剂的物料倒入1m3发酵池，盖上棚膜发酵，以牛粪+麦秸（ck）和牛粪发酵作为对照，试验历时15d。牛粪加入发酵剂发酵的第2d的温度上升到50℃以上，对照ck的温度至发酵到第6d达到50℃（图1）。牛粪+麦秸+发酵菌剂的物料到第3d的发酵温度有所下降，之后的发酵温度则波动上升，发酵温度始终大于45℃，至发酵第10d温度保持相对波动较小的幅度。而没有接种菌剂的ck的发酵温度则始终在44℃～45℃，没有填加发酵菌剂和麦秸的牛粪腐熟温度则始终低于35℃。从处理牛粪发酵温度上升速度和保持情况可以看出，牛粪+麦秸+发酵菌剂的处理的发酵温度66.67%时间高于50℃，发酵时间缩短率62.5%，填加发酵菌剂和麦秸加速了牛粪腐熟为有机肥。

图1 牛粪发酵过程的温度（℃）变化

3.2.3 青贮甜高粱饲喂西门塔尔肉牛的效益比较。将1年龄西门塔尔肉牛犊分为5组进行青贮甜高粱和青贮全株玉米喂养试验，A组100%青贮玉米秸秆，B组100%青贮甜高粱，C组青贮全株玉米30%和青贮甜高粱秸秆70%，D组青贮全株玉米50%和青贮甜高粱秸秆50%，E组青贮全株玉米40%和青贮甜高粱秸秆60%。观测计算5组饲草配比的草料日残留量所占饲喂草料的百分比（表2）。在喂养126d后，统计分析最大增重量达99kg，总的增重量最大差异达到14.37kg，平均增重率达38.66%，增重最大的D组较单独饲喂青贮全株玉米（A组）和青贮甜高粱（B组）总增重率分别增加2.33%和5.63%。

表2 青贮甜高粱和全株饲用玉米配比料饲喂西门塔尔肉牛的增重量（kg）比较

根据甘肃省武威市场的饲草、饲料和牛肉价格计算不同试验组合喂养肉牛的效益。5组试验的平均纯收入331.75元，其中D 组的效益较最低的B组增加了28.44%，其次为C组增加了16.87%。在考虑成本的前提下，每天的草料支出D组（14.14元）较C组（14.00元）多1.0%。青贮全株玉米30%和青贮甜高粱70%（C组）较低。比较综合投入草料减少率（10.0%），净收入的提高率（16.87%），以及净收入和增重的稳定性，经济效益最为显著的是青贮全株玉米30%和青贮甜高粱70%，综合效益提高1.69%。青贮甜高粱与青贮全株玉米配比饲喂的效益相对高于单独喂青贮甜高粱玉米的收入。

3.2.4 甜高粱种植-肉牛养殖一体化规模。从甘肃省武威市调查和大田种植实验可知（图3），甜高粱亩产平均3.52t左右，最高可达6.52t，而每头肉牛的年需草量约为3.89t，甜高粱亩产草量约可满足饲用量。每头肉牛的年产粪量约为3.31t，发酵成有机肥约为2.21t，种植甜高粱施底肥平均约为1.63t，最大施肥量为1.80t。1头牛产粪所发酵有机肥大于甜高粱种植的亩施肥量，养殖业副产品有富余。根据发展种植业和养殖业一体化目的，以及农业生态系统平衡和减少环境污染目标，发展种植业和养殖业一体化适宜规模是养殖业规模数量小于或等于种植业规模数量。参考以上计算，如果加上种植和饲喂过程的损耗，肉牛养殖个数大约与甜高粱种植面积的比例为0.7：1，即种养一体化适宜数量是每公顷养牛数量10.5头。这样就可平衡种植业与养殖业资源匹配，减少废弃物排放影响环境，提高种植业—养殖业一体化经济效益和生态效益。

图3 农作物种植及其用于肉牛养殖业的效率比较

3.3 甜高粱种植—肉牛养殖一体化效益

3.3.1 经济效益。农作物种植和家畜养殖一体化的经济效益主要体现在不仅可以获得主要产品收益，同时二者废弃物也可以相互利用，从而增加整体效益。另外，种植业和养殖业一体化效益增加也通过二者产品投入对方生产过程而使其生产投入量降低，减少外部投入，相对增加效益。比较甜高粱种植—肉牛养殖一体化产业模式的经济效益，以甜高粱的经济效益为100%，计算效益比率。玉米、小麦和苜蓿的经济效益分别是甜高粱的80.38%、65.87%和37.37%（图2）。牛粪有机肥的投入可以减少甜高粱种植投入18.93%（表1）。以全株玉米30%和青贮甜高粱秸秆70%效益分别是单独饲喂甜高粱和全株玉米的1.16和1.01倍（表2）。综合甜高粱栽培膜下滴灌节水率（57.14%）、牛粪添加有机肥发酵菌剂缩短发酵率（62.5%）、甜高粱与玉米配合饲喂提高效率（1.69%），甜高粱种植—肉牛养殖一体化产业模式的经济效益提高了6.03%。这种模式是以养殖为主导的“以养带种”减量增效产业模式，实现了甜高粱饲料业和牛粪有机肥产业结合，实现了产业对接，提高了资源利用，是一种可行的种植业-养殖业一体化的农业发展模式。

图2 甜高粱种植施肥量及其产量和养肉牛需草量及牛粪有机肥产量比较

3.3.2 生态效益。甜高粱种植业-肉牛养殖业一体化形成生态循环，减少废弃物排放，增加生态效益。甜高粱具有较大的生物量，可满足肉牛养殖饲草，形成食物链，牛粪发酵肥作为甜高粱肥料，减少生态系统外部投入，构建成一个循环农业系统。如果在牛粪发酵过程，加入发酵剂，则牛粪发酵成有机肥比自然处理效率提高49.35个百分点（图1），减少牛粪自然堆放时间，减量其对周围环境污染。施用牛粪有机肥不仅提供了植物所需的N、P、K营养，同时还增加了腐殖酸，可改善土壤理化性质。另据测定，牛粪有机肥还含有9种微生物，将其施入土壤，细菌、放线菌和真菌都增加了（表3）。施用牛粪有机肥改善土壤，增加了土壤生物多样性，促进生态系统稳定。

表3 牛粪有机肥与化肥成分及施用后土壤微生物比较

4 讨论

种植业和养殖业可以独立发展，二者一体化需要连接产品，需要“接口”技术，才能实现两种产业的结合。沼气发酵、有机肥还田加工以及饲料加工和秸秆青贮构成了种养一体化整个循环的“接口”技术，对链接种植和养殖起到了关键作用。养殖业与种植业之间在饲草、饲料、肥料 3 个物质经济产品上形成相互促进、相互协调的关系，各自产品成为联结二者成一体的纽带。牛粪经过收集处理制成堆肥和颗粒化有机肥，成为连结种植业的产品，将养殖业与种植业链接起来。目前，我国66%的肉牛饲养仍采用传统方式，牛粪处理主要是堆肥。堆肥处理投资少、方法简单，是一种方便实用的牛粪产品。但是牛粪自然发酵的温度不高，生产有机肥的周期较长，发酵时间在40d以上。近年来，牛粪发酵菌剂的应用缩短了有机肥制备时间。本实验应用有机肥发酵菌剂制备牛粪有机肥所用时间只有传统时间的37%，大大加快了牛粪有机肥的制备。在甜高粱的诸多用途中，目前应用较为普遍首推青贮饲料，其他产品的开发一直处于中试阶段，并没有走向市场。牛粪发酵成有机肥提供甜高粱种植的肥料，甜高粱秸秆青贮提供肉牛养殖饲草，两种产业通过各自产品联合为一体，形成甜高粱种植业和肉牛养殖业一体化循环农业模式。

种植业和养殖业一体化模式要求在进行种养结合的过程中，根据实地情况选择品种。甜高粱是近年来我国推广应用效益较好的饲草品种，产草量和营养价值高，水效益也较大，是政府推广应用的优良草种。调查发现甜高粱种植的水效益大于玉米、小麦、苜蓿。肉牛养殖是河西走廊重要的传统产业，已形成了西门塔尔系列品种群。肉牛养殖也是武威市农业调整重要部分。甜高粱和西门塔尔肉牛分别作为发展种植业和养殖业的优良品种适合当地条件，可以形成优良品种组成的种养一体化模式，其整体效益大于各个独立生产环节效益。

种养一体化是种植业与养殖业成为一体，互为支撑，相互适宜，减少环境影响，发挥各自优势，提高经济和生态效益。种养一体化循环农业的总体目标是在种养生产过程中减少资源、物质的投入量和减少废物的产生与排放量，加大对种、养废弃物资源的循环利用，提高种、养生产系统的产出量，使经济效益与生态效益得以和谐统一。种植业的秸秆等产品量大于养殖业消费数据，就会出现大量堆积和浪费。同样，如果养殖业发展超过种植业接纳其排泄物能力，则存在堆制有机肥是否有充足场地和发酵处理问题，从而对农业生产的经济效益和能源效益产生负面影响，并可能形成环境污染。种养一体化程度评价更加注重生态效益。《欧盟共同农业政策》基本思路和原则是种植业规模决定着养殖业结构的调整，规定现有养殖场计划扩大养殖规模必须购买或租用土地来支持动物数量的增加，或者与其他农场企业签订粪污购买合同，以保证增加的动物数量所产生的粪污有足够的土地进行消纳及合法去向。德国主要根据农场消纳粪肥能力来确定动物饲养量，每公顷各种动物分别允许饲养数量为牛 3～9 头。本项调查和实验结果可知种养一体化适宜数量是每公顷养牛数量10.5头，大于德国模式。这应该与当地种植作物和养殖水平相关。在种养一体化模式组织过程，我们采用“养殖合作社+种植公司”使养殖场配套种植农田数量，确保养殖规模与种植面积相适宜，形成甜高粱种植和肉牛养殖经济活动的“资源一产品一再生资源”的“以养带种”一体化模式。

5 结论

种植业和养殖业一体化需要接口产品和适宜优良品种，加强组合以提高整体效益。甜高粱种植的水效益分别是玉米、小麦和苜蓿的1.24倍、1.11倍和1.05倍。甜高粱种植与肉牛养殖之间的联系是玉米与肉牛养殖的4.2倍，是小麦种植与肉牛养殖的2.6倍。玉米和小麦对养殖业影响率则分别是22.54%和21.35%。而甜高粱和苜蓿种植的产品则100%依赖养殖业消纳。玉米、小麦和苜蓿的经济效益分别是甜高粱的80.38%、65.87%和37.37%。发展甜高粱种植和肉牛养殖是区域种植业和养殖业一体化模式的优良品种选择。牛粪有机肥的投入可以减少甜高粱种植投入18.93%。全株玉米30%和青贮甜高粱秸秆70%配合喂养效益分别是单独饲喂甜高粱和全株玉米的1.16和1.01倍。肉牛养殖个数大约与甜高粱种植面积的比例为0.7：1，即种养一体化适宜数量是每公顷养牛数量10.5头。这样就可平衡种植业与养殖业资源匹配，减少废弃物排放影响环境，保证种植业-养殖业一体化经济效益和生态效益。综合甜高粱节水效益和种植与养殖一体化减投效益，甜高粱种植-肉牛养殖一体化产业模式的经济效益提高了6.04%，是适应干旱绿洲区“以种带养”优良模式。