基于氮磷农田利用的黄淮海地区畜禽粪尿土地承载力研究

陈广银，曹海南，丁同刚，霍伟洁，潘义欣

(1.安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽 芜湖 241002；2.安徽师范大学生态与环境学院，安徽 芜湖 241002)

将养殖粪污还田可同时处理畜禽粪污、减少化肥用量、提高农产品品质，符合循环农业和可持续发展要求[1-2]，但不合理还田可能造成严重的二次污染[3]。为充分挖掘土地消纳畜禽粪污的潜力，降低还田造成二次污染的风险，欧美国家在20 a前开始建立基于氮磷养分管理的畜禽粪污还田农田面积匹配制度，以期从源头规范畜禽粪污还田行为，有效降低二次污染风险。我国在这方面也做了大量工作，沈根祥等[4]提出畜禽粪便还田时农田面积匹配应基于作物磷养分需求，不足的氮通过化肥氮补充；蔡美芳等[5]基于养分平衡模型，通过量化核算区域内氮磷的输入和输出，判断氮磷盈余或缺损，并将区内可承受的输入量转化为猪当量以评价该区域的畜禽承载力；肖琴等[6]研究了长江中下游地区畜禽粪污总量、耕地畜禽粪污氮磷负荷和耕地畜禽养殖环境容量；张绪美等[7]分析了我国不同省份畜禽养殖结构变化及畜禽粪便污染结构,结合耕地面积求出不同地区畜禽粪便耕地负荷量及其分布；刘晓永等[8]估算了中国各地区畜禽粪尿量、养分量及各种畜禽粪尿所占比例，分析了不同时期畜禽粪尿养分还田量的地区间差异。2018年1月22日，原农业部颁布了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》(以下简称《指南》)[9]，我国畜禽养殖粪污还田量测算有了国家级的计算标准，《指南》对我国畜禽养殖产业布局、畜禽养殖规模调控有很好的指导作用。

黄淮海地区是我国种养殖业最发达的地区之一，2017年该地区存栏生猪、牛、羊和出栏家禽分别占全国总量的23.98%、13.47%、17.67%和32.90%，年产稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料、蔬菜和瓜果分别占全国总量的10.69%、72.17%、27.94%、13.71%、37.64%、29.41%、35.82%和49.86%[10]。为调查黄淮海地区畜禽粪污土地承载情况，赵路[11]以黄淮海区域内三省两市猪、牛、鸡粪尿中氮素的环境去向为研究对象，根据RAINS模型的理念以及养分流动的特点，分析不同养殖规模、不同环节上粪尿氮的去向，并对土壤中氮素资源的可利用量进行了核算；楚天舒等[12]以山东、河南和河北的玉米-小麦轮作模式为基础，根据作物生长养分需求及农田环境氮素污染风险，估算该地区单位面积农田可承载的畜禽养殖量。从文献调研看，关于黄淮海地区畜禽粪污土地承载力的研究很少，以整个黄淮海地区为对象的研究鲜见报道。

笔者以整个黄淮海区域为研究对象，在大量查阅相关统计年鉴的基础上，根据区域内农产品产量、单位质量农产品氮磷需求量，结合区内畜禽粪尿氮、磷含量，估算黄淮海地区畜禽粪尿土地承载力，为优化区域内畜禽养殖分布和农业产业规划、推动循环农业发展提供理论参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域概况

黄淮海地区包括北京、天津和山东3个省(市)，河北、河南两省的大部，以及江苏、安徽两省的淮北地区，共辖2个直辖市和53个地级市，共计376个县(市、区)[13]。全区土地总面积为46.95万km2，是我国北方人口、产业和城镇密集地区，在全国经济发展格局中具有十分重要的战略地位。

1.2 研究方法

1.2.1黄淮海地区畜禽粪尿及氮磷产量估算

选取猪、牛、羊、兔和家禽为研究对象，依据畜禽年饲养量、饲养周期和日排泄系数计算畜禽粪尿和氮磷产量，计算公式为

(1)

式(1)中，Y为畜禽粪尿、氮、磷产量，万t；mi为畜禽i的饲养量，万只(万羽)；Ti为畜禽i的饲养周期，d；υi为畜禽i的日排泄系数，kg·d-1；κ为单位换算系数；n为畜禽种数。

不同畜禽的饲养周期、排污系数差别较大，参照文献[14-15]，猪饲养周期为199 d，以年出栏量计；牛饲养周期为365 d，以年末存栏量计；羊饲养周期为365 d，以年末存栏量计；兔饲养周期为90 d，以年出栏量计；肉禽饲养周期为55 d，以年出栏量计；蛋禽饲养周期为365 d，以年末存栏量计。

畜禽日排污系数参照耿维等[16]基于《畜禽养殖业源产排污系数手册》的改进结果。具体如下：猪产污系数=1/3保育期产污系数+2/3育肥期产污系数；奶牛产污系数以产奶阶段产污系数计；肉牛产污系数以育成牛阶段产污系数计；家禽产污系数以肉鸡的产污系数计。其中，兔、羊产污系数参照文献[8，17]。考虑到部分地区未将奶牛、肉牛和蛋禽、肉禽分开统计，故这些地区牛产排污系数以肉牛计，家禽产排污系数以肉鸡计。部分地市家禽、兔出栏量数据缺失，用相应的年末存栏量代替。各类畜禽日产污系数见表1。

华北区适用于北京、天津、河北，华东区适用于山东、江苏、安徽，中南区适用于河南。

1.2.2黄淮海地区种植业生产对畜禽粪尿的需求量估算

黄淮海地区种植业生产对畜禽粪尿的需求量估算参考《指南》。在估算区域作物粪肥养分需求量前，需估算区域作物养分需求总量，计算公式为

(2)

式(2)中，M为区域作物养分需求总量，万t；Ai为作物i的年产量，万t；βi为作物i单位产量的养分需求量，kg·(100 kg)-1；n为作物种数。

区域作物粪肥养分需求量的计算公式为

(3)

式(3)中，W为区域植物粪肥氮(磷)需求量，万t；α为施肥供给养分占比，%；θ为粪肥占总施肥量的比例，%；ω为粪肥当季利用率，%。

研究选取在黄淮海地区种植量最大、分布最广的9类作物来测算区域作物养分需求量，作物单位产量的养分需求量参考《指南》。考虑到研究区域较大，区域内土壤养分参差不齐，为便于计算，假设该区域土壤氮磷养分为Ⅱ级，施肥供给养分占比为45%，粪肥占总施肥量的比例为50%，粪肥中氮素当季利用率取28.50%，磷素当季利用率取32.50%[9]。

1.2.3黄淮海地区耕地畜禽粪尿负荷估算

以1.2.1节计算出的黄淮海地区畜禽粪尿及氮、磷产量为基础，结合该地区耕地面积数据，计算黄淮海地区畜禽粪尿及氮磷耕地负荷，计算公式为

(4)

式(4)中，η为黄淮海地区单位面积耕地的畜禽粪尿(或氮磷)负荷，t·hm-2或kg·hm-2；E为黄淮海地区畜禽粪尿(或氮磷)年产量，万t；B为黄淮海地区耕地面积，hm2。

1.2.4黄淮海地区畜禽养殖环境风险指数

为进一步评估畜禽养殖氮磷排放对环境的影响风险，引入畜禽养殖环境风险指数，其计算公式为

(5)

式(5)中，ρ为畜禽养殖环境风险指数。当ρ<0.20时，表明实际畜禽粪尿氮磷产量不到环境容量的20%，发展潜力极大；当ρ为0.20～0.50时，表明尚有较大发展潜力；当ρ为>0.50～1.00时，表明需控制畜禽养殖规模，存在污染风险；当ρ>1.00时，表明养殖规模已超过环境容量，需严格控制养殖规模，环境污染风险大。

1.2.5基于氮磷农田利用的畜禽粪尿土地承载力和畜禽发展潜力

为更直观地反映黄淮海地区基于氮磷农田利用的畜禽粪尿土地承载力情况，引入猪当量的概念，计算公式为

(6)

式(6)中，C为畜禽粪尿土地承载力，万头猪当量；δ为猪粪氮磷折算为猪当量的换算系数，氮折算系数为11 kg·头-1，磷折算系数为1.65 kg·头-1 [9]。

为更好地指导农业生产，获得各地区可进一步扩容的畜禽养殖量非常重要，其计算公式为

(7)

式(7)中，λ为黄淮海地区可进一步扩容的畜禽养殖量，万头猪当量。

1.3 数据来源

黄淮海地区各省(市)的耕地面积数据来自各省(市)2018年统计年鉴；各省(市)畜禽养殖数据来自各省(市)统计年鉴和农业部门统计数据，河南省漯河市和驻马店市使用2017年的统计年鉴数据。收集的数据包括猪、牛、羊、家禽、兔等主要畜禽年末存栏量、出栏量，区域耕地面积，小麦、水稻、玉米、豆类、油类、蔬菜、瓜果、棉花、薯类等产量。

1.4 数据处理与图像绘制

采用Office 2010软件进行数据处理，采用ArcGIS 10.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 黄淮海地区畜禽养殖业现状及粪污产量

2017年，黄淮海地区出栏生猪16 877.41万头、家禽418 392.88万羽、兔5 977.38万只，年末存栏牛1 196.34万头、羊5 168.61万只。畜禽养殖在为居民提供肉蛋奶产品的同时也产生了数量庞大的养殖废物(表2)。2017年，黄淮海地区共各类畜禽粪尿、氮和磷产量分别为31 434.18万、172.90万和31.10万t。

畜禽粪尿产量分布对指导区内畜禽养殖污染治理有重要参考价值，黄淮海地区畜禽粪尿产量分布见图1。由图1可见，畜禽粪尿产量在各地区间的分布差别较大，山东莱芜和安徽淮北2市年畜禽粪尿产量均低于100万t；山东临沂、德州、菏泽、潍坊和河南周口、驻马店6市畜禽粪尿年产量均超过1 000万t，畜禽养殖污染治理压力大；有21个市畜禽粪尿年产量在500万～1 000万t之间，剩余26个市在100万～500万t之间。

从表3可知，各省(市)畜禽养殖污染物的分布极不均衡。

表3 黄淮海地区不同省(市)畜禽养殖污染物总量

山东畜禽养殖粪尿、氮和磷总量均远高于其他省(市)，年产粪尿、氮和磷量分别达10 914.03万、57.95万和12.04万t，分别占黄淮海地区总量的34.72%、33.51%和38.70%；其次为河南，年产粪尿、氮和磷量分别占黄淮海地区总量的26.13%、27.94%和21.25%；北京各类型污染物总量均为最低。山东与河南畜禽养殖粪尿、氮和磷量之和分别占黄淮海区域总量的60.85%、61.25%和59.95%，说明黄淮海地区畜禽养殖的重心在山东和河南，两省为畜禽养殖污染治理的重点地区。粪尿的N/P比可以间接反映畜禽养殖种类，除河南(7.31)和山东(4.81)外，其他省份畜禽粪尿N/P比相近，均在5.10～5.75之间。查阅山东和河南不同畜禽养殖量占黄淮海地区总量的比值可知，山东家禽养殖量占比高达56.92%，河南仅为15.81%，而猪、牛、羊的比例两省接近，这可能是导致两省养殖粪尿N/P比差别较大的原因。

2.2 黄淮海地区耕地畜禽粪尿负荷

黄淮海地区耕地畜禽粪尿负荷见表2。由表2可知，无论是耕地畜禽粪尿负荷，还是耕地氮磷负荷，地域间的差异均较大。养殖类型不同造成各地区畜禽氮磷产量存在差异，加上各地耕地面积差异较大，造成地区间氮磷负荷存在明显差异，如山东德州耕地畜禽粪尿负荷和磷负荷均为区内最高，氮负荷排第2位，而同期河南漯河耕地的畜禽粪尿、氮和磷负荷分别为区内第4、1和3位，说明养殖结构对耕地氮磷负荷存在明显影响。

将各市畜禽粪尿、氮和磷耕地负荷按照负荷量进行了分级统计(表4)。可以看出，区内畜禽污染物耕地负荷的差异非常大，但总体上仍处于较低水平。有1个市畜禽粪尿耕地负荷超过20 t·hm-2，有9个市介于>15～20 t·hm-2之间，剩余45个市(占比达81.82%)畜禽粪尿耕地负荷不高于15 t·hm-2；从氮负荷看，有5个市氮负荷超过100 kg·hm-2，有11个市介于75～100 kg·hm-2之间，其余39个市(占比达70.91%)都低于75 kg·hm-2；有2个市磷负荷超过20 kg·hm-2，有10个市介于15～20 kg·hm-2之间，其余43个市(占比达78.18%)磷负荷均低于15 kg·hm-2，所有地区畜禽氮磷负荷均未超过欧盟粪肥年施氮磷量标准限值(氮和磷分别为170和35 kg·hm-2)。

表4 黄淮海地区各市畜禽粪尿耕地负荷分级统计

2.3 黄淮海地区畜禽粪尿农田利用环境容量和环境风险指数

2.3.1黄淮海地区畜禽粪尿农田利用环境容量分析

根据黄淮海地区农作物播种面积和产量，利用《指南》中区域农作物生长氮、磷及粪肥氮、磷需求量的估算公式，计算得出2017年黄淮海地区种植业氮和磷需求量分别为737.88万和197.67万t，其中粪肥氮和磷分别为582.52万和136.79万t。由表3可知，2017年黄淮海地区畜禽粪尿氮和磷产量分别为172.90万和31.11万t，均小于该地区种植业对粪肥氮磷的需求量，表明总体上黄淮海地区畜禽养殖氮磷污染物可通过农田全量消纳。

2.3.2黄淮海地区畜禽养殖环境风险指数

将黄淮海地区各市畜禽粪污氮、磷环境风险指数分级后绘制成图，见图2～3。从基于氮平衡的黄淮海地区畜禽养殖环境风险指数(图2)来看，区内55个市中，仅北京超过1，天津、秦皇岛、德州、滨州、烟台、洛阳、许昌和漯河8个市在0.5～1.0之间，其余46个市均小于0.5，表明黄淮海地区畜禽养殖规模整体上仍有较大的发展空间，尤其是苏北、皖北、冀南和豫东地区。

从基于磷平衡的黄淮海地区畜禽养殖环境风险指数(图3)来看，区内55个市中仅北京超过1，天津、秦皇岛、烟台、威海和日照在0.5～1.0之间，其余49个市均小于0.5，表明黄淮海地区畜禽养殖规模整体上仍有较大发展空间，尤其是苏北、皖北、冀南、豫东和豫南地区。但受养殖类型和结构影响，养殖量与畜禽粪尿氮、磷产量之间并不一定成正比，如山东德州、滨州和河南洛阳、许昌、漯河基于氮平衡的环境风险指数在0.5～1.0之间，基于磷平衡的环境风险指数均小于0.5，而山东威海和日照基于氮平衡的环境风险指数均小于0.5，基于磷平衡的环境风险指数均在0.5～1.0之间。黄淮海地区基于磷的环境风险明显低于氮，但个别地区受养殖类型影响较大。故在评价某地区畜禽养殖污染风险时，不能单以畜禽粪污氮或磷产量为依据，需结合氮磷的风险评估结果综合考虑。

2.4 基于氮磷农田利用的畜禽粪尿土地承载力和畜禽发展潜力分析

为更好地指导农业生产，将黄淮海地区作物生长对粪肥氮磷的需求量按照猪当量折算成畜禽粪尿土地承载力。考虑到秸秆还田、施用有机肥等带入了一定量氮素，需将这些影响扣除。2017年全国秸秆还田带入总氮约350万t，施用有机肥带入总氮约30万t，两者之和约占作物粪肥氮需求量的20%，故笔者将作物对粪肥的需求量定为理论需求量的80%。2017年黄淮海地区基于氮和磷的土地承载力分别为42 262.70万和66 197.83万头猪当量，取两者中的较小值，即整个黄淮海地区畜禽养殖土地承载力为42 262.70万头猪当量。

为进一步明确各地区畜禽养殖发展潜力值，以作物生长对粪肥氮磷需求量与现有畜禽养殖粪尿氮磷量的差值，按照一定系数折算成各地区可进一步扩大的畜禽养殖量(表5)。除北京为负值外，其余地区均有一定的发展潜力。整个黄淮海地区畜禽养殖发展潜力为26 647.81万(基于氮)和47 498.26 万头猪当量(基于磷)，取两者中的较小值，即整个黄淮海地区畜禽养殖发展潜力为26 647.81 万头猪当量。各地间的分布极不平衡，以基于氮的结果看，北京需削减66.34万头猪当量，天津、安徽、江苏、河北、河南和山东的畜禽发展潜力分别为104.56万、3 569.14万、3 691.77万、4 199.70 万、8 371.26 万和6 777.72万头猪当量，河南和山东仍然是畜禽养殖进一步扩容的主要区域。除秦皇岛、烟台、威海和日照外，其余城市均表现为基于磷估算的畜禽养殖潜力大于氮。按照取最小值的原则，秦皇岛、烟台、威海和日照畜禽养殖发展潜力以磷估算的结果为准，故山东省、河北省和黄淮海地区畜禽养殖潜力值分别调整为6 609.53万、4 189.90万和26 469.82万头猪当量。

表5 黄淮海地区畜禽养殖发展潜力

3 讨论

3.1 总量控制，优化布局

黄淮海地区畜禽养殖整体上仍有较大发展潜力，但分布极不均衡。有些城市(如河南漯河)耕地面积不大，但畜禽养殖规模大、种类多，；有些城市(如河北邢台)耕地面积大，但养殖规模小。因此，下一步调控应以各地区作物生长对氮磷养分的需求为基础，调控畜禽养殖量及其分布。按照各地区畜禽养殖环境风险程度，可将黄淮海地区分为畜禽养殖削减区、严格控制区、适当控制区、一般发展区和重点发展区。北京属削减区，天津、秦皇岛、烟台属严格控制区，威海、日照、德州、滨州、洛阳、许昌、漯河属适当控制区，邢台、安阳、商丘、枣庄、亳州、淮北、徐州、连云港、盐城、淮安属重点发展区，其他地市属一般发展区。

3.2 进一步优化畜禽发展潜力评价方法

目前，用于评价耕地畜禽粪污承载力的方法有多种，如彭里[18]以土壤氮平衡为基础，估算重庆市畜禽养殖土壤负荷；沈根祥等[4]基于畜禽粪污氮素提供量与区域作物生长对氮素需求量的比值，分级评价不同区域的畜禽养殖发展潜力；郭珊珊等[19]以畜禽粪尿产量与单位面积耕地最大可承受的畜禽粪尿量(取37.50 t·hm-2)的比值，作为评价畜禽养殖污染耕地承载力的指标。这些研究极大地丰富了耕地畜禽粪污承载力评价方法，但也存在一些问题，如实际操作困难，一些关键参数难以获得，同一地区不同区域土壤本底养分可能存在较大差别等。

该研究采用基于作物氮磷养分需求的畜禽养殖发展潜力评价方法，可以规避因种植结构和作物产量差异造成的误差，更接近实际需求。对比基于氮和磷估算出的畜禽发展潜力值发现，各地区基于氮和基于磷得出的结果差别很大，绝大部分地区基于磷的畜禽发展潜力值大于氮，个别地区则刚好相反，究其原因在于各地区养殖类型、作物种类和产量存在差异。因此，在评价区域畜禽养殖发展潜力时需同时基于氮素和磷素进行估算，取最小值作为区域畜禽养殖发展潜力值更合理。

3.3 畜禽养殖数据核查矫正

该研究涉及北京、天津、河南、河北、山东、安徽和江苏7个省(市)的种植、养殖和耕地数据，涉及面广且数据量大，数据来源以国家和省(市)统计年鉴为主，部分指标来自县市统计年鉴，不同来源的数据可能存在不一致的情况。在肖琴等[6]的研究中，盐城和徐州基于氮的环境风险指数均为0.5～1.0，基于磷的环境风险指数分别为0.5～1.0和1.0～2.0，笔者研究结果为<0.2，差别较大。对比两者研究方法发现，该文所用数据为2016年的统计数据，部分数据为2015年，而笔者所用数据为2018年统计数据；在计算区域粪肥需求量时，肖琴等[6]对粪肥中氮素和磷素的当季利用率分别以25%和30%计，而笔者分别以28.5%和32.5%计，加之近几年非洲猪瘟和畜禽养殖结构调整，畜禽养殖量变化较大，这可能是导致两者结果差异较大的原因。受农业产业结构调整和畜禽产品市场波动影响，畜禽养殖量波动较大，加之各部门统计口径不同，需及时更新畜禽养殖量及其分布数据。

4 结论

(1)2017年黄淮海地区畜禽粪尿、氮和磷产量分别为31 434.18万、172.90万和31.10万t。各地区间差异较大，莱芜和淮北畜禽粪尿产量均低于100万t，而临沂、德州、菏泽、潍坊、周口、驻马店产量均超过1 000万t，山东省畜禽粪尿产量远高于其他省(市)。

(2)黄淮海绝大部分地区畜禽粪尿耕地负荷仍处于较低水平，有81.82%的城市畜禽粪尿耕地负荷低于15 t·hm-2，70.91%的城市畜禽粪尿氮负荷低于75 kg·hm-2，78.18%的城市磷负荷低于15 kg·hm-2。

(3)从畜禽养殖环境风险看，北京属削减区，天津、秦皇岛、烟台属严格控制区，威海、日照、德州、滨州、洛阳、许昌、漯河属适当控制区，邢台、安阳、商丘、枣庄、亳州、淮北、徐州、连云港、盐城、淮安属重点发展区，其他地区属一般发展区。

(4)黄淮海地区基于氮磷农田利用的土地承载力为42 262.70万头猪当量，畜禽养殖潜力值为26 469.82 万头猪当量，但分布极不平衡。除北京需削减66.34万头猪当量外，其他省市均有较大发展空间，河南和山东是区内畜禽养殖进一步扩容的主体。