基于氮平衡原理的成都市单位土地面积载畜量分析

刘金鑫，白林，周立新，王定国，刘一辉，薛佳

（1.四川省成都市动物疫病预防控制中心，四川 成都 610041；2.四川农业大学动物科技学院，四川 成都 611130；3.四川省畜牧总站，四川 成都 610041）

1 研究目的

基于氮平衡原理，根据土地对畜禽养殖废弃物的承载能力，测算作物单位种植面积的载畜量，是实现种养结合预防污染的基础。在各地养殖业规划实践中，因为已有的计算模型［1-4］没有考虑一些影响废弃物还田的重要因素，得出的载畜量数据过大，存在着总体平衡和局部不平衡的问题。本研究基于氮平衡原理，在充分考虑各种影响养殖废弃物资源化还田因素的前提下，引入距离系数、地形系数等新参数，对已有的载畜量计算模型进行完善和修正，并利用新算法对成都市不同作物的单位土地面积载畜量进行分析，以期为规模养殖场就近配套适合的种植基地提供科学依据。

2 分析方法

2.1 计算方式 单位土地面积载畜量是指单位土地面积内能够承载牲畜的最大容量，可用于指导规模养殖场建设中配套种植面积的多少。根据成都市畜禽养殖、种植现状和地理环境条件，参考陈天宝等［5］计算模型中非约束条件和完全约束条件的概念，再引入粪肥还田耕地距离系数和地形系数概念，提出成都市单位土地面积载畜量计算公式。要计算出单位土地面积载畜量需先计算单位土地面积作物产量所需的氮含量，再与一个猪当量提供的氮含量进行比较，即得出单位土地面积载畜量计算公式：

式中，X表示单位土地面积载畜量；q表示作物单位面积产量；t表示不同植物形成1 kg产量需要吸收的氮量；k表示施肥供给养分占比；β表示粪肥占总施肥比例；α表示耕地距离系数；λ表示地形系数；a表示单位猪当量的氮养分供给量；r表示氮素当季利用率。根据公式先计算单位面积作物产量，然后结合不同植物形成1 kg 产量需要吸收的氮量、施肥供给养分占比、粪肥占总施肥比例、单位猪当量的氮养分供给量和氮素当季利用率来计算单位土地面积载畜量。单位土地面积载畜量主要受β、α和λ三个变量的影响，计算时可固定其中两个变量来得出不同条件下的单位土地面积载畜量。

2.2 具体参数

2.2.1 猪当量折算系数 由于畜种不同，计算时将其他畜种折算为猪当量作为衡量畜禽氮排泄量的度量单位，1头猪为1个猪当量，其他畜种的折算系数根据《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596-2001）来确定，并用于后续分析。

2.2.2 成都市主产作物产量 成都市农产品生产以粮食作物、蔬菜和水果为主，其中水稻、小麦和玉米产量占粮食作物产量的85%以上，水果生产以苹果和柑橘为主，通过查阅2014～2018年的《成都市统计年鉴》，得到10种主要农作物（水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油料作物、蔬菜、茶叶、苹果、柑橘）产量。本研究以水稻、玉米、油料作物、蔬菜等成都地区主要农作物为研究对象，通过《成都市统计年鉴-2018》获得总产量和播种面积的统计数据，通过计算得到单位土地面积作物产量（q）。

2.2.3 农作物生产所需要的氮含量（t）本次未对农作物单位产量的需氮量进行实验室检测，而直接采用农业农村部公布的不同植物形成100 kg产量需要吸收的氮量推荐值来进行计算；蔬菜吸收氮量的数据来自文献《土壤肥料学通论》［6］。

2.2.4 粪肥所提供的氮含量 本次研究综合考虑畜禽粪污在贮存和发酵过程的留存率以及在不同阶段的损失情况，参考《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，最终采用单位猪当量氮养分供给量（a）为7.0 kg，其他畜禽日产生量采用猪当量进行转换获得。

2.2.5 氮肥中氮素使用量 化肥中氮素的使用量采用折纯法计算，即把氮肥、磷肥和钾肥分别按含氮、含五氧化二磷、含氧化钾的百分之一百成分折算后的数量。通过查阅2014～2018 年的《成都市统计年鉴》，得到氮肥中氮素的使用量。

2.2.6 氮素当季利用率（r）指在氮肥施入后，当季农作物生长所吸收的氮素占所施入氮素总量的比值，即氮肥的利用效率。氮素当季利用率一般受土壤条件、作物种类、气候条件、农艺水平、环境条件等因素影响，如土壤中有机质、pH值、土壤微生物等影响氮肥转化的因素均对氮素当季利用率产生影响。不同作物的氮素当季利用率均不同，一般认为C4植物的利用率高于C3植物，且不同气候条件也会对氮素当季利用率产生影响。根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》和《畜禽粪便农田利用环境影响评价准则》（GB/T 26622-2011），确定氮素当季利用率为25%～30%。

2.2.7 施肥供给养分占比（k）参考《农业农村部办公厅关于印发＜畜禽粪污土地承载力测算技术指南＞的通知》（农办牧〔2018〕1号）附表中“土壤不同氮磷养分水平下施肥供给养分占比推荐值”。

2.2.8 粪肥占总施肥比例（β）β的取值范围在0～1 之间，我们可将其分为三种情况，非约束条件、约束条件和完全约束条件。在非约束条件下，作物从肥料中吸收的氮素含量全部来源于畜禽粪肥，即只施用畜禽粪肥，不施用化肥，β＝1，此时单位土壤畜禽承载能力最大；在完全约束条件下，作物从肥料中吸收的氮素含量全部来源于化肥，即只施用化肥，不施用畜禽粪肥，β＝0，此时单位土壤畜禽承载能力最小；在约束条件下，化肥和畜禽粪肥按照一定比例施用，0＜β＜1。在实际生产中，常根据作物生长养分需要和土壤养分含量的实际情况来确定化肥和畜禽粪肥的施用比例，β的取值处在约束条件下。要想充分利用畜禽养殖废弃物，避免污染环境，实现种养平衡，我们假设畜禽养殖废弃物产生的氮素量全部还田使用，这样可以计算出2013～2017年五年间成都市粪肥占总施肥比例为0.50、0.51、0.51、0.50和0.49，可见在氮肥使用量不变，畜禽粪肥被充分利用的情况下，成都市粪肥占总施肥比例取值为0.50。

2.2.9 耕地距离系数（α）在计算单位面积载畜量时，考虑畜禽粪污还田成本的因素，需加入耕地距离系数，增加计算准确性。耕地距离系数指根据畜禽养殖场距离配套耕地远近所确定的计算指数，即α值，取值范围在0～1之间。畜禽养殖场距离配套耕地越近取值越高，从经济学角度来分析，以养殖场为中心，一般在方圆0～5 km范围内，畜禽粪污还田利用的运输成本较低，α取值1。超过5 km的以5为基数，除以实际还田距离，得出α实际取值，距离越远运输成本越高，养殖废弃物还田越困难，α取值也越低。

2.2.10 地形系数（λ）在计算单位面积载畜量时，还需要考虑地形因素对畜禽粪污还田利用的影响，增加计算准确性。地形系数指畜禽养殖废弃物还田利用受地形因素影响，根据耕地所在的不同地形确定的计算指数，即λ值，取值范围在0～1之间。成都市地形以平原为主，有少部分丘陵和山地。根据成都市地貌特征，将地形分为平原、浅丘、深丘、浅山和深山5种，按照还田利用难易程度，λ分别取值1、0.8、0.6、0.4和0.2。

3 结果

3.1 只有β值变动情况下的单位土地面积载畜量计算结果 以耕地处于平原地区且与养殖场距离小于10 km范围为前提，α和λ取值为1。

计算时，q值及t值根据参考资料计算而得，k取值0.55，a取值7.0，r取值0.3。将以上测算出的数据带入单位土地面积载畜量计算公式中，可以得出β取值在0～1之间的不同作物的单位土地面积载畜量。其中，β＝0.50 时为成都市目前单位土地面积载畜量推荐值，见表1。

表1 仅β值变动下不同作物的单位土地面积载畜量 头/亩

从测算结果看，在非约束条件下，成都市水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油料作物和蔬菜的单位土地面积载畜量（猪当量单位）分别为3.80头/亩、2.80 头/亩、2.66 头/亩、3.91 头/亩、0.40 头/亩、3.73 头/亩和2.88 头/亩（1 亩≈667 m2，下同）。在约束条件下，β＝0.50，即目前成都市畜禽养殖废弃物实际产生量得以充分循环利用的情况下，水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油料作物和蔬菜的单位土地面积载畜量（猪当量单位）分别为1.90 头/亩、1.40 头/亩、1.33 头/亩、1.95 头/亩、0.20头/亩、1.86头/亩和1.44头/亩。

3.2 只有α值变动情况下的单位土地面积载畜量计算结果 以耕地处于平原地区且粪肥与化肥1∶1混施为前提，λ取值1，β取值0.50，计算得出不同作物的单位土地面积载畜量，见表2。

表2 仅α值变动下不同作物的单位土地面积载畜量头/亩

3.3 只有λ值变动情况下的单位土地面积载畜量计算结果 以耕地与养殖场距离小于10 km范围且粪肥与化肥1∶1 混施为前提，α取值1，β取值0.50，在耕地位于平原地区、丘陵地区和高山地区时，计算得出不同作物的单位土地面积载畜量，见表3。

表3 仅λ值变动下不同作物的单位土地面积载畜量 头/亩

4 分析与讨论

4.1 单位土地面积载畜量计算公式的合理性 本研究提出的单位土地面积载畜量计算公式以氮平衡原理为前提，参考计算模型中非约束条件和完全约束条件的概念，充分考虑了施肥占比、还田距离、养殖场地理位置等因素对粪肥还田利用的影响，使得计算结果更为准确，对实现种养平衡，配套适宜的种养殖规模更具有实际操作性。

4.2 不同作物的单位土地面积载畜量不同 本研究结果表明，不同作物的单位土地面积载畜量不同，载畜量最大的是大豆，其次是水稻和油料作物，最差的是马铃薯，其次是玉米和小麦。需氮量越高的农作物，对肥料的需求量就越大，可消纳的畜禽养殖废弃物就越多。油料作物和茶叶对氮需求量较大，在畜禽养殖数量较多的地区种植油料作物和茶叶，可以充分利用畜禽粪肥，降低畜禽养殖废弃物对环境的污染。相应地，我们也可以根据成都市当前农作物主产或分布区域来指导养殖场的分布，即鼓励在单位土地面积载畜量大的地区发展规模养殖场，而在单位土地面积载畜量小的区域采取限养措施。这也与成都市当前划定的禁限养区相吻合，已划定的适养区都有较好的农作物资源，例如彭州市是重要的蔬菜产地，崇州市是粮油生产基地，蒲江县、邛崃市是水果、茶叶生产基地。

5 结论

本研究基于氮平衡原理来测算成都市畜禽粪污环境承载能力，主要得出以下结论：

5.1 以猪当量单位计，在耕地处于平原地区且与养殖场距离小于10 km 范围的非约束条件下，成都市水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油料作物和蔬菜的单位土地面积载畜量分别为3.80 头/亩、2.80 头/亩、2.66 头/亩、3.91 头/亩、0.40 头/亩、3.73头/亩和2.88头/亩。

5.2 以猪当量单位计，在耕地处于平原地区且与养殖场距离小于10 km 范围的约束条件下，β＝0.50，即目前成都市畜禽养殖废弃物实际产生量得以充分循环利用的情况下，水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油料作物和蔬菜的单位土地面积载畜量分别为1.90 头/亩、1.40 头/亩、1.33 头/亩、1.95头/亩、0.20头/亩、1.86头/亩和1.44头/亩。