山东省滨州市畜禽粪污土地承载力分析

郭 璐，宋晶晶，张 涛，宋立莉，李 峰，沈志强，付石军

（1.山东省滨州畜牧兽医研究院，山东 滨州 256600；2.山东省滨州市农业农村局，山东 滨州）

近年来，随着养殖规模和技术的不断发展，滨州市由畜禽养殖带来的环境污染问题日益显现。畜禽粪污还田资源化利用有利于缓解畜禽粪污产生的环境污染问题，同时也是有效解决当前畜牧养殖粪污环境污染的有效措施[1-2]。目前，国内外基于养分平衡的思想，估算畜禽粪污土地承载力的研究较多[3-6]，但因地域、耕作制度、施肥习惯等方面的差异，研究结果差异较大[7]。本文在结合前人研究的基础上，选取滨州市2013-2018年的年鉴数据，计算作物粪肥养分需求量、畜禽粪污养分供给量及畜禽粪污土地承载力指数，评估农田对畜禽粪污土地承载力的时间变化特征，为滨州市未来畜牧业发展提供参考；同 时，选取滨州市2018年分县域的年鉴数据，定量分析滨州市县域尺度的畜禽粪便年排放量，比较分析不同区域的畜禽粪污土地承载力差异和特征，为农牧业绿色发展、畜牧业发展规模和布局优化提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 统计数据 滨州市农作物种类、播种面积、作物产量、畜禽存栏量数据来源于2013-2018年的《滨州统计年鉴》。

1.1.2 作物养分需求量及粪污养分产生量相关数据 该区域主要作物氮、磷养分需求量数据、主要畜禽种类日排泄氮、磷量数据均来源于《土地 承载力测算技术指南》[8]（表1）。主要畜禽种类日排泄氮、磷量数据来源于《土地承载力测算技术指南》（表2）。不同处理方式下，氮、磷收集、存留率数据见表3[5]。

表1 滨州市主要作物产量及形成100kg产量 需要的氮、磷养分量

表2 滨州市不同畜禽氮、磷日排泄量

表3 不同畜禽粪污收集、处理工艺的氮、磷存留率

1.1.3 土壤养分情况 根据土壤养分特征数据（表4）和施肥供给养分占比情况（表5），确定滨州市土壤氮、磷养分分级为I级。粪污氮当季利用率按30 % 计算，粪污磷当季利用率按35 % 计算。

表4 滨州市耕地土壤养分特征

表5 土壤不同氮、磷养分水平下施肥供给养分占比推荐值

1.2 计算方法

本研究通过计算区域主要农作物的粪污养分总需求量，来反映区域农田系统的粪肥消纳能力。通过构建数学模型的方法来计算畜禽粪污氮、磷的土地承载力。

猪当量的折算按存栏量折算：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽，1头猪相当于60只兔。

1.2.1 农作物粪污养分需求量 滨州市区域作物氮（磷）养分需求总量按公式（1）计算:

式中：Yi为第i种作物的产量（t·a-1）；Ni为第i种作物每100kg产量所需氮（磷）量（kg）。

植物的粪污养分需求量按公式（2）计算

式中：FP为施肥供给养分所占的比例比（%）；MP为施肥养分总量中畜禽粪污需求占比，取25 %[5]；MR为粪污当季利用效率（%）。

1.2.2 畜禽粪污总养分供给量 畜禽粪便养分产生总量按公式（3）计算：

式中：Mn,i为第i中畜禽的粪污养分产生量（t·a-1）；Ai为第i种畜禽的存栏量（头（只））；Ei为第i种动物粪便中氮、磷的日排泄量（g·d-1·头-1）。

畜禽粪污养分收集量按公式（4）计算：

式中：Ms,i为第i种畜禽粪污养分收集量（t·a-1）；PCi,j为第i种动物在第j 种清粪方式所占比例（%）；PLj为第j种清粪方式氮（磷）养分收集率（%），见表3。

畜禽粪污总养分供给量按公式（5）计算：

式中：Mc,i为区域内第i种畜禽粪污处理后养分供给量（t·a-1）；PCi,k为区域内第i种动物在第k种处理方式所占比例（%）；PLk为第k种处理方式氮（磷）养分留存率（%），见表4。

1.2.3 区域畜禽粪污土地承载力 滨州市单位猪当量的粪污养分供给量按公式（6）折算：

式中：A为畜禽养殖实际存栏量饲养总量，已折算为猪当量。

滨州市理论最大养殖量按公式（7）计算：

畜禽粪污土地承载力指数按公式（8）计算：

2 结果与讨论

2.1 滨州市畜禽粪污土地承载力空间分布情况

2.1.1 各区域农作物氮、磷养分需求量情况分析 根据2018年滨州市各类作物播种面积和产量，以及主要作物氮、磷养分的吸收量，估算滨州市农作物的氮、磷需求量分别为11.91万t和2.96万t。根据滨州市总体的施肥供给养分占比、畜禽粪污养分需求量占施肥养分总量的比例以及粪污当季利用率，计算出滨州市种植的主要农作物对畜禽粪污中氮、磷的需求量分别为3.47万t和0.74万t。

滨州市是传统的农业大市，2018年农作物播种面积约为72.82万hm2，其中排名前三的区县分别为：惠民县15.77万hm2、沾化区11.45万hm2、邹平市11.14万hm2，分别占总播种面积的21.7 %、15.7 % 和15.3 %。2018年滨州市农作物总产量达到71.83万t，其中产量较高的区县与播种面积排名前三的区县重合，分别为惠民县260.91万t、沾化区100.06万t、邹平市86.88万t，分别占全市农作物总产量的36.33 %、13.93 %和12.10 %。从滨州市作物粪污氮、磷养分需求量空间分布看，作物粪污氮需求量排名前三的区县分别为：惠民县、邹平市、沾化区；各区县作物粪污磷素需求量情况与粪污氮素需求量情况基本一致。其中作物粪污氮、磷需求量最高是惠民县，分别为0.81万t·a-1和0.18万t·a-1，占全市作物粪污氮、磷需求量的23.3 % 和24.4 %。这是由于惠民县农作物总播种面积和农作物总产量均为全市最高，因此对畜禽粪肥养分的需求量也较高。

2.1.2 畜禽粪污氮、磷养分供给量情况分析 2018年滨州市畜禽粪便氮、磷产生总量分别为5.16万t和0.75万t，主要来源于家禽（占比38 %）、肉牛（占比30.3 %）、猪粪便（占比23.2 %）的供给。考虑畜禽种类、粪污收集处理方式的不同，计算滨州市2018年畜禽粪污产生的实际可利用的氮素、磷素的含量分别为2.98万t和0.56万t。

各区县畜禽粪污中氮、磷养分量的空间分布特征，由于不同区域畜禽养殖的种类不同、养殖数量差异较大，因此畜禽粪污氮、磷养分的产生量也会存在差异。全市的养殖大县主要分布在西北区域。阳信县和无棣县养殖规模较大，分别为129.2万头猪当量和97.1万头猪当量，是滨州市的养殖大县，分别占全市总养殖量的28.7 % 和21.6 %。其中阳信县的养殖主要以肉牛和羊为主，无棣县的养殖主要以家禽和猪为主。博兴县养殖规模属滨州最小，为22.9万头猪当量，仅占全市畜禽养殖量的5.1 %，从整体区域来看，畜禽粪污氮素供应量排名前三的区县与磷素供应量排名前三的区县具有一致性，分别是：阳信县、无棣县、惠民县，3个区县的畜禽粪污氮、磷养分总量约占全市总氮素、磷素供应量最高是阳信县，分别为0.87万t·a-1和0.15万t·a-1，占全市畜禽粪便氮、磷养分供应量的29.1 % 和27.0 %。氮、磷养分供应量最低是博兴县，分别为0.15万t·a-1和0.028万t·a-1，占全市畜禽粪便氮、磷养分供应量的4.9 %、5.0 %，主要原因是博兴县旅游产业发展较快，相比之下畜牧业发展受到了一定的制约。

2.1.3 畜禽土地承载力分析 2018年，滨州市区域作物氮素供给情况下可容纳的畜禽最大养殖量为541万头猪当量，磷素供给情况想可容纳的畜禽最大养殖量为607万头猪当量，取两种测算结果的较小值为该区域的承载量，即滨州市的畜禽养殖最大承载量为541万头猪当量。而2018年滨州市现有畜禽养殖量为449万头猪当量。从全市区域来看，滨州市畜禽承载量仍有较大的发展空间。

用区域内畜禽实际养殖量与可容纳的畜禽最大养殖量的比值，来表示区域畜禽粪污土地承载力指数。可以得出，以氮素指标为基准进行计算时，土地承载力指数为0.83<1，以磷素指标为基准时，土地承载力指数为0.74<1。可见，2018年滨州市以氮、磷指标为基准的畜禽粪污土地承载力指数总体均小于1，说明滨州市有充足的农田土地来消纳畜禽养殖产生的粪污。但在本次计算中，我们采用假定畜禽粪便均匀分布的理想状态，而在实际生产中，畜禽粪污会以加工有机肥等商品形式运输到市外、或者规模化集中养殖，因此，各区域的畜禽粪污实际承载力与理想状态下计算得到的土地承载力存在差异。

从不同区县的土地承载力表征指数看，各区县农田土地对畜禽粪污的消纳能力差异较大，其中博兴县、沾化区、惠民县、滨城区、邹平市以氮、磷为基准的土地承载力指数均小于1，土地并未超载。无棣县畜禽粪污氮、磷的承载力指数均大于1，说明畜禽粪污产生的氮、磷量均超过了农田土地的消纳能力，农田畜禽污染风险较大。而阳信县以畜禽粪污氮为基准的土地承载力指数超过2，以磷为基准的土地承载力指数超过1，分别为2.126和1.72，这说明阳信县的畜牧养殖排放的粪污远远超过农田消纳的量，畜禽粪污产生的氮、磷必须部分外输到其他有机肥缺乏的区域，才能解决阳信县农田土壤氮、磷负荷过量问题。可见，滨州市畜禽养殖主要集中在阳信县、无棣县等西北区域，而博兴县、沾化区畜禽养殖规模整体较小，畜禽养殖空间分布不均匀。

2.2 滨州市畜禽粪污土地承载力时间分布情况

近年来，猪、奶牛、肉牛、羊、兔的养殖量逐年减少，家禽的养殖量变化不大。其中兔、羊、肉牛、猪从2013年到2018年近6年的养殖量降幅分别达到37.26 %、34.32 %、27.27 %和16.65 %，由于奶牛的存栏量较小，从2013年的4.84万头减少到2018年的1.1万头，降幅高达77.27%。总体来看，近六年滨州市的畜禽养殖规模总体呈下降趋势，降幅达25.23 %。选取2013～2018年滨州市畜牧系统相关数据，估算滨州市近6年畜禽粪污土地承载力指数，分析滨州市畜禽粪污土地承载力时间分布特征。

总体来看，分别以氮素（图1 a）、磷素（图1 b）为基准的各曲线变化趋势具有一致性。由于近几年滨州市现代农业发展迅速，农作物种植面积呈持续上升的趋势，从2013年的64.07万hm2增加到 2018年的 72.82万 hm2，增长了13.66 %。作物对畜禽粪污氮、磷养分的需求量也呈稳定上升趋势，从2013年到2018年，氮养分的需求量从2.83万t·a-1增加到了3.47万t·a-1，增长了22.52 %；磷养分的需求量从0.64万t·a-1增加到了0.74万t·a-1，增长了15.95 %。畜禽粪污氮、磷养分供应量在2013至2018年间总体呈下降趋势，在2018年达到最低值分别为2.98万t·a-1和0.56万t·a-1。由图1可以看出，畜禽粪污氮、磷养分供应量随时间变化特征曲线在2013年到2016年间不断下降，2017年有小幅增加，2018年降到最低。这是由于随着近年来环保压力的增大，全市强化了畜禽养殖污染的管理制度，摒弃了一些不符合环保要求的单一养殖户，导致2013年以来的畜禽养殖量呈下降趋势[11]。从指数I随时间变化特征曲线来看，以氮、磷为基准的畜禽粪污土地承载力指数I均呈下降趋势，以氮为基准的I值由2013年的1.33下降到2018年的0.83，以磷为基准的I值由2013年的1.12下降到2018年的0.74。整体来看，近6年类滨州市以氮、磷为基准的畜禽粪污土地承载力指数均呈下降趋势，且自2017年以来，以氮、磷为基准的畜禽粪污土地承载力指数均小于1，说明滨州市自2017年以来畜禽养殖排放的粪便资源中氮、磷没有超过土地的承载能力，仍具有一定的消纳空间。

图1 滨州市畜禽粪污土地承载力时间变化特征

3 结论

（1）整体来看，2018年滨州市全年农作物对畜禽粪污氮、磷养分需求量分别为3.47万t、0.74万t，畜禽粪污氮、磷养分供给量分别为2.98万t、0.56万t，可见滨州市的畜禽养殖仍有较大的发展空间。分区域来看，滨州市的种植业与畜牧业发展规模在空间上存在一定的错位。种植业发达的地区主要为惠民县、邹平市、沾化区，其农作物播种面积和产量均较高，所以作物对畜禽粪污中氮、磷养分的需求量也较高；而畜牧业发达的地区则分布在阳信县、无棣县，其畜禽粪污氮、磷养分资源丰富，博兴县、沾化区、滨城区畜禽养殖规模整体较小，畜禽粪污农田供给能力不足。

（2）畜禽粪污土地承载力分析结果表明，博兴县、沾化区、惠民县、滨城区、邹平市等区县产生的畜禽粪污未超载，而阳信县、无棣县的畜禽粪污量超过了农田的承载能力，特别是阳信县以氮素指标为基准的畜禽粪污土地承载力超过2，外排的畜禽粪污对环境污染的风险较大。但总体上看，滨州市当前的畜牧业发展规模折合为449万猪当量，以粪污氮养分含量作为约束指标，滨州市畜牧业可发展规模为541万猪当量；以粪污磷养分含量作为约束指标，滨州市畜牧业可以发展规模为607万猪当量。取二者的最小值541万猪当量作为滨州市畜牧业可发展规模，实际养殖量相较于最大畜禽承载量尚有一定的空间，说明畜禽粪污仍然有一定的土地消纳潜力。

（3）2013-2018年近6年的畜禽粪污供需量时间变化特征显示，滨州市养殖规模总体呈现下降趋势，由2013年的563万猪当量减少到449万猪当量；畜禽粪污养分供应量呈现下降趋势，作物对粪污养分的需求量呈逐年上升趋势，畜禽粪污土地承载力指数呈持续下降趋势，可见，近年来滨州市畜禽粪污土地承载能力不断增强。从估算结果来看，滨州整体上可合理扩大畜牧业养殖规模。