泛种养结合视角下北京市养殖业土地承载力评估

郭薇仪，崔建宇，张 望，王 涛，刘 忠，李金桥，薛方旭，慕康国，胡 林※

（1. 中国农业大学资源与环境学院/农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193；2. 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；3. 石家庄高新技术产业开发区环境监控中心，石家庄 050000）

0 引 言

畜禽养殖业的快速发展，在满足人类对于肉蛋奶需求的同时，也产生了大量的畜禽粪污。畜禽粪污中含有丰富的氮磷养分资源，可以制成有机肥，为有机农业提供支撑。但是，如果畜禽粪污施用量过大，也易造成环境污染。因此，种养业的合理匹配对一个地区的养殖业发展和环境保护有着重要影响。种养结合、绿色发展是中国未来农业的必由之路，国家和地方政府对此十分重视。近十年来，在畜禽粪污循环利用、土地消纳等方面多次出台有关政策。为了防止畜禽粪污对环境的污染，2016年北京市提出了畜禽养殖禁养区划定的要求（京政农函〔2016〕10号）。为了更好地促进种养结合，农业农村部和财政部于2021年5月出台了关于绿色种养循环农业试点的最新指导意见（农办农〔2021〕10号）。

对畜禽粪污的土地承载力的准确估算是种养结合的关键。首先，应该准确计算养殖业畜禽粪污的产生量。早在1986年，陈恩平等[1]就对上海市郊区的畜禽粪污产生量及利用情况进行了调查和研究。但在早期的研究中，在畜禽种类选择、估算方法、参数取值等方面都不一致，因此畜禽粪污产生量的结果差距很大，相互之间的可比性差。2006年，王方浩等[2]较为全面地收集整理了1994—2004年国内公开发表的文章中各种畜禽粪便排泄系数，并与美国农业工程学会实验得出的产排污系数进行对比分析，在此基础上确定参数取值，进而估算了全国的畜禽粪污产生量。2009年中国开展第一次全国污染源普查，并发布了《畜禽养殖业源产排污系数手册》[3]（以下简称《手册》）。这就使得计算畜禽粪污的产生量有了相对统一的标准。

对于畜禽粪污消纳场所的选择，大部分研究者都以耕地为研究对象[4-6]，只有少量的研究者计算了除耕地以外的畜禽粪污土地消纳能力[7-9]。如潘瑜春等[7]在北京平谷的研究发现，仅仅使用耕地作为消纳场所，单位面积土地粪污负荷达49.74 t/hm²，而使用园地加耕地作为消纳场所时，粪污的负荷降为16.7 t/hm²；王涛等[8]在评估西安市畜禽养殖潜力时，将猕猴桃园作为畜禽粪污消纳场所进行了研究。耿维等[9]在评估安徽省的畜牧业环境承载负荷时，也初步将园地、林地、牧草地纳入了考虑范围，但是没有考虑到并非所有林地都适合的问题。对于单位面积耕地氮磷养分需求参数取值，简略的方法是直接选择欧盟标准，其总氮、总磷的限值分别为170及35 kg/hm²，这也是很多研究者所采用的取值[10-11]。但是，中国地域广阔，生态条件各异，种植制度与欧盟有很大不同，直接取欧盟标准值过于粗略，按照不同生态条件、不同土地类型的植物实际生长状况确定单位面积氮磷需求量才更为准确[12-14]。

耕地是畜禽粪污消纳的重要场所。但是，从种养结合的角度来看，园地、林地、草地等其他类型的土地也是可以作为消纳场所的。充分利用各类土地的畜禽粪污消纳能力，对于更好的促进养殖业发展和环境保护之间的协调，具有重要意义。但是，目前在北京全市域范围内，全面评估可作为畜禽粪污消纳场所的各类土地的粪污承载力研究尚未开展。本研究选择粮地、菜地、园地、部分林地、草地及未利用土地6种地类作为畜禽粪污的消纳场所，以一种更广泛的视角将养殖业与种植业结合起来，计算北京地区畜禽养殖业的土地承载力，旨在为环境保护和种养业的长远协调发展提供指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 畜禽饲养量、饲养周期、产排污系数

2018年北京畜禽养殖量数据来自2019年《北京市统计年鉴》[15]、2019年北京各区县统计年鉴以及北京市统计局相关资料。选择的畜禽种类有生猪、能繁母猪、肉牛、奶牛、羊、肉鸡、蛋鸡，鸭。产排污系数和饲养周期数据来源于2009年颁布的《手册》[3]，如表1所示。其中，猪产污系数=1/3保育期产污系数+2/3育肥期产污系数；能繁母猪按妊娠阶段猪产排污系数计；奶牛产排污系数以产奶阶段计；蛋鸡产排污系数以蛋鸡产蛋阶段产污系数计；肉禽（肉鸡、鸭）产排污系数以肉鸡的产排污系数计。羊的产排污系数来自文献[16]。

表1 畜禽产排污系数Table 1 Pollution production coefficient of animals

1.1.2 粮地、菜地、园地的面积及单位面积养分需求量

北京市粮地、菜地、园地的面积，从统计年鉴中获取。根据北京市粮地、菜地、园地的实际种植情况，粮食体系选择小麦-玉米轮作体系计算；蔬菜体系将蔬菜种类分为喜温类和喜凉类，蔬菜地全年氮磷养分需求为喜温类和喜凉类之和；果树体系选择北京市种植面积最大的3种果树（苹果、梨、桃）进行计算。作物的产量来自2017—2019年北京市各区县统计年鉴，取3 a的单产平均值作为北京市相关作物的产量统计值。统计年鉴中蔬菜数据不全，相关补充数据来自北京市农业局。

粮地、菜地、园地的单位面积养分需求量根据农业部出台的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[17]（以下简称《指南》）并参照近15 a前人发表的相关研究结果校验确定。

1.1.3 林地、草地、未利用土地的面积及单位面积养分需求量

关于林地、草地、未利用土地的面积数据，北京市统计年鉴中数据不全。本研究根据中国科学院地理科学与资源研究所2015年北京市域土地1 km×1 km栅格二级地类成分数据，按照中科院土地利用/土地覆盖变化分类体系[18]，获得了林地、草地、未利用土地的面积数据。

并非所有的林地都可以作为畜禽粪污的消纳场所，尤其是位于崎岖陡峭的山区。本研究所选的林地是指离养殖场较近、交通便利、地形相对平缓的林地。以所在地区县政府海拔基准点±50 m的条件进行筛选。对于草地和未利用土地，用同样的方法筛选，在本研究中统称为可用林地、可用草地和未利用土地。

可用林地、可用草地、未利用土地的单位面积养分需求量根据园地、欧盟标准及各地类特点调整取值。

1.2 计算方法

1.2.1 畜禽粪污产生量

式中M为畜禽粪污产生量，万t；i为第i种畜禽；Ni为饲养量，万头或万只；Ti为饲养周期，d；ηi为产排污系数，kg/d。

1.2.2 畜禽粪污氮磷养分资源量

式中N为氮养分资源量，t；P为磷养分资源量，t；iϕ、ψi为氮、磷产生系数，g/d。

1.2.3 畜禽养殖土地承载力

本研究中，畜禽养殖土地承载力是指在种养结合的情况下，一个地区产生的畜禽粪污施用到种植业或植物生长的土地中，在不污染环境的条件下，该地区土地所能容纳的畜禽养殖的最大量。单位面积土地氮磷消纳量是通过该地区植物生长的氮磷养分需求量来估算的。

2018年农业部发布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[17]指出，采用猪当量来计算畜禽养殖的土地承载力。猪当量是指用于衡量畜禽氮（磷）排泄量的度量单位，主要用于不同畜禽之间的归一化计算和比较。在本研究中，一头猪的猪当量是指一头肉猪在一个饲养周期里排泄的氮磷量。《指南》中认为单位猪当量的氮排泄量为11 kg，磷排泄量为1.65 kg，其数值更接近于能繁母猪全年的排泄量。本研究根据2009年发布《手册》[3]的参数计算出华北地区单位猪当量氮、磷养分排泄量分别为5.76和1.03 kg。在潘瑜春等[7]的研究中单位猪当量氮供给量为5.77 kg，与本研究相似。所以本研究未采用《指南》中的值，而采用《手册》中的结果。

2 结果与讨论

2.1 畜禽粪污产生量及氮磷养分资源量

根据2018年畜禽数量与饲养周期、产排污系数得到了2018年北京市的畜禽粪污总量为380.1万t，如表2所示。从各区（县）来看，产生量最大的3个区是顺义、平谷和通州，分别为81.3万、71.2万和67. 4万t，三区合计占全市总量的57.9%，其次，延庆和密云县的粪污产生量为48.0万和47.1万t，两者合计占比25%。丰台、门头沟、海淀区产生量较少，三者合计占比不足7%。从各畜禽大类来看，粪污产生量大小依次为牛（肉牛、奶牛）、猪（生猪、能繁母猪）、禽类（蛋鸡、肉鸡、鸭）、羊，占北京市总量依次为35.64%，34.21%，22.02%，8.13%。

表2 还列出了北京各区（县）畜禽粪污氮养分资源量。2018年北京市畜禽粪污氮养分资源总量为26 118.2 t，折合为453.4万头猪当量。从畜禽大类来看，各类畜禽粪污氮资源量大小依次为猪、禽类、牛、羊，比重依次为42.05%、28.39%、26.72%、2.84%，猪、禽类、牛是氮养分资源的主要贡献者。从各区（县）来看，氮养分资源量最大的3个区为平谷、顺义、通州，分别为98万头、97万头、75.9万头猪当量，占全市资源量的比例分别为21.63%、21.39%、16.75%，3区合计占比达到59.77%。占比最少的是丰台、门头沟、海淀3区，合计占比不足2.5%。

表2 2018年北京市各区（县）畜禽粪污氮养分资源量Table 2 Nitrogen resources of animal manure in various districts of Beijing in 2018

2018年北京市磷养分资源总量为5 289.8 t，折合成猪当量，为513.6万头猪当量。从畜禽大类来看，各类畜禽粪污磷资源量大小依次为禽类、猪、牛、羊，比例依次为39.19%、38.40%、19.64%、2.77%，禽类、猪、牛是磷养分资源的主要贡献者。禽类在磷养分资源总量中的贡献比在氮养分资源总量中要大，占比从28.39%增加到39.19%；猪和牛的磷养分资源总量贡献占比相对于氮养分资源总量有所下降，分别从42.05%和26.72%下降到38.40%和19.64%。从各区（县）来看，磷养分资源量最大的3个区还是平谷、顺义、通州，分别为131.0万头、102.5万头、74.5万头猪当量，占全市的比例分别为25.51%、19.96%、14.50%，3个区合计占比达到59.98%。

2.2 北京市可用于消纳畜禽粪污的土地资源量

能用于消纳畜禽粪污的粮地、菜地、园地的土地资源量，根据北京市统计年鉴获得；可用林地、可用草地、未利用土地的资源量根据中国科学院地理所的遥感数据，按中科院土地利用/土地覆盖变化（Land-Use and Land-Cover Change, LUCC）分类体系提取获得，数据汇总见表3。

表3 北京市可用于消纳畜禽粪污的土地面积Table 3 Land area available to be used for animal manure disposals in Beijing hm2

北京市可用于消纳畜禽粪污的6种土地面积总和为21.8万hm2，其中占比最大的是粮地（6.9万hm2），占总面积的31.72%；其次是园地（5.9万hm2），占总面积的27.01%；菜地为4.3万hm2，占总面积的19.81%，粮地和菜地是典型的耕地, 占总面积的52%，是畜禽粪污的主要消纳场所。可用林地为3.76万hm2，占总面积的17.22%；可用草地为9171.2 hm2，占总面积的4.20%；占比最小的是未利用土地，面积为79.6 hm2，仅占总面积的0.04%，几乎可以忽略。研究发现，可用林地和可用草地占北京市能用于消纳畜禽粪污土地总面积的21.42%，这些土地资源是不可忽视的。

对于林地而言，可用于消纳畜禽粪污的土地面积为3.8万hm2，占北京市林地总面积的5.14%；对于草地而言，可用面积为9 171.2 hm2，占草地总面积的8.28%；可用于畜禽粪污消纳的未利用土地面积为79.6 hm2，占总未利用土地的53.64%。从各区来看，能用于消纳畜禽粪污的土地资源量最大的前3个区是密云、延庆、平谷，分别为30 922.2、29 360.4、27 143.2 hm2，比例依次为14.16%、13.44%、12.43%，3个区合计达到40.03%。

2.3 不同类型土地单位面积养分需求量

粮地、菜地、园地、可用林地、可用草地以及未利用土地的单位面积氮磷养分需求值在考虑到北京各地类种植模式的情况下、通过广泛参照有关文献校验确定取值，文献来源及取值结果归纳汇总如表4。

表4 北京市各种土地利用模式下单位面积氮磷养分需求量Table 4 Demands of nitrogen and phosphorus per unit area in various land types in Beijing kg·hm-2

2.3.1 粮 地

按照北京市粮地的种植结构，本研究选择了广泛种植的冬小麦-夏玉米轮作复种模式估算。按照《指南》[17]中的参数、统计年鉴中的单位面积产量，可以得到各作物单位面积土地的氮磷养分需求量。北京市单位面积小麦氮磷养分需求量分别为160.89和53.63 kg/hm²，玉米的单位面积氮磷养分需求量为148.05和19.31 kg/hm²。根据《指南》计算的结果与其他文献调研[19-22]的结果相近，从而确定北京市粮地单位面积的氮磷养分需求量分别为308.9和72.9 kg/hm²。

2.3.2 菜 地

粮食地和蔬菜地构成了北京市耕地的主体。北京新时期都市现代农业发展规划，重点推进菜篮子工程，拓展了蔬菜种植规模。本研究根据2018年不同类型蔬菜的统计数据，将其分为喜温类和喜凉类，在单位产量的基础上，运用《指南》[17]的氮磷养分需求参数，按照种植面积进行加权平均，得到各类蔬菜的单位面积氮磷养分需求值。喜温类蔬菜的单位面积需氮磷量为146.27和53.34 kg/hm²；喜凉类蔬菜单位面积需氮磷量为257.93和69.56 kg/hm²，喜温类加喜凉类蔬菜种植组成全年蔬菜复种种植模式。根据《指南》计算的结果与其他文献调研[23-26]的结果进行比较，确定北京市菜地的单位面积全年氮磷养分需求量为404.2和122.9 kg/hm²。

2.3.3 园地

畜禽粪污也可以利用园地进行消纳，如北京平谷区的果园在农地中占有很大的比例。因为缺乏准确的统计年鉴数据，所以对于园地的单位面积氮磷消纳量主要采用文献调研的方式确定。潘瑜春等[7]评估北京平谷区的果园地畜禽粪污消纳能力时认为，园地氮、磷需求值为250和55 kg/hm²；李燕青等[27]在研究辽宁省苹果主产区时，认为维持适宜产量合理的施肥量为纯氮200～360 kg/hm²，纯磷100～180 kg/hm²。本研究综合分析文献[7,27-29]，确定园地的氮磷养分需求值分别250和55 kg/hm²。

2.3.4 可用林地，可用草地，未利用土地

可用林地作为畜禽粪污消纳场所的相关研究很少。有调研资料[30]显示，林场工人凭借经验施肥，认为氮肥需求值为240 kg/hm²。刘晓永[12]在计算中国农业生产中养分平衡时，分析国内外植物营养试验数据和相关文献认为竹林地的氮肥需求值为205.85 kg/hm²，草地的氮肥需求值为150 kg/hm²。相对于园地，一般的林地土层较薄，土壤条件较差，地块中石砾，甚至岩石也很常见，所以林地植物生长对氮磷需求比园地要少。本研究以园地为参考，选择其80%作为可用林地的单位面积氮磷养分需求值，分别取200及44 kg/hm²。

可用草地作为畜禽粪污消纳场所的相关研究更少。对于可用草地的单位面积氮磷养分需求值，为了便于计算，本研究选择欧盟标准，分别取170及35 kg/hm²。未利用土地，一般由于存在某种不利因素而难以利用，如存在地质、土壤、水文、肥力等障碍。对于植物生长而言条件较差，对氮磷的需求比草地更少。未利用土地作为畜禽粪污消纳场所的相关研究几乎没有，为了便于计算，本研究选择欧盟标准的50%作为取值标准，分别为85及17.5 kg/hm²。

2.4 北京地区养殖业土地承载力

根据不同类型土地的资源量和单位面积的氮磷养分需求分析可知，北京市6种土地类型总的养殖业承载力以氮计为1 089万头猪当量；以磷计为1 514万头猪当量。从限制因素角度考虑，氮是限制因素，因此本研究重点讨论以氮计的结果。北京各区县各种地类的畜禽养殖土地承载力（以氮计）分布如图1所示。从各区县来看，在以6种土地类型作为消纳场所的情况下，大兴畜禽养殖业承载力最大，为157万头猪当量；密云次之，为144万头猪当量；延庆第三，为131万头猪当量。平谷、顺义、房山的畜禽养殖土地承载力也都达到100万头猪当量以上；海淀、门头沟和丰台的畜禽养殖土地承载力较小，三者合计只有56万头猪当量。

对北京市的不同地类畜禽粪污消纳能力而言，粮地的养殖业承载力为371.6万头猪当量，菜地的养殖业承载力为303.6万头猪当量，粮地和菜地构成耕地的主体，总量达到675.2万头猪当量。本研究发现园地也起重要作用，加上园地的贡献，土地养殖业承载力从耕地的675.2万头猪当量增加到了931.3万头猪当量，增加了256万头猪当量，是耕地养殖承载力的1.38倍。

可用林地的养殖业承载力为130.6万头猪当量，则4种地类的养殖业承载力总量达到1 061.9万头猪当量，是耕地的养殖业承载力的1.57倍。可用草地和未利用土地使畜禽养殖业承载能力增加不多，这主要是北京草地和未利用土地面积很小，单位面积的氮磷消纳量也很小。可用草地的养殖业土地承载力为27万头猪当量，未利用土地的养殖业承载力只有0.12万头猪当量，几乎没有什么影响。6种地类的承载力总量达到1 089.1万头猪当量，是耕地的养殖业承载力的1.61倍。其中，增量的主要贡献者是园地和可用林地，占增量的93.4%。以氮计，消纳畜禽粪污的土地类型增加对北京市畜禽养殖承载力影响如图2所示。对北京而言，重点应考虑园地和可用林地对畜禽养殖土地承载力增加的贡献。

2018年北京实际畜禽养殖量为453.4万头猪当量。若以耕地的畜禽养殖土地承载力计，还有221.8万头猪当量的养殖容量；若以6种土地的承载力计，还有635.7万头猪当量的容量。

以上的研究结果是以有机肥全部作为土地的氮磷养分供应来分析的，考虑到化肥肥效高，使用方便等因素，实际上完全替代化肥是很难做到的。在有机肥50%替代化肥的情形下，若仅以耕地（粮地、菜地）为畜禽粪污的消纳场所，土地承载力为337.6万头猪当量，则2018年的养殖规模已经超过耕地承载力。若以粮地、菜地、园地作为消纳场所，则土地承载力为465万头猪当量，与实际养殖量接近。若再增加可用林地，则4类土地的养殖容量为531万头猪当量，比现有养殖规模大17%，若以6种土地作为消纳场所，其土地承载力为544.5万头猪当量，与现有养殖规模相比，还有20.1%的养殖潜力。

李艳梅等[31]在评估北京顺义区畜禽粪污资源量时，计算得到猪牛可替代氮的纯养分量为4 477 t，在本研究中，顺义区的猪牛粪污产生的氮养分量为4 825 t，两者结果较为接近。张莎莎等[30]估算了2018年北京畜禽粪便资源总量为330万t，比本研究的结果少50万t，主要是其畜禽种类少选了能繁母猪、肉牛、羊和鸭。另外，其研究认为北京市总体农用地畜禽粪肥负荷现状不容乐观，存在环境污染风险，这与本研究的结论不同。主要原因是该研究对作物氮磷需求值的估算偏小，不论是粮食还是蔬菜地都以单季作物平均值估算，比北京实际种植的复种模式养分需求少了约一半。另外，其畜禽粪污的消纳场所也仅考虑了耕地和园地。王海莲等[32]研究认为北京市畜禽粪污对环境不存在威胁。不过该研究是基于2019年北京市的养殖数据做出的，而2019年北京市畜禽养殖规模与2018年相比有大幅度的下降。

近年来，北京市畜禽养殖规模下降明显。张望[33]根据2016年的数据，计算出北京当年畜禽养殖氮养分资源量为758.8万头猪当量，与本研究的453.4万头猪当量相比，2 a之间下降了305.3万头猪当量，降幅达40.24%。养殖业的大起大落也是不利的，理想的种养匹配，要考虑环境保护和养殖业的协调发展，对环境容量要进行科学测算。既不盲目扩张养殖业造成环境污染，也要充分利用土地承载力来支持养殖业发展。

与大多数研究者仅将耕地作为畜禽粪污的消纳场所不同，本研究选择了粮地、菜地、园地、可用林地、可用草地以及未利用地6种土地类型作为畜禽粪污的消纳场地开展了研究，为本研究领域打开了新的视角。根据本研究结果，充分利用6种土地类型比仅仅用耕地作为消纳场所，其畜禽养殖土地承载力可以增加60%以上。

本研究畜禽粪污的土地承载力主要依据畜禽粪污中氮磷供给量与植物吸收带出量的关系确定，没有考虑土壤中氮磷的本底，其研究结果主要适用于区域宏观分析、环境影响评价、产业布局及政策制定，而不是用于地块尺度上的种植和施肥决策。

3 结 论

1）2018年，北京市畜禽粪污实物量为380.1万t，氮养分资源量为26 118.2 t，磷养分资源量为5 289.8 t。

2）在有机肥全部替代化肥的情形下，仅以耕地作为畜禽粪污的消纳场所，则全市耕地能够承载的最大养殖量为675.2万头猪当量；若以6种土地作为畜禽粪污的消纳场所，则土地承载力为1 089.1万头猪当量，总的养殖容量是仅以耕地作为消纳场所的1.61倍。其中，增量的主要贡献者是园地和可用林地，占增量的93.4%。

3）在有机肥50%替代化肥的情形下，若仅以耕地作为畜禽粪污的消纳场所，其承载力不足以支撑2018年的养殖规模；若加上园地、可用林地，则4种土地的养殖容量为531万头猪当量，比现有养殖规模大17%。

因此，在环境保护的前提下促进养殖业的发展，一是要扩大有机肥对化肥的替代比例，二是要将更多的可作为畜禽粪污消纳的土地类型加以充分利用，对北京而言，特别要关注园地和可用林地的土地承载潜力。