黄淮海地区不同作物生猪土地承载力估算

陈广银，董金竹，曹海南，吴 佩，黄 艳，汪 玉，郑如婷，左 琳，方彩霞，肖 琦

(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)

随着集约化养殖的快速发展，种养脱节问题日趋严重，以农田消纳猪场粪污成为猪场粪污处理最经济有效的方式之一，但不合理还田可能造成严重的二次污染[1-3]，甚至影响作物生产[4]。为制定科学合理的猪场粪污还田方案，确定猪场粪污农田承载力是首要任务。目前，评价畜禽养殖环境承载力的方法主要包括养分平衡法和指标体系法2种，其中以养分平衡法的使用更广泛[5]。研究人员以区内所有畜禽养殖粪污为研究对象，以区内所有耕地为消纳对象，基于全国[6-7]、地区[8]、省份[9-10]、市[11-12]、县[13-14]、养殖场[15]和家庭农场[16]等不同区域范围的畜禽土地承载力进行了大量研究，其结果对指导区内畜禽养殖规划有一定指导作用，但对具体到某种畜禽粪污的承载力缺乏数据支持。我国畜禽养殖种类多样，不同区域畜禽养殖种类存在较大差别，以区内所有畜禽养殖粪污为对象开展研究存在一定的局限性。杨世琦等[17]在省域尺度下对畜禽粪便农田消纳量及承载负荷的研究发现，畜禽粪便污染的防治对象主要是生猪与肉鸡，重点是生猪。生猪是我国居民生活最主要的肉类来源之一，在我国畜禽养殖业中占有极其重要的地位，评价生猪土地承载力对指导生猪养殖粪污还田和猪场配套农田面积测算有重要意义。冷碧滨等[18]研究了中国生猪大规模养殖的环境承载力；饶中秀等[19]估算了长沙市生猪养殖粪污产量，分析了猪场粪污主要养分含量，并对耕地畜禽承载量进行了估算；贾玉川[20]估算了大庆市猪场粪污产量及粪便在处理过程中氮、磷的变化规律，并对耕地畜禽承载量进行了估算；王诚等[21]估算了山东省生猪排污系数，在此基础上计算出山东省生猪养殖污染物总产量及耕地负荷。在生产中，经常会遇到具体某种畜禽粪污在某一种农作物上的土地承载力问题，但目前这方面的研究较少。杜坤等[22-23]研究了基于玉米种植的生猪土地承载力；柳开楼等[24]评估了在水稻生产中长期施用猪粪的土地承载力。文献调研发现，基于我国某一地区研究不同类别农作物种植时的生猪土地承载力还鲜有报道。

该研究以黄淮海地区为研究范围，估算了该地区生猪养殖污染物产量及耕地负荷。在此基础上，筛选黄淮海地区常见的6种农作物，基于“以种定养、以需定养”的理念，参考《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》(以下简称《指南》)[25]中的相关参数及方法，估算黄淮海地区不同作物单位面积农田的生猪承载力，为生猪养殖粪污还田提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄淮海地区包括北京、天津和山东三省(市)的全部，河南、河北两省的大部，以及江苏、安徽两省的淮北地区，共53个地级市和2个直辖市，包含376个县(市、区)[26]，总面积46.95万km2，是我国北方人口、产业和城镇密集地区，也是全国政治、经济、文化中心所在地，在全国经济发展格局中具有十分重要的战略地位。同时，黄淮海地区是我国四大平原之一，土壤肥沃，农业发达，是我国重要的农产品产地之一。2017年，该地区稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料、蔬菜和瓜果年产量分别占全国总产量的10.69%、72.17%、27.94%、13.71%、37.64%、29.41%、35.82%和49.86%[27]。

1.2 研究方法

1.2.1研究思路

按照“以种定养、以需定养”的思路确定黄淮海地区不同作物单位面积农田粪肥氮、磷需求量，再根据单位生猪粪肥氮、磷养分提供量，估算出单位面积农田的生猪承载量。具体计算过程如下：(1)在查阅大量文献基础上，确定黄淮海地区主要的6种农作物(水稻、小麦、玉米、大豆、油菜和棉花)，获得单位面积农田的农产品产量数据；(2)根据《指南》中各类农作物单位质量农产品的氮、磷养分需求量，计算单位面积农田农作物的氮、磷养分需求量；(3)通过查阅黄淮海地区猪粪替代化肥相关的研究资料，在保证农作物不减产的前提下，确定猪粪氮、磷替代化肥的比例，结合《指南》中相关计算方法，计算出黄淮海地区单位面积农田的粪肥氮、磷需求量；(4)结合单位生猪氮、磷养分供给量，估算出黄淮海地区不同作物单位面积农田的生猪土地承载力。具体流程见图1。

图1 不同作物农田的生猪承载力计算流程

1.2.2数据获取与处理

黄淮海地区各省份耕地面积数据来自各省份2018年统计年鉴；生猪出栏量和农产品单产数据来自各省份的统计年鉴和农业部门的统计数据，河南省漯河市和驻马店市的数据来自2017年统计年鉴。收集的数据采用Office 2010软件进行处理。

1.2.3数据计算过程

1.2.3.1黄淮海地区生猪养殖污染物产量估算

依据黄淮海地区各省份生猪年出栏量、饲养周期和日排泄系数，计算生猪养殖污染物产量，计算公式为

Y=m×T×υ×κ。

(1)

式(1)中，Y为生猪养殖粪便、污水、氮、磷、铜和锌排放量，万t或t；m为生猪年出栏量，万头；T为饲养周期，d；υ为日排泄系数，kg·头-1·d-1或L·头-1·d-1或mg·头-1·d-1；κ为单位换算系数。生猪饲养周期参照王方浩等[28]及原国家环境保护总局[29]的方法，猪饲养周期为199 d，以年出栏量计。生猪日排污系数参照《畜禽养殖业源产排污系数手册》，并进行了适当改进[30]。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。生猪养殖污染物日排泄系数见表1。

表1 生猪养殖污染物日排泄系数

1.2.3.2黄淮海地区生猪养殖污染物耕地负荷

根据黄淮海地区生猪养殖污染物产生情况，结合区内耕地面积，计算生猪养殖污染物耕地负荷，评估区内生猪养殖污染物农田承载情况，计算公式为

(2)

式(2)中，η为生猪养殖污染物耕地负荷，t·hm-2或kg·hm-2；S为耕地面积，hm2。

1.2.3.3不同作物单位面积农田的氮、磷需求量

以黄淮海地区水稻、小麦、玉米、大豆、油菜和棉花6种作物为对象，参考《指南》中的方法，估算单位面积农田不同作物生长的氮、磷养分需求量，计算公式为

(3)

式(3)中，M为单位面积农田作物生长的氮、磷养分需求量，kg·hm-2；A为某种作物单位面积产量，t·hm-2；β为单位产量氮、磷需求量，kg·(100 kg)-1。

1.2.3.4不同作物单位面积农田的猪粪肥氮、磷需求量

查找近年来关于黄淮海生猪养殖粪污农田利用方面的研究资料，在确保农作物不减产的前提下确定猪粪替代化肥氮比例(表2)。文献调研发现，目前对土地承载力的研究大多基于氮进行测算，基于磷的研究较少，故文中磷替代比例数据参考氮取值。

表2 黄淮海地区猪粪在不同作物生长中替代化肥的比例

表中数据均为基于氮的替代比例。未标注参考文献的数据为参考相邻地区的数据；大豆和棉花未见有黄淮海地区猪粪替代化肥相关的研究报道，其替代比例参考油菜。

不同作物单位面积农田猪粪肥的氮、磷需求量参考《指南》，计算公式为

(4)

式(4)中，W为单位面积农田粪肥氮、磷需求量，kg·hm-2；α为施肥供给养分占比，%；θ为粪肥占施肥量的比例，%；ω为粪肥当季利用率。

由于黄淮海地区跨度较大，各地区间土壤类型、肥力等差别较大，通过查阅黄淮海各省份耕地质量监测报告发现，安徽[40]、山东[41]、北京和天津[42]耕地土壤养分等级为Ⅰ级，施肥供给养分占比为35%；河南耕地土壤养分等级为Ⅱ级，施肥供给养分占比为45%[43]；河北省除唐山和秦皇岛耕地土壤养分等级为Ⅱ级，其余地市均为Ⅰ级[44]；江苏盐城和连云港耕地土壤养分等级为Ⅱ级，徐州、宿迁和淮安耕地土壤养分等级为Ⅰ级[45]。粪肥当季利用率参考《指南》并取中间值，氮利用率为27.5%，磷利用率为32.5%[25]。

1.2.3.5不同作物单位面积农田生猪承载力

综合考虑猪场粪污养分在收集、处理和贮存过程中的损失，单位猪当量氮养分供给量为7.0 kg，磷养分供给量为1.2 kg[25]。根据单位面积农田粪肥氮、磷养分需求量及单位猪当量氮、磷养分供给量，折算不同作物单位面积农田的生猪承载力，计算公式为

(5)

式(5)中，B为单位面积农田的生猪承载力，头猪当量·hm-2；δ为单位猪当量的氮、磷养分供给量，kg·头猪当量-1。

2 结果与分析

2.1 以区域尺度评价黄淮海地区生猪养殖污染情况

2.1.1黄淮海地区生猪养殖现状及污染物产量

黄淮海地区是我国重要的生猪养殖基地，2017年该地区共出栏生猪18 071.25万头，占全国的23.98%。其中，仅山东省年出栏生猪达5 180.68万头，其次为河南，达4 963.72万头，两省之和占该地区生猪出栏总量的56.14%，说明山东和河南是该地区生猪养殖最集中的地区。

生猪养殖在带动农民就业、增加农民收入、提供肉产品的同时，也产生了大量养殖污染物，包括粪便、污水、TN、TP、Cu和Zn等。2017年黄淮海地区生猪养殖污染物产量的计算结果见表3。可以看出，2017年该地区猪粪、污水、TN、TP产生量分别达3 886.84万、28 769.43万、96.44万、13.62万t，Cu和Zn分别为5 799.13和8 805.32 t，生猪养殖产生的污染物不容忽视。受各地区生猪养殖污染物排泄系数差异影响，不同地区间污染物产量与养殖量并不一定成正比，黄淮海地区猪粪、污水、TN、TP、Cu和Zn产量最大的省份分别对应河北、山东、河南、河南、山东、山东，说明在评价一个地区生猪养殖污染物时，不能仅根据粪污产量，还需结合氮磷和重金属产量综合判断。

表3 黄淮海地区生猪养殖污染物产量及耕地面积

2.1.2黄淮海地区生猪养殖污染物耕地负荷

黄淮海地区生猪养殖污染物耕地负荷的计算结果见表4。可以看出，如果不考虑其他畜禽，仅考虑生猪养殖产生的污染物的耕地负荷，黄淮海各省份的耕地负荷均处于较低水平。安徽最低，仅为6.20头猪当量·hm-2，北京最高，但也仅为11.33头猪当量·hm-2，远低于《指南》中的推荐值。由于耕地负荷受生猪养殖量和耕地面积的双重影响，其结果与养殖量不一定总成正比。从表4可知，生猪养殖各污染物耕地负荷均以北京最高、安徽最低，这与北京相对较大的养殖量和较少的耕地面积有关，而安徽皖北地区属于平原，耕地面积大，生猪养殖污染物耕地负荷相对较小。

表4 黄淮海地区生猪养殖污染物的耕地负荷

综上所述，在不考虑其他畜禽养殖的前提下，以区域尺度评价黄淮海地区生猪养殖污染物的耕地负荷对指导农业生产并无实际意义。

2.2 基于不同作物的农田生猪承载力

为更好地指导生猪养殖发展规划和猪场粪污还田工作，以黄淮海地区常见的6种农作物为基础，研究不同作物单位面积农田的生猪承载力。

2.2.1黄淮海地区单位面积农田的农作物产量

为估算不同作物单位面积农田的生猪承载力，需获得该地区农作物单产数据(表5)。

表5 黄淮海地区单位面积农田的农作物产量

可以看出，受土壤类型、土壤肥力、气候、施肥水平、种子和管理水平等因素影响，同一种农作物不同地区间产量差异较大，如水稻单产最高的山东菏泽为9.56 t·hm-2，最低的河北邯郸仅为4.38 t·hm-2，两者相差1.18倍；大豆表现为河南濮阳单产最高，为3.50 t·hm-2，安徽亳州最低，仅为1.17 t·hm-2，前者是后者的3倍。农作物单产的差别直接影响农田氮素的投入水平，造成不同地区间农田氮磷投入水平的巨大差别。

2.2.2不同作物单位面积农田粪肥的氮需求量

农作物生长过程中不仅需要二氧化碳、水和光照，还需要氮、磷等养分及各种微量元素，且在一定条件下，氮素水平与作物产量成正比[46]。因此，可通过作物产量逆向推算单位农作物产量的氮素需求量。参考《指南》中关于农田粪肥氮需求量的计算方法，计算黄淮海地区单位面积农田的粪肥氮需求量(表6)。

表6 黄淮海地区主要农作物单位面积农田猪粪氮需求量

可以看出，不同地区同种作物单位面积农田粪肥氮需求量差距较大，如江苏盐城单位面积稻田粪肥氮需求量为133.66 kg·hm-2，而河北邯郸仅为36.77 kg·hm-2，前者是后者的3.64倍；同一地区不同作物间单位面积农田粪肥氮需求量差距亦较大，如安徽淮北单位面积小麦田氮素需求量为144.60 kg·hm-2，而玉米地仅为28.54 kg·hm-2，前者是后者的5.07倍。就整个黄淮海地区而言，水稻、小麦、油菜、玉米、大豆和棉花单位面积农田对猪粪氮的需求量分别为72.22、80.26、52.49、57.91、50.53和38.70 kg·hm-2。不同地区不同作物农田对粪肥氮需求量的差别较大，这主要与各地农作物产量和粪肥替代比差距较大有关，而农作物产量受作物品种、土壤、施肥、气候、管理水平等因素影响[34,47-48]。

考虑到论文篇幅，未附上基于磷的结果，其变化趋势与基于氮的结果相似，不同地区不同轮作方式下粪肥磷的需求量差距较大，但与氮的变化规律不尽相同。如北京市小麦粪肥氮需求量是油菜的1.98倍，而小麦粪肥磷需求量是油菜的5.35倍。此外，同一地区不同作物对粪肥磷的需求量差距较大，如安徽淮北小麦猪粪磷需求量是大豆的14.16倍，远大于基于氮素的4.41倍。也就是说，如果基于氮素需求来施粪肥，存在粪肥磷过量施用，这在油菜、玉米和大豆上尤为突出。

2.2.3不同作物单位面积农田的生猪承载力

根据《指南》中测算土地承载力的方法，分别求出基于氮和磷的农田生猪承载力。其中，油菜、玉米和大豆基于氮的生猪承载力大于基于磷的承载力，其余均为基于磷的生猪承载力大于基于氮的结果，两者取较小值，汇总后得到黄淮海不同作物单位面积农田的生猪承载力(表7)。

表7 基于氮、磷的黄淮海地区不同作物单位面积农田的生猪承载力

可以看出，黄淮海地区不同作物不同地区间农田的生猪承载力差距较大，以安徽亳州的小麦地生猪承载力最大，达20.96头猪当量·hm-2；承载力最小的是安徽亳州的大豆地，单位面积农田生猪承载力仅为1.58头猪当量·hm-2，前者是后者的13.27倍；同一地区不同作物农田的生猪承载力也差距较大，如江苏盐城稻田的生猪承载力是大豆田的4.41倍；同种作物不同地区间的差距亦较大，如油菜，山东烟台农田的生猪承载力为11.26头猪当量·hm-2，而北京和安徽蚌埠仅为2.77头猪当量·hm-2，前者是后者的4.06倍。此外，受土壤、气候、灌溉、农田管理等因素影响，不同省份间农田的生猪承载力存在较大差别，以小麦为例，安徽省单位面积农田的生猪承载力为18.31头猪当量·hm-2，而山东省仅为6.40头猪当量·hm-2，前者是后者的2.86倍；区内各省份单位面积棉花田承载力间的差异最小，承载力最高的江苏仅为最低的北京的1.34倍；同种作物不同省份间农田生猪承载力最高与最低值的比值范围为1.34～2.86。总体而言，黄淮海不同作物农田的生猪承载力大小顺序为小麦>水稻>棉花≈玉米>油菜>大豆，部分地区稍有差异。可以看出，农田生猪承载力受地域和农作物种类的影响非常大，在进行猪场粪污还田和猪场配套农田面积测算时需综合考虑这些因素的影响。

黄淮海地区水稻、小麦、油菜、玉米、大豆和棉花的单位面积农田生猪承载力分别为10.32、11.47、4.72、5.39、3.77和5.53头猪当量·hm-2。

3 讨论

目前对畜禽土地承载力的研究大多通过测算区域内所有农作物生长对氮素养分的需求总量除以耕地面积折算得到[6,7,10,14]，并未考虑不同作物的差异。楚天舒等[49]基于农田土壤重金属污染风险估算畜禽粪污农田承载力，发现黑龙江农垦每 1 hm2水稻、玉米和大豆可承载的猪当量分别为37、21和21头，而新疆生产建设兵团每1 hm2棉花、小麦和玉米可承载的猪当量均为67头，不同作物及不同地区间畜禽土地承载力存在较大差别。传统的估算方式虽然简单易操作，但估算结果对有些农作物可能出现畜禽粪污过量施用的问题。黄淮海地区涉及5省2市，地区间农作制度、土壤类型、作物品种和生猪品种等均有较大差异[50-51]，以单一的方式评价整个区域的生猪承载力不够准确。为此，选取黄淮海地区常见的6种农作物，基于“以种定养、以需定养”的理念，研究不同作物生长对猪粪氮的需求量，测算单位面积农田的生猪承载力，其难点在于猪场粪污在不同地区、不同农作物上的替代比例存在差别[24,36]，且不同地区因土壤肥力差异造成施肥比也存在差异。

查阅文献发现，该研究获得的不同作物生猪承载力计算结果明显低于部分学者的研究，如该研究估算出山东省单位面积玉米地生猪承载力仅为5.28头猪当量·hm-2，远低于杜坤等[23]的研究结果(95.2头猪当量·hm-2)，这与该研究中猪粪替代化肥比较低有关。笔者所用的各种农作物猪粪替代化肥比均来自黄淮海地区猪场粪污还田的相关文献，且猪粪替代化肥最优比以不降低作物产量为基准。此外，笔者通过查阅相关资料，获得黄淮海各地市的施肥供给养分占比数据，而并非如一些研究中将作物生长氮素需求量等同于猪粪污氮素提供量，如李全新等[52]设定作物养分全部来自畜禽粪污，评估赤峰市2020年畜禽养殖承载量。在进行猪粪还田时，需根据还田地块的作物类型、作物产量、轮作制度、土壤地力及粪肥适合替代比综合估算农田生猪承载力。

该研究选择的6种农作物农田生猪承载力大小顺序为小麦>水稻>棉花≈玉米>油菜>大豆，故在畜禽养殖粪污处理压力较大的地区，建议优先种植小麦、水稻等生猪承载力较大的作物，尤其是小麦产量高、耐旱、耐寒，适于整个黄淮海地区种植。需要说明的是，作物种植受气候、土壤、灌溉等多因素影响，故这6种农作物在不同地区的种植量存在较大差别，如小麦适合整个黄淮海地区种植；水稻生长需要消耗大量水，在北方缺水地区(河北、豫北地区)并不适合大规模种植，在江苏、安徽和河南南部地区种植量较大；玉米在山东、河北、河南种植量较大；大豆在河南、安徽种植量较大；棉花在河北和山东种植较多；油菜在河北种植量较大。

为提高土地产出和生猪承载力，进行不同农作物轮作是最简单易行的方式之一，在黄淮海地区被广泛采用，如稻麦轮作、玉麦轮作、稻油轮作、玉油轮作、棉麦轮作等。从提高农田生猪承载力的角度，采用稻麦轮作方式可以获得最大的生猪承载力，但该模式对水资源的要求较高，在黄淮海大部分地区难以实现。根据该研究获得的6种农作物的土地生猪承载力，结合黄淮海地区主要农作物种类，从提高土地生猪承载力的角度，建议在苏北地区重点推广稻麦轮作模式；在皖北地区、河南、山东、河北、北京和天津等地区重点推广玉麦轮作模式；在北京、天津等黄淮海最北端局部地区，受气候影响只能种植一季作物，该地区应重点推广棉花，其次是玉米；在河南、河北和山东等平原地区，可在玉麦轮作基础上，进行玉豆间作，提高土地生猪承载力，同时提高单位面积农田产出。值得注意的是，该研究得出的数据是指单位面积农田在不降低作物产量和不造成二次污染前提下的畜禽粪污最大承载量，且需分次施用粪污。猪粪需经无害化、稳定化处理后还田，污水需贮存至少3个月后还田。猪粪污用于水稻种植时，至少60%的粪污作为基肥，剩余40%作为追肥分次施用，避免造成二次污染。

4 结论

(1)2017年黄淮海地区共出栏生猪18 071.25万头，猪粪、污水、TN、TP排放量分别为3 886.84万、28 769.43万、96.44万、13.62万t，Cu和Zn分别为5 799.13和8 805.32 t，耕地负荷为6.22～11.33头猪当量·hm-2。

(2)整个黄淮海地区水稻、小麦、油菜、玉米、大豆和棉花的单位面积农田生猪承载力分别为10.32、11.47、4.72、5.39、3.77和5.53头猪当量·hm-2。

(3)黄淮海地区农田生猪承载力为1.58～20.96头猪当量·hm-2，作物和地域是重要的影响因素。总体而言，黄淮海不同作物农田生猪承载力大小顺序为小麦>水稻>棉花≈玉米>油菜>大豆，部分地区稍有差别。