汕尾市畜禽粪污土地承载力分析

熊振乾，邓 盾，容 庭，宋 敏，李书宏，余 苗，马现永，刘志昌,

（1.汕尾市农业科学院，广东 汕尾 516600；2.广东省农业科学院动物科学研究所/畜禽育种国家重点实验室/农业农村部华南动物营养与饲料重点实验室/广东省畜禽育种与营养研究重点实验室/广东畜禽肉品质量安全控制与评定工程技术研究中心，广东 广州 510640；3.广东省农业科学院汕尾分院，广东 汕尾 516600）

【研究意义】畜禽养殖业的快速发展，在满足人类对肉蛋奶需求的同时，也产生了大量的畜禽粪污［1-4］。就畜禽粪污的处理而言，还田是最经济有效的处理方式。畜禽粪污含有丰富的氮、磷、钾等农作物生长所需的养分，合理利用畜禽粪污替代化学肥料的使用，能够提高土壤有机质、改善土壤质量，实现减肥增效和农田的可持续利用［5-7］。但是如果畜禽粪污施用量过大，也易造成环境污染［8-9］。对于不同地区，土壤的畜禽粪污消纳能力受到农作物种植布局、产量以及地块土壤提供氮磷养分能力的影响，并且存在较大差异。因此，种养业的合理匹配对地区的养殖业发展和环境保护具有重要影响［10-11］。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，针对畜禽粪污循环利用、土地消纳等方面多次出台政策。其中，广东省政府通过加强政策引导、提高准入门槛、落实环境监管，全盘谋划扎实推进畜禽养殖废弃物资源化利用工作，并取得了一定成效［12］。【前人研究进展】目前，我国关于畜禽粪污对环境的影响及资源化利用方面已有较多研究，主要集中于粪污的治理及土地承载量的相关研究［13-14］。此外，众多研究人员通过对某一区域内畜禽粪污土地承载力进行测算，为当地农业布局调整及污染治理提供参考依据和数据支撑［15-18］。【本研究切入点】汕尾市农业资源丰富，土地面积约48.6 万hm2，其中耕地面积10.9 万hm2，常用耕地面积9.68 万hm2，土地资源充足，土地开发率不到9%，未利用土地资源居粤东第一位。汕尾市畜禽养殖业具有较大发展潜力，可作为广东省粤东地区重要的畜禽养殖区域。本研究根据2018 年1 月国家农业部办公厅颁布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》的规定［19］，通过分析汕尾市畜禽粪污排放量、养分供给量及农作物粪肥养分需求量，估算汕尾市及各区县的畜禽粪污土地承载力。【拟解决的关键问题】根据土地承载力合理确定畜禽养殖规模和区域分布，促进畜禽养殖数量与作物种植面积的有效匹配，达到养殖业与种植业有机结合，为实现汕尾市畜牧业健康、可持续发展提供参考依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

汕尾市畜禽养殖量和农作物种植情况数据来源于汕尾市统计局［20-23］。本研究主要对比分析汕尾市城区（含红海湾区）、海丰县、陆丰市（含华侨区）、陆河县等4 个县（市、区）的相关数据。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽粪肥养分产生量 根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》中猪当量换算标准，按存栏量折算：100 头猪相当于15 头奶牛、30 头肉牛、250 只羊、2 500 只家禽；1 个猪当量的氮排泄量为11 kg，磷排泄量为1.65 g。综合考虑畜禽粪污养分在收集、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。区域内畜禽粪污氮、磷的排泄量和供给量分别按以下公式计算：

QN,P=(A×10000×11)/1000

QP,P=(A×10000×1.65)/1000

QN,G=(A×10000×7.0)/1000

QP,G=(A×10000×1.2)/1000

式中，QN,P、QP,P分别为区域内畜禽粪污氮、磷的排泄量，QN,G、QP,G分别为区域内畜禽粪污氮、磷的供给量，t/年；A 为区域内所有畜种换算成猪当量总数，万头。

1.2.2 农作物养分需求量 汕尾市各种植农作物每形成100 kg 产量需要吸收氮、磷量推荐值参考《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》（表1）。区域内种植农作物的氮、磷养分需求总量分别按以下公式计算：

表1 土壤不同氮磷养分水平施肥供给养分占比推荐值Table 1 Recommended values of nutrients provided by fertilization at different nitrogen and phosphorus nutrient levels in soil

MN=Σ(mi/100×Bi,N)

MP=Σ(mi/100×Bi,P)

式中，MN、MP分别为区域内所有农作物的氮、磷养分的需求量，t/年；Bi,N、Bi,P分别为区域内每种作物每形成100 kg 产量需要吸收氮、磷量的推荐值，kg；mi为区域内每种农作物当年的产量，t/年。

1.2.3 农作物粪肥养分需求量 参考《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》及汕尾市农田土壤的地力情况资料［19,24-25］。按照土壤氮、磷养分水平Ⅱ的标准测算，设定施肥供给占比45%，粪肥比例为50%；当季氮的利用率为25%，磷的利用率为30%。区域内种植农作物的氮、磷粪肥养分需求总量分别按以下公式计算：

FN=(MN×45%×50%)/25%

FP=(MP×45%×50%)/30%

式中，FN、FP分别为区域内所有农作物的氮、磷粪肥养分需求量，t/年；MN、MP分别为区域内所有农作物的氮、磷养分需求量，t/年。

1.2.4 区域畜禽粪污土地承载力 区域畜禽粪污土地承载力等于区域农作物总的粪肥养分需求量除以单位猪当量粪肥养分供给量，计算得到区域理论最大养殖量（以猪当量计）。

R=NUrm/NSrm

式中，R 为区域畜禽以农作物粪肥养分需求为基础的最大养殖量，猪当量；NUrm为区域内农作物粪肥养分需求量，kg/年；NSrm为猪当量氮、磷养分供给量，分别为7 kg/（猪当量·年）、1.2 kg/（猪当量·年）。

1.2.5 区域畜禽粪污土地承载力指数 区域畜禽粪污土地承载力指数等于区域各种畜禽实际存栏量（以猪当量计）与区域畜禽最大养殖量（以猪当量计）之间的比值。

I=A/R

式中，I 为区域畜禽粪污土地承载力指数；A 为区域内饲养的各种畜禽根据猪当量换算系数折算成猪当量的养殖数；R 为区域畜禽以农作物粪肥养分需求为基础的最大养殖量，猪当量。农用地畜禽粪便土地承载力指数分级标准见表2。

表2 农用地畜禽粪便土地承载力指数分级标准Table 2 Grading criteria for the carrying capacity indexe of livestock and poultry manure on agricultural land

2 结果与分析

2.1 汕尾市畜牧业与种植业概况

2.1.1 畜牧业概况 据农业统计数据（图1）显示，汕尾市内畜禽养殖以生猪、家禽、牛和山羊为主。通过将畜禽存栏量转换成猪当量进行计算，2017—2020 年，汕尾市畜禽存栏量由66.41 万头增加到87.89 万头，猪、牛、羊等养殖数量在逐年增加，而家禽数量总体无明显变化；猪、牛、羊的养殖数量分别增加65.14%、16.69%、18.01%，其中猪的占比由43.12%增加到53.82%，牛和家禽的占比分别由22.41%和33.88% 降到19.76% 和25.90%。由图2 可知，汕尾市畜禽养殖主要分布在海丰县、陆丰市和陆河县，2017—2020 年各市（县）畜禽养殖量占比分别为17.85%～23.35%、58.96%～60.05%和12.54%～16.40%，其中2020 年海丰县和陆丰市的养殖规模与前3 年相比均有较大增长。

图1 2017—2020 年汕尾市各种畜禽养殖规模变化Fig.1 Changes in the breeding scales of livestock and poultry in Shanwei City from 2017 to 2020

图2 2017—2020 年汕尾市各县区畜禽养殖量Fig.1 Breeding production of livestock and poultry in various districts of Shanwei City from 2017 to 2020

2.1.2 种植业概况 根据统计数据测算，2017—2020 年汕尾市主要种植面积由17.6 万hm2增加到18.6 万hm2，农作物及水果总产量由207.40 万t增加到243.07 万t。其中，稻谷、玉米和甘薯等粮食作物的种植面积为6.98 万～8.11 万hm2，甘蔗和花生等经济作物的种植面积为1.49 万～1.60 万hm2，蔬菜的种植面积为4.70 万～5.29 万hm2，荔枝、龙眼、青梅、李子和柑桔等水果种植面积为3.18 万～3.29 万hm2。由此测算出汕尾市2017—2020 年农作物的氮磷养分需求量，各种农作物总的氮养分需求量由1.69 万t 增长到1.96 万t，总的磷养分需求量由0.48 万t 增长到0.55 万t。

2.2 汕尾市畜禽粪污排泄量及养分供给量测算结果

根据2017—2020 年汕尾市的畜禽养殖量，可计算该市4 年的畜禽粪污氮、磷养分供给量。2020 年汕尾市畜禽粪污氮、磷养分供给量分别为6 152、1 055 t，均比2017 年增加32.33%，其中猪类的氮、磷供给量占比为42.69%～53.82%，远超家禽、牛和羊粪的养分供给量；2017—2020年汕尾市各区县（市）畜禽粪污氮、磷养分供给量占比依次为陆丰市58.96%～60.05%、海丰县18.06%～23.35%、陆河县12.54%～16.40%、城区4.07%～6.08%。

2.3 汕尾市农作物粪肥养分需求量测算结果

根据汕尾市种植业生产情况，测算出2017—2020 年该市各类农作物及各区县（市）的粪肥需求总量（图3），其中农作物粪肥氮养分需求总量为1.52 万～1.76 万t，粪肥磷养分需求量为0.36 万～0.41 万t。水稻作为汕尾市的主要粮食作物，其氮、磷养分需求量占汕尾市作物养分需求总量的42.60%～44.53%和55.53%～57.68%；其次是蔬菜、花生、番薯和荔枝等，氮养分需求量的占比分别为23.43%～24.63%、12.62%～13.08%、3.98%～4.92%和2.67%～2.84%，磷养分需求量的占比分别为19.22%～20.34%、5.55%～5.77%、2.50%～3.08%和4.16%～4.45%；其他农作物的氮、磷养分需求量相对较少。对于各区县（市）而言，陆丰市、海丰县和陆河县等3 个县市的氮、磷养分需求总量占全市氮、磷养分需求量的95%左右。

图3 2017—2020 年汕尾市各县区作物粪肥养分需求量Fig.3 Manure nutrient demand for crops in various districts of Shanwei City from 2017 to 2020

2.4 汕尾市畜禽粪污土地承载力分析

2.4.1 汕尾市畜禽粪污土地承载力时间变化特征 根据2017—2020 年汕尾市农作物种植养分需求量和畜禽养殖养分供给量，可测算出该市各区作物种植面积所能承载的最大畜禽存栏量(用猪当量表示)和土地承载力指数，分析汕尾市畜禽粪污土地承载力时间分布特征。总体来看，分别以氮（图4A）、磷（图4B）为基准的各曲线变化趋势具有一致性。由于近几年汕尾市现代农业发展迅速，农作物和果树等种植面积呈持续上升趋势，从2017 年的8.23 万hm2增加到2020 年的17.90 万hm2；作物对畜禽粪肥氮、磷养分的需求量也呈稳定上升趋势，2017—2020 年，氮养分的需求量从1.53 万t 增加到1.76 万t、增长15.03%，磷养分的需求量从0.36 万t 增加到0.41 万t、增长13.89%；畜禽粪污氮、磷养分供应量同样呈上升趋势，2020 年分别为0.62 万和0.10 万t。由图4 可知，近4 年来汕尾市以氮、磷为基准的畜禽粪污土地承载力指数I 均呈缓慢上升趋势，其中以氮为基准的I 值由2017 年的0.298 上升到2020 年的0.350，以磷为基准的I 值由2017 年的0.219 上升到2020 年的0.258。整体来看，近4 年类汕尾市以氮、磷为基准的畜禽粪污土地承载力指数小于1，说明汕尾州市自畜禽养殖排放的粪污资源中氮、磷没有超过土地承载能力，而且汕尾市以氮、磷为基准的畜禽粪污土地承载力指数位于较低水平，表明以汕尾市目前的农作物种植情况，畜禽养殖规模还有较大发展空间。

图4 2017—2020 年汕尾市畜禽粪污土地承载力时间变化特征Fig.4 Temporal variation characteristics of land carrying capacity of livestock and poultry manure in Shanwei City from 2017 to 2020

2.4.2 汕尾市各县区畜禽粪污土地承载力变化特征 从图5、图6 可以看出，近4 年来，汕尾市各县（市、区）的畜禽粪污土地承载力指数呈现出不一样的变化趋势。其中，城区的土地承载力指数从2019—2020 年明显降低，这是由于汕尾市发展导致城区近年来逐步被划归为畜禽禁养区；海丰县和陆丰市的土地承载力指数从2019—2020年明显上升，这可能是由于这两个县市区的生猪养殖数量在2019—2020 年大幅增加，海丰县和陆丰市年末生猪存栏量分别由5.46 万头和15.83 万头增加到13.20 万头和26.11 万头，从而导致整个汕尾市的畜禽粪污土地承载力指数出现明显升高；陆河县的畜禽粪污土地承载力指数从2017—2020 年呈现持续下降的趋势，这是由于陆河县近年来的畜禽养殖规模相对稳定，而农作物种植的规模则持续增加，因此可以根据其农作物种植规模适当提高该区域的畜禽养殖扶持力度。此外，海丰县的畜禽粪污土地承载力指数虽逐年上升，但仍显著低于其他几个区域，说明其畜禽养殖规模仍有较大的发展潜力。

图5 2017-2020 年汕尾市各县区畜禽粪污土地承载力时间变化特征Fig.5 Temporal variation characteristics of land carrying capacity of livestock and poultry manure in various districts of Shanwei City from 2017 to 2020

图6 2017—2020 年汕尾市各县区畜禽粪污土地承载力空间分布Fig.6 Spatial distribution of land carrying capacity of livestock and poultry manure in various districts of Shanwei City from 2017 to 2020

3 讨论

基于作物生长的氮、磷养分需求对汕尾市畜禽粪污土地承载力进行测算的结果表明，该市各区县（市）现有耕地均能充分消纳本区域内畜禽粪污，相比于珠三角等经济发达地区，汕尾市畜禽养殖产业仍有较大发展潜力。据报道，佛山市2009 年农田畜禽粪便总氮和总磷养分负荷量已超过限量值［26］，中山市的畜禽养殖规模在2011 年就已达到了对环境影响的临界点［27］。按照汕尾市各地区的土地承载力指数，其4 个县（市、区）的畜禽养殖规模均可在目前基础上有所扩大。尽管汕尾市目前的畜禽养殖规模并未对农田土壤消纳畜禽粪污造成太大压力，但仍难以避免局部小范围内畜禽粪污超载，且随着汕尾畜禽养殖产业的持续发展，畜禽粪污处理的压力也将逐渐增加。近年来，随着汕尾信民生休闲农业有限公司、陆丰市兆穗种养有限公司等较大规模生猪养殖项目的实施建设，其在畜禽粪污资源化利用方面的压力有所提升。通过政策引导、资金支持、技术引进、示范带动等多方面举措，目前汕尾市畜禽粪污资源化利用正在扎实推进。

面对汕尾市现在及未来的畜禽养殖产业发展需求，应结合汕尾市土地肥力状况和种植结构等方面，着力发展适合本地产业发展的畜禽粪污资源化利用和生态种养模式，大力发展畜禽粪污有机肥化-化肥农药减量增效-有机肥改良土壤等种养结合的配套技术体系并进行推广。与此同时，由于在规模化养殖过程中，铜和锌等微量元素以及抗生素常被作为添加剂应用于畜禽养殖饲料中，从而导致以畜禽粪污为主要原材料制作的有机肥产品容易出现重金属含量超标和抗生素残留等问题［28-31］。如果没有采用有效方法将畜禽粪便中的重金属和抗生素等有害物质进行处理，施用其制作的有机肥将会对农田土壤环境和农产品质量安全造成严重影响［32］。因此在畜禽养殖业的未来发展过程中，不仅要从源头上控制畜禽饲料中铜、锌等微量元素的添加，同时在使用畜禽粪污制作有机肥产品的工艺流程中，采用生物沥浸和化学浸提以及清洁堆肥等方法尽可能减少有机肥产品中的重金属和抗生素等有害物质的含量［33-35］。此外，为了更好地将畜禽粪污有机肥应用于农作物生产和土壤改良，需要对其向农田土壤中输入重金属的环境风险进行评估［36］。只有严格把控种养结合过程的全部环节，才能有效促进农业产业的绿色和可持续发展。

4 结论

本研究通过对 2017—2020 年汕尾市畜禽养殖环境承载力进行分析，得出以下结论：（1）2017—2020 年各县（市、区）畜禽粪污氮、磷供应量与作物生长的粪污养分需求量比值均在0.5 以下，汕尾市畜禽粪污耕地负荷总体较低，畜禽养殖规模仍有较大发展空间，其中海丰县和陆河县适合大力发展畜牧业；市城区畜禽养殖土地承载潜力小，应限制畜禽养殖规模，避免环境污染；陆丰市现有的农业种植规模足够消纳其畜禽养殖产生的粪污，未来发展畜牧业时，要优化畜禽养殖布局，走以地定畜、种养结合的发展模式。（2）汕尾市应指导并鼓励畜禽养殖场建设有机肥加工厂，提升全市畜禽养殖废弃物资源化利用水平，同时对于畜禽粪污有机肥化过程中的无害化处理要加大监督管理力度，推进农业绿色可持续发展。