新疆生产建设兵团畜禽粪便耕地负荷及土地承载力研究

郜兴亮，刘福元*，翟中葳，杨井泉，毋 婷，张文涛

(1.新疆农垦科学院 畜牧兽医研究所，新疆 石河子 832000； 2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；3.新疆生产建设兵团畜牧兽医总站，新疆 乌鲁木齐 830000)

畜禽粪污是畜牧业污染的主要来源。畜禽养殖及其粪便污染也早已引起国内学者的关注，我国每年畜禽粪污产生量达到了3.8×10t，但规模化以上畜禽养殖粪污资源化率却不足70%，大量的重金属元素未经处理被排放到环境中，第一次污染源普查数据显示，畜禽养殖业化学需氧量(COD)排放量占农业源排放总量的96%，占全国总量的近一半，农业面源污染已经超过工业“三废”成为环境污染的最大源头。但畜禽粪污既是污染源也是一种宝贵的资源，畜禽养殖粪污中含有大量的有机物和N、P、K等营养物质，是可以合理开发利用的宝贵资源，对农业可持续发展具有举足轻重的作用。

新疆生产建设兵团农业相对发达，有大面积的棉花与林果种植区，但兵团地域辽阔，各个农业师之间相距较远，过长的运输距离限制了畜禽粪污异地消纳，就近还田是兵团畜禽粪污的主要处理方式。欧盟农业政策规定，粪肥年施氮的限量标准为0.17 t/hm，超过这个极限值，将会带来硝酸盐的淋洗，极易造成对土壤和水体环境的污染。土壤粪便年施磷量不能超过35×10t/hm，过量会引起土壤磷的淋洗。影响区域畜禽粪污土地承载力的因素有很多，包括该区域畜禽养殖数量与品种、主要农作物品种、土地养分含量、施用有机肥替代化肥的比例、氮磷当季利用率等。近年来，兵团畜牧业发展迅速，也从传统畜牧业向现代畜牧业不断转型，规模化、集约化和现代化比重的不断提高，畜禽粪污资源化利用程度如何提高，是目前亟待解决的问题。

本研究依据《兵团统计年鉴(2019年)》中的数据，估算了兵团畜禽粪污产生量及其中的N、P含量，测算了2019年兵团耕地畜禽粪便负荷量、氮素负荷量、磷素负荷量、农田氮磷需求量，并进行了畜禽粪污土地承载力分析，以期为兵团今后畜禽养殖废弃物的综合管理及合理开发利用提供数据支撑，从而促进农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 兵团畜禽饲养期与饲养量 本研究的畜禽饲养量数据来源于《兵团统计年鉴(2019年)》公布的统计资料，数据截止时间为2019年年底。年鉴中主要统计的畜种有：牛、马、驴、猪、羊、家禽、兔。主要统计指标为类畜禽相应的生长周期、年存栏数、出栏数。

2019年全兵团奶牛饲养量为25.31×10头，肉牛饲养量为27.18×10头：马饲养量为4.05×10匹，驴饲养量为1.24×10头；能繁母猪饲养量为25.21×10头，育肥猪饲养量为499.9×10头；羊饲养量为406.15×10只；蛋鸡饲养量为1440.46×10羽，肉鸡饲养量为3386.07×10羽；兔饲养量为184.48×10只。

1.1.2 畜禽粪便排泄系数 畜禽粪便的日排泄量受到很多因素的影响，包括品种、体重、生理状态、饲料组分和饲喂方式等。我国目前尚没有相应的国家标准，本文中奶牛、马、驴、蛋鸡、肉鸡选用了王方浩等排泄指标及其中养分含量作为参考；肉牛、育肥猪、能繁母猪、羊、兔选用了包维卿等排泄指标及其中养分含量作为参考。估算畜禽产生的粪便总量及选用畜禽粪便养分含量系数时均采用的是畜禽直接排泄的新鲜粪便总量及养分含量(见表1)。

表1 畜禽粪便排泄系数及其中的养分含量Table 1 Excretion coefficient of livestock and poultry excrement and its nutrient content

1.1.3 作物种植面积与产量 本研究中兵团作物种植面积与产量数据来源于《兵团统计年鉴(2019年)》公布的统计资料，数据截止时间为2019年年底。确定出2019年兵团14个师水稻、小麦、玉米、大麦、豆类、薯类、油料、棉花、甜菜、蔬菜、瓜果类、打瓜籽、苜蓿的种植面积和产量。2019年兵团农作物播种面积为138.489×10hm。

表2收集了兵团主要农作物形成100 kg经济产量所需的N、P量数据，其中水稻、油料、小麦、棉花、玉米、甜菜、打瓜籽采用《新疆主要农作物营养套餐施肥技术》中数据；对大麦、豆类、薯类、苜蓿等使用了董红敏等《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》中数据；蔬菜和瓜果类使用了邱乐丰等中的数据。

表2 主要农作物形成100 kg经济产量N、P需求量Table 2 The amount of N and P needed for 100 kgeconomic yield of main crops kg

1.2 测算方法

1.2.1 畜禽粪便产生量测算

Q=N×T×P

式中：Q为年度粪便产生量；N为饲养量；T为

畜禽的饲养周期；P为畜禽每天排泄的固体粪便和尿液量。

1.2.2 畜禽粪便中纯养分量测算

A=q×c

式中：A为畜禽粪便中养分量；q为畜禽粪便产生量；c为单位质量畜禽粪便养分含量。

1.2.3 猪粪当量换算系数

畜禽粪便负荷量指单位面积土地能够消纳的畜禽粪便量。由于各类畜禽粪便的肥效、养分差异较大，1个猪当量的氮排泄量为11.00×10t，磷排泄量为1.65×10t，将各类畜禽粪便按含氮、磷量换算为猪粪当量。

1.2.4 农田畜禽粪便养分负荷量

M=MNP÷A

式中：M为农田畜禽粪便养分负荷量；MNP为畜禽粪便养分含量；A为有效农田面积。

1.2.5 畜禽养殖承载力分析 畜禽粪便在收集、贮存和处理过程中会有一部分损失，实际能够供给农田的粪便养分量需要乘以一定的系数。按照董红敏所示方法估算，N损失在35%，P损失在30%。取土壤氮磷Ⅱ级养分，有机肥施肥供给比例推荐值45%，将区域内农田养分需求量乘以粪肥施用比例，获得该区域农田粪便养分需求量，再除以单位生猪一个饲养周期的N、P供给量，获得区域农田以N、P计可承载的猪当量：

P=[M×P]÷[N×(1-P)]

式中：P为农田畜禽养殖承载力；M为区域内作物养分需求量；P为区域内畜禽粪便替代化肥的比例，取推荐值45%；N为单位生猪一个饲养周期的N、P排放量；P为粪便管理过程中的损失率，N取值35%，P取值30%。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便排放量

由表3可以看出，2019年兵团畜禽粪便排放量达到了1920.598×10t；进一步分析表明：猪>奶牛>羊>肉牛>家禽>马驴>兔，其中猪为540.27×10t，奶牛为491.01×10t，羊为446.77×10t，肉牛为312.57×10t，家禽为94.96×10t，马驴为30.1×10t，兔为4.61×10t。可见，牛场和猪场的粪污含水量大，是粪污处理和资源化利用的难点和重点。

表3 2019年兵团畜禽粪便产生量与氮、磷素养分及耕地负荷Table 3 Livestock and poultry excrement production amount, N and P nutrients and farmland load in XPCC, 2019

2.2 农田畜禽粪便养分负荷

2.2.1 畜禽粪便耕地负荷 由表3可以看出，2019年兵团耕地总面积1384.5×10hm，耕地畜禽粪便负荷13.872 t/hm，其中平均耕地负荷在20 t/hm以上的有第四师、第十二师、第十三师和第十四师；平均耕地负荷在15～20 t/hm的有第二师和第九师；平均耕地负荷在10～15 t/hm的有第五师、第六师、第七师、和第八师和第十师；平均耕地负荷在10 t/hm以下的有第一师和第三师。说明兵团各师的畜禽养殖量可适度增加。兵团2019年耕地畜禽粪便负荷量13.872 t/hm，我国2016年耕地畜禽粪便负荷量为35.66 t/hm。研究发现，安康市2014年耕地畜禽粪便负荷量为30.4957 t/hm，2013年秦皇岛市耕地畜禽粪便负荷量为3.07 t/hm， 2016年山西省耕地畜禽粪便负荷量为11.36 t/hm，黑龙江垦区2016年耕地畜禽粪便负荷量为1.15 t/hm，全国的耕地畜禽粪便负荷量是兵团的2.57倍，山西省、秦皇岛市、安康市的耕地畜禽粪便负荷量也明显低于全国水平，说明除畜牧业大省外，部分省市还有很大的发展空间。

2.2.2 畜禽粪便纯氮养分耕地负荷 由表3可以看出，2019年兵团畜禽粪便平均氮素负荷70.574×10t/hm，其中平均氮素负荷在170×10t/hm以上的是第十四师，达到了380.769×10t/hm，超过极限值；平均氮素负荷在120～170×10t/hm的有第四师、第十二师和第十三师，分达到了133.155×10t/hm、145.729×10t/hm、143.793×10t/hm，接近极限值；平均氮素负荷在70～120×10t/hm的有第九师、第十师；平均氮素负荷在70×10t/hm以下的有第一师、第三师、第五师、第六师、第七师和第八师。史瑞祥等报道，安康市2010年耕地畜禽粪便氮养分负荷量为183.573×10t/hm，全国2016年耕地畜禽粪便氮养分负荷量为150.02×10t/hm，李丹阳等报道，山西省2016年农田畜禽粪便氮养分负荷量为63.28×10t/hm。兵团畜禽粪便N负荷量低于上述对比地区。

2019年兵团畜禽养殖氮素排泄总量达到了9.771×10t(折合成尿素为21.64×10t)；进一步分析表明：羊>奶牛>猪>肉牛>家禽>马驴>兔，其中羊为4.53×10t，奶牛为1.723×10t，肉牛为1.097×10t，猪为1.287×10t，家禽为0.98×10t，马驴为0.113×10t，兔为0.04×10t。2019年兵团农用化肥中氮肥使用量折纯为34.7051×10t，是同年畜禽养殖氮素排泄总量的3.55倍。

2.2.3 畜禽粪便纯磷养分耕地负荷 由表3可以看出，2019年兵团畜禽粪便平均磷素负荷0.017725 t/hm，其中平均磷素负荷在35×10t/hm以上的有第十二师、第十三师、第十四师超过极限值；平均磷素负荷在25～35×10t/hm的有第四师，达到31.951×10t/hm，接近极限值；平均磷素负荷在15～25×10t/hm的有第二师、第七师、第十师和第十二师；均磷素负荷在15×10t/hm以下的有第一师、第三师第五师、第八师和第九师。研究表明，山西省2016年耕地畜禽粪便磷养分负荷量为20.32×10t /hm，安康市2014年农田畜禽粪便磷养分负荷量为55.493×10t /hm，说明兵团局部地区磷养分负荷量超过极限值，但平均N负荷量远低于上述对比地区。

由表3可以看出，2019年兵团畜禽养殖磷素排泄总量达到了2.454×10t(折合成PO为5.62×10t)。进一步研究表明：羊>奶牛>猪>家禽>肉牛>马驴>兔，其中羊为0.965×10t，奶牛为0.403×10t，肉牛为0.256×10t，猪为0.4×10t，家禽为0.392×10t，马驴为0.023×10t，兔为0.014×10t。2019年兵团农用化肥中磷肥使用量折纯为13.8493×10t，是同年畜禽养殖氮素排泄总量的5.64倍。

2.4 畜禽养殖承载力

从表4可知，兵团农田畜禽养殖承载以N、P计分别为2227.825×10和3570.297×10头猪当量，实际饲养量占承载量的29.872%和31.657%，承载潜力分别为60.128%和58.343%，说明从土地承载力来看，兵团发展畜牧业的空间还很大，但是各师养殖潜力差异较大。各师以N、P计承载潜力作为参考标准，第十四师已经超负荷养殖，第四师养殖潜力还有2.303%，第九师养殖潜力还有4.516%，其余各师还有较大养殖潜力。

表4 2019年兵团畜禽养殖农田承载量Table 4 Farmland capacity of livestock and poultry in XPCC, 2019

3 讨 论

本研究通过兵团养殖现状，结合前人研究成果进行分析，发现2019年兵团畜禽粪便排放量达到1920.598×10t，猪>奶牛>羊>肉牛>家禽>马驴>兔，若将养殖污水总量计入，牛场的粪污总量要超过羊场，且粪污含水量大，是粪污处理和资源化利用的难点和重点。

目前，粪便还田是我国畜禽粪便处理的主要出路，农田畜禽粪便负荷量可以间接衡量当地畜禽饲养密度及畜牧业布局的合理性。根据畜禽种类和区域特点，农田畜禽粪便负荷量会有所变化，《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中提出：每公顷农田能够负荷的畜禽粪便约为30～45 t，如果高于这一水平会导致土壤富营养化，对环境产生影响，从环境风险的角度考虑，以最低限度30 t为最大理论适宜量。欧盟农业政策规定，粪肥年施氮的限量标准为0.17 t/hm，超过这个极限值，将会带来硝酸盐的淋洗，极易造成对土壤和水体环境的污染。2019年兵团畜禽粪便平均氮素负荷0.070574 t/hm，其中第十四师负荷量最高，达到380.769×10t/hm；畜禽养殖氮素排泄总量达到9.771×10t(折合成尿素20.87×10t)；农用化肥中氮肥使用量折纯为34.7051×10t，是同年畜禽养殖氮素排泄总量的3.55倍。

土壤粪便年施磷量不能超过35×10t/hm，过量则会引起土壤磷的淋洗。2019年兵团畜禽粪便平均磷素负荷0.017725 t/hm，其中第十二师、第十三师、第十四师，分别为35.176×10t/hm、35.466×10t/hm、90.385×10t/hm，超过极限值；畜禽养殖磷素排泄总量达到2.454×10t(折合成PO为5.62×10t)；农用化肥中磷肥使用量折纯为13.8493×10t，是同年畜禽养殖氮素排泄总量的5.64倍。2019年兵团农作物N、P需求量分别为35.398×10t、9.164×10t；畜禽粪便扣除流失的N、P后所能提供的N、P量分别为6.38×10t、1.718×10t；根据数据来看，兵团整体畜禽粪便可完全被农田消纳，各师畜禽粪便也可完全被农田消纳，但是师域范围较大，且师域内畜禽粪便产生空间上的不均衡性，不排除畜禽粪便在局部地区直接存在着土壤和水体的N、P污染问题。

2019年兵团农田畜禽养殖承载以N、P计分别为2227.825×10和3570.297×10头猪当量，实际饲养量占承载量的29.872%和41.657%，承载潜力分别为60.128%和58.343%，从土地承载力来看，兵团发展畜牧业的空间还很大。