河北省畜禽粪污土地承载力及替代化肥潜力的时空分布特征

0 引言

近年来畜禽养殖业持续发展,畜禽粪污产生量也在不断增加[1],粪污中所含的氮磷养分若过量会导致水体水质下降[2-5]、温室气体增多[6,7]、土壤质量下降[8]等环境问题。据《第二次全国污染源普查公报》显示,农业面源污染的主要来源之一就是畜禽养殖业,向水体中排放的主要污染物排放量为氨氮11万t,总氮60万t,总磷12万t和COD 1 001万t。但畜禽粪尿中含有大量氮磷养分,若把这些畜禽粪污经过处理,作为有机肥施用到土地中,可替代部分化肥,提高地力,实现增产。因此,及时准确的了解区域畜禽粪污的土地承载力及替代化肥潜力,确定区域内合理的畜禽养殖业布局,对减少污染,提高资源利用率,实现可持续农业意义重大。

土地承载力是评价畜禽粪污与环境污染潜在关系的常用方法之一,但其评估与计算方法差别很大。杨旭等[9]参考欧盟标准,以单位面积农用地总氮和磷负荷分别为220 kg·hm-2和65 kg·hm-2计算海南省的畜禽粪污环境承载力,忽视了畜禽粪污在收集和运输途中的养分损失。孙超等[10]以氮肥投入150 kg·hm-2作为标准,计算河北省各县的环境畜禽承载量,但没有把种植作物对畜禽粪尿也具有一定的消纳能力纳入考虑。刘永丰等[11]得出了海南省主要作物生产100 kg产量所需要的氮量,去除了肥料利用效率和土壤供氮能力等因素的影响,但研究的作物品种较少,导致部分市县的预警值偏高。潘瑜春[12]等以畜禽粪污不超过35 t·hm-2为标准,计算分析了北京平谷区的畜禽养殖承载力,但缺少对畜禽粪尿的氮磷养分含量的考虑。2018年1月全国畜牧总站发布了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》(以下简称《指南》)[13],根据不同农作物需求和养分平衡的思想,区分了各种主要农作物对于粪污的吸收能力,并且考虑了不同粪污处理方式下粪尿养分的损失情况,为计算区域尺度下的畜禽承载力提供了理论基础和技术支持。本研究以《指南》为根据,计算了河北省各市畜禽粪尿土地承载力和有机肥替代化肥的潜力。

河北省地处华北平原,农业较为发达,畜禽养殖业也随国家政策调整迅速发展,但每年产生的畜禽粪尿资源随意排放,没有得到充分利用,使当地畜禽污染风险加大[14],粪便资源浪费。目前关于河北省畜禽粪污的研究报道中常用单位土地面积上畜禽粪污的平均值作为土地承载力的评价标准,且忽视了时空变化对承载力的影响,缺乏前瞻性和预测性[10,13]。故本文通过河北省2009—2019年养殖及种植数据,分析10年间河北省畜禽粪便资源空间分布和养殖种植结构的趋势变化,采用《指南》中种养结合的分析方法,计算畜禽粪便供给量和种植作物粪肥养分需求量的关系,与10年间河北省化肥施用量作对比,分析河北省土地承载力及替代化肥潜力,为河北省优化种植养殖总体布局,减少化肥使用提供参考。

1 材料和方法

1.1 数据来源

本研究所用2009—2019年河北省畜禽养殖存栏量、农作物种类、播种面积及产量和化肥使用量均来源于《河北省农村统计年鉴》(2010—2020)。畜牧种类主要包括牛、羊、猪、家禽、马、驴和骡子。农作物种类包括谷子、小麦、玉米、大豆、马铃薯、棉花、花生、烟草、瓜果和油料作物。

1.2 计算方法

1.2.1 畜禽养殖总量及氮磷养分供给量

(1)畜禽养殖总量

式中:T是畜禽养殖总量,万头猪当量;Ki代表第i种畜禽存栏量,万头(只);Ri为第i种畜禽换算成猪当量的系数。将不同的畜禽换算成猪当量,100头猪相当于250 只羊、2 500 只家禽或者30 头牛(其余大牲畜按比重最大的牛的换算系数进行计算)。

(2)畜禽粪便氮磷养分产生量

式中:Q为粪污养分(氮、磷)产生量,t;Ki为第i种畜禽实际存栏量,万头;Hm是畜禽粪便日排污系数,kg·d-1·头-1;Hu是畜禽尿日排污系数,kg·d-1·头-1;Pm是畜禽粪和尿中N的养分百分含量;Pu是畜禽粪和尿中P的养分百分含量。排污系数和养分含量数据均来源于文献[14],具体数据详见表1。

表1 畜禽的粪、尿日排泄量(鲜基)及其N、P养分含量Table 1 Daily fecal and urinary excretion (fresh basis) and N and P nutrient contents of livestock and poultry

(3)畜禽粪尿氮磷养分收集量

式中:Qr为粪污氮(磷)养分收集量,t;Q为粪污氮(磷)养分产生量,t;PCi代表第i种清粪方式所占比例,%;PLi代表第i种清粪方式氮(磷)养分收集率,%。不同畜禽粪污收集工艺的N、P收集率见表2。清粪方式按全国的干清粪占72%,水冲清粪占28%计算[15]。

表2 不同畜禽粪污收集工艺的N、P收集率Table 2 N and P collection rates of different livestock manure collection processes

(4)畜禽粪尿氮磷养分供给量

式中:Qs为粪污氮(磷)养分供给量,t;Qr为粪污氮(磷)养分收集量,t;PCj代表第j种粪污处理方式所占比例,%;PLj代表第j种粪污处理方式氮(磷)养分剩余率,%。不同粪污的处理方式N、P养分剩余率见表3。不同畜禽粪污处理方式按全国的固体贮存占92%,厌氧发酵占7%,堆肥占1%计算[16]。

表3 不同粪污的处理方式N、P养分留存率Table 3 Nutrient retention rates of N and P in different treatment methods of fecal sewage

1.2.2 农作物粪污养分需求量

本文根据2018年发布的《指南》中方法计算畜禽养殖环境承载力。

(1)区域植物养分需求量

式中:A为植物养分需求总量,t;Pi为第i种植物总产量(总面积),100 kg·hm-2;Qi为第i种植物每100 kg产量(每1hm)养分需求,t。部分植物 单位面积适宜氮(磷)养分需求量数据来源于《指南》(表4)。瓜果类和油料类作物需求量按产量计算。每100 kg产量所需养分数据来自《指南》。瓜果类为每100 kg果实需要0.5 kg·N, 0.2 kg·P。油料作物为每100 kg产量需要7.19 kg·N, 0.887 kg·P。

表4 不同植物单位面积适宜氮磷养分需求Table 4 Suitable nitrogen and phosphorus nutrient requirements per unit area of different plants

(2)区域植物粪肥养分需求量

式中:Am为植物粪肥养分需求量,t;A为区域植物养分需求量,t;FP为施肥提供养分占比,%;MP粪肥占施肥比例,%;MR为粪肥利用率,%。根据土壤氮(磷)养分可确定氮(磷)施肥供给养分占比。根据河北省2019年度耕地质量监测报告,河北土壤养分特征为TN含量 1.19 g·kg-1,有效磷含量33.0 g·kg-1,有机质含量18.1 g·kg-1,确定土壤N养分分级为Ⅰ级,P养分分级为Ⅱ级,施肥供给占比分别为35%和45%。化肥与有机肥配施比例为25%[17]。根据《指南》,粪污N,P利用率分别取30%和35%。

1.2.3 畜禽粪污土地承载力

(1)单位猪当量粪污养分供给量

式中:S为单位猪当量粪污养分供给量,kg/猪当量;Qs为畜禽粪污总养分供给量,t;T为换算成猪当量的养殖总量,万头猪当量。

(2)区域畜禽粪污土地承载力

式中:W为区域畜禽粪污土地承载力,万头猪当量;Am为区域植物粪肥养分需求量,t;S为单位猪当量氮(磷)养分供给量,kg。

(3)区域畜禽养殖可增加量

式中:I为区域畜禽可增加量,万头猪当量;W为区域畜禽粪污土地承载力,万头猪当量;T为换算成猪当量的养殖总量,万头猪当量。

1.2.4 化肥施用量及有机肥替代化肥潜力

(1)化肥施用量

式中:Qf为氮(磷)肥施用总折纯量,t;QN为氮肥施用量,t;Qc为区域内复合肥施用量,t;α为复合肥氮养分折纯系数。磷肥计算同理。

(2)有机肥替代化肥潜力

式中:P为区域有机肥替代化肥潜力,%;Qs为畜禽粪便氮养分供给量,t;Qf为区域化肥施用量,t。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2019和ArcGIS 10.2 进行数据统计分析及图形绘制。

2 结果与分析

2.1 河北省畜禽养殖总量及氮磷养分供应量

2.2.1 畜禽养殖总量时空分布特征

在区域发展政策、供需关系等因素的综合调节下,河北省畜禽养殖总量(猪当量)在2009—2011年呈现快速降低的趋势,于2012年短暂回弹,之后仍呈降低趋势(图1)。总体来看,2019年全省畜禽养殖总量达4 590 万头(猪当量),与2009年相比,降低幅度19%。主要原因是河北省10年间加速转变经济模式与供给侧改革,致使各市畜禽养殖总量均有下降趋势。其次河北省采取了畜禽养殖禁养区专项整治活动,且饲料价格上涨,疫病等问题也加剧了畜禽养殖数量整体呈逐渐减少趋势[18]。从空间分布来看,2019年石家庄、邯郸、唐山、保定4市养殖总量较大,占全省养殖总量的一半以上。与2009年相比,这些地区降低幅度也较大,均超过200万头(猪当量),尤其是石家庄和邯郸降低幅度最大,减少量分别为434万头(猪当量)和356万头(猪当量),带动全省养殖总量降低66%。秦皇岛和廊坊畜禽养殖总量均小于220万头(猪当量),这是由于廊坊面积较小,畜禽总量小,且地理位置特殊,环境要求严格,制约了畜禽业发展;而秦皇岛为沿海城市,养殖业以渔业为主,不适宜养殖大量畜禽。

2.2.2 畜禽氮磷养分产生量

河北省2019年畜禽粪便N养分产生量为56 万t,其中半数以上地区N养分产生量在5 万t以上,集中分布在省域中部和北部(图2)。这是由于承德、张家口等北部各市养殖牛等大牲畜较多,而这些大牲畜粪便中含N较多,所以河北省北部各市N养分产生量较大。但由于政策管控等原因各市养殖总量逐渐减少,N养分产生量也相应逐渐减少。河北省2019年畜禽粪便P养分产生量为18 万t,其中P养分产生量集中在中部和南部的石家庄和邯郸等。南部各市家禽养殖数量较多,而家禽中P养分较多,导致南部各市P养分产生量较大。P养分产生量在2009—2011年下滑后到2012年迅速回升,此后同样呈逐渐下降趋势。

2.2.3 畜禽氮磷养分供应量

计算产生量后,根据不同的粪便收集及处理方式所占比例计算出畜禽氮磷养分供给量。由供给量可以计算单位猪当量的氮磷养分供给量,在结合需求量数据可以计算出本文所需的土地承载力。最终计算结果为河北省2019年畜禽粪便N养分供给量为42 万t,P养分供给量为13 万t,与产生量分布及趋势相同。

表5 河北省各市畜禽养殖总量变化趋势Table 5 Change trend of total livestock and poultry breeding in cities of Hebei Province

2.2 河北省粪肥氮磷养分需求量

根据《河北农村统计年鉴》的相关数据,通过计算得出2019年河北省畜禽粪便农用地粪肥N养分需求量为70 万t,P养分需求量为54 万t。河北省2019年畜禽粪便N养分供给量为42 万t,P养分供给量为13 万t。河北省N、P养分需求量远远大于供给量。主要原因是河北省地势平旷,土地肥沃,耕地面积较大,种植农作物需求量大,相比之下畜禽养殖总量并不多。使河北省养分需求量远大于供给量。

从时间分布上看,2009—2019年间河北省N养分粪肥需求量波动较大,呈先上升后下降的趋势,尤其是2016—2019年下降明显,降幅为4.6%。而N养分供给量呈逐渐下滑趋势,10年间降幅为18%。P养分粪肥需求量呈平稳趋势,稳定在55 万t上下,供给量十年内有逐渐下降趋势。总体而言,河北省N、P养分需求量十年间均远远大于供给量,而N、P养分供给量十年内有逐渐下降的趋势,未来如果继续下滑河北省N、P养分供给量与需求量差距将会逐渐加大。

从空间分布看,河北省2019年N养分粪肥需求量最大的是唐山和保定,唐山种植棉花和蔬菜等面积较大,而保定谷物、小麦等粮食作物种植面积大,这些作物N养分含量较高使这两个市N养分粪肥需求量较大。P养分粪肥需求量最大的市是保定市和沧州市,主要原因是两市含P量较大的谷物的种植面积较大。其中秦皇岛和廊坊N、P养分粪肥需求量均较低。这是由于两市耕地面积小,主要产业也不是种植业,所以植物需求量较少。

2.3 河北省畜禽粪污氮磷的土地承载力

河北省2019年用粪尿N养分计算得出土地承载力为10 003万头(猪当量),P养分计算得出土地承载力为16 934万头(猪当量)。通过计算比较,2009—2019年河北省各市N养分承载力结果均远小于P养分计算所得承载力,所以承载力均以N养分数据为准。参考目前养殖总量,可知畜禽养殖可增加量为5 413万头(猪当量)。

从时间上来看,与2009年相比,2019年河北省的畜禽粪污土地承载力下降了0.5%,尤其是2016—2019年迅速下降,降幅为4.6%。由于畜禽养殖数量的下降速度比土地承载力减少的速度更快,畜禽养殖可增加量逐渐加大,十年间增长了约17%。因此,从省域尺度来看,河北仍有较大的空间来发展畜禽养殖业。

从空间分布来看,河北省2019年土地承载力较大的市多集中在中南部地区,同时各市中畜禽养殖可增加量最大的也是南部各市。因此中南部畜禽粪污污染风险较小,有较大畜牧业发展空间。北部城市则土地承载力和畜禽可增加量都相对较少,这是由于北部畜牧业发达而较少种植作物。沧州、邢台等部分南部城市畜禽养殖可增加量达800 万头(猪当量)以上。而承德实际畜禽养殖数量已经超过最大土地承载力75万头(猪当量),污染风险很大,需要政府进行政策调控。同时秦皇岛可增加量仅为0.5万头(猪当量),需要尽快做出措施调控风险。

2.4 河北省畜禽粪污氮磷替代化肥潜力分析

河北省有机肥N养分替代化肥潜力基本保持在30%左右,2011年下降至24%后逐步回升,未来仍有稳定中上升的趋势。2009—2017年,有机肥P养分替代化肥潜力始终保持在23%左右,2018年和2019年有明显上升,预计未来仍会继续上升。这是由于河北省实施化肥农药使用量零增长行动方案,使近几年来化肥使用量显著下降,有机肥替代化肥潜力上升。

2019年河北省有机肥N养分和P养分替代化肥潜力最高的均是承德,分别为100%和89%,河北省北部各市尤其是承德有机肥替代化肥潜力最高,其过量的畜禽粪便若能集中收集处理作为有机肥使用,将有较大的替代化肥潜力。

3 讨论

3.1 河北省畜禽粪污土地承载力分析

河北省地处北纬36°—42°之间,具有得天独厚的自然资源,是农业大省。根据2021年《中国统计年鉴》,河北省粮食作物总产量和畜牧业总产量分别为3 795.9万t和419.2万t,分别位列全国第6位和第4 位。本文结果表明河北省整体上环境承载力较高,污染风险较小,养殖规模有可增加的潜力。近年来,由于政府出台加快畜牧业现代化发展[19]和污染减排政策[20],河北省畜禽业发展出现畜禽养殖数量减少的趋势。与此同时,种植业方面国家推行粮食种植面积只增不减[21],全面推进乡村振兴策略[22],整体发展较快。所以河北省N、P需求量远远大于供给量,总体有较大的畜禽养殖发展空间和潜力。但省内各市畜禽粪尿和作物需求量并不平衡。承德、唐山、石家庄和邯郸等市畜禽养殖业发达,养殖总量较大,尤其承德市实际畜禽养殖承载力已经超过土地最大承载力,秦皇岛市实际畜禽养殖数量也已经逼近最大土地承载力,当地政府和部门应该迅速控制畜禽养殖数量,实施削减氮磷污染措施以最大限度降低或减缓承德市以及秦皇岛市畜禽粪尿对当地生态环境的污染。保定、沧州、衡水和邢台可增加畜禽养殖量较大,此类地区可适当增加养殖规模,有助于推进全省畜禽养殖布局合理规划和协调河北省发展。

3.2 河北省有机替代化肥潜力分析

有机肥替代化肥可以有效改善土壤环境[23,24],提高土壤肥力[25]、进而提高作物产量[26,27]。河北省化肥施用量较大,排在全国第5位[28],推进有机肥替代化肥政策意义重大。本文结果表明河北省畜禽粪尿资源较多,总体上有较大的有机肥替代化肥潜力,但各市有机肥资源需求和供给并不匹配。南方城市如沧州、邢台、保定等市种植业发达,N养分需求量高,而北方城市如承德市、秦皇岛市、唐山市等畜禽养殖发达,N养分供应量较高,可以将有机肥商品化出售[29],即可分担畜禽粪污消纳压力,同时又能合理分配资源,实现创收。石家庄市和邯郸市P养分供给量比较大,而附近的邢台、保定、沧州等市P养分需求较高,故在考虑运输成本的前提下,可以将石家庄市部分粪肥运输至上述各市,增加其有机肥替代化肥比例。因此,未来河北省的畜禽资源管理策略可分两方面进行,一方面根据土地承载力和种植业养分需求来调节畜禽养殖规模,一方面加强各市养分资源的协同管理,大力发展商品有机肥制作和配套技术,将畜禽粪便加工成商品在区域间进行调配[30]。

3.3 不足与展望

本文计算精确到市级,而河北省各县农业发展状况差距较大,故在应用时,应结合更细致的县域分析数据进行精确化的管理,不能单一以本文作为决策的唯一依据。本文在计算畜禽粪尿还田时,并未考虑地形地貌,土壤理化性质的问题,并且结果也受到畜禽养殖方式,气候条件,饲料等因素的影响,导致计算存在一定误差,在后续研究中仍需进一步考察土壤对粪尿的消纳能力和人口消费等社会因素来综合评估畜禽养殖土壤承载力。

4 结论

(1)从时间上看,2019年河北省畜禽养殖总量和土地承载力分别为4 590 万头(猪当量)和10 003万头(猪当量),与2009年相比均呈下降趋势。由于畜禽养殖数量的下降速度高于土地承载力的下降速度,十年间畜禽养殖可增加量增长了约17%。

(2)从空间上看,南部各市如邢台、邯郸等市种植业发达,养分需求量高,土地承载力较高,畜禽养殖数量有较大增加潜力,但有机肥替代化肥潜力较小。北部各市畜牧业发达,粪尿产量多,有机肥替代化肥潜力高,但土地承载力较低。值得注意的是,承德市实际畜禽养殖数量已经超过其最大土地承载力,需要采取控制。秦皇岛市畜禽养殖可增加量仅为0.5 万头(猪当量),需要警惕其可能造成的环境风险。

综上所述,总体上河北省畜禽养殖规模有一定的增长空间,但南北各市畜禽资源和种植业分布不均,要注意优化农牧业布局和区域间协同管理。