湖北省秸秆和畜禽粪污还田化肥替减潜力与环境承载力分析

董心怡，李 晶，巩细民，张洋洋，李小坤，任 涛，陆志峰，丛日环，鲁剑巍

湖北省秸秆和畜禽粪污还田化肥替减潜力与环境承载力分析

董心怡1,2，李 晶3，巩细民3，张洋洋1,2，李小坤1,2，任 涛1,2，陆志峰1,2，丛日环1,2※，鲁剑巍1,2

（1. 华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室，武汉 430070；3. 湖北省耕地质量与肥料工作总站，武汉 430070）

湖北省畜禽业规模化养殖水平显著提高，秸秆资源量逐年提升，农业废弃物还田不仅可以减少农业面源污染，还可以减少化肥施用。该研究将湖北省分为5个种植区域（即鄂东南低山丘陵区、鄂北低山丘岗区、鄂西北山地区、鄂中平原区以及鄂西南山地区）。基于2019年－2020年统计数据，收集不同区域主要畜禽（猪、肉牛、奶牛、羊、肉鸡、蛋鸡）的存栏量、出栏量以及饲养周期，主要农作物种植面积和经济产量，计算湖北省畜禽粪污的养分供给量，评估不同区域的畜禽养殖现状是否超过土地承载畜禽粪污的最大容许数量。根据不同农作物的草谷比以及秸秆养分含量，计算出湖北省农作物秸秆的养分资源量以及养分还田量。湖北省不同区域畜禽养殖量均未超出当地最大承载容纳量，其中鄂北地区的土地承载力指数最高，达到了0.35～0.78，鄂中地区的土地承载力指数仅在0.17～0.54，有较大的空间来发展畜禽养殖业。2019年湖北省畜禽粪污养分资源量分别为36.89万t N、14.03万t P2O5、52.06万t K2O。按照畜禽粪污肥料化还田率65%计算，畜禽粪肥的养分还田总量分别为23.98万t N、9.12万t P2O5、33.70万t K2O，理论可替减化肥比例分别为17.3%、11.9%、56.2%。湖北省主要农作物秸秆资源总量以鄂中地区秸秆资源量最高，鄂西北地区最低。当前湖北省秸秆养分资源为31.07万t N、9.98万t P2O5、68.30万t K2O，理论可替减化肥比例分别为22.53%、13.11%、113.97%。湖北省主要农业废弃物还田理论可基本满足主要农作物的钾素需求，实现氮肥消费量减少39.8%、磷肥消费量减少25.0%。该研究通过计算湖北省主要农业废弃物（畜禽粪污、秸秆）的养分资源量，评估农业废弃物还田的化肥可替减潜力以及畜禽粪污土地承载力，为湖北省农业绿色发展提供理论依据和数据支撑。

秸秆；还田；畜禽粪污；化肥替减；湖北省；养分资源量

0 引 言

中国畜禽业持续稳定发展，规模化养殖水平显著提高。《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年全国畜禽规模养殖场水污染物总氮排放量达到37.00万t，总磷排放量达到8.04万t。畜禽粪污经过处理后作为肥料还入农田可以减少面源污染。《“十四五”全国农业绿色发展规划》中提出，到“十四五”末，畜禽粪污综合利用率达到80%；秸秆综合利用率达到86%以上。畜禽粪肥和秸秆还田可以提高土壤有机碳储量，改善土壤肥力[1]，促进良好土壤结构的形成[2]。在湖北省33 a的稻-麦定位试验中，与化肥处理相比，畜禽粪肥与化肥配合施用可分别提高7.0%的水稻产量和37.8%的小麦产量[3]。解开治等[4]在连续3 a无机配施粪肥定位试验中，发现相比于施用100%的化肥N，施用2/3化肥N+1/3粪肥N，可以使水稻增产7.6%～10.2%。化肥配施粪肥可以提升农作物产量，原因之一就是化肥与粪肥配施能够提升作物的氮肥利用率。相比于全部施用化肥，配施粪肥可以提高盐渍农田玉米氮肥利用率2.6%～7.4%[5]。在8 a连续定位试验中，单施化肥使得玉米利用率平均每年下降3.3%，而化肥配施有机肥则使得红壤玉米氮肥利用率每年提升1.2%[6]。张聪等[7]在对玉米秸秆15 a持续还田的定位试验中发现，秸秆还田会持续增加土壤碳库含量，且在10 a后达到一个平衡状态。Liu 等[8]选取了近年来国内试验周期大于两年的定位试验的文献数据进行Meta分析，与单施化肥相比，秸秆还田对小麦、玉米和水稻产量分别显著提高4.1%、7.2%和7.6%。秸秆还田同样对肥料利用率有一定的提升，黄婷苗等[9]发现当施氮量充足时，秸秆还田能够促进小麦吸收更多的氮。张刚等[10]认为秸秆还田可以减少30.9%的氮素淋溶损失，在水稻实际生产中可以提升1.8%～4.2%的氮肥利用率。

湖北省是中国重要的粮食基地，播种面积常年保持在0.85亿hm2左右。湖北省作物秸秆资源量大，畜禽养殖规模呈逐年扩增的趋势[11]。在当前国家大力提倡绿色种养循环的背景下，摸清湖北省不同区域畜禽粪污及农作物秸秆还田养分资源量，评估其化肥替减潜力及土地承载力能够为湖北省农业绿色发展提供理论依据和数据支撑。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概括

湖北省位于长江中游，地处亚热带，属于典型的季风气候，光温雨热资源充沛，是中国重要的粮油生产基地。根据《2020年湖北省农村统计年鉴》[12]，湖北省播种面积常年保持在0.85亿hm2左右，主要农作物（包括粮食作物、油料作物、棉麻作物、果树、茶树、蔬菜）总产量1.63亿t左右，湖北省2019年化肥施用总量为273.90万t，位居全国第六。

本文根据气候、土壤类型等因素，结合区域地貌特征、土地利用、种植结构等，将湖北省农作物种植区划分为5个区域（图1），即鄂东南（SEH）、鄂北（NH）、鄂西北（NWH）、鄂西南（SWH）以及鄂中（MH）地区。其中，鄂东南（SEH）包括武汉市、黄石市、鄂州市、咸宁市、黄冈市；鄂北（NH）包括随州市、荆门市、孝感市；鄂西北（NWH）包括十堰市、襄阳市；鄂西南（SWH）包括恩施自治州、神农架林区、宜昌市；鄂中（MH）包括荆州市、仙桃市、潜江市、天门市。

注：SEH，鄂东南；NH，鄂北；NWH，鄂西北；SWH，鄂西南；MH，鄂中。

1.2 数据来源

2019年湖北省（13个地级市）牛、羊、家禽存栏量和出栏量，各种农作物（水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油菜、棉花、茶叶、梨、柑橘、蔬菜）种植面积，作物经济产量均来源于《2020年湖北省农村统计年鉴》[12]，其中马铃薯的产量为折粮产量，即5 kg马铃薯折合1 kg粮食，在计算时按比例折算。不同畜禽饲养周期参考《全国农产品成本收益资料汇编2019》[13]，不同畜禽排泄系数参考《畜禽养殖业粪便污染监测核算方法与产排污系数手册》[14]，不同畜禽的日排泄氮磷量以及不同农作物基于氮、磷的畜禽粪污土地承载力参考《土地承载力测算技术指南》[15]，不同秸秆养分含量（风干基）参考《中国有机肥料养分数据集》[16]，不同畜禽粪（尿）钾含量（风干基）参考文献[11]。

1.3 研究方法

1.3.1 畜禽粪污产生总量、养分量及其化肥替减潜力估算方法

畜禽粪污产生量的估算采用排泄系数法，即各类畜禽粪污的年产生量为由畜禽饲养量（年末存栏数、年内出栏数）、饲养周期、排泄系数乘积所得。氮、磷养分供给量计算参考《土地承载力测算技术指南》[12]，钾养分供给量计算参考《中国畜禽粪尿中养分资源数量及利用潜力》[11]（表1）。计算公式如下：

Q

N

、

P

=∑

Qi

=∑（

Ni

×

Ti

×

Pi

）×PL （1）

Q

K

=∑

Qi

=∑（

Ni

×

Ri

×

Ki

） （2）

式中N、P为氮、磷养分供给总量，万t；Q为第种畜禽粪污养分供给量，t；N为第种畜禽的存栏量或出栏量，头；T为第种畜禽的饲养周期，d；P为第种畜禽的粪便中氮（磷）的日产生量，kg·（天·头）-1；PL为堆肥处理方式下氮、磷的留存率，其中氮留存率为68.5%，磷留存率为76.0%。K为钾养分供给总量，万t；R为第种畜禽的粪（尿）排泄系数，kg·（天·头）-1；K为第种畜禽的粪（尿）钾养分含量，%。本研究中饲养周期小于1 a的畜禽（猪、肉牛、羊、肉鸡）以出栏数作为养殖数量进行计算，饲养周期大于1 a的畜禽（奶牛、蛋鸡）以存栏数作为养殖数量进行计算。

畜禽粪污的化肥替减潜力根据单位播种面积的畜禽粪污还田养分量以及化肥实际施用量进行估算：

AM

N/P/K

=∑(

Q

N/P/Ki

×65%/

Si

) （3）

RS

N/P/K

=∑(

Q

N/P/Ki

)/

F

N/P/K

（4）

式中AN、AP、AK分别为单位面积畜禽粪污供氮、磷、钾量，kg/hm2；65%为根据湖北省当前粪肥利用情况设置的畜禽粪污还田率；S为第种农作物的播种面积，hm2；RN、RP、RK分别畜禽粪污还田的氮、磷、钾肥替减率，%；N、P、K分别为湖北省2020年N、P、K化肥施用总量，万t。

1.3.2 畜禽粪污土地承载力估算方法

土地承载力是区域内以作物养分需求量为基础的畜禽最大养殖量，由不同农作物的单位面积的最大畜禽养殖量与种植面积计算得出。不同农作物的畜禽粪肥养分需求量以及不同农作物单位面积最大畜禽养殖量[15]，计算公式如下：

Am=

（

Ai×

FP

×

MP

）

/

MR （5）

Ri

=

Am

/

q

（6）

表1 主要畜禽的饲养周期、排泄系数、日排泄氮磷量以及粪（尿）钾含量

式中A为不同农作物畜禽粪肥养分需求量，t；R为不同作物单位面积最大畜禽养殖量（猪当量/hm2），即各类畜禽折算成猪当量的单位面积饲养总量，猪当量：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2 500只家禽；为在畜禽产生的粪污全部就地利用的情况下，单位猪当量的养分供给量（氮养分供给量为7.0 kg，磷供给量为1.2 kg）；A为不同作物氮、磷养分需求量，t；FP为作物总养分需求中施肥供给养分占比，%，施肥供给的养分比例根据土壤地力不同而变化，施肥供给占比设置为45%[15]；MP为畜禽粪污提供养分占施肥总量的比例，%，按照50%计算[15]；MR为畜禽粪肥当季利用效率，%；畜禽粪肥氮当季利用率按照25%，畜禽粪肥磷当季利用率按照30%计算[15]。不同农作物基于氮、磷的畜禽粪污土地承载力如表2所示。

表2 不同农作物基于氮、磷的畜禽粪污土地承载力

区域内理论最大养殖量为各类农作物单位面积土地承载力乘以该作物的种植面积，及其土地承载力指数则代表当地畜禽养殖量占理论最大养殖量的比例[15]，计算公式如下：

R

=∑（

Ri

×

Si

） （7）

I

=

A

/

R

（8）

式中为土地承载力，猪当量；S为第种作物的种植面积，hm2；为区域内最大畜禽养殖量（猪当量）；为区域内畜禽粪污土地承载力指数。当>1时，该区域的畜禽养殖量超过土地承载力；当<1时，畜禽养殖量并未超过当地土地承载力。

1.3.3 秸秆养分资源量化肥替减潜力估算方法

秸秆资源量采用草谷比计算[17-18]，即利用农作物秸秆的产生量与作物产量之间的比例，计算主要农作物秸秆量。

WS

=

WY

×

SG

（9）

式中W代表农作物秸秆量，W为作物的经济产量，S为作物草谷比[19]，即作物地上部秸秆产量与经济产量的比值。

不同农作物的秸秆养分量计算方法[15]为

W

N

=

WS

×

NS

（10）

W

P

=

WS

×

PS

×2.29 （11）

W

K

=

WS

×

KS

×1.21 （12）

式中、W、分别为各农作物秸秆N、P2O5、K2O养分量，N、P、K分别为各农作物秸秆氮、磷、钾养分含量（表3），由P、K折算为P2O5、K2O的转换系数分别为2.29和1.21。主要农作物秸秆氮、磷、钾养分含量参考《中国有机肥料养分志》[16]。

表3 主要农作物秸秆氮、磷、钾养分含量

秸秆还田的化肥替减潜力根据单位播种面积的秸秆还田养分量以及化肥实际施用量（）进行估算：

A

SN/P/K

=∑(

W

N/P/Ki

×100%/

Si

) （13）

R

SN/P/K

=∑(

W

N/P/Ki

)/

F

N/P/K

（14）

式中SN、SP、SK分别为单位面积秸秆还田供氮、磷、钾量，kg/hm2；100%为设定7种主要农作物秸秆全部还田，SN、SP、SK分别秸秆还田的氮、磷、钾肥替减率，%。

2 结果与分析

2.1 基于氮、磷的畜禽粪污土地承载力分布特征

当前湖北省的畜禽养殖折算成猪当量为6 376.02万猪当量，以氮为基础计算土地承载力时，湖北省可容纳的畜禽养殖规模为12 890.80万猪当量，以磷为基础计算土地承载力时，湖北省可容纳的畜禽养殖规模为17 221.38万猪当量。从湖北省全域尺度来看，湖北省有较大空间承载消纳畜禽粪污。

土地承载力指数则代表当地畜禽养殖量占理论最大养殖量的比例，土地承载力指数越大代表当地畜禽养殖规模越接近可容纳的畜禽养殖规模上限。以氮为基础计算土地承载力时（图2a），鄂北地区的土地承载力指数最高，达到了0.35～0.78，即该地区在维持农牧循环可持续发展的平衡时，可扩大畜禽养规模空间较小；而鄂中地区的土地承载力指数仅为0.17～0.54，即该区域可以消纳更多的畜禽粪污，有较大的空间来发展畜禽养殖业。不同行政区来看，黄冈市和随州市的土地氮承载力指数最高，分别为0.82和0.78，而仙桃市的土地承载力指数最低，仅为0.17。以磷为基础计算土地承载力时（图2b），湖北省各行政区土地承载力指数空间分布特征与氮相似，数值偏低。例如土地承载力指数最高的黄冈市仅为0.58，其次是襄阳市，指数为0.54。

图2 湖北省不同区域土地氮、磷承载力指数

2.2 不同区域畜禽粪污养分供给量分布特征

当前湖北省畜禽养殖产生畜禽粪污养分资源量分别为36.89万t N、14.03万t P2O5、52.06万t K2O。不同区域畜禽粪污氮（图3a）、磷（图3b）、钾（图3c）供应量差异明显。鄂北地区（NH）畜禽粪污养分供给量最高，其中襄阳市畜禽粪肥养分资源量分别达到7.19万t、2.73万t P2O5、11.47万t K2O，分别占全省总量的19.5%、19.4%、22.0%；其次是黄冈市，畜禽粪肥养分资源量分别为5.71万t N、2.13万t P2O5、10.35万t K2O，分别占全省15.5%、15.2%、19.9%。而鄂中区域畜禽粪污养分供给量最低，除去神农架林区，仙桃市畜禽粪肥养分资源量最低，分别为0.39万t N、0.15万t P2O5和0.45万t K2O，其养分资源总量不足全省的1.0%。

图3 湖北省畜禽粪污氮、磷、钾养分供给量

从畜禽粪污来源（数据未显示）来看，湖北省蛋鸡的粪污氮、磷供应总量最高，钾养分供应量仅次于奶牛粪污。2020年全省蛋鸡畜禽粪肥理论可提供11.49万t N、4.41万t P2O5、11.99万t K2O，分别占全省畜禽粪污养分总量的31.1%、31.4%、23.03%。奶牛粪污的钾养分供应量最大，理论可提供25.35万t K2O，占全省总量的48.69%。其次是猪粪污养分资源，理论上可以提供9.31万t N，3.57万t P2O5，7.50万t K2O，分别占全省总量的25.2%、25.5%、11.40%。不同行政区的养殖结构存在差异，例如，宜昌市、鄂州市、咸宁市以及恩施自治州猪粪氮、磷供应总量高于蛋鸡，以上行政区猪畜禽粪肥氮供应量占全省总量的36.8%～52.6%，磷供应量占全省总量的34.5%～53.5%。

2.3 不同区域畜禽粪污还田化肥替减潜力

当前湖北省主要农作物（包括粮食作物、油料作物、棉麻作物、果树、茶树、蔬菜）种植面积847.61万hm2，化肥投入量（折纯）273.89万t，其中氮、磷、钾肥投入量分别为137.88万t N、76.08万t P2O5、59.93万t K2O（表4）。设定湖北省畜禽粪污肥料化还田率为65%，则畜禽粪污还田氮养分量23.98万t N，占氮肥投入的17.3%；还田磷养分量9.12万t P2O5，相当于磷肥投入的11.9%；还田钾养分量33.70万t K2O，相当于钾肥投入的56.2%。湖北省畜禽粪污氮、磷、钾养分可替代化肥潜力较大。不同区域来看，鄂东南地区的畜禽粪污养分还田量最高，分别为6.35万t N、2.40万tP2O5、9.59万t K2O，总养分还田量可达到18.34万t，高于湖北省平均水平（13.36万t）；其次为鄂西北和鄂北地区，其畜禽粪污总养分还田量分别为17.50万t和16.30万t。而鄂西南、鄂中地区的畜禽粪污养分还田量则明显低于其他区域，总养分还田量分别为7.90万t和6.56万t。

表4 湖北省不同区域畜禽粪污养分供应量及其理论化肥替减比例

湖北省单位种植面积化肥投入量（折纯）平均为323.13 kg/hm2，畜禽粪污养分还田量平均为78.58 kg/hm2，畜禽粪污化肥理论可替减率为24.3%。与区域养分投入总量相似，鄂东南地区单位面积化肥投入量（461.82 kg/hm2）和畜禽粪污养分供应量（130.54 kg/hm2）均为最高，畜禽粪污理论化肥替减率为28.3%；而鄂中地区单位面积化肥投入量（214.90 kg/hm2）和畜禽粪污养分供应量（29.10 kg/hm2）则均为最低，畜禽粪污理论化肥替减率也最低（13.7%）。

2.4 湖北省秸秆资源量空间分布特征

湖北省主要农作物秸秆资源量为3 623.06万t（表5）。其中，水稻、油菜和小麦秸秆资源量分别达到1 965.62万t、616.02万t和451.42万t，分别占湖北省主要农作物秸秆资源量的54.3%、17.0%和12.5%。从区域秸秆分布特征来看，鄂中地区秸秆资源量最高（1 248.88万t），区域主要秸秆类型为水稻、油菜和小麦秸秆，其秸秆资源量分别达到794.05万t、252.3万t和121.78万t，占鄂中地区秸秆资源总量的63.6%、20.2%和9.8%。其次是鄂北地区，其秸秆资源总量为1 170.68万t，区域主要秸秆类型为水稻、小麦和玉米秸秆，其秸秆资源量分别为586.86万t、260.25万t和129.90万t，占鄂北地区秸秆资源总量的50.1%、22.2%和11.1%。鄂西南和鄂西北地区秸秆总量最低，2个地区秸秆资源总量合计仅为543.91万t，占湖北省秸秆总量的15.0%，主要秸秆类型为玉米秸秆和马铃薯秸秆，分别占全省玉米和马铃薯秸秆资源量的48.8%和80.7%。

表5 湖北省不同区域主要农作物秸秆资源量

2.5 不同区域秸秆养分资源量分布特征

湖北省主要农作物的秸秆养分资源总量如图4所示，全省秸秆养分资源量分别为31.06万t N、9.98万t P2O5、68.29万t K2O。不同区域的秸秆氮（图4a）、磷（图4b）、钾（图4c）养分资源量差异明显。受区域不同种植结构影响，鄂中地区的主要农作物秸秆养分资源量最高，秸秆氮、磷、钾养分资源量分别占全省的33.5%、34.3%、36.0%。而鄂西北秸秆养分资源量最低，其秸秆氮、磷、钾养分资源量分别仅占全省的6.1%、6.0%、5.4%。

不同农作物秸秆提供的养分资源量差异明显，其中水稻秸秆的养分资源量最高，氮、磷、钾养分资源量分别为16.31万t、5.31万t、40.49万t，分别占全省秸秆养分资源量的52.5%、53.2%、59.3%；其次是油菜秸秆，其氮、磷、钾养分资源量分别占全省16.3%、20.0%、20.2%；马铃薯的秸秆养分量最低，仅为0.62万t N、0.15万t P2O5、1.11万t K2O。不同区域的种植结构存在差异，因此秸秆的养分资源量不同。其中，鄂中、鄂东南、鄂西北地区以水稻秸秆（27.5%～67.5%）、油菜秸秆（14.9%～25.6%）为主，鄂北地区水稻秸秆（49.2%～58.8%）和小麦秸秆（13.7%～16.3%）占比较高，鄂西南地区则以玉米秸秆占比较高（29.4%～37.0%）。

图4 湖北省不同区域秸秆氮、磷、钾养分供给量

2.6 不同区域秸秆还田化肥替减潜力

湖北省主要农作物秸秆还田氮、磷、钾养分供应量分别为31.07万t N、9.98万t P2O5、68.30万t K2O分别占氮、磷、钾肥投入的22.53%、13.11%、113.97%（表6）。不同区域来看，鄂中地区的秸秆还田养分供应量最高，分别为10.42万t N、3.42万tP2O5、24.59万t K2O，总养分还田量可达到38.43万t；其次为鄂北和鄂东南地区，其秸秆还田总养分供应量分别为33.53万t和20.91万t。而鄂西南、鄂西北地区的秸秆还田养分供应量则明显低于其他区域，养分还田量分别为10.27万t和6.20万t。

湖北省单位种植面积秸秆还田养分供应量平均为129 kg/hm2，秸秆还田化肥理论可替减率为39.9%。其中，秸秆还田对钾素的补充最高，理论上鄂中和鄂北地区秸秆还田钾素供应量超过化肥钾投入量。不同区域秸秆还田氮、磷养分供应与化肥替减率差异明显，鄂中地区施肥量最低而主要农作物秸秆养分还田量较高，因此秸秆还田氮、磷替减率最高，分别达到为43.22%、27.01%；其次为鄂北地区，秸秆还田氮、磷替减率分别为32.64%和16.72%；而鄂西南和鄂西北地区单位面积秸秆还田养分供应量最低，秸秆还田氮、磷理论替减率也最低，分别为8.0%～11.5%和5.0%～6.7%。湖北省主要农业废弃物还田理论可基本满足主要农作物的钾素需求，实现氮肥消费量减少39.8%、磷肥消费量减少25.0%。

表6 湖北省不同区域秸秆还田养分供给量以及化肥替减率

3 讨 论

3.1 湖北省农业废弃物消纳与化肥替减

关于畜禽粪污土壤消纳估算的研究已有很多[20-22]。欧美等发达国家多采用畜禽粪肥定量施用原则，即不同土壤条件的农田，其养分投入量不得超过某一阈值，并以此确定单位面积的畜禽养殖规模[23]。例如，欧盟规定在硝酸盐脆弱区，其畜禽粪肥年施氮、磷限量值分别为170 kg N/hm2，80 kg P2O5/hm2，耿维等[21]采用该畜禽粪肥定量施用原则，计算安徽省农用地畜禽环境承载力，得出6个县（区）的畜禽粪污环境污染风险指数大于1的结果。然而Ovejero等[24]在6 a玉米-小麦轮作定位试验研究结果表明，畜禽粪肥施氮量超出欧盟规定量（170 kg N/hm2）时，作物的产量更高，且对环境并未造成负面影响。刘晓永等[22]则提出设定农用地畜禽粪污猪粪当量的适宜施用值，作为参数来计算农用地负荷风险指数，即我国施用畜禽粪污猪粪当量的上限为30 t/hm2。以上计算方法考虑了消纳畜禽粪污的农田面积，而忽略了不同区域农作物种植差异及土壤消纳畜禽粪污的库容量差异。农田可消纳畜禽粪污的阈值既取决于土壤基础性状，也取决于不同产量水平下作物的养分吸收量[25]。当农田的养分投入/产出失去平衡，即化肥、秸秆肥、畜禽粪肥施用量远超过作物地上部带走量时，易造成养分积累，进而导致土壤盐渍化、土壤退化[22]，例如盛巧玲[26]基于氮平衡计算发现北京市郊区13个区县的畜禽养殖已经轻度超载。本研究采用全国畜牧总站印发的《土地承载力测算技术指南》[15]，估算区域尺度的土地承载畜禽粪污最大容纳数，以平衡长期消纳粪污、满足作物养分需求以及保护环境之间的关系。本研究研究结果表明，湖北省畜禽粪污养分资源量占主要农业废弃物（畜禽粪污、农作物秸秆）养分资源总量的37.9%。在种植面积最大的鄂中地区，其畜禽粪污土地承载力指数最低，相应的畜禽粪污养分资源量最低，即土地消纳畜禽粪污还田的空间最大。鄂北地区畜禽粪污和秸秆养分资源量均较高，区域畜禽粪污土地承载力指数也最高，因此该区域畜禽养殖规模扩大空间有限，单位面积土地氮、磷消纳压力较大。此外，鄂北地区单位面积秸秆还田量达到5.93 t/hm2，单位面积秸秆养分资源量达到169.92 kg/hm2，区域内发展绿色种养循环农业应兼顾畜禽粪污和秸秆还田，明确2种养分资源量还田条件下的化肥适宜用量。而鄂东南地区两种来源养分资源量比例相当，区域土地承载力指数和单位面积秸秆还田量均为中等水平，区域注重化肥减量的同时，能够实现畜禽粪污和秸秆还田养分资源高效利用，达到生态环境友好的目的。

3.2 秸秆还田化肥替减估算

本研究通过秸秆养分含量与秸秆产生量计算得出秸秆养分理论资源量，从区域角度分析了秸秆还田氮、磷、钾肥理论替减率分别为22.53%、13.11%和113.97%。田间生产实际中，秸秆还田化肥替减效果受到土壤养分供应、化肥用量与作物产量水平的影响[27-31]。以秸秆还田钾肥替减为例，不同供钾能力的土壤，其秸秆还田钾肥替减率差异较大。供钾能力高的土壤，秸秆还田钾素当季归还量可以完全替代钾肥施用；供钾能力中等的土壤，秸秆还田可替减50%钾肥；而供钾能力低的土壤，秸秆还田仅能够替代25.0%的钾肥[27,31]。因此，从土壤钾库平衡的角度出发，秸秆还田仍需投入一定的化学钾肥，Zhu等[32]基于钾肥长期定位试验提出，水旱轮作体系最佳的钾肥管理策略是作物秸秆全量还田配合施用与籽粒钾带走量相当的钾肥，这样既可以保障作物产量，又可以最大程度减少钾肥用量，同时维持土壤钾库的平衡。本课题组根据多年多点定位试验研究结合不同产量水平推荐施肥量[27,32-35]提出，稻油轮作周年连续秸秆还田能够替减约10.0%～15.0%的氮肥、20.0%～30.0%的磷肥和35.0%～60.0%的钾肥用量。此外，随着秸秆腐解时间的延长和还田量的积累[36]，长期秸秆还田有利于缓解土壤养分的亏缺和土壤有机质的提升[33,37]，其增产效应也随着还田年份的增加而提高[38]，化肥替减率也将随着还田年份的增加而提高。例如，郝翔翔等[39]提出在黑土区连续8 a秸秆还田后，与初始土壤相比土壤有机质提高了6.6%；王改玲等[40]在陕西合阳28 a的冬小麦单作长期定位试验结果表明，相比于单施化肥，长期秸秆还田土壤有机质含量提高了146.3%。在19 a的春玉米单作长期定位试验中[41]，长期秸秆还田可以增加土壤贮水量，提高水分利用效率，19 a累计增产幅度可以达到11.6%～20.9%。

4 结 论

1）湖北省不同区域畜禽养殖量均未超出当地最大承载容纳量，其中鄂中地区畜禽粪污消纳空间较大。按照畜禽粪污肥料化还田率65%计算，2019年湖北省畜禽粪肥的养分还田总量分别为23.98万t N、9.12万t P2O5、33.70万t K2O，鄂北地区畜禽粪污养分供给量最高，而鄂中区域畜禽粪污养分供给量最低。

2）当前湖北省主要农作物秸秆养分资源为31.07万t N、9.98万t P2O5、68.30万t K2O，以鄂中地区秸秆资源量最高，鄂西北地区最低，其中水稻与油菜的所占比例最大。

3）湖北省畜禽粪污还田可替减17.3%的氮肥和11.9%的磷肥，主要农作物秸秆还田可替减22.53%的氮肥和13.11%的磷肥，即主要农业废弃物（畜禽粪污、农作物秸秆）还田理论可实现氮肥消费量减少39.8%、磷肥消费量减少25.0%，农业废弃物还田理论上可满足湖北省主要农作物的钾素需求。

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Reduction potential and environmental carrying capacity of straw and livestock manure returning to fields in Hubei Province of China

Dong Xinyi1,2, Li Jing3, Gong Ximin3, Zhang Yangyang1,2, Li Xiaokun1,2, Ren Tao1,2, Lu Zhifeng1,2, Cong Rihuan1,2※, Lu Jianwei1,2

(1.,,430070,; 2(),,430070,; 3.,430070,)

The large-scale breeding level of livestock and poultry industry in Hubei Province has been significantly improved, and the amount of straw resources has been increased year by year. Returning agricultural wastes to the field can not only reduce agricultural non-point source pollution, but also reduce the application of chemical fertilizers. Based on relevant statistical data and literature, this study collected the amount of livestock and poultry (i.e., pigs, beef cattle, dairy cows, sheep, broilers, layers) in stock, market and growth cycle, and the planting area and economic yield of various crops (i.e., the low hilly area in southeastern Hubei, the low hilly area in northern Hubei, the mountainous area in northwestern Hubei, the plain area in central Hubei, and the mountainous area in southwestern Hubei). Based on the statistical data from 2019 to 2020, We calculated the nutrient supply of livestock and poultry waste, and further evaluated whether the current situation of livestock and poultry breeding in Hubei Province exceeded the maximum allowable amount of soil carrying livestock and poultry waste. According to the ratio of straw to grain of different crops and nutrient content of straw, we analyzed the nutrient resources and the theoretical nutrient returning amount of crop straw. The land carrying capacity index of livestock was the highest in Northern Hubei, reaching to 0.35-0.78. The land carrying capacity index of Central Hubei was only 0.17-0.54, indicating that there would be a large space to develop livestock and poultry breeding. In 2019, the nutrient resources of livestock and poultry waste in Hubei Province were 368 900 t N, 140 300 t P2O5and 520 600 t K2O, respectively. Based on 65% of livestock manure and fertilizer returning to the field, the total nutrient returning to the field of livestock and poultry manure would be 239 800 t N, 91 200 t P2O5and 337 700 t K2O, respectively, with the ratio of fertilizer replacement of 17.3%, 11.9% and 56.2%, respectively. The total amount of straw resources of main crops in Hubei Province was the highest in Central Hubei and the lowest in Northwest Hubei. At present, the nutrient resources of straw in Hubei province were 310 700 t N, 99 800 t P2O5and 683 000 t K2O, and the proportion of theoretical fertilizer replacement were 22.53%, 13.11% and 113.97%, respectively. The livestock and poultry production in different regions of Hubei province did not exceed the local maximum carrying capacity. The livestock and poultry breeding volume in different regions of Hubei Province did not exceed the local maximum carrying capacity. The theory of returning major agricultural wastes in Hubei Province can reduce nitrogen fertilizer consumption by 39.8% and phosphate fertilizer consumption by 25.0%. The total K amount from agricultural wastes return to the field could theoretically meet the demand for potassium of main crops. By calculating the nutrient resources of the main agricultural wastes (i.e., livestock and poultry waste, and straw) in Hubei Province, we evaluated the potential of fertilizer reduction of agricultural waste returning to the field and the carrying capacity of livestock and poultry waste soil, providing theoretical basis and data support for agricultural green development in Hubei Province.

straw; returning to fields; livestock and poultry manure pollution; fertilizer replacement reduction; Hubei Province; nutrient resources

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030

S158.3

A

1002-6819(2022)-15-0277-10

董心怡，李 晶，巩细民，等. 湖北省秸秆和畜禽粪污还田化肥替减潜力与环境承载力分析[J]. 农业工程学报，2022，38(15)：277-286.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030 http://www.tcsae.org

Dong Xinyi, Li Jing, Gong Ximin, et al. Reduction potential and environmental carrying capacity of straw and livestock manure returning to fields in Hubei Province of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 277-286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030 http://www.tcsae.org

2022-05-27

2022-07-23

国家自然科学基金项目（32172678）；湖北省现代农业产业技术体系项目（HBHZD-ZB-2020-005）和中央高校基本科研业务费专项（2662020ZHPY005）资助

董心怡，研究方向为土壤肥力培育与作物养分管理。Email：dongxinyi@webmail.hzau.edu.cn

丛日环，副教授，研究方向为土壤肥力培育与作物养分管理。Email：congrh@mail.hzau.edu.cn