基于氮养分平衡法的畜禽粪污土地承载力研究——以重庆市为例*

黄柏云， 李铮， 黄容， 王子芳， 向书江， 高明

1. 西南大学 资源环境学院， 重庆 400715； 2. 四川农业大学 资源学院， 成都 611130

我国是畜禽养殖大国， 畜禽粪污产量高， 对环境影响较大， 利用率不高， 已严重威胁到生态环境[1-4]. 近年来， 畜禽粪便的污染防治成为我国生态文明建设的重点. 规模化畜禽养殖环境污染已严重制约了畜禽养殖业的绿色健康发展. 近年来， 发展种养结合是实现农业绿色发展的关键， 《全国农业可持续发展规划(2015—2030 年)》中强调， 要积极优化和调整种植业和养殖业结构， 促进种养结合、 农牧循环发展， 推进生态循环农业发展. 但是， 部分地区由于缺乏种植和养殖结构科学的规划， 造成种植和养殖不协调[5]. 有研究表明， 我国2011年大部分地区畜禽实际养殖量已经超过50%的环境容量， 引发了一系列畜禽养殖环境污染问题[6].

畜禽粪污富含C， N， P等多种养分， 可以作为肥料进行还田处理. 一般认为， 畜禽粪污还田对土壤有机质有积极的影响， 对土壤培肥有重要作用[7-9]. Springer等[10]研究表明， 施用粪肥有助于提高土壤抗风化能力， 改善土壤质量， 促进土壤有益微生物的生长， 达到提质增产的效果. 畜禽粪污肥料化利用是其资源化利用途径中最主要的一种方式， 利用畜禽粪便有机肥来替代部分化肥， 不仅可以降低成本， 减少污染， 还能提高土壤肥力水平. 为确定区域的畜禽养殖数量， 合理优化种养结构， 以便合理有效地消纳畜禽粪污， 部分欧洲国家依据硝酸盐脆弱区内农田N，P投入量的阈值(N≤70 kg/hm2， P2O5≤170 kg/hm2)， 确定单位面积的家畜养殖数量[11-12]. 但是我国国情与欧美国家不同， 不能简单套用欧美标准， 需要着眼于区域尺度来考虑畜禽粪污土地承载力的问题[13]. 针对不同农作物对粪污的吸收能力， 农业农村部2018年发布了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》， 其目的是基于养分平衡和农作物的需肥规律， 在考虑不同粪污处理过程中粪尿养分损失的情况下， 计算区域尺度的畜禽粪污土地承载力[14]. 闫熠峰等[1]以《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》为主要计算依据， 分析了山西省各市县区主要粮食作物的耕地土地承载力， 表明按粪肥比例 50%计算， 山西省11个市主要粮食作物耕地的土地承载力大于粪肥的养分总供给量， 但仍有部分区县粪肥供给量超过了土地承载力. 安思羽等[15]研究表明， 我国畜禽粪便产生的氮磷养分每年分别可达7.98×106， 6.42×106t， 依据果菜茶理论养分需求量， 通过畜禽有机肥替代化肥， 70%左右的省份可实现化肥减量目标， 减少氮磷化肥面源污染， 但是各地区畜禽有机肥替代化肥量空间差异较大. 目前， 重庆正处于农业供给侧结构改革的关键时期， 迫切需要分析县域尺度的畜禽粪污土地承载力， 为科学规划区域内的种植与养殖结构， 减少畜禽粪污等农业污染源， 促进绿色农业和可持续农业的发展提供重要支撑. 因此， 本研究以重庆为研究区域， 基于氮养分平衡原理， 根据区域内主要作物氮养分量， 计算区域畜禽粪污土地承载力， 以便为区域内种养结合的合理搭配提供量化的、 合理的科学依据.

1 材料与方法

1.1 数据来源

重庆市各区县的谷类、 豆类、 折粮薯类、 瓜果类、 蔬菜类等主要作物类型、 种植面积以及氮养分需求量主要来源于2018年《重庆市统计年鉴》[16]. 重庆市各区县的土壤氮养分质量分数的数据来源于《重庆农业土壤》(上、 中、 下卷和增补)[17]. 由于土壤不同氮养分水平下的施肥比例不同， 因此在确定氮肥的供给养分占比时， 主要依据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]中土壤不同氮养分水平下施肥供给养分占比推荐值， 再结合重庆土壤的肥力水平确定， 其中土壤不同氮养分水平下的施肥供给养分占比推荐值(表1)来源于《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》. 重庆各区县的行政地图的底图来源于中国科学院资源环境数据中心(https： //www.resdc.cn/).

表1 土壤不同氮养分水平下施肥供给养分比例推荐值 g/kg

1.2 计算方法

基于物质平衡循环理论， 本研究主要采用氮养分平衡法(Nitrogen Nutrient Balance Method， NNBM)评估重庆市各区县的畜禽粪污土地承载力[18]. 重庆传统的施肥方式主要是“重氮、 轻磷、 轻钾”[15]， 因此本研究畜禽粪污土地承载力是以氮养分供给和需求为基础测算， 即重庆市畜禽粪污土地承载力等于重庆市各区县作物的粪肥养分需求量除以单位猪当量粪肥养分供给量(以存栏猪当量计)[14].

依据农业农村部制定的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》中的测算方法[14]， 对区域内主要作物(经济作物、 粮食作物)的氮养分需求量进行计算， 计算公式为：

式中：NU为区域内主要作物的每年氮养分需求总量， kg；Pi为区域内第i种作物的面积， hm2；Ci为区域内第i种作物单位面积的氮养分需求量， kg/hm2. 其中， 区域内主要作物的种植面积来源于2018年《重庆市统计年鉴》[16]， 单位面积的氮养分需求量来源于《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]并结合区域内实际施肥情况所得.

依据农业农村部制定的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]， 区域内主要作物的粪肥氮养分需求量的计算公式如下：

式中：MU为区域内主要作物的粪肥氮养分需求量， kg；Fr为区域内氮肥的供给养分比例， %， 依据重庆市各区县的土壤氮养分质量分数， 再结合《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》中不同氮养分水平下土壤的施肥供给养分比例推荐值(表1)确定；Mr为区域内粪肥占施肥比例， %， 根据重庆市各区县有机肥替代化肥项目实施情况确定；Ms为粪肥中氮素当季利用率， %， 取值范围推荐值为25%～30%.

区域内畜禽粪污土地承载力的计算公式如下：

式中：I为区域内畜禽粪污土地承载力， 单位为万头猪当量；R为单位猪当量氮养分供给量， 参照《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]， 1头猪为1个猪当量， 1个猪当量的氮排泄量为11 kg， 但由于在收集、 处理和贮存畜禽粪污过程中养分会损失， 因此设定重庆市的单位猪当量氮养分供给量为7 kg.

依据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]中的标准， 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. 根据《重庆市统计年鉴》的数据， 折算出重庆各区县牛(奶牛和肉牛)、 猪、 羊、 家禽年末存栏量猪当量数量.

2 结果分析

2.1 重庆市主要作物的氮养分需求量

根据统计年鉴数据， 重庆市主要作物包括谷物类(水稻、 小麦、 玉米、 高粱)、 豆类(大豆)、 折粮薯类(马铃薯和甘薯)、 油料类(花生、 芝麻、 油菜)、 生麻(生苎麻)、 糖料(甘蔗)、 烟草类(烟叶和烤烟)、 蔬菜及食用菌、 瓜果类(西瓜、 香瓜、 草莓)、 果树类(柑橘)、 花椒、 茶叶、 青饲料. 从表2可以看出， 重庆市主要作物的氮养分总需求量为557 487 t， 其中蔬菜及食用菌的氮肥需求量最大， 为165 481 t， 其次是水稻和玉米， 这主要是由于蔬菜及食用菌、 水稻和玉米等作物的单位面积的氮施用量大且种植面积较大. 就重庆市各区县而言(图1)， 江津区主要作物的氮养分需求总量最高， 为32 926 t， 其次是涪陵区、 潼南区、 万州区和合川区， 这些地区的主要作物氮养分需求总量均超过了20 000 t.

表2 重庆市主要作物的氮养分需求量

图1 重庆市各区县主要作物的氮养分需求总量

2.2 重庆市各区县施肥供给养分比例及粪肥占施肥比例

重庆市各区县施肥供给养分比例主要基于氮肥的供给养分比例， 是根据各区县的土壤氮养分确定. 根据土壤不同氮养分水平下的施肥供给养分比例推荐值(表1)， 结合重庆市各区县的土壤全氮质量分数， 估算各区县施肥供给养分比例. 从表3可以看出， 重庆市土壤全氮的质量分数为0.38～3.52 g/kg， 变异系数为0.32， 平均质量分数为1.26 g/kg， 土壤养分等级为Ⅰ级， 对全市而言， 施肥供给养分比例应为35%. 就重庆市各区县而言(表3和图2)， 城口县的土壤全氮平均质量分数最高， 为1.93 g/kg， 其次为巫溪县， 该县的土壤全氮质量分数为1.31～2.56 g/kg， 平均质量分数为1.88 g/kg； 城口县和巫溪县的土壤养分等级均为Ⅰ级， 施肥供给养分比例为35%. 此外， 北碚、 垫江、 丰都、 奉节、 合川、 九龙坡、 梁平、 南川、 彭水、 黔江、 沙坪坝、 石柱、 万盛、 巫山、 武隆、 秀山和酉阳等17个区县的土壤全氮平均质量分数也均超过了1.2 g/kg， 土壤养分等级均为Ⅰ级， 施肥供给养分比例为35%. 江津、 开州、 荣昌和万州等4个区县的土壤全氮质量分数的平均值小于1.0 g/kg， 土壤养分等级为Ⅲ级， 施肥供给养分比例为55%. 总体上， 重庆市的土壤全氮平均质量分数处于相对较高的水平， 其中19个区县的施肥供给养分占比值达35%， 15个区县的施肥供给养分占比值达45%.

根据重庆市各区县有机肥替代化肥项目实施情况(表3)， 大渡口、 江北、 沙坪坝、 九龙坡、 南岸、 北碚、 万盛、 渝北、 巴南、 璧山、 城口、 石柱等12个区县的粪肥占施肥比例为30%， 而其他区县的粪肥占施肥比例为50%. 重庆市粪肥占施肥比例的平均值为44%.

表3 重庆市各区县土壤全氮质量分数及其氮养分等级

续表3

审图号： GS(2019)2351号图2 重庆市各区县土壤全氮质量分数分布图

图3 重庆市粪肥氮养分需求量

2.3 重庆市各区县主要作物的粪肥氮养分需求量

粪肥中氮素当季利用率推荐值为25%～30%， 计算重庆市各区县主要作物的粪肥氮养分需求量(图3)， 重庆市的主要作物的粪肥氮养分需求总量为286 177～343 412 t. 如图4所示， 对重庆市各区县而言， 万州、 涪陵、 江津、 潼南和开州等5个区县的主要作物的粪肥氮养分需求总量超过了15 000 t， 分别为21 269～25 523，21 737～26 084，30 182～36 219，17 870～21 443，17 922～21 507 t. 綦江、 大足、 合川、 永川、 荣昌、 云阳、 酉阳的主要作物的粪肥氮养分需求总量为10 000～15 000 t， 其他区县的主要作物的粪肥氮养分需求总量均低于10 000 t； 此外， 大渡口、 江北、 沙坪坝、 九龙坡、 南岸等重庆主城区(除北碚、 巴南、 渝北外)的主要作物的粪肥氮养分需求总量为68～730 t， 均未超过1 000 t.

2.4 重庆市畜禽粪污土地承载力

如图5所示， 重庆市的畜禽粪污土地承载力为4 088.24～4 905.89万头猪当量， 其中重庆市的蔬菜畜禽粪污土地承载力为1 213.52～1 456.23万头猪当量， 其次为水稻和玉米， 分别为657.10～788.52，520.63～624.75万头猪当量； 重庆市的柑橘畜禽粪污土地承载力也较强， 为511.78～614.14万头猪当量， 而瓜果类、 生麻类和糖料类作物的蔬菜畜禽粪污土地承载力均未超过15万头猪当量.

审图号： GS(2019)2351号图4 重庆各区县的粪肥氮养分需求量分布图

图5 重庆市畜禽粪污土地承载力

重庆各区县的畜禽粪污土地承载力如图6所示， 江津区畜禽粪污土地承载力最大， 为431.17～517.41万头猪当量(图6). 开州区单位面积的畜禽粪污土地承载力位居第二， 但在考虑种植面积的条件下开州区畜禽粪污土地承载力却位居第四， 为256.03～307.24万头猪当量； 万州区和涪陵区的畜禽粪污土地承载力较大， 分别为303.84～364.61，310.53～372.63万头猪当量. 重庆主城区中的大渡口、 江北、 沙坪坝、 九龙坡、 南岸的畜禽粪污土地承载力较低， 均未超过10万头猪当量.

2.5 重庆市各区县畜禽粪污土地承载力与存栏量对比

如图7所示， 与重庆市各区县2017年的存栏量对比， 大渡口、 江北、 沙坪坝、 九龙坡、 南岸、 北碚、 万盛和渝北8个区的2017年存栏量较低， 低于15万头猪当量. 城口的存栏量也较低， 仅为21.18万头猪当量； 丰都县的存栏量最大， 为116.63万头猪当量， 与其畜禽粪污土地承载潜力(117.12～140.55万头猪当量)相比， 仅剩余0.49～23.92万头猪当量. 云阳、 合川、 开州和酉阳的存栏量超过了100万头猪当量， 其中开州区的畜禽粪污土地承载力较大， 为256.03～307.24万头猪当量， 其次是云阳县. 江津、 涪陵、 万州、 潼南的存栏量不到畜禽粪污土地承载力的25%， 可作为畜牧业转移的区域. 重庆主城区、 城口、 丰都、 璧山、 石柱、 秀山的畜禽粪污土地承载力较小， 需要从减少畜禽饲养量、 改变粪污资源化利用方式等方面进行管控.

审图号： GS(2019)2351号图6 重庆市各区县畜禽粪污土地承载力分布图

图7 重庆各区县畜禽粪污土地承载力与存栏量

3 讨论

畜禽粪污富含C，N，P等多种养分， 可以作为肥料进行还田处理. 利用畜禽粪便有机肥来替代部分化肥， 不仅可以降低成本， 减少污染， 还能提高土壤肥力水平. 有机肥合理替代化肥， 不仅可以增加土壤有机碳储存量， 而且可以有效提高作物产量[19-21]. 研究表明， 2015年我国畜禽排泄氮养分为7.68×106t， 替代化肥的潜力巨大， 若将所产生畜禽粪便施作有机肥， 可以减少 2.88×106～5.18×106t化肥养分流失[15]. 按照“一控两减三基本”的要求， 深入开展化肥使用量零增长行动， 加快推进农业绿色发展， 农业农村部2017年发布的《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》中指出[22]， 以果菜茶生产为重点， 实施有机肥替代化肥， 推进资源循环利用. 刘晨峰等[23]基于第二次全国污染源普查数据， 测算了当粪肥替代40%～50%化肥时， 全国各省份粪肥养分承载压力系数为0.21～2.99， 且大部分省份的畜禽粪污的产量及氮养分含量能够满足果菜茶种植所需的养分. 重庆市有6个区县入选， 包括万州、 开州、 巫山、 奉节、 忠县和永川. 本研究中， 重庆市入选的6个区县的畜禽粪污土地承载力均超过了存栏量， 畜禽粪便有机肥替代化肥的潜力巨大. 安思羽等[15]研究也表明， 重庆市畜禽粪便中的氮养分(1.165×105t)可以满足果菜茶氮需求量(9.13×104t)， 而上海、 江苏、 浙江、 山东、 广东和陕西等省市畜禽粪便的氮养分无法满足果菜茶的需求. 这是由于上海市和浙江省经济发展较快同时注重环保， 畜禽养殖规模逐渐向周边省市转移， 因此减少了畜禽粪便的供应量. 而山东省虽然是养殖大省， 但是果菜产量位居全国前茅， 因此导致其畜禽粪便的氮养分无法满足其需求[24].

基于氮养分平衡法， 重庆全市的畜禽粪便可以满足市内主要作物的栽培所需的养分， 且供应量充足； 但是重庆主城区、 城口、 丰都、 璧山、 石柱、 秀山的畜禽粪污土地承载力较小， 需要积极引导其从减少畜禽饲养量、 改变粪污资源化利用方式等方面进行管控， 可以将畜禽粪便作为有机肥源向承载潜力大的区域， 特别是粮食主产区和果菜茶优势区域适当转移， 优化产业布局. 这与闫熠峰等[1]对山西省2017年各市县区主要粮食作物耕地的畜禽粪污土地承载力分析结果一致， 即全省土地承载力超过了粪肥养分总供给量， 但部分区县的供给量超过了土地承载力. 这主要是因为不同区县发展定位不一致， 养殖规模和种植模式存在差异.

作为重庆市的特色产业——榨菜、 柑橘、 花椒等， 其畜禽粪污土地承载力分别为106.52～127.82，511.78～614.14，135.67～162.8万头猪当量. 涪陵、 忠县和江津作为榨菜、 柑橘和花椒的主要种植区县， 其畜禽粪污土地承载力不仅能满足当地需求， 而且仍有较大的畜禽粪污土地承载力， 因此在这些区域可以适当增加养殖规模， 并进行区域间养分协同管理[13]， 以实现资源最大化利用. 大量研究表明[1， 23， 25-26]， 在各地推行畜禽粪污肥料化是可行的. 目前， 我国畜牧业正处在向现代养殖模式转型升级的关键时期[26]， 因此种养结合生产模式有利于缓解规模化和集约化带来的环境问题， 合理的种养结构对促进畜牧业转型升级具有积极有效的推动作用.

4 结论

重庆市主要作物类型中， 花椒地单位面积的畜禽粪污土地承载力最大， 但是在考虑种植面积后， 蔬菜及食用菌的畜禽粪污土地承载力最大， 为1 213.52～1 456.23万头猪当量.

重庆市畜牧业仍有一定的发展空间， 但区域差异明显， 重庆主城区、 城口、 丰都、 璧山、 石柱、 秀山的畜禽粪污土地承载力较小， 需要引导其从减少畜禽饲养量、 改变粪污资源化利用方式等方面进行管控. 江津、 涪陵、 万州、 潼南的存栏量不到畜禽粪污土地承载力的25%， 可作为畜牧业转移的重点区域.