基于磷平衡核算的畜禽糞便農(nóng)田消納研究

胡春明 朱祺 李曜 劉平 張微

（1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2.江西省科學院，江西南昌 330096）お

摘要

畜禽糞便在我國普遍作為肥料還田，但過量施用將帶來面源污染。確定合理的施肥量，使得畜禽糞便在周邊農(nóng)田消納的同時不帶來環(huán)境風險。以北京市某種豬場為例，研究該豬場糞肥施入后農(nóng)田磷平衡。綜合肥料施入、秸稈還田、干/濕沉降、種子含磷等輸入源以及作物收獲、徑流淋溶及土壤侵蝕等輸出源，同時考慮農(nóng)田合理磷盈余，計算得出該種豬場周邊農(nóng)田最佳磷施入量為46.45 ﹌g/(hm2·年）。該豬場實現(xiàn)種養(yǎng)平衡所需農(nóng)田面積為50.48 hm2。該研究可為養(yǎng)殖場的糞便消納及選址提供一種較可行的判定方法和思路。

關(guān)鍵詞 磷平衡；畜禽糞便；農(nóng)田負荷量；種養(yǎng)平衡

中圖分類號 SB153.6文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06210-02

Phosphorus Balance of Manure and Farmland Load in a Breeding Farm

HU Chun瞞ing et al

(Research Center for Eco睧nvironmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085)

Abstract Dung from breeding farm was widely used as fertility in farmland. However, superfluous dung would cumulate in the farmland and turn into latent contamination to surface water and ground water. Therefore, it is significant to ascertain the reasonable quantity of dung fertilized on the farmland. In this paper, a swine breeding farm was studied to discuss the phosphorus balance of manure and farmland load. Three aspects were considered in the phosphorus balance. 1) The phosphorus imputes from dung, straw manure, atmospheric deposition, and seed. 2) The phosphorus output by crop harvest, eluviating and corrading. 3) Reasonable residual phosphorus. Results show that the proper phosphorus load of farmland was 46.45 kg/(hm2·yr), and 50.48 hm2 farmland were needed to receive all the dung from the swine breeding farm. This study provides a feasible means to estimate the balance between farmland and breeding farm.

Key wordsPhosphorus balance; Dung from breeding farm; Manure load of farmland; Balance between farmland and breeding farm

お

作者簡介

胡春明（1982-），男，江西遂川人，工程師，博士，從事生態(tài)工程技術(shù)研究及環(huán)境影響評價工作。

收稿日期 20140603

畜牧業(yè)一直是我國的主要產(chǎn)業(yè)之一，2012年全國畜牧業(yè)總產(chǎn)值達27 189.4億元，占第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的30.4%［1］。畜禽養(yǎng)殖在滿足人們物質(zhì)需求的同時，也產(chǎn)生大量的畜禽糞便。畜禽糞便中含有豐富的養(yǎng)分。堆漚作為肥料還田已有數(shù)千年的歷史。我國養(yǎng)殖場對畜禽糞便的處理方式主要包括傳統(tǒng)堆漚還田、工廠化處理和沼氣發(fā)酵處理。這3種方式處理的糞便分布分別占養(yǎng)殖場糞便總量的49.90%、8.73%和13.70%，另有15.90%的糞便未經(jīng)處理［2］。

我國華北平原是典型的長期施肥耕種的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，磷平衡狀況受人為影響非常得大。華北平原高產(chǎn)田土壤有效磷含量正在以年均0.031 mg/kg的速度增加，北方菜田土壤有效磷高達 171 mg/kg，遠遠超過國際上 60 mg/kg的環(huán)境臨界值。隨著今后氮肥和磷肥的繼續(xù)大量施用，土壤中氮素和磷素養(yǎng)分會繼續(xù)累積，造成更大的環(huán)境污染風險［3］。因此，確定農(nóng)田負荷量，實現(xiàn)土地消納能力與養(yǎng)殖場糞污量之間的種養(yǎng)平衡是養(yǎng)殖場選址和規(guī)模確定的關(guān)鍵，也是環(huán)境污染防治的關(guān)鍵。

在實際選址以及環(huán)境影響評價等工作中，農(nóng)田負荷量一般參照經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行估算，缺乏科學依據(jù)。以北京某養(yǎng)豬場為例，筆者以磷元素為目標進行平衡核算，探討維持養(yǎng)殖場與農(nóng)田種養(yǎng)平衡所需的土地面積，以期為建設部門、決策部門以及環(huán)境影響評價部門提供參考。

1 材料與方法

1.1 項目區(qū)概況

項目位于北京市順義區(qū)。順義區(qū)位于北京東北部，地理坐標在116°29′~116°59′ E，40°~40°23′ N。區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候區(qū)。冬冷夏熱，冬干夏濕，春暖秋涼，四季分明。年平均氣溫11.9 ℃，最熱月7 月平均氣溫25.7 ℃，最冷月1 月平均氣溫-4.9 ℃。無霜期年均195 d。年降水量變化較大，年平均降雨量603.1 mm。

1.2 養(yǎng)殖場概況

項目為種豬場，規(guī)模為600頭基礎母豬，總存欄量為647頭，空懷母豬131，后備母豬40，公豬6，后備公豬1，妊娠母豬333，哺乳母豬136。

種豬場采用干清糞工藝，糞污水經(jīng)“厭氧+生態(tài)”工藝處理后用于農(nóng)田灌溉，糞便、污水處理產(chǎn)生的底泥經(jīng)堆肥后作為有機肥施用于農(nóng)田。因此，該種豬場所產(chǎn)生的絕大部分污染物最終都將由農(nóng)田予以消納。

1.3 周邊農(nóng)田概況

項目區(qū)周邊地勢平坦，農(nóng)田數(shù)量較多。調(diào)查顯示，約85%面積的農(nóng)田種植玉米，其余15%種植花生、蔬菜等作物。

周邊農(nóng)田耕作周期為每年種植一季玉米，冬季不種小麥。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田系統(tǒng)磷循環(huán)

磷在農(nóng)田土壤中的循環(huán)［3］是一個開放的過程。磷的天然儲庫是磷礦石。磷礦石分解可為農(nóng)田土壤帶來小部分磷素，但農(nóng)田土壤中磷素最主要的來源還是人工施入。當磷素進入土壤后，大部分因固定作用在土壤中累積成為不溶性磷，另有小部分溶解于土壤溶液中。當土壤溶液中溶解性磷被作物吸收后，不溶性磷可在土壤化學作用、微生物作用以及礦化作用下迅速轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的有效磷。而被土壤固定的磷則有相當一部分隨著徑流淋溶、土壤侵蝕等過程從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中遷移至河流、湖泊等水體［4］。

圖1所示的磷循環(huán)過程是以農(nóng)田土壤為研究對象。在實際耕作中，若以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，P輸入源還包括作物種子攜入、大氣濕沉降等途徑，而P輸出源則包括作物收獲、徑流淋溶、土壤侵蝕等［5-6］。所有這些途徑共同作用形成一個圍繞著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的平衡。若輸入量大于輸出量，則導致農(nóng)田磷盈余，反之則形成磷虧損。

圖1 農(nóng)田土壤磷素循環(huán)示意圖

2.2磷平衡核算

養(yǎng)殖場與農(nóng)田的種養(yǎng)平衡，實質(zhì)是在允許一定盈余基礎上的元素平衡。以P為例，農(nóng)田內(nèi)P元素需滿足輸入量=輸出量+盈余量，再細化到各輸入源、輸出源，即為肥料含量+秸稈還田+種子含磷量=作物收獲含磷+徑流淋溶損失+合理P盈余。

我國農(nóng)田土壤磷含量在20世紀50年代約為 10mg/kg，60年代中期至70年代末期降至 4mg/kg［7］。自80年代以來，隨著大量磷肥的投入，我國農(nóng)田磷盈余不斷增加，90年代初期和末期分別達到 23.8、33.7 kg/hm2，一些經(jīng)濟作物種植體系磷盈余增加得更多，如有些設施菜田每年磷盈余達到1 801 kg/hm2［8］。魯如坤等［9］對我國南方6省的農(nóng)田平衡狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)南方農(nóng)田磷素普遍處于盈余狀態(tài)。

國際上，對農(nóng)田的磷施入量也有相關(guān)探索。有些國家制定了每年糞便磷的施用限量，如挪威、瑞典和愛爾蘭為了減少磷盈余損失的轉(zhuǎn)移污染，分別規(guī)定每年糞便磷的最高盈余量為 35、22和40 kg/hm2［10］。荷蘭由于磷污染較嚴重，法令還嚴格限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中畜禽糞便磷與化肥磷施用量，從1987年以來規(guī)定的限量標準不斷提高，農(nóng)田系統(tǒng)中磷的容許最高施用限量標準由 125.0 kg/hm2提高到 80.0 kg/hm2，許可的最大盈余限量標準由40.0 kg/hm2提高到20.0 kg/hm2［11-12］。

針對該項目具體情況，以1 hm2農(nóng)田為研究區(qū)域，設每年往該區(qū)域內(nèi)施肥的磷輸入為玐 kg/hm2；磷盈余量參考荷蘭的標準確定為20.0 kg/hm2。此外，平衡核算中做以下假定：由于各作物的植物體和種子的含氮量相差不大，且該項目周邊土地的玉米種植面積占絕對優(yōu)勢，在“種子含磷量”和“作物收獲含磷量”估算中，作物按100%種植玉米處理?；谝陨霞俣?，1年內(nèi)磷平衡分析如表1所示。經(jīng)計算，1 hm2農(nóng)田中養(yǎng)殖場糞肥較適宜的磷輸入量為46.45 kg/年。

2.3 種養(yǎng)平衡核算

該種豬場位于我國華北地區(qū)，豬群種類以妊娠階段的母豬為主，后備母豬、公豬數(shù)量占全場總數(shù)量的比例較小。該種豬場總污染物產(chǎn)生量按妊娠母豬的產(chǎn)污系數(shù)進行估算。根據(jù)《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中參數(shù)，華北區(qū)每頭妊娠階段母豬的全磷產(chǎn)生量約為9.93 g/d。由此可知，全場647頭豬的全磷產(chǎn)生總量約為2 345.02 kg/年。

お

表1項目區(qū)域農(nóng)田（1 hm2）年內(nèi)磷平衡分析

項目 輸入源 序號 P含量kg 備注

輸入源 養(yǎng)殖糞肥 1# 玐 1#+2#+3#+4#=5#+6#+7#

秸稈還田 2# 3.60 秸稈還田比例按50%計，秸稈具體數(shù)值見本表5#

干/濕沉降 3# 0.25 沉降系數(shù)取0.25 kg/hm2［13］

種子含磷 4# 0.15 玉米播種量45 kg/hm2，含P量0.33%［6］

輸出源 作物收獲 5# 24.45

玉米產(chǎn)量取7 500 kg/hm2；秸稈產(chǎn)量取9 000 kg/hm2；玉米含P量取0.23%；秸稈含P量取0.08%［5］

徑流淋溶及土壤侵蝕 6# 6.00 徑流淋溶及土壤侵蝕引起的磷損失系數(shù)取6 kg/hm2［14］

P盈余7# 40.00

基于磷平衡核算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該項目周邊農(nóng)田較適宜的年磷素施入量為46.45 kg/hm2。因此，為消納該種豬場所產(chǎn)生的糞肥，需要的土地面積為50.48 hm2。

3結(jié)論與討論

農(nóng)業(yè)面源污染已成為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要因素［15］。美國水體生態(tài)系統(tǒng)中的磷素有33%源于家畜養(yǎng)殖［16］；歐洲國家的地表水污染負荷有24%~71%來源于農(nóng)業(yè)面源［17］；我國許多流域富營養(yǎng)化程度的逐步升級在很大程度上同樣是由流域農(nóng)田肥料用量大幅增加所致［18］。由于我國農(nóng)田肥料輸入普遍偏高，農(nóng)業(yè)面源污染已得到越來越多的關(guān)注。而“十二五”總量控制指標中氨氮的提出，更是表明我國對水環(huán)境污染的擔憂。在這一形勢下，切實做好種養(yǎng)平衡，合理施肥以減少農(nóng)業(yè)面源污染具有現(xiàn)實意義。

在實際工作中，種養(yǎng)平衡大多采用經(jīng)驗系數(shù)法進行估算。對農(nóng)田負荷量估算偏高，使得糞肥進入農(nóng)田后成為潛在的污染源。通過磷平衡核算，得出該項目周邊農(nóng)田較適宜的年磷素施入量為46.45 kg/hm2，符合荷蘭等西方國家為防止磷肥對水體造成污染而設置的80 kg/hm2的使用限值。

農(nóng)田的養(yǎng)分平衡受到作物種類、農(nóng)業(yè)周期、地域氣候、土壤性質(zhì)等的影響［19］，而我國幅員遼闊，不同區(qū)域的實際情況之間相差極大。在實際種養(yǎng)平衡核算中，最優(yōu)的方法是以相應的標準和研究成果為參照值，結(jié)合當?shù)剞r(nóng)業(yè)實際情況開展元素平衡核算，明確最佳的農(nóng)田糞肥施入量，從而切實解決畜禽養(yǎng)殖污染的農(nóng)田消納問題。

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