典型種養(yǎng)結(jié)合奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分管理模式

賈 偉，朱志平，陳永杏，董紅敏，陶秀萍

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典型種養(yǎng)結(jié)合奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分管理模式

賈 偉，朱志平，陳永杏，董紅敏※，陶秀萍

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部畜牧環(huán)境設(shè)施設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（北京），農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

規(guī)模化奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量大，因種養(yǎng)分離引發(fā)嚴(yán)重環(huán)境污染，亟需建立糞便綜合養(yǎng)分管理模式，以實(shí)現(xiàn)奶牛糞便養(yǎng)分的合理施用。該文以典型種養(yǎng)結(jié)合模式“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)為案例，通過(guò)實(shí)地調(diào)研、糞便及土壤樣品采樣測(cè)定、以及文獻(xiàn)參數(shù)收集等研究方法，制定了奶牛場(chǎng)糞便綜合養(yǎng)分管理模式。主要結(jié)果為該存欄量2 978頭的奶牛場(chǎng)糞便氮、磷年產(chǎn)生量為204和33 t/a，糞便經(jīng)過(guò)收集和處理后，可供農(nóng)田利用的氮磷養(yǎng)分為126和27 t/a。基于作物養(yǎng)分需求量和土壤供肥量，以及糞肥投入占總養(yǎng)分的比例為50%和糞肥養(yǎng)分的當(dāng)季利用率為30%，據(jù)估算，1 473 hm2奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田可施用的糞肥氮、磷養(yǎng)分總量分別為727.6和131.2 t/a。因此，奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田可有效承載糞便氮磷養(yǎng)分供給量。實(shí)施糞便綜合養(yǎng)分管理模式，可充分利用糞便養(yǎng)分資源用于作物生長(zhǎng)，減少糞便養(yǎng)分直接排放到環(huán)境，從而確保種養(yǎng)結(jié)合模式奶牛場(chǎng)長(zhǎng)期可持續(xù)生產(chǎn)。

糞便；肥料；養(yǎng)分；糞肥養(yǎng)分供應(yīng)量；作物養(yǎng)分需求量

0 引 言

規(guī)模化集中飼養(yǎng)奶牛提高了養(yǎng)殖水平和生產(chǎn)性能，降低了飼養(yǎng)成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也造成糞污集中、沖洗用水量增加、生態(tài)環(huán)境污染日益嚴(yán)重等問(wèn)題[1]。針對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境問(wèn)題，國(guó)家相關(guān)部門(mén)陸續(xù)出臺(tái)了《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》、《環(huán)境保護(hù)法》等相關(guān)法律法規(guī)。2016年中央一號(hào)文件提出，“加大農(nóng)業(yè)面源污染防治力度，實(shí)施化肥農(nóng)藥零增長(zhǎng)行動(dòng)，實(shí)施種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源化利用?！币虼?，奶牛場(chǎng)糞污種養(yǎng)結(jié)合資源化利用是研究要點(diǎn)之一。目前，中國(guó)多數(shù)規(guī)模奶牛場(chǎng)將牛糞直接還田或加工為有機(jī)肥；污水收集則大多置于污水池存放或進(jìn)行沉淀池處理后排放，導(dǎo)致大量污水未能回到農(nóng)田實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[2]。在美國(guó)、加拿大、法國(guó)、荷蘭等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，奶牛養(yǎng)殖普遍采用種養(yǎng)結(jié)合模式[3-4]。奶牛場(chǎng)“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”糞便處理是一種典型種養(yǎng)結(jié)合模式，即奶牛場(chǎng)對(duì)糞便進(jìn)行固液分離，固體糞便用于生產(chǎn)有機(jī)肥，液體糞便進(jìn)行氧化塘處理廢水，再回到農(nóng)田循環(huán)利用。受運(yùn)輸半徑限制，糞肥主要在養(yǎng)殖場(chǎng)周邊農(nóng)田消納。由于規(guī)模化奶牛場(chǎng)糞污產(chǎn)生量大，農(nóng)田過(guò)量施用糞肥會(huì)導(dǎo)致大量氮流失和磷累積等環(huán)境問(wèn)題。

美國(guó)農(nóng)業(yè)部和環(huán)保部推行的糞便綜合養(yǎng)分管理模式是圍繞著養(yǎng)殖場(chǎng)展開(kāi)，其核心是解決養(yǎng)殖場(chǎng)糞肥的合理施用[5]。Karmakar 等[6]研究發(fā)現(xiàn)大部分畜禽糞便養(yǎng)分管理模式主要關(guān)注農(nóng)田糞肥施用過(guò)程。加拿大阿爾伯塔省通過(guò)糞便養(yǎng)分管理模式來(lái)進(jìn)行糞肥農(nóng)田合理施用[7]。英國(guó)養(yǎng)殖場(chǎng)糞便管理模式核心是農(nóng)田合理利用糞便養(yǎng)分[8]。在制定糞便管理模式時(shí)，需要估算養(yǎng)殖場(chǎng)糞便量和養(yǎng)分量等信息，按照農(nóng)藝需要來(lái)決定農(nóng)田施用糞肥量。如果糞肥盈余量大，則需要尋找額外的土地進(jìn)行糞肥施用[8]。荷蘭養(yǎng)殖場(chǎng)糞便管理需核算生產(chǎn)、儲(chǔ)存和施用過(guò)程中的氮磷養(yǎng)分平衡[9]。

近幾年來(lái)，中國(guó)在畜禽糞便養(yǎng)分管理方面也有不少研究。如黃志彭[10]以豬和雞養(yǎng)殖場(chǎng)糞便農(nóng)田養(yǎng)分施用為目標(biāo)建立了一套畜禽糞污管理系統(tǒng)。劉芳[11]以豬場(chǎng)為例，開(kāi)展了養(yǎng)豬廢水稻田施用研究，豬場(chǎng)年污水產(chǎn)生5.22萬(wàn)t，以磷素為限制因子，則需348 hm2農(nóng)田消納污水。相潤(rùn) 等[12]對(duì)糞便處理產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行管理，但未考慮畜禽糞便養(yǎng)分農(nóng)田利用。某規(guī)模豬場(chǎng)糞便綜合養(yǎng)分管理模式案例表明，種植基地年利用干糞1 648.5 t，沼液27 920 m3，總計(jì)相當(dāng)于27.08 t N養(yǎng)分[13]。有研究者對(duì)固液分離-液體厭氧發(fā)酵模式、糞污直接厭氧發(fā)酵處理模式規(guī)模豬場(chǎng)農(nóng)牧配置進(jìn)行了研究[14-15]，估算了消納萬(wàn)頭豬場(chǎng)糞便所需農(nóng)田面積，如糧油作物地需299.3～312.9 hm2。

畜禽糞便養(yǎng)分管理最關(guān)鍵的任務(wù)是在估算養(yǎng)殖場(chǎng)糞肥養(yǎng)分供給量基礎(chǔ)上，判斷合理的糞肥施用量[7,16-17]。目前為止，仍缺乏典型糞便“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”種養(yǎng)結(jié)合模式的奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分管理方面的相關(guān)研究。因此，該文以典型種養(yǎng)結(jié)合模式“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)為案例，通過(guò)實(shí)地調(diào)研、糞便及土壤樣品采樣測(cè)定、以及文獻(xiàn)參數(shù)收集等研究方法，制定奶牛場(chǎng)糞便綜合養(yǎng)分管理模式，以實(shí)現(xiàn)糞便養(yǎng)分合理施用，并為同類的種養(yǎng)結(jié)合奶牛場(chǎng)開(kāi)展糞便養(yǎng)分管理提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

研究區(qū)概況。該典型種養(yǎng)結(jié)合奶牛示范園區(qū)位于甘肅省張掖市民樂(lè)縣生態(tài)工業(yè)園區(qū)、六壩鎮(zhèn)韓武村和五壩村。地處祁連山北麓，河西走廊中段，張掖市東南部，地理坐標(biāo)在100°22￠592～101°13￠92E，37°56￠192～38°48￠172N之間，屬溫帶大陸性荒漠草原氣候，四季分明、氣溫變化大，光照充足。年平均氣溫5.0 ℃，極端最高氣溫：30.0 ℃，極端最低氣溫：–19.0 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 666.1 h。全年平均降水量351 mm，無(wú)霜期140 d，年蒸發(fā)量1 512.4 mm。

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 奶牛場(chǎng)相關(guān)資料和參數(shù)

奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)由美國(guó)公司設(shè)計(jì)建成。恒溫牛舍單棟面積45 000 m2?，F(xiàn)代恒溫牛舍、擠奶廳，采用自動(dòng)加濕簾、充氣窗、換熱器、換氣扇等現(xiàn)代設(shè)施，自動(dòng)控制圈舍環(huán)境。從澳大利亞引進(jìn)的純種荷斯坦母牛和娟姍牛，通過(guò)自繁育形成快速擴(kuò)繁的基礎(chǔ)牛群。

1）奶牛飼養(yǎng)階段以及各階段年均存欄量（表1）。本研究中，所選奶牛場(chǎng)是典型種養(yǎng)結(jié)合模式，奶?？偞鏅?2 978頭。其中，泌乳奶牛存欄數(shù)量1 600頭；青年奶牛存欄量1 378頭，青年奶牛包括育成奶牛和犢奶牛。

2）奶牛糞便的收集方式（干清糞、水沖糞）和處理方式（固液分離、堆肥、氧化塘等）見(jiàn)表1。

表1 奶牛數(shù)量及糞污處理設(shè)施

3）各階段每頭奶牛糞尿產(chǎn)生量和糞便氮磷排泄量（表2）。

4）奶牛場(chǎng)廢水和有機(jī)肥產(chǎn)生量及養(yǎng)分含量。牛糞有機(jī)肥年生產(chǎn)量為1.2 萬(wàn)t。奶牛場(chǎng)廢水產(chǎn)生量約為700 m3/d，年產(chǎn)廢水25.6萬(wàn)m3。奶牛場(chǎng)糞便和廢水現(xiàn)場(chǎng)取樣后，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。牛糞有機(jī)肥的含水率4.78%左右，含N量（以干基計(jì)）為1.28%，含P量（以干基計(jì)）為0.3%。養(yǎng)殖廢水中含氮量為330 mg/L，含磷量為35.4 mg/L。

表2 不同奶牛的糞尿和養(yǎng)分排泄參數(shù)

5）奶牛場(chǎng)糞便廢棄物處理利用情況見(jiàn)圖1。

圖1 奶牛場(chǎng)糞便“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”管理模式

奶牛場(chǎng)固液糞便去向：

①固體糞便主要來(lái)自于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和廢水固液分離后的固體部分，固體糞便堆肥發(fā)酵后用作有機(jī)肥，用于苜蓿、青貯玉米等，多余部分可出售給周邊農(nóng)戶用于作物種植等。

②奶牛養(yǎng)殖廢水。養(yǎng)殖廢水全部進(jìn)入糞溝，經(jīng)管道運(yùn)輸后進(jìn)入沉砂池，之后經(jīng)過(guò)固液分離設(shè)施處理，液體部分收集貯存于氧化塘。施肥時(shí)，通過(guò)自動(dòng)壓力控制澆灌系統(tǒng)經(jīng)管道輸送至青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿和杏園農(nóng)田施用。

6）糞尿收集率和養(yǎng)分損失率參數(shù)

奶牛場(chǎng)根據(jù)養(yǎng)殖工藝有不同的清糞方式，而不同的清糞方式糞便收集率不同，奶牛糞便在舍內(nèi)停留時(shí)間不同，奶牛糞尿產(chǎn)生后，通過(guò)氨揮發(fā)、淋洗、徑流等形式會(huì)導(dǎo)致氮磷養(yǎng)分損失，不同清糞方式下的糞便收集率和養(yǎng)分損失率推薦值如表3，糞尿收集率主要數(shù)據(jù)來(lái)源為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。根據(jù)奶牛場(chǎng)實(shí)際清糞方式情況，人工干清糞養(yǎng)分損失率參數(shù)來(lái)自Bicudo[18]，水沖清糞養(yǎng)分損失率參數(shù)來(lái)自盧健[19]。

表3 清糞方式糞尿收集率和養(yǎng)分損失率

7）糞尿不同處理養(yǎng)分損失率參數(shù)

奶牛場(chǎng)廢水經(jīng)固液分離處理后可得到固體糞便和液體糞便。固體糞便可用于堆肥，液體糞便直接進(jìn)入氧化塘。固液分離可以將奶牛場(chǎng)廢水氮磷養(yǎng)分進(jìn)行重新分配，一部分進(jìn)入固體糞便，另一部分留在液體糞便中。固液分離處理得到的固體糞便氮、磷養(yǎng)分比例，占未經(jīng)固液分離處理的奶牛場(chǎng)廢水氮、磷養(yǎng)分的19%和14%[20]。國(guó)內(nèi)，常志州等[21]對(duì)固體牛糞固液分離中氮磷回收率進(jìn)行了研究。但本案例中，奶牛場(chǎng)是對(duì)牛舍出來(lái)的水泡糞進(jìn)行了固液分離。2種糞便含水量差異大，來(lái)自于不同的清糞工藝。因此，Christensen等[20]研究參數(shù)更符合國(guó)內(nèi)牛場(chǎng)情況。該案例奶牛場(chǎng)的糞便管理方式，包括堆肥、氧化塘。國(guó)內(nèi)堆肥過(guò)程N(yùn)、P損失參數(shù)較多[22-23]，而缺少氧化塘過(guò)程中氮磷損失參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，本奶牛場(chǎng)案例中廢水是經(jīng)過(guò)先固液分離，再進(jìn)入氧化塘貯存。氧化塘中廢水每年貯存期是3-4月及9-10月，其余時(shí)期廢水都施用于農(nóng)田。根據(jù)奶牛場(chǎng)廢水管理現(xiàn)狀，選擇了國(guó)外Rotz[24]、 Ackerman等[25]文獻(xiàn)中氧化塘氮磷損失參數(shù)。所有糞便管理方式的氮磷損失率設(shè)定為：堆肥[22-23]N、P分別為20%和5%；氧化塘[24-25]N、P分別為15%和5%。

1.1.2 收集養(yǎng)殖場(chǎng)配套農(nóng)田的生產(chǎn)信息

奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田地處戈壁沙區(qū)，為新開(kāi)發(fā)整理土地?；氐匦螙|高西低，南高北低，東西坡度0.5%左右，南北坡度1%以內(nèi)。農(nóng)田地勢(shì)平緩，田間道路、排灌渠、電力設(shè)施等完備。種植基地利用大型牧草種植收獲機(jī)械設(shè)備，收獲青貯玉米和苜蓿。利用大型自動(dòng)噴灌機(jī)，進(jìn)行節(jié)水灌溉。奶牛養(yǎng)殖的糞便經(jīng)過(guò)固液分離后，堆肥和廢水用于種植基地改良土壤，形成種養(yǎng)結(jié)合模式。

1）種植制度。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，該奶牛場(chǎng)示范園區(qū)所在六壩鎮(zhèn)韓武村和五壩村，45%種植小麥-玉米、24%種植馬鈴薯、19%種植中藥材。小麥-玉米為一年兩季，其余作物種植均為一年一季。該奶牛場(chǎng)示范園區(qū)所種植的青貯玉米和籽實(shí)玉米為一年一季，苜蓿和杏為多年生長(zhǎng)。

2）農(nóng)作物種植種類、面積和產(chǎn)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)研獲得，該奶牛示范園區(qū)的農(nóng)作物種植面積和平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)?；厝昕偡N植面積1 473 hm2。其中，苜蓿種植面積333 hm2，干草苜蓿平均產(chǎn)量15 t/hm2；青貯玉米種植面積354 hm2，平均產(chǎn)量45 t/hm2；籽實(shí)玉米種植面積779 hm2，平均籽粒產(chǎn)量9 t/hm2；杏種植面積7 hm2，平均產(chǎn)量7.5 t/hm2。

3）不同作物100 kg產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量參數(shù)見(jiàn)表4。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研作物產(chǎn)量結(jié)果，來(lái)確定每種作物養(yǎng)分吸收量參數(shù)。青貯玉米以生產(chǎn)鮮秸稈為主，其最佳收獲期為籽粒的乳熟末期至蠟熟前期，此時(shí)產(chǎn)量最高，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也最好，而籽實(shí)玉米的收獲期必須在完熟期以后。因此，青貯玉米和籽實(shí)玉米養(yǎng)分吸收量參數(shù)不同。國(guó)內(nèi)籽實(shí)玉米養(yǎng)分需求研究較多，選取了代表性文獻(xiàn)[26-27]。國(guó)內(nèi)青貯玉米和杏的養(yǎng)分需求研究較少，養(yǎng)分需求參數(shù)來(lái)自目前國(guó)內(nèi)最有效的文獻(xiàn)[28-29]。苜蓿養(yǎng)分需求量參數(shù)來(lái)自國(guó)家飼料工程技術(shù)研究中心牧草與青貯飼料研究推廣中心數(shù)據(jù)[30]。

表4 不同作物形成100 kg產(chǎn)量吸收的養(yǎng)分量

4）土壤質(zhì)地，氮、磷含量等化學(xué)特性。奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)都是實(shí)際測(cè)定值（表5）。4種作物種植區(qū)域，每種作物區(qū)域隨機(jī)取10點(diǎn)土壤，混合成1個(gè)代表性土壤樣品測(cè)定結(jié)果。農(nóng)田土壤類型為砂黏質(zhì)灌漠土，土地坡度在0.5%～1%之間，砂粒80%～90%，黏粒10%～20%，粒徑0.02～0.2 mm，耕作層深50～100 cm。土壤pH值8.0～8.47，堿解氮25～48 mg/kg，有效磷5～13 mg/kg，速效鉀50～110 mg/kg，有機(jī)質(zhì)0.3%～0.7%，土壤肥力較差，總體呈現(xiàn)鉀缺乏，氮磷及有機(jī)質(zhì)極缺的特征。

表5 農(nóng)田土壤養(yǎng)分供給量

5）農(nóng)作物的施肥時(shí)間。主要是基肥和追肥?；手饕亲魑锊シN前，追肥為作物生育期。

6）農(nóng)田施用方式（表施、深施、噴灑施肥等）。公司種植基地全部采用電動(dòng)圓形噴灌機(jī)實(shí)行節(jié)水灌溉，液體糞便結(jié)合灌水一起施用。固體糞便表施后，翻入農(nóng)田。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 奶牛場(chǎng)糞肥養(yǎng)分供給量

1）奶牛糞尿和養(yǎng)分產(chǎn)生量情況

奶牛場(chǎng)糞尿和氮磷等養(yǎng)分產(chǎn)生情況按照公式（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算：

養(yǎng)殖場(chǎng)可以實(shí)測(cè)各個(gè)階段的糞便、尿液產(chǎn)生量，并監(jiān)測(cè)糞尿中的氮磷養(yǎng)分含量，計(jì)算獲得奶牛的糞尿氮磷等養(yǎng)分排泄量。相關(guān)參數(shù)采用第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)排污系數(shù)手冊(cè)[31]不同奶牛的糞尿和氮磷養(yǎng)分排泄量的推薦值，具體數(shù)據(jù)如表2。

2）奶牛場(chǎng)收集糞便量和養(yǎng)分量

奶牛場(chǎng)產(chǎn)生的糞便和氮磷養(yǎng)分收集后的糞便量和氮磷養(yǎng)分量通過(guò)公式（2）和公式（3）計(jì)算獲得

（3）

3）奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分供給量

奶牛場(chǎng)的畜禽糞便排泄的氮磷養(yǎng)分通過(guò)收集和處理以后，提供給農(nóng)田利用的總氮磷養(yǎng)分量由公式（4）計(jì)算獲得：

1.2.2 奶牛場(chǎng)糞肥農(nóng)田施用

本研究采用養(yǎng)分平衡方法來(lái)計(jì)算農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用量，原理為目標(biāo)產(chǎn)量的施肥量是作物養(yǎng)分需求量與土壤供肥量之差，施肥量中設(shè)定糞肥與化肥比例，其中糞肥的部分即為農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用量。

1）農(nóng)田作物養(yǎng)分需求量

根據(jù)《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》（GB/T 25246-2010）[32]不同作物在目標(biāo)產(chǎn)量下的養(yǎng)分需求量可按照公式（5）進(jìn)行計(jì)算。

2）土壤養(yǎng)分供給量

土壤中的養(yǎng)分供給可以由公式（6）計(jì)算獲得

3）農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用量

依據(jù)單位各種作物形成100 kg產(chǎn)量吸收的氮磷養(yǎng)分量，以及土壤供給養(yǎng)分量情況，可以按照公式（7）測(cè)算單位面積的農(nóng)田作物糞肥養(yǎng)分施用量。

根據(jù)畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范表明畜禽糞便養(yǎng)分的當(dāng)季利用率在25%～30%范圍內(nèi)變化。本案例所在區(qū)域長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用下養(yǎng)分利用率最高[34-35]。本研究糞肥和化肥配合施用模式下的取值30%。

農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用總量是按照每種作物可施用糞肥面積和單位面積的農(nóng)田作物糞肥養(yǎng)分施用量計(jì)算得到，參見(jiàn)公式（8）。

式中TMN代表農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用總量，t/a；Area代表每種作物可施用糞肥的面積，hm2。

為減少糞肥施用后的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，本研究用土壤磷測(cè)試值和農(nóng)田與水體的距離來(lái)確定可施用糞肥農(nóng)田面積。國(guó)內(nèi)土壤磷測(cè)試值臨界點(diǎn)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有很多報(bào)道，糧田40～90 mg/kg[37]、菜田50～80 mg/kg[38]、果園50～ 60 mg/kg[39]。為了避免農(nóng)田中過(guò)量的磷積累，糞肥應(yīng)重點(diǎn)施用于低磷肥力的土壤[40]。本研究以速效磷<60 mg/kg的有效農(nóng)田[41]作為可施用糞肥的農(nóng)田。在飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范中[42]，禁止在任何距離水體50 m內(nèi)的土地施用糞肥或在湖或水庫(kù)半徑200 m范圍內(nèi)的土地施用糞肥。本案例中，農(nóng)田土壤磷測(cè)試值都低于60 mg/kg，且奶牛場(chǎng)示范園區(qū)周邊無(wú)地表水系。因此，當(dāng)前奶牛場(chǎng)全部農(nóng)田面積都可施用糞肥。

4）農(nóng)田糞肥施用管理模式

按照糞肥養(yǎng)分含量測(cè)定值估算糞肥施用量，養(yǎng)殖場(chǎng)應(yīng)對(duì)最終進(jìn)入農(nóng)田的糞肥中的養(yǎng)分濃度進(jìn)行測(cè)定，并按照公式（9）計(jì)算單位面積的糞肥施用量。

農(nóng)田糞肥施用總量是按照每種作物可施用糞肥面積和單位面積的農(nóng)田作物糞肥施用量計(jì)算得到，參見(jiàn)公式（10）。

2 結(jié)果與分析

2.1 奶牛場(chǎng)糞便及養(yǎng)分產(chǎn)生量

養(yǎng)殖場(chǎng)糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量根據(jù)產(chǎn)污系數(shù)估算，具體計(jì)算參考公式（1）-（4）。整個(gè)奶牛場(chǎng)糞便產(chǎn)生量為3.76萬(wàn)t/a，糞便氮和磷產(chǎn)生量分別為204和32 t/a(表6)。其中，青年奶牛年糞便產(chǎn)生量約為1.12萬(wàn)t/a，糞便氮和磷產(chǎn)生量分別為58和8 t/a，泌乳奶牛年糞便產(chǎn)生量約為2.63萬(wàn)t/a，糞便氮和磷產(chǎn)生量分別為146和24 t/a。

表6 奶牛場(chǎng)糞便及N、P年產(chǎn)生量

2.2 奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分供給量

對(duì)典型“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”糞污處理模式奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分可還田利用量分析。奶牛場(chǎng)主要養(yǎng)分損失來(lái)源于兩塊，第一，泌乳牛舍為水沖糞工藝，因此從整個(gè)糞便管理過(guò)程的產(chǎn)生收集到處理階段，主要是對(duì)液體糞便進(jìn)行處理和利用。第二，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)青年奶牛主要為人工干清糞，兩個(gè)月清一次。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)青年奶牛產(chǎn)生的尿液無(wú)法收集，這會(huì)造成糞便養(yǎng)分損失和養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境造成影響。整個(gè)糞便管理過(guò)程，固液糞便養(yǎng)分流動(dòng)情況見(jiàn)圖2。

在計(jì)算糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量的基礎(chǔ)上，由于糞便管理方式不同，對(duì)泌乳奶牛和青年奶牛的糞便養(yǎng)分供給量分開(kāi)核算。泌乳奶牛舍養(yǎng)分收集量為131和23 t。水沖清糞得到的液體糞污，經(jīng)過(guò)固液分離后，固體糞便經(jīng)過(guò)堆肥處理后生產(chǎn)有機(jī)肥后還田，液體部分經(jīng)過(guò)氧化塘和處理后生產(chǎn)液體糞肥還田，其最終可用于還田的氮和磷養(yǎng)分量為107和22 t/a，糞便養(yǎng)分產(chǎn)生、處理和進(jìn)入農(nóng)田的養(yǎng)分情況見(jiàn)圖2。

青年奶牛主要在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上飼養(yǎng)，產(chǎn)生的固體糞便定期以人工干清糞的方式進(jìn)行收集，故干清糞收集NP養(yǎng)分量為23和5 t/a。經(jīng)過(guò)固體糞便堆肥后，糞便NP養(yǎng)分量為19和5 t/a（圖2）。整個(gè)奶牛場(chǎng)糞污收集和經(jīng)過(guò)糞污處理后，有效還田可利用N和P養(yǎng)分量為126和27 t/a。

2.3 農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用量

本研究中通過(guò)公式（5），計(jì)算青貯玉米、玉米、苜蓿和杏單位面積作物養(yǎng)分需求量，如表7所示，單位面積青貯玉米N、P養(yǎng)分需求量分別為0.51和0.11 t/hm2（表7），單位面積籽實(shí)玉米N、P養(yǎng)分需求量分別為0.21和0.03 t/hm2，單位面積苜蓿N、P養(yǎng)分需求量分別為0.45和0.10 t/hm2，單位面積杏N、P養(yǎng)分需求量分別為0.11和0.02 t/hm2。

表7 農(nóng)田作物糞肥養(yǎng)分施用量

通過(guò)公式（6）計(jì)算4種作物土壤N、P供肥量。青貯玉米土壤N、P供肥量分別為0.022 5和0.004 5 t/hm2（表7），籽實(shí)玉米土壤N、P供肥量分別為0.042 3和 0.009 9 t/hm2，苜蓿土壤N、P供肥量分別為0.043 2和0.017 7 t/hm2，杏土壤N、P供肥量分別為0.031 5和0.005 1 t/hm2。

基于單位面積作物養(yǎng)分需求量和土壤供肥量，考慮糞肥投入占總養(yǎng)分的比例、以及糞肥養(yǎng)分的當(dāng)季利用率，估算了農(nóng)田不同作物下的糞肥養(yǎng)分施用量?？紤]糞肥養(yǎng)分含量占施肥比例為50%和糞肥養(yǎng)分當(dāng)季利用率為30%，農(nóng)田所有作物糞肥N、P總養(yǎng)分施用量分別為727.6和 131.2 t/a（表7）。其中，青貯玉米糞肥N、P總養(yǎng)分施用量分別為287.0和61.1 t/a，籽實(shí)玉米糞肥N、P總養(yǎng)分施用量分別為213.8和22.2 t/a，苜蓿糞肥N、P總養(yǎng)分施用量分別為226.0和47.7 t/a，杏糞肥N、P總養(yǎng)分施用量分別為0.8和0.2 t/a。

在不同N和P指標(biāo)下，糞肥氮磷養(yǎng)分供給量均小于農(nóng)田糞肥氮磷養(yǎng)分施用總量（表7），表明奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田可以完全承載糞肥養(yǎng)分供應(yīng)量。同時(shí)，根據(jù)該奶牛場(chǎng)農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用總量結(jié)果，表明該奶牛場(chǎng)還可以適當(dāng)擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模。

2.4 農(nóng)田糞肥施用管理模式

以奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田糞肥施用特點(diǎn)，按照公式（9）和（10）計(jì)算，制定農(nóng)田糞肥施用管理模式。設(shè)定農(nóng)田作物糞肥施用方式為固體有機(jī)肥只做基肥、液體有機(jī)肥只做追肥。青貯玉米、籽實(shí)玉米的基肥和追肥比例為50%和50%，苜蓿、杏的基肥和追肥比例為0、100%（表8）。青貯玉米和籽實(shí)玉米基肥主要來(lái)自有機(jī)肥。以N為基礎(chǔ)，青貯玉米、籽實(shí)玉米單位面積有機(jī)肥施用量分別為32和11 t/hm2。青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿和杏的追肥主要來(lái)自液體糞肥，以N為基礎(chǔ)計(jì)算，單位面積液體糞肥投入量分別為1227、416、2055、379 t/hm2。以P為基礎(chǔ)，青貯玉米、籽實(shí)玉米單位面積有機(jī)肥施用量分別為29和 5 t/hm2。以P為基礎(chǔ)計(jì)算，青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿和杏的追肥主要來(lái)自液體糞肥，單位面積液體糞肥投入量分別為243 6、403、404 0、888 t/hm2。

表8 農(nóng)田糞肥施用管理模式

農(nóng)田固體有機(jī)肥和液體廢水的消納總量如下（表8）。以N為基礎(chǔ)計(jì)算，青貯玉米和籽實(shí)玉米基肥總計(jì)可消納有機(jī)肥為1.9萬(wàn)t/a。青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿和杏的追肥可消納液體糞便總計(jì)分別為144.7萬(wàn)m3/a。其中，青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿分別為43.5、32.4和68.5萬(wàn)m3/a。以P為基礎(chǔ)計(jì)算，青貯玉米和籽實(shí)玉米基肥總計(jì)可消納有機(jī)肥為1.4萬(wàn)t/a。以P為基礎(chǔ)計(jì)算，青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿和杏的追肥可消納液體糞便總計(jì)為253萬(wàn)m3/a。其中，青貯玉米、籽實(shí)玉米、苜蓿分別為86.3、31.4和134.7萬(wàn)m3/a。

該農(nóng)田糞肥施用管理模式表明（表8），以N為基礎(chǔ)，種植基地年利用有機(jī)肥1.9萬(wàn)t，可以100%消納奶牛場(chǎng)有機(jī)肥產(chǎn)生量；種植基地年利用廢水144.7萬(wàn)m3，是奶牛場(chǎng)廢水產(chǎn)生量的5.6倍。以P為基礎(chǔ)，種植基地年利用有機(jī)肥1.4 萬(wàn)t，可100%消納奶牛場(chǎng)有機(jī)肥產(chǎn)生量；種植基地年利用廢水253萬(wàn)m3，是奶牛場(chǎng)廢水產(chǎn)生量的9.8倍。在農(nóng)田施用糞肥時(shí)，制定的農(nóng)田糞肥施用管理模式方便生產(chǎn)管理者，對(duì)不同作物進(jìn)行糞肥合理施用量操作，包括單位面積固液糞便施用量、每種作物固液糞便總施用量。

3 討 論

3.1 糞便收集和處理方式對(duì)奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分供給量的影響

畜禽糞便養(yǎng)分從產(chǎn)生到農(nóng)田利用前，經(jīng)過(guò)不同養(yǎng)分損失階段。最終，可用于農(nóng)田的有效畜禽糞便養(yǎng)分量，相比新鮮畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量有很大損失[43-44]。對(duì)于畜禽糞便養(yǎng)分利用和管理，應(yīng)明確畜禽糞便養(yǎng)分最大損失途徑，及最終還田有效糞便養(yǎng)分?jǐn)?shù)量。國(guó)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)糞便養(yǎng)分供應(yīng)量，較多是國(guó)家或區(qū)域尺度的研究，如侯勇[45]、Bai 等[46]。目前對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)糞便養(yǎng)分供應(yīng)量研究很少，如Luo 等[47]在北京規(guī)?；i場(chǎng)進(jìn)行了研究，但該研究并沒(méi)有利用養(yǎng)分流方法對(duì)各個(gè)糞便養(yǎng)分管理養(yǎng)分損失進(jìn)行定量化。因此，本研究中，利用養(yǎng)分流方法對(duì)典型“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”糞污處理模式奶牛場(chǎng)糞肥養(yǎng)分的供應(yīng)量進(jìn)行了計(jì)算，分析糞肥養(yǎng)分供應(yīng)主要環(huán)節(jié)養(yǎng)分損失。該案例奶牛場(chǎng)糞便氮、磷養(yǎng)分供給量占總糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量的62%和84%，整個(gè)奶牛場(chǎng)糞便氮、磷養(yǎng)分損失比例為38%和16%。奶牛糞便氮磷養(yǎng)分損失主要來(lái)自青年牛所在的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，氮磷損失比例為17%和9%。這是由于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)僅收集固體糞便，而未收集液體糞便，造成奶牛場(chǎng)糞便最大養(yǎng)分損失。在整個(gè)案例中，固體糞便堆肥過(guò)程氮素?fù)p失比例為11%。減少本案例糞便氮磷養(yǎng)分損失，需改善奶牛運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的液體糞便收集方式。此外，堆肥過(guò)程糞便氮素養(yǎng)分損失比例較高，應(yīng)該采取保氮措施[48]。

3.2 基于氮磷平衡的農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用量

農(nóng)田作物養(yǎng)分推薦用量，目前比較普遍采用的是土壤與植物測(cè)試推薦施肥方法、肥料效應(yīng)函數(shù)法、土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法、養(yǎng)分平衡法[49]。農(nóng)田糞肥施用量可以N和P為依據(jù)，糞肥施用分別根據(jù)滿足作物氮、磷需求量計(jì)算[17]。較多研究表明農(nóng)田糞便養(yǎng)分施用量采用養(yǎng)分平衡法[50-51]。胡春明等[52]以豬場(chǎng)為例，利用農(nóng)田養(yǎng)分平衡方法計(jì)算得到農(nóng)田糞便氮素施用量為188 kg/(hm2·a)。本案例根據(jù)養(yǎng)分平衡方法計(jì)算，表明農(nóng)田作物單位面積糞肥N、P養(yǎng)分投入量分別為130～810和30～170 kg/hm2。歐盟委員會(huì)選擇糞肥氮投入作為指標(biāo)，硝酸鹽敏感區(qū)設(shè)定糞肥N施用量為每年170 kg/hm2。一些歐盟成員國(guó)建立了糞肥P投入最大值[53]，認(rèn)為土壤糞肥年施磷量不能超過(guò)35 kg/hm2，否則過(guò)量的磷會(huì)通過(guò)地表徑流進(jìn)入水體，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。英國(guó)優(yōu)良農(nóng)業(yè)措施規(guī)定，12個(gè)月內(nèi)糞肥施用量每公頃總氮限量不超過(guò)250 kg[8]。歐洲國(guó)家糞肥N和P養(yǎng)分投入量限制，主要針對(duì)區(qū)域水平環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制。針對(duì)本案例奶牛場(chǎng)中配套農(nóng)田環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，考慮的影響因素包括土壤磷測(cè)試值、農(nóng)田與水體距離。由于本案例奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田周邊沒(méi)有水體，不會(huì)引起富營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田地處戈壁沙區(qū)，為新開(kāi)發(fā)整理土地，實(shí)際測(cè)定的土壤有效氮磷養(yǎng)分值較低，表明當(dāng)前土壤肥力較低。為提高土壤肥力并保持作物正常生長(zhǎng)，允許較高的糞肥N、P養(yǎng)分投入量。

3.3 不確定性因素分析

在國(guó)內(nèi)，奶牛場(chǎng)廢水的固液分離和氧化塘貯存處理較普遍。由于國(guó)內(nèi)仍缺少固液分離對(duì)于廢水氮磷分配和氧化塘養(yǎng)分損失的研究，盡管我們選取了當(dāng)前最適合本奶牛場(chǎng)糞便管理?xiàng)l件下的參數(shù)，對(duì)該典型“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”糞污處理模式奶牛場(chǎng)案例中糞肥養(yǎng)分供應(yīng)量估算會(huì)存在誤差。此外，研究美國(guó)糞便管理養(yǎng)分管理軟件MMP數(shù)據(jù)參數(shù)[17]，發(fā)現(xiàn)每個(gè)州都有作物養(yǎng)分需求數(shù)據(jù)庫(kù)。李小坤等[54]認(rèn)為國(guó)內(nèi)牧草營(yíng)養(yǎng)施肥的仍缺乏系統(tǒng)研究。經(jīng)過(guò)與奶牛場(chǎng)生產(chǎn)管理者多次調(diào)研交流作物施肥管理和生產(chǎn)情況，選擇了當(dāng)前最有效的數(shù)據(jù)參數(shù)，保證了本案例中青貯玉米和苜蓿養(yǎng)分需求量估算結(jié)果。土壤養(yǎng)分校正系數(shù)和糞肥養(yǎng)分利用率參數(shù)，均來(lái)自當(dāng)?shù)乜蒲袡C(jī)構(gòu)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果，這樣的土壤供肥量和農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用量估算結(jié)果值得信任。考慮到種養(yǎng)結(jié)合模式奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分管理模式的需要，以及本地?cái)?shù)據(jù)和當(dāng)前文獻(xiàn)中固體分離和氧化塘養(yǎng)分損失、牧草養(yǎng)分需求數(shù)據(jù)的缺乏，需開(kāi)展相關(guān)研究工作。

4 結(jié) 論

對(duì)典型種養(yǎng)結(jié)合模式“固液分離—堆肥+氧化塘—農(nóng)田利用”奶牛場(chǎng)產(chǎn)生的有機(jī)肥和廢水，通過(guò)實(shí)施糞便綜合管理模式，奶牛糞有機(jī)肥和養(yǎng)殖廢水綜合利用率達(dá)100%，全部可在配套種植基地利用。存欄量2 978頭的奶牛場(chǎng)糞肥N、P養(yǎng)分供給量為126和27 t。1 473 hm2的種植基地年利用牛糞有機(jī)肥1.2萬(wàn)t，養(yǎng)殖廢水25.6萬(wàn)m3。基于氮磷養(yǎng)分平衡的農(nóng)田糞肥養(yǎng)分施用管理，如果糞肥養(yǎng)分量占施肥總量比例為50%和糞肥養(yǎng)分當(dāng)季利用率為30%，奶牛場(chǎng)配套農(nóng)田所有作物糞肥N、P總養(yǎng)分施用量為727.6和131.2 t。該奶牛場(chǎng)糞肥養(yǎng)分供給量小于農(nóng)田所需糞肥養(yǎng)分量。制定奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分綜合管理模式提高糞肥利用水平，實(shí)現(xiàn)了種養(yǎng)結(jié)合模式奶牛場(chǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。同時(shí)，可為中國(guó)規(guī)模奶牛場(chǎng)建立種養(yǎng)結(jié)合模式提供科學(xué)借鑒。

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Manure nutrient management mode in typical mixed crop-dairy farm

Jia Wei, Zhu Zhiping, Chen Yongxing, Dong Hongmin※, Tao Xiuping

(100081,)

Intensive dairy farms have developed rapidly in China over the last three decades, which have produced a lot of manure nutrients. However, due to the decoupling of crop-animal systems and poor manure management, large loss of nutrients from manure has led to serious environmental pollution. There is an urgent need to define an integrated manure management plan, which requires a quantitative understanding of nutrient balance and budget in a mixed crop-animal system. In this study, we reported a typical manure processing model so called "solid-liquid separation - compost+oxidation pond - manure application" from a dairy farm, and developed a comprehensive manure nutrient management plan using the data collection from farm investigation, soil, solid and liquid manure sampling and parameters collection from literatures. The results showed that dairy excretion N and P were 204 and 33 t/a with the breeding stock number of 2 978 dairy cattle, respectively. After manure collection and processing, the N and P amounts of manure nutrients were 126 and 27 t/a, which could be available for crop use. Manure management of lactating dairy cattle and young dairy cattle were different, therefore the amount of their manure nutrients supply were quantified, respectively. The collection rate of manure N and P nutrient was 131 and 23 t/a in the lactating dairy cattle house, respectively. The manure from flood flushing system was treated by solid-liquid separation; therein the solid part of manure after solid-liquid separation could be composted as organic fertilizer applied to the field. At the same time, the liquid part could be treated by the oxidation pond as liquid manure to be returned to the field. The rate of manure N and P nutrient from lactating dairy cattle house was eventually 107 and 22 t/a, respectively. The young dairy cattle was mainly raised outdoor. Most of urine would be leaked and evaporated on the non-concrete ground, and the solid feces were collected regularly on a dry manure basis. Therefore, the amounts of solid manure N and P nutrient collected from young dairy cattle were 23 and 5 t/a, respectively. Finally, the amounts of N and P nutrient from young dairy cattle’s solid manure composted were 19 and 5 t/a, respectively. Based on crop nutrient requirements and soil nutrient supply, considering the ratio of manure to inorganic fertilizer (50%) and current manure nutrient use efficiency (30%), the amounts of manure N and P that could be applied to arable land were 727.6 and 131.2 t/a with the land area of 1 473 hm2, respectively, which were greater than the amounts of available manure nutrients from the dairy farm under different N and P indices. Among them, total application rates of manure N and P nutrient for silage corn, grain corn, alfalfa, and apricot were 287 and 61.1, 213.8 and 22.2, and 226.0 and 47.7, 0.8 and 0.2 t/a, separately. Therefore, the land carrying capacity of manure N and P nutrient is sufficient in this typical mixed crop-dairy farm. Manure application management plan in the mixed crop-dairy farm shows that, 19 000 and 14 000 t organic fertilizer can be applied to the farmland, and 100% of organic fertilizer produced from dairy farms can be eliminated based on N and P application rules. A total of 1.40 and 2.53 million m3waste water can be used as fertilizer in the dairy farm, which is 5.6 and 9.8 times the current amount of waste water based on N and P application rules, respectively. The implementation of comprehensive manure nutrient management plan can make full use of manure nutrient resources for crop growth and reduce the direct discharge of manure nutrient to the environment, thus ensuring long-term sustainable production in the mixed crop-dairy farms.

manure; fertilizer; nutrients; manure nutrient supply; crop nutrient requirements

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.027

S141.3，S823

A

1002-6819(2017)-12-0209-09

2017-05-14

2017-05-29

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201303091）；農(nóng)業(yè)部948項(xiàng)目（畜禽糞便綜合養(yǎng)分管理計(jì)劃軟件引進(jìn)）

賈 偉，男，山西臨汾人，博士后，研究方向?yàn)樾笄菁S便綜合養(yǎng)分管理。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，100081。 Email：Jiawei711@126.com

董紅敏，女，河北新樂(lè)人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：畜牧環(huán)境工程。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，100081。Email：Donghongmin@ caas.cn

賈 偉，朱志平，陳永杏，董紅敏，陶秀萍.典型種養(yǎng)結(jié)合奶牛場(chǎng)糞便養(yǎng)分管理模式[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：209－217. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.027 http://www.tcsae.org

Jia Wei, Zhu Zhiping, Chen Yongxing, Dong Hongmin, Tao Xiuping.Manure nutrient management mode in typical mixed crop-dairy farm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 209－217. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.027 http://www.tcsae.org