基于氮平衡的江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖承載力及飽和度研究

褚明輝，萬大娟，石 雪，何宣利

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081）

基于氮平衡的江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖承載力及飽和度研究

褚明輝，萬大娟，石 雪，何宣利

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081）

采用物質(zhì)平衡原理，將土壤中吸收與排放的氮元素進(jìn)行量化，結(jié)合江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖調(diào)查現(xiàn)狀，開展江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖承載力及飽和度研究。結(jié)果表明：2015年江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力以氮計算為2 164 782頭（豬當(dāng)量），32頭/hm2，污染風(fēng)險指數(shù)為0.67，屬于低污染風(fēng)險，但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染風(fēng)險差異顯著，分別在-54.67～3.44之間。

畜禽養(yǎng)殖；氮平衡；承載力；負(fù)荷指數(shù)

氮元素通過土壤自給、人工施肥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用、畜禽養(yǎng)殖這些過程處于一個相對平衡的狀態(tài)，氮元素盈余量等于輸入量與輸出量之差。氮平衡原理是將研究區(qū)域內(nèi)所有氮元素的轉(zhuǎn)移進(jìn)行量化，進(jìn)而判斷氮元素的盈余或缺損，并將其轉(zhuǎn)化為畜禽養(yǎng)殖承載量。目前，國內(nèi)相關(guān)報道多為區(qū)域性環(huán)境承載力或生態(tài)功能的研究，基于畜禽養(yǎng)殖開展的環(huán)境承載力研究較少。潘瑜春等[1]選取耕地和果園的氮（磷）限量標(biāo)準(zhǔn)，評估了北京市平谷區(qū)17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖承載潛力及其污染潛勢；王奇等[2]以歐盟農(nóng)業(yè)政策中規(guī)定的年施氮量為標(biāo)準(zhǔn)，對中國及各省畜禽養(yǎng)殖的允許總量進(jìn)行了初步估算；孟岑等[3]分析了長沙縣面源污染狀況，估算了長沙縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境承載力；陳斌璽等[4]將農(nóng)作物總需氮量作為畜禽糞便氮限制量，計算了海南省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力?？偨Y(jié)以上報道，發(fā)現(xiàn)這些研究多采取養(yǎng)分平衡學(xué)說，以農(nóng)田氮總需求量減去土壤提供量來計算區(qū)域內(nèi)畜禽承載力，鮮有考慮化肥施用供氮量，難免會導(dǎo)致區(qū)域畜禽養(yǎng)殖承載力估算值偏大。

江華瑤族自治縣位于湖南省南端，南嶺北麓，瀟水源頭，屬國家南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)，全縣地貌類型多樣，地勢東高西低，以勾掛嶺為界，嶺東為山區(qū)，山巒重疊；嶺西為丘陵區(qū)，低平狹長，丘崗起伏。全縣土壤類型主要為紅壤土、黃壤、水稻土。研究以江華瑤族自治縣為對象，通過分析計算得到該縣農(nóng)業(yè)需求量、土壤供氮量，結(jié)合統(tǒng)計年鑒中的能源消耗量引入化肥供氮量，采用修正后的氮平衡原理預(yù)測該縣畜禽養(yǎng)殖承載力，并結(jié)合現(xiàn)狀數(shù)據(jù)計算出2015年畜禽養(yǎng)殖飽和度，為該縣畜牧業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、耕地面積、化肥用量、畜禽養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)來源于《江華瑤族自治縣2015年統(tǒng)計年鑒》與現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

根據(jù)區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)需氮量與土壤供氮量、化肥施氮量之差估算農(nóng)用地總氮環(huán)境承載量，根據(jù)排污系數(shù)計算出每年畜禽排泄糞便（尿）中的總氮量，最終將其折算成區(qū)域畜禽養(yǎng)殖承載量。計算公式如下：

式中，N為基于氮平衡的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力（頭豬當(dāng)量）；Yi為第i類農(nóng)產(chǎn)品年產(chǎn)量（t）；mi為第i類農(nóng)產(chǎn)品1 t經(jīng)濟產(chǎn)量所需的氮養(yǎng)分量（kg/t）；S為耕地土壤的氮養(yǎng)分提供量（kg）；O為化肥的氮養(yǎng)分提供量（kg）；d為每頭當(dāng)量豬的產(chǎn)氮系數(shù)（kg/頭）；r為畜禽糞便年利用率。

根據(jù)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，計算出全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽承載力的污染風(fēng)險指數(shù)，風(fēng)險指數(shù)越高則畜禽養(yǎng)殖承載力飽和度越大，污染風(fēng)險程度越高。利用Arcgis10.2軟件將全縣畜禽養(yǎng)殖承載力飽和度可視化。計算公式如下：

式中，Z為2015年研究區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，M為畜禽糞便氮污染風(fēng)險指數(shù)。將M分為5級：M＜0.5說明研究區(qū)域農(nóng)用地?zé)o污染風(fēng)險，0.5≤M＜1說明研究區(qū)域農(nóng)用地屬于低污染風(fēng)險，1≤M＜1.5說明研究區(qū)域農(nóng)用地屬于中度污染風(fēng)險，1.5≤M＜3說明研究區(qū)域農(nóng)用地屬于較高污染風(fēng)險，M≥3說明研究區(qū)域農(nóng)用地屬于高污染風(fēng)險。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)林產(chǎn)品需氮量

2.1.1 農(nóng)產(chǎn)品研究選擇江華瑤族自治縣主產(chǎn)的稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類、油料、甘蔗、烤煙、蔬菜、水果、果用瓜作為統(tǒng)計對象。選取《肥料手冊》中規(guī)定的需氮量作為1 t農(nóng)產(chǎn)品所需的氮養(yǎng)分量，見表1。全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植業(yè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《江華瑤族自治縣2015年統(tǒng)計年鑒》，通過計算可得全縣主要農(nóng)產(chǎn)品需氮量為8 934 608.5 kg。

2.1.2 林產(chǎn)品利用畜禽廢棄物灌溉周邊生態(tài)經(jīng)濟林是江華瑤族自治縣目前一種常用的利用方式，可達(dá)到經(jīng)濟與環(huán)境效應(yīng)的共贏。該方式既解決了經(jīng)濟林地的施肥問題，又避免了畜禽糞便隨意亂排污染周邊土壤與水體。調(diào)查結(jié)果表明，有機肥直接施入林地，氮元素含量一般為1.5%左右，林地可消納畜禽有機肥在2.5～4.5 t/(667m2·a)之間，因此可計算出單位面積林地1 a中需肥氮量為785.5 kg/hm2。結(jié)合《江華瑤族自治縣2015年統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，得到全縣生態(tài)林需氮量為3 328 762.5 kg。

2.2 土壤及化肥供氮量

2.2.1 土壤供氮量（S）查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，湖南省紅壤、黃壤、水稻土中平均有效氮含量分別為130.22、132.33、141.82 mg/kg[5]，以主要土壤類型所占比例計算出江華瑤族自治縣土壤的平均有效氮含量為19.96 kg/667m2。結(jié)合《江華瑤族自治縣2015年統(tǒng)計年鑒》耕地面積，即可計算得出全縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤供氮能力，取土壤的養(yǎng)分矯正系數(shù)0.5，進(jìn)一步計算出全縣土壤實際供氮能力為4 447 587 kg。

表1主要農(nóng)產(chǎn)品生長所需氮養(yǎng)分量（kg/t）

2.2.2 化肥供氮量（O）尿素中氮含量在46.4%～47%之間，復(fù)合肥中氮含量在13%～16%之間?！吨袊蠹Z食作物肥料利用率研究報告》顯示，目前我國水稻、玉米、小麥3大糧食作物氮肥、磷肥、鉀肥當(dāng)季利用率為33%、24%、42%，其中水稻氮肥當(dāng)季利用率為35%。結(jié)合《江華瑤族自治縣2015年統(tǒng)計年鑒》所提供的全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氮肥、復(fù)合肥使用量，計算可得全縣化肥供氮量為3 713 523 kg。

2.3 畜禽糞便年利用率

蘇文幸[6]的研究結(jié)果表明，出欄一頭生豬的氮產(chǎn)污系數(shù)為3.79 kg/頭。研究共調(diào)查江華瑤族自治縣173家畜禽養(yǎng)殖場，將全縣畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理模式分為直接利用、糞便生產(chǎn)有機肥、簡單處理還田、厭氧發(fā)酵4種典型處理模式，各模式所占比例見表2。李巧巧[7]的研究表明，畜禽養(yǎng)殖場糞便直接利用的氮損失量在6.5%～%7.8之間；糞便在生產(chǎn)有機肥后，氮損失率在25%～32%之間；糞便經(jīng)堆肥后農(nóng)用，氮損失率在之間30%～36%之間；廢水經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后農(nóng)用的氮損失率在13%～17%之間。經(jīng)過加權(quán)計算，江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖糞便氮利用率r取0.5。

表2江華瑤族自治縣各類處理方式及氮去除率（%）

2.4 畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀

2015年，全縣牲豬年存欄421 003頭、家禽存籠3 789 103羽、羊存欄84 001頭、牛存欄133 700頭、兔存籠12 602只。按不同養(yǎng)殖種類氮元素排污量，將養(yǎng)殖規(guī)模統(tǒng)一換算成豬當(dāng)量，豬、奶牛、肉牛、羊、蛋雞、肉雞、鴨、鵝和兔的換算系數(shù)分別為1、12.40、7.22、1.42、0.09、0.11、0.05、0.12和0.038。計算可得2015年全縣畜禽養(yǎng)殖實際承載豬當(dāng)量為1 464 013頭。

2.5 畜禽養(yǎng)殖承載力分析

根據(jù)氮平衡法計算出江華瑤族自治縣全縣畜禽養(yǎng)殖承載力為2 164 782頭（豬當(dāng)量），全縣總耕地面積為29 710 hm2，總播種面積為66 847 hm2，復(fù)種指數(shù)為2.25，計算出2015年全縣農(nóng)用地可承載的豬當(dāng)量為32頭/ hm2。將全縣各村鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖承載力從小于0到大于15萬頭（豬當(dāng)量）劃分5個層次，詳見圖1。

圖1各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖承載力

邱樂豐等[8]利用修正的養(yǎng)分平衡法估算出2014年杭州市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力以氮計為18.20頭豬當(dāng)量/hm2，污染風(fēng)險指數(shù)為0.73；武蘭芳等[9]根據(jù)農(nóng)田養(yǎng)分平衡理論，基于農(nóng)田N收支平衡對比分析了我國兩個典型農(nóng)耕地區(qū)山東禹城和湖南桃源的耕地承載畜禽容量，分別為13.8頭豬當(dāng)量/hm2和14.6頭豬當(dāng)量/hm2，禹城略低于桃源；孫國波等[10]等以氮為標(biāo)準(zhǔn)，對比分析了大田作物和蔬菜2種理想種植模式下江蘇省農(nóng)用地畜禽養(yǎng)殖承載力分別為18.3頭豬當(dāng)量和33.8頭豬當(dāng)量。對比分析顯示，江華瑤族自治縣市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力在國內(nèi)處于較高水平。

2.6 畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷分析

研究結(jié)果顯示，全縣畜禽養(yǎng)殖承載力平均污染風(fēng)險指數(shù)為0.67，屬于低污染風(fēng)險，但縣內(nèi)各村鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險指數(shù)差異顯著，分別在-54.67～3.44之間。沱江鎮(zhèn)的污染風(fēng)險指數(shù)為3.44，碼市鎮(zhèn)的污染風(fēng)險指數(shù)為2.37，河路口鎮(zhèn)的污染風(fēng)險指數(shù)為1.86，東田鎮(zhèn)的污染風(fēng)險指數(shù)為1.72，說明這4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模極易造成當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤環(huán)境和水環(huán)境污染。勾掛嶺以西的農(nóng)區(qū)，耕地面積有限，人口集中，畜禽養(yǎng)殖場分布較集中且規(guī)模較大，缺乏足夠的用于承載畜禽養(yǎng)殖的農(nóng)用地或林地，可通過空間可達(dá)性分析[11]降低運輸成本，把超過該地區(qū)消納能力的畜禽糞便轉(zhuǎn)移到務(wù)江鄉(xiāng)、花江鄉(xiāng)、兩岔河鄉(xiāng)、大圩鎮(zhèn)等仍有較大消納潛力的周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，降低農(nóng)區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染的風(fēng)險。橋頭鋪鎮(zhèn)和小圩壯族鄉(xiāng)的畜禽養(yǎng)殖量接近環(huán)境承載力，養(yǎng)殖場空間分布的不均勻也可能導(dǎo)致局部地區(qū)環(huán)境污染風(fēng)險升高，應(yīng)合理限制養(yǎng)殖業(yè)的擴大，盡量避免養(yǎng)殖小區(qū)的存在，科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖場的選址，促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖與環(huán)境和諧共存。

圖2各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖承載力污染風(fēng)險指數(shù)

2.7 畜禽養(yǎng)殖承載力影響因素分析

研究區(qū)域內(nèi)基于氮平衡的畜禽養(yǎng)殖承載力影響因素主要有3個：一是土地利用率，單位面積農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量越高則畜禽養(yǎng)殖承載力越高，以白芒營鎮(zhèn)、大圩鎮(zhèn)、末竹鄉(xiāng)為例，反之則越低，以清塘鄉(xiāng)、國有林場為例；二是化肥施用強度，化肥施用強度大，導(dǎo)致化肥施用量超過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與耕地負(fù)荷，使土地承載過飽和，畜禽養(yǎng)殖承載力小于0，以橋市鄉(xiāng)與大石橋鄉(xiāng)為例；三是復(fù)種指數(shù)與種植結(jié)構(gòu)，同種農(nóng)作物對氮元素的需求量相對穩(wěn)定，在每季經(jīng)濟產(chǎn)量一致的情況下，復(fù)種指數(shù)大則農(nóng)作物年產(chǎn)量高對氮元素的需求量也高，在經(jīng)濟產(chǎn)量相對穩(wěn)定的情況下，不同類型農(nóng)作物對氮元素的需求量不同，從而畜禽養(yǎng)殖承載力也因此不同，例如大豆等油料作物對氮元素的需求量最大，糧食作物次之，薯類作物最小[12]。

3 結(jié) 論

研究通過氮平衡法計算得出，2015年江華瑤族自治縣全縣畜禽養(yǎng)殖承載力為2 164 782頭（豬當(dāng)量），32頭/hm2，全縣畜禽養(yǎng)殖承載力飽和度為0.67，屬于低污染風(fēng)險，但縣內(nèi)各村鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險指數(shù)差異顯著。這一研究結(jié)果可為江華瑤族自治縣畜禽養(yǎng)殖規(guī)模配置、布局調(diào)整和空間分布提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 潘瑜春，孫 超，劉 玉，等. 基于土地消納糞便能力的畜禽養(yǎng)殖承載力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（4）：232-239.

[2] 王 奇，陳海丹，王 會. 基于土地氮磷承載力的區(qū)域畜禽養(yǎng)殖總量控制研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27（3）：279-284.

[3] 孟 岑，李裕元，許曉光，等. 亞熱帶流域氮磷排放與養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境承載力實例研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，33（2）：635-643.

[4] 陳斌璽，劉俊專，吳銀寶，等. 海南省農(nóng)地土壤畜禽糞便承載力和養(yǎng)殖環(huán)境容量分析[J]. 家畜生態(tài)學(xué)報，2012，33（6）：78-84.

[5] 林毅青. 基于種養(yǎng)平衡下的湖南省畜禽養(yǎng)殖承載能力研究[D]. 長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[6] 蘇文幸. 生豬養(yǎng)殖業(yè)主要污染源產(chǎn)排污量核算體系研究[D]. 長沙：湖南師范大學(xué)，2012.

[7] 李巧巧. 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力核算方法研究[D]. 長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[8] 邱樂豐，龍文莉，方豪等. 基于種養(yǎng)平衡的杭州市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力研究[J]. 自然資源學(xué)報，2016，8（8）：1410-1419.

[9] 武蘭芳，歐陽竹，謝小立. 我國典型農(nóng)區(qū)耕地承載畜禽容量對比分析[J]. 自然資源學(xué)報，2013，28（1）：104-113.

[10] 李艷霞，李 帷，韓 偉，等. 基于GIS的東北農(nóng)田畜禽糞便施用適宜性分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2010，31（4）：1092-1100.

[11] 李 帷，李艷霞，楊 明，等. 北京市畜禽養(yǎng)殖的空間分布特征及其糞便耕地施用的可達(dá)性[J]. 自然資源學(xué)報，2010，25（5）：746-755.

[12] 孫國波，韓大勇，董 飚. 基于氮磷平衡的江蘇省畜禽養(yǎng)殖土地承載力研究[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，12（6）：123-130.

（責(zé)任編輯：成 平）

Supporting Capacity and Saturation of Livestock Breeding in Jianghua Yao Autonomous County Based on Nitrogen Balance

CHU Ming-hui，WAN Da-juan，SHI Xue，HE Xuan-li
（College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, PRC）

The principle of material balance was used to quantify the nitrogen absorbed and discharged in the soil, and the supporting capacity and saturation of Jianghua Yao Autonomous County in livestock breeding were investigated, combined with the related status of the county, in this study. The results showed that the environmental bearing capacity of the county in livestock breeding was 2 164 782 pigs (equivalent to nitrogen balance), at 32 pigs /(hm2), and the pollution risk index was 0.67 overall, at the low livestock pollution risk; but the pollution risk was significantly different in different towns of the county, at -54.67-3.44.

livestock breeding; nitrogen balance; bearing capacity; load index

F302.1；X26

：A

：1006-060X（2017）08-0045-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.012

2017-05-21

褚明輝（1992-），男，河南焦作市人，碩士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與評價研究。

萬大娟