安徽省畜牧業(yè)環(huán)境承載力及糞便替代化肥潛力評(píng)估

耿 維，孫義祥，袁嫚嫚，鄔 剛，王家寶

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安徽省畜牧業(yè)環(huán)境承載力及糞便替代化肥潛力評(píng)估

耿 維，孫義祥※，袁嫚嫚，鄔 剛，王家寶

（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，合肥 230031）

為評(píng)估安徽省畜牧業(yè)糞便的環(huán)境影響及其節(jié)肥潛力，該文利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，借助ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表達(dá)，從土壤對(duì)養(yǎng)分需求的角度，分析了安徽省16市77縣（區(qū)）畜牧業(yè)糞便的氮磷鉀養(yǎng)分資源總量及其對(duì)耕地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，基于安徽省當(dāng)前化肥施用現(xiàn)狀，評(píng)估了糞便資源作為有機(jī)肥對(duì)化肥的替代潛力。結(jié)果表明，2016年安徽省糞便資源總量為5 804萬(wàn)t，主要集中在皖北6市25個(gè)縣（區(qū)），占全省資源總量的61%，糞便養(yǎng)分總量為70.75萬(wàn)t，可替代安徽省同期化肥施用量的21.83%，若充分還田，可使單位農(nóng)作物播種面積化肥施用強(qiáng)度由346 降至270 kg/hm2。畜牧業(yè)廢棄物對(duì)安徽省農(nóng)用地環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)不高，50%化肥施用比例條件下，有6個(gè)縣（區(qū)）的畜禽糞便環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于1，這些地區(qū)屬于環(huán)境污染高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。研究結(jié)果可為安徽省畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)合理布局、糞便資源化利用和實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)提供研究基礎(chǔ)。

糞便；養(yǎng)分；有機(jī)肥；畜牧業(yè)；環(huán)境承載力

0 引 言

中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)以化肥施用占主導(dǎo)，化肥的大量施用在一定程度上提高了土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的本底值和農(nóng)作物產(chǎn)量，但增大了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[1]。近年來(lái)由于化肥、農(nóng)藥的過(guò)量施用以及耕作模式的變化，局部地區(qū)耕地土壤質(zhì)量惡化問(wèn)題突出[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)受污染的耕地面積約為2 000萬(wàn)hm2[4]，而化肥使用量偏高，有機(jī)肥投入不足，是造成耕地退化，保水保肥的能力下降的重要原因。同時(shí)隨著化肥使用比例的增高，越來(lái)越多的有機(jī)肥資源被棄置。畜禽糞便作為有機(jī)肥的重要來(lái)源，其養(yǎng)分還田率僅為50%左右[5]，被棄置的畜禽糞便已成為生態(tài)環(huán)境的主要污染源。

化肥施用量偏高以及畜牧業(yè)的快速發(fā)展引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題引起了中國(guó)政府的高度重視，2015年農(nóng)業(yè)部發(fā)布《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，2017年國(guó)務(wù)院辦公廳、農(nóng)業(yè)部先后發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》和《畜禽糞污資源化利用行動(dòng)方案（2017—2020年）》，明確提出到2020年中國(guó)畜禽糞污綜合利用率達(dá)到75%以上，倡導(dǎo)通過(guò)構(gòu)建種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展機(jī)制，增加糞便作為有機(jī)肥對(duì)化肥的替代。畜禽糞便因含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分，資源量大、容易獲取且利用技術(shù)簡(jiǎn)單，是優(yōu)質(zhì)的土壤肥料資源和化肥的有效替代品，因此在加快發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的大背景下，應(yīng)重視發(fā)揮糞便有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變中的推動(dòng)引領(lǐng)作用。

畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家多以農(nóng)田作為畜禽糞便的消納場(chǎng)所[6-7]，并把畜禽糞便的養(yǎng)分管理納為農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和管理的重點(diǎn)[8-11]。如美國(guó)實(shí)施的基于種養(yǎng)結(jié)合的畜禽糞便綜合養(yǎng)分管理計(jì)劃（comprehensive nutrient management plan，CNMP）；丹麥嚴(yán)格規(guī)定中小型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)將種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機(jī)結(jié)合，作物肥料和灌溉用水來(lái)自無(wú)害化處理后的畜禽糞便和沖洗廢水；荷蘭從1984年開(kāi)始不再允許養(yǎng)殖場(chǎng)擴(kuò)大規(guī)模以控制糞便總量的增加，糞污的養(yǎng)分管理重點(diǎn)目標(biāo)是進(jìn)行農(nóng)田利用；德國(guó)主要根據(jù)農(nóng)場(chǎng)的土地面積與消納能力來(lái)確定動(dòng)物飼養(yǎng)量，并限定畜禽糞便施肥時(shí)間和施肥量。近年來(lái)，加強(qiáng)畜禽糞便的綜合治理、開(kāi)辟畜禽糞便無(wú)害化和資源化利用途徑已經(jīng)成為中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要課題。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所在糞便資源、能源潛力、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及處理技術(shù)和裝備等方面已開(kāi)展了大量的研究[12-27]，并在畜牧業(yè)較集中的地區(qū)開(kāi)展了糞便資源評(píng)估和環(huán)境承載力方面的研究[28-35]，而糞便養(yǎng)分作為有機(jī)肥對(duì)化肥的區(qū)域替代潛力方面的報(bào)道較少。路國(guó)彬等[36]通過(guò)構(gòu)建畜禽糞肥替代化肥潛力估算模型，對(duì)2014年中國(guó)及各省的來(lái)自豬、牛和家禽的糞肥替代化肥潛力進(jìn)行了估算，全國(guó)糞肥養(yǎng)分約可替代同期氮磷鉀化肥38.30%，52.00%，86.77%，畜禽糞肥替代化肥潛力最多的省份依次是河南、四川、山東、湖南和湖北，京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的部分地區(qū)。劉曉永和李書(shū)田[37]基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料，估算了中國(guó)各地區(qū)不同時(shí)期（1980s，1990s，2000s ，2010s）畜禽糞尿量、養(yǎng)分量，并分析了畜禽糞尿養(yǎng)分還田量的地區(qū)間差異。劉曉燕等[15]統(tǒng)計(jì)了2005年中國(guó)及各省有機(jī)肥養(yǎng)分資源總量，包括人、畜禽排泄物和秸稈產(chǎn)生的氮磷鉀養(yǎng)分總量分別為2 824.52萬(wàn)t、1 282.93萬(wàn)t、2 947.99萬(wàn)t，為化肥氮磷鉀投入量的1.08、0.86和4.56倍。賈偉等[38]針對(duì)京郊養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)用地面積現(xiàn)狀以及農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的需求，研究了京郊畜禽糞便資源現(xiàn)狀及其替代化肥潛力，畜禽糞便氮磷鉀養(yǎng)分可滿(mǎn)足當(dāng)?shù)剞r(nóng)田氮磷鉀養(yǎng)分需求量的99.3%，185.2%和62.7%。安徽省是中國(guó)華東地區(qū)重要的農(nóng)牧產(chǎn)品生產(chǎn)加工基地，畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，每年產(chǎn)生大量的糞便得不到有效利用，易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，安徽省也是用肥大省，化肥用量居全國(guó)第五，省內(nèi)農(nóng)業(yè)化肥施肥量偏高現(xiàn)象比較普遍，化肥減量壓力大、任務(wù)重，因此開(kāi)展安徽省縣域糞便資源評(píng)估和節(jié)肥潛力研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有的報(bào)道缺乏安徽省縣級(jí)尺度的全面研究，且土壤養(yǎng)分負(fù)荷多基于耕地或耕地和牧草地，忽視了園地和林地對(duì)糞便的消納。本文從養(yǎng)分資源的角度，基于相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，評(píng)估了安徽省16市77縣（區(qū)）糞便養(yǎng)分年產(chǎn)生量以及農(nóng)用地（包括耕地、牧草地、園地和林地）的畜牧業(yè)環(huán)境承載力，對(duì)比同期化肥施用量，探討了畜牧業(yè)對(duì)化肥的節(jié)肥潛力，為實(shí)現(xiàn)安徽省畜牧業(yè)優(yōu)化布局和化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 飼養(yǎng)量和飼養(yǎng)期

畜禽糞便來(lái)源以豬、牛、羊和家禽計(jì)，各縣（區(qū)）飼養(yǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[39]，根據(jù)各類(lèi)畜禽的生育特點(diǎn)，豬和家禽以年內(nèi)出欄量作為飼養(yǎng)量，牛、羊以年內(nèi)出欄量作為年均飼養(yǎng)量。安徽省豬、家禽的飼養(yǎng)期為154 和69 d[37]。

1.1.2 產(chǎn)排污系數(shù)和養(yǎng)分含量

畜禽產(chǎn)排污系數(shù)參考文獻(xiàn)[40]華東地區(qū)數(shù)據(jù)，生豬、肉牛、肉雞的養(yǎng)分含量與羊的產(chǎn)排污系數(shù)以及糞尿養(yǎng)分含量來(lái)自文獻(xiàn)[37]，見(jiàn)表1。

1.1.3 其他數(shù)據(jù)

安徽省77縣（區(qū)）2016年耕地、林地、園地、牧草地面積、農(nóng)作物播種面積和化肥使用量數(shù)據(jù)來(lái)自《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒2017》和16市統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 糞便及其氮、磷、鉀養(yǎng)分年產(chǎn)生量

糞便年產(chǎn)生量計(jì)算公式如下。

式中為畜禽糞便資源量，萬(wàn)t；為豬/家禽，為牛/羊；為年內(nèi)出欄量；為飼養(yǎng)期，d；為排污系數(shù)，kg/(d·頭)。

考慮到糞尿養(yǎng)分含量的差異將其分開(kāi)計(jì)算，養(yǎng)分年產(chǎn)生量計(jì)算公式如下。

式中為畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量，t；為豬/家禽，為牛/羊；為畜禽糞便資源量，萬(wàn)t；為養(yǎng)分百分含量，%。

表1 安徽省畜禽的產(chǎn)排污系數(shù)和養(yǎng)分含量（鮮基）

1.2.2 農(nóng)用地氮、磷養(yǎng)分負(fù)荷

畜禽糞便的消納場(chǎng)所主要是耕地、園地、牧草地和林地，不同種類(lèi)農(nóng)用地對(duì)畜禽糞便污染物的消納能力不同，為便于統(tǒng)計(jì)，本文將其等同于耕地，單位面積農(nóng)用地（包括耕地、園地、牧草地和林地，下同）畜禽糞便氮磷養(yǎng)分負(fù)荷計(jì)算公式為

=/（5）

式中為單位面積農(nóng)用地氮磷負(fù)荷，kg/hm2；為畜禽糞便氮磷養(yǎng)分產(chǎn)生量，t；為農(nóng)用地面積，103hm2。

1.2.3 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力

將各類(lèi)畜禽糞便氮磷年產(chǎn)生量折算為豬當(dāng)量，計(jì)算畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力，公式為

EC=/（8）

=/（9）

式中為農(nóng)用地氮磷環(huán)境容量，萬(wàn)t；為農(nóng)用地面積，103hm2；為糞肥年施氮磷限量值，參考?xì)W盟限量標(biāo)準(zhǔn)，即單位面積農(nóng)用地總氮磷負(fù)荷為 170和35 kg/hm2（折P2O5為80 kg/hm2）[41-42]；為農(nóng)用地畜禽環(huán)境承載力，108頭豬當(dāng)量；為實(shí)際畜禽養(yǎng)殖量，108頭豬當(dāng)量；為畜禽糞便氮磷年產(chǎn)生量，t；為單位豬年糞便氮磷產(chǎn)生量，t/頭；為排污系數(shù)，kg/(頭·d)；為養(yǎng)分百分含量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 安徽省畜牧業(yè)糞便資源及其分布

安徽省糞便資源年產(chǎn)生量及其構(gòu)成變化見(jiàn)圖1。2001―2006年畜牧業(yè)糞便以牛糞便為主，2007年開(kāi)始以豬和家禽糞便為主，這說(shuō)明了安徽省畜牧業(yè)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)發(fā)生了由提供勞動(dòng)力為主到以提供肉類(lèi)為主的轉(zhuǎn)變。糞便資源量經(jīng)歷了緩慢增長(zhǎng)（2001―2006）、急劇下降（2006―2007）和持續(xù)恢復(fù)（2007―2016）3個(gè)階段。2005年安徽省糞便資源量突破6 000萬(wàn)t，由于價(jià)格、成本、供需和疫情等原因，畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)歷了2006―2007年間的震蕩，之后畜牧業(yè)完成了結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變并快速發(fā)展，糞便資源量由4 150 萬(wàn)t恢復(fù)至5 804 萬(wàn)t?？梢钥吹?，安徽省每年都產(chǎn)生大量的畜禽糞便，若不能有效處理，將會(huì)成為環(huán)境的潛在污染源，有機(jī)肥作為無(wú)害化處理糞便的有效途徑，安徽省具有發(fā)展有機(jī)肥的資源潛力。

圖1 安徽省畜禽糞便年資源量和結(jié)構(gòu)組成

從區(qū)域分布看（圖2），2016年安徽省畜牧業(yè)糞便資源總量自西南向北逐漸增多?；幢逼皆貐^(qū)最多，糞便量為3 550萬(wàn)t，占總量的61%，該地區(qū)超70%的縣（區(qū)）糞便資源超過(guò)100萬(wàn)t，其中臨泉縣、固鎮(zhèn)縣、懷遠(yuǎn)縣和阜陽(yáng)市轄區(qū)超過(guò)200 萬(wàn)t。江淮丘陵地區(qū)糞便資源量為1 489萬(wàn)t，占全省總量的26%，超過(guò)100萬(wàn)t的縣（區(qū)）依次為霍邱、定遠(yuǎn)、肥西、六安市轄區(qū)和長(zhǎng)豐。皖南山區(qū)各縣（區(qū)）糞便資源量均較少，糞便資源量為764萬(wàn)t，占全省總量的13%。這主要由于一方面安徽北部地區(qū)以平原為主，地理?xiàng)l件優(yōu)越，具有發(fā)展畜牧業(yè)的有利條件，江淮丘陵地區(qū)其次，皖南地區(qū)多以丘陵山地為主，畜牧業(yè)發(fā)展受限，另一方面近年安徽省畜牧業(yè)區(qū)域化布局日趨明顯，越來(lái)越向優(yōu)勢(shì)畜產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)域集中。安徽省畜禽糞便資源豐富的地區(qū)也是農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，有利于糞便資源就近利用，降低處理成本，提高資源利用率。

糞便總量按來(lái)源依次為豬糞便（1 901萬(wàn)t）>家禽糞便（1 407萬(wàn)t）>羊糞便（1 323萬(wàn)t）>牛糞便（1 173萬(wàn)t）。分別對(duì)各類(lèi)糞便年產(chǎn)50 萬(wàn)t以上的縣（區(qū)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示羊糞便主要分布在蕭縣、碭山縣、阜陽(yáng)市轄區(qū)、利辛縣、泗縣、臨泉縣、渦陽(yáng)縣、固鎮(zhèn)縣、宿州市轄區(qū)、懷遠(yuǎn)縣等10縣（區(qū)），占全省羊糞便量的53%；豬糞便主要集中在定遠(yuǎn)縣、霍邱縣、臨泉縣、阜陽(yáng)市轄區(qū)、宿州市轄區(qū)、壽縣、六安市轄區(qū)、太和縣、靈璧縣、蕭縣、潁上縣、肥東縣、長(zhǎng)豐縣、利辛縣、泗縣等15縣（區(qū)），占全省豬糞便總量的48%，牛糞便主要分布在懷遠(yuǎn)縣、臨泉縣、五河縣、潁上縣、固鎮(zhèn)縣5縣，占全省牛糞便總量的32%，肥西縣、固鎮(zhèn)縣、宣城市轄區(qū)、長(zhǎng)豐縣4縣（區(qū)）的家禽糞便量為占全省家禽糞便總量的19%。安徽省羊和豬糞便資源分布較為集中，牛糞便次之，家禽糞便分布較為分散，4類(lèi)糞便主要集中在22個(gè)縣（區(qū)），是發(fā)展糞便有機(jī)肥的優(yōu)勢(shì)區(qū)，因此應(yīng)根據(jù)各類(lèi)糞便的特點(diǎn)結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)際確定糞便綜合利用的技術(shù)途徑。同時(shí)，在優(yōu)勢(shì)區(qū)引進(jìn)先進(jìn)的飼養(yǎng)模式和糞污處理方式，有助于畜牧業(yè)、有機(jī)肥工業(yè)和種植業(yè)的緊密銜接，實(shí)現(xiàn)資源高效循環(huán)利用。

圖2 安徽省各縣不同畜禽糞便年產(chǎn)量分布

2.2 安徽省畜牧業(yè)環(huán)境承載力分析

明確氮磷鉀養(yǎng)分分布有助于養(yǎng)分資源的安全和高效利用。2016年安徽省畜牧業(yè)氮磷鉀養(yǎng)分資源總量分別為34、10 t和26萬(wàn)t，淮北平原地區(qū)氮磷鉀養(yǎng)分資源最多，分別占全省總量的65%，50%，62%。在縣級(jí)分布上（表2），固鎮(zhèn)縣等10縣（區(qū)）養(yǎng)分資源總量在2萬(wàn)t以上，霍邱等17縣（區(qū)）養(yǎng)分資源總量在1~2萬(wàn)t，其余50縣（區(qū)）養(yǎng)分資源總量低于0.5萬(wàn)t。李帆等[43]通過(guò)調(diào)查采樣及測(cè)試分析方法，估算2008年安徽省畜牧業(yè)產(chǎn)生的糞便中純氮磷鉀養(yǎng)分的排放量分別約為113 235、58 441和80 573 t，低于本文評(píng)估結(jié)果，主要由于作者對(duì)豬、牛和雞糞便干物質(zhì)的氮磷鉀養(yǎng)分含量進(jìn)行估算，未考慮糞尿中養(yǎng)分的排放，同時(shí)羊和其他家禽未計(jì)入，而本文基于豬、牛、羊和家禽4類(lèi)糞和尿的養(yǎng)分含量，將其進(jìn)行分別估算得出氮磷鉀排放總量。

畜禽糞便氮磷養(yǎng)分的農(nóng)用地負(fù)荷反映了農(nóng)用地土壤的污染風(fēng)險(xiǎn)。適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)分施用，能夠補(bǔ)充農(nóng)作物生長(zhǎng)從土壤中所帶走的營(yíng)養(yǎng)，但過(guò)量的養(yǎng)分會(huì)給土壤和水體帶來(lái)污染[44-46]。2016年安徽省畜牧業(yè)糞便氮磷養(yǎng)分農(nóng)用地負(fù)荷整體上不高，分別為49 kg/hm2（N），14 kg/hm2（P2O5），各縣（區(qū)）氮磷農(nóng)用地負(fù)荷均低于歐盟限量標(biāo)準(zhǔn)。閻波杰等[47]評(píng)估了安徽省耕地氮負(fù)荷為81.99 kg/hm2，高于本文評(píng)估結(jié)果，主要原因在于本文考慮了耕地、林地、園地和牧草地對(duì)糞便的消納能力，而后者僅考慮耕地對(duì)糞便資源的消納。從區(qū)域分布看，閻波杰認(rèn)為2004―2012年安徽省耕地畜禽糞便氮負(fù)荷熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在安徽省北部和東南部，與本文研究結(jié)果基本一致（見(jiàn)圖3）。

表2 安徽省主要縣（區(qū)）糞便養(yǎng)分總量（大于1 萬(wàn)t）

全省畜牧業(yè)的環(huán)境承載力分別可達(dá)3.1×108（N）頭豬當(dāng)量和4.5×108（P2O5）頭豬當(dāng)量，實(shí)際承載量占環(huán)境容量比例分別為29%（N）和18%（P2O5），77個(gè)縣（區(qū)）畜牧業(yè)實(shí)際承載量均低于本地區(qū)的環(huán)境容量，在不考慮 化肥施用和秸稈還田的前提下，糞便養(yǎng)分資源若得以充分消納，安徽省畜牧業(yè)對(duì)農(nóng)用地環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)總體不高。由于畜牧業(yè)與種植業(yè)結(jié)合不緊密以及種植業(yè)對(duì)肥料的季節(jié)性需求與糞便大量產(chǎn)生之間的矛盾，仍需警惕規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的潛在點(diǎn)源污染。

考慮種植業(yè)保持高產(chǎn)的需要，未來(lái)化肥在中國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)田中仍然占主導(dǎo)地位，因此，在評(píng)估農(nóng)用地對(duì)畜禽糞便的氮磷環(huán)境容量時(shí)應(yīng)考慮化肥施用的影響。大量研究和實(shí)踐表明，50%的施用比例與實(shí)際管理需求更為接近[48]，對(duì)各地區(qū)控制畜禽養(yǎng)殖總量及合理調(diào)整養(yǎng)殖布局更具有參考價(jià)值。本文以實(shí)際畜禽養(yǎng)殖總量與50%環(huán)境容量比值作為風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對(duì)安徽省各縣畜禽糞便的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估（見(jiàn)圖3）。

安徽省總氮污染風(fēng)險(xiǎn)高于總磷。以農(nóng)用地氮負(fù)荷作為限制因子，寧國(guó)、碭山、固鎮(zhèn)、阜陽(yáng)市轄區(qū)、臨泉和界首等6縣（區(qū)）風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)>1，農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)最高，上述地區(qū)應(yīng)統(tǒng)籌當(dāng)?shù)丨h(huán)境承載力實(shí)施總量控制措施，同時(shí)加大糞便資源管理和資源化利用的資金投入，因地制宜的探索糞便多元化利用途徑；蕭縣等11縣（區(qū)）風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.76~1.00之間，農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)為較高等級(jí)，在當(dāng)前種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)分離的情況下，畜禽養(yǎng)殖相當(dāng)于點(diǎn)源，因此應(yīng)警惕部分規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)周?chē)霓r(nóng)用地氮磷點(diǎn)源污染，適宜采取總量控制和污染消減措施；宿州市轄區(qū)等13縣（區(qū)）農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)為中等級(jí)別，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.51~0.75，這些地區(qū)應(yīng)鼓勵(lì)和支持采取種養(yǎng)結(jié)合的方式促進(jìn)糞便資源就近消納利用；其余44縣（區(qū)）農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)為較低等級(jí)，對(duì)于適宜開(kāi)展畜牧業(yè)的地區(qū)可適度增加畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，有利于進(jìn)一步推進(jìn)全省畜牧業(yè)的合理布局和糞便養(yǎng)分管理。由于安徽省是中國(guó)的重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，尤其皖北平原地區(qū)，因此對(duì)畜牧業(yè)開(kāi)展合理規(guī)劃和布局，因地制宜的控制養(yǎng)殖規(guī)模和密度，重點(diǎn)推進(jìn)“糞污專(zhuān)業(yè)化能源利用”和“污水肥料化利用”模式，促進(jìn)種植業(yè)和畜牧業(yè)緊密結(jié)合，是推動(dòng)安徽省土壤環(huán)境良性循環(huán)和實(shí)現(xiàn)化肥減施的有效技術(shù)途徑。

2.3 安徽省畜牧業(yè)糞便養(yǎng)分的化肥替代潛力

2016年安徽省單位播種面積化肥施用強(qiáng)度為346 kg/hm2，同期中國(guó)平均為359 kg/hm2，而世界平均僅為80 kg/hm2，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization，F(xiàn)AO）規(guī)定的化肥施用限值為225 kg/hm2。從區(qū)域化肥施用量分布看（見(jiàn)圖4），北部地區(qū)化肥施用量最高，中部地區(qū)次之，南部最少。其中蕪湖市轄區(qū)等7個(gè)縣（市）化肥施用強(qiáng)度超過(guò)500 kg/hm2，宿松縣等25個(gè)縣（區(qū)）化肥施用量超過(guò)全省和國(guó)家平均化肥施用強(qiáng)度，僅旌德縣等7個(gè)縣（區(qū)）化肥施用強(qiáng)度低于FAO規(guī)定限值?？梢钥吹?，安徽省大部分地區(qū)化肥施用量大，減施任務(wù)重，存在著較大的節(jié)肥潛力。

由于家禽和羊糞尿的養(yǎng)分含量普遍高于豬和牛，4類(lèi) 糞便養(yǎng)分的化肥替代潛力依次為家禽糞便（7.81%）>羊糞便（6.97%）>牛糞便（3.60%）>豬糞便（3.45%）（見(jiàn)表3），羊糞便對(duì)氮肥的替代潛力最大，家禽糞便對(duì)磷肥和鉀肥的替代潛力最大。

表3 四類(lèi)畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)量以及化肥替代潛力

安徽省畜牧業(yè)糞便養(yǎng)分的化肥替代潛力大。2016年畜牧業(yè)糞便養(yǎng)分資源總量為70.75萬(wàn)t，同期化肥施用總量為324萬(wàn)t，占化肥使用量的21.83%。77個(gè)縣（區(qū)）中有40縣（區(qū)）化肥替代潛力在20%以上，其中寧國(guó)市轄區(qū)（78%）、肥西縣（56%）、合肥市轄區(qū)（48%）、蕭縣（47%）、碭山縣（46%）和霍山縣（46%）6縣（區(qū)）替代潛力最大。僅充分考慮畜牧業(yè)有機(jī)肥資源的情況下，安徽省單位播種面積平均化肥施用強(qiáng)度可由346降至270 kg/hm2，有32個(gè)縣（區(qū)）化肥施用強(qiáng)度可降至FAO規(guī)定的限值以下。由此可見(jiàn)，利用畜牧業(yè)糞便資源作為有機(jī)肥替代化肥為種植業(yè)提供養(yǎng)分，是實(shí)現(xiàn)安徽省化肥減量的有效途徑。

除此之外，不同種類(lèi)作物的化肥需求量不同，相關(guān)研究結(jié)果表明果樹(shù)和蔬菜的化肥施用量約是糧食作物的1.5倍和2.5倍[49]，隨著人民生活水平的提高，蔬菜和水果消費(fèi)量顯著增加，中國(guó)蔬菜和果樹(shù)的播種面積持續(xù)擴(kuò)大，這給化肥減施帶來(lái)一定壓力。因此對(duì)于畜牧業(yè)糞便的還田利用應(yīng)格外重視經(jīng)濟(jì)作物的化肥替代潛力。

圖3 安徽省畜禽糞便氮磷農(nóng)用地負(fù)荷及污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

圖4 安徽省化肥施用量以及畜禽糞便養(yǎng)分化肥替代潛力

3 討 論

1）畜禽糞便資源量的評(píng)估涉及畜禽種類(lèi)、飼養(yǎng)期、飼養(yǎng)量、日均排污系數(shù)和糞尿養(yǎng)分含量，上述變量在不同的地區(qū)取值均不相同，且相同地區(qū)前人在系數(shù)選擇方面也各不相同，因而評(píng)估結(jié)果存在一定的差異性。路國(guó)彬和王夏暉[36]以中國(guó)畜禽年底存欄數(shù)為畜禽飼養(yǎng)數(shù)量，參考李書(shū)田等[50]關(guān)于糞便養(yǎng)分百分含量的研究結(jié)果，從省級(jí)尺度評(píng)估了安徽省2014年氮肥磷肥和鉀肥的化肥替代潛力分別為38.91萬(wàn)t，28.53萬(wàn)t和36.76萬(wàn)t。孫力等[51]以原國(guó)家環(huán)?？偩止紨?shù)據(jù)并結(jié)合安徽省畜禽養(yǎng)殖的實(shí)際情況，將畜禽糞便污染的年排泄系數(shù)修正后，評(píng)估2012年安徽省規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞尿產(chǎn)量共2 632.99萬(wàn)t，李帆等[43]通過(guò)調(diào)查采樣及測(cè)試分析的方法，評(píng)估了2008年安徽省畜禽養(yǎng)殖業(yè)中豬、牛和雞產(chǎn)生的糞便干物質(zhì)中總氮磷鉀養(yǎng)分的排放量分別約為113 235，58 441和80 573 t，羊和其他家禽未計(jì)入。劉曉永和李書(shū)田通過(guò)收集、整理和分析大量相關(guān)文獻(xiàn)資料、書(shū)籍或研究報(bào)告，加權(quán)均值分地區(qū)計(jì)算出各種畜禽糞尿的氮磷鉀養(yǎng)分含量，安徽省糞尿產(chǎn)量分別為7 121.28萬(wàn)t和4 629.78萬(wàn)t，養(yǎng)分資源總量在30~40 萬(wàn)t[37]。前人在安徽省糞便及其養(yǎng)分資源評(píng)估方面缺乏縣級(jí)的全面研究，在環(huán)境承載力方面多基于耕地或耕地和牧草地，忽視了園地和林地對(duì)糞便的消納。本文從縣級(jí)尺度上，以年內(nèi)出欄量作為飼養(yǎng)量，基于華東地區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)相關(guān)系數(shù)評(píng)估了安徽省安徽省77縣（區(qū)）的畜牧業(yè)（包括豬、牛、羊和家禽）糞便資源潛力及其農(nóng)用地（包括耕地、園地、牧草地、林地）的環(huán)境承載力，研究了糞便作為有機(jī)肥的化肥替代潛力，有助于以縣級(jí)為單元，優(yōu)化畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、制定化肥減施方案和開(kāi)展有機(jī)肥替代項(xiàng)目的整體推進(jìn)。

2）安徽省糞便主要集中在22個(gè)縣（區(qū)），是發(fā)展糞便有機(jī)肥的優(yōu)勢(shì)區(qū)，可根據(jù)優(yōu)勢(shì)區(qū)畜牧業(yè)糞便結(jié)構(gòu)和總量科學(xué)確定糞便綜合利用的技術(shù)途徑。鑒于有機(jī)肥的生產(chǎn)未來(lái)更傾向于標(biāo)準(zhǔn)化和商品化，糞便資源作為有機(jī)肥的源頭，其處理方式將會(huì)更加規(guī)范化，在優(yōu)勢(shì)區(qū)引進(jìn)先進(jìn)的飼養(yǎng)模式和糞污處理方式，有助于協(xié)調(diào)畜牧業(yè)、有機(jī)肥工業(yè)和種植業(yè)，打破產(chǎn)業(yè)壁壘。

3）在50%的化肥施用條件下，寧國(guó)、碭山、固鎮(zhèn)、阜陽(yáng)市轄區(qū)、臨泉和界首6縣（區(qū)）畜禽養(yǎng)殖實(shí)際承載量超過(guò)其50%環(huán)境承載力，農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)高，應(yīng)對(duì)上述地區(qū)應(yīng)實(shí)施嚴(yán)格總量控制措施，以土壤環(huán)境容量來(lái)約束養(yǎng)殖密度和養(yǎng)殖規(guī)模，因地制宜的探索糞便多元化利用途徑，提高糞便的資源化、能源化利用率。由于種植業(yè)對(duì)化肥需求的季節(jié)性和畜禽糞便產(chǎn)生的持續(xù)性，全省范圍內(nèi)大中型規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的點(diǎn)源污染不可忽視，應(yīng)適宜采取總量控制和污染消減措施。對(duì)于適宜開(kāi)展畜牧業(yè)的地區(qū)可適度增加畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，優(yōu)化全省畜牧業(yè)的產(chǎn)業(yè)布局。

4）農(nóng)用地對(duì)糞便的消納能力還與土壤肥力和種植結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般情況下，耕地、牧草地、園地和林地對(duì)糞便的消納能力不同，本文將其等同于耕地，存在一定誤差，中國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有關(guān)于單位耕地面積氮磷的施用限量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的研究均以歐盟較為嚴(yán)格的限量值作為參考，此限量值與中國(guó)的實(shí)際存在一定差異，因此在中國(guó)有待進(jìn)一步開(kāi)展分地區(qū)分類(lèi)型土壤養(yǎng)分施用限量標(biāo)準(zhǔn)研究，對(duì)優(yōu)化養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模、布局、結(jié)構(gòu)以及土壤污染物防控具有積極的指導(dǎo)意義。

5）除糞便資源外，安徽省每年產(chǎn)生豐富的秸稈，南方大面積季節(jié)性冬閑田具有發(fā)展綠肥資源的潛力，這些都是生產(chǎn)有機(jī)肥的重要來(lái)源，因此考慮其他有機(jī)肥資源還田的條件下，畜牧業(yè)糞便的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)和有機(jī)肥資源總量的化肥替代潛力有待進(jìn)一步研究。

6）實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥對(duì)化肥的有效且充分替代，還應(yīng)考慮農(nóng)民的用肥習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)有機(jī)肥腐熟周期長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)損失大，勞動(dòng)效益低、強(qiáng)度大，因此傳統(tǒng)有機(jī)肥的生產(chǎn)和使用應(yīng)破除發(fā)展瓶頸，加快開(kāi)發(fā)適用市場(chǎng)的商品化有機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥等，有機(jī)肥才能得到大力推廣。

4 結(jié) 論

1）糞便資源量與畜禽飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)和數(shù)量直接相關(guān)，這與安徽省的地形和人口密度密不可分。安徽省發(fā)展畜牧業(yè)有機(jī)肥的資源潛力大，2016年糞便資源總量為5804萬(wàn)t，主要集中在淮北平原地區(qū)，占全省的61%；江淮丘陵地區(qū)次之，占全省的26%，皖南山區(qū)糞便資源最少。4種糞便資源量依次為豬糞便>家禽糞便>羊糞便>牛糞便。

2）安徽省畜牧業(yè)糞便養(yǎng)分的化肥替代潛力大，在當(dāng)前化肥施用量條件下，畜牧業(yè)糞便養(yǎng)分的化肥替代潛力為21.83%，4類(lèi)糞便的化肥替代潛力大小依次為家禽糞便>羊糞便>豬糞便>牛糞便。77個(gè)縣（區(qū)）中有40縣（區(qū)）化肥替代潛力在20%以上，其中6個(gè)縣（區(qū)）替代潛力接近或超過(guò)實(shí)際化肥使用量的50%。總體上畜牧業(yè)對(duì)安徽省農(nóng)用地的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)不高，但仍需警惕部分地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的潛在點(diǎn)源污染。

3）安徽省畜牧業(yè)優(yōu)勢(shì)地區(qū)也是種植業(yè)比較集中的地區(qū)，有利于糞便資源就近利用，降低利用成本，促進(jìn)種養(yǎng)結(jié)合，提高資源循環(huán)利用效率，有助于推動(dòng)安徽省土壤環(huán)境良性循環(huán)和實(shí)現(xiàn)化肥減施。

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Evaluation of environmental carrying capacity and manure organic fertilizer instead chemical fertilizer potential of animal husbandry in Anhui

Geng Wei, Sun Yixiang※, Yuan Manman, Wu Gang, Wang Jiabao

(,,230031,)

The excessive application of agricultural chemical fertilizer and the rapid development of animal husbandry threaten the safety of soil, water and atmosphere, which become the main problems that restrict the development of green agriculture and animal husbandry in China, and have attracted great attention from the government. As an important agricultural production base in China, Anhui Province has consumed large quantities of chemical fertilizer every year. In 2016, Anhui Province was the fifth largest province in China that consumed 3.27 million tons chemical fertilizer, and has large potential and high pressure on the reduction of chemical fertilizer. Besides, with the growth of animal husbandry and the change of the feeding structure, production of livestock and poultry feces has increased continuously in Anhui, which would lead to high environmental pressure if they were not treated. However, nutrients from feces could also partially replace the chemical fertilizer to supply nutrient for soil. According to the demand of development target of circular agriculture and ecological agriculture, considering from the point of view of the nutrient requirements of the soil, statistical analysis method and ArcGIS software were used to estimate the total resources of nitrogen, phosphorus and potassium from feces and the environmental risk of livestock and poultry feces was measured (from pig, cattle, sheep and poultry) in 77 counties of Anhui by its environmental carrying capacity in this paper. By the comparison with the fertilization application in counties of Anhui Province in 2016, the substituting potential of livestock and poultry feces for chemical fertilizer was evaluated. Results showed that the total amount of feces in Anhui Province in 2016 was 58.04 million tons, which was mainly concentrated in 25 counties in the northern plain of Anhui, accounting for 61% of the total resources in the province. Anhui had low risk of environmental pollution from animal husbandry on cultivated land, except 6 counties where actual quantity in animal husbandry exceeded the environmental carrying capacity by 50%, and it is necessary to guard against the potential source pollution of large-scale farms in some areas. Anhui has a large quantity of nutrients from feces which was 70.75 million tons in 2016, which could satisfy 21.83% of the total application of chemical fertilizer. There were 40 counties and 6 counties respectively with chemical fertilizer substitution potential of more than 20% and close to or over 50% particularly. Considering the situation of all manure returning to the field, fertilizer application per hectare in Anhui Province can be reduced from 346 to 270 kg/hm2, and fertilizer application intensity in 32 counties can be reduced to below the FAO (Food and Agriculture Organization) limit. The research provides the basis for the rational distribution of livestock industry, and the utilization of feces resources, and is helpful to develop fertilizer application reduction program with the county as the unit and to carry out the overall promotion of organic fertilizer substitution projects, which have important guiding significance to achieve the goals of reducing fertilizer application and zero growth of fertilizer in 2020 in Anhui Province.

manures; nutrients; organic fertilizers; animal husbandry; environmental carrying capacity

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.031

X713,TK6

A

1002-6819(2018)-18-0252-09

2018-04-03

2018-07-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0200806）和安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（18C1021）資助

耿 維，博士，主要從事生物質(zhì)資源管理研究。 Email：dreamingtree@126.com。

孫義祥，副研究員，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與高效施肥研究。 Email：sunyixiang@126.com。

耿 維，孫義祥，袁嫚嫚，鄔 剛，王家寶. 安徽省畜牧業(yè)環(huán)境承載力及糞便替代化肥潛力評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(18)：252－260. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.031 http://www.tcsae.org

Geng Wei, Sun Yixiang, Yuan Manman, Wu Gang, Wang Jiabao. Evaluation of environmental carrying capacity and manure organic fertilizer instead chemical fertilizer potential of animal husbandry in Anhui[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 252－260. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/ j.issn. 1002-6819.2018.18.031 http://www.tcsae.org