華北平原主要作物輪作模式下牛養(yǎng)殖適宜承載量分析

聶勝委，張巧萍，王二耀，張玉亭，何 寧

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，河南鄭州450002）

隨著人們生活水平的不斷提高，對肉、蛋、奶的需求量也越來越大。與之相應(yīng)的是畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和數(shù)量不斷擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞尿廢棄物總量也日益增多，導(dǎo)致養(yǎng)殖糞尿排泄物超過了區(qū)域自身的消納吸收能力，污染加劇。運(yùn)用土地承載力的計(jì)算方法可以快速方便地計(jì)算出一定區(qū)域內(nèi)適宜的畜禽養(yǎng)殖承載數(shù)量，科學(xué)合理地規(guī)劃區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖規(guī)模和結(jié)構(gòu)。

在研究土地承載力的尺度、方法、理論等方面，研究涉及的內(nèi)容也越來越豐富。區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和土地承載力在省域大尺度方面已有較多研究。王奇等[1]分析了全國各省的畜禽養(yǎng)殖總量及承載能力；汪開英等[2]研究了浙江省畜禽業(yè)產(chǎn)排污和土地承載力情況，并提出區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)布局的建議；陳斌璽等[3]分析了海南省農(nóng)用地的畜禽糞便承載力和養(yǎng)殖環(huán)境容量；孫國波等[4]采用氮磷養(yǎng)分平衡法研究了江蘇省畜禽養(yǎng)殖的土地承載力。地區(qū)（市）域中尺度方面，已在江蘇淮安[5]和鹽城[6]、陜西安康[7]和西安[8]、廣東江門[9]、甘肅慶陽[10]、河北滄州[11]等地進(jìn)行了區(qū)域土地承載力分析?？h（區(qū)）域小尺度方面，在江西桐鄉(xiāng)[12]、北京平谷區(qū)[13-14]、江西鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)[15]、山東壽光[16]、浙江江華[17]等已有研究。

此外，在土地承載力的研究中融合了其他分析方法，例如，分析區(qū)域養(yǎng)殖環(huán)境承載力結(jié)合系統(tǒng)分析的灰色理論和模型[18-19]、系統(tǒng)動力學(xué)與模糊預(yù)警模型[20]、層次分析法[21]等。而且，對土地承載力研究的尺度也更加微觀化，如基于種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)養(yǎng)分平衡分析環(huán)境承載力[22]，基于養(yǎng)分平衡法分析大田作物、蔬菜地和果園地土地畜禽承載力[23]。理論方面，徐宇鵬等[24]研究了規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖布局的環(huán)境敏感影響因子；鞠昌華等[25]分析了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的關(guān)鍵特征。

華北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地和畜禽養(yǎng)殖基地，也是我國今后發(fā)展秸稈養(yǎng)殖（牛）業(yè)的重要地區(qū)。上述研究大多是從養(yǎng)殖規(guī)模、耕地面積、產(chǎn)量等方面來分析，而土地承載力與區(qū)域內(nèi)土地生產(chǎn)力水平（高產(chǎn)、中產(chǎn)、低產(chǎn)）、作物輪作種植模式、堆糞肥施用量以及科學(xué)技術(shù)水平等因素關(guān)系密切。

本研究運(yùn)用土地承載力計(jì)算方法結(jié)合不同土地生產(chǎn)力水平，研究華北平原區(qū)主要作物輪作模式和不同生產(chǎn)力水平下的牛養(yǎng)殖業(yè)適宜承載量，以期為實(shí)現(xiàn)種植業(yè)、牛養(yǎng)殖業(yè)清潔生產(chǎn)、農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)、資源循環(huán)利用提供參考和借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

華北平原（32°～40°N，114°～121°E）跨越京、津、冀、魯、豫、皖、蘇7省市，是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)域之一。屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯，年均溫8～15℃，熱量資源較為豐富，一年兩熟輪作種植模式?！?℃積溫為4 100～5 400℃，≥10℃積溫為3700～4700℃，無霜期190～220d，年降水量500～1 000 mm，年總輻射量為4 605～5 860 MJ/（m2·a），年日照時數(shù)為2 300～2 800 h。同時該區(qū)也是我國重要的牛養(yǎng)殖區(qū)域之一，2017年底，該區(qū)牛存欄量1172萬頭，牛肉和牛奶產(chǎn)量分別為172萬、897萬t。

1.2 研究方法

表1 不同生產(chǎn)力水平下主要作物的氮肥施用量及產(chǎn)量水平 kg/hm2

選取該區(qū)主要的作物輪作種植模式：小麥/玉米（糧/糧模式）、小麥/花生（糧/油模式）、小麥/水稻（糧/糧模式）、小麥/大豆（糧/油模式）、油菜/水稻（油/糧模式）等，土地生產(chǎn)力水平分為高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田（表1）。土地承載力的計(jì)算和參數(shù)參照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》，以養(yǎng)分N為標(biāo)準(zhǔn)，單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量按7.0 kg計(jì)算。生產(chǎn)力水平及肥料利用率參考《作物專用復(fù)混肥料農(nóng)藝配方》等研究的相關(guān)結(jié)果[26-27]，在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田中的糞肥占施用肥料總量的比例和肥料吸收利用率分別為25%，35%，50%和50%，40%，30%，不同生產(chǎn)力水平條件下單位耕地面積氮肥施肥量及產(chǎn)量水平列于表1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)、表、圖采用Excel和SPSS 25.0等軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作種植制度下作物糞肥養(yǎng)分需求量分析

從表2可以看出，華北平原一年兩熟區(qū)不同輪作種植制度下，在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田和低產(chǎn)田3種生產(chǎn)力水平下的養(yǎng)分需求總量存在差異，相同輪作模式下，高產(chǎn)田養(yǎng)分需求量最大，低產(chǎn)田需求量最?。幌嗤恋厣a(chǎn)力水平條件下，糧/糧輪作模式的養(yǎng)分需求量高于糧/油輪作模式。

表2 不同輪作種植制度下單位面積的氮肥養(yǎng)分需求量 kg/hm2

由于不同生產(chǎn)力水平的耕地土壤對養(yǎng)分需求不同，依據(jù)施用堆肥或有機(jī)肥對作物產(chǎn)量的影響，同時參照施用有機(jī)肥對中、低產(chǎn)田土壤具有良好的改良效果等研究，本研究采用施用糞肥占總量氮肥的比例在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田分別為25%，35%，50%，加大了糞肥在中、低產(chǎn)田的施用量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同輪作種植制度下糞肥氮的施用量 kg/hm2

此外，肥料的吸收利用效率在不同生產(chǎn)能力條件下也存在差異，本研究參考了以往的研究，確定氮肥養(yǎng)分吸收利用率在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田水平下分別為50%，40%，30%，依據(jù)養(yǎng)分吸收利用效率和生態(tài)承載力糞肥需求量計(jì)算公式，得出不同輪作種植制度下糞肥的需求量（表4），糞肥在中、低產(chǎn)田的需求量大于高產(chǎn)田，在“糧/糧”模式下（小麥/玉米、小麥/水稻）的需求量大于“糧/油或油/糧”模式（小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻）。

表4 不同輪作種植制度下糞肥的需求量 kg/hm2

2.2 不同輪作種植制度下農(nóng)田牛適宜承載量分析

按照《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》的計(jì)算方法，單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量為7.0 kg計(jì)算（表5），小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻輪作模式下，高產(chǎn)田的生態(tài)承載力的豬當(dāng)量頭數(shù)分別為 32.1，32.1，21.4，20.4，21.4 頭 /hm2；中產(chǎn)田分別為 54.4，54.4，35.6，37.5，37.5 頭 /hm2；低產(chǎn)田分別為 96.4，100.0，64.3，67.9，67.9 頭 /hm2。

表5 不同輪作種植制度下生態(tài)承載力 頭/hm2

依據(jù)指南中的換算系數(shù)，100頭豬相當(dāng)于15頭奶牛、30頭肉牛，不同輪作種植模式、不同土地生產(chǎn)能力水平下肉牛適宜養(yǎng)殖量如圖1所示。小麥/玉米種植模式在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田中適宜的肉牛養(yǎng)殖量分別為9.6，16.3，28.9頭/hm2，小麥/水稻種植模式分別為9.6，16.3，30.0頭/hm2，小麥/花生種植模式分別為6.4，10.7，19.3頭/hm2，小麥/大豆種植模式分別為6.1，11.3，20.4頭/hm2，油菜/水稻種植模式分別為 6.4，11.3，20.4頭 /hm2。

從圖2可以看出，單位耕地面積上奶牛的養(yǎng)殖量，小麥/玉米種植模式在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田中適宜養(yǎng)殖量分別為4.8，8.2，14.5頭/hm2，小麥/水稻種植模式分別為4.8，8.2，15.0頭/hm2，小麥/花生種植模式分別為3.2，5.3，9.6頭/hm2，小麥/大豆種植模式在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田中適宜養(yǎng)殖量分別為3.1，5.6，10.2頭/hm2，油菜/水稻種植模式分別為 3.2，5.6，10.2 頭 /hm2。

3 討論

土地承載力與土地的生產(chǎn)力水平、養(yǎng)分吸收效率等關(guān)系密切，已有研究表明，大田作物每季載畜量，小麥、水稻、玉米分別為肉牛3，4，3頭/hm2和奶牛2，2，2頭/hm2，經(jīng)過計(jì)算可知，小麥/玉米、小麥/水稻種植模式下土地載牛量則分別為肉牛6，7頭/hm2和奶牛4，4頭/hm2[23]。而本研究得出，小麥/玉米種植模式在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田中適宜養(yǎng)殖量分別為 9.6，16.3，28.9頭/hm2，小麥 /水稻種植模式在高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田中適宜養(yǎng)殖量分別為9.6，16.3，30頭/hm2。同時，利用種植、養(yǎng)殖養(yǎng)分平衡計(jì)算出杭州市畜禽養(yǎng)殖量大的地方環(huán)境生態(tài)承載力的豬當(dāng)量為35.59頭/hm2，一般為20～30頭/hm2[22]。本研究中，小麥/玉米、小麥/水稻每公頃高產(chǎn)田、中產(chǎn)田、低產(chǎn)田的生態(tài)承載力的豬當(dāng)量分別為32.1，32.1 頭 /hm2；54.4，54.4 頭 /hm2；96.4，100.0 頭 /hm2。本研究的結(jié)論與已有研究報道結(jié)論相比，高產(chǎn)田與之持平略高，中、低產(chǎn)田遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)結(jié)論，這是由于在本研究中，考慮到不同地力水平下，施用糞肥占肥料施用總量不同，而且肥料在不同地力水平下，土壤的蓄水蓄肥能力差異較大因而導(dǎo)致吸收利用率差異也較大。同時，未來我國中低產(chǎn)田改良和有機(jī)質(zhì)提升的主要做法就是增大有機(jī)肥的施用量。因此，在中、低產(chǎn)田地力水平下，適當(dāng)提高不同種植模式的養(yǎng)殖承載量，不僅能夠使農(nóng)田消納更多的牛養(yǎng)殖業(yè)糞（尿）廢棄物，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)循環(huán)和清潔生產(chǎn)，而且可以更好地改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，培肥地力，提高土地生產(chǎn)能力。

另一方面，本研究中土壤生產(chǎn)力水平、化肥替代比例以及養(yǎng)分吸收效率數(shù)據(jù)均采用區(qū)域內(nèi)以往的研究結(jié)果[26-27]，與區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)實(shí)際相吻合，所得出的結(jié)論與生產(chǎn)實(shí)際契合度較好；既能夠?yàn)榉N植戶發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)提供參考，也能為養(yǎng)殖戶發(fā)展種植業(yè)提供借鑒，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的以種定養(yǎng)，以養(yǎng)促種，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)循環(huán)發(fā)展，有利于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和銜接。

4 結(jié)論

本研究初步得出，在高產(chǎn)水平下，小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻種植模式的肉牛適宜承載量分別為9.6，9.6，6.4，6.1，6.4 頭 /hm2，奶牛適宜承載量分別為 4.8，4.8，3.2，3.1，3.2頭/hm2；在中產(chǎn)水平下，小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻種植模式的肉牛適宜承載量分別為16.3，16.3，10.7，11.3，11.3 頭 /hm2，奶牛適宜承載量分別為 8.2，8.2，5.3，5.6，5.6頭/hm2；在低產(chǎn)水平下，小麥/玉米、小麥/水稻、小麥/花生、小麥/大豆、油菜/水稻種植模式的肉牛適宜承載量分別為28.9，30.0，19.3，20.4，20.4 頭 /hm2，奶牛適宜承載量分別為 14.5，15.0，9.6，10.2，10.2 頭 /hm2。