商洛市畜禽糞污排泄量及其替代化肥潛力研究

王忙生，張 雁，張雙奇，楊 雷

(1.商洛學(xué)院, 陜西 商洛 726000；2.商洛市畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心, 陜西 商洛 726000)

依據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒——2016》[1],中國(guó)2000-2015 年的化肥施用量年均增長(zhǎng)率達(dá)3.08%；2015 年, 中國(guó)的農(nóng)業(yè)化肥施用量為6.06×107t, 是全球農(nóng)業(yè)化肥投入總量的30.97%, 居首位?；蕿樘岣咧袊?guó)糧食及其他作物產(chǎn)量做出了貢獻(xiàn)，但帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題十分嚴(yán)重，且是農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因[2]。劉欽普[3]通過(guò)評(píng)估全國(guó)區(qū)域化肥施用及其風(fēng)險(xiǎn)后認(rèn)為，目前中國(guó)農(nóng)田化肥使用量平均達(dá)到480 kg·hm-2, 大多數(shù)省區(qū)農(nóng)田化肥投入過(guò)量。房珊琪等[4]特別研究了南水北調(diào)水源保護(hù)地化肥施用情況，認(rèn)為2002-2014 年水源地化肥施用明顯過(guò)量且逐年增加，凈增214.44 kg·hm-2，年平均增長(zhǎng)率為3.03%，水源地化肥施用強(qiáng)度是發(fā)達(dá)國(guó)家化肥施用安全標(biāo)準(zhǔn)上線的2.74 倍，是全國(guó)化肥施用強(qiáng)度平均值的1.50倍，是我國(guó)生態(tài)縣建設(shè)化肥施用負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)的2.47倍。唐肖陽(yáng)等[5]研究認(rèn)為，漢江流域農(nóng)業(yè)面源污染TN等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的污染源是農(nóng)田化肥，TP等標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖。為了扼制化肥的超量增長(zhǎng)，促進(jìn)畜禽糞污等有機(jī)肥的施用，農(nóng)業(yè)部于2015年3月份頒布了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》(下稱《零增長(zhǎng)方案》)[6]，國(guó)務(wù)院辦公廳制定了《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)》(下簡(jiǎn)稱《利用意見(jiàn)》)[7]等一系列文件。因此，研究畜禽糞污排放量及其對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)、探討畜禽糞肥替代化肥施用、估算畜禽養(yǎng)殖合理承載力等已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一[8-11]。

商洛市地處秦嶺山區(qū)的東南部腹地，區(qū)域面積19 292 km2, 四季分明，年降雨量平均900 mm，屬半濕潤(rùn)山地氣候，耕地約占區(qū)域面積的10%。發(fā)源于商洛市商州區(qū)西部秦嶺南麓的丹江, 流經(jīng)商洛市至丹江口水庫(kù)中線陶岔渠首的直線距離也只有400 km左右(還有部分支流又匯入漢江)。另外發(fā)源于該市洛南縣的洛河也是黃河的重要支流之一。因此，商洛市是長(zhǎng)江、黃河兩大水系重要的水源保護(hù)地，區(qū)域地理位置特殊, 肩負(fù)著重要的環(huán)保責(zé)任。

一直以來(lái)，商洛市是陜西養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的重要基地之一，蛋肉雞以及牛羊等養(yǎng)殖也占有重要的地位。但是，該地畜禽糞污的污染風(fēng)險(xiǎn)以及種養(yǎng)結(jié)合等方面的研究較少[12]，特別是評(píng)估當(dāng)?shù)匦笄菁S肥替代化肥施用的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究擬以商洛市轄一區(qū)六縣2016年畜禽養(yǎng)殖基本數(shù)據(jù)，采用畜禽糞便排泄系數(shù)法，估算各區(qū)縣的畜禽糞污產(chǎn)量及其耕地負(fù)荷，同時(shí)，測(cè)算當(dāng)?shù)馗鲄^(qū)縣作物產(chǎn)量及其養(yǎng)分需求，比較分析畜禽糞肥替代當(dāng)?shù)鼗适┯昧康臐摿?，為促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和建議。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

1.1.1 商洛市各區(qū)縣2016年畜禽養(yǎng)殖量及數(shù)據(jù)處理 由“農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，可獲得中商洛市2016年度的養(yǎng)殖業(yè)的基本數(shù)據(jù)。同時(shí)，按照100頭豬相當(dāng)于30頭牛、250頭羊、2 500只家禽的當(dāng)量換算各區(qū)縣的畜禽存欄豬當(dāng)量數(shù)[13]。

1.1.2 商洛市2016年各區(qū)縣種植業(yè)產(chǎn)量與相關(guān)數(shù)據(jù)處理 依據(jù)《商洛統(tǒng)計(jì)年鑒-2017》[14]，可獲得各區(qū)縣2016年的主要農(nóng)作物與其他經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量及其播種面積。全市2016年初總耕地面積為195 167.4 hm2，全年總播種面積為461 620.7 hm2。商洛市的主要農(nóng)作物是冬小麥、玉米和馬鈴薯，另外，還包括核桃、板栗、中草藥等經(jīng)濟(jì)作物，近幾年的蔬菜種植(包括設(shè)施蔬菜種植)也有較大種植。為了便于分析核算，將夏季少量的豆類與秋季豆類合并、將夏季油料(油菜籽)和秋季油料(花生、芝麻、葵花籽)合并；核桃、板栗等選擇當(dāng)年采摘面積。

1.1.3 商洛市各區(qū)縣耕地面積及化肥施用量 《商洛統(tǒng)計(jì)年鑒-2017》統(tǒng)計(jì)，全市2016年共施用各類農(nóng)用化肥178 724 t，其中氮、磷、鉀及復(fù)合肥分別為98 932、13 650、7 155、5 8987 t。表1匯集了各區(qū)縣耕地面積及各類化肥施用的折純量。全市化肥施用總折純?yōu)?9 555 t，在施肥總量和類別上各區(qū)縣間有一定的差別。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽糞便排泄的氮磷鉀養(yǎng)分估算方法 總結(jié)多人[15～18]研究結(jié)果，可以用下列公式估算畜禽糞便排泄的氮磷鉀養(yǎng)分量。

Pix= ∑Mi· Ri·Six

(1)

式中, Pix為i畜禽年度糞污x養(yǎng)分量, t·a-1，x分別表示氮、磷、鉀；Mi為i畜禽年度養(yǎng)殖數(shù), head·a-1；Ri為i畜禽飼養(yǎng)期內(nèi)畜禽糞尿排泄量, t·head-1；Six分別為i畜禽糞污的氮磷鉀含量, g·kg-1。

程波[16]針對(duì)北方地區(qū)養(yǎng)殖糞污經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單堆漚的處理實(shí)際，匯總了各類畜禽糞污的飼養(yǎng)期及其排放量；白明剛[18]核算了羊的飼養(yǎng)期糞污排放量；賈偉等[19]在匯集北京53個(gè)不同畜禽場(chǎng)糞便實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了各畜禽固體糞便的氮磷鉀平均含量。選擇上述估算方法與參數(shù)(詳見(jiàn)表2)，是因?yàn)楫?dāng)前商洛市畜禽糞便的處理和施用方式與上述研究背景基本一致。

表1 2016年商洛市各區(qū)縣耕地面積與化肥施用折純量

表2 畜禽糞污排泄量及其各養(yǎng)分供給含量

基于商洛市畜禽養(yǎng)殖實(shí)踐, 牛(主要是黃牛)和羊(主要是山羊)的養(yǎng)殖周期均超過(guò)了1 a, 蛋雞多實(shí)行全進(jìn)全出制養(yǎng)殖方式, 一般超過(guò)72周齡, 所以牛、羊、蛋雞都以年末存欄量為估算基準(zhǔn), 并以365日為飼養(yǎng)周期。肉雞也多實(shí)行全進(jìn)全出養(yǎng)殖方式, 養(yǎng)殖周期為55日齡, 以當(dāng)年出欄數(shù)為準(zhǔn)。兼用型的雞養(yǎng)殖時(shí)間或多半年或超過(guò)1年, 估算時(shí)用當(dāng)年出欄數(shù)與年末存欄數(shù)的平均值, 且列入蛋雞合并估算。商洛地區(qū)目前育肥豬養(yǎng)殖周期為180日齡，母豬一般養(yǎng)殖時(shí)間都在兩年左右, 應(yīng)選365日作為估算基礎(chǔ), 而母豬養(yǎng)殖數(shù)量可以按照我國(guó)目前每頭母豬能夠育肥出欄14頭仔豬(各地有所不同)的標(biāo)準(zhǔn)折算。各類畜禽飼養(yǎng)期及其糞便排泄量、糞便中氮磷鉀養(yǎng)分含量等一并列入表2。

1.2.2 作物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的估算以及相關(guān)估算系數(shù)選擇 基于營(yíng)養(yǎng)平衡理論，作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要量和吸收效率與當(dāng)?shù)赝寥婪柿?、施肥種類和數(shù)量等有關(guān)。通過(guò)主要農(nóng)作物和其他種植產(chǎn)品產(chǎn)量可以估算出當(dāng)?shù)胤N植業(yè)需要的養(yǎng)分總量，估算公式如下。

Zix= ∑Mij·djx

(2)

公式(2)中，Zix為 i區(qū)域作物養(yǎng)分需要量，kg·a-1, x分別表示氮、磷、鉀；Mij為i區(qū)域j作物和其他種植產(chǎn)品的產(chǎn)量，kg·a-1；djx為j作物或其他種種植產(chǎn)品100 kg產(chǎn)量需要吸收氮磷鉀養(yǎng)分量, kg(見(jiàn)表3)。

2 結(jié)果與分析

據(jù)公式(1)、表2，結(jié)合商洛市各區(qū)縣2016年畜禽養(yǎng)殖量，可估算出當(dāng)年畜禽糞便排泄量與糞肥的氮、磷、鉀養(yǎng)分量及其折純量。全市2016年畜禽糞污的氮磷鉀養(yǎng)分量分別為10 281.70、5 646.08、5 014.64 t，其折純?yōu)?0 942.42 t, (見(jiàn)表4)。

據(jù)公式(2)、表3，結(jié)合商洛市各區(qū)縣的農(nóng)作物和其他種植產(chǎn)品產(chǎn)量情況，可估算出各區(qū)縣范圍種植主要農(nóng)作物和其他種植產(chǎn)品的氮磷鉀養(yǎng)分總需求量(表4)。2016年全市作物總氮磷鉀需要量分別為23 281、3 962、20 000 t，需求比例為1∶0.17∶0.86。由于當(dāng)?shù)亓止姆N植面積較大、產(chǎn)量較高是造成鉀肥需求較大的原因之一；而磷的需求不大，也說(shuō)明糧食與油料作物產(chǎn)量較低。

表3 各種作物吸收氮磷鉀的系數(shù) (kg·10kg-1)

注：1)單位：kg·100 kg-1。2)氮素(N)指總氮；磷素(P)指P2O5；鉀素(K)指K2O，下同。

表4 商洛市2016年各區(qū)縣作物養(yǎng)分需求量與施肥比較

注：**該組數(shù)據(jù)是將各區(qū)縣的復(fù)合肥按照氮磷鉀1∶ 1∶ 1比例折算[24]，然后與表2的氮磷鉀肥量合并而得。

2.1 商洛市2016年各區(qū)縣化肥施用效率及其特點(diǎn)

據(jù)瞿曉蒼[25]研究，商洛市2014年化肥施用量為5.8×104t，單位面耕地化肥施用量從2000年的213 kg·hm-2增加到2014年的355.5 kg·hm-2，有機(jī)肥施用耕地面積從2000年的30.6%下降到2014年的19.8%。通過(guò)表1、表4可算出2016年商州、洛南、丹鳳、商南、山陽(yáng)、鎮(zhèn)安和柞水縣的單位耕地化肥施用量，其結(jié)果分別為：335.7、395.0、232.3、253.7、241.0、308.8 kg·hm-2和306.6 kg·hm-2，全市加權(quán)平均305.1 kg·hm-2，雖略有降低，但仍處于較高的水平。按照國(guó)家環(huán)保局規(guī)定的中國(guó)生態(tài)文明市建設(shè)要求的化肥施用250 kg·hm-2標(biāo)準(zhǔn)衡量，全市只有丹鳳縣、商南縣、山陽(yáng)縣與標(biāo)準(zhǔn)基本持平，其他各區(qū)縣都遠(yuǎn)超過(guò)了該規(guī)定。對(duì)比全國(guó)化肥氮磷鉀的1∶0.49∶ 42施用比例，商洛市化肥氮磷鉀施用比例為1∶0.32∶0.38，說(shuō)明該市施用的氮肥占較大比例(氮的施用量占58.8%)，且與該市作物氮磷鉀1∶0.17∶0.86的需求比較也極不平衡，特別是鉀肥的施用比例偏低。

王偉妮等[26]研究的施肥對(duì)水稻、小麥、油菜和棉花產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為29.6%、48.6%、56.2%和38.0%，平均貢獻(xiàn)率為43.1%；石元亮等[27]認(rèn)為，我國(guó)化肥對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為40.8%；王祖力等[28]研究化肥對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)56.81%。商洛市2014年度小麥和玉米的氮磷鉀化肥利用率平均是21.2%、18.2%和33.1%，加權(quán)平均大約是24.3%[24]。同作物氮磷鉀實(shí)際需求相比較，較大的化肥供給量與實(shí)際較低的利用率說(shuō)明商洛市化肥施用浪費(fèi)嚴(yán)重，當(dāng)然也就造成潛在的環(huán)境問(wèn)題。商洛市地形地貌復(fù)雜、山坡地多、土壤肥力以及種植與施肥方法等，可能是商洛市化肥利用率不高的主要因素。

2.2 商洛市2016年畜禽糞肥替代化肥的潛力分析

經(jīng)該計(jì)算，全市2016年各類畜禽存欄量為293.1×104頭豬當(dāng)量，產(chǎn)生糞污量為129.4×104t。表4顯示，商洛市2016年畜禽糞肥(折純)為20 942.42 t，氮磷鉀的比例為1∶ 0.55∶ 049，可替代化肥的比例是35.2%，其中氮磷鉀的替代比分別是29.3%、50.0%和38.1%，但各區(qū)縣實(shí)際替代比例不平衡。商南縣的氮磷鉀的替代比例分別達(dá)到了86.2%、209.2%、143.2%；丹鳳縣也基本達(dá)到了較高的狀態(tài)；其他區(qū)縣則相對(duì)較低，特別是氮的施用替代比例較低，而磷的替代潛力相對(duì)較大。

Liang等[29]用50%有機(jī)肥和50%的無(wú)機(jī)肥的配制比例施用于煙草種植，結(jié)構(gòu)煙草的產(chǎn)量和一級(jí)質(zhì)量的煙草比例都得到提高。劉海濤等[30]研究認(rèn)為，用有機(jī)肥替代化肥不僅可以增加土壤肥力，而且可以顯著減少農(nóng)田溫室氣體的排放。周玉琴等[31]研究表明在秸稈還田的同時(shí)，施用適量的有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥，可以提高小麥前期、中期營(yíng)養(yǎng)需要，以及中后期的生殖生長(zhǎng)階段的需肥量。謝軍等[32]研究表明，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮時(shí)，能顯著提高玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，可以促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收和向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了氮的利用效率。劉紅江等[33]采取不同的無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥比例，用武運(yùn)粳29 號(hào)水稻種植試驗(yàn)，結(jié)果表明用50%有機(jī)肥替代化肥的水稻產(chǎn)量最高、且氮的轉(zhuǎn)化率最好。

基于上述研究結(jié)論和表4數(shù)據(jù)，假如商洛市的作物產(chǎn)量不變，化肥種類與施用方式不變，若把化肥的施用量減到國(guó)家要求平均水平(250 kg·hm-2)，那么全市化肥施用量(折純)將降低到48 792 t。如果把減少的化肥量作為糞肥，并與現(xiàn)有糞肥量(折純)合計(jì)，那么糞肥將增加到31 709.42 t，此時(shí)，糞肥替代化肥的比例將達(dá)到65%。

與此同時(shí)，若按65%替代率的假設(shè)，在當(dāng)前養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不變的情況下，商洛市需要增加的畜禽存欄數(shù)為150.7萬(wàn)頭豬當(dāng)量，全市養(yǎng)殖存欄規(guī)模將達(dá)到443.8萬(wàn)頭豬當(dāng)量，而全市平均豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷也將為9.45 t·hm-2，仍然在安全范圍[34]。該假設(shè)過(guò)程進(jìn)一步說(shuō)明畜禽糞肥替代化肥的潛力較大且有較為安全的空間。當(dāng)然，各區(qū)縣的養(yǎng)殖規(guī)模是不平衡的，表7的糞肥產(chǎn)生量也顯示，應(yīng)當(dāng)在商州、洛南、鎮(zhèn)安、柞水山陽(yáng)等縣區(qū)增加一定養(yǎng)殖量，穩(wěn)定丹鳳縣養(yǎng)殖規(guī)模，同時(shí)要減少商南縣養(yǎng)殖規(guī)模。

3 討論

3.1 畜禽糞肥替代化肥的有限性

《零增長(zhǎng)方案》已經(jīng)為減少化肥的施用提出了基本方針和計(jì)劃，但要大幅度地降低化肥施用卻受許多因素限制。麻坤和刁鋼[35]在研究化肥對(duì)我國(guó)糧食的貢獻(xiàn)率后認(rèn)為，雖然在大量化肥施用的情況下，化肥增長(zhǎng)對(duì)糧食增產(chǎn)效果已經(jīng)在減弱，但由于化肥施用量彈性系數(shù)值較高，并且大于其他要素，表明化肥的增產(chǎn)效力尚不可替代。盡管我國(guó)化肥的實(shí)際施用量大[1-3]，且利用率較低[36]，而畜禽糞肥利用率(60%)較高[11]，但即使用全部畜禽糞肥也不能夠全部替代化肥。如2014年全國(guó)畜禽產(chǎn)生糞尿可替代氮磷鉀化肥潛力總和為3 162.44萬(wàn)t，也僅占化肥實(shí)際投入量的52.74%，其中畜禽糞肥替代氮磷鉀肥的比例分別為38.30%、52.00%、86.77%[11]。商洛市的化肥施用強(qiáng)度高于全國(guó)水平，但就商洛市目前養(yǎng)殖的規(guī)模而言，畜禽糞肥施用尚不能大幅度替代化肥的施用。

3.2 控制化肥施用與加大畜禽糞肥施用量的措施

基于上述分析，在保障當(dāng)前作物產(chǎn)量和其他種植產(chǎn)量的情況下，要實(shí)行化肥的有序減少和畜禽糞肥分類施用相結(jié)合的原則。首先應(yīng)設(shè)定化肥施用遞減計(jì)劃，比如按照前文估算，商洛市2016年化肥施用量305.1 kg·hm-2，如每年減少1 000 t, 那么10年后即可達(dá)到250 kg·hm-2標(biāo)準(zhǔn)。其次，依據(jù)《利用意見(jiàn)》要求，切實(shí)加強(qiáng)畜禽糞污的資源化利用，提高畜禽糞肥的施用面積和施用頻度，另外，擴(kuò)大當(dāng)?shù)亓止麡I(yè)、蔬菜以及中草藥的畜禽糞肥的施用量。其三，要有針對(duì)性進(jìn)行糞肥替代化肥，調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)，推廣先進(jìn)的施肥技術(shù)，做到缺什么補(bǔ)什么，施用畜禽糞有利于提高當(dāng)?shù)赝寥懒姿匦枨蠛陀袡C(jī)質(zhì)含量，同時(shí)，適當(dāng)增加鉀肥的供給比例。其四，重點(diǎn)提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生產(chǎn)水平，以糧食和油料為主，兼顧林果等，增加對(duì)糞肥的需求量，為“種養(yǎng)結(jié)合”的可持續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)。