內(nèi)陸干旱地區(qū)基于畜禽養(yǎng)殖量的種養(yǎng)循環(huán)實(shí)例研究

贠 超, 申為民, 宋成軍, 劉國濤, 黨 鵬, 李 忱

(1.安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 河南 安陽 455000； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站， 北京 100125)

2015年，我國畜禽養(yǎng)殖場(戶)1億多個(gè)，畜牧業(yè)產(chǎn)值達(dá)2.98萬億元，占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的27.8%。畜牧業(yè)的快速發(fā)展，在保證了不斷增長的畜產(chǎn)品需求的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖廢棄物。目前，全國畜禽糞污年產(chǎn)生量約38億噸。2010年《全國第一次污染源普查公報(bào)》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的化學(xué)需氧量達(dá)到1268.26萬噸，占農(nóng)業(yè)源排放總量的96%。總氮和總磷排放量為102.48萬噸和16.04萬噸，分別占農(nóng)業(yè)源排放總量的38%和56%。畜禽糞污成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議指出，加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，關(guān)系6億多農(nóng)村居民生產(chǎn)生活環(huán)境，關(guān)系農(nóng)村能源革命，關(guān)系能不能不斷改善土壤地力、治理好農(nóng)業(yè)面源污染，是一件利國利民利長遠(yuǎn)的大好事[1]。

對(duì)于農(nóng)作物而言，畜禽糞便含有豐富的養(yǎng)分資源，自古以來就被做為有機(jī)肥返還農(nóng)田[2]，將畜禽糞便為提高土壤肥力的主要原料。大規(guī)模的畜禽糞污，同時(shí)也是巨大的資源庫。農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)結(jié)合和循環(huán)利用是資源化、減量化、無害化和生態(tài)化解決畜禽養(yǎng)殖污染的根本途徑[3-4]。

2017年中央一號(hào)文件《關(guān)于深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動(dòng)能的若干意見》中，指出要推進(jìn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)，開展有機(jī)肥替代化肥試點(diǎn)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效。大力推行高效生態(tài)循環(huán)的種養(yǎng)模式，加快畜禽糞便集中處理，鼓勵(lì)各地加大農(nóng)作物秸稈綜合利用支持力度。

在美國、加拿大、法國、荷蘭等歐美發(fā)達(dá)國家，奶牛養(yǎng)殖普遍采用種養(yǎng)結(jié)合模式[5-6],根據(jù)環(huán)境氮、磷本底信息、區(qū)域主要收支途徑與強(qiáng)度、時(shí)空變化等特征,以流域?yàn)閱卧朴唽?shí)施氮、磷環(huán)境承載力是當(dāng)前歐美通用的面源污染防控方法[7]。通過科學(xué)測算區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境承載力，有利于優(yōu)化調(diào)整種植業(yè)畜牧業(yè)空間布局，實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)有機(jī)結(jié)合平衡發(fā)展[8]。

新疆吉木乃縣，位于新疆北部，屬于內(nèi)陸干旱地區(qū)，降雨量少，日照充足，蒸發(fā)量大，土地瘠薄，水是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)重要的限制性因素。畜牧業(yè)占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的55%，是農(nóng)業(yè)的主要組成部分。隨著畜牧業(yè)的集約化和規(guī)?；?，養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量糞便和污水成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題。為解決養(yǎng)殖帶來的環(huán)境問題，增加種植收益，減少農(nóng)田化肥和水的使用量，區(qū)域范圍內(nèi)的畜禽糞污種養(yǎng)循環(huán)是一種非?？尚械哪Ｊ?。規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)帶來的大量糞便和污水一方面為貧瘠的土壤提供了養(yǎng)分，降低了化肥使用量，改善了土壤，同時(shí)給干旱地區(qū)的作物帶來了急需的水分，這對(duì)我國西部干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)有著特別的意義。

本文以新疆吉木乃縣某農(nóng)牧企業(yè)為例，以小麥、苜蓿種植基地和牛羊養(yǎng)殖場為依托，以全氮和全磷為測算依據(jù)，探討該類型區(qū)域條件下的畜禽承載力和種養(yǎng)平衡，以期為該類型區(qū)域生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 項(xiàng)目區(qū)概況

該種養(yǎng)加結(jié)合的農(nóng)業(yè)園位于新疆北部吉木乃縣，地處亞歐大陸腹地，屬于北溫帶亞干旱氣候區(qū)，降雨量少，日照充足，蒸發(fā)量大。常年平均氣溫在4℃左右，無霜期140天，平均風(fēng)速5.5 m·s-1，年降水量200 mm左右。

項(xiàng)目實(shí)施區(qū)域位于托普鐵熱克鄉(xiāng)和恰勒什海鄉(xiāng)。兩個(gè)鄉(xiāng)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)均較為發(fā)達(dá)，牲畜存欄量50319頭(只)，占到全縣牲畜存欄量的24%，耕地面積為6.75萬畝，占到全縣耕地的46%。作為全縣的糧食和肉類主產(chǎn)鄉(xiāng)，具有種養(yǎng)循環(huán)模式的典型示范價(jià)值。

項(xiàng)目核心區(qū)面積為23383畝，主要在阿勒泰某有機(jī)面業(yè)有限公司的種植基地、加工廠、有機(jī)肥廠和協(xié)作養(yǎng)殖場內(nèi)。包括：種植基地23000畝，養(yǎng)殖場300畝，存欄肉牛1100頭、肉羊28800頭，面粉加工廠60畝，有機(jī)肥加工廠23畝。

根據(jù)吉木乃縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站土壤測試結(jié)果，土壤狀況見表1所示。

表1 項(xiàng)目區(qū)土壤數(shù)據(jù)

1.2 生態(tài)問題分析

1.2.1 農(nóng)副作物秸稈利用率低

項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為3萬余噸，但是對(duì)農(nóng)作物秸稈的飼料化、肥料化、基料化、燃料化等的綜合利用程度十分低下。

1.2.2 化肥和畜禽糞便污染嚴(yán)重

化肥使用量不斷增加，從上世紀(jì)90年農(nóng)田每畝地化肥使用量平均在35 kg左右, 增加到目前的45 kg左右。作物無法全部吸收，造成土壤和水體污染。集約化養(yǎng)殖場產(chǎn)生大量糞污，當(dāng)?shù)丨h(huán)境無法消納，引起水土和空氣污染。

1.2.3 水資源短缺與水污染并存

地表水多年平均年徑流量0.74億m3，地表水資源人均占有量1977 m3，是疆平均水平5321 m3的1/3，地表水資源利用率已經(jīng)達(dá)到80%以上，大大超出了60%的生態(tài)警戒線。農(nóng)、林、牧業(yè)用水高峰期供需矛盾十分突出，是制約吉木乃縣農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素之一。

1.3 種養(yǎng)平衡分析

1.3.1 分析方法

國外通常有2種方法來評(píng)價(jià)畜禽承載力：一種是根據(jù)土地提供畜禽飼料的能力，另一種是根據(jù)特定地理區(qū)域消納畜禽糞便的能力。為減少畜牧業(yè)帶來的環(huán)境污染，加之我國絕大多數(shù)畜牧場周圍沒有與之配套的農(nóng)田來提供畜禽飼料，而且不同區(qū)域提供的飼料會(huì)在全國范圍內(nèi)流通，所以本研究采用第2種評(píng)價(jià)方法[9]。

歐美等國家根據(jù)土地能夠消納的畜禽糞便氮或磷來確定畜禽糞便施用量。以氮為標(biāo)準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致農(nóng)用地磷素超標(biāo)，美國后期的養(yǎng)分管理計(jì)劃將主要以磷作為標(biāo)準(zhǔn)。所以本報(bào)告將分別以氮和磷為標(biāo)準(zhǔn)，采用單位農(nóng)用地承載畜禽糞便氮或磷的方法來確定承載的畜禽數(shù)量，在區(qū)域范圍內(nèi)形成農(nóng)牧良性循環(huán)，從而降低環(huán)境的污染。

1.3.2 畜禽承載力確定

本研究將分別以氮、磷為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)單位面積農(nóng)用地不同作物每季養(yǎng)分需要量(N)、畜禽糞便養(yǎng)分年可利用量(M)和有機(jī)肥利用率(k)來確定單位農(nóng)用地(有效耕地面積)承載的最大畜禽數(shù)量(Qmax)。由于多季的作物和蔬菜會(huì)在同一塊農(nóng)用地上耕種，所以計(jì)入各類作物的復(fù)種指數(shù)(A)。由于我國化肥用量較大，本方法考慮了有機(jī)肥的利用率，作物養(yǎng)分需要量的不足部分由化肥提供。

Qmax=k×N×A÷M

(1)

式中：Qmax為每公頃農(nóng)用地所能承載的最大畜禽數(shù)量，頭(只)·hm-2；N為每公頃第i種作物每季的養(yǎng)分需要量，kg·hm-2s-1；A為各地區(qū)的復(fù)種指數(shù)(每種類型作物的播種面積除以其占用耕地面積)；M為每頭每(只)畜禽糞便養(yǎng)分年產(chǎn)量，kg·a-1只-1；k為有機(jī)肥利用率，%。

1.3.3 畜禽糞便養(yǎng)分的確定

畜禽糞便養(yǎng)分由分式(2)可知：

M=365×Q×P×(1-L)

(2)

式中：M為每頭每(只)畜禽糞便養(yǎng)分年產(chǎn)量，kg·a-1只-1；Q為每頭存欄動(dòng)物日平均糞尿產(chǎn)量，kg·d-1只-1；P為糞尿養(yǎng)分百分含量，%；L為養(yǎng)分損失率，%。

1.3.4 養(yǎng)分需求量的確定

養(yǎng)分需求量的確定由公式(3)可知：

N=10×D×W

(3)

式中：D為作物單位重量經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量，kg·100 kg-1；W為每種作物的目標(biāo)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，t·hm-2。

首先測算養(yǎng)殖場各養(yǎng)殖品種單位糞便養(yǎng)分含量和農(nóng)作物單位面積產(chǎn)出物肥料養(yǎng)分消耗量。通過比較后得出單位面積各類養(yǎng)殖品種的承載量，即為單位面積畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖場牛羊糞便及養(yǎng)分產(chǎn)生量

養(yǎng)殖場存欄肉牛1100頭、肉羊28800頭。由于國家第1次農(nóng)業(yè)污染源普查中只有肉牛產(chǎn)排污系數(shù)，故肉羊折算成肉牛計(jì)算。1頭牛折算15只肉羊，肉羊折合肉牛當(dāng)量1920頭，養(yǎng)殖場合計(jì)折合肉牛3020頭。根據(jù)肉牛產(chǎn)污系數(shù)估算，整個(gè)養(yǎng)殖場糞便生產(chǎn)量為22509 噸，糞便全氮產(chǎn)量114.76 噸·年-1，全磷產(chǎn)量11.26 噸·年-1(見表2)。

表2 養(yǎng)殖場育肥肉牛糞便及養(yǎng)分產(chǎn)生量

2.2 養(yǎng)殖場糞便養(yǎng)分可供給量

該養(yǎng)殖場采用漏縫地板下刮糞板清理糞污。收集的牛羊糞污經(jīng)過固液分離后，糞運(yùn)送至堆肥廠進(jìn)行堆肥，廢水暫存于氧化儲(chǔ)液池，無害化處理作為液肥回用農(nóng)田。固液分離得到的液體中氮、磷養(yǎng)分含量占總含量的81%和86%[10]。糞便堆肥的氮和磷損失率為20%和5%[11-12]，氧化塘氮和磷的損失率為15%和5%[13-14]。養(yǎng)殖場最終的氮磷供給量為96.76噸·年-1和10.70噸·年-1。具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 糞便氮、磷供給量示意圖

2.3 種植作物品種的選擇及其養(yǎng)分需求量

新疆吉木乃縣，位于新疆北部，屬于北溫帶亞干旱氣候區(qū)。常年平均氣溫在4℃左右，無霜期140天，年降水量200mm左右，氣候寒冷干旱，可選擇作物的品種非常有限?？紤]到項(xiàng)目主體擁有小麥加工廠和牛羊養(yǎng)殖場，種植小麥或苜蓿最為適宜，當(dāng)?shù)匦←渾萎a(chǎn)在6 t·hm-2左右，苜蓿單產(chǎn)在11 t·hm-2左右。

不同作物有不同的單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量養(yǎng)分移走量和目標(biāo)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，由此帶來年單位面積的養(yǎng)分移走量也不同。如表3所示，小麥單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量氮的移走量為2.75 kg·100kg-1，磷為0.37 kg·100kg-1；紫花苜蓿單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量氮的移走量為3.00 kg·100kg-1，磷為0.60 kg·100kg-1。當(dāng)小麥每公頃目標(biāo)產(chǎn)量為6 t時(shí)，小麥每年氮和磷的移走量為165 kg·hm-2和22.20 kg·hm-2[12]；紫花苜蓿每公頃目標(biāo)產(chǎn)量為11 t時(shí)，苜蓿每年氮和磷的移走量為330 kg·hm-2和66 kg·hm-2[18]。單位面積苜蓿的磷的轉(zhuǎn)移量是小麥的3倍，氮的轉(zhuǎn)移量是小麥的2倍。

表3 每公頃作物每年的養(yǎng)分移走量

2.4 畜禽承載力

在用糞肥替代化肥時(shí)，用50%糞肥替代化肥，養(yǎng)分利用率較高。有利于作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，是較為合適的施用比例[18-19]。如表4所示，在目標(biāo)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量下，以氮為基礎(chǔ)，單位每公頃小麥可承2.57頭肉牛，每公頃紫花苜?？沙休d5.15頭肉牛，苜蓿的承載力是小麥的2倍；以磷為基礎(chǔ)，單位每公頃小麥可承3.10頭肉牛，每公頃紫花苜?？沙休d9.31頭肉牛，苜蓿的承載力是小麥的3倍。這表明單位面積的紫花苜蓿較小麥可以承載較多的畜禽量，這對(duì)有畜禽超載風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)有較大的生態(tài)意義。

表4 每公頃作物每季可承載的畜禽數(shù)量與需要匹配的農(nóng)田面積

養(yǎng)殖場有效的氮、磷供給量為96.76噸·年-1和10.70噸·年-1。在用50%糞肥替代化肥模式下，養(yǎng)殖場現(xiàn)有的養(yǎng)分供給量可滿足14612.90畝小麥磷的需求或17626.50畝小麥氮的需求，占農(nóng)場可種植面積的63.53%和76.64%。亦可滿足4865.74畝苜蓿磷的需求或8796.15畝氮的需求，占農(nóng)場可種植面積的21.16%和38.24%，這為養(yǎng)殖場擴(kuò)大規(guī)模提供了較大的生態(tài)空間。

本項(xiàng)目實(shí)施單位擁有23000畝的種植基地，無論種植小麥還是紫花苜蓿都可以承載養(yǎng)殖場所有牛羊產(chǎn)生的糞污?？筛鶕?jù)實(shí)際需要安排小麥和苜蓿的種植面積，也可根據(jù)承載量適度擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模。

3 生態(tài)循環(huán)模式設(shè)計(jì)

項(xiàng)目主要針對(duì)公司種植基地產(chǎn)生的麥稈、紫花苜蓿，養(yǎng)殖場產(chǎn)生的畜禽糞便，采用種養(yǎng)結(jié)合方式，通過秸稈飼料化、糞污肥料化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田地力提升、化肥減量、農(nóng)牧循環(huán)的目標(biāo)。

技術(shù)模式如圖2所示：1)收集養(yǎng)殖場糞污,進(jìn)行固液分離后，固體進(jìn)行堆肥生產(chǎn)有固體有機(jī)肥，液體進(jìn)入氧化塘后生產(chǎn)液體有機(jī)肥，用于項(xiàng)目自有種植基地，固體糞肥只做基肥，液體肥料只做追肥；2)種植基地根據(jù)需要種植小麥和苜蓿；3)小麥進(jìn)入加工廠，苜蓿收集待用；4)收集加工廠的不完善粒、麩皮等農(nóng)副產(chǎn)品和秸稈等廢棄物，用于制作秸稈微貯飼料和日混料，苜蓿晾干后生產(chǎn)苜蓿草料，用于牛羊養(yǎng)殖。

圖2 項(xiàng)目區(qū)域循環(huán)農(nóng)業(yè)示范模式示意圖

4 結(jié)論

4.1 畜禽糞便氮、磷含量

養(yǎng)殖場肉牛1100頭、肉羊28800頭，糞尿生產(chǎn)量為22509 t，全氮產(chǎn)量114.76 t·年-1，全磷產(chǎn)量11.26 t·年-1，減去收集運(yùn)輸過程中的損失，養(yǎng)殖場最終的氮磷供給量為96.76 t·年-1和10.70 t·年-1。

4.2 畜禽承載力

在50%糞肥替代化肥模式下，養(yǎng)殖場現(xiàn)有的養(yǎng)分供給量可滿足14612.90畝小麥磷的需求或17626.50畝小麥氮的需求，占農(nóng)場可種植面積的63.53%和76.64%；亦可滿足4865.74畝苜蓿磷的需求或8796.15畝苜蓿氮的需求,占農(nóng)場可種植面積的21.16%和38.24%。無論種植小麥還是紫花苜蓿，23000畝的種植基地都可以承載養(yǎng)殖場牛羊產(chǎn)生的全部糞污，可根據(jù)實(shí)際需要安排小麥和苜蓿的種植面積，也可根據(jù)承載量適度擴(kuò)大養(yǎng)殖。

4.3 生態(tài)循環(huán)模式

技術(shù)模式如下： 1)收集養(yǎng)殖場糞污,進(jìn)行固液分離后，固體進(jìn)行堆肥生產(chǎn)有固體有機(jī)肥，液體進(jìn)入氧化塘后生產(chǎn)液體有機(jī)肥，用于項(xiàng)目自有種植基地，固體糞肥只做基肥，液體肥料只做追肥； 2)種植基地根據(jù)需要種植小麥和苜蓿； 3)小麥進(jìn)入加工廠，苜蓿收集待用； 4)收集加工廠的不完善粒、麩皮等農(nóng)副產(chǎn)品和秸稈等廢棄物，用于制作秸稈微貯飼料和日混料，苜蓿晾干后生產(chǎn)苜蓿草料，用于牛羊養(yǎng)殖。以期實(shí)現(xiàn)污染減少、地力提升、化肥減量、農(nóng)牧循環(huán)的目標(biāo)。

5 討論

5.1 糞便養(yǎng)分產(chǎn)量對(duì)畜禽承載力的影響

糞便的收集、處理、貯存和運(yùn)輸方式是影響糞便養(yǎng)分供給量的重要因素。氮、磷在不同糞便處理和貯存方式下的損失率為 15%～85%和10%～85%[9]，使耕地承載力隨之發(fā)生變化。本文為了方便計(jì)算，僅計(jì)算了糞便在堆肥和氧化塘氮中氮磷的損失，并未計(jì)算養(yǎng)分在收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)冗^程中的損失。實(shí)際操作過程中，這部分損失可能較大，耕地實(shí)際的畜禽承載力應(yīng)該會(huì)比理論結(jié)果大[17]。同時(shí)也意味著我們在糞尿的收集、處理、貯存和運(yùn)輸過程中有很多需要改善的地方。

5.2 不同類型作物對(duì)畜禽承載力的影響

蔬菜地的畜禽承載力最大，大田作物地次之，園地承載力最小。所以不同地區(qū)可以根據(jù)調(diào)整當(dāng)?shù)氐姆N植結(jié)構(gòu)來增大區(qū)域范圍內(nèi)的畜禽承載力，使農(nóng)田能夠最大限度地消納當(dāng)?shù)氐男笄菁S便，減少環(huán)境污染[9]。該種植基地所種植的苜蓿是一種經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高、養(yǎng)分含量高的優(yōu)質(zhì)牧草。苜蓿對(duì)土壤養(yǎng)分需求量高，可承載較多的畜禽。目前國內(nèi)很多養(yǎng)殖量大的地方都面臨畜禽超載的風(fēng)險(xiǎn)，苜蓿在種養(yǎng)循環(huán)鏈條中具有較高的生態(tài)價(jià)值，可作為一種緩解該風(fēng)險(xiǎn)的作物進(jìn)行種植。