甘肅省天水市畜禽糞肥資源現(xiàn)狀及替代化肥潛力研究

摘要：綜合考慮農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、種植面積及畜禽糞污處理方式等因素，估算了天水市各縣區(qū)糞污養(yǎng)分資源現(xiàn)狀及其替代化肥的潛力。結(jié)果表明，天水市畜禽糞污中氮、磷養(yǎng)分分別為22565.0lt和3384.75t，且各縣區(qū)畜禽糞污氮和磷供給量均未超過作物需求量;當(dāng)前天水市大部分養(yǎng)殖場(chǎng)固體糞污儲(chǔ)藏堆放還田，液體糞污直接還田，在這種糞污處理方式下，氮、磷的有效供給量分別占作物氮、磷需求量的10.49%和6.72%，表明天水市有足夠的耕地消納畜禽糞污;研究還發(fā)現(xiàn)：在固體糞污加工為商品有機(jī)肥，液體糞污沼氣處理的方式下，糞肥養(yǎng)分損失率最低;各縣區(qū)氮養(yǎng)分的替代率高于磷養(yǎng)分替代率;我市糞肥替代化肥潛力較大，應(yīng)提高糞污資源化利用水平。研究結(jié)果可為天水市畜禽糞污資源化利用和確定養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)模提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：畜禽糞污;氮（磷）養(yǎng)分;替代化肥潛力;天水市

隨著集約化飼養(yǎng)程度的不斷提高，畜禽養(yǎng)殖廢棄物已成為影響我國環(huán)境質(zhì)量的重要污染之一^[1]，加之城鎮(zhèn)化擴(kuò)張、畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖等使得土地對(duì)畜禽糞污的消納能力降低、消納成本增加，我國農(nóng)村一些村、鎮(zhèn)本地的畜禽糞污產(chǎn)生量已經(jīng)大大超出當(dāng)?shù)剞r(nóng)田可承載的最大負(fù)荷^[2]。畜禽糞污中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種良好的可再生有機(jī)資源，但局部區(qū)域施用的畜禽糞污如果超出農(nóng)田消納容量，則會(huì)導(dǎo)致包括溫室氣體排放、污染水體以及土壤質(zhì)量退化等問題^[2-3]。

農(nóng)牧結(jié)合是畜禽養(yǎng)殖污染治理與控制最重要和最有效的措施之一^[1]，這不僅能緩解畜禽糞污的環(huán)境污染壓力，而且能減少化肥施用量，減少農(nóng)業(yè)面源污染，增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤肥力，形成農(nóng)業(yè)循環(huán)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的“雙贏”。此外，肥料替代還可以降低生產(chǎn)成本，改善作物品質(zhì)，增加農(nóng)業(yè)收入，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益^[4]。在不同的畜禽糞污處理方式下，糞污中的氮、磷養(yǎng)分含量有差異^[I，5-7]。然而許多研究主要從畜禽糞污量、畜禽糞污氮磷養(yǎng)分、農(nóng)田氮磷負(fù)荷及超負(fù)荷對(duì)環(huán)境威脅評(píng)價(jià)等方面做了深入探討，但對(duì)于不同方式處理畜禽糞污有效還田氮磷養(yǎng)分和糞肥替代化肥氮磷養(yǎng)分的潛力研究較少^[8]。

為此本文以天水市各縣區(qū)為基本單元，在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合主要作物種類、播種面積以及畜禽糞污處理方式等因素，利用豬當(dāng)量計(jì)算畜禽糞污中氮磷總量，定量估計(jì)畜禽糞污氮、磷的有效供給及替代化肥的潛力，為“2020年化肥零增長目標(biāo)”提供科學(xué)依據(jù)，為天水市畜禽糞污資源化利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1研究地區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

天水市位于甘肅省東南部，屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，是著名的蔬菜水果生產(chǎn)之鄉(xiāng)和畜牧養(yǎng)殖基地。2017年天水市農(nóng)作物播種面積為463946.67hm²，主要種植小麥、玉米、薯類、蔬菜和水果等。近年來，天水市畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，促進(jìn)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收。2017年生豬存欄量和出欄量達(dá)到了70.24萬頭、84.01萬頭;肉牛存欄量為31.71萬頭;羊存欄量和出欄量分別為31.6萬只、16.29萬只;蛋雞存欄量為131.45萬只;肉雞出欄量為335.31萬只。天水市地跨長江、黃河兩大流域，如果畜禽糞污處理不當(dāng)，容易造成水污染，影響人畜的飲水安全。

1.2總氮（總磷）產(chǎn)生量計(jì)算

本文以豬當(dāng)量為單位來計(jì)算總氮、總磷的產(chǎn)生量。豬當(dāng)量指用于衡量畜禽氮（轔）排泄量的度量單位，1頭豬為1個(gè)豬當(dāng)量。1個(gè)豬當(dāng)量的氮排泄量為11kg，磷排泄量為1.65kg。按存欄量折算：100頭豬相當(dāng)于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2500只家禽。生豬、奶牛、肉牛固體糞污中氮素占氮排泄總量的50%，磷素占磷排泄總量的80%;羊、家禽固體糞污中氮（磷）素占氮（磷）排泄總量100%。天水市畜禽養(yǎng)殖業(yè)以豬、肉牛、羊、肉雞和蛋雞為主，其他畜禽飼養(yǎng)數(shù)量極少。因此，在計(jì)算總氮（總磷）產(chǎn)生量時(shí)僅考慮豬、肉牛、羊、肉雞和蛋雞五種畜禽。

1.3主要作物養(yǎng)分需求量計(jì)算

主要作物氮（磷）需求量計(jì)算公式如下：

式（1）中，F(xiàn)_jk為j地區(qū)第k種作物的氮（磷）總需求量，kg;D_jk為j地區(qū)第k種作物的播種面積，hm²;E.。為j地區(qū)第k種作物單位面積氮（磷）需求

量，kg/hm²;j為縣區(qū)數(shù)，j=l，2，…，m;k為作物種類，k=l，2，…，n。

天水市的種植作物主要包括小麥、玉米、薯類、油料、蔬菜及瓜果等，播種面積占總播種面積的90%以上。部分作物的養(yǎng)分需求參數(shù)難以獲取，因此選取小麥、玉米、馬鈴薯、胡麻及水果作為消納畜禽糞污的場(chǎng)所，參考相關(guān)資料^[2，5.9-10]，確定單位面積作物養(yǎng)分需求量參數(shù)，見表1。

1.4糞肥替代化肥氮（磷）養(yǎng)分的潛力分析

糞污處理方式顯著影響著可用于農(nóng)田的養(yǎng)分含量^[1，5-7]。根據(jù)固體糞污和液體糞瀉的處理工藝和去向，將糞污處理方式分為三種，見表2。

根據(jù)不同處理方式下氮（磷）有效供給量的差異，計(jì)算天水市各縣區(qū)糞肥替代化肥潛力的計(jì)算公式為

式（1）（2）中，P_j.B、P_j.C分別為第二種和第三種畜禽糞污處理方式下j地區(qū)糞肥替代化肥的有效潛力，t;E_j.A、E_j.B、E_j.C分別為第一種、第二種和第三種畜禽糞污處理方式下j地區(qū)糞肥供應(yīng)氮（磷）的量，t。

糞污處理方式顯著影響著可用于農(nóng)田的養(yǎng)分含量^{[1，5-7]}，不同糞肥處理工藝中的氮（磷）養(yǎng)分損失比例見表3。

2結(jié)果與分析

2.1畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀及糞肥資源現(xiàn)狀

天水市肉羊、肉牛的養(yǎng)殖主要分布在少數(shù)民族自治縣——張家川縣，僅張家川縣肉羊的存欄量占天水市肉羊存欄總量的38.86%，肉牛比重為35.62%;蛋雞養(yǎng)殖主要分布在清水縣、秦安縣、麥積區(qū)，三個(gè)地區(qū)禽蛋產(chǎn)量所占我市禽蛋總產(chǎn)量的比重均為20%左右，三地區(qū)比重總和超過50%;生豬養(yǎng)殖主要分布在甘谷縣、秦安縣和武山縣，三個(gè)縣存欄量比重總和占天水市生豬總存欄量的62.17%，見表4。

為了得到接近實(shí)際的豬糞污資源量計(jì)算結(jié)果，依據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中的西北區(qū)豬產(chǎn)排污系數(shù)和豬群結(jié)構(gòu)確定豬的糞尿量為4.17kg/d。由表5可知，2017年天水市畜禽糞污總量為153.98萬工，其中，清水縣和張家川縣分布較多，糞污產(chǎn)生量多達(dá)30萬工左右，分別占天水市畜禽糞污總量的17.56%

和22.08%，張家川縣肉牛肉羊的養(yǎng)殖數(shù)量占比均將近40%，加之肉牛的產(chǎn)排污系數(shù)最高，每天產(chǎn)糞尿量為20.42kg，肉羊的產(chǎn)排污系數(shù)位居第三，為每天0.87kg，因此，產(chǎn)生的畜禽糞污量最高;兩區(qū)五縣中，清水縣五種畜禽的養(yǎng)殖數(shù)量均位居前列，是天水市第一養(yǎng)殖大縣，畜禽糞污總量相對(duì)較高;武山縣最少，僅有16.16萬工，占總量的10.50%，武山縣畜禽飼養(yǎng)量相對(duì)較低，產(chǎn)排污最高的肉牛僅飼養(yǎng)了1萬多頭。天水市畜禽糞污氮、磷的產(chǎn)生量分別是22565.0lt和3384.75t，其中，清水縣、甘谷縣和張家川縣總氮的產(chǎn)生量超過了3000t，除了武山縣和秦州區(qū)外，其他五個(gè)縣區(qū)總磷的產(chǎn)生量達(dá)到了400t以上。以上表明，各縣區(qū)畜禽結(jié)構(gòu)及畜禽種類影響著畜禽糞污產(chǎn)生量以及糞污中氮磷養(yǎng)分含量。

根據(jù)2017年天水市主要作物的播種面積和各作物養(yǎng)分的需求量，計(jì)算出各縣區(qū)氮、磷的需求量。天水市農(nóng)作物氮、磷的需求量分別為77434.20t和21667.72t;除了張家川縣外，其余四個(gè)縣區(qū)作物磷的需求量均超過了10000t;在不施用化肥及秸稈還田的情況下，天水市畜禽糞污氮、磷供給量與作物氮、磷需求量相差甚多，其中氮的供給量與需求量相差54869.19噸，磷的供給量與需求量相差18282.97噸;兩區(qū)五縣中，除了張家川縣畜禽糞污氮、磷供給量與作物需求量相差不大外，其余需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供給量，見表5。這充分說明了天水市養(yǎng)殖規(guī)模有很大的提升空間，作物生產(chǎn)中，還需要施用化肥和秸稈還田來補(bǔ)充氮、磷養(yǎng)分。本文的研究結(jié)果是以豬當(dāng)量為基礎(chǔ)計(jì)算糞污總量和糞污養(yǎng)分供給量，與孫超^[5]等的以排污系數(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算的結(jié)果相比，糞污總量降低了，反而糞污養(yǎng)分供給量上升了，這說明數(shù)據(jù)基數(shù)大，采用不同的衡量畜禽氮（磷）排泄量的度量單位，結(jié)果差異的放大效應(yīng)比較明顯。

2.2合理施用糞肥分析

糞污處理方式顯著影響著可用于農(nóng)田的養(yǎng)分含量^[1，5-7]，不同糞肥處理工藝中的氮（磷）養(yǎng)分損失比例見表3。天水市絕大部分養(yǎng)殖場(chǎng)采用第一種方式處理糞污，那么按照第一種方式處理，全市糞污可提供氮和磷養(yǎng)分分別為8016t和1455t，63%的氮和57%的磷進(jìn)入環(huán)境;第二種方式處理糞污，可供作物利用的氮和轔養(yǎng)分分別為16823t和2012t，液體糞污經(jīng)過沼氣工程處理降低了養(yǎng)分損失率，25%的氮和41%的磷進(jìn)入環(huán)境，與第一種處理方式相比氮的損失顯著減少;第三種處理方式下，其氮和磷供給量分別為17738t和3047t，見圖1，固體糞污經(jīng)堆肥處理，磷養(yǎng)分的損失減小，氮和磷的損失率分別為21%和10%。第三種糞污處理方式顯著地降低了氮磷養(yǎng)分的損失，優(yōu)于第一種處理方式和第二種處理方式，因此，應(yīng)選擇第三種處理方式作為畜禽糞污處理的優(yōu)先模式，此研究結(jié)果與孫超等^[5]研究結(jié)果一致。

當(dāng)前，天水市絕大部分養(yǎng)殖場(chǎng)采用第一種方式處理糞污，即固體糞污儲(chǔ)藏堆放還田，液體糞污直接還田。在此現(xiàn)狀下，天水市各縣區(qū)糞肥氮、磷有效供給量和化肥、秸稈養(yǎng)分補(bǔ)充量見表6。天永市糞肥氮、磷的有效供給量分別占作物氮、磷的需求量為10.49%和6.72%;氮和磷的化肥、秸稈養(yǎng)分補(bǔ)充量分別為69310.80t和20212.28t。說明了在現(xiàn)有養(yǎng)殖規(guī)模下，天水市有足夠農(nóng)用地消納畜禽糞污。天水市各縣區(qū)糞肥氮、磷養(yǎng)分占作物氮、磷養(yǎng)分需求的比例差異較大，張家川縣糞肥氮、磷養(yǎng)分占作物氮、磷需求比例均為最高，分別為26.64%和16.00%;武山縣糞肥氮、磷養(yǎng)分占作物氮、磷需求比例均為最低，16.75%和3.82%。從表6可以看出，天水市畜禽糞污養(yǎng)分的有效利用率比較低，應(yīng)采用高效的處理方式，降低養(yǎng)分的損失率。本文采用豬當(dāng)量分析的結(jié)果和采用排污系數(shù)分析結(jié)果一致，天水市各縣區(qū)氮養(yǎng)分的替代率高于磷養(yǎng)分替代率，然而，與孫超等^[5]研究安徽省固鎮(zhèn)縣的氮磷養(yǎng)分替代率結(jié)果相反，通過比較發(fā)現(xiàn)，畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)影響著糞肥氮磷養(yǎng)分替代率，肉雞蛋雞養(yǎng)殖數(shù)量越大，磷養(yǎng)分的替代率越高。天水市為了防止畜禽規(guī)模擴(kuò)大帶來的糞污污染，應(yīng)實(shí)施以氮養(yǎng)分投入為控制目標(biāo)的糞肥利用對(duì)策。張家川縣牛肉銷售已實(shí)現(xiàn)品牌化，是當(dāng)?shù)氐拿飘a(chǎn)品，雖然糞肥中氮、磷有效供給量占作物需求養(yǎng)分比例最高，但畜禽養(yǎng)殖數(shù)量低于當(dāng)?shù)丨h(huán)境限制容量，還可增加肉牛肉羊飼養(yǎng)規(guī)模，帶動(dòng)周邊地區(qū)農(nóng)民增收。

2.3糞肥替代化肥氮（磷）養(yǎng)分潛力分析

根據(jù)圖2可知，與第二種處理方式相比，第三種處理方式中糞污氮、磷養(yǎng)分替代化肥潛力均有較大提高。在第二種處理方式下，各縣區(qū)畜禽糞污中氮、磷的有效供給量平均為2417.68t和285.29t，天水市類肥氮、磷替代化肥的有效潛力分別為8800.35t和541.56t;在第三種處理方式下，各縣區(qū)畜禽糞污中氮、磷的有效供給量平均為2546.62t和435.18t，全市糞肥氮、磷替代化肥的有效潛力分別為9702.95t和1590.83t。第三種處理方式下的畜禽糞污中氮、磷的有效供給量和替代化肥的有效潛力均高于第二種處理方式，尤其是糞污磷養(yǎng)分替代化肥潛力平均為第二種處理方式的3倍左右。第三種處理方式中，糞污中氮、磷養(yǎng)分替代化肥潛力最大的縣區(qū)均為張家川縣，分別為2142.80t和351.32t，其次為清水縣。

天水市各縣區(qū)糞肥替代化肥潛力較大，但實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受養(yǎng)殖場(chǎng)自身資金短缺、投資回報(bào)率低等因素影響，大部分養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施設(shè)備不到位，不僅不能用畜禽糞污養(yǎng)分替代化肥，還易流到環(huán)境中，造成面源污染。天水市應(yīng)引導(dǎo)鼓勵(lì)養(yǎng)殖場(chǎng)建立或改造必要的糞污處理利用配套設(shè)施;突出扶持甘谷縣、秦安縣和武山縣生豬養(yǎng)殖場(chǎng)和張家川縣肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)糞污有效處理利用;因地制宜，利用糞污發(fā)展商品有機(jī)肥、沼氣、天然氣生產(chǎn)等，提高資源化利用水平。

3討論

天水市作物養(yǎng)分需求量和畜禽糞污養(yǎng)分產(chǎn)生量均基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和參數(shù)，其不確定性可能會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)誤差。作物養(yǎng)分需求量參數(shù)來源于文獻(xiàn)，部分作物的養(yǎng)分需求參數(shù)難以獲取，因此選取天水市主要作物：小麥、玉米、馬鈴薯、胡麻及水果作為研究對(duì)象，加之種植模式和管理措施等的影響，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果可能存在誤差。由于數(shù)據(jù)限制，本文農(nóng)田養(yǎng)分來源沒有考慮秸稈還田，只考慮了糞肥替代化肥數(shù)量。本文采用的畜禽存出欄數(shù)據(jù)來自《天水經(jīng)濟(jì)年鑒2017》，實(shí)際畜禽數(shù)量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間必定存在差別，本文依據(jù)豬當(dāng)量對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，盡管一定程度上減少了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不確定性，但是不能完全消除。

天水市同一縣區(qū)內(nèi)，不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)養(yǎng)殖的畜禽規(guī)模、種類各不相同，為了優(yōu)化資源配置，減輕環(huán)境壓力，充分發(fā)掘畜禽糞污替代化肥潛力，下一步我們將研究區(qū)域細(xì)化至每一個(gè)縣區(qū)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，然后從自然、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)方面確定各縣區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽糞污處理設(shè)施建設(shè)優(yōu)先級(jí)。

4結(jié)論

（1）天水市養(yǎng)殖規(guī)模有很大的提升空間，作物生產(chǎn)中，還需要施用化肥和秸稈還田來補(bǔ)充氮、磷養(yǎng)分。

（2）天水市應(yīng)選擇第三種處理方式作為畜禽糞污處理的優(yōu)先模式;

（3）天水市各縣區(qū)氮養(yǎng)分的替代卒高于磷養(yǎng)分替代率，為了防止畜禽規(guī)模擴(kuò)大帶來的糞污污染，應(yīng)實(shí)施以氮養(yǎng)分投入為控制目標(biāo)的糞肥利用對(duì)策;

（4）天水市各縣區(qū)糞肥替代化肥潛力較大，應(yīng)提高資源化利用水平。

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基金項(xiàng)目：天水市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2019-NCK-1779）

作者簡(jiǎn)介：張小紅，副教授，主要從事畜禽養(yǎng)殖的研究