山西省畜禽糞污土地承載力及糞尿替代化肥潛力分析

郭彩霞，楊子森，馬文奇，焦光月，張建杰*

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所/山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030031；2.山西省生態(tài)畜牧產(chǎn)業(yè)工作站，太原030001；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定071001）

過(guò)去幾十年，隨著我國(guó)人口的持續(xù)增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高、城鎮(zhèn)的快速擴(kuò)張，飲食結(jié)構(gòu)中動(dòng)物蛋白的消費(fèi)比例和消費(fèi)總量不斷增加，拉動(dòng)了畜牧業(yè)的養(yǎng)殖規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)；此外，養(yǎng)殖技術(shù)的不斷發(fā)展、農(nóng)牧業(yè)各種補(bǔ)貼、寬松的環(huán)保政策，推動(dòng)了畜牧業(yè)由傳統(tǒng)養(yǎng)殖向集約化發(fā)展[1]。一方面畜牧業(yè)成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，并極大地滿足了國(guó)民飲食需求[2]；另一方面，中國(guó)畜牧業(yè)的蓬勃發(fā)展付出了極大的資源環(huán)境代價(jià)：畜牧業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的氨排放占整個(gè)農(nóng)業(yè)源氨排放的50%[3]，促進(jìn)了PM2.5的形成[4]，是氮素大氣沉降的重要來(lái)源[5]；畜禽糞污通過(guò)地表徑流和淋溶進(jìn)入水體，造成水體的污染和富營(yíng)養(yǎng)化[6]；此外，畜禽糞污的處理不當(dāng)還是影響農(nóng)村人居環(huán)境的重要因素。因此，在國(guó)家實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、提倡農(nóng)牧業(yè)綠色發(fā)展的大背景下，從環(huán)境友好的角度進(jìn)行約束，確定區(qū)域范圍內(nèi)合理的畜禽規(guī)模和布局顯得尤為必要。

承載力（Carrying capacity）概念起源于19 世紀(jì)40年代的工程機(jī)械領(lǐng)域，之后在生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得以延續(xù)并發(fā)展。畜牧承載力的概念作為資源環(huán)境承載力的一個(gè)分支，在20 世紀(jì)初期被有關(guān)學(xué)者提出[7]。本研究基于農(nóng)牧生產(chǎn)體系養(yǎng)分平衡的原理，以畜禽糞尿的氮、磷去向作為計(jì)算依據(jù)，通過(guò)計(jì)算畜禽糞污土地承載力來(lái)進(jìn)一步確定區(qū)域的畜禽合理養(yǎng)殖數(shù)量。在20 世紀(jì)90 年代，歐盟就耕地畜禽糞尿的養(yǎng)分投入作了明確的規(guī)定：在歐盟硝酸鹽脆弱區(qū)內(nèi)農(nóng)田氮的投入量不得超過(guò)170 kg·hm-2[8]，磷的投入不得超過(guò)35 kg·hm-2[9]，部分歐洲國(guó)家據(jù)此確定了單位面積的家畜養(yǎng)殖數(shù)量。歐美國(guó)家的養(yǎng)殖體系大多以農(nóng)場(chǎng)為單位，對(duì)于畜禽糞尿的養(yǎng)分限量主要目標(biāo)在于控制養(yǎng)分的環(huán)境排放，而我國(guó)由于人口眾多，面臨著解決糧食安全和減少環(huán)境污染的雙重壓力，且養(yǎng)殖方式以集約化為主，大多沒(méi)有配套足夠的農(nóng)田來(lái)消納糞肥，更多需要著眼于從區(qū)域的尺度來(lái)考慮畜禽糞污土地承載力的問(wèn)題，因此我國(guó)的畜禽糞污土地承載力不能簡(jiǎn)單套用歐美的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)已有學(xué)者基于遙感技術(shù)，對(duì)黃河源區(qū)高山草地自然放牧條件下畜禽承載力的歷史變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)畜禽承載力的變化與坡度、近水距離和植被覆蓋度有很強(qiáng)的相關(guān)性，大部分區(qū)縣存在嚴(yán)重的過(guò)度放牧問(wèn)題[10]，也有學(xué)者從農(nóng)田消納畜禽糞尿氮磷養(yǎng)分的角度，發(fā)現(xiàn)福建莆田市[11]和北京都市圈城郊[12]的畜禽養(yǎng)殖整體出現(xiàn)超載，主要表現(xiàn)為種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的嚴(yán)重脫節(jié)。潘瑜春等[13]以畜禽糞便的產(chǎn)生量上限不超過(guò)35 t·hm-2作為限量依據(jù)，分析了北京平谷區(qū)的畜禽養(yǎng)殖承載力，但沒(méi)有考慮畜禽糞尿的養(yǎng)分含量；耿維等[14]以安徽省為案例，考慮了將耕地、園地、牧草地和林地作為消納糞肥的場(chǎng)所，用歐盟的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，分析了縣域尺度畜牧業(yè)環(huán)境承載力及糞便替代化肥的潛力，忽視了農(nóng)作物生產(chǎn)能力高低對(duì)于糞尿養(yǎng)分的消納能力；孫超等[15]以河北省為研究案例，用農(nóng)田氮肥投入150 kg·hm-2作為限量標(biāo)準(zhǔn)，糞尿氮素投入50%作為限量依據(jù)，來(lái)判定縣域尺度的農(nóng)田畜禽承載量是否超載，未考慮種植結(jié)構(gòu)對(duì)于糞尿消納能力的影響。這些研究或只是考慮了畜禽糞便的產(chǎn)生量，忽視了不同類型畜禽糞便中的養(yǎng)分含量差異；或只考慮消納場(chǎng)所的面積，而忽視了作物產(chǎn)量對(duì)糞尿消納能力的影響；或未考慮畜禽糞尿在養(yǎng)殖、糞尿存儲(chǔ)以及處理過(guò)程中不可避免的損失，而這些是區(qū)域畜禽糞污承載力的關(guān)鍵影響因素。全國(guó)畜牧總站于2018年1月正式印發(fā)了畜禽糞污《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[16]，基于養(yǎng)分平衡的思想，根據(jù)農(nóng)作物養(yǎng)分需求規(guī)律，區(qū)別了不同農(nóng)作物對(duì)于糞污的吸收能力，考慮了不同糞污處理過(guò)程中糞尿養(yǎng)分的損失情況，為計(jì)算區(qū)域尺度的畜禽糞污土地承載力提供了技術(shù)支撐，鄭莉等[17]依據(jù)該指南測(cè)算了山東省17個(gè)市的畜禽糞污土地承載力，但沒(méi)有考慮糞尿氮磷養(yǎng)分資源的利用潛力。本研究以畜禽糞污《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》為主要計(jì)算依據(jù)構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，分析了山西省縣域尺度畜禽糞污土地承載力，并在此基礎(chǔ)上估算了有機(jī)肥替代化肥的潛力。

山西作為全國(guó)13 個(gè)牧區(qū)半牧區(qū)的省份之一[18]，同時(shí)也是中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶的核心區(qū)域[19]，目前正處于農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的關(guān)鍵時(shí)期，迫切需要分析縣域尺度的畜禽糞污土地承載力，為農(nóng)牧業(yè)綠色發(fā)展、畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模和布局優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。此外，研究山西省的畜禽糞污土地承載力及有機(jī)肥替代化肥潛力，對(duì)于其他農(nóng)牧交錯(cuò)帶的區(qū)域也有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

鑒于分縣數(shù)據(jù)獲取途徑較為單一，本研究只獲取了山西省2016 年的分縣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2016 年山西省119 個(gè)區(qū)（縣）的耕地面積、糧食作物面積、蔬菜播種面積、水果種植面積、糧食作物產(chǎn)量、蔬菜產(chǎn)量、水果產(chǎn)量、化肥施用量、豬存欄量、牛存欄量、羊存欄量和家禽存欄量數(shù)據(jù)均來(lái)源于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒2017》[20]。由于奶牛和肉牛的糞尿排泄系數(shù)差異較大，結(jié)合11地市的統(tǒng)計(jì)年鑒以及部分區(qū)縣的縣級(jí)統(tǒng)計(jì)年鑒進(jìn)行了區(qū)分。

1.1.2 糞污排泄系數(shù)和養(yǎng)分含量

畜禽糞污的排泄系數(shù)和養(yǎng)分含量來(lái)源于全國(guó)畜牧總站編寫的畜禽糞污《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[16]。

1.1.3 各區(qū)縣土壤養(yǎng)分信息

各區(qū)縣的土壤養(yǎng)分信息來(lái)源于全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心編寫的《測(cè)土配方施肥土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集（2005—2014）》[21]。

1.2 計(jì)算方法

本文通過(guò)計(jì)算區(qū)域糧食作物、蔬菜和水果的卡路里產(chǎn)量，來(lái)反映區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，各種作物的每100 g 產(chǎn)量的卡路里產(chǎn)生量分別為：小麥301.5 kcal，玉米290 kcal，水稻376 kcal，谷子256 kcal，高粱279 kcal，其他谷類作物256 kcal，豆類229 kcal，薯類71 kcal，花生517 kcal，菜籽885 kcal，甜菜7 kcal，蔬菜24 kcal，果樹41 kcal，上述參數(shù)的依據(jù)來(lái)源于FAO 數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。

通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法來(lái)計(jì)算畜禽糞污氮（磷）土地承載力及承載力指數(shù)，具體方法如下：

豬當(dāng)量的折算方法來(lái)源于畜禽糞污《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[16]，按存欄量折算：100 頭豬相當(dāng)于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2 500只家禽。

式中：Q為區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖實(shí)際存欄量，豬當(dāng)量；Ai為區(qū)域內(nèi)第i種畜禽種類的存欄量；Ri為區(qū)域內(nèi)第i種畜禽種類折算豬當(dāng)量的系數(shù)。

區(qū)域內(nèi)作物氮（磷）養(yǎng)分需求總量的計(jì)算公式為：

式中：NUN,P為區(qū)域內(nèi)所有農(nóng)作物的氮（磷）養(yǎng)分需求總量，t·a-1；Pi為區(qū)域內(nèi)第i種作物的產(chǎn)量，t·a-1；Ci為區(qū)域內(nèi)第i種作物形成100 kg產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量，kg·100kg-1。

式中：NUr,m為區(qū)域內(nèi)作物糞尿養(yǎng)分需求量，t·a-1；NUN,P同公式（2），為區(qū)域內(nèi)所有農(nóng)作物的氮（磷）養(yǎng)分需求總量，t·a-1；FP為施肥供給養(yǎng)分占作物總養(yǎng)分需求的比例，%；MP為畜禽糞尿養(yǎng)分需求占施肥供給養(yǎng)分總量的比例，按50%計(jì)算；MR為糞尿養(yǎng)分的當(dāng)季利用效率，%。

式中：MN,P為區(qū)域內(nèi)畜禽糞尿養(yǎng)分產(chǎn)生總量，t·a-1；Ai同公式（1），為區(qū)域內(nèi)第i種畜禽種類的存欄量；Ei為區(qū)域內(nèi)第i種畜禽種類氮（磷）日排泄量，kg·d-1；

式中：Ms為區(qū)域內(nèi)畜禽糞尿養(yǎng)分供給量，是考慮了收集和留存過(guò)程中損失后實(shí)際的糞尿氮、磷養(yǎng)分留存量，t·a-1；MN,P同公式（4），t·a-1；Gr為糞尿養(yǎng)分在收集過(guò)程中的收集系數(shù)，與養(yǎng)殖方式有關(guān)，%；Sr為糞尿養(yǎng)分在留存過(guò)程中的留存系數(shù)，與糞污處理措施有關(guān)，%；

用公式（5）除以公式（1）：

得到區(qū)域內(nèi)單位豬當(dāng)量的糞尿養(yǎng)分供給量NSr,a，kg。

用公式（3）除以公式（6）：

得到區(qū)域畜禽以作物糞尿養(yǎng)分需求為基礎(chǔ)的最大養(yǎng)殖量R，單位為豬當(dāng)量。

區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)的計(jì)算方法是區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖實(shí)際存欄量與可容納的最大畜禽養(yǎng)殖量之間的比值，用公式（1）除以公式（7）：

式中：I為區(qū)域畜禽糞污氮（磷）土地承載力指數(shù)，I＞1.0 表明區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖存欄量超載，需要調(diào)減養(yǎng)殖量；I＜1.0 時(shí)表明區(qū)域內(nèi)仍有一定的養(yǎng)殖空間，可以適當(dāng)增加養(yǎng)殖規(guī)模。

用公式（5）除以公式（3），得到區(qū)域有機(jī)肥替代化肥的潛力P（%）：

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省種植業(yè)與畜禽養(yǎng)殖業(yè)分布特征

山西省種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)在區(qū)域分布上存在一定的錯(cuò)位。將縣域農(nóng)作物、蔬菜和水果的卡路里產(chǎn)量作為反映區(qū)域種植業(yè)生產(chǎn)能力的指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)圖1。山西省種植大縣主要分布在盆地區(qū)的區(qū)縣，特別是省域南部運(yùn)城的芮城縣、永濟(jì)市、臨猗縣、臨汾的襄汾縣和洪洞縣、中部晉中的壽陽(yáng)縣，卡路里產(chǎn)量達(dá)到了1.2×1012kcal；省域西北部的呂梁山區(qū)及沿黃流域是本省主要的生態(tài)脆弱區(qū)，受土壤類型、氣候因素、水土流失等影響種植業(yè)生產(chǎn)能力普遍較低，省域東部的太行山區(qū)主要受地形地貌的限制，作物生產(chǎn)能力也較弱，3類作物的卡路里總產(chǎn)低于3×1011kcal。

山西省畜禽養(yǎng)殖分布特征見(jiàn)圖2。全省的養(yǎng)殖大縣零星分布在省域東南部的晉城、中部晉中市的部分區(qū)縣和北部大同、朔州的部分區(qū)縣，養(yǎng)殖規(guī)模達(dá)到了50 萬(wàn)頭豬當(dāng)量以上。省域北部大同的陽(yáng)高縣、朔州的應(yīng)縣和山陰縣，這些區(qū)域的養(yǎng)殖以奶牛和羊?yàn)橹鳎皇∮蛑胁繒x中市的太谷、祁縣和平遙縣，以生豬養(yǎng)殖和肉牛養(yǎng)殖為主；省域東南部晉城市的澤州縣和高平市，是國(guó)家級(jí)的生豬養(yǎng)殖大縣。省域西北部的呂梁山區(qū)，大部分是貧困縣，發(fā)展畜牧業(yè)的條件較差，畜牧業(yè)發(fā)展受到一定的制約。

圖1 山西省種植業(yè)空間分布特征Figure 1 Spatial distribution of crop husbandry in Shanxi

圖2 山西省畜禽養(yǎng)殖空間分布特征Figure 2 Spatial distribution of livestock husbandry in Shanxi

2.2 糞尿養(yǎng)分產(chǎn)生量及其分布特征

從省域尺度來(lái)看（表1），2016 年山西省化肥投入117.07 萬(wàn)t，其中氮肥31.60 萬(wàn)t，磷肥14.80 萬(wàn)t，復(fù)合肥60.33萬(wàn)t，將復(fù)合肥按N∶P2O5∶K2O養(yǎng)分1∶1∶1折算后，相當(dāng)于化肥氮投入51.71萬(wàn)t，化肥磷投入34.91萬(wàn)t；畜禽糞尿氮素產(chǎn)生量為25.97 萬(wàn)t，占化肥氮投入的50.22%，畜禽糞尿磷產(chǎn)生量為4.15 萬(wàn)t（折合P2O5為9.50萬(wàn)t），相當(dāng)于化肥磷投入的27.22%，由此可見(jiàn)，山西省畜禽糞尿中的氮、磷養(yǎng)分替代化肥施用量的潛力巨大。

從空間分布來(lái)看（圖3a），有半數(shù)以上區(qū)縣的糞尿氮年產(chǎn)生量低于2 000 t·a-1，集中分布在省域中部，糞尿氮年產(chǎn)生量在2 000～4 000 t·a-1的相對(duì)集中分布在省域南部運(yùn)城市和晉城市的大部分區(qū)縣、臨汾的部分區(qū)縣、省域中部呂梁和晉中的部分區(qū)縣、省域北部大同市的大部分區(qū)縣和朔州市的部分區(qū)縣；糞尿氮產(chǎn)生量較高的區(qū)域主要分布在省域北部的大同、朔州等地市的區(qū)縣，其中大同的陽(yáng)高縣、朔州的應(yīng)縣和山陰縣糞尿氮的年產(chǎn)生量在5 000 t·a-1以上，省域中部晉中市和呂梁市的交界處區(qū)縣糞尿氮產(chǎn)生量也較高，其中晉中市的太谷縣、祁縣、平遙縣和呂梁的文水縣糞尿氮的年產(chǎn)生量也在5 000 t·a-1以上，省域南部的臨汾、晉城和運(yùn)城等地市的糞尿氮產(chǎn)生量較高，其中晉城市澤州縣和晉城城區(qū)，臨汾市的襄汾縣糞尿氮的年產(chǎn)生量也在5 000 t·a-1以上。

糞尿磷的分布格局與糞尿氮相似（圖3b），低值區(qū)（年產(chǎn)生量低于400 t·a-1）集中分布在省域中部；而高值區(qū)（年產(chǎn)生量高于400 t·a-1）主要分布在省域北>部大同市和朔州市的大多數(shù)區(qū)縣、省域中部太原市和晉中市的部分區(qū)縣、省域南部臨汾和晉中市的大部分區(qū)縣和運(yùn)城市的部分區(qū)縣，其中陽(yáng)高縣、應(yīng)縣、山陰縣、懷仁市、太谷縣、祁縣、平遙縣、晉城市城區(qū)和澤州縣的糞尿磷年產(chǎn)生量在800 t·a-1以上。

圖3 山西省糞尿養(yǎng)分空間分布特征Figure 3 Spatial distribution of production of manure nutrients in Shanxi

2.3 基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力分布特征

山西省現(xiàn)有畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為2 371.77 萬(wàn)豬當(dāng)量，以糞尿氮作為指標(biāo)，山西省可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為5 969.01萬(wàn)豬當(dāng)量，以糞尿磷作為指標(biāo)，山西省可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為7 202.27萬(wàn)豬當(dāng)量。從省域尺度來(lái)看，山西仍有很大的空間來(lái)發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)。

用現(xiàn)有實(shí)際豬當(dāng)量與可容納豬當(dāng)量之間的比值，作為畜禽糞污土地承載力的表征指數(shù)。可以看出（圖4a），在用糞尿氮作為指標(biāo)時(shí)，全省絕大多數(shù)的區(qū)縣（101個(gè)）并未超載，有64個(gè)區(qū)縣的糞尿氮承載力指數(shù)＜0.5，絕大多數(shù)分布在省域的中南部；氮素承載力指數(shù)在0.5～0.8 的有29 個(gè)區(qū)縣，大多數(shù)分布在省域的中部和北部；有8個(gè)區(qū)縣接近超載；僅有15個(gè)區(qū)縣超載，從北到南依次為大同市的南郊區(qū)、靈丘縣，朔州市的右玉縣，忻州市的繁峙縣和寧武縣，太原市的迎澤區(qū)、尖草坪區(qū)、萬(wàn)柏林區(qū)、杏花嶺區(qū)和古交市，呂梁市的離石區(qū)、方山縣和交城縣，晉中市的和順縣，長(zhǎng)治市的長(zhǎng)治城區(qū)。

糞尿磷承載力指數(shù)的空間分布特征與糞尿氮相似（圖4b），絕大多數(shù)區(qū)縣（102 個(gè)）未超載，有63 個(gè)區(qū)縣的糞尿磷承載力指數(shù)＜0.5，有31 個(gè)區(qū)縣的磷承載力指數(shù)在0.5～0.8，有8 個(gè)區(qū)縣接近超載，有14 個(gè)區(qū)縣超載，與氮素承載力超載情況分布高度相似，僅僅少了忻州市的寧武縣。

結(jié)合圖1 和圖2 也可以看出，糞尿氮磷土地承載力超載的區(qū)縣并不是養(yǎng)殖量較高的區(qū)縣，一種情況是種植業(yè)生產(chǎn)能力較弱的區(qū)縣沒(méi)有能力消納畜禽糞便，另外一種情況是城市周邊的區(qū)縣沒(méi)有足夠的農(nóng)田來(lái)消納畜禽糞便。

表2 2016年山西省作物氮、磷需求量及糞尿氮、磷可供給量（萬(wàn)t）Table 2 Crop N，P demand and manure N，P supply in Shanxi Province in 2016（104 t）

圖4 山西省畜禽糞污土地承載力指數(shù)空間分布特征Figure 4 Spatial distribution of manure land carrying capacity index in Shanxi

2.4 縣域尺度畜禽糞尿養(yǎng)分替代化肥潛力分析

2016年全省作物生產(chǎn)氮素需求總量為50.12萬(wàn)t，磷素需求總量為10.36萬(wàn)t（表2）。在考慮了糞肥占養(yǎng)分投入的比例和糞肥當(dāng)季利用效率后，計(jì)算出糞尿氮、磷的需求量分別為45.94萬(wàn)t和9.50萬(wàn)t，在綜合畜禽糞便在飼舍、儲(chǔ)存和處理環(huán)節(jié)的損失后，根據(jù)損失量計(jì)算出糞尿氮、磷的有效供給量分別為18.28萬(wàn)t和3.15 萬(wàn)t，可以分別有效替代氮肥和磷肥39.79%和33.21%，替代潛力巨大。

糞尿養(yǎng)分替代化肥潛力在縣域尺度上表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間分布特征，糞尿氮和磷的化肥替代潛力表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性（圖5）?？傮w上看，替代潛力高（＞80%）的區(qū)縣主要分布在大同的南郊區(qū)、大同縣和靈丘縣，朔州的右玉縣和山陰縣，忻州市的繁峙縣和寧武縣，太原、呂梁的大部分區(qū)縣，晉中的和順縣和靈石縣以及臨汾的鄉(xiāng)寧縣；替代潛力在60%～80%的區(qū)縣主要分布在大同市、朔州市、晉中市的大部分區(qū)域，忻州的偏關(guān)縣、岢嵐縣、靜樂(lè)縣、五臺(tái)縣和代縣等區(qū)縣，晉城市的大部分區(qū)縣；替代潛力在30%～50%的區(qū)縣主要分布在省域西部沿黃流域和晉東南的大部分區(qū)縣；替代潛力不足30%的區(qū)縣主要分布在運(yùn)城和臨汾一帶，這些區(qū)域種植業(yè)發(fā)達(dá)，但畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)模相對(duì)較小，畜禽糞便的產(chǎn)生量不能滿足種植業(yè)生產(chǎn)的需求，因此畜禽糞尿養(yǎng)分替代化肥的潛力較小。

3 討論

（1）山西位于北緯38°黃金養(yǎng)殖帶，牧坡資源豐富，草地面積達(dá)到400 萬(wàn)hm2，為畜牧業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的自然條件；充足的玉米產(chǎn)量也推動(dòng)了山西畜牧業(yè)的迅猛發(fā)展，2016 年山西省玉米產(chǎn)量達(dá)到888.89 萬(wàn)t，占 全 年 糧 食 總 產(chǎn) 量1 318.50 萬(wàn)t 的67.42%[20]，為山西畜牧業(yè)的發(fā)展提供了重要的飼料保障；此外，自2001 年以來(lái)，山西省政府大力推進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展，雁門關(guān)生態(tài)畜牧經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)、畜牧振興計(jì)劃等省級(jí)重大戰(zhàn)略政策的出臺(tái)，特別是十八大以來(lái)把畜牧業(yè)作為振興山西經(jīng)濟(jì)的非煤產(chǎn)業(yè)之一，作為發(fā)展特色現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重中之重，為發(fā)展畜牧業(yè)提供了有力的政策支持。養(yǎng)殖數(shù)量增加到1978 年的1.7 倍，畜禽養(yǎng)殖的功能發(fā)生了重大改變，役用的牛馬驢騾大幅減少，而用于生產(chǎn)動(dòng)物蛋白的奶牛、肉牛、豬、羊和禽類則大幅增加，養(yǎng)殖方式則由傳統(tǒng)養(yǎng)殖向集約化養(yǎng)殖快速轉(zhuǎn)變，2014 年山西省畜禽養(yǎng)殖集約化程度就達(dá)到47%，比全國(guó)平均水平高出11%[22]。山西省畜禽養(yǎng)殖總量不大，牛、豬、羊和家禽的存欄量分別僅占全國(guó)的0.93%、1.08%、0.17%和1.51%[23]，因此山西省的畜禽糞尿氮、磷的平均單位農(nóng)地負(fù)荷較低，均明顯低于歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)[8-9]（糞尿氮和糞尿磷的單位農(nóng)田投入限量分別為170 kg·hm-2和35 kg·hm-2），略高于全國(guó)平均水平（糞尿氮和糞尿磷的平均農(nóng)地負(fù)荷分別為48.73 kg·hm-2和9.16 kg·hm-2）[24]。但由于集約化程度較高，養(yǎng)殖場(chǎng)的主要分布位于十幾個(gè)養(yǎng)殖大縣，因此除了關(guān)注縣域尺度的糞尿養(yǎng)分資源的環(huán)境承載力之外，對(duì)大中型規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)引起的點(diǎn)源污染應(yīng)當(dāng)高度關(guān)注，采取合理、切實(shí)可行的污染消減措施。

圖5 山西省畜禽糞尿替代化肥空間分布特征Figure 5 Spatial distribution of manure organic fertilizer substitute for potential in Shanxi

（2）有機(jī)肥合理替代化肥，可以有效提高作物產(chǎn)量，減少活性氮損失，并可以增加土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量[25]。對(duì)于蔬菜作物，有機(jī)肥替代化肥可以明顯減少蔬菜硝酸鹽累積[26]，針對(duì)果樹的研究表明[27-28]，施用有機(jī)肥可以顯著促進(jìn)蘋果根系的生長(zhǎng)和根系活力的提高，并對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著提高作用。原農(nóng)業(yè)部于2017 年印發(fā)了《開(kāi)展果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)方案》[29]的通知，提出要以果菜茶生產(chǎn)為重點(diǎn)，實(shí)施有機(jī)肥替代化肥，推進(jìn)資源循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效、提質(zhì)增效，探索出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路，并提供了政策保障和經(jīng)費(fèi)支持。另外受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，農(nóng)戶在經(jīng)濟(jì)作物上施用有機(jī)肥的意愿要高于大田作物。結(jié)合蔬菜、水果等對(duì)于有機(jī)養(yǎng)分的需求規(guī)律、國(guó)家的政策導(dǎo)向以及農(nóng)戶意愿，經(jīng)濟(jì)作物的主要產(chǎn)區(qū)對(duì)于畜禽糞尿養(yǎng)分的消納有較大的潛力。山西省種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)在空間上不匹配，運(yùn)城、臨汾2 個(gè)地市是山西省農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，糧食作物、蔬菜和水果的總產(chǎn)量達(dá)到3 485.38 萬(wàn)t，占全省總產(chǎn)的45.94%，具有較強(qiáng)的消納畜禽糞尿養(yǎng)分的能力，尤其是果園面積為22.49 萬(wàn)hm2，占全省的63.19%，更是消納糞肥的重要場(chǎng)所。而這2 個(gè)地市的養(yǎng)殖規(guī)模為551.06 萬(wàn)豬當(dāng)量，僅占全省養(yǎng)殖規(guī)模的23.23%，導(dǎo)致有機(jī)肥供不應(yīng)求。在這些區(qū)域，可以考慮適度增加養(yǎng)殖規(guī)模，而在省域北部的一些區(qū)縣則存在相反的情況，應(yīng)該考慮限制養(yǎng)殖規(guī)模。因此，未來(lái)山西畜禽糞尿的養(yǎng)分管理策略：一方面根據(jù)種植業(yè)的生產(chǎn)能力與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)的生產(chǎn)布局；另一方面進(jìn)行區(qū)域間養(yǎng)分協(xié)同管理，在考慮合理的生產(chǎn)成本和運(yùn)輸距離的前提下，打破行政界線，以加工成商品有機(jī)肥的方式在空間上進(jìn)行調(diào)配[30]。

（3）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與真實(shí)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的差異有時(shí)會(huì)很大[31]，但同時(shí)又是進(jìn)行宏觀研究的唯一數(shù)據(jù)來(lái)源，可能會(huì)給研究帶來(lái)一定的不確定性。關(guān)于區(qū)域尺度有機(jī)肥替代化肥的概念和計(jì)算方法，一直沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者[14]用區(qū)域糞尿養(yǎng)分產(chǎn)生量與化肥施用量比值作為區(qū)域有機(jī)肥替代化肥的潛力，一方面沒(méi)有考慮糞尿在飼舍、儲(chǔ)存和處理過(guò)程中的損失，計(jì)算出的結(jié)果可能偏大，另一方面沒(méi)有考慮現(xiàn)有施肥量的合理性；本研究基于各種作物的產(chǎn)量，考慮了作物的需肥特征，土壤的基礎(chǔ)肥力，養(yǎng)分的當(dāng)季供應(yīng)能力，畜禽糞肥在飼舍、儲(chǔ)藏和處理等環(huán)節(jié)的損失等因素，結(jié)合要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的實(shí)際條件，確定化肥和有機(jī)肥的施用比例各占50%之后，推算出適宜糞肥需求量（公式3），用區(qū)域的糞肥養(yǎng)分供給量與需求量的比值作為有機(jī)肥替代化肥的潛力，來(lái)估算山西縣域尺度的畜禽糞尿養(yǎng)分替代化肥的實(shí)際潛力，更能反映真實(shí)替代潛力。

（4）中國(guó)畜禽業(yè)向著集約化、規(guī)?；焖俎D(zhuǎn)變，導(dǎo)致養(yǎng)殖業(yè)逐步與種植業(yè)分離。這種分離使得我國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)之間的養(yǎng)分循環(huán)出現(xiàn)了脫節(jié)[32]，大量畜禽糞尿養(yǎng)分無(wú)法及時(shí)歸還農(nóng)田，流失于環(huán)境中，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染[33]。通過(guò)調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)的空間布局可以緩解畜禽養(yǎng)殖對(duì)于環(huán)境的負(fù)面影響，但是這種空間布局調(diào)控需要對(duì)環(huán)境的多重風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[34]。本研究基于農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡思想，定量分析了山西省縣域尺度的畜禽糞尿氮磷養(yǎng)分產(chǎn)生量，并以作物產(chǎn)量為消納畜禽糞尿養(yǎng)分的主要依據(jù)，研究了縣域尺度的畜禽糞污氮磷土地承載力，但由于缺乏實(shí)際的水系分布數(shù)據(jù)，一方面尚未考慮養(yǎng)分徑流和淋溶對(duì)地表水和地下水的影響，另一方面沒(méi)有獲取養(yǎng)殖場(chǎng)的具體位置信息，無(wú)法分析畜禽糞尿養(yǎng)分向環(huán)境排放的熱點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)而獲取區(qū)域高分辨率的畜禽糞尿養(yǎng)分排放特征，這也是未來(lái)需要研究的重要內(nèi)容之一。

4 結(jié)論

山西省種植業(yè)生產(chǎn)能力和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)模在空間上的不匹配，導(dǎo)致了畜禽糞尿產(chǎn)生與消納場(chǎng)所的錯(cuò)位，是制約畜禽糞污資源化利用的重要影響因素。

山西省畜禽養(yǎng)殖有較大的發(fā)展空間，在運(yùn)城、臨汾等糧食與果業(yè)主產(chǎn)區(qū)可適度增加畜禽養(yǎng)殖規(guī)模。太原、呂梁、長(zhǎng)治、大同等大城市近郊區(qū)縣畜禽糞尿氮磷向環(huán)境排放的風(fēng)險(xiǎn)值得關(guān)注。省域北部部分養(yǎng)殖規(guī)模較大的區(qū)縣，無(wú)法消納區(qū)域內(nèi)的畜禽糞尿氮磷養(yǎng)分，需要通過(guò)有機(jī)肥外運(yùn)或核減養(yǎng)殖規(guī)模來(lái)進(jìn)行調(diào)控。畜禽養(yǎng)殖重點(diǎn)縣大中型養(yǎng)殖場(chǎng)的點(diǎn)源污染問(wèn)題不容忽視。

山西省縣域尺度畜禽糞尿養(yǎng)分替代化肥潛力區(qū)域間差異很大，在畜禽糞尿養(yǎng)分資源管理策略上，應(yīng)以優(yōu)化農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)布局和區(qū)域間協(xié)同管理為目標(biāo)，進(jìn)行宏觀調(diào)控和管理，實(shí)現(xiàn)畜禽糞尿資源的高效利用和農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。