甘肅省天水市畜禽糞肥資源現(xiàn)狀及替代化肥潛力研究

（天水農(nóng)業(yè)學(xué)校，甘肅天水 741400）

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[1，5-7]。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)荷對環(huán)境威脅評價等方面做了深入探討，但對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)量計算畜禽糞污中氮磷總量，定量估計畜禽糞污氮、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463 946.67hm2，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)生量計算

本文以豬當(dāng)量為單位來計算總氮、總磷的產(chǎn)生量。豬當(dāng)量指用于衡量畜禽氮（磷）排泄量的度量單位，1頭豬為1個豬當(dāng)量。1個豬當(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、2 500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，在計算總氮（總磷）產(chǎn)生量時僅考慮豬、肉牛、羊、肉雞和蛋雞五種畜禽。

1.3 主要作物養(yǎng)分需求量計算

主要作物氮（磷）需求量計算公式如下：

式（1）中，F(xiàn)jk為j地區(qū)第k種作物的氮（磷）總需求量，kg；Djk為j地區(qū)第k種作物的播種面積，hm2；Ejk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=1，2，…，m；k為作物種類，k=1，2，…，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。

表1 天水市主要作物播種面積及養(yǎng)分需求量

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)固體糞污和液體糞污的處理工藝和去向，將糞污處理方式分為三種，見表2。

表2 糞污處理方式

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

式（1）（2）中，Pj，B、Pj，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；Ej，A、Ej，B、Ej，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。

表3 不同糞肥處理工藝中的氮（磷）養(yǎng)分損失比例

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。

為了得到接近實際的豬糞污資源量計算結(jié)果，依據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)手冊》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4.17 kg/d。由表5可知，2017年天水市畜禽糞污總量為153.98萬t，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t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，畜禽糞污總量相對較高；武山縣最少，僅有16.16萬t，占總量的10.50%，武山縣畜禽飼養(yǎng)量相對較低，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22 565.01t和3 384.75t，其中，清水縣、甘谷縣和張家川縣總氮的產(chǎn)生量超過了3 000t，除了武山縣和秦州區(qū)外，其他五個縣區(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。

表4 2018年天水市畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)

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77 434.20 t和21 667.72t；除了張家川縣外，其余四個縣區(qū)作物磷的需求量均超過了10 000t；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54 869.19噸，磷的供給量與需求量相差18 282.97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8 016t和1 455t，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磷養(yǎng)分分別為16 823t和2 012t，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17 738t和3 047t，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)殖場采用第一種方式處理糞污，即固體糞污儲藏堆放還田，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。天水市糞肥氮、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69 310.80t和20 212.28t。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)實施以氮養(yǎng)分投入為控制目標(biāo)的糞肥利用對策。張家川縣牛肉銷售已實現(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，帶動周邊地區(qū)農(nóng)民增收。

表5 天水市各縣區(qū)畜禽糞污總量及氮（磷）養(yǎng)分量和作物氮（磷）需求量

圖1 不同處理方式下的畜禽糞污可還田養(yǎng)分量

表6 糞肥還田養(yǎng)分量及需要補(bǔ)充化肥量

圖2 畜禽糞污不同處理方式下氮和磷有效供給提升潛力

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2 417.68t和285.29t，天水市糞肥氮、磷替代化肥的有效潛力分別為8 800.35t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2 546.62t和435.18t，全市糞肥氮、磷替代化肥的有效潛力分別為9 702.95t和1 590.83t。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2 142.80t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，但實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受養(yǎng)殖場自身資金短缺、投資回報率低等因素影響，大部分養(yǎng)殖場糞污處理設(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)鼓勵養(yǎng)殖場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)殖場和張家川縣肉牛養(yǎng)殖場糞污有效處理利用；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)計數(shù)據(jù)和參數(shù)，其不確定性可能會使結(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象，加之種植模式和管理措施等的影響，相應(yīng)計算結(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》，實際畜禽數(shù)量和統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間必定存在差別，本文依據(jù)豬當(dāng)量對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，盡管一定程度上減少了統(tǒng)計數(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)化至每一個縣區(qū)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，然后從自然、社會及經(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。

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)分的替代率高于磷養(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)實施以氮養(yǎng)分投入為控制目標(biāo)的糞肥利用對策；

（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。