劉晨峰, 汪志鋒, 趙興征, 沈 忱, 李 松*
1.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心, 北京 100012
2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院, 北京 100012
3.北京環(huán)安工程檢測有限責(zé)任公司, 北京 100082
4.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室, 北京 100012
畜禽糞污富含有機物和氮磷等營養(yǎng)元素,自古以來都是我國農(nóng)業(yè)肥料的主要來源[1-3]. 20世紀(jì)80年代后,化肥施用量的迅猛增加導(dǎo)致糞肥的施用空間逐年壓縮,隨著我國畜禽規(guī)模養(yǎng)殖量不斷提高[4],養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境污染問題逐漸顯現(xiàn). 化肥施用強度過高與糞污資源化利用不足成為我國農(nóng)業(yè)污染的根本成因[5-6]. 2013年國務(wù)院令第643號頒布了《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》[7],確定“以糞便的綜合利用作為治理畜禽養(yǎng)殖污染的根本途徑”,鼓勵種養(yǎng)結(jié)合,實現(xiàn)就地就近利用. 2015年,多部委聯(lián)合發(fā)布《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年》(農(nóng)計發(fā)〔2015〕145號)、原農(nóng)業(yè)部發(fā)布《關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅戰(zhàn)的實施意見》(農(nóng)科教〔2015〕1號),提出“一控兩減三基本”工作目標(biāo),明確提出要“減少化肥和農(nóng)藥使用量,實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物基本綜合利用”. 2017年,國務(wù)院辦公廳出臺《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》(國辦發(fā)〔2017〕48號),原農(nóng)業(yè)部發(fā)布《畜禽糞污資源化利用行動方案(2017—2020年)》(農(nóng)牧發(fā)〔2017〕11號)和《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》(農(nóng)發(fā)〔2017〕2號),提出到2020年我國畜禽糞污綜合利用率達(dá)到75%以上的目標(biāo),引導(dǎo)各地以果菜茶生產(chǎn)為重點,實施有機肥替代化肥,推進(jìn)畜禽糞污資源循環(huán)利用. 2018年,原農(nóng)業(yè)部印發(fā)《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》(農(nóng)辦牧〔2018〕1號)和《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污資源化利用設(shè)施建設(shè)規(guī)范(試行)》(農(nóng)辦牧〔2018〕2號),指導(dǎo)各地畜禽糞污資源科學(xué)還田. 但目前尚缺乏經(jīng)濟(jì)可行的畜禽糞污還田利用無害化處理措施,我國已發(fā)布肥料抗生素殘留檢測國家標(biāo)準(zhǔn)[8]和有機肥料標(biāo)準(zhǔn)重金屬限值[9],為避免農(nóng)用地二次污染,必須嚴(yán)格做好投入品的源頭管控,降低有機肥替代化肥可能產(chǎn)生的環(huán)境污染風(fēng)險.
該研究以《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》推薦的測算方法為基本思路,從各類作物類型中篩選出當(dāng)前施肥強度較高[10-11]、適宜開展糞肥替代化肥的果菜茶作物類型進(jìn)行單位種植面積畜禽糞污承載壓力測算. 依據(jù)氮素收支平衡方法,從各省份果菜茶作物產(chǎn)量推算氮素養(yǎng)分需求量,基于第二次全國污染源普查結(jié)果[12],獲取畜禽養(yǎng)殖糞肥氮素供給量,據(jù)此評價各省份化肥替代率為0.4和0.5兩種情景下目標(biāo)作物單位種植面積畜禽糞污養(yǎng)分承載現(xiàn)狀. 通過單位種植面積糞肥可提供量與氮肥實際需求量之比反算糞肥全部還田利用后能達(dá)到的最高化肥替代率. 各省份可將單位種植面積畜禽糞污承載量指標(biāo)作為未來畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃或畜禽養(yǎng)殖項目立項評估依據(jù). 研究結(jié)果可對各地掌握轄區(qū)內(nèi)糞肥承載現(xiàn)狀、優(yōu)化種養(yǎng)布局、構(gòu)建種養(yǎng)平衡的循環(huán)利用體系提供參考和決策支持.
依據(jù)《2018年中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》[13]各省份蔬菜、茶葉、水果和瓜果的產(chǎn)量與《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14]不同植物形成100 kg產(chǎn)量需要吸收氮磷量推薦值估算各省份蔬菜、茶葉、水果和瓜果四類作物總養(yǎng)分需求量. 根據(jù)推薦值,各省份茶葉類單位產(chǎn)量需要吸收氮值為6.4 kg(100 kg產(chǎn)量),蔬菜類采用推薦值各類蔬菜平均值,為0.4 kg(100 kg產(chǎn)量),水果依據(jù)各省份各類水果產(chǎn)量與單位產(chǎn)量需要吸收氮值推薦值做加權(quán)平均,得到各省份水果類單位產(chǎn)量需要吸收氮值. 瓜果類依據(jù)相關(guān)研究[15-16],單位產(chǎn)量需要吸收氮值設(shè)定為0.8 kg(100 kg產(chǎn)量). 各省份四類作物總養(yǎng)分需求量計算公式:
Atotal=∑yi×ai×10-2
(1)
式中:Atotal為區(qū)域內(nèi)果菜茶總產(chǎn)量下需要吸收的氮素量,t;yi為區(qū)域內(nèi)第i種作物總產(chǎn)量,t;ai為第i種作物收獲100 kg產(chǎn)量吸收的氮素量,kg(100 kg產(chǎn)量).
根據(jù)計算所獲得的果菜茶總養(yǎng)分需求量除以該地區(qū)果菜茶總種植面積,獲得單位種植面積氮養(yǎng)分需求量,考慮氮素當(dāng)季養(yǎng)分利用率[17],取值0.35,推算出單位種植面積氮素實際所需施用量,計算公式:
(2)
式中:Naverage為區(qū)域內(nèi)果菜茶平均單位種植面積氮素實際所需施用量,kghm2;Areatotal為區(qū)域內(nèi)果菜茶總的種植面積,hm2.
將區(qū)域內(nèi)糞肥養(yǎng)分替代化肥的比率乘以單位耕地面積氮素實際所需施用量,計算得到區(qū)域單位耕地面積糞肥養(yǎng)分需求量,計算公式:
NMneed=Naverage×Pmanure
(3)
式中:NMneed為區(qū)域內(nèi)果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量,kghm2;Naverage為區(qū)域內(nèi)果菜茶單位種植面積氮素實際所需施用量,kghm2;Pmanure為區(qū)域內(nèi)糞肥替代化肥比率.
一般情況下有機肥和化肥施肥比例為4∶6[17],該研究參考原農(nóng)業(yè)部制定的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14],在化肥替代率為0.4的基礎(chǔ)上增加化肥替代率為0.5的情景.
依據(jù)第二次全國污染源普查技術(shù)規(guī)定,畜禽養(yǎng)殖業(yè)總氮、總磷產(chǎn)生量依據(jù)各省份養(yǎng)殖量與總氮、總磷產(chǎn)污系數(shù)計算得到,核算范圍為養(yǎng)殖規(guī)模滿足生豬全年出欄量≥50頭、奶牛年末存欄量≥5頭、肉牛全年出欄量≥10頭、蛋雞年末存欄量≥500羽、肉雞全年出欄量≥2 000 羽的所有養(yǎng)殖場戶養(yǎng)殖量. 從糞肥氮與糞肥磷土地承載限值看[18],如果要滿足作物對磷的需求量,則氮素量超標(biāo). 該研究優(yōu)先考慮糞肥氮承載水平,磷根據(jù)作物需求與當(dāng)?shù)赝寥罈l件通過磷肥補充. 由于糞污及養(yǎng)分在運輸、處理、存儲和施用過程中會有所損失,參考文獻(xiàn)[17,19-20],氮損失率一般為30%~40%,該研究以氮損失率為40%計算養(yǎng)分供給量. 根據(jù)各省份畜禽糞肥總養(yǎng)分供給量除以果菜茶總種植面積,得到單位種植面積總養(yǎng)分供給量,計算公式:
(4)
式中:NMsup為區(qū)域內(nèi)畜禽糞肥氮養(yǎng)分供給量,kghm2;NMaverage為區(qū)域內(nèi)果菜茶平均單位種植面積糞肥養(yǎng)分供給量,kghm2.
采用區(qū)域內(nèi)果菜茶平均單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分供給量與糞肥氮養(yǎng)分需求量之比,簡稱養(yǎng)分承載壓力系數(shù)(RA)〔見式(5)〕,表征各省份糞肥承載壓力現(xiàn)狀. 采用區(qū)域內(nèi)果菜茶平均單位種植面積糞肥養(yǎng)分供給量與單位種植面積氮素實際所需施用量之比,反算各省份畜禽養(yǎng)殖業(yè)可提供的糞污全部用于區(qū)域內(nèi)果菜茶種植后化肥的最高替代率,以Tmax〔見式(6)〕表征.
RA=NMaverageNMneed
(5)
Tmax=NMaverageNaverage
(6)
式中,RA為養(yǎng)分承載壓力系數(shù),Tmax為化肥最高替代率.
化肥替代率為0.4時,全國果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量為143.5 kghm2,山東省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和河南省四省(自治區(qū))果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量均在200 kghm2以上(見圖1),且山東省達(dá)到240.4 kghm2. 化肥替代率為0.5時,全國果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量為179 kghm2. 山東省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、上海市、河南省、吉林省、黑龍江省、天津市、江蘇省、遼寧省及新疆維吾爾自治區(qū)(含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán),下同)等11個省(自治區(qū)、直轄市)需求量平均在200 kghm2以上,山東省和河北省分別達(dá)到300和288 kghm2. 化肥替代率增加10%后,各省份果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量平均增加38 kghm2.
圖1 我國各省份果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量
全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)核算范圍內(nèi)氮素產(chǎn)生量為463.3×104t,按照氮損失率為40%計算,糞肥氮素供給量為277.97×104t. 產(chǎn)生量和供給量靠前的5個省份是山東省、河南省、河北省、江蘇省、遼寧省,糞肥氮素產(chǎn)生量與供給量合計占全國的37%. 果菜茶單位種植面積氮素供給量各省份差異較大,全國平均為126.37 kghm2,吉林省、黑龍江省、天津市、西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省單位面積氮素供給量較大,吉林省達(dá)到579.6 kghm2(見圖2). 這些省份果菜茶作物種植面積較少,平均只有31×104hm2,單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分承載負(fù)荷大. 山東省、河南省、湖南省、廣東省、四川省等雖然養(yǎng)殖量大,但各省份果菜茶作物種植面積平均在200×104hm2以上,單位種植面積氮素供給量較小.
圖2 我國各省份果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分供給量
化肥替代率為0.4時,各省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)在0.21~2.99之間,平均值為0.78(見圖3). 北方省份承載壓力系數(shù)較高. 北京市、天津市、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、吉林省、黑龍江省、西藏自治區(qū)、青海省等8個省(自治區(qū)、直轄市)承載壓力系數(shù)大于1,平均值為1.51,最大值出現(xiàn)在吉林省,達(dá)2.99,以上9個省份以占全國6%的果菜茶種植面積承載全國19%的養(yǎng)殖量(東北三省是3%的種植面積承載12%的養(yǎng)殖量),單位種植面積氮養(yǎng)分供給量遠(yuǎn)高于糞肥氮養(yǎng)分需求量,僅果菜茶種植、化肥替代率為0.4已無法消納糞肥產(chǎn)生量. 其余省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)均低于1,平均值為0.48.
圖3 我國各省份總氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)
化肥替代率為0.5時,各省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)在0.17~2.39之間,平均值為0.63. 天津市、吉林省、黑龍江省、西藏自治區(qū)、青海省等5個省(自治區(qū)、直轄市)份承載壓力系數(shù)大于1,最大值為吉林省,達(dá)2.39. 天津市、西藏自治區(qū)和青海省單位種植面積氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)偏高,主要是因為果菜茶種植面積低所致,合計僅為15.9×104hm2. 吉林省、黑龍江省相對于養(yǎng)殖量而言,果菜茶種植區(qū)面積相對較小,僅果菜茶種植、化肥替代率為0.5無法消納糞肥產(chǎn)生量. 其余省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)均低于1,平均值為0.46. 這表明全國大部分區(qū)域省級層面畜禽糞肥氮養(yǎng)分提供量未超過本區(qū)域果菜茶種植的肥料所需.
當(dāng)各省份畜禽養(yǎng)殖業(yè)可提供的糞污全部用于區(qū)域內(nèi)果菜茶作物施肥,果菜茶平均單位種植面積糞肥養(yǎng)分供給量與氮素實際所需施用量之比在0.09~1.19之間(見圖4). 糞肥可替代化肥的比率低于0.4的有河北省、上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山東省、河南省、湖北省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)、海南省、重慶市、四川省、貴州省、云南省、陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)等22個省(自治區(qū)、直轄市);比率介于0.4~0.5之間的有山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧??;比率介于0.5~0.7之間的有天津市、黑龍江省、西藏自治區(qū)、青海省. 吉林省糞肥替代化肥比率為1.19,果菜茶種植所需肥料全部由養(yǎng)殖業(yè)糞肥養(yǎng)分來提供,仍無法完全消納本轄區(qū)產(chǎn)生的糞肥養(yǎng)分,還需進(jìn)一步擴(kuò)大施用糞肥的作物范圍.
圖4 我國各省份糞肥替代化肥最高比率
果菜茶是原農(nóng)業(yè)部重點推薦實施有機肥替代化肥、推進(jìn)糞肥資源循環(huán)利用的主要作物類型[21],該研究在省域尺度以化肥替代率為0.4和0.5兩種情景測算了各省份果菜茶單位種植面積所需的糞肥氮養(yǎng)分需求量和供給量. 化肥替代率在0.4條件下,全國23個省份果菜茶單位種植面積糞肥氮供給量小于需求量,平均糞肥氮供給量為70 kghm2,最大值為146.5 kghm2. 化肥替代率在0.5條件下,26個省份果菜茶單位種植面積糞肥氮供給量小于需求量,平均糞肥氮供給量為88 kghm2,最大值為236.7 kghm2. 大量文獻(xiàn)圍繞糞肥氮素的環(huán)境安全施用限值做了研究:一是歐盟在硝酸鹽敏感地區(qū)的有機肥施用標(biāo)準(zhǔn)[22]不超過175 kghm2(以N計);二是英國洛桑實驗站的有機肥施用標(biāo)準(zhǔn)不超過276 kghm2(以N計)[23-24];三是我國肥料領(lǐng)域?qū)<抑煺琢颊J(rèn)為農(nóng)田氮肥的安全施用量為150~180 kghm2(以N計)(一季作物)[25],過量施用會導(dǎo)致氮素的環(huán)境污染加劇. 該研究以歐盟標(biāo)準(zhǔn)衡量,在化肥替代率為0.5的情景下,承載壓力系數(shù)小于1的省份中,內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省果菜茶單位種植面積糞肥氮供給量均超過了安全限值,分別為236.71和221.29 kghm2,其余省份均在安全限值內(nèi). 以英國洛桑實驗站有機肥施用標(biāo)準(zhǔn)衡量,承載壓力系數(shù)小于1的省份均在該安全施用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),承載壓力系數(shù)大于1的省份中吉林省和黑龍江省超過了該施用標(biāo)準(zhǔn),分別為579.58和343.66 kghm2.
各類研究因選取要素(包括行政區(qū)域范圍、消納作物類型以及參與核算的畜禽養(yǎng)殖種類和養(yǎng)殖量統(tǒng)計口徑等)的差異而產(chǎn)生不同的研究結(jié)果. 侯世忠[26]對山東省、潘喻春等[27]對北京市、吳飛龍等[28]對福建省等的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行了研究,由于忽略糞便收集、存儲及施用過程中氮素?fù)p失量,導(dǎo)致單位耕地氮養(yǎng)分承載系數(shù)均偏高. 高延清等[29]基于原農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》核算了松原市下轄的區(qū)縣水稻、玉米、大豆、馬鈴薯、油料、甜菜、果菜茶、葵花籽等作物糞肥養(yǎng)分需求與畜禽糞肥養(yǎng)分提供情況,發(fā)現(xiàn)松原市5個區(qū)縣中4個仍有較大畜禽養(yǎng)殖空間. 吳永勝等[30]測算了成都市20個區(qū)縣畜禽糞污氮磷耕地承載負(fù)荷風(fēng)險狀態(tài),發(fā)現(xiàn)2個地區(qū)處于中等風(fēng)險狀態(tài),3個地區(qū)處于較高風(fēng)險狀態(tài). 基于相同的研究目標(biāo),付強等[31]通過中國畜牧業(yè)年鑒、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒主要畜類養(yǎng)殖量(豬、牛、羊、家禽)及區(qū)域作物(大豆、稻谷、谷子、棉花、小麥、玉米等大田作物)產(chǎn)量核算氮養(yǎng)分供給量與氮養(yǎng)分需求量關(guān)系,發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)的黑龍江省、吉林省,黃淮海地區(qū)的河北省、河南省、山東省、安徽省、江蘇省等省份多為農(nóng)業(yè)大省,其植物畜禽糞肥養(yǎng)分消納能力較強. 這與該研究結(jié)果存在差異:一方面是因為選擇畜禽種類范圍大,且統(tǒng)計口徑為全口徑,該研究只針對五類畜禽開展研究;另一方面是二者選擇消納糞肥的作物類型和種植面積地區(qū)差異大,該研究選擇果菜茶作物類型,在黑龍江省和吉林省等地區(qū)種植面積小,承載壓力系數(shù)高;而稻谷、小麥、玉米等糧食產(chǎn)量高,選擇糧食作物類型時糞污消納能力較強.
該研究以各省份果菜茶為主要糞肥養(yǎng)分消納作物類型,測算了0.4和0.5的化肥替代率下,大部分省份果菜茶種植面積即可消納區(qū)域糞肥氮養(yǎng)分產(chǎn)生量. 當(dāng)各省份畜禽養(yǎng)殖業(yè)可提供的糞肥全部用于區(qū)域內(nèi)果菜茶作物施肥時,除吉林省果菜茶種植無法消納完本區(qū)域產(chǎn)生的糞肥養(yǎng)分,需擴(kuò)大施用糞肥的作物范圍外,其余區(qū)域在省級范圍內(nèi)果菜茶種植均能消納區(qū)域糞肥養(yǎng)分供給量. 該研究鑒于《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)未能將蔬菜品類分開,蔬菜類單位產(chǎn)品產(chǎn)量氮素需求量取用了各類蔬菜氮素需求量的平均值,未能將各省份各品類蔬菜產(chǎn)量差異考慮在內(nèi),氮素當(dāng)季利用率與土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀也未能按照各地實際情況加以考慮,這些因素都對準(zhǔn)確測算各省份糞肥養(yǎng)分承載現(xiàn)狀造成一定影響. 但各省份可以該研究為參考,宏觀掌握本轄區(qū)種養(yǎng)平衡基本形勢,具體到市級、區(qū)縣一級測算時可依據(jù)該研究框架,結(jié)合各地果菜茶實際種植面積和品類產(chǎn)量以及當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分條件進(jìn)行精細(xì)測算,根據(jù)測算結(jié)果確定轄區(qū)畜禽糞污處理處置基本方向. 針對轄區(qū)畜禽糞污資源化利用“最后一公里”面臨的各種阻礙因素,通過畜禽糞污供需服務(wù)站建設(shè)、加大有機肥施用補貼力度、加強畜禽糞污資源化利用技術(shù)指導(dǎo)等措施手段,切實提升畜禽糞污資源化利用水平.
a) 化肥替代率為0.4時,全國果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量為143.5 kghm2;化肥替代率為0.5時,全國果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量為179 kghm2. 化肥替代率增加10%后,各省份果菜茶單位種植面積糞肥氮養(yǎng)分需求量平均增加38 kghm2. 第二次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)核算范圍內(nèi)氮素產(chǎn)生量為463.3×104t,糞肥氮素供給量為277.97×104t. 果菜茶單位種植面積氮素供給量各省份差異較大,全國平均為126.37 kghm2.
b) 化肥替代率為0.4時,全國各省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)在0.21~2.99之間,平均值為0.78. 北方省份承載壓力系數(shù)較高. 北京市、天津市等8個省份承載壓力系數(shù)大于1,平均值為1.51,最大值為吉林省,達(dá)2.99. 其余省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)均低于1,平均值為0.48. 化肥替代率為0.5時,全國各省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)在0.17~2.39之間,平均值為0.63. 天津市、吉林省等5個省份承載壓力系數(shù)大于1,最大值出現(xiàn)在吉林省,達(dá)2.39. 其余省份糞肥氮養(yǎng)分承載壓力系數(shù)均低于1,平均值為0.46.
c) 各省份畜禽養(yǎng)殖業(yè)可提供的糞污全部用于區(qū)域內(nèi)果菜茶作物施肥,平均單位種植面積糞肥養(yǎng)分供給量與單位面積氮素實際所需施用量之比在0.09~1.19之間. 糞肥可替代化肥的最高比率低于0.4的有河北省、浙江省、新疆維吾爾自治區(qū)等22個省份;最高替代率介于0.4~0.5之間的為山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧??;最高替代率介于0.5~0.7之間的省份有天津市、黑龍江省、西藏自治區(qū)、青海省.