劉金鑫，白林，周立新，王定國(guó)，劉一輝，薛佳

（1.四川省成都市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，四川 成都 611130；3.四川省畜牧總站，四川 成都 610041）

1 研究目的

基于氮平衡原理，根據(jù)土地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的承載能力，測(cè)算作物單位種植面積的載畜量，是實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合預(yù)防污染的基礎(chǔ)。在各地養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃實(shí)踐中，因?yàn)橐延械挠?jì)算模型［1-4］沒有考慮一些影響廢棄物還田的重要因素，得出的載畜量數(shù)據(jù)過大，存在著總體平衡和局部不平衡的問題。本研究基于氮平衡原理，在充分考慮各種影響?zhàn)B殖廢棄物資源化還田因素的前提下，引入距離系數(shù)、地形系數(shù)等新參數(shù)，對(duì)已有的載畜量計(jì)算模型進(jìn)行完善和修正，并利用新算法對(duì)成都市不同作物的單位土地面積載畜量進(jìn)行分析，以期為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)就近配套適合的種植基地提供科學(xué)依據(jù)。

2 分析方法

2.1 計(jì)算方式 單位土地面積載畜量是指單位土地面積內(nèi)能夠承載牲畜的最大容量，可用于指導(dǎo)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)建設(shè)中配套種植面積的多少。根據(jù)成都市畜禽養(yǎng)殖、種植現(xiàn)狀和地理環(huán)境條件，參考陳天寶等［5］計(jì)算模型中非約束條件和完全約束條件的概念，再引入糞肥還田耕地距離系數(shù)和地形系數(shù)概念，提出成都市單位土地面積載畜量計(jì)算公式。要計(jì)算出單位土地面積載畜量需先計(jì)算單位土地面積作物產(chǎn)量所需的氮含量，再與一個(gè)豬當(dāng)量提供的氮含量進(jìn)行比較，即得出單位土地面積載畜量計(jì)算公式：

式中，X表示單位土地面積載畜量；q表示作物單位面積產(chǎn)量；t表示不同植物形成1 kg產(chǎn)量需要吸收的氮量；k表示施肥供給養(yǎng)分占比；β表示糞肥占總施肥比例；α表示耕地距離系數(shù)；λ表示地形系數(shù)；a表示單位豬當(dāng)量的氮養(yǎng)分供給量；r表示氮素當(dāng)季利用率。根據(jù)公式先計(jì)算單位面積作物產(chǎn)量，然后結(jié)合不同植物形成1 kg 產(chǎn)量需要吸收的氮量、施肥供給養(yǎng)分占比、糞肥占總施肥比例、單位豬當(dāng)量的氮養(yǎng)分供給量和氮素當(dāng)季利用率來計(jì)算單位土地面積載畜量。單位土地面積載畜量主要受β、α和λ三個(gè)變量的影響，計(jì)算時(shí)可固定其中兩個(gè)變量來得出不同條件下的單位土地面積載畜量。

2.2 具體參數(shù)

2.2.1 豬當(dāng)量折算系數(shù) 由于畜種不同，計(jì)算時(shí)將其他畜種折算為豬當(dāng)量作為衡量畜禽氮排泄量的度量單位，1頭豬為1個(gè)豬當(dāng)量，其他畜種的折算系數(shù)根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596-2001）來確定，并用于后續(xù)分析。

2.2.2 成都市主產(chǎn)作物產(chǎn)量 成都市農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)以糧食作物、蔬菜和水果為主，其中水稻、小麥和玉米產(chǎn)量占糧食作物產(chǎn)量的85%以上，水果生產(chǎn)以蘋果和柑橘為主，通過查閱2014～2018年的《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒》，得到10種主要農(nóng)作物（水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物、蔬菜、茶葉、蘋果、柑橘）產(chǎn)量。本研究以水稻、玉米、油料作物、蔬菜等成都地區(qū)主要農(nóng)作物為研究對(duì)象，通過《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒-2018》獲得總產(chǎn)量和播種面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到單位土地面積作物產(chǎn)量（q）。

2.2.3 農(nóng)作物生產(chǎn)所需要的氮含量（t）本次未對(duì)農(nóng)作物單位產(chǎn)量的需氮量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，而直接采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公布的不同植物形成100 kg產(chǎn)量需要吸收的氮量推薦值來進(jìn)行計(jì)算；蔬菜吸收氮量的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)《土壤肥料學(xué)通論》［6］。

2.2.4 糞肥所提供的氮含量 本次研究綜合考慮畜禽糞污在貯存和發(fā)酵過程的留存率以及在不同階段的損失情況，參考《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》，最終采用單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量（a）為7.0 kg，其他畜禽日產(chǎn)生量采用豬當(dāng)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換獲得。

2.2.5 氮肥中氮素使用量 化肥中氮素的使用量采用折純法計(jì)算，即把氮肥、磷肥和鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之一百成分折算后的數(shù)量。通過查閱2014～2018 年的《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒》，得到氮肥中氮素的使用量。

2.2.6 氮素當(dāng)季利用率（r）指在氮肥施入后，當(dāng)季農(nóng)作物生長(zhǎng)所吸收的氮素占所施入氮素總量的比值，即氮肥的利用效率。氮素當(dāng)季利用率一般受土壤條件、作物種類、氣候條件、農(nóng)藝水平、環(huán)境條件等因素影響，如土壤中有機(jī)質(zhì)、pH值、土壤微生物等影響氮肥轉(zhuǎn)化的因素均對(duì)氮素當(dāng)季利用率產(chǎn)生影響。不同作物的氮素當(dāng)季利用率均不同，一般認(rèn)為C4植物的利用率高于C3植物，且不同氣候條件也會(huì)對(duì)氮素當(dāng)季利用率產(chǎn)生影響。根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》和《畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》（GB/T 26622-2011），確定氮素當(dāng)季利用率為25%～30%。

2.2.7 施肥供給養(yǎng)分占比（k）參考《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于印發(fā)＜畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南＞的通知》（農(nóng)辦牧〔2018〕1號(hào)）附表中“土壤不同氮磷養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比推薦值”。

2.2.8 糞肥占總施肥比例（β）β的取值范圍在0～1 之間，我們可將其分為三種情況，非約束條件、約束條件和完全約束條件。在非約束條件下，作物從肥料中吸收的氮素含量全部來源于畜禽糞肥，即只施用畜禽糞肥，不施用化肥，β＝1，此時(shí)單位土壤畜禽承載能力最大；在完全約束條件下，作物從肥料中吸收的氮素含量全部來源于化肥，即只施用化肥，不施用畜禽糞肥，β＝0，此時(shí)單位土壤畜禽承載能力最??；在約束條件下，化肥和畜禽糞肥按照一定比例施用，0＜β＜1。在實(shí)際生產(chǎn)中，常根據(jù)作物生長(zhǎng)養(yǎng)分需要和土壤養(yǎng)分含量的實(shí)際情況來確定化肥和畜禽糞肥的施用比例，β的取值處在約束條件下。要想充分利用畜禽養(yǎng)殖廢棄物，避免污染環(huán)境，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡，我們假設(shè)畜禽養(yǎng)殖廢棄物產(chǎn)生的氮素量全部還田使用，這樣可以計(jì)算出2013～2017年五年間成都市糞肥占總施肥比例為0.50、0.51、0.51、0.50和0.49，可見在氮肥使用量不變，畜禽糞肥被充分利用的情況下，成都市糞肥占總施肥比例取值為0.50。

2.2.9 耕地距離系數(shù)（α）在計(jì)算單位面積載畜量時(shí)，考慮畜禽糞污還田成本的因素，需加入耕地距離系數(shù)，增加計(jì)算準(zhǔn)確性。耕地距離系數(shù)指根據(jù)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)距離配套耕地遠(yuǎn)近所確定的計(jì)算指數(shù)，即α值，取值范圍在0～1之間。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)距離配套耕地越近取值越高，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來分析，以養(yǎng)殖場(chǎng)為中心，一般在方圓0～5 km范圍內(nèi)，畜禽糞污還田利用的運(yùn)輸成本較低，α取值1。超過5 km的以5為基數(shù)，除以實(shí)際還田距離，得出α實(shí)際取值，距離越遠(yuǎn)運(yùn)輸成本越高，養(yǎng)殖廢棄物還田越困難，α取值也越低。

2.2.10 地形系數(shù)（λ）在計(jì)算單位面積載畜量時(shí)，還需要考慮地形因素對(duì)畜禽糞污還田利用的影響，增加計(jì)算準(zhǔn)確性。地形系數(shù)指畜禽養(yǎng)殖廢棄物還田利用受地形因素影響，根據(jù)耕地所在的不同地形確定的計(jì)算指數(shù)，即λ值，取值范圍在0～1之間。成都市地形以平原為主，有少部分丘陵和山地。根據(jù)成都市地貌特征，將地形分為平原、淺丘、深丘、淺山和深山5種，按照還田利用難易程度，λ分別取值1、0.8、0.6、0.4和0.2。

3 結(jié)果

3.1 只有β值變動(dòng)情況下的單位土地面積載畜量計(jì)算結(jié)果 以耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km范圍為前提，α和λ取值為1。

計(jì)算時(shí)，q值及t值根據(jù)參考資料計(jì)算而得，k取值0.55，a取值7.0，r取值0.3。將以上測(cè)算出的數(shù)據(jù)帶入單位土地面積載畜量計(jì)算公式中，可以得出β取值在0～1之間的不同作物的單位土地面積載畜量。其中，β＝0.50 時(shí)為成都市目前單位土地面積載畜量推薦值，見表1。

表1 僅β值變動(dòng)下不同作物的單位土地面積載畜量 頭/畝

從測(cè)算結(jié)果看，在非約束條件下，成都市水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量（豬當(dāng)量單位）分別為3.80頭/畝、2.80 頭/畝、2.66 頭/畝、3.91 頭/畝、0.40 頭/畝、3.73 頭/畝和2.88 頭/畝（1 畝≈667 m2，下同）。在約束條件下，β＝0.50，即目前成都市畜禽養(yǎng)殖廢棄物實(shí)際產(chǎn)生量得以充分循環(huán)利用的情況下，水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量（豬當(dāng)量單位）分別為1.90 頭/畝、1.40 頭/畝、1.33 頭/畝、1.95 頭/畝、0.20頭/畝、1.86頭/畝和1.44頭/畝。

3.2 只有α值變動(dòng)情況下的單位土地面積載畜量計(jì)算結(jié)果 以耕地處于平原地區(qū)且糞肥與化肥1∶1混施為前提，λ取值1，β取值0.50，計(jì)算得出不同作物的單位土地面積載畜量，見表2。

表2 僅α值變動(dòng)下不同作物的單位土地面積載畜量頭/畝

3.3 只有λ值變動(dòng)情況下的單位土地面積載畜量計(jì)算結(jié)果 以耕地與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km范圍且糞肥與化肥1∶1 混施為前提，α取值1，β取值0.50，在耕地位于平原地區(qū)、丘陵地區(qū)和高山地區(qū)時(shí)，計(jì)算得出不同作物的單位土地面積載畜量，見表3。

表3 僅λ值變動(dòng)下不同作物的單位土地面積載畜量 頭/畝

4 分析與討論

4.1 單位土地面積載畜量計(jì)算公式的合理性 本研究提出的單位土地面積載畜量計(jì)算公式以氮平衡原理為前提，參考計(jì)算模型中非約束條件和完全約束條件的概念，充分考慮了施肥占比、還田距離、養(yǎng)殖場(chǎng)地理位置等因素對(duì)糞肥還田利用的影響，使得計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡，配套適宜的種養(yǎng)殖規(guī)模更具有實(shí)際操作性。

4.2 不同作物的單位土地面積載畜量不同 本研究結(jié)果表明，不同作物的單位土地面積載畜量不同，載畜量最大的是大豆，其次是水稻和油料作物，最差的是馬鈴薯，其次是玉米和小麥。需氮量越高的農(nóng)作物，對(duì)肥料的需求量就越大，可消納的畜禽養(yǎng)殖廢棄物就越多。油料作物和茶葉對(duì)氮需求量較大，在畜禽養(yǎng)殖數(shù)量較多的地區(qū)種植油料作物和茶葉，可以充分利用畜禽糞肥，降低畜禽養(yǎng)殖廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。相應(yīng)地，我們也可以根據(jù)成都市當(dāng)前農(nóng)作物主產(chǎn)或分布區(qū)域來指導(dǎo)養(yǎng)殖場(chǎng)的分布，即鼓勵(lì)在單位土地面積載畜量大的地區(qū)發(fā)展規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)，而在單位土地面積載畜量小的區(qū)域采取限養(yǎng)措施。這也與成都市當(dāng)前劃定的禁限養(yǎng)區(qū)相吻合，已劃定的適養(yǎng)區(qū)都有較好的農(nóng)作物資源，例如彭州市是重要的蔬菜產(chǎn)地，崇州市是糧油生產(chǎn)基地，蒲江縣、邛崍市是水果、茶葉生產(chǎn)基地。

5 結(jié)論

本研究基于氮平衡原理來測(cè)算成都市畜禽糞污環(huán)境承載能力，主要得出以下結(jié)論：

5.1 以豬當(dāng)量單位計(jì)，在耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km 范圍的非約束條件下，成都市水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量分別為3.80 頭/畝、2.80 頭/畝、2.66 頭/畝、3.91 頭/畝、0.40 頭/畝、3.73頭/畝和2.88頭/畝。

5.2 以豬當(dāng)量單位計(jì)，在耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km 范圍的約束條件下，β＝0.50，即目前成都市畜禽養(yǎng)殖廢棄物實(shí)際產(chǎn)生量得以充分循環(huán)利用的情況下，水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量分別為1.90 頭/畝、1.40 頭/畝、1.33 頭/畝、1.95頭/畝、0.20頭/畝、1.86頭/畝和1.44頭/畝。