新疆生產建設兵團畜禽糞便耕地負荷及土地承載力研究

郜興亮，劉福元*，翟中葳，楊井泉，毋 婷，張文濤

(1.新疆農墾科學院 畜牧獸醫(yī)研究所，新疆 石河子 832000； 2.農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；3.新疆生產建設兵團畜牧獸醫(yī)總站，新疆 烏魯木齊 830000)

畜禽糞污是畜牧業(yè)污染的主要來源。畜禽養(yǎng)殖及其糞便污染也早已引起國內學者的關注，我國每年畜禽糞污產生量達到了3.8×10t，但規(guī)?；陨闲笄蒺B(yǎng)殖糞污資源化率卻不足70%，大量的重金屬元素未經處理被排放到環(huán)境中，第一次污染源普查數(shù)據(jù)顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)化學需氧量(COD)排放量占農業(yè)源排放總量的96%，占全國總量的近一半，農業(yè)面源污染已經超過工業(yè)“三廢”成為環(huán)境污染的最大源頭。但畜禽糞污既是污染源也是一種寶貴的資源，畜禽養(yǎng)殖糞污中含有大量的有機物和N、P、K等營養(yǎng)物質，是可以合理開發(fā)利用的寶貴資源，對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的作用。

新疆生產建設兵團農業(yè)相對發(fā)達，有大面積的棉花與林果種植區(qū)，但兵團地域遼闊，各個農業(yè)師之間相距較遠，過長的運輸距離限制了畜禽糞污異地消納，就近還田是兵團畜禽糞污的主要處理方式。歐盟農業(yè)政策規(guī)定，糞肥年施氮的限量標準為0.17 t/hm，超過這個極限值，將會帶來硝酸鹽的淋洗，極易造成對土壤和水體環(huán)境的污染。土壤糞便年施磷量不能超過35×10t/hm，過量會引起土壤磷的淋洗。影響區(qū)域畜禽糞污土地承載力的因素有很多，包括該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖數(shù)量與品種、主要農作物品種、土地養(yǎng)分含量、施用有機肥替代化肥的比例、氮磷當季利用率等。近年來，兵團畜牧業(yè)發(fā)展迅速，也從傳統(tǒng)畜牧業(yè)向現(xiàn)代畜牧業(yè)不斷轉型，規(guī)?；⒓s化和現(xiàn)代化比重的不斷提高，畜禽糞污資源化利用程度如何提高，是目前亟待解決的問題。

本研究依據(jù)《兵團統(tǒng)計年鑒(2019年)》中的數(shù)據(jù)，估算了兵團畜禽糞污產生量及其中的N、P含量，測算了2019年兵團耕地畜禽糞便負荷量、氮素負荷量、磷素負荷量、農田氮磷需求量，并進行了畜禽糞污土地承載力分析，以期為兵團今后畜禽養(yǎng)殖廢棄物的綜合管理及合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐，從而促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 兵團畜禽飼養(yǎng)期與飼養(yǎng)量 本研究的畜禽飼養(yǎng)量數(shù)據(jù)來源于《兵團統(tǒng)計年鑒(2019年)》公布的統(tǒng)計資料，數(shù)據(jù)截止時間為2019年年底。年鑒中主要統(tǒng)計的畜種有：牛、馬、驢、豬、羊、家禽、兔。主要統(tǒng)計指標為類畜禽相應的生長周期、年存欄數(shù)、出欄數(shù)。

2019年全兵團奶牛飼養(yǎng)量為25.31×10頭，肉牛飼養(yǎng)量為27.18×10頭：馬飼養(yǎng)量為4.05×10匹，驢飼養(yǎng)量為1.24×10頭；能繁母豬飼養(yǎng)量為25.21×10頭，育肥豬飼養(yǎng)量為499.9×10頭；羊飼養(yǎng)量為406.15×10只；蛋雞飼養(yǎng)量為1440.46×10羽，肉雞飼養(yǎng)量為3386.07×10羽；兔飼養(yǎng)量為184.48×10只。

1.1.2 畜禽糞便排泄系數(shù) 畜禽糞便的日排泄量受到很多因素的影響，包括品種、體重、生理狀態(tài)、飼料組分和飼喂方式等。我國目前尚沒有相應的國家標準，本文中奶牛、馬、驢、蛋雞、肉雞選用了王方浩等排泄指標及其中養(yǎng)分含量作為參考；肉牛、育肥豬、能繁母豬、羊、兔選用了包維卿等排泄指標及其中養(yǎng)分含量作為參考。估算畜禽產生的糞便總量及選用畜禽糞便養(yǎng)分含量系數(shù)時均采用的是畜禽直接排泄的新鮮糞便總量及養(yǎng)分含量(見表1)。

表1 畜禽糞便排泄系數(shù)及其中的養(yǎng)分含量Table 1 Excretion coefficient of livestock and poultry excrement and its nutrient content

1.1.3 作物種植面積與產量 本研究中兵團作物種植面積與產量數(shù)據(jù)來源于《兵團統(tǒng)計年鑒(2019年)》公布的統(tǒng)計資料，數(shù)據(jù)截止時間為2019年年底。確定出2019年兵團14個師水稻、小麥、玉米、大麥、豆類、薯類、油料、棉花、甜菜、蔬菜、瓜果類、打瓜籽、苜蓿的種植面積和產量。2019年兵團農作物播種面積為138.489×10hm。

表2收集了兵團主要農作物形成100 kg經濟產量所需的N、P量數(shù)據(jù)，其中水稻、油料、小麥、棉花、玉米、甜菜、打瓜籽采用《新疆主要農作物營養(yǎng)套餐施肥技術》中數(shù)據(jù)；對大麥、豆類、薯類、苜蓿等使用了董紅敏等《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》中數(shù)據(jù)；蔬菜和瓜果類使用了邱樂豐等中的數(shù)據(jù)。

表2 主要農作物形成100 kg經濟產量N、P需求量Table 2 The amount of N and P needed for 100 kgeconomic yield of main crops kg

1.2 測算方法

1.2.1 畜禽糞便產生量測算

Q=N×T×P

式中：Q為年度糞便產生量；N為飼養(yǎng)量；T為

畜禽的飼養(yǎng)周期；P為畜禽每天排泄的固體糞便和尿液量。

1.2.2 畜禽糞便中純養(yǎng)分量測算

A=q×c

式中：A為畜禽糞便中養(yǎng)分量；q為畜禽糞便產生量；c為單位質量畜禽糞便養(yǎng)分含量。

1.2.3 豬糞當量換算系數(shù)

畜禽糞便負荷量指單位面積土地能夠消納的畜禽糞便量。由于各類畜禽糞便的肥效、養(yǎng)分差異較大，1個豬當量的氮排泄量為11.00×10t，磷排泄量為1.65×10t，將各類畜禽糞便按含氮、磷量換算為豬糞當量。

1.2.4 農田畜禽糞便養(yǎng)分負荷量

M=MNP÷A

式中：M為農田畜禽糞便養(yǎng)分負荷量；MNP為畜禽糞便養(yǎng)分含量；A為有效農田面積。

1.2.5 畜禽養(yǎng)殖承載力分析 畜禽糞便在收集、貯存和處理過程中會有一部分損失，實際能夠供給農田的糞便養(yǎng)分量需要乘以一定的系數(shù)。按照董紅敏所示方法估算，N損失在35%，P損失在30%。取土壤氮磷Ⅱ級養(yǎng)分，有機肥施肥供給比例推薦值45%，將區(qū)域內農田養(yǎng)分需求量乘以糞肥施用比例，獲得該區(qū)域農田糞便養(yǎng)分需求量，再除以單位生豬一個飼養(yǎng)周期的N、P供給量，獲得區(qū)域農田以N、P計可承載的豬當量：

P=[M×P]÷[N×(1-P)]

式中：P為農田畜禽養(yǎng)殖承載力；M為區(qū)域內作物養(yǎng)分需求量；P為區(qū)域內畜禽糞便替代化肥的比例，取推薦值45%；N為單位生豬一個飼養(yǎng)周期的N、P排放量；P為糞便管理過程中的損失率，N取值35%，P取值30%。

2 結果與分析

2.1 畜禽糞便排放量

由表3可以看出，2019年兵團畜禽糞便排放量達到了1920.598×10t；進一步分析表明：豬>奶牛>羊>肉牛>家禽>馬驢>兔，其中豬為540.27×10t，奶牛為491.01×10t，羊為446.77×10t，肉牛為312.57×10t，家禽為94.96×10t，馬驢為30.1×10t，兔為4.61×10t?？梢?，牛場和豬場的糞污含水量大，是糞污處理和資源化利用的難點和重點。

表3 2019年兵團畜禽糞便產生量與氮、磷素養(yǎng)分及耕地負荷Table 3 Livestock and poultry excrement production amount, N and P nutrients and farmland load in XPCC, 2019

2.2 農田畜禽糞便養(yǎng)分負荷

2.2.1 畜禽糞便耕地負荷 由表3可以看出，2019年兵團耕地總面積1384.5×10hm，耕地畜禽糞便負荷13.872 t/hm，其中平均耕地負荷在20 t/hm以上的有第四師、第十二師、第十三師和第十四師；平均耕地負荷在15～20 t/hm的有第二師和第九師；平均耕地負荷在10～15 t/hm的有第五師、第六師、第七師、和第八師和第十師；平均耕地負荷在10 t/hm以下的有第一師和第三師。說明兵團各師的畜禽養(yǎng)殖量可適度增加。兵團2019年耕地畜禽糞便負荷量13.872 t/hm，我國2016年耕地畜禽糞便負荷量為35.66 t/hm。研究發(fā)現(xiàn)，安康市2014年耕地畜禽糞便負荷量為30.4957 t/hm，2013年秦皇島市耕地畜禽糞便負荷量為3.07 t/hm， 2016年山西省耕地畜禽糞便負荷量為11.36 t/hm，黑龍江墾區(qū)2016年耕地畜禽糞便負荷量為1.15 t/hm，全國的耕地畜禽糞便負荷量是兵團的2.57倍，山西省、秦皇島市、安康市的耕地畜禽糞便負荷量也明顯低于全國水平，說明除畜牧業(yè)大省外，部分省市還有很大的發(fā)展空間。

2.2.2 畜禽糞便純氮養(yǎng)分耕地負荷 由表3可以看出，2019年兵團畜禽糞便平均氮素負荷70.574×10t/hm，其中平均氮素負荷在170×10t/hm以上的是第十四師，達到了380.769×10t/hm，超過極限值；平均氮素負荷在120～170×10t/hm的有第四師、第十二師和第十三師，分達到了133.155×10t/hm、145.729×10t/hm、143.793×10t/hm，接近極限值；平均氮素負荷在70～120×10t/hm的有第九師、第十師；平均氮素負荷在70×10t/hm以下的有第一師、第三師、第五師、第六師、第七師和第八師。史瑞祥等報道，安康市2010年耕地畜禽糞便氮養(yǎng)分負荷量為183.573×10t/hm，全國2016年耕地畜禽糞便氮養(yǎng)分負荷量為150.02×10t/hm，李丹陽等報道，山西省2016年農田畜禽糞便氮養(yǎng)分負荷量為63.28×10t/hm。兵團畜禽糞便N負荷量低于上述對比地區(qū)。

2019年兵團畜禽養(yǎng)殖氮素排泄總量達到了9.771×10t(折合成尿素為21.64×10t)；進一步分析表明：羊>奶牛>豬>肉牛>家禽>馬驢>兔，其中羊為4.53×10t，奶牛為1.723×10t，肉牛為1.097×10t，豬為1.287×10t，家禽為0.98×10t，馬驢為0.113×10t，兔為0.04×10t。2019年兵團農用化肥中氮肥使用量折純?yōu)?4.7051×10t，是同年畜禽養(yǎng)殖氮素排泄總量的3.55倍。

2.2.3 畜禽糞便純磷養(yǎng)分耕地負荷 由表3可以看出，2019年兵團畜禽糞便平均磷素負荷0.017725 t/hm，其中平均磷素負荷在35×10t/hm以上的有第十二師、第十三師、第十四師超過極限值；平均磷素負荷在25～35×10t/hm的有第四師，達到31.951×10t/hm，接近極限值；平均磷素負荷在15～25×10t/hm的有第二師、第七師、第十師和第十二師；均磷素負荷在15×10t/hm以下的有第一師、第三師第五師、第八師和第九師。研究表明，山西省2016年耕地畜禽糞便磷養(yǎng)分負荷量為20.32×10t /hm，安康市2014年農田畜禽糞便磷養(yǎng)分負荷量為55.493×10t /hm，說明兵團局部地區(qū)磷養(yǎng)分負荷量超過極限值，但平均N負荷量遠低于上述對比地區(qū)。

由表3可以看出，2019年兵團畜禽養(yǎng)殖磷素排泄總量達到了2.454×10t(折合成PO為5.62×10t)。進一步研究表明：羊>奶牛>豬>家禽>肉牛>馬驢>兔，其中羊為0.965×10t，奶牛為0.403×10t，肉牛為0.256×10t，豬為0.4×10t，家禽為0.392×10t，馬驢為0.023×10t，兔為0.014×10t。2019年兵團農用化肥中磷肥使用量折純?yōu)?3.8493×10t，是同年畜禽養(yǎng)殖氮素排泄總量的5.64倍。

2.4 畜禽養(yǎng)殖承載力

從表4可知，兵團農田畜禽養(yǎng)殖承載以N、P計分別為2227.825×10和3570.297×10頭豬當量，實際飼養(yǎng)量占承載量的29.872%和31.657%，承載潛力分別為60.128%和58.343%，說明從土地承載力來看，兵團發(fā)展畜牧業(yè)的空間還很大，但是各師養(yǎng)殖潛力差異較大。各師以N、P計承載潛力作為參考標準，第十四師已經超負荷養(yǎng)殖，第四師養(yǎng)殖潛力還有2.303%，第九師養(yǎng)殖潛力還有4.516%，其余各師還有較大養(yǎng)殖潛力。

表4 2019年兵團畜禽養(yǎng)殖農田承載量Table 4 Farmland capacity of livestock and poultry in XPCC, 2019

3 討 論

本研究通過兵團養(yǎng)殖現(xiàn)狀，結合前人研究成果進行分析，發(fā)現(xiàn)2019年兵團畜禽糞便排放量達到1920.598×10t，豬>奶牛>羊>肉牛>家禽>馬驢>兔，若將養(yǎng)殖污水總量計入，牛場的糞污總量要超過羊場，且糞污含水量大，是糞污處理和資源化利用的難點和重點。

目前，糞便還田是我國畜禽糞便處理的主要出路，農田畜禽糞便負荷量可以間接衡量當?shù)匦笄蒿曫B(yǎng)密度及畜牧業(yè)布局的合理性。根據(jù)畜禽種類和區(qū)域特點，農田畜禽糞便負荷量會有所變化，《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調查及防治對策》中提出：每公頃農田能夠負荷的畜禽糞便約為30～45 t，如果高于這一水平會導致土壤富營養(yǎng)化，對環(huán)境產生影響，從環(huán)境風險的角度考慮，以最低限度30 t為最大理論適宜量。歐盟農業(yè)政策規(guī)定，糞肥年施氮的限量標準為0.17 t/hm，超過這個極限值，將會帶來硝酸鹽的淋洗，極易造成對土壤和水體環(huán)境的污染。2019年兵團畜禽糞便平均氮素負荷0.070574 t/hm，其中第十四師負荷量最高，達到380.769×10t/hm；畜禽養(yǎng)殖氮素排泄總量達到9.771×10t(折合成尿素20.87×10t)；農用化肥中氮肥使用量折純?yōu)?4.7051×10t，是同年畜禽養(yǎng)殖氮素排泄總量的3.55倍。

土壤糞便年施磷量不能超過35×10t/hm，過量則會引起土壤磷的淋洗。2019年兵團畜禽糞便平均磷素負荷0.017725 t/hm，其中第十二師、第十三師、第十四師，分別為35.176×10t/hm、35.466×10t/hm、90.385×10t/hm，超過極限值；畜禽養(yǎng)殖磷素排泄總量達到2.454×10t(折合成PO為5.62×10t)；農用化肥中磷肥使用量折純?yōu)?3.8493×10t，是同年畜禽養(yǎng)殖氮素排泄總量的5.64倍。2019年兵團農作物N、P需求量分別為35.398×10t、9.164×10t；畜禽糞便扣除流失的N、P后所能提供的N、P量分別為6.38×10t、1.718×10t；根據(jù)數(shù)據(jù)來看，兵團整體畜禽糞便可完全被農田消納，各師畜禽糞便也可完全被農田消納，但是師域范圍較大，且?guī)熡騼刃笄菁S便產生空間上的不均衡性，不排除畜禽糞便在局部地區(qū)直接存在著土壤和水體的N、P污染問題。

2019年兵團農田畜禽養(yǎng)殖承載以N、P計分別為2227.825×10和3570.297×10頭豬當量，實際飼養(yǎng)量占承載量的29.872%和41.657%，承載潛力分別為60.128%和58.343%，從土地承載力來看，兵團發(fā)展畜牧業(yè)的空間還很大。