基于種養(yǎng)平衡的湖南省畜禽養(yǎng)殖土地承載力分析

杜紅梅，陳思暢

(湖南農(nóng)業(yè)大學 商學院，湖南 長沙 410128)

隨著我國畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖水平不斷提高，所產(chǎn)生的畜禽糞污日益增加，成為農(nóng)村面源污染的重要污染源之一。通過種養(yǎng)結合模式，最大限度的利用農(nóng)田消納畜禽糞便的營養(yǎng)成分，加強糞肥的農(nóng)田施用管理，是解決畜禽養(yǎng)殖廢棄物環(huán)境污染最經(jīng)濟、最直接有效的方法[1-3]。關于利用種養(yǎng)結合模式消納畜禽糞污的研究重點是土地畜禽承載力的研究。學者們根據(jù)“以種定養(yǎng)”思想提出區(qū)域種養(yǎng)平衡，并利用土壤氮、磷養(yǎng)分平衡法構建農(nóng)田耕地消納畜禽糞污模型以評估區(qū)域畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境負荷[4-8]。此外，有學者從系統(tǒng)分析法入手研究畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境承載力[9-10]。有學者將種養(yǎng)平衡理論的原理運用到測算地區(qū)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力中，根據(jù)當?shù)剞r(nóng)作物的產(chǎn)量估算畜禽養(yǎng)殖的合理規(guī)模[11-12]，為區(qū)域的養(yǎng)殖業(yè)優(yōu)化布局提供了參考依據(jù)。但多數(shù)研究未能結合研究區(qū)域資源稟賦、自然條件以及種養(yǎng)習慣等因素，難免造成測算結果的理想化，與現(xiàn)實情況產(chǎn)生較大偏差；此外，多數(shù)學者測算畜禽養(yǎng)殖土地承載力，未能綜合考慮農(nóng)作物對氮、磷兩種養(yǎng)分的畜禽承載力，也沒有以此為依據(jù)得到理論上比較精確的地區(qū)最大畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與存量。

湖南省地處長江經(jīng)濟帶中游地區(qū)，境內湘、資、沅、澧四條水系匯集于洞庭湖，年降水量豐沛，氣候適宜，具有優(yōu)越的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)資源稟賦條件，是我國畜禽產(chǎn)品的主產(chǎn)省，畜禽養(yǎng)殖業(yè)是湖南省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要引擎。本文利用2016年種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的數(shù)據(jù)，分析各種農(nóng)作物對氮、磷養(yǎng)分的需求，測算畜禽養(yǎng)殖的土地承載能力和畜禽養(yǎng)殖承載規(guī)模，為優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖布局提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 區(qū)域內土地可承納的糞肥氮、磷總量

根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》，綜合湖南省大田作物、蔬菜水果、其他經(jīng)濟作物的種類和實際產(chǎn)量水平，選取湖南省2016年17種農(nóng)作物進行養(yǎng)分測算，能夠比較全面的代表區(qū)域內農(nóng)作物總氮、磷養(yǎng)分的需求。實際產(chǎn)量如表1所示。

表1 2016年湖南省不同地區(qū)農(nóng)作物種植規(guī)模[13]

區(qū)域農(nóng)作物總氮、磷養(yǎng)分總需求量計算公式如下：

An,i=∑(Pr,i×Qi×10-2)

(1)

式中：An,i為區(qū)域內第i種植物n類養(yǎng)分需求總量(t/年)；Pr,i為區(qū)域內第i種作物總產(chǎn)量(t/年)；Qi為區(qū)域內第i種作物的100 kg收獲物需氮(磷)量(kg)。參數(shù)設置參考文獻[14]中不同作物的100 kg收獲物需氮(磷)量。

不同土壤肥力下農(nóng)作物氮、磷總養(yǎng)分需求中需要施肥的比例、糞施用的比例和糞肥當季利用效率都有所差異，因此，需要根據(jù)地區(qū)土壤實際情況對(1)中結果進行調整，得到區(qū)域內農(nóng)作物糞肥養(yǎng)分實際需求量，計算公式如下：

An,m=(An,i×FP×MP)/MR

(2)

式中：An,m為區(qū)域內第m種農(nóng)作物第n類糞肥養(yǎng)分需求量(t/年)；FP為作物總養(yǎng)分需求中施肥供給養(yǎng)分占比(%)；有機肥和化學肥料各有優(yōu)勢，農(nóng)作物要實現(xiàn)優(yōu)質高產(chǎn)應將有機肥和化學肥料配合使用。有機肥和化學肥料的施用適宜比例是40%～60%[14]，取中間值50%為有機糞肥的施用比例；MP為畜禽糞肥養(yǎng)分需求量占施肥總量的比例(%)，湖南省土壤面積中46.49%為紅壤，24%為水稻土[15]，不同區(qū)域土壤氮、磷養(yǎng)分水平不同，按不同養(yǎng)分水平土壤的施肥供給養(yǎng)分占比推薦值，氮、磷施肥養(yǎng)分供給率分別按50%和40%取值；MR為糞肥當季利用率(%)，參考賀博[16]的研究，氮、磷當季利用率取值30%和35%。

1.2 區(qū)域內畜禽糞污氮、磷養(yǎng)分供給量

選取了2016年湖南省14個地州市生豬、肉牛、奶牛、羊和肉雞五種有代表性的畜禽的年末存欄量[13]，根據(jù)主要畜禽種類的日排泄氮磷標準[14]，以及主要畜禽種類的存量，測算區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分產(chǎn)生量，其公式如下：

Qr,p=∑Qr,p,i=∑APr,i×MPr,i×365×10-6

(3)

式中:Qr,p為區(qū)域內畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量(t/年)；Qr,p,i為區(qū)域內第i種畜禽糞便產(chǎn)生量(t/年)；APr,i為第i種畜禽年均存欄量(頭，只)；MPr,i為第i種畜禽糞便中氮磷的日產(chǎn)生量(g/天·頭-1)。

畜禽糞污養(yǎng)分產(chǎn)生后，不同的糞污收集方式下得到的氮、磷元素的比例是不相同的，養(yǎng)分收集方式計算公式如下：

Qr,c=∑Qr,c,i=∑∑Qr,p,i×PCi,j×PLj

(4)

式中：Qr,c為區(qū)域內畜禽糞污的收集總量(t/年)；Qr,c,i為區(qū)域內第i種畜禽糞污養(yǎng)分收集量(t/年)；Qr,p,i為區(qū)域內第i種畜禽糞污養(yǎng)分產(chǎn)生量(t/年)；PCi,j為第i種畜禽在第j種清糞方式所占比例(%)；PLj為第j種清糞方式下氮(磷)養(yǎng)分的收集率(%)。根據(jù)文獻[14]的測算方法與標準，本研究考慮3種畜禽糞污收集方式的氮(磷)留存率，其中墊草墊料收集方式下的氮(磷)留存率設定為 84.5%(95%)；干清糞收集方式下的氮(磷)留存率設定為88%(95%)；水沖糞收集方式下的氮(磷)留存率設定為87%(95%)。

畜禽糞污經(jīng)過一定處理后施用于農(nóng)田，可供農(nóng)作物吸收的總養(yǎng)分供給量計算公式如下：

Qr,Tr=∑Qr,Tr,i=∑∑Qr,c,i×PCi,k×PLk

(5)

式中:Qr,Tr為區(qū)域內畜禽糞污處理后養(yǎng)分供給量(t/年)；Qr,Tr,i表示區(qū)域第i種畜禽糞污處理后的養(yǎng)分供給量(t/年)；PCi,k為第i種畜禽在第k種處理方式所占比例(%)，PLk為第k種處理方式下氮(磷)養(yǎng)分留存率(%)。為方便進行不同畜禽種類糞污產(chǎn)生量計算，根據(jù)畜禽糞污處理研究學術慣例，本研究按豬當量對各類畜禽糞污產(chǎn)生量進行測度，其度量標準為：1頭豬為1個豬當量，1個豬當量相當于0.15頭奶牛、0.3頭肉牛、2.5只羊、25只家禽[14]。

不同畜禽糞污處理模式下氮(磷)留存率存在差異，依據(jù)文獻[14]本研究考慮五種畜禽糞污處理方式，其氮(磷)留存率按直接還田63.5%(80%)、生產(chǎn)有機肥 68.5%(76.5%)、厭氧發(fā)酵95%(75%)、生產(chǎn)沼氣 75%(75%)、無處理的氮(磷)留存率0(0)。

2014—2018年湖南省養(yǎng)殖糞污收集和處理方式調查結果如表2。

表2 湖南省各地區(qū)畜禽糞污收集方式和處理方式比例

1.3 區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)

畜禽糞污土地承載力是將區(qū)域農(nóng)作物總的糞肥養(yǎng)分需求量除以單位豬當量糞肥養(yǎng)分供給量，得到的區(qū)域理論最大養(yǎng)殖量(以豬當量計)，計算公式為：

(6)

式中:R為區(qū)域畜禽以作物糞肥養(yǎng)分需求為基礎的最大養(yǎng)殖豬當量；NUr,m為區(qū)域農(nóng)作物糞肥養(yǎng)分需求量(kg/年)；NSr,a為豬當量糞肥養(yǎng)分供給量(kg/豬當量·年)。

區(qū)域內各種畜禽實際存欄量(以豬當量計)與區(qū)域畜禽最大養(yǎng)殖量(以豬當量計)之間的比值，稱為區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)。計算公式為：

(7)

式中：I為區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)；A為區(qū)域內折算成豬當量的畜禽年末存欄總量；R為區(qū)域以作物糞肥養(yǎng)分為需求的最大養(yǎng)殖豬當量。當I大于1時，表明畜牧養(yǎng)殖規(guī)模過大，其糞便養(yǎng)分排出超出了種植作物的養(yǎng)分需求；當I在0.8～1.0之間時，種養(yǎng)規(guī)模接近平衡，是較為理想的狀態(tài)；當I小于0.8時，表明區(qū)域畜牧養(yǎng)殖排放的糞便養(yǎng)分不能滿足種植作物生長的需要，畜牧業(yè)還有較大的環(huán)境容量。

2 結果與討論

2.1 基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)養(yǎng)分需求的畜禽養(yǎng)殖土地承載力

由表3可知，湖南省氮養(yǎng)分土地承載力為46.57%，磷養(yǎng)分土地承載力為35.06%。參照國內外農(nóng)田畜禽糞便負荷分級方法[17-20]，目前湖南省畜禽養(yǎng)殖土地承載力水平較低，省內農(nóng)作物種植完全能消納區(qū)域內的畜禽養(yǎng)殖糞污所產(chǎn)生的養(yǎng)分，無超出承載能力的環(huán)境污染風險，意味著湖南省畜禽規(guī)模養(yǎng)殖還有進一步發(fā)展的空間。不同地區(qū)氮(磷)土地承載力存在一定的差異，氮(磷)土地承載力水平呈三個層次，湘西南地區(qū)土地承載力指數(shù)普遍偏高，長株潭地區(qū)總體略高于湖南省平均水平，湘西北、湘中地區(qū)和湘東北地區(qū)土地承載力指數(shù)較低。湘西南邵陽市有4個地區(qū)出現(xiàn)氮養(yǎng)分超載和2個地區(qū)出現(xiàn)磷養(yǎng)分超載，這些地區(qū)均位于湖南省的南部，農(nóng)業(yè)歷史悠久，人口眾多，各類畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，由于多為山區(qū)林地，耕地面積相對不足，造成總體出現(xiàn)超載現(xiàn)象，畜禽糞污沒有足夠的農(nóng)田消納；長株潭地區(qū)的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平相對較高，人口多，城市面積較大，農(nóng)作物耕種面積較少，導致土地承載力指數(shù)總體略高于平均水平；而湘西北地處山區(qū)，為喀斯特地貌，養(yǎng)分流失較大，該地區(qū)人口密度較小，農(nóng)作物種植種類較多，因此土地承載力較小；湘中地區(qū)雖畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，但衡陽、婁底兩市農(nóng)作物耕種面積大，農(nóng)作物養(yǎng)分需求足以消納區(qū)域內畜禽糞污產(chǎn)生的養(yǎng)分，其土地承載力指數(shù)也相對較低；湘東北地區(qū)地處洞庭湖平原，是全國重要的糧食生產(chǎn)基地，地域廣闊，水資源豐富、種植業(yè)發(fā)達，因此有足夠的農(nóng)作物來消納養(yǎng)殖糞肥，是湖南省地區(qū)土地承載力指數(shù)最低的區(qū)域。

表3 2016年湖南省各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖土地承載力指數(shù)

由表3可見，全省76.2%的地區(qū)土地承載力系數(shù)小于0.8，尤其是湘西北和洞庭湖地區(qū)，湘西北有著名的武陵源風景區(qū)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展受到限制，在不損害其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提下，可以適度提高養(yǎng)殖的數(shù)量，滿足省內對畜禽產(chǎn)品的需求；洞庭湖區(qū)實行了嚴格的環(huán)境規(guī)制，一旦受到環(huán)境污染，畜禽養(yǎng)殖糞污排入湖泊水體中，能迅速引起湖區(qū)富營養(yǎng)化，給當?shù)卦斐筛髶p失，因此該地區(qū)雖然發(fā)展畜禽養(yǎng)殖還存在較大空間，也應該切實控制養(yǎng)殖數(shù)量。種養(yǎng)平衡區(qū)和超載區(qū)分別占10.7%和13.1%，主要集中在湘西南和湘南地區(qū)以及部分城區(qū)。對于種養(yǎng)平衡區(qū)，應該控制畜禽養(yǎng)殖數(shù)量進一步增長，提前做好畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃；而對于養(yǎng)殖超載區(qū)則應當適當控制并減少畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量，適度把養(yǎng)殖規(guī)模轉移到周邊環(huán)境負荷較小的郊區(qū)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局。

由表4可見，湖南省存在畜禽土地承載力氮、磷養(yǎng)分超載，這些超載縣(市、區(qū))其中大多位于湘西南丘陵地區(qū)，少數(shù)位于長株潭城市核心區(qū)，湘西南地區(qū)的城步苗族自治縣是全省畜禽養(yǎng)殖超載最嚴重的地區(qū)，基于氮、磷的土地承載力指數(shù)分別高達194.62%和145.10%，這與當?shù)匦笄葙Y源化利用方式落后和山地不適宜耕種有關；而長沙、湘潭兩市一共出現(xiàn)了4個氮超載地和2個磷超載地，主要原因是隨著工業(yè)化、城市化推進，城市建筑及公共設施密集，可消納畜禽糞污的農(nóng)用地十分有限。出現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖土地承載力超標的地區(qū)多位于城區(qū)，16個氮養(yǎng)分超載縣(市、區(qū))和8個磷養(yǎng)分超載縣(市、區(qū))中，分別有9個和3個位于市轄區(qū)，占比為56.25%和37.50%。其主要原因是：一方面這些區(qū)域人口密度較大，居民畜禽產(chǎn)品的需求量較大，而區(qū)域農(nóng)用地面積不足，難以消納區(qū)域內所產(chǎn)生的畜禽糞污；另一方面，地方政府對畜禽規(guī)模養(yǎng)殖缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，對畜禽規(guī)模養(yǎng)殖放任發(fā)展，在進行審批時未從全局考慮畜禽糞污處理問題。

表4 湖南省各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖土地承載力空間分布

2.2 基于土地承載力的各地區(qū)最大畜禽養(yǎng)殖量與剩余養(yǎng)殖存量

根據(jù)氮、磷養(yǎng)分平衡理論，可以根據(jù)一個地區(qū)現(xiàn)有農(nóng)作物的種植結構與規(guī)模估算得到氮養(yǎng)分平衡下能承載的以生豬為當量的最大畜禽數(shù)量和磷養(yǎng)分平衡下能承載的以生豬為當量的最大畜禽數(shù)量，考慮畜禽養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境污染存在一定的風險，為了降低風險，本文取氮、磷養(yǎng)分中較低的一個規(guī)模作為區(qū)域適宜發(fā)展畜禽養(yǎng)殖的最大理論規(guī)模，并根據(jù)最大承載規(guī)模與地區(qū)實際養(yǎng)殖規(guī)模的差距估算出地區(qū)剩余養(yǎng)殖存量，為各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與優(yōu)化調整提供參考依據(jù)。

由表5可知，湖南省2016年的農(nóng)作物規(guī)模最多可消納18204.9萬頭生豬排泄的氮、磷養(yǎng)分，湖南省總體的土地承載力為45.57%，2016年湖南省剩余養(yǎng)殖存量為10393.6萬頭，因此，從畜禽發(fā)展規(guī)?？傮w上看，湖南省畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模還有進一步發(fā)展的空間，在對畜禽養(yǎng)殖糞污充分利用和科學管控的前提下，可實現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益雙贏局面。具體來說，湘中地區(qū)、湘西北地區(qū)還可以適度擴大畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，如婁底、湘西州、株洲、懷化、衡陽等地的郊區(qū)可以引導增加畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量，既可以滿足當?shù)胤N植業(yè)對養(yǎng)分的需求，引導農(nóng)民通過種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)業(yè)增收，還能降低周邊區(qū)域的養(yǎng)殖壓力，從而最大限度減少畜禽規(guī)模養(yǎng)殖帶來的環(huán)境壓力。湘東北地區(qū)益陽、岳陽、常德等地，由于處于洞庭湖區(qū)，應該堅持環(huán)境保護優(yōu)先，限制養(yǎng)殖規(guī)模，避免污染進入水體，一方面可通過種植苗木、果蔬、中藥材等經(jīng)濟作物吸收糞肥養(yǎng)分，另一方面通過糞肥加工，進行污染轉移消納，切實做好地區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染防控。長株潭地區(qū)則應合理規(guī)劃養(yǎng)殖用地，引導養(yǎng)殖向城郊及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)轉移，避免出現(xiàn)畜禽糞污養(yǎng)分產(chǎn)出量的局部超載。而湘西南地區(qū)則應適當控制規(guī)模，邵陽、永州、郴州等市應積極開展畜禽糞污資源化利用，配置畜禽糞污資源化設施，推廣畜禽糞污資源化利用技術，嚴格控制新增畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖場，要求新增規(guī)模養(yǎng)殖場必須匹配有相應的、足額的糞污養(yǎng)分消納基地。

表5 基于土地承載力的湖南省畜禽最大承載量與剩余養(yǎng)殖存量(萬頭豬當量)

3 結 論

湖南省畜禽養(yǎng)殖氮、磷養(yǎng)分土地承載力總體上不超載，現(xiàn)有養(yǎng)殖量和理論最大養(yǎng)殖量之間仍有較大養(yǎng)殖存量，發(fā)展?jié)摿^大；各地畜禽養(yǎng)殖土地承載力大小不均衡，總體呈現(xiàn)南高北低的趨勢，湘西南、湘南地區(qū)土地承載力指數(shù)普遍大于湘東北和湘西北地區(qū)，邵陽、永州、郴州地區(qū)和長沙、湘潭一些城區(qū)是超載的主要地區(qū)；婁底、湘西州、株洲、懷化、衡陽的一些縣(市、區(qū))可以適度增加規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，其他地區(qū)則要合理規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模，避免環(huán)境污染。