湖北省秸稈和畜禽糞污還田化肥替減潛力與環(huán)境承載力分析

董心怡，李 晶，鞏細民，張洋洋，李小坤，任 濤，陸志峰，叢日環(huán)，魯劍巍

湖北省秸稈和畜禽糞污還田化肥替減潛力與環(huán)境承載力分析

董心怡1,2，李 晶3，鞏細民3，張洋洋1,2，李小坤1,2，任 濤1,2，陸志峰1,2，叢日環(huán)1,2※，魯劍巍1,2

（1. 華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070；2. 農業(yè)農村部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；3. 湖北省耕地質量與肥料工作總站，武漢 430070）

湖北省畜禽業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖水平顯著提高，秸稈資源量逐年提升，農業(yè)廢棄物還田不僅可以減少農業(yè)面源污染，還可以減少化肥施用。該研究將湖北省分為5個種植區(qū)域（即鄂東南低山丘陵區(qū)、鄂北低山丘崗區(qū)、鄂西北山地區(qū)、鄂中平原區(qū)以及鄂西南山地區(qū)）。基于2019年－2020年統(tǒng)計數據，收集不同區(qū)域主要畜禽（豬、肉牛、奶牛、羊、肉雞、蛋雞）的存欄量、出欄量以及飼養(yǎng)周期，主要農作物種植面積和經濟產量，計算湖北省畜禽糞污的養(yǎng)分供給量，評估不同區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖現狀是否超過土地承載畜禽糞污的最大容許數量。根據不同農作物的草谷比以及秸稈養(yǎng)分含量，計算出湖北省農作物秸稈的養(yǎng)分資源量以及養(yǎng)分還田量。湖北省不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖量均未超出當地最大承載容納量，其中鄂北地區(qū)的土地承載力指數最高，達到了0.35～0.78，鄂中地區(qū)的土地承載力指數僅在0.17～0.54，有較大的空間來發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)。2019年湖北省畜禽糞污養(yǎng)分資源量分別為36.89萬t N、14.03萬t P2O5、52.06萬t K2O。按照畜禽糞污肥料化還田率65%計算，畜禽糞肥的養(yǎng)分還田總量分別為23.98萬t N、9.12萬t P2O5、33.70萬t K2O，理論可替減化肥比例分別為17.3%、11.9%、56.2%。湖北省主要農作物秸稈資源總量以鄂中地區(qū)秸稈資源量最高，鄂西北地區(qū)最低。當前湖北省秸稈養(yǎng)分資源為31.07萬t N、9.98萬t P2O5、68.30萬t K2O，理論可替減化肥比例分別為22.53%、13.11%、113.97%。湖北省主要農業(yè)廢棄物還田理論可基本滿足主要農作物的鉀素需求，實現氮肥消費量減少39.8%、磷肥消費量減少25.0%。該研究通過計算湖北省主要農業(yè)廢棄物（畜禽糞污、秸稈）的養(yǎng)分資源量，評估農業(yè)廢棄物還田的化肥可替減潛力以及畜禽糞污土地承載力，為湖北省農業(yè)綠色發(fā)展提供理論依據和數據支撐。

秸稈；還田；畜禽糞污；化肥替減；湖北省；養(yǎng)分資源量

0 引 言

中國畜禽業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖水平顯著提高。《第二次全國污染源普查公報》顯示，2017年全國畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場水污染物總氮排放量達到37.00萬t，總磷排放量達到8.04萬t。畜禽糞污經過處理后作為肥料還入農田可以減少面源污染?！丁笆奈濉比珖r業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中提出，到“十四五”末，畜禽糞污綜合利用率達到80%；秸稈綜合利用率達到86%以上。畜禽糞肥和秸稈還田可以提高土壤有機碳儲量，改善土壤肥力[1]，促進良好土壤結構的形成[2]。在湖北省33 a的稻-麥定位試驗中，與化肥處理相比，畜禽糞肥與化肥配合施用可分別提高7.0%的水稻產量和37.8%的小麥產量[3]。解開治等[4]在連續(xù)3 a無機配施糞肥定位試驗中，發(fā)現相比于施用100%的化肥N，施用2/3化肥N+1/3糞肥N，可以使水稻增產7.6%～10.2%?；逝涫┘S肥可以提升農作物產量，原因之一就是化肥與糞肥配施能夠提升作物的氮肥利用率。相比于全部施用化肥，配施糞肥可以提高鹽漬農田玉米氮肥利用率2.6%～7.4%[5]。在8 a連續(xù)定位試驗中，單施化肥使得玉米利用率平均每年下降3.3%，而化肥配施有機肥則使得紅壤玉米氮肥利用率每年提升1.2%[6]。張聰等[7]在對玉米秸稈15 a持續(xù)還田的定位試驗中發(fā)現，秸稈還田會持續(xù)增加土壤碳庫含量，且在10 a后達到一個平衡狀態(tài)。Liu 等[8]選取了近年來國內試驗周期大于兩年的定位試驗的文獻數據進行Meta分析，與單施化肥相比，秸稈還田對小麥、玉米和水稻產量分別顯著提高4.1%、7.2%和7.6%。秸稈還田同樣對肥料利用率有一定的提升，黃婷苗等[9]發(fā)現當施氮量充足時，秸稈還田能夠促進小麥吸收更多的氮。張剛等[10]認為秸稈還田可以減少30.9%的氮素淋溶損失，在水稻實際生產中可以提升1.8%～4.2%的氮肥利用率。

湖北省是中國重要的糧食基地，播種面積常年保持在0.85億hm2左右。湖北省作物秸稈資源量大，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模呈逐年擴增的趨勢[11]。在當前國家大力提倡綠色種養(yǎng)循環(huán)的背景下，摸清湖北省不同區(qū)域畜禽糞污及農作物秸稈還田養(yǎng)分資源量，評估其化肥替減潛力及土地承載力能夠為湖北省農業(yè)綠色發(fā)展提供理論依據和數據支撐。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區(qū)概括

湖北省位于長江中游，地處亞熱帶，屬于典型的季風氣候，光溫雨熱資源充沛，是中國重要的糧油生產基地。根據《2020年湖北省農村統(tǒng)計年鑒》[12]，湖北省播種面積常年保持在0.85億hm2左右，主要農作物（包括糧食作物、油料作物、棉麻作物、果樹、茶樹、蔬菜）總產量1.63億t左右，湖北省2019年化肥施用總量為273.90萬t，位居全國第六。

本文根據氣候、土壤類型等因素，結合區(qū)域地貌特征、土地利用、種植結構等，將湖北省農作物種植區(qū)劃分為5個區(qū)域（圖1），即鄂東南（SEH）、鄂北（NH）、鄂西北（NWH）、鄂西南（SWH）以及鄂中（MH）地區(qū)。其中，鄂東南（SEH）包括武漢市、黃石市、鄂州市、咸寧市、黃岡市；鄂北（NH）包括隨州市、荊門市、孝感市；鄂西北（NWH）包括十堰市、襄陽市；鄂西南（SWH）包括恩施自治州、神農架林區(qū)、宜昌市；鄂中（MH）包括荊州市、仙桃市、潛江市、天門市。

注：SEH，鄂東南；NH，鄂北；NWH，鄂西北；SWH，鄂西南；MH，鄂中。

1.2 數據來源

2019年湖北?。?3個地級市）牛、羊、家禽存欄量和出欄量，各種農作物（水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油菜、棉花、茶葉、梨、柑橘、蔬菜）種植面積，作物經濟產量均來源于《2020年湖北省農村統(tǒng)計年鑒》[12]，其中馬鈴薯的產量為折糧產量，即5 kg馬鈴薯折合1 kg糧食，在計算時按比例折算。不同畜禽飼養(yǎng)周期參考《全國農產品成本收益資料匯編2019》[13]，不同畜禽排泄系數參考《畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便污染監(jiān)測核算方法與產排污系數手冊》[14]，不同畜禽的日排泄氮磷量以及不同農作物基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力參考《土地承載力測算技術指南》[15]，不同秸稈養(yǎng)分含量（風干基）參考《中國有機肥料養(yǎng)分數據集》[16]，不同畜禽糞（尿）鉀含量（風干基）參考文獻[11]。

1.3 研究方法

1.3.1 畜禽糞污產生總量、養(yǎng)分量及其化肥替減潛力估算方法

畜禽糞污產生量的估算采用排泄系數法，即各類畜禽糞污的年產生量為由畜禽飼養(yǎng)量（年末存欄數、年內出欄數）、飼養(yǎng)周期、排泄系數乘積所得。氮、磷養(yǎng)分供給量計算參考《土地承載力測算技術指南》[12]，鉀養(yǎng)分供給量計算參考《中國畜禽糞尿中養(yǎng)分資源數量及利用潛力》[11]（表1）。計算公式如下：

Q

N

、

P

=∑

Qi

=∑（

Ni

×

Ti

×

Pi

）×PL （1）

Q

K

=∑

Qi

=∑（

Ni

×

Ri

×

Ki

） （2）

式中N、P為氮、磷養(yǎng)分供給總量，萬t；Q為第種畜禽糞污養(yǎng)分供給量，t；N為第種畜禽的存欄量或出欄量，頭；T為第種畜禽的飼養(yǎng)周期，d；P為第種畜禽的糞便中氮（磷）的日產生量，kg·（天·頭）-1；PL為堆肥處理方式下氮、磷的留存率，其中氮留存率為68.5%，磷留存率為76.0%。K為鉀養(yǎng)分供給總量，萬t；R為第種畜禽的糞（尿）排泄系數，kg·（天·頭）-1；K為第種畜禽的糞（尿）鉀養(yǎng)分含量，%。本研究中飼養(yǎng)周期小于1 a的畜禽（豬、肉牛、羊、肉雞）以出欄數作為養(yǎng)殖數量進行計算，飼養(yǎng)周期大于1 a的畜禽（奶牛、蛋雞）以存欄數作為養(yǎng)殖數量進行計算。

畜禽糞污的化肥替減潛力根據單位播種面積的畜禽糞污還田養(yǎng)分量以及化肥實際施用量進行估算：

AM

N/P/K

=∑(

Q

N/P/Ki

×65%/

Si

) （3）

RS

N/P/K

=∑(

Q

N/P/Ki

)/

F

N/P/K

（4）

式中AN、AP、AK分別為單位面積畜禽糞污供氮、磷、鉀量，kg/hm2；65%為根據湖北省當前糞肥利用情況設置的畜禽糞污還田率；S為第種農作物的播種面積，hm2；RN、RP、RK分別畜禽糞污還田的氮、磷、鉀肥替減率，%；N、P、K分別為湖北省2020年N、P、K化肥施用總量，萬t。

1.3.2 畜禽糞污土地承載力估算方法

土地承載力是區(qū)域內以作物養(yǎng)分需求量為基礎的畜禽最大養(yǎng)殖量，由不同農作物的單位面積的最大畜禽養(yǎng)殖量與種植面積計算得出。不同農作物的畜禽糞肥養(yǎng)分需求量以及不同農作物單位面積最大畜禽養(yǎng)殖量[15]，計算公式如下：

Am=

（

Ai×

FP

×

MP

）

/

MR （5）

Ri

=

Am

/

q

（6）

表1 主要畜禽的飼養(yǎng)周期、排泄系數、日排泄氮磷量以及糞（尿）鉀含量

式中A為不同農作物畜禽糞肥養(yǎng)分需求量，t；R為不同作物單位面積最大畜禽養(yǎng)殖量（豬當量/hm2），即各類畜禽折算成豬當量的單位面積飼養(yǎng)總量，豬當量：100頭豬相當于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2 500只家禽；為在畜禽產生的糞污全部就地利用的情況下，單位豬當量的養(yǎng)分供給量（氮養(yǎng)分供給量為7.0 kg，磷供給量為1.2 kg）；A為不同作物氮、磷養(yǎng)分需求量，t；FP為作物總養(yǎng)分需求中施肥供給養(yǎng)分占比，%，施肥供給的養(yǎng)分比例根據土壤地力不同而變化，施肥供給占比設置為45%[15]；MP為畜禽糞污提供養(yǎng)分占施肥總量的比例，%，按照50%計算[15]；MR為畜禽糞肥當季利用效率，%；畜禽糞肥氮當季利用率按照25%，畜禽糞肥磷當季利用率按照30%計算[15]。不同農作物基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力如表2所示。

表2 不同農作物基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力

區(qū)域內理論最大養(yǎng)殖量為各類農作物單位面積土地承載力乘以該作物的種植面積，及其土地承載力指數則代表當地畜禽養(yǎng)殖量占理論最大養(yǎng)殖量的比例[15]，計算公式如下：

R

=∑（

Ri

×

Si

） （7）

I

=

A

/

R

（8）

式中為土地承載力，豬當量；S為第種作物的種植面積，hm2；為區(qū)域內最大畜禽養(yǎng)殖量（豬當量）；為區(qū)域內畜禽糞污土地承載力指數。當>1時，該區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖量超過土地承載力；當<1時，畜禽養(yǎng)殖量并未超過當地土地承載力。

1.3.3 秸稈養(yǎng)分資源量化肥替減潛力估算方法

秸稈資源量采用草谷比計算[17-18]，即利用農作物秸稈的產生量與作物產量之間的比例，計算主要農作物秸稈量。

WS

=

WY

×

SG

（9）

式中W代表農作物秸稈量，W為作物的經濟產量，S為作物草谷比[19]，即作物地上部秸稈產量與經濟產量的比值。

不同農作物的秸稈養(yǎng)分量計算方法[15]為

W

N

=

WS

×

NS

（10）

W

P

=

WS

×

PS

×2.29 （11）

W

K

=

WS

×

KS

×1.21 （12）

式中、W、分別為各農作物秸稈N、P2O5、K2O養(yǎng)分量，N、P、K分別為各農作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分含量（表3），由P、K折算為P2O5、K2O的轉換系數分別為2.29和1.21。主要農作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分含量參考《中國有機肥料養(yǎng)分志》[16]。

表3 主要農作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分含量

秸稈還田的化肥替減潛力根據單位播種面積的秸稈還田養(yǎng)分量以及化肥實際施用量（）進行估算：

A

SN/P/K

=∑(

W

N/P/Ki

×100%/

Si

) （13）

R

SN/P/K

=∑(

W

N/P/Ki

)/

F

N/P/K

（14）

式中SN、SP、SK分別為單位面積秸稈還田供氮、磷、鉀量，kg/hm2；100%為設定7種主要農作物秸稈全部還田，SN、SP、SK分別秸稈還田的氮、磷、鉀肥替減率，%。

2 結果與分析

2.1 基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力分布特征

當前湖北省的畜禽養(yǎng)殖折算成豬當量為6 376.02萬豬當量，以氮為基礎計算土地承載力時，湖北省可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為12 890.80萬豬當量，以磷為基礎計算土地承載力時，湖北省可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為17 221.38萬豬當量。從湖北省全域尺度來看，湖北省有較大空間承載消納畜禽糞污。

土地承載力指數則代表當地畜禽養(yǎng)殖量占理論最大養(yǎng)殖量的比例，土地承載力指數越大代表當地畜禽養(yǎng)殖規(guī)模越接近可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模上限。以氮為基礎計算土地承載力時（圖2a），鄂北地區(qū)的土地承載力指數最高，達到了0.35～0.78，即該地區(qū)在維持農牧循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的平衡時，可擴大畜禽養(yǎng)規(guī)?？臻g較小；而鄂中地區(qū)的土地承載力指數僅為0.17～0.54，即該區(qū)域可以消納更多的畜禽糞污，有較大的空間來發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)。不同行政區(qū)來看，黃岡市和隨州市的土地氮承載力指數最高，分別為0.82和0.78，而仙桃市的土地承載力指數最低，僅為0.17。以磷為基礎計算土地承載力時（圖2b），湖北省各行政區(qū)土地承載力指數空間分布特征與氮相似，數值偏低。例如土地承載力指數最高的黃岡市僅為0.58，其次是襄陽市，指數為0.54。

圖2 湖北省不同區(qū)域土地氮、磷承載力指數

2.2 不同區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供給量分布特征

當前湖北省畜禽養(yǎng)殖產生畜禽糞污養(yǎng)分資源量分別為36.89萬t N、14.03萬t P2O5、52.06萬t K2O。不同區(qū)域畜禽糞污氮（圖3a）、磷（圖3b）、鉀（圖3c）供應量差異明顯。鄂北地區(qū)（NH）畜禽糞污養(yǎng)分供給量最高，其中襄陽市畜禽糞肥養(yǎng)分資源量分別達到7.19萬t、2.73萬t P2O5、11.47萬t K2O，分別占全省總量的19.5%、19.4%、22.0%；其次是黃岡市，畜禽糞肥養(yǎng)分資源量分別為5.71萬t N、2.13萬t P2O5、10.35萬t K2O，分別占全省15.5%、15.2%、19.9%。而鄂中區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供給量最低，除去神農架林區(qū)，仙桃市畜禽糞肥養(yǎng)分資源量最低，分別為0.39萬t N、0.15萬t P2O5和0.45萬t K2O，其養(yǎng)分資源總量不足全省的1.0%。

圖3 湖北省畜禽糞污氮、磷、鉀養(yǎng)分供給量

從畜禽糞污來源（數據未顯示）來看，湖北省蛋雞的糞污氮、磷供應總量最高，鉀養(yǎng)分供應量僅次于奶牛糞污。2020年全省蛋雞畜禽糞肥理論可提供11.49萬t N、4.41萬t P2O5、11.99萬t K2O，分別占全省畜禽糞污養(yǎng)分總量的31.1%、31.4%、23.03%。奶牛糞污的鉀養(yǎng)分供應量最大，理論可提供25.35萬t K2O，占全省總量的48.69%。其次是豬糞污養(yǎng)分資源，理論上可以提供9.31萬t N，3.57萬t P2O5，7.50萬t K2O，分別占全省總量的25.2%、25.5%、11.40%。不同行政區(qū)的養(yǎng)殖結構存在差異，例如，宜昌市、鄂州市、咸寧市以及恩施自治州豬糞氮、磷供應總量高于蛋雞，以上行政區(qū)豬畜禽糞肥氮供應量占全省總量的36.8%～52.6%，磷供應量占全省總量的34.5%～53.5%。

2.3 不同區(qū)域畜禽糞污還田化肥替減潛力

當前湖北省主要農作物（包括糧食作物、油料作物、棉麻作物、果樹、茶樹、蔬菜）種植面積847.61萬hm2，化肥投入量（折純）273.89萬t，其中氮、磷、鉀肥投入量分別為137.88萬t N、76.08萬t P2O5、59.93萬t K2O（表4）。設定湖北省畜禽糞污肥料化還田率為65%，則畜禽糞污還田氮養(yǎng)分量23.98萬t N，占氮肥投入的17.3%；還田磷養(yǎng)分量9.12萬t P2O5，相當于磷肥投入的11.9%；還田鉀養(yǎng)分量33.70萬t K2O，相當于鉀肥投入的56.2%。湖北省畜禽糞污氮、磷、鉀養(yǎng)分可替代化肥潛力較大。不同區(qū)域來看，鄂東南地區(qū)的畜禽糞污養(yǎng)分還田量最高，分別為6.35萬t N、2.40萬tP2O5、9.59萬t K2O，總養(yǎng)分還田量可達到18.34萬t，高于湖北省平均水平（13.36萬t）；其次為鄂西北和鄂北地區(qū)，其畜禽糞污總養(yǎng)分還田量分別為17.50萬t和16.30萬t。而鄂西南、鄂中地區(qū)的畜禽糞污養(yǎng)分還田量則明顯低于其他區(qū)域，總養(yǎng)分還田量分別為7.90萬t和6.56萬t。

表4 湖北省不同區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供應量及其理論化肥替減比例

湖北省單位種植面積化肥投入量（折純）平均為323.13 kg/hm2，畜禽糞污養(yǎng)分還田量平均為78.58 kg/hm2，畜禽糞污化肥理論可替減率為24.3%。與區(qū)域養(yǎng)分投入總量相似，鄂東南地區(qū)單位面積化肥投入量（461.82 kg/hm2）和畜禽糞污養(yǎng)分供應量（130.54 kg/hm2）均為最高，畜禽糞污理論化肥替減率為28.3%；而鄂中地區(qū)單位面積化肥投入量（214.90 kg/hm2）和畜禽糞污養(yǎng)分供應量（29.10 kg/hm2）則均為最低，畜禽糞污理論化肥替減率也最低（13.7%）。

2.4 湖北省秸稈資源量空間分布特征

湖北省主要農作物秸稈資源量為3 623.06萬t（表5）。其中，水稻、油菜和小麥秸稈資源量分別達到1 965.62萬t、616.02萬t和451.42萬t，分別占湖北省主要農作物秸稈資源量的54.3%、17.0%和12.5%。從區(qū)域秸稈分布特征來看，鄂中地區(qū)秸稈資源量最高（1 248.88萬t），區(qū)域主要秸稈類型為水稻、油菜和小麥秸稈，其秸稈資源量分別達到794.05萬t、252.3萬t和121.78萬t，占鄂中地區(qū)秸稈資源總量的63.6%、20.2%和9.8%。其次是鄂北地區(qū)，其秸稈資源總量為1 170.68萬t，區(qū)域主要秸稈類型為水稻、小麥和玉米秸稈，其秸稈資源量分別為586.86萬t、260.25萬t和129.90萬t，占鄂北地區(qū)秸稈資源總量的50.1%、22.2%和11.1%。鄂西南和鄂西北地區(qū)秸稈總量最低，2個地區(qū)秸稈資源總量合計僅為543.91萬t，占湖北省秸稈總量的15.0%，主要秸稈類型為玉米秸稈和馬鈴薯秸稈，分別占全省玉米和馬鈴薯秸稈資源量的48.8%和80.7%。

表5 湖北省不同區(qū)域主要農作物秸稈資源量

2.5 不同區(qū)域秸稈養(yǎng)分資源量分布特征

湖北省主要農作物的秸稈養(yǎng)分資源總量如圖4所示，全省秸稈養(yǎng)分資源量分別為31.06萬t N、9.98萬t P2O5、68.29萬t K2O。不同區(qū)域的秸稈氮（圖4a）、磷（圖4b）、鉀（圖4c）養(yǎng)分資源量差異明顯。受區(qū)域不同種植結構影響，鄂中地區(qū)的主要農作物秸稈養(yǎng)分資源量最高，秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別占全省的33.5%、34.3%、36.0%。而鄂西北秸稈養(yǎng)分資源量最低，其秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別僅占全省的6.1%、6.0%、5.4%。

不同農作物秸稈提供的養(yǎng)分資源量差異明顯，其中水稻秸稈的養(yǎng)分資源量最高，氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別為16.31萬t、5.31萬t、40.49萬t，分別占全省秸稈養(yǎng)分資源量的52.5%、53.2%、59.3%；其次是油菜秸稈，其氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別占全省16.3%、20.0%、20.2%；馬鈴薯的秸稈養(yǎng)分量最低，僅為0.62萬t N、0.15萬t P2O5、1.11萬t K2O。不同區(qū)域的種植結構存在差異，因此秸稈的養(yǎng)分資源量不同。其中，鄂中、鄂東南、鄂西北地區(qū)以水稻秸稈（27.5%～67.5%）、油菜秸稈（14.9%～25.6%）為主，鄂北地區(qū)水稻秸稈（49.2%～58.8%）和小麥秸稈（13.7%～16.3%）占比較高，鄂西南地區(qū)則以玉米秸稈占比較高（29.4%～37.0%）。

圖4 湖北省不同區(qū)域秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分供給量

2.6 不同區(qū)域秸稈還田化肥替減潛力

湖北省主要農作物秸稈還田氮、磷、鉀養(yǎng)分供應量分別為31.07萬t N、9.98萬t P2O5、68.30萬t K2O分別占氮、磷、鉀肥投入的22.53%、13.11%、113.97%（表6）。不同區(qū)域來看，鄂中地區(qū)的秸稈還田養(yǎng)分供應量最高，分別為10.42萬t N、3.42萬tP2O5、24.59萬t K2O，總養(yǎng)分還田量可達到38.43萬t；其次為鄂北和鄂東南地區(qū)，其秸稈還田總養(yǎng)分供應量分別為33.53萬t和20.91萬t。而鄂西南、鄂西北地區(qū)的秸稈還田養(yǎng)分供應量則明顯低于其他區(qū)域，養(yǎng)分還田量分別為10.27萬t和6.20萬t。

湖北省單位種植面積秸稈還田養(yǎng)分供應量平均為129 kg/hm2，秸稈還田化肥理論可替減率為39.9%。其中，秸稈還田對鉀素的補充最高，理論上鄂中和鄂北地區(qū)秸稈還田鉀素供應量超過化肥鉀投入量。不同區(qū)域秸稈還田氮、磷養(yǎng)分供應與化肥替減率差異明顯，鄂中地區(qū)施肥量最低而主要農作物秸稈養(yǎng)分還田量較高，因此秸稈還田氮、磷替減率最高，分別達到為43.22%、27.01%；其次為鄂北地區(qū)，秸稈還田氮、磷替減率分別為32.64%和16.72%；而鄂西南和鄂西北地區(qū)單位面積秸稈還田養(yǎng)分供應量最低，秸稈還田氮、磷理論替減率也最低，分別為8.0%～11.5%和5.0%～6.7%。湖北省主要農業(yè)廢棄物還田理論可基本滿足主要農作物的鉀素需求，實現氮肥消費量減少39.8%、磷肥消費量減少25.0%。

表6 湖北省不同區(qū)域秸稈還田養(yǎng)分供給量以及化肥替減率

3 討 論

3.1 湖北省農業(yè)廢棄物消納與化肥替減

關于畜禽糞污土壤消納估算的研究已有很多[20-22]。歐美等發(fā)達國家多采用畜禽糞肥定量施用原則，即不同土壤條件的農田，其養(yǎng)分投入量不得超過某一閾值，并以此確定單位面積的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模[23]。例如，歐盟規(guī)定在硝酸鹽脆弱區(qū)，其畜禽糞肥年施氮、磷限量值分別為170 kg N/hm2，80 kg P2O5/hm2，耿維等[21]采用該畜禽糞肥定量施用原則，計算安徽省農用地畜禽環(huán)境承載力，得出6個縣（區(qū)）的畜禽糞污環(huán)境污染風險指數大于1的結果。然而Ovejero等[24]在6 a玉米-小麥輪作定位試驗研究結果表明，畜禽糞肥施氮量超出歐盟規(guī)定量（170 kg N/hm2）時，作物的產量更高，且對環(huán)境并未造成負面影響。劉曉永等[22]則提出設定農用地畜禽糞污豬糞當量的適宜施用值，作為參數來計算農用地負荷風險指數，即我國施用畜禽糞污豬糞當量的上限為30 t/hm2。以上計算方法考慮了消納畜禽糞污的農田面積，而忽略了不同區(qū)域農作物種植差異及土壤消納畜禽糞污的庫容量差異。農田可消納畜禽糞污的閾值既取決于土壤基礎性狀，也取決于不同產量水平下作物的養(yǎng)分吸收量[25]。當農田的養(yǎng)分投入/產出失去平衡，即化肥、秸稈肥、畜禽糞肥施用量遠超過作物地上部帶走量時，易造成養(yǎng)分積累，進而導致土壤鹽漬化、土壤退化[22]，例如盛巧玲[26]基于氮平衡計算發(fā)現北京市郊區(qū)13個區(qū)縣的畜禽養(yǎng)殖已經輕度超載。本研究采用全國畜牧總站印發(fā)的《土地承載力測算技術指南》[15]，估算區(qū)域尺度的土地承載畜禽糞污最大容納數，以平衡長期消納糞污、滿足作物養(yǎng)分需求以及保護環(huán)境之間的關系。本研究研究結果表明，湖北省畜禽糞污養(yǎng)分資源量占主要農業(yè)廢棄物（畜禽糞污、農作物秸稈）養(yǎng)分資源總量的37.9%。在種植面積最大的鄂中地區(qū)，其畜禽糞污土地承載力指數最低，相應的畜禽糞污養(yǎng)分資源量最低，即土地消納畜禽糞污還田的空間最大。鄂北地區(qū)畜禽糞污和秸稈養(yǎng)分資源量均較高，區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數也最高，因此該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖規(guī)模擴大空間有限，單位面積土地氮、磷消納壓力較大。此外，鄂北地區(qū)單位面積秸稈還田量達到5.93 t/hm2，單位面積秸稈養(yǎng)分資源量達到169.92 kg/hm2，區(qū)域內發(fā)展綠色種養(yǎng)循環(huán)農業(yè)應兼顧畜禽糞污和秸稈還田，明確2種養(yǎng)分資源量還田條件下的化肥適宜用量。而鄂東南地區(qū)兩種來源養(yǎng)分資源量比例相當，區(qū)域土地承載力指數和單位面積秸稈還田量均為中等水平，區(qū)域注重化肥減量的同時，能夠實現畜禽糞污和秸稈還田養(yǎng)分資源高效利用，達到生態(tài)環(huán)境友好的目的。

3.2 秸稈還田化肥替減估算

本研究通過秸稈養(yǎng)分含量與秸稈產生量計算得出秸稈養(yǎng)分理論資源量，從區(qū)域角度分析了秸稈還田氮、磷、鉀肥理論替減率分別為22.53%、13.11%和113.97%。田間生產實際中，秸稈還田化肥替減效果受到土壤養(yǎng)分供應、化肥用量與作物產量水平的影響[27-31]。以秸稈還田鉀肥替減為例，不同供鉀能力的土壤，其秸稈還田鉀肥替減率差異較大。供鉀能力高的土壤，秸稈還田鉀素當季歸還量可以完全替代鉀肥施用；供鉀能力中等的土壤，秸稈還田可替減50%鉀肥；而供鉀能力低的土壤，秸稈還田僅能夠替代25.0%的鉀肥[27,31]。因此，從土壤鉀庫平衡的角度出發(fā)，秸稈還田仍需投入一定的化學鉀肥，Zhu等[32]基于鉀肥長期定位試驗提出，水旱輪作體系最佳的鉀肥管理策略是作物秸稈全量還田配合施用與籽粒鉀帶走量相當的鉀肥，這樣既可以保障作物產量，又可以最大程度減少鉀肥用量，同時維持土壤鉀庫的平衡。本課題組根據多年多點定位試驗研究結合不同產量水平推薦施肥量[27,32-35]提出，稻油輪作周年連續(xù)秸稈還田能夠替減約10.0%～15.0%的氮肥、20.0%～30.0%的磷肥和35.0%～60.0%的鉀肥用量。此外，隨著秸稈腐解時間的延長和還田量的積累[36]，長期秸稈還田有利于緩解土壤養(yǎng)分的虧缺和土壤有機質的提升[33,37]，其增產效應也隨著還田年份的增加而提高[38]，化肥替減率也將隨著還田年份的增加而提高。例如，郝翔翔等[39]提出在黑土區(qū)連續(xù)8 a秸稈還田后，與初始土壤相比土壤有機質提高了6.6%；王改玲等[40]在陜西合陽28 a的冬小麥單作長期定位試驗結果表明，相比于單施化肥，長期秸稈還田土壤有機質含量提高了146.3%。在19 a的春玉米單作長期定位試驗中[41]，長期秸稈還田可以增加土壤貯水量，提高水分利用效率，19 a累計增產幅度可以達到11.6%～20.9%。

4 結 論

1）湖北省不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖量均未超出當地最大承載容納量，其中鄂中地區(qū)畜禽糞污消納空間較大。按照畜禽糞污肥料化還田率65%計算，2019年湖北省畜禽糞肥的養(yǎng)分還田總量分別為23.98萬t N、9.12萬t P2O5、33.70萬t K2O，鄂北地區(qū)畜禽糞污養(yǎng)分供給量最高，而鄂中區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供給量最低。

2）當前湖北省主要農作物秸稈養(yǎng)分資源為31.07萬t N、9.98萬t P2O5、68.30萬t K2O，以鄂中地區(qū)秸稈資源量最高，鄂西北地區(qū)最低，其中水稻與油菜的所占比例最大。

3）湖北省畜禽糞污還田可替減17.3%的氮肥和11.9%的磷肥，主要農作物秸稈還田可替減22.53%的氮肥和13.11%的磷肥，即主要農業(yè)廢棄物（畜禽糞污、農作物秸稈）還田理論可實現氮肥消費量減少39.8%、磷肥消費量減少25.0%，農業(yè)廢棄物還田理論上可滿足湖北省主要農作物的鉀素需求。

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Reduction potential and environmental carrying capacity of straw and livestock manure returning to fields in Hubei Province of China

Dong Xinyi1,2, Li Jing3, Gong Ximin3, Zhang Yangyang1,2, Li Xiaokun1,2, Ren Tao1,2, Lu Zhifeng1,2, Cong Rihuan1,2※, Lu Jianwei1,2

(1.,,430070,; 2(),,430070,; 3.,430070,)

The large-scale breeding level of livestock and poultry industry in Hubei Province has been significantly improved, and the amount of straw resources has been increased year by year. Returning agricultural wastes to the field can not only reduce agricultural non-point source pollution, but also reduce the application of chemical fertilizers. Based on relevant statistical data and literature, this study collected the amount of livestock and poultry (i.e., pigs, beef cattle, dairy cows, sheep, broilers, layers) in stock, market and growth cycle, and the planting area and economic yield of various crops (i.e., the low hilly area in southeastern Hubei, the low hilly area in northern Hubei, the mountainous area in northwestern Hubei, the plain area in central Hubei, and the mountainous area in southwestern Hubei). Based on the statistical data from 2019 to 2020, We calculated the nutrient supply of livestock and poultry waste, and further evaluated whether the current situation of livestock and poultry breeding in Hubei Province exceeded the maximum allowable amount of soil carrying livestock and poultry waste. According to the ratio of straw to grain of different crops and nutrient content of straw, we analyzed the nutrient resources and the theoretical nutrient returning amount of crop straw. The land carrying capacity index of livestock was the highest in Northern Hubei, reaching to 0.35-0.78. The land carrying capacity index of Central Hubei was only 0.17-0.54, indicating that there would be a large space to develop livestock and poultry breeding. In 2019, the nutrient resources of livestock and poultry waste in Hubei Province were 368 900 t N, 140 300 t P2O5and 520 600 t K2O, respectively. Based on 65% of livestock manure and fertilizer returning to the field, the total nutrient returning to the field of livestock and poultry manure would be 239 800 t N, 91 200 t P2O5and 337 700 t K2O, respectively, with the ratio of fertilizer replacement of 17.3%, 11.9% and 56.2%, respectively. The total amount of straw resources of main crops in Hubei Province was the highest in Central Hubei and the lowest in Northwest Hubei. At present, the nutrient resources of straw in Hubei province were 310 700 t N, 99 800 t P2O5and 683 000 t K2O, and the proportion of theoretical fertilizer replacement were 22.53%, 13.11% and 113.97%, respectively. The livestock and poultry production in different regions of Hubei province did not exceed the local maximum carrying capacity. The livestock and poultry breeding volume in different regions of Hubei Province did not exceed the local maximum carrying capacity. The theory of returning major agricultural wastes in Hubei Province can reduce nitrogen fertilizer consumption by 39.8% and phosphate fertilizer consumption by 25.0%. The total K amount from agricultural wastes return to the field could theoretically meet the demand for potassium of main crops. By calculating the nutrient resources of the main agricultural wastes (i.e., livestock and poultry waste, and straw) in Hubei Province, we evaluated the potential of fertilizer reduction of agricultural waste returning to the field and the carrying capacity of livestock and poultry waste soil, providing theoretical basis and data support for agricultural green development in Hubei Province.

straw; returning to fields; livestock and poultry manure pollution; fertilizer replacement reduction; Hubei Province; nutrient resources

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030

S158.3

A

1002-6819(2022)-15-0277-10

董心怡，李 晶，鞏細民，等. 湖北省秸稈和畜禽糞污還田化肥替減潛力與環(huán)境承載力分析[J]. 農業(yè)工程學報，2022，38(15)：277-286.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030 http://www.tcsae.org

Dong Xinyi, Li Jing, Gong Ximin, et al. Reduction potential and environmental carrying capacity of straw and livestock manure returning to fields in Hubei Province of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 277-286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030 http://www.tcsae.org

2022-05-27

2022-07-23

國家自然科學基金項目（32172678）；湖北省現代農業(yè)產業(yè)技術體系項目（HBHZD-ZB-2020-005）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（2662020ZHPY005）資助

董心怡，研究方向為土壤肥力培育與作物養(yǎng)分管理。Email：dongxinyi@webmail.hzau.edu.cn

叢日環(huán)，副教授，研究方向為土壤肥力培育與作物養(yǎng)分管理。Email：congrh@mail.hzau.edu.cn