黃柏云, 李錚, 黃容, 王子芳, 向書江, 高明
1. 西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715; 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院, 成都 611130
我國是畜禽養(yǎng)殖大國, 畜禽糞污產(chǎn)量高, 對環(huán)境影響較大, 利用率不高, 已嚴(yán)重威脅到生態(tài)環(huán)境[1-4]. 近年來, 畜禽糞便的污染防治成為我國生態(tài)文明建設(shè)的重點. 規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖環(huán)境污染已嚴(yán)重制約了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的綠色健康發(fā)展. 近年來, 發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵, 《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030 年)》中強調(diào), 要積極優(yōu)化和調(diào)整種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu), 促進種養(yǎng)結(jié)合、 農(nóng)牧循環(huán)發(fā)展, 推進生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展. 但是, 部分地區(qū)由于缺乏種植和養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)科學(xué)的規(guī)劃, 造成種植和養(yǎng)殖不協(xié)調(diào)[5]. 有研究表明, 我國2011年大部分地區(qū)畜禽實際養(yǎng)殖量已經(jīng)超過50%的環(huán)境容量, 引發(fā)了一系列畜禽養(yǎng)殖環(huán)境污染問題[6].
畜禽糞污富含C, N, P等多種養(yǎng)分, 可以作為肥料進行還田處理. 一般認(rèn)為, 畜禽糞污還田對土壤有機質(zhì)有積極的影響, 對土壤培肥有重要作用[7-9]. Springer等[10]研究表明, 施用糞肥有助于提高土壤抗風(fēng)化能力, 改善土壤質(zhì)量, 促進土壤有益微生物的生長, 達到提質(zhì)增產(chǎn)的效果. 畜禽糞污肥料化利用是其資源化利用途徑中最主要的一種方式, 利用畜禽糞便有機肥來替代部分化肥, 不僅可以降低成本, 減少污染, 還能提高土壤肥力水平. 為確定區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量, 合理優(yōu)化種養(yǎng)結(jié)構(gòu), 以便合理有效地消納畜禽糞污, 部分歐洲國家依據(jù)硝酸鹽脆弱區(qū)內(nèi)農(nóng)田N,P投入量的閾值(N≤70 kg/hm2, P2O5≤170 kg/hm2), 確定單位面積的家畜養(yǎng)殖數(shù)量[11-12]. 但是我國國情與歐美國家不同, 不能簡單套用歐美標(biāo)準(zhǔn), 需要著眼于區(qū)域尺度來考慮畜禽糞污土地承載力的問題[13]. 針對不同農(nóng)作物對糞污的吸收能力, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2018年發(fā)布了《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》, 其目的是基于養(yǎng)分平衡和農(nóng)作物的需肥規(guī)律, 在考慮不同糞污處理過程中糞尿養(yǎng)分損失的情況下, 計算區(qū)域尺度的畜禽糞污土地承載力[14]. 閆熠峰等[1]以《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》為主要計算依據(jù), 分析了山西省各市縣區(qū)主要糧食作物的耕地土地承載力, 表明按糞肥比例 50%計算, 山西省11個市主要糧食作物耕地的土地承載力大于糞肥的養(yǎng)分總供給量, 但仍有部分區(qū)縣糞肥供給量超過了土地承載力. 安思羽等[15]研究表明, 我國畜禽糞便產(chǎn)生的氮磷養(yǎng)分每年分別可達7.98×106, 6.42×106t, 依據(jù)果菜茶理論養(yǎng)分需求量, 通過畜禽有機肥替代化肥, 70%左右的省份可實現(xiàn)化肥減量目標(biāo), 減少氮磷化肥面源污染, 但是各地區(qū)畜禽有機肥替代化肥量空間差異較大. 目前, 重慶正處于農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的關(guān)鍵時期, 迫切需要分析縣域尺度的畜禽糞污土地承載力, 為科學(xué)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的種植與養(yǎng)殖結(jié)構(gòu), 減少畜禽糞污等農(nóng)業(yè)污染源, 促進綠色農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供重要支撐. 因此, 本研究以重慶為研究區(qū)域, 基于氮養(yǎng)分平衡原理, 根據(jù)區(qū)域內(nèi)主要作物氮養(yǎng)分量, 計算區(qū)域畜禽糞污土地承載力, 以便為區(qū)域內(nèi)種養(yǎng)結(jié)合的合理搭配提供量化的、 合理的科學(xué)依據(jù).
重慶市各區(qū)縣的谷類、 豆類、 折糧薯類、 瓜果類、 蔬菜類等主要作物類型、 種植面積以及氮養(yǎng)分需求量主要來源于2018年《重慶市統(tǒng)計年鑒》[16]. 重慶市各區(qū)縣的土壤氮養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)來源于《重慶農(nóng)業(yè)土壤》(上、 中、 下卷和增補)[17]. 由于土壤不同氮養(yǎng)分水平下的施肥比例不同, 因此在確定氮肥的供給養(yǎng)分占比時, 主要依據(jù)《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14]中土壤不同氮養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比推薦值, 再結(jié)合重慶土壤的肥力水平確定, 其中土壤不同氮養(yǎng)分水平下的施肥供給養(yǎng)分占比推薦值(表1)來源于《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》. 重慶各區(qū)縣的行政地圖的底圖來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(https: //www.resdc.cn/).
表1 土壤不同氮養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分比例推薦值 g/kg
基于物質(zhì)平衡循環(huán)理論, 本研究主要采用氮養(yǎng)分平衡法(Nitrogen Nutrient Balance Method, NNBM)評估重慶市各區(qū)縣的畜禽糞污土地承載力[18]. 重慶傳統(tǒng)的施肥方式主要是“重氮、 輕磷、 輕鉀”[15], 因此本研究畜禽糞污土地承載力是以氮養(yǎng)分供給和需求為基礎(chǔ)測算, 即重慶市畜禽糞污土地承載力等于重慶市各區(qū)縣作物的糞肥養(yǎng)分需求量除以單位豬當(dāng)量糞肥養(yǎng)分供給量(以存欄豬當(dāng)量計)[14].
依據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》中的測算方法[14], 對區(qū)域內(nèi)主要作物(經(jīng)濟作物、 糧食作物)的氮養(yǎng)分需求量進行計算, 計算公式為:
式中:NU為區(qū)域內(nèi)主要作物的每年氮養(yǎng)分需求總量, kg;Pi為區(qū)域內(nèi)第i種作物的面積, hm2;Ci為區(qū)域內(nèi)第i種作物單位面積的氮養(yǎng)分需求量, kg/hm2. 其中, 區(qū)域內(nèi)主要作物的種植面積來源于2018年《重慶市統(tǒng)計年鑒》[16], 單位面積的氮養(yǎng)分需求量來源于《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14]并結(jié)合區(qū)域內(nèi)實際施肥情況所得.
依據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14], 區(qū)域內(nèi)主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求量的計算公式如下:
式中:MU為區(qū)域內(nèi)主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求量, kg;Fr為區(qū)域內(nèi)氮肥的供給養(yǎng)分比例, %, 依據(jù)重慶市各區(qū)縣的土壤氮養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù), 再結(jié)合《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》中不同氮養(yǎng)分水平下土壤的施肥供給養(yǎng)分比例推薦值(表1)確定;Mr為區(qū)域內(nèi)糞肥占施肥比例, %, 根據(jù)重慶市各區(qū)縣有機肥替代化肥項目實施情況確定;Ms為糞肥中氮素當(dāng)季利用率, %, 取值范圍推薦值為25%~30%.
區(qū)域內(nèi)畜禽糞污土地承載力的計算公式如下:
式中:I為區(qū)域內(nèi)畜禽糞污土地承載力, 單位為萬頭豬當(dāng)量;R為單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量, 參照《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14], 1頭豬為1個豬當(dāng)量, 1個豬當(dāng)量的氮排泄量為11 kg, 但由于在收集、 處理和貯存畜禽糞污過程中養(yǎng)分會損失, 因此設(shè)定重慶市的單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量為7 kg.
依據(jù)《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[14]中的標(biāo)準(zhǔn), 按存欄量折算: 100 頭豬相當(dāng)于 15 頭奶牛、 30 頭肉牛、 250 只羊、 2 500 只家禽. 根據(jù)《重慶市統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù), 折算出重慶各區(qū)縣牛(奶牛和肉牛)、 豬、 羊、 家禽年末存欄量豬當(dāng)量數(shù)量.
根據(jù)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù), 重慶市主要作物包括谷物類(水稻、 小麥、 玉米、 高粱)、 豆類(大豆)、 折糧薯類(馬鈴薯和甘薯)、 油料類(花生、 芝麻、 油菜)、 生麻(生苧麻)、 糖料(甘蔗)、 煙草類(煙葉和烤煙)、 蔬菜及食用菌、 瓜果類(西瓜、 香瓜、 草莓)、 果樹類(柑橘)、 花椒、 茶葉、 青飼料. 從表2可以看出, 重慶市主要作物的氮養(yǎng)分總需求量為557 487 t, 其中蔬菜及食用菌的氮肥需求量最大, 為165 481 t, 其次是水稻和玉米, 這主要是由于蔬菜及食用菌、 水稻和玉米等作物的單位面積的氮施用量大且種植面積較大. 就重慶市各區(qū)縣而言(圖1), 江津區(qū)主要作物的氮養(yǎng)分需求總量最高, 為32 926 t, 其次是涪陵區(qū)、 潼南區(qū)、 萬州區(qū)和合川區(qū), 這些地區(qū)的主要作物氮養(yǎng)分需求總量均超過了20 000 t.
表2 重慶市主要作物的氮養(yǎng)分需求量
圖1 重慶市各區(qū)縣主要作物的氮養(yǎng)分需求總量
重慶市各區(qū)縣施肥供給養(yǎng)分比例主要基于氮肥的供給養(yǎng)分比例, 是根據(jù)各區(qū)縣的土壤氮養(yǎng)分確定. 根據(jù)土壤不同氮養(yǎng)分水平下的施肥供給養(yǎng)分比例推薦值(表1), 結(jié)合重慶市各區(qū)縣的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù), 估算各區(qū)縣施肥供給養(yǎng)分比例. 從表3可以看出, 重慶市土壤全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38~3.52 g/kg, 變異系數(shù)為0.32, 平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.26 g/kg, 土壤養(yǎng)分等級為Ⅰ級, 對全市而言, 施肥供給養(yǎng)分比例應(yīng)為35%. 就重慶市各區(qū)縣而言(表3和圖2), 城口縣的土壤全氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高, 為1.93 g/kg, 其次為巫溪縣, 該縣的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.31~2.56 g/kg, 平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88 g/kg; 城口縣和巫溪縣的土壤養(yǎng)分等級均為Ⅰ級, 施肥供給養(yǎng)分比例為35%. 此外, 北碚、 墊江、 豐都、 奉節(jié)、 合川、 九龍坡、 梁平、 南川、 彭水、 黔江、 沙坪壩、 石柱、 萬盛、 巫山、 武隆、 秀山和酉陽等17個區(qū)縣的土壤全氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)也均超過了1.2 g/kg, 土壤養(yǎng)分等級均為Ⅰ級, 施肥供給養(yǎng)分比例為35%. 江津、 開州、 榮昌和萬州等4個區(qū)縣的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值小于1.0 g/kg, 土壤養(yǎng)分等級為Ⅲ級, 施肥供給養(yǎng)分比例為55%. 總體上, 重慶市的土壤全氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于相對較高的水平, 其中19個區(qū)縣的施肥供給養(yǎng)分占比值達35%, 15個區(qū)縣的施肥供給養(yǎng)分占比值達45%.
根據(jù)重慶市各區(qū)縣有機肥替代化肥項目實施情況(表3), 大渡口、 江北、 沙坪壩、 九龍坡、 南岸、 北碚、 萬盛、 渝北、 巴南、 璧山、 城口、 石柱等12個區(qū)縣的糞肥占施肥比例為30%, 而其他區(qū)縣的糞肥占施肥比例為50%. 重慶市糞肥占施肥比例的平均值為44%.
表3 重慶市各區(qū)縣土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其氮養(yǎng)分等級
續(xù)表3
審圖號: GS(2019)2351號圖2 重慶市各區(qū)縣土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖
圖3 重慶市糞肥氮養(yǎng)分需求量
糞肥中氮素當(dāng)季利用率推薦值為25%~30%, 計算重慶市各區(qū)縣主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求量(圖3), 重慶市的主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求總量為286 177~343 412 t. 如圖4所示, 對重慶市各區(qū)縣而言, 萬州、 涪陵、 江津、 潼南和開州等5個區(qū)縣的主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求總量超過了15 000 t, 分別為21 269~25 523,21 737~26 084,30 182~36 219,17 870~21 443,17 922~21 507 t. 綦江、 大足、 合川、 永川、 榮昌、 云陽、 酉陽的主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求總量為10 000~15 000 t, 其他區(qū)縣的主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求總量均低于10 000 t; 此外, 大渡口、 江北、 沙坪壩、 九龍坡、 南岸等重慶主城區(qū)(除北碚、 巴南、 渝北外)的主要作物的糞肥氮養(yǎng)分需求總量為68~730 t, 均未超過1 000 t.
如圖5所示, 重慶市的畜禽糞污土地承載力為4 088.24~4 905.89萬頭豬當(dāng)量, 其中重慶市的蔬菜畜禽糞污土地承載力為1 213.52~1 456.23萬頭豬當(dāng)量, 其次為水稻和玉米, 分別為657.10~788.52,520.63~624.75萬頭豬當(dāng)量; 重慶市的柑橘畜禽糞污土地承載力也較強, 為511.78~614.14萬頭豬當(dāng)量, 而瓜果類、 生麻類和糖料類作物的蔬菜畜禽糞污土地承載力均未超過15萬頭豬當(dāng)量.
審圖號: GS(2019)2351號圖4 重慶各區(qū)縣的糞肥氮養(yǎng)分需求量分布圖
圖5 重慶市畜禽糞污土地承載力
重慶各區(qū)縣的畜禽糞污土地承載力如圖6所示, 江津區(qū)畜禽糞污土地承載力最大, 為431.17~517.41萬頭豬當(dāng)量(圖6). 開州區(qū)單位面積的畜禽糞污土地承載力位居第二, 但在考慮種植面積的條件下開州區(qū)畜禽糞污土地承載力卻位居第四, 為256.03~307.24萬頭豬當(dāng)量; 萬州區(qū)和涪陵區(qū)的畜禽糞污土地承載力較大, 分別為303.84~364.61,310.53~372.63萬頭豬當(dāng)量. 重慶主城區(qū)中的大渡口、 江北、 沙坪壩、 九龍坡、 南岸的畜禽糞污土地承載力較低, 均未超過10萬頭豬當(dāng)量.
如圖7所示, 與重慶市各區(qū)縣2017年的存欄量對比, 大渡口、 江北、 沙坪壩、 九龍坡、 南岸、 北碚、 萬盛和渝北8個區(qū)的2017年存欄量較低, 低于15萬頭豬當(dāng)量. 城口的存欄量也較低, 僅為21.18萬頭豬當(dāng)量; 豐都縣的存欄量最大, 為116.63萬頭豬當(dāng)量, 與其畜禽糞污土地承載潛力(117.12~140.55萬頭豬當(dāng)量)相比, 僅剩余0.49~23.92萬頭豬當(dāng)量. 云陽、 合川、 開州和酉陽的存欄量超過了100萬頭豬當(dāng)量, 其中開州區(qū)的畜禽糞污土地承載力較大, 為256.03~307.24萬頭豬當(dāng)量, 其次是云陽縣. 江津、 涪陵、 萬州、 潼南的存欄量不到畜禽糞污土地承載力的25%, 可作為畜牧業(yè)轉(zhuǎn)移的區(qū)域. 重慶主城區(qū)、 城口、 豐都、 璧山、 石柱、 秀山的畜禽糞污土地承載力較小, 需要從減少畜禽飼養(yǎng)量、 改變糞污資源化利用方式等方面進行管控.
審圖號: GS(2019)2351號圖6 重慶市各區(qū)縣畜禽糞污土地承載力分布圖
圖7 重慶各區(qū)縣畜禽糞污土地承載力與存欄量
畜禽糞污富含C,N,P等多種養(yǎng)分, 可以作為肥料進行還田處理. 利用畜禽糞便有機肥來替代部分化肥, 不僅可以降低成本, 減少污染, 還能提高土壤肥力水平. 有機肥合理替代化肥, 不僅可以增加土壤有機碳儲存量, 而且可以有效提高作物產(chǎn)量[19-21]. 研究表明, 2015年我國畜禽排泄氮養(yǎng)分為7.68×106t, 替代化肥的潛力巨大, 若將所產(chǎn)生畜禽糞便施作有機肥, 可以減少 2.88×106~5.18×106t化肥養(yǎng)分流失[15]. 按照“一控兩減三基本”的要求, 深入開展化肥使用量零增長行動, 加快推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2017年發(fā)布的《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》中指出[22], 以果菜茶生產(chǎn)為重點, 實施有機肥替代化肥, 推進資源循環(huán)利用. 劉晨峰等[23]基于第二次全國污染源普查數(shù)據(jù), 測算了當(dāng)糞肥替代40%~50%化肥時, 全國各省份糞肥養(yǎng)分承載壓力系數(shù)為0.21~2.99, 且大部分省份的畜禽糞污的產(chǎn)量及氮養(yǎng)分含量能夠滿足果菜茶種植所需的養(yǎng)分. 重慶市有6個區(qū)縣入選, 包括萬州、 開州、 巫山、 奉節(jié)、 忠縣和永川. 本研究中, 重慶市入選的6個區(qū)縣的畜禽糞污土地承載力均超過了存欄量, 畜禽糞便有機肥替代化肥的潛力巨大. 安思羽等[15]研究也表明, 重慶市畜禽糞便中的氮養(yǎng)分(1.165×105t)可以滿足果菜茶氮需求量(9.13×104t), 而上海、 江蘇、 浙江、 山東、 廣東和陜西等省市畜禽糞便的氮養(yǎng)分無法滿足果菜茶的需求. 這是由于上海市和浙江省經(jīng)濟發(fā)展較快同時注重環(huán)保, 畜禽養(yǎng)殖規(guī)模逐漸向周邊省市轉(zhuǎn)移, 因此減少了畜禽糞便的供應(yīng)量. 而山東省雖然是養(yǎng)殖大省, 但是果菜產(chǎn)量位居全國前茅, 因此導(dǎo)致其畜禽糞便的氮養(yǎng)分無法滿足其需求[24].
基于氮養(yǎng)分平衡法, 重慶全市的畜禽糞便可以滿足市內(nèi)主要作物的栽培所需的養(yǎng)分, 且供應(yīng)量充足; 但是重慶主城區(qū)、 城口、 豐都、 璧山、 石柱、 秀山的畜禽糞污土地承載力較小, 需要積極引導(dǎo)其從減少畜禽飼養(yǎng)量、 改變糞污資源化利用方式等方面進行管控, 可以將畜禽糞便作為有機肥源向承載潛力大的區(qū)域, 特別是糧食主產(chǎn)區(qū)和果菜茶優(yōu)勢區(qū)域適當(dāng)轉(zhuǎn)移, 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局. 這與閆熠峰等[1]對山西省2017年各市縣區(qū)主要糧食作物耕地的畜禽糞污土地承載力分析結(jié)果一致, 即全省土地承載力超過了糞肥養(yǎng)分總供給量, 但部分區(qū)縣的供給量超過了土地承載力. 這主要是因為不同區(qū)縣發(fā)展定位不一致, 養(yǎng)殖規(guī)模和種植模式存在差異.
作為重慶市的特色產(chǎn)業(yè)——榨菜、 柑橘、 花椒等, 其畜禽糞污土地承載力分別為106.52~127.82,511.78~614.14,135.67~162.8萬頭豬當(dāng)量. 涪陵、 忠縣和江津作為榨菜、 柑橘和花椒的主要種植區(qū)縣, 其畜禽糞污土地承載力不僅能滿足當(dāng)?shù)匦枨螅?而且仍有較大的畜禽糞污土地承載力, 因此在這些區(qū)域可以適當(dāng)增加養(yǎng)殖規(guī)模, 并進行區(qū)域間養(yǎng)分協(xié)同管理[13], 以實現(xiàn)資源最大化利用. 大量研究表明[1, 23, 25-26], 在各地推行畜禽糞污肥料化是可行的. 目前, 我國畜牧業(yè)正處在向現(xiàn)代養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期[26], 因此種養(yǎng)結(jié)合生產(chǎn)模式有利于緩解規(guī)?;图s化帶來的環(huán)境問題, 合理的種養(yǎng)結(jié)構(gòu)對促進畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有積極有效的推動作用.
重慶市主要作物類型中, 花椒地單位面積的畜禽糞污土地承載力最大, 但是在考慮種植面積后, 蔬菜及食用菌的畜禽糞污土地承載力最大, 為1 213.52~1 456.23萬頭豬當(dāng)量.
重慶市畜牧業(yè)仍有一定的發(fā)展空間, 但區(qū)域差異明顯, 重慶主城區(qū)、 城口、 豐都、 璧山、 石柱、 秀山的畜禽糞污土地承載力較小, 需要引導(dǎo)其從減少畜禽飼養(yǎng)量、 改變糞污資源化利用方式等方面進行管控. 江津、 涪陵、 萬州、 潼南的存欄量不到畜禽糞污土地承載力的25%, 可作為畜牧業(yè)轉(zhuǎn)移的重點區(qū)域.