孫 超，潘瑜春，劉 玉①

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

畜禽糞便資源現(xiàn)狀及替代化肥潛力研究：以安徽省固鎮(zhèn)縣為例

孫 超1,2,3,4，潘瑜春1,2,3,4，劉 玉1,2,3,4①

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

基于養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮農(nóng)作物種植面積、種植結(jié)構(gòu)以及畜禽糞便處理技術(shù)等因素，估算固鎮(zhèn)縣分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的固液糞便養(yǎng)分資源現(xiàn)狀及其替代化肥的潛力。結(jié)果表明：(1)固鎮(zhèn)縣畜禽糞便中氮和磷養(yǎng)分量分別為11 456.93和2 954.09 t；在不施用化肥和不進(jìn)行秸稈還田的情景下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽糞便的氮、磷供給量均未超過作物氮、磷養(yǎng)分需求量。(2)情景模擬表明，情景C(固體糞便收集后盡快經(jīng)堆肥加工為有機(jī)肥，液體糞便收集生成沼氣后其廢物本地還田利用)為最佳模式，氮和磷的有效供給量分別為8 948.78和2 642.37 t，分別占作物氮、磷需求量的34%和54%，表明固鎮(zhèn)縣有足夠的農(nóng)用地消納畜禽糞便，亟需改進(jìn)畜禽糞便處理工藝，提高糞肥替代化肥潛力。(3)在情景C下，畜禽糞便中氮、磷養(yǎng)分替代化肥潛力為4 715.04和1 247.07 t，仲興鄉(xiāng)、任橋鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)和楊廟鄉(xiāng)替代化肥潛力最大。研究結(jié)果可為固鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)模的確定和畜禽糞便資源化利用提供決策支持。

畜禽糞便；替代化肥潛力；氮(磷)養(yǎng)分；固鎮(zhèn)縣

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化程度的不斷提高，畜禽養(yǎng)殖已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)副業(yè)發(fā)展為農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，顯著促進(jìn)了農(nóng)民收入增長和人民生活水平的改善[1-2]。然而，畜禽養(yǎng)殖向大城市周邊和養(yǎng)殖大縣集中的趨勢明顯[3]，部分地區(qū)出現(xiàn)了養(yǎng)殖密度過高、土地畜禽糞便污染物超載等問題，并引發(fā)了一定的大氣、水體和土壤污染[4-5]。畜禽糞便中含有大量可利用的氮、磷資源，但受困于資金、技術(shù)的影響而得不到有效處理，養(yǎng)分損失較大[6]。中央一號(hào)文件連續(xù)12 a鎖定“三農(nóng)”問題，強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)盡快從主要追求產(chǎn)量和依賴資源消耗的粗放經(jīng)營轉(zhuǎn)向數(shù)量質(zhì)量效應(yīng)并重，從根本上破解農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和資源條件的制約。此外，2015年農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年)》和《〈到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案〉推進(jìn)落實(shí)方案》，強(qiáng)調(diào)到2020年實(shí)現(xiàn)化肥農(nóng)藥施用量零增長，到2030年養(yǎng)殖廢棄物基本實(shí)現(xiàn)綜合利用。因此，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”下，面對農(nóng)業(yè)資源短缺、污染加重和生態(tài)環(huán)境約束趨緊等現(xiàn)實(shí)問題，評(píng)估畜禽糞便養(yǎng)分供給和作物養(yǎng)分需求之間的匹配關(guān)系，計(jì)算區(qū)域糞肥替代化肥潛力，逐步完善規(guī)模化養(yǎng)殖場糞便處理設(shè)施，是減少污染、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。

當(dāng)前，很多研究關(guān)注畜禽養(yǎng)殖高密度區(qū)域，通過構(gòu)建模型估算畜禽糞便的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[7-10]。然而，現(xiàn)有研究多以耕地面積為消納場所計(jì)算糞便氮、磷污染負(fù)荷，對地區(qū)復(fù)種指數(shù)考慮不足[5,11]，致使計(jì)算結(jié)果難以真實(shí)地反映局部地區(qū)畜禽糞便負(fù)荷。畜禽污染物處理方式一般包括直接還田、堆肥處理和沼氣工程處理等，不同工藝條件下氮、磷的有效供給量及替代化肥利用潛力存在顯著差異，但相關(guān)的對比研究較少。此外，國家、省市等宏觀區(qū)域研究[12]較多，縣鄉(xiāng)等微觀尺度研究薄弱，難以反映微觀尺度畜禽糞便潛力的空間差異。因此，筆者以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元，在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合考慮作物種植面積、種植結(jié)構(gòu)以及堆肥、沼氣工程等因素，利用排污系數(shù)法計(jì)算畜禽糞便中氮、磷總量，定量評(píng)估不同情景下畜禽糞便的氮(磷)有效供給量及替代化肥潛力，以期為固鎮(zhèn)縣畜禽糞便資源化利用、農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈構(gòu)建提供決策支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 總氮(總磷)產(chǎn)生量計(jì)算

總氮(總磷)產(chǎn)生量計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，Q為總氮(總磷)產(chǎn)生量，t；Ni為第i種畜禽的飼養(yǎng)量，頭或匹或只；Ti為飼養(yǎng)期，d；Ei為第i種畜禽的產(chǎn)排污系數(shù)，g·d-1·頭-1或g·d-1·匹-1或g·d-1·只-1；i為畜禽種類，i=1，2，…，n。

固鎮(zhèn)縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)以豬、肉牛、羊、肉雞和蛋雞為主，奶牛、鴨、馬、驢騾和兔的數(shù)量極少。因此，在計(jì)算總氮(總磷)產(chǎn)生量時(shí)僅考慮豬、肉牛、羊、肉雞和蛋雞5種畜禽。畜禽的產(chǎn)排污系數(shù)在不同飼養(yǎng)期、不同地區(qū)不盡相同。為了得到接近實(shí)際的畜禽糞便資源量計(jì)算結(jié)果，依據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中的華東區(qū)畜禽產(chǎn)排污系數(shù)，并結(jié)合相關(guān)資料[13-18]確定豬、肉牛、蛋雞和肉雞的產(chǎn)排污系數(shù)。其中，蛋雞產(chǎn)排污系數(shù)以產(chǎn)蛋期產(chǎn)排污系數(shù)計(jì)，羊的產(chǎn)排污系數(shù)以相關(guān)資料[10,19-20]中的產(chǎn)排污系數(shù)平均值計(jì)。固鎮(zhèn)縣主要畜禽糞便產(chǎn)排污系數(shù)見表1。

表1 固鎮(zhèn)縣主要畜禽糞便產(chǎn)排污系數(shù)

Table 1 Pollution discharge coefficient of livestock and poultry manure in Guzhen

畜禽種類飼養(yǎng)期/d糞尿量/(kg·d-1)固體糞便液體糞便氮排放量/(g·d-1)磷排放量/(g·d-1)氮排放量/(g·d-1)磷排放量/(g·d-1)豬1994.3615.896.4220.671.46肉牛36523.0271.9924.8353.621.83羊3650.873.020.702.610.01肉雞550.060.530.23蛋雞3650.121.350.60

1.2 主要作物養(yǎng)分需求量計(jì)算

主要作物氮(磷)需求量計(jì)算公式如下：

(2)

式(2)中，Djk,t為j地區(qū)第k種作物的氮(磷)總需求量，kg；Cjk為j地區(qū)第k種作物的播種面積，hm2；Rjk為j地區(qū)第k種作物單位面積氮(磷)需求量，kg·hm-2；j為鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)，j=1，2，…，m；k為作物種類，k=1，2，…，h。

固鎮(zhèn)縣的種植作物包括小麥、水稻、玉米、大豆、山芋、花生、棉花、藥材、蔬菜和瓜類等，其中，小麥、玉米、大豆、花生、蔬菜和瓜類6種作物的播種面積占總播種面積的91%。由于部分作物的養(yǎng)分需求參數(shù)難以獲取，因此選取上述6種作物作為消納畜禽糞便的場所，參考相關(guān)資料[3,21-24]確定單位面積作物養(yǎng)分需求量參數(shù)(表2)。

表2 固鎮(zhèn)縣主要作物播種面積及養(yǎng)分需求量

Table 2 Planting areas and nutrient demands of major crops grown in Guzhen

作物種類播種面積/hm2單位播種面積養(yǎng)分需求量/(kg·hm-2)氮磷小麥5021420735.00玉米3400016130.00大豆474021626.40花生3288113428.17蔬菜1449728462.10瓜類774410822.50

1.3 畜禽糞便處理情景設(shè)置

結(jié)合已有研究成果獲取氮(磷)損失參數(shù)，用于計(jì)算不同工藝處理后糞肥物料中的氮(磷)數(shù)量。堆肥是利用含有肥料成分的動(dòng)植物遺體和排泄物，加上泥土和礦物質(zhì)混合堆積，在高溫、潮濕條件下經(jīng)過發(fā)酵腐熟、微生物分解而制成的一種有機(jī)肥料，在堆肥過程中會(huì)造成一定量的養(yǎng)分損失[25-28]，但糞便經(jīng)過堆肥處理可以減少體積、便于運(yùn)輸[29]。沼氣工程主要通過厭氧發(fā)酵及相關(guān)處理降低糞水有機(jī)質(zhì)含量，達(dá)到或接近排放標(biāo)準(zhǔn)并獲取沼氣、沼渣和沼液，采用沼氣工程處理可以產(chǎn)生能量并減少氮(磷)損失[30-31]，沼渣、沼液可制成有機(jī)肥，部分糞肥儲(chǔ)藏、沼氣處理過程中都涉及氣體釋放的研究，筆者只關(guān)注處理前后氮(磷)養(yǎng)分的損失比例[32-34]。目前，在經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)水平的綜合影響下[35-36]，以采用直接還田的方法居多。不同糞肥處理工藝中的氮(磷)養(yǎng)分損失比例見表3。

表3 不同糞肥處理工藝中的氮(磷)養(yǎng)分損失比例

Table 3 Proportions of N and P lost in manure treatment relative to technology

養(yǎng)分損失氮損失比例/%磷損失比例/%平均值范圍平均值范圍堆肥30.77.0～55.911.22.4～28.2沼氣9.05.9～12.24.20～9.0儲(chǔ)藏37.810.0～69.048.124.6～67.7

糞尿處理方式顯著影響著可用于農(nóng)田的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量。根據(jù)糞尿的處理工藝和去向，設(shè)置3種情景。情景A：固體糞便收集儲(chǔ)藏堆放后在本地直接還田，液體糞便收集后直接排放，目前固鎮(zhèn)縣主要采用這種處理方法；情景B：收集的固體糞便經(jīng)儲(chǔ)藏堆放后利用，液體糞便經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生的廢物在本地還田利用；情景C：收集后的固體糞便經(jīng)堆肥加工為商品有機(jī)肥，在本地及周邊地區(qū)利用，液體糞便經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生的廢物在本地還田利用。

1.4 糞肥替代化肥氮(磷)養(yǎng)分的潛力分析

在情景分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同工藝技術(shù)條件下氮(磷)有效供給量的差異，計(jì)算固鎮(zhèn)縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥替代化肥潛力的計(jì)算公式為

Pj，B=Sj，B-Sj，A，

(3)

Pj，C=Sj，C-Sj，A。

(4)

式(3)～(4)中，Pj，B、Pj，C分別為情景B、C模擬下第j個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥替代化肥的有效潛力，t；Sj，A、Sj，B、Sj，C分別為情景A、B、C模擬下第j個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥供應(yīng)氮(磷)的量，t。

1.5 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

固鎮(zhèn)縣地處淮北平原區(qū)，是國家商品糧基地縣、商品油料基地試點(diǎn)縣和畜牧養(yǎng)殖基地，先后被評(píng)為“國家商品糧大縣”、“全省畜牧十強(qiáng)縣”、“全省油料第一大縣”和“花生之鄉(xiāng)”。近年來，固鎮(zhèn)縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，已成為加快縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、增加農(nóng)民收入的突破口。豬、肉雞以年出欄量為飼養(yǎng)量，分別為77.40萬頭和2 492萬只；牛、羊和蛋雞以年底存欄量為飼養(yǎng)量，分別為5.97萬頭、31.70萬只和350萬只。固鎮(zhèn)縣耕地面積為98 730 hm2，占土地總面積的72.56%；農(nóng)作物總播種面積為168 875 hm2，主要種植小麥、玉米和花生等，為消納畜禽糞便提供了基礎(chǔ)條件。此外，固鎮(zhèn)縣地表水系發(fā)育，自北向南有沱河、澮河、澥河和懷洪新河4條過境河流，河道總長為153 km，畜禽糞便處理不當(dāng)將極易造成地表水污染，進(jìn)而影響人畜的飲水安全。畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、作物播種面積來自《固鎮(zhèn)縣統(tǒng)計(jì)年鑒2014》，耕地面積來自《2013年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)》，水資源數(shù)據(jù)來自《固鎮(zhèn)縣水資源綜合規(guī)劃 水資源及開發(fā)利用調(diào)查評(píng)價(jià)》。

2 結(jié)果與分析

2.1 糞肥資源現(xiàn)狀

由表4可知，2013年固鎮(zhèn)縣畜禽糞便總量為129.70萬t，其中，仲興鄉(xiāng)、任橋鎮(zhèn)和劉集鎮(zhèn)分布較多，糞便產(chǎn)生量都在14萬t以上，均約占固鎮(zhèn)縣總量的11.5%；石湖鄉(xiāng)最少，只有7.53萬t。固鎮(zhèn)縣畜禽糞便氮和磷產(chǎn)生量分別為11 456.93和2 954.09 t，其中，連城鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、仲興鄉(xiāng)、任橋鎮(zhèn)、湖溝鄉(xiāng)和楊廟鄉(xiāng)的氮產(chǎn)生量在1 000 t以上，仲興鄉(xiāng)、任橋鎮(zhèn)、湖溝鄉(xiāng)和楊廟鄉(xiāng)的磷產(chǎn)生量在300 t以上，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)是固鎮(zhèn)縣主要的畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)生區(qū)域。

根據(jù)2013年固鎮(zhèn)縣主要作物的播種面積，以及在中等產(chǎn)量和中等肥力下各作物的養(yǎng)分需求量，計(jì)算固鎮(zhèn)縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氮(磷)需求量。由表4可知，固鎮(zhèn)縣農(nóng)作物氮和磷的需求量分別為25 404.75和4 757.93 t；其中，劉集鎮(zhèn)、楊廟鄉(xiāng)、仲興鄉(xiāng)和任橋鎮(zhèn)的氮(磷)需求量較高，與畜禽糞便產(chǎn)生量基本一致。在不施用化肥和不進(jìn)行秸稈還田的情況下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽糞便的氮(磷)供給量均未超過作物的氮(磷)需求量，這說明固鎮(zhèn)縣畜禽養(yǎng)殖規(guī)模尚有可提升空間，在固鎮(zhèn)縣種植業(yè)生產(chǎn)中，還需要化肥和秸稈來補(bǔ)充氮(磷)養(yǎng)分。此外，應(yīng)逐步建設(shè)畜禽污染物處理設(shè)施，提高糞肥施用效率，在畜禽糞便資源化利用的同時(shí)減少環(huán)境污染。

表4 固鎮(zhèn)縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽糞便總量及氮(磷)養(yǎng)分量和作物氮(磷)需求量

Table 4 Amount of manure and its N and P contents and crop demand for N and P in Guzhen

鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞便總量/萬t糞便養(yǎng)分供給量/t作物養(yǎng)分需求量/t氮磷氮磷王莊鎮(zhèn)9.88791.81(56.06)190.14(89.80)1905.89359.33新馬橋鎮(zhèn)10.78887.21(56.10)215.21(89.64)2338.35440.97連城鎮(zhèn)11.331001.58(61.97)266.02(92.22)1661.89308.93劉集鎮(zhèn)14.841188.68(55.88)286.15(89.65)2866.87550.51濠城鎮(zhèn)10.78868.07(55.07)206.71(89.20)1465.14273.59石湖鄉(xiāng)7.53814.69(62.38)228.35(91.51)1833.01346.16仲興鄉(xiāng)15.181323.79(59.60)340.15(91.20)2833.79527.78任橋鎮(zhèn)14.941229.75(56.75)300.54(90.02)2770.66516.79湖溝鄉(xiāng)13.461267.02(63.73)346.30(92.82)2635.02493.88楊廟鄉(xiāng)12.241291.12(67.57)378.29(93.88)2861.26523.16城關(guān)鎮(zhèn)8.68793.21(53.84)196.23(87.75)2232.87416.83合計(jì)129.6411456.93(59.43)2954.09(91.01)25404.754757.93

括號(hào)中數(shù)據(jù)為固體糞便養(yǎng)分占糞便總養(yǎng)分的比例，單位為%。

2.2 合理施用糞肥情景分析

當(dāng)前，固鎮(zhèn)縣大多數(shù)養(yǎng)殖場采用固體糞便儲(chǔ)藏后施用、液體糞便直接排放的處理方式(情景A)。(1)按照情景A，全縣糞便可提供氮和磷養(yǎng)分分別為4 239和1 397 t，63%的氮和53%的磷進(jìn)入環(huán)境。(2)考慮液體糞便農(nóng)用(情景B)，可供作物利用的氮和磷養(yǎng)分分別為8 473和1 652 t，液體糞便經(jīng)過沼氣工程處理減少了養(yǎng)分損失，26%的氮和44%的磷進(jìn)入環(huán)境，與情景A相比氮的損失率明顯減少。(3)為了畜禽糞便商業(yè)化，采用堆肥處理方法和沼氣發(fā)酵方法處理畜禽糞便(情景C)，其氮和磷供給量分別為8 957和2 646 t(圖1)。固體糞便經(jīng)過堆肥處理，保存了更多的磷元素，氮和磷的損失率分別為22%和10%。從減少區(qū)域糞肥養(yǎng)分損失角度來看，情景C優(yōu)于情景A和B，因此，應(yīng)選擇情景C作為畜禽糞便處理的優(yōu)先模式。

括號(hào)中數(shù)據(jù)為養(yǎng)分量(單位為t)占初始糞便總養(yǎng)分量的比例(單位為%)。

按照情景C，確定了固鎮(zhèn)縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥氮(磷)有效供給量和化肥、秸稈養(yǎng)分補(bǔ)充量(表5)。在情景C模擬下，固鎮(zhèn)縣糞肥占作物需求養(yǎng)分比例以氮和磷計(jì)分別為34%和54%，化肥、秸稈補(bǔ)充量以氮和磷計(jì)分別為16 455.97和2 115.56 t，表明在現(xiàn)有養(yǎng)殖規(guī)模下，固鎮(zhèn)縣有足夠農(nóng)用地消納畜禽糞便，亟需改進(jìn)畜禽糞便處理工藝，提高糞肥替代化肥潛力。分鄉(xiāng)鎮(zhèn)來看，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥占作物養(yǎng)分需求的比例差異較大，連城鎮(zhèn)以氮(磷)計(jì)均最高，分別為47%和77%，城關(guān)鎮(zhèn)最低，分別為28%和42%，應(yīng)根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)具體情況實(shí)施差異化的畜禽糞便處理措施;各鄉(xiāng)鎮(zhèn)磷養(yǎng)分替代率均高于氮養(yǎng)分替代率，為了預(yù)防畜禽規(guī)模擴(kuò)大帶來的糞便污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)實(shí)施以磷養(yǎng)分投入為控制目標(biāo)的糞肥利用對策;任橋鎮(zhèn)和仲興鄉(xiāng)都已實(shí)現(xiàn)牛羊肉銷售品牌化，特別是“任橋牛肉”已占據(jù)南京及周邊地區(qū)80%的市場份額，是當(dāng)?shù)孛飘a(chǎn)品，而兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥中磷有效供給量占作物需求養(yǎng)分比例為52%和58%，氮的比例更低，說明畜禽養(yǎng)殖數(shù)量仍低于當(dāng)?shù)丨h(huán)境限制容量，可增加牛羊飼養(yǎng)規(guī)模，帶動(dòng)周邊地區(qū)農(nóng)民增收。

表5 糞肥還田養(yǎng)分量及需要補(bǔ)充化肥量

Table 5 Amount of nutrients returned into the field with manure and amount of chemical fertilizers to be amended

鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥有效還田養(yǎng)分量/t化肥、秸稈補(bǔ)充養(yǎng)分量/t糞肥占作物需求養(yǎng)分比例/%氮磷氮磷氮磷王莊鎮(zhèn)624.22170.241281.67189.093347新馬橋鎮(zhèn)699.36192.711638.99248.263044連城鎮(zhèn)776.75237.71885.1471.224777劉集鎮(zhèn)937.55256.241929.32294.273347濠城鎮(zhèn)686.20185.17778.9488.424768石湖鄉(xiāng)631.09204.171201.92141.993459仲興鄉(xiāng)1033.45304.211800.34223.573658任橋鎮(zhèn)967.63269.041803.03247.753552湖溝鄉(xiāng)977.78309.311657.24184.573763楊廟鄉(xiāng)985.60337.591875.66185.573465城關(guān)鎮(zhèn)629.15175.981603.72240.852842合計(jì)8948.782642.3716455.972115.563454

2.3 糞肥替代化肥氮(磷)養(yǎng)分潛力分析

相關(guān)研究[37]表明，若用有機(jī)肥替代化肥，全球變暖潛力、富營養(yǎng)化潛力和環(huán)境酸化潛力將分別降低17.54%、52.86%和62.64%。農(nóng)戶調(diào)查研究[38]表明，86.84%的農(nóng)戶使用過商品有機(jī)肥，其中，對肥料的認(rèn)知、信息渠道和土地規(guī)模均對農(nóng)戶商品有機(jī)肥的使用具有正向影響作用。以上研究從多角度證明了有機(jī)肥具有替代化肥的潛力。

根據(jù)圖2可知，相比現(xiàn)有處理工藝，情景B和C中糞肥養(yǎng)分替代化肥潛力均有較大提升。在情景B下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽糞便中氮和磷的有效供給量平均為384.71和23.19 t；在情景C下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽糞便中氮和磷的有效供給潛力平均為428.64和113.37 t，且氮和磷的提升潛力均大于情景B，尤其是磷養(yǎng)分替代化肥潛力平均為情景B的約5倍。在情景C中，仲興鄉(xiāng)、任橋鎮(zhèn)和劉集鎮(zhèn)的氮養(yǎng)分潛力較大，均超過500 t；楊廟鄉(xiāng)、仲興鄉(xiāng)和湖溝鎮(zhèn)的磷養(yǎng)分潛力較大，均超過140 t。

圖2 不同情景下氮和磷有效供給提升潛力Fig.2 Potential of raising the effective supply of nitrogen and phosphorus relative to scenarios

固鎮(zhèn)縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥替代化肥潛力巨大，但實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)殖場自身資金短缺、投資回報(bào)率低和污染處罰力度小等因素影響下，各養(yǎng)殖場糞便處理設(shè)施建設(shè)不到位，不僅不能用畜禽糞便養(yǎng)分替代化肥，而且易流入環(huán)境造成面源污染。2015年6月底，固鎮(zhèn)縣因農(nóng)業(yè)面源污染造成大量魚蟹死亡，漁民損失慘重，畜禽糞便無害化處理已經(jīng)刻不容緩。為此，應(yīng)采取政府引導(dǎo)、資金扶持等多種模式，集中有限資金優(yōu)先解決糞肥替代化肥潛力大、環(huán)境約束力大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽處理設(shè)施建設(shè)問題，再逐步分批解決其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)沼氣池等處理設(shè)施建設(shè)問題。

3 討論

筆者研究的畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量以及作物養(yǎng)分需求量都是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)參數(shù)等，數(shù)據(jù)誤差和所用參數(shù)的不確定性可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差。真實(shí)動(dòng)物數(shù)量與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間必然存在差別，筆者采用的畜禽存欄出欄數(shù)據(jù)來自《2014固鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)年鑒》，根據(jù)畜禽的生長周期對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一定程度上可減少誤差，但這種處理并不能完全消除統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不確定性。作物養(yǎng)分需求參數(shù)和排泄量參數(shù)主要來源于代表性文獻(xiàn)和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)手冊》。然而，由于畜禽種類、飼料、養(yǎng)殖模式以及技術(shù)因素、種植模式、作物種類和管理措施等諸多因素的影響，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果仍可能會(huì)存在誤差。

農(nóng)田養(yǎng)分來源包括化肥、糞肥和秸稈還田。由于數(shù)據(jù)限制，筆者只考慮糞肥替代化肥數(shù)量，沒有計(jì)算秸稈還田數(shù)量。秸稈還田能夠促使高氮輸入的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)維持正常的碳氮比例，減少氮素淋洗損失，改善土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)和連作障礙等現(xiàn)象。與歐美國家高達(dá)90%多的秸稈還田率相比，目前我國農(nóng)田秸稈還田率不足50%，還具有很大潛力[36]。

結(jié)合固鎮(zhèn)縣實(shí)際情況和已有研究成果，為了實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，充分挖掘糞肥替代化肥潛力并減輕環(huán)境壓力，亟需開展畜禽污染物處理設(shè)施建設(shè)時(shí)序分區(qū)研究。即綜合考慮糞肥替代化肥潛力、河網(wǎng)密度、地力評(píng)級(jí)、畜牧業(yè)增加值比例和政策發(fā)展導(dǎo)向等評(píng)價(jià)指標(biāo)，從自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)多維度表征各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽處理設(shè)施建設(shè)優(yōu)先級(jí)。此外，畜禽糞便能不能替代化肥，不僅僅是由養(yǎng)分平衡決定，影響因素很復(fù)雜，涉及社會(huì)與經(jīng)濟(jì)因素。比如，輸送距離、施用的方便性與人力成本，作物產(chǎn)量與品質(zhì)等。后續(xù)還應(yīng)圍繞以上幾個(gè)方面不斷充實(shí)已有研究成果。

4 結(jié)論

2013年固鎮(zhèn)縣畜禽糞便中氮和磷養(yǎng)分產(chǎn)生量分別為11 456.93和2 954.09 t，其直接排放既污染環(huán)境又容易引起養(yǎng)分流失。固鎮(zhèn)縣農(nóng)作物氮和磷需求量分別為25 404.75和4 757.93 t，是畜禽糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量的約2倍。在考慮復(fù)種指數(shù)的情況下，現(xiàn)有耕地可以100%消納畜禽產(chǎn)生的污染物。

從養(yǎng)分損失角度來看，情景C優(yōu)于情景A和B。經(jīng)堆肥和沼氣處理(情景C)后，氮和磷的損失率分別為22%和10%，氮和磷的有效供給量分別為8 948.78和2 642.37 t，替代化肥率為34%和54%。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)角度來看，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥占作物養(yǎng)分需求的比例差異較大，需實(shí)施空間差異化的畜禽糞便處理措施。此外，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)磷養(yǎng)分替代率均高于氮養(yǎng)分替代率，應(yīng)實(shí)施以磷養(yǎng)分投入為控制目標(biāo)的糞肥利用對策。

與現(xiàn)有畜禽糞便處理工藝相比，情景C氮、磷養(yǎng)分替代化肥的潛力較大，分別為4 715.04和1 247.07 t。仲興鄉(xiāng)、任橋鎮(zhèn)和劉集鎮(zhèn)的氮有效供給量較大，均超過500 t；楊廟鄉(xiāng)、仲興鄉(xiāng)和湖溝鎮(zhèn)的磷供給潛力較大，均超過140 t。建議結(jié)合固鎮(zhèn)縣實(shí)際情況和已有研究成果，盡快開展畜禽污染物處理設(shè)施建設(shè)時(shí)序分區(qū)研究，合理布設(shè)畜禽污染物處理設(shè)施，在有效利用畜禽糞便養(yǎng)分的同時(shí)減輕環(huán)境污染。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Nutrient Resources in Livestock Manure and Its Potential of Substituting Fertilizers: A Case Study of Guzhen County, Anhui Province.

SUNChao1,2,3,4,PANYu-chun1,2,3,4,LIUYu1,2,3,4

(1.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China; 2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China; 3.Key Laboratory of Agri-Informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097, China; 4.Beijing Engineering Research Center of Agricultural Internet of Things, Beijing 100097, China)

Based on the status of the development of the crop farming and livestock rearing of Guzhen County, Anhui Province and comprehensive consideration of factors like planting structure, planting area and technology of livestock manure disposal, status of nutrient resources in livestock manure and their potential of substituting chemical fertilizer in the region was assessed. Results show that the manure excreted by the livestock in the county contained a total of 11 456.93 t of N and 2 954.09 t of P, far from adequate to meet the demand of the crops in the region for N and P in the case of no fertilizers applied and no crop straw incorporated. Scenario simulation shows that Scenario C where solid manure is collected and composted into organic manure as soon as possible, and liquid waste is pooled into biogas digesters and turned into biogas slurry for application into the crop fields, is the best model, providing 8 948.78 and 2 642.37 t of available N and P, which may meet the demand of the crops by 34% and 54%, respectively. The findings indicate that Guzhen has enough agricultural land to digest the livestock manure it produces, but it is essential to improve its manure treatment technology so as to increase the potential of livestock manure substituting chemical fertilizer. In Scenario C, the livestock manure may substitute 4 715.04 t of N fertilizer and 1 247.07 t of P fertilizer. Zhongxing, Renqiao, Liuji and Yangmiao townships are the highest in potential. All the findings may provide the decision-makers with theoretical support to make plans for developing scale of livestock raising and utilizing livestock manure.

livestock manure; fertilizer substitution potential; N(P) nutrient; Guzhen County

2016-03-17

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0800904)

X713

A

1673-4831(2017)04-0324-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.04.005

孫超(1989—)，男，北京市人，工程師，碩士，主要從事區(qū)域農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村發(fā)展方面的研究。E-mail: 879858874@qq.com

①通信作者E-mail: Liuyu@nercita.org.cn