基于土壤養(yǎng)分平衡的畜禽養(yǎng)殖承載力研究*

蔡美芳 劉曉偉 吳孝情 吳仁人 陳中穎 盧文洲

（環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所國家環(huán)境保護(hù)水環(huán)境模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省水與大氣污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510655）

畜禽糞便因含有豐富的養(yǎng)分（N、P2O5、K2O）往往作為有機(jī)肥返還農(nóng)田［1］，據(jù)估算，2011年我國畜禽糞便的產(chǎn)生量已達(dá)到25.45×108t，其中的氮、磷含量分別達(dá)1419.76×104t和247.98×104t［2］，畜禽糞便帶來的氮、磷總量約為全年施用化肥中所含氮磷的78.9%和57.4%［3］。2017年，全國畜禽糞尿量已高達(dá)38×104t［4］，為了加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，2017年6月12日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》并明確提出，到2020年，全國畜禽糞污綜合利用率達(dá)到75%以上。因此，利用好畜禽糞便不但可以減少化學(xué)肥料的用量，有效降低畜禽養(yǎng)殖帶來的面源污染，還能增加土壤有機(jī)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)減肥增效和農(nóng)田可持續(xù)利用。但是，當(dāng)一定區(qū)域內(nèi)畜禽產(chǎn)生的糞便超過作物生長需要和土壤的自凈能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)土壤N、P盈余［5-6］，過量的N、P便會(huì)通過地表徑流和淋溶進(jìn)入河流、湖泊和地下水，造成水體污染。為了控制畜禽糞便污染，歐盟委員會(huì)明確規(guī)定每年投入農(nóng)田的糞便氮素不得超過170 kg·hm-2［7］，挪威、瑞典和愛爾蘭還分別規(guī)定了每年糞便磷的最高施用量為35、22和40 kg·hm-2［8］。

目前國內(nèi)外有關(guān)畜禽養(yǎng)殖的研究主要集中在畜禽糞便組分、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及畜禽養(yǎng)殖承載力研究等方面［9-12］，而基于土壤氮磷平衡的畜禽養(yǎng)殖承載力研究則相對(duì)較少。為了合理控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，有效防治畜禽養(yǎng)殖污染，保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，本研究以江門市新會(huì)區(qū)為研究對(duì)象，選取水田、菜地、園地和林地4種農(nóng)用地類型，測(cè)定土壤N、P養(yǎng)分以及As、Cu、Zn等重金屬含量，基于養(yǎng)分平衡模型，通過量化核算區(qū)域N、P的輸入和輸出項(xiàng)，判斷氮、磷盈余或缺損，并將區(qū)域內(nèi)能承受的輸入量間接轉(zhuǎn)化為豬當(dāng)量畜禽數(shù)量，即適宜的養(yǎng)殖量，以期為其他地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖污染防治規(guī)劃提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與數(shù)據(jù)收集

2017年8月26—29日，在廣東省江門市新會(huì)區(qū)選擇水田、菜地、園地、林地四種農(nóng)用地土壤類型，按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T 395-2012）和《土壤檢測(cè)第1部分：土壤樣品的采集、處理與貯存》（NY/T 1121.1-2006）的要求，采用梅花布點(diǎn)和四分法共采集土壤樣品35個(gè)，其中水田、菜地、園地各10個(gè)，林地5個(gè)，采樣點(diǎn)分布見圖1。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH、土壤電導(dǎo)率（EC）、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、有效磷以及Cu、Zn、As等重金屬共10個(gè)指標(biāo)，其中，pH和EC采用電極法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定，全氮和速效氮分別采用凱氏法和堿解法進(jìn)行測(cè)定，全磷和有效磷分別采用分光光度法和鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定，Cu、Zn、As采用分光光度法測(cè)定。

本研究中各種農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于新會(huì)區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，每形成100 kg作物的N、P需求量見表1。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Soil sampling sites

表1 作物形成100 kg產(chǎn)量需要的養(yǎng)分量Table 1 Nutrients required per 100 kg crop produced

續(xù)表

1.2 研究方法

根據(jù)土壤中養(yǎng)分的平衡原理，即：盈余量=輸入量-輸出量，本研究通過量化核算區(qū)域內(nèi)氮、磷元素的輸入和輸出項(xiàng)，判斷氮、磷盈余或缺損，并將區(qū)域內(nèi)能承受的輸入量間接轉(zhuǎn)化為豬當(dāng)量畜禽數(shù)量，即為適宜的養(yǎng)殖量。

在一定的土地供肥能力和單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量條件下，考慮由畜禽糞便提供一定比例的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥量的情況下，計(jì)算獲得的土地當(dāng)量畜禽的承載量，計(jì)算公式如下：

式中，N為需要施加的畜禽糞便量，t·hm-2；A為單位面積產(chǎn)量作物需要吸收的養(yǎng)分量；即需肥量，t·hm-2；S為單位面積土壤的供肥量，t·hm-2；d為畜禽糞便（干基）中營養(yǎng)元素的含量（N為1%，P為0.9%）；r為畜禽糞便的當(dāng)季利用率，%，本研究取30%；f為畜禽糞便的施用量占施肥總量的比例，%。

根據(jù)《2015年新會(huì)區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》，新會(huì)區(qū)主要種植的農(nóng)作物包括水稻、玉米、薯類、大豆、花生、蔬菜以及柑桔橙、香大蕉、荔枝、龍眼、番石榴等水果，主要的林產(chǎn)品為蒲葵，農(nóng)作物的產(chǎn)量分別見表2，結(jié)合單位產(chǎn)品N、P需求量，便可計(jì)算出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥量A。

表2 2015年新會(huì)區(qū)主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量（噸, 蒲葵單位為萬柄)Table 2 Yields of the main agricultural crops in Xinhui in 2015(t, the unit for Chinese fan palm is 104 plant）

采用《畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》（GBT26622-2011）和《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》（GB/T 25246-2010）中推薦的方法計(jì)算單位面積土壤供氮和供磷量(S)：

式中，2.25×10-3表示土壤養(yǎng)分（N、P）的換算系數(shù)，土壤耕作層深度通常為20 cm，其每hm2土壤總重約為225×104kg，C表示土壤中N、P元素的測(cè)定值，mg·kg-1，t表示校正系數(shù)，因土壤具有緩沖能力，測(cè)定值只是代表供肥潛力，實(shí)際能被作物吸收的量只占測(cè)定值的一部分，可取0.5［18］。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤肥力水平

新會(huì)區(qū)農(nóng)用地土壤的有機(jī)質(zhì)、N、P含量結(jié)果見表3。從該表中可看出，新會(huì)農(nóng)用地土壤中有機(jī)質(zhì)平均含量在3.57%～3.80%之間，全氮平均含量在1.70～1.91 g·kg-1之間，有效氮平均含量在97.21～149.9 mg·kg-1之間，全磷平均含量在0.88～1.41 g·kg-1之間，有效磷平均含量在49.7～166.5 mg·kg-1之間。在水田、菜地、園地和林地四種農(nóng)用地中，水田的有機(jī)質(zhì)、全磷和有效磷的平均含量最低，林地的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮和全磷的平均含量最高，果園的全氮平均含量最低，菜地的有效磷平均含量最高。

本研究按照《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》（GB/T 25246-2010）推薦的土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土壤全氮含量進(jìn)行新會(huì)區(qū)農(nóng)用地土壤肥力水平評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，在所監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中，新會(huì)區(qū)土壤肥力等級(jí)較高，水田和林地肥力全為Ⅰ級(jí)，菜地除崖門鎮(zhèn)為Ⅲ級(jí)外，其余全為Ⅰ級(jí)，果園除大澤和雙水為Ⅱ級(jí)外，其余也為Ⅰ級(jí)，Ⅰ級(jí)點(diǎn)位數(shù)占所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的91.4%。

2.2 土壤Cu、Zn、As含量

根據(jù)土壤采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果，按照《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（三次征求意見稿），采用單因子指數(shù)法對(duì)新會(huì)區(qū)土壤中Cu、Zn、As污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。在所監(jiān)測(cè)的所有菜地中，未出現(xiàn)Cu、Zn、As超標(biāo)，部分果園土壤出現(xiàn)As超標(biāo)，這可能與果園曾經(jīng)使用含砷農(nóng)藥有關(guān)，超標(biāo)的點(diǎn)位分別為羅坑、沙堆、古井三個(gè)鎮(zhèn)，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.25、1.32、0.49此外，雙水和司前的水田、古井的林地也出現(xiàn)了As超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.15、0.08和0.23。

為了促進(jìn)畜禽生長和提高免疫力，動(dòng)物飼料中往往加入含Cu、Zn、As等重金屬的添加劑，然而，由于動(dòng)物對(duì)Cu、Zn、As添加劑的利用率較低，導(dǎo)致這些重金屬隨畜禽糞便進(jìn)入環(huán)境，引起土壤重金屬污染，尤其是As污染。有研究表明，豬飼料中As、Cu、Zn的平均含量分別為6.5、119.4、486.2 mg·kg-1，經(jīng)過禽畜消化吸收后還會(huì)在禽畜糞中富集［19］。另有調(diào)查表明，廣東集約化養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞中As、Cu、Zn的平均含量分別達(dá)89.3、765.1、1128 mg·kg-1；雞糞中As、Cu、Zn的平均含量分別達(dá)21.6、107.5、366.6 mg·kg-1［20］。因此，施用畜禽糞肥可能會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬污染。

表3 新會(huì)區(qū)農(nóng)用地土壤有機(jī)質(zhì)、N、P測(cè)定結(jié)果(速效氮、有效磷單位為mg·kg-1，其余為g·kg-1)Table 3 Organic matter, nitrogen and phosphorus contents in farmland soils of Xinhui (the unit for available N and P is mg·kg-1，and for the rest, g·kg-1)

續(xù)表

2.3 土壤養(yǎng)分供需平衡

根據(jù)新會(huì)區(qū)土壤中N、P含量監(jiān)測(cè)結(jié)果，利用式（2）分別計(jì)算各鎮(zhèn)街單位面積農(nóng)用地供氮量和供磷量，并與農(nóng)作物生產(chǎn)需要的養(yǎng)分量進(jìn)行比較，以需要施肥量來表征土壤養(yǎng)分的盈虧狀況（“-”表示盈，“+”表示虧），見表5。從這些表可看出，除大澤外，其余10個(gè)鎮(zhèn)街的部分土壤均出現(xiàn)了供肥能力大于作物需肥量的情況，N、P肥料過量施用，P肥最為突出，其中，會(huì)城、三江和大鰲的所有農(nóng)用地均存在土壤P肥或N肥過剩現(xiàn)象，會(huì)城園地和大鰲水田還同時(shí)出現(xiàn)N肥和P肥過剩，這與前人的研究結(jié)論［5-6］一致，因此，畜禽糞便中P2O5是限制畜禽糞便農(nóng)田施用的主要限制因素。

2.4 適宜養(yǎng)殖量與現(xiàn)狀養(yǎng)殖量

根據(jù)調(diào)查，目前新會(huì)區(qū)有機(jī)肥施用比例約為20%，畜禽糞便收集率為70%（流失率30%），利用式（1）和式（2）計(jì)算出新會(huì)各鎮(zhèn)街適宜的養(yǎng)殖量（見表6），全區(qū)總的養(yǎng)殖量為27萬頭豬當(dāng)量。同時(shí)，根據(jù)新會(huì)區(qū)農(nóng)林局提供的畜禽養(yǎng)殖種類和數(shù)量，結(jié)合廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，按30只蛋雞、30只鴨（蛋鴨和肉鴨）、30只兔、3只羊、15只鵝、60只肉雞折算成1頭豬；1頭奶頭折算10頭豬，1頭肉牛折算成5頭豬的折算標(biāo)準(zhǔn)，按豬當(dāng)量計(jì)算各鎮(zhèn)街畜禽養(yǎng)殖量，全區(qū)現(xiàn)狀養(yǎng)殖總量為125.7萬頭豬當(dāng)量。此外，根據(jù)《廣東國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》（2016），獲得年人均肉類消耗量為37.8kg，按每出欄1頭豬產(chǎn)肉75kg計(jì)，結(jié)合新會(huì)區(qū)人口數(shù)據(jù)，可算出基于新會(huì)區(qū)肉類需求的養(yǎng)殖量，為38萬頭豬當(dāng)量。由此可見，現(xiàn)狀全區(qū)的養(yǎng)殖總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了適宜的養(yǎng)殖量和肉類需求量，需要大幅度削減養(yǎng)殖規(guī)模?；诔休d力的畜禽養(yǎng)殖量分布不均衡，其中，會(huì)城、三江、大鰲三個(gè)鎮(zhèn)已經(jīng)沒有養(yǎng)殖空間，適宜養(yǎng)殖的區(qū)域主要分布在雙水和司前兩個(gè)鎮(zhèn)。

3 結(jié) 論

新會(huì)區(qū)部分農(nóng)用地土壤存在過量施肥現(xiàn)象，2015年全區(qū)化肥平均施用強(qiáng)度為367 kg·hm-2（按種植面積計(jì)算），超出了發(fā)達(dá)國家提出的警戒線（225 kg·hm-2）。新會(huì)區(qū)現(xiàn)狀畜禽養(yǎng)殖總量大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了畜禽養(yǎng)殖承載力，除崖門和睦州兩個(gè)鎮(zhèn)外，其余8個(gè)鎮(zhèn)都需要大幅削減養(yǎng)殖量才能滿足畜禽養(yǎng)殖承載力的要求。此外，部分農(nóng)用地土壤出現(xiàn)As超標(biāo)，畜禽糞肥農(nóng)用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。因此，新會(huì)區(qū)在施用畜禽糞肥時(shí)除了要考慮土壤的養(yǎng)分平衡，防止N、P盈余和累積外，還需關(guān)注糞肥帶來的As污染風(fēng)險(xiǎn)。

表4 新會(huì)區(qū)土壤重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Heavy metal concentrations in the soils of Xinhui/(mg·kg-1)

表5 2015年新會(huì)區(qū)農(nóng)用地土壤養(yǎng)分供需表Table 5 Soil nutrient budgeting of the farmlands of Xinhui /(t·hm-2)

表6 2015年新會(huì)區(qū)畜禽養(yǎng)殖量分析（單位：頭豬當(dāng)量）Table 6 Livestock and poultry feeding loads in Xinhui (2015, pig equivalent)

續(xù)表