劉金鑫,白林,周立新,王定國(guó),劉一輝,薛佳
(1.四川省成都市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心,四川 成都 610041;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,四川 成都 611130;3.四川省畜牧總站,四川 成都 610041)
基于氮平衡原理,根據(jù)土地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的承載能力,測(cè)算作物單位種植面積的載畜量,是實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合預(yù)防污染的基礎(chǔ)。在各地養(yǎng)殖業(yè)規(guī)劃實(shí)踐中,因?yàn)橐延械挠?jì)算模型[1-4]沒有考慮一些影響廢棄物還田的重要因素,得出的載畜量數(shù)據(jù)過大,存在著總體平衡和局部不平衡的問題。本研究基于氮平衡原理,在充分考慮各種影響?zhàn)B殖廢棄物資源化還田因素的前提下,引入距離系數(shù)、地形系數(shù)等新參數(shù),對(duì)已有的載畜量計(jì)算模型進(jìn)行完善和修正,并利用新算法對(duì)成都市不同作物的單位土地面積載畜量進(jìn)行分析,以期為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)就近配套適合的種植基地提供科學(xué)依據(jù)。
2.1 計(jì)算方式 單位土地面積載畜量是指單位土地面積內(nèi)能夠承載牲畜的最大容量,可用于指導(dǎo)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)建設(shè)中配套種植面積的多少。根據(jù)成都市畜禽養(yǎng)殖、種植現(xiàn)狀和地理環(huán)境條件,參考陳天寶等[5]計(jì)算模型中非約束條件和完全約束條件的概念,再引入糞肥還田耕地距離系數(shù)和地形系數(shù)概念,提出成都市單位土地面積載畜量計(jì)算公式。要計(jì)算出單位土地面積載畜量需先計(jì)算單位土地面積作物產(chǎn)量所需的氮含量,再與一個(gè)豬當(dāng)量提供的氮含量進(jìn)行比較,即得出單位土地面積載畜量計(jì)算公式:
式中,X表示單位土地面積載畜量;q表示作物單位面積產(chǎn)量;t表示不同植物形成1 kg產(chǎn)量需要吸收的氮量;k表示施肥供給養(yǎng)分占比;β表示糞肥占總施肥比例;α表示耕地距離系數(shù);λ表示地形系數(shù);a表示單位豬當(dāng)量的氮養(yǎng)分供給量;r表示氮素當(dāng)季利用率。根據(jù)公式先計(jì)算單位面積作物產(chǎn)量,然后結(jié)合不同植物形成1 kg 產(chǎn)量需要吸收的氮量、施肥供給養(yǎng)分占比、糞肥占總施肥比例、單位豬當(dāng)量的氮養(yǎng)分供給量和氮素當(dāng)季利用率來計(jì)算單位土地面積載畜量。單位土地面積載畜量主要受β、α和λ三個(gè)變量的影響,計(jì)算時(shí)可固定其中兩個(gè)變量來得出不同條件下的單位土地面積載畜量。
2.2 具體參數(shù)
2.2.1 豬當(dāng)量折算系數(shù) 由于畜種不同,計(jì)算時(shí)將其他畜種折算為豬當(dāng)量作為衡量畜禽氮排泄量的度量單位,1頭豬為1個(gè)豬當(dāng)量,其他畜種的折算系數(shù)根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596-2001)來確定,并用于后續(xù)分析。
2.2.2 成都市主產(chǎn)作物產(chǎn)量 成都市農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)以糧食作物、蔬菜和水果為主,其中水稻、小麥和玉米產(chǎn)量占糧食作物產(chǎn)量的85%以上,水果生產(chǎn)以蘋果和柑橘為主,通過查閱2014~2018年的《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒》,得到10種主要農(nóng)作物(水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物、蔬菜、茶葉、蘋果、柑橘)產(chǎn)量。本研究以水稻、玉米、油料作物、蔬菜等成都地區(qū)主要農(nóng)作物為研究對(duì)象,通過《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒-2018》獲得總產(chǎn)量和播種面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過計(jì)算得到單位土地面積作物產(chǎn)量(q)。
2.2.3 農(nóng)作物生產(chǎn)所需要的氮含量(t)本次未對(duì)農(nóng)作物單位產(chǎn)量的需氮量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè),而直接采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公布的不同植物形成100 kg產(chǎn)量需要吸收的氮量推薦值來進(jìn)行計(jì)算;蔬菜吸收氮量的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)《土壤肥料學(xué)通論》[6]。
2.2.4 糞肥所提供的氮含量 本次研究綜合考慮畜禽糞污在貯存和發(fā)酵過程的留存率以及在不同階段的損失情況,參考《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》,最終采用單位豬當(dāng)量氮養(yǎng)分供給量(a)為7.0 kg,其他畜禽日產(chǎn)生量采用豬當(dāng)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換獲得。
2.2.5 氮肥中氮素使用量 化肥中氮素的使用量采用折純法計(jì)算,即把氮肥、磷肥和鉀肥分別按含氮、含五氧化二磷、含氧化鉀的百分之一百成分折算后的數(shù)量。通過查閱2014~2018 年的《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒》,得到氮肥中氮素的使用量。
2.2.6 氮素當(dāng)季利用率(r)指在氮肥施入后,當(dāng)季農(nóng)作物生長(zhǎng)所吸收的氮素占所施入氮素總量的比值,即氮肥的利用效率。氮素當(dāng)季利用率一般受土壤條件、作物種類、氣候條件、農(nóng)藝水平、環(huán)境條件等因素影響,如土壤中有機(jī)質(zhì)、pH值、土壤微生物等影響氮肥轉(zhuǎn)化的因素均對(duì)氮素當(dāng)季利用率產(chǎn)生影響。不同作物的氮素當(dāng)季利用率均不同,一般認(rèn)為C4植物的利用率高于C3植物,且不同氣候條件也會(huì)對(duì)氮素當(dāng)季利用率產(chǎn)生影響。根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》和《畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》(GB/T 26622-2011),確定氮素當(dāng)季利用率為25%~30%。
2.2.7 施肥供給養(yǎng)分占比(k)參考《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于印發(fā)<畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南>的通知》(農(nóng)辦牧〔2018〕1號(hào))附表中“土壤不同氮磷養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比推薦值”。
2.2.8 糞肥占總施肥比例(β)β的取值范圍在0~1 之間,我們可將其分為三種情況,非約束條件、約束條件和完全約束條件。在非約束條件下,作物從肥料中吸收的氮素含量全部來源于畜禽糞肥,即只施用畜禽糞肥,不施用化肥,β=1,此時(shí)單位土壤畜禽承載能力最大;在完全約束條件下,作物從肥料中吸收的氮素含量全部來源于化肥,即只施用化肥,不施用畜禽糞肥,β=0,此時(shí)單位土壤畜禽承載能力最??;在約束條件下,化肥和畜禽糞肥按照一定比例施用,0<β<1。在實(shí)際生產(chǎn)中,常根據(jù)作物生長(zhǎng)養(yǎng)分需要和土壤養(yǎng)分含量的實(shí)際情況來確定化肥和畜禽糞肥的施用比例,β的取值處在約束條件下。要想充分利用畜禽養(yǎng)殖廢棄物,避免污染環(huán)境,實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡,我們假設(shè)畜禽養(yǎng)殖廢棄物產(chǎn)生的氮素量全部還田使用,這樣可以計(jì)算出2013~2017年五年間成都市糞肥占總施肥比例為0.50、0.51、0.51、0.50和0.49,可見在氮肥使用量不變,畜禽糞肥被充分利用的情況下,成都市糞肥占總施肥比例取值為0.50。
2.2.9 耕地距離系數(shù)(α)在計(jì)算單位面積載畜量時(shí),考慮畜禽糞污還田成本的因素,需加入耕地距離系數(shù),增加計(jì)算準(zhǔn)確性。耕地距離系數(shù)指根據(jù)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)距離配套耕地遠(yuǎn)近所確定的計(jì)算指數(shù),即α值,取值范圍在0~1之間。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)距離配套耕地越近取值越高,從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來分析,以養(yǎng)殖場(chǎng)為中心,一般在方圓0~5 km范圍內(nèi),畜禽糞污還田利用的運(yùn)輸成本較低,α取值1。超過5 km的以5為基數(shù),除以實(shí)際還田距離,得出α實(shí)際取值,距離越遠(yuǎn)運(yùn)輸成本越高,養(yǎng)殖廢棄物還田越困難,α取值也越低。
2.2.10 地形系數(shù)(λ)在計(jì)算單位面積載畜量時(shí),還需要考慮地形因素對(duì)畜禽糞污還田利用的影響,增加計(jì)算準(zhǔn)確性。地形系數(shù)指畜禽養(yǎng)殖廢棄物還田利用受地形因素影響,根據(jù)耕地所在的不同地形確定的計(jì)算指數(shù),即λ值,取值范圍在0~1之間。成都市地形以平原為主,有少部分丘陵和山地。根據(jù)成都市地貌特征,將地形分為平原、淺丘、深丘、淺山和深山5種,按照還田利用難易程度,λ分別取值1、0.8、0.6、0.4和0.2。
3.1 只有β值變動(dòng)情況下的單位土地面積載畜量計(jì)算結(jié)果 以耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km范圍為前提,α和λ取值為1。
計(jì)算時(shí),q值及t值根據(jù)參考資料計(jì)算而得,k取值0.55,a取值7.0,r取值0.3。將以上測(cè)算出的數(shù)據(jù)帶入單位土地面積載畜量計(jì)算公式中,可以得出β取值在0~1之間的不同作物的單位土地面積載畜量。其中,β=0.50 時(shí)為成都市目前單位土地面積載畜量推薦值,見表1。
表1 僅β值變動(dòng)下不同作物的單位土地面積載畜量 頭/畝
從測(cè)算結(jié)果看,在非約束條件下,成都市水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量(豬當(dāng)量單位)分別為3.80頭/畝、2.80 頭/畝、2.66 頭/畝、3.91 頭/畝、0.40 頭/畝、3.73 頭/畝和2.88 頭/畝(1 畝≈667 m2,下同)。在約束條件下,β=0.50,即目前成都市畜禽養(yǎng)殖廢棄物實(shí)際產(chǎn)生量得以充分循環(huán)利用的情況下,水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量(豬當(dāng)量單位)分別為1.90 頭/畝、1.40 頭/畝、1.33 頭/畝、1.95 頭/畝、0.20頭/畝、1.86頭/畝和1.44頭/畝。
3.2 只有α值變動(dòng)情況下的單位土地面積載畜量計(jì)算結(jié)果 以耕地處于平原地區(qū)且糞肥與化肥1∶1混施為前提,λ取值1,β取值0.50,計(jì)算得出不同作物的單位土地面積載畜量,見表2。
表2 僅α值變動(dòng)下不同作物的單位土地面積載畜量頭/畝
3.3 只有λ值變動(dòng)情況下的單位土地面積載畜量計(jì)算結(jié)果 以耕地與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km范圍且糞肥與化肥1∶1 混施為前提,α取值1,β取值0.50,在耕地位于平原地區(qū)、丘陵地區(qū)和高山地區(qū)時(shí),計(jì)算得出不同作物的單位土地面積載畜量,見表3。
表3 僅λ值變動(dòng)下不同作物的單位土地面積載畜量 頭/畝
4.1 單位土地面積載畜量計(jì)算公式的合理性 本研究提出的單位土地面積載畜量計(jì)算公式以氮平衡原理為前提,參考計(jì)算模型中非約束條件和完全約束條件的概念,充分考慮了施肥占比、還田距離、養(yǎng)殖場(chǎng)地理位置等因素對(duì)糞肥還田利用的影響,使得計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,對(duì)實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡,配套適宜的種養(yǎng)殖規(guī)模更具有實(shí)際操作性。
4.2 不同作物的單位土地面積載畜量不同 本研究結(jié)果表明,不同作物的單位土地面積載畜量不同,載畜量最大的是大豆,其次是水稻和油料作物,最差的是馬鈴薯,其次是玉米和小麥。需氮量越高的農(nóng)作物,對(duì)肥料的需求量就越大,可消納的畜禽養(yǎng)殖廢棄物就越多。油料作物和茶葉對(duì)氮需求量較大,在畜禽養(yǎng)殖數(shù)量較多的地區(qū)種植油料作物和茶葉,可以充分利用畜禽糞肥,降低畜禽養(yǎng)殖廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。相應(yīng)地,我們也可以根據(jù)成都市當(dāng)前農(nóng)作物主產(chǎn)或分布區(qū)域來指導(dǎo)養(yǎng)殖場(chǎng)的分布,即鼓勵(lì)在單位土地面積載畜量大的地區(qū)發(fā)展規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng),而在單位土地面積載畜量小的區(qū)域采取限養(yǎng)措施。這也與成都市當(dāng)前劃定的禁限養(yǎng)區(qū)相吻合,已劃定的適養(yǎng)區(qū)都有較好的農(nóng)作物資源,例如彭州市是重要的蔬菜產(chǎn)地,崇州市是糧油生產(chǎn)基地,蒲江縣、邛崍市是水果、茶葉生產(chǎn)基地。
本研究基于氮平衡原理來測(cè)算成都市畜禽糞污環(huán)境承載能力,主要得出以下結(jié)論:
5.1 以豬當(dāng)量單位計(jì),在耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km 范圍的非約束條件下,成都市水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量分別為3.80 頭/畝、2.80 頭/畝、2.66 頭/畝、3.91 頭/畝、0.40 頭/畝、3.73頭/畝和2.88頭/畝。
5.2 以豬當(dāng)量單位計(jì),在耕地處于平原地區(qū)且與養(yǎng)殖場(chǎng)距離小于10 km 范圍的約束條件下,β=0.50,即目前成都市畜禽養(yǎng)殖廢棄物實(shí)際產(chǎn)生量得以充分循環(huán)利用的情況下,水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油料作物和蔬菜的單位土地面積載畜量分別為1.90 頭/畝、1.40 頭/畝、1.33 頭/畝、1.95頭/畝、0.20頭/畝、1.86頭/畝和1.44頭/畝。