山東省畜禽糞尿中養(yǎng)分資源量及其利用潛力

李峰，楊珍珍，王雪榮，劉潔，李紅娜

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.山東省農(nóng)業(yè)科學院，山東 濟南 250100)

近些年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到迅猛發(fā)展，山東省作為畜禽養(yǎng)殖大省，在為全國畜產(chǎn)品供給和出口創(chuàng)匯做出巨大貢獻的同時，由畜禽養(yǎng)殖造成的環(huán)境問題也日益突出。畜禽產(chǎn)生的糞便是畜禽養(yǎng)殖中的主要副產(chǎn)物，其含有的氮磷等元素是導致環(huán)境污染的主要原因之一[1]。山東省第二次全國污染普查數(shù)據(jù)表明，2017年，農(nóng)業(yè)源排放的化學需氧量、氨氮、總氮和總磷占全省排放總量的51.24%、18.71%、34.69%和64.29%，其中畜禽養(yǎng)殖的水污染排放量中:化學需氧量、氨氮、總氮和總磷分別占農(nóng)業(yè)源的97.57%、88.89%、76.06%和92.22%[2]。畜禽糞尿中的部分有機質(zhì)和氮、磷、鉀等元素是植物生長的重要養(yǎng)分，對畜禽糞尿的資源化利用是實現(xiàn)減污降碳的重要途徑[3]。

長期單施及過量施用化肥，造成土壤有機質(zhì)含量低、肥料利用率低、土壤結(jié)構退化、土壤微生物活性和多樣性降低，使得土壤肥力和生產(chǎn)力降低，這是目前農(nóng)業(yè)面臨的重要問題[4－6]。畜禽糞尿經(jīng)處理后形成的有機肥與化肥進行配施，可以在減少化肥使用的同時提升土壤生產(chǎn)力，從而達到節(jié)約成本和增加土壤養(yǎng)分的目的[7]。而且配施有機肥可以調(diào)控健康土壤微生物區(qū)系、降低土壤N2O的排放和減緩土傳病害，進而提高土壤的可持續(xù)利用程度[8－10]。李勝君等[8]研究發(fā)現(xiàn)配施有機肥有利于N循環(huán)功能微生物，可以增加土壤N庫，降低土壤N淋溶損失，在特定環(huán)境下可以降低N2O排放的環(huán)境風險。安祥瑞等[9]發(fā)現(xiàn)利用有機肥替代部分化肥可以有效提高土壤pH值和養(yǎng)分有效性，增加根際土壤微生物豐富度和多樣性，從而有利于產(chǎn)量提高和提升微生物區(qū)系。張建軍等[10]研究表明不同有機肥配施可提高果實中VC、可溶性糖、粗蛋白含量及糖酸比，降低大棚草莓根腐病、白粉病及灰霉病的發(fā)生率。利用配施有機肥來促進畜禽養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用，是當前和今后一段時期現(xiàn)代畜牧業(yè)建設的重要舉措。

山東不僅是養(yǎng)殖大省，也是種植大省，2020年全省農(nóng)作物種植面積達1088.91萬公頃。農(nóng)作物的大量種植需要較多的土壤養(yǎng)分，而畜禽糞尿作為有機肥代替部分化肥施用不僅可以減少化肥投入，還可以緩解對環(huán)境的壓力。為加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，防治畜禽養(yǎng)殖污染，中國政府近幾年來相繼出臺與頒布了一系列環(huán)境規(guī)制政策。2020年6月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部印發(fā)?進一步明確畜禽糞污還田利用要求強化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知?(農(nóng)辦牧〔2020〕23號)，山東省為響應國家政策也采取了一系列措施。掌握山東省畜禽糞尿養(yǎng)分資源數(shù)量、分布及其利用情況，制訂合理利用策略是解決畜牧業(yè)環(huán)境污染和提高肥料利用率的重要途徑。目前對于山東省畜禽糞尿的污染以及部分市縣畜禽糞尿資源和耕地負荷已有研究[11－13]，但是對于全省畜禽資源的利用潛力尚未見報道。因此，本研究利用2021年山東統(tǒng)計年鑒和測土配方施肥公布的不同區(qū)域農(nóng)作物養(yǎng)分需求量進行統(tǒng)計分析，探討山東畜禽糞尿數(shù)量及其養(yǎng)分總量和分布情況，以期為山東畜禽糞尿資源的高效化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

由?山東統(tǒng)計年鑒2021?獲得山東省16個地級市的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和耕地面積。畜禽養(yǎng)殖數(shù)量包括山東省16個地級市的豬、牛、羊及家禽的出欄和年末存欄數(shù)據(jù)。所用參數(shù)來自國內(nèi)外參考文獻并結(jié)合實際情況，包括畜禽飼養(yǎng)周期、畜禽糞便日排泄系數(shù)、畜禽糞尿中氮磷鉀養(yǎng)分量等。不同區(qū)域作物養(yǎng)分需求來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部官網(wǎng)和文獻。飼養(yǎng)周期大于一年的家畜(牛和羊)，飼養(yǎng)周期按365天計；飼養(yǎng)周期小于一年的豬按199天、家禽按70天計。畜禽養(yǎng)殖周期、糞尿排泄系數(shù)和養(yǎng)分含量如表1所示，取加權平均值[14]。畜禽糞尿的還田率見表2，畜禽糞尿中氮、磷、鉀的損失率見表3。

表1 畜禽飼養(yǎng)周期、糞尿排泄系數(shù)及其N、P、K養(yǎng)分含量和收集系數(shù)

表2 畜禽糞尿還田率 (%)

表3 畜禽糞尿養(yǎng)分損失率 (%)

1.2 計算方法

1.2.1 畜禽糞尿的產(chǎn)生總量及其養(yǎng)分量估算方法 目前關于畜禽糞尿量的計算方法有多種，本研究采用劉曉永[14]提出的修正方法，即同時考慮畜禽年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù)，且為避免糞和尿的種類差異，將畜禽糞尿分開估算，計算公式如下:

(1)畜禽糞尿:

式中，QM為畜禽糞量，QU為畜禽尿量，萬噸；i為豬、牛、羊和家禽的種類；S和H分別為畜禽年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù)，萬頭(只)；P是飼養(yǎng)周期(天)，365為全年天數(shù)；M、U分別為畜禽糞和尿的日排泄系數(shù)，kg/[頭(只)·天]；1000為換算系數(shù)。

(2)畜禽糞尿養(yǎng)分:

式中TN、TP和TK分別為畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分總量，萬噸；i為豬、牛、羊和家禽的種類；QM和QU分別為畜禽糞量和尿量，萬噸；MN、MP和MK分別為糞中N、P和K含量，%；UN、UP和UK分別為畜禽尿中N、P和K含量，%。

1.2.2 畜禽糞尿養(yǎng)分還田量 計算公式如下:

式中RN、RP和RK分別為畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分還田量，萬噸；Rd為畜禽糞尿還田率，%；LN、LP和LK分別為畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分損失率，%。

1.2.3 畜禽糞尿不同回田比例化學養(yǎng)分替代率

計算公式如下:

式中Nrs、Prs和Krs分別為畜禽糞尿回田化學N、P、K養(yǎng)分替代率；P為畜禽糞尿回田比例；Ym、Yu為畜禽糞、尿的收集系數(shù)；TNm、TPm和TKm為畜禽糞養(yǎng)分含量，萬噸；TNu、TPu和TKu為畜禽尿養(yǎng)分含量，萬噸；Ckn為第k市第n類作物最佳施肥量，kg/hm2；Skn為第k市第n類作物種植面積，hm2。n＝1，2，…，5；k為山東省16個地級市。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東畜禽糞尿數(shù)量及其分布特征

本研究估算2020年山東畜禽糞尿量為26321.18萬噸，其中豬糞尿量最大，為11384.85萬噸，占總量的43.25%；其次是牛糞尿、家禽糞便，分別為6031.45萬噸、5954.68萬噸，分別占總量的22.91%和22.62%；剩余的為羊糞尿，占總量的11.21%。山東省畜禽糞尿的時空分布如圖1所示，可以看出，臨沂的畜禽糞尿量最多，為3452.58萬噸，占全省的13.12%；其次是德州、濰坊和菏澤，分別為2853.61萬噸、2778.59萬噸和2758.77萬噸，分別占全省的10.84%、10.56%和10.48%，其余12個市占全省的55.00%。除濱州和淄博外，其它各市中均是豬糞尿量最多，且臨沂>濰坊>菏澤>德州>煙臺，豬糞尿量均在1100萬噸以上。牛糞量最多的是德州市，為982.95萬噸，其次是濱州和臨沂，分別為876.17萬噸和691.56萬噸。羊糞量菏澤最多，為535.91萬噸，其次是臨沂，為426.61萬噸，其他城市的羊糞量較少。濰坊的家禽糞量為956.16萬噸，在各地市中最多，其次是臨沂的918.21萬噸。這表明不同地市有特色養(yǎng)殖種類，進而使得糞尿量有所差別。

圖1 山東省16個地級市畜禽糞尿量時空分布圖

2.2 山東畜禽糞尿養(yǎng)分資源量及其分布特征

由圖2(a)看出，全省畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分總量為291.25萬噸，其中N為139.18萬噸，P為45.24萬噸，K為106.83萬噸，分別占總養(yǎng)分的47.79%、15.53%和36.68%。臨沂市畜禽糞尿總養(yǎng)分含量最高，為39.88萬噸，占全省的13.69%；其次是濰坊和菏澤，分別為32.12萬噸和30.45萬噸，分別占全省的11.03%和10.45%；德州為28.69萬噸，占全省的9.85%。其余12個市的畜禽糞尿養(yǎng)分總量占全省的54.98%。

不同畜禽糞尿的養(yǎng)分含量也有所區(qū)別。由圖2(b)可以看出，家禽糞便的N、P和K養(yǎng)分最多，為107.18萬噸，占全部畜禽糞尿養(yǎng)分的36.80%；其次是豬糞尿養(yǎng)分，為70.21萬噸，占全部畜禽糞尿養(yǎng)分的24.11%；牛羊糞尿的養(yǎng)分含量分別占全部畜禽糞尿養(yǎng)分的21.80%和17.29%。

圖2 山東省各市畜禽糞尿養(yǎng)分量(a)及不同畜禽糞尿中的養(yǎng)分含量(b)

2.3 山東省畜禽糞尿還田量及其分布特征

由圖3看出，2020年山東省畜禽糞尿養(yǎng)分的還田量為107.93萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分的37.06%，損失部分占62.94%。其中全省畜禽糞尿養(yǎng)分N的總還田量為40.66萬噸，占總還田量的37.67%，占全省畜禽糞尿N養(yǎng)分的29.21%，損失部分占70.79%；全省畜禽糞尿養(yǎng)分P的總還田量為21.67萬噸，占總還田量的20.08%，占全省畜禽糞尿P養(yǎng)分的47.90%，損失占52.10%；全省畜禽糞尿養(yǎng)分K的總還田量為45.61萬噸，占總還田量的42.26%，占全省畜禽糞尿K養(yǎng)分的42.69%，損失57.31%。如圖3(a)所示，各地市中臨沂市畜禽糞尿養(yǎng)分還田量最大，為15.04萬噸，占臨沂畜禽養(yǎng)分的37.70%，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分還田量的13.93%；其次是濰坊和菏澤市的11.95萬噸和11.55萬噸，分別占本市畜禽養(yǎng)分的37.22%和37.94%，占全省還田量的11.07%和10.70%；德州市畜禽糞尿養(yǎng)分還田量為10.09萬噸，占德州畜禽糞尿養(yǎng)分的35.18%，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分還田量的9.35%，其余12個市的禽糞尿養(yǎng)分還田量占全省養(yǎng)分還田量的54.95%。

由圖3(b)看出，各市畜禽糞尿的損失量與還田量排序一致，其中臨沂市畜禽糞尿養(yǎng)分的損失量最大，為24.85萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失量的13.56%；濰坊和菏澤的畜禽糞尿養(yǎng)分損失量為20.16萬噸和18.90萬噸，分別占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失量的11.00%和10.31%；德州畜禽糞尿養(yǎng)分的損失量為18.60萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失量的10.15%，其余12個市的畜禽糞尿養(yǎng)分損失占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失總量的54.98%。

圖3 山東省各市畜禽糞尿養(yǎng)分的還田量(a)及損失量(b)時空分布圖

2.4 山東省畜禽糞尿不同還田比例下的化肥減施潛力

畜禽糞尿的有效利用不僅能夠減少對環(huán)境的污染，也可減少化肥的使用，是改善土壤肥力的重要途徑。由?山東統(tǒng)計年鑒2021?中2020年山東各市不同農(nóng)作物的種植面積及其最佳施肥量[15－20]，可以計算得出各市農(nóng)作物的最佳養(yǎng)分需求量。由表4可以看出，當畜禽糞尿100%還田，全省N、P和K的輸入量為95.57萬噸(已考慮氮15%的揮發(fā)損失[21])、42.26萬噸和74.01萬噸。不同地市N養(yǎng)分的替代率為25.41%～106.32%，平均為57.11%；P養(yǎng)分的替代率為45.57%～203.15%，平均為107.78%；K養(yǎng)分的替代率為34.24%～307.83%，平均為143.98%?？梢钥闯?，對于畜禽糞尿全量還田來說，日照市N養(yǎng)分的替代率最大，為106.32%，但由于日照市的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較小且種植面積少，不具有代表性。臨沂、濰坊、德州和菏澤作為4大養(yǎng)殖市，其畜禽糞尿全量還田后，其N養(yǎng)分的替代率分別為83.44%、77.38%、57.71%和32.61%。青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照和臨沂的P養(yǎng)分替代率都大于100%；除青島、棗莊、濟寧、泰安和威海外，其他地市K養(yǎng)分的替代率高于100%。

表4 不同畜禽糞尿回田養(yǎng)分和可替代化肥養(yǎng)分的百分比

3 討論

3.1 提高畜禽糞尿資源養(yǎng)分的利用

畜禽糞尿是重要的有機肥來源，養(yǎng)殖場畜禽糞尿的充分還田和有效利用，即解決了長期以來對環(huán)境的污染，還可以減少化肥的使用、發(fā)展有機農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，從而生產(chǎn)高附加值農(nóng)產(chǎn)品。一直以來農(nóng)業(yè)源環(huán)境污染遠超生活源和工業(yè)源的污染，畜禽糞尿的污染占農(nóng)業(yè)源污染中的大部分。目前已有較多文獻對中國各年份畜禽糞尿量及其養(yǎng)分進行過估算，但由于排污系數(shù)選取、畜禽量估算以及飼養(yǎng)周期選取等差異，使得計算結(jié)果有較大差異[22－25]。劉曉永[14]均衡了各種計算方法，采用相關文獻中排泄系數(shù)的加權平均值統(tǒng)計了1980—2016年中國各省糞尿的量，結(jié)果表明，相比于20世紀80年代，21世紀20(2010—2016)年代全國畜禽糞尿及其養(yǎng)分量分別增加53.35%和62.28%，其中東北地區(qū)增幅最大；年均養(yǎng)分的還田量增加51.26%；21世紀20年代N、P、K的還田率為30.58%、70.75%、48.22%?；趧杂赖闹袊r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的養(yǎng)分平衡與需求研究方法，本研究結(jié)果表明，2020年山東省畜禽養(yǎng)殖糞尿數(shù)量為26321.18萬噸，養(yǎng)分總量為291.25萬噸，其中N、P、K養(yǎng)分量分別為139.18萬、45.24萬、106.83萬噸。但其還田養(yǎng)分總量為107.93萬噸，損失183.32萬噸，還田率為37.06%，其中氮還田40.66萬噸，損失98.52萬噸；P還田21.67萬噸，損失23.57萬噸；K還田45.61萬噸，損失61.22萬噸。山東省16個地級市中臨沂市的畜禽糞尿量、畜禽糞尿量養(yǎng)分、養(yǎng)分還田量和損失量均最大，分別為3452.58萬噸、39.88萬噸、15.04萬噸和24.85萬噸，其次為濰坊、菏澤和德州。由此可見，山東省畜禽糞尿養(yǎng)分資源量較大，但目前的還田量還不到畜禽糞尿養(yǎng)分量的一半，損失率高達62.94%。其中N由于易揮發(fā)，損失率高達70.79%，其P、K損失率也均高于50%。因此尋求高效的還田利用方式，以提高畜禽糞尿的資源利用率，是降低環(huán)境污染和實現(xiàn)農(nóng)田化肥減施的雙贏選擇。

3.2 畜禽糞尿養(yǎng)分還田的潛力研究

關于畜禽糞尿還田的潛力，已有較多研究:路國彬等[26]通過構建模型估算了畜禽糞肥代替化肥的潛力，表明畜禽糞肥的養(yǎng)分含量占當年實際化肥用量的38.30%、52.00%和86.77%；宋大利等[27]研究了中國的畜禽糞尿量養(yǎng)分利用潛力，表明畜禽糞尿全量還田后理論上氮、磷、鉀肥施用量可以減少37.3%、87.6%和65.9%。目前山東省畜禽糞尿養(yǎng)分的還田率還較低，為37.06%，N養(yǎng)分由于易揮發(fā)還田率僅為29.21%。畜禽糞尿中的N、P、K養(yǎng)分若能得到合理利用，將很大程度上減少化肥的使用。本研究中2020年山東省畜禽糞尿中N養(yǎng)分為139.18萬噸，相當于302.35萬噸尿素中的N含量。畜禽糞尿全量還田理論上化肥N、P、K的替代率平均為57.11%、107.78%、143.98%，將大大節(jié)省化肥的投入。不同地市之間各種養(yǎng)分的還田率有所差異，這主要是由于畜禽糞尿的養(yǎng)分多于當?shù)剞r(nóng)作物種植所需要的養(yǎng)分或畜禽糞尿的養(yǎng)分不足以滿足當?shù)剞r(nóng)作物生長所需，因此將不同地市的糞尿養(yǎng)分與臨近市區(qū)進行交換，是畜禽糞尿資源化利用的一種方法。例如，全量還田時，青島糞尿養(yǎng)分的N和K還田率較低，但臨近的日照，畜禽糞尿N、P、K養(yǎng)分還田率均高于100%，因此日照部分畜禽糞尿用于青島還田，將避免畜禽糞尿養(yǎng)分的浪費；臨沂作為養(yǎng)殖大市，其畜禽糞尿中P和K養(yǎng)分的還田率均高于100%，其臨近的棗莊、濟寧和泰安畜禽糞尿還田時P和K養(yǎng)分不足，因此，將臨沂多余的畜禽糞尿養(yǎng)分用于鄰近市或許能減少臨沂市化肥的使用量；除此之外，將濰坊的部分畜禽糞尿用于淄博，可緩解淄博畜禽糞尿養(yǎng)分K還田率不足的問題。如此，各市可實現(xiàn)K養(yǎng)分的100%還田，部分市需施加P養(yǎng)分，所有市再追加N養(yǎng)分的輸入，即可實現(xiàn)全省畜禽糞尿全量還田時理論上化肥的減施量。

本研究是在畜禽糞尿還田后當年全部利用的基礎上進行的，但還田的有機肥養(yǎng)分不能當季全部釋放作為有效養(yǎng)分供農(nóng)作物吸收[14]。已有研究表明，有機肥具有明顯的后效性，且其中的養(yǎng)分具有較強的殘效迭加作用[27，28]。因此有機肥還田時需要考慮養(yǎng)分的釋放問題，防止因養(yǎng)分不足而造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。而且，畜禽糞尿中的液體部分也含有大量養(yǎng)分，但目前養(yǎng)殖場收集的多是固體，對液體的收集比較少，多通過簡單處理后排放，這是目前造成污染的重要原因。因此對畜禽糞尿液體部分的收集利用將很大程度上增加養(yǎng)分還田的潛力并減少環(huán)境污染。

4 結(jié)論

山東省作為養(yǎng)殖大省，其每年產(chǎn)生的畜禽糞尿量及其養(yǎng)分量都是可觀的，2020年山東省的畜禽糞尿數(shù)量為26321.18萬噸，其中豬糞尿量最多，為11384.85萬噸，其次是牛、家禽和羊；畜禽糞尿養(yǎng)分(N＋P＋K)總量291.25萬噸，其中家禽糞便的養(yǎng)分含量最多，為107.18萬噸，其次是豬，牛和羊較少；全省禽糞尿養(yǎng)分的還田量為107.93萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分的37.06%。16個地級市中臨沂市的糞尿量、養(yǎng)分量和還田量均最大，分別為2352.88萬噸、39.88萬噸和15.04萬噸。德州市由于養(yǎng)分含量較高的家禽養(yǎng)殖量較少，使得其糞尿量雖僅次于臨沂，但養(yǎng)分量和還田量均列于濰坊和菏澤之后。其余12個地級市，貢獻全省55%左右的糞尿量、養(yǎng)分量和還田量。

目前全省畜禽糞尿養(yǎng)分的還田率僅為37.06%，通過計算可知若畜禽糞尿全量還田理論上化肥N、P、K的替代率平均為57.11%、107.78%和143.98%，將大大減少化肥的投入。改善畜禽糞尿的收集、處理方式，優(yōu)化運輸和還田方式以提高畜禽糞尿養(yǎng)分的有效利用是目前的研究重點，也是實現(xiàn)化肥使用零增長行動的主要途徑。