龍雯琪，吳根義，林毅青

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙410128）

畜禽養(yǎng)殖作為農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其糞便污染已成為世界普遍關(guān)注的焦點?，F(xiàn)今，中國畜禽養(yǎng)殖已對中國生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的養(yǎng)分限制因子之一，同時也是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子[4-5]。在作物生產(chǎn)中，大多數(shù)土壤都需要通過礦物化肥或畜禽糞便補充氮磷養(yǎng)分以獲得滿意的產(chǎn)量。但是，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對地表水和地下水等產(chǎn)生的硝酸鹽污染[6]和來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磷負(fù)荷逐漸成為引起湖泊、河流和海水富營養(yǎng)化的主要因素[7-8]。隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，我國畜禽糞便產(chǎn)生磷總量大幅度增長，2002年我國磷肥總消費量超過9.92 萬t，約占同年世界總磷消費量的30%[9]，畜禽糞便產(chǎn)生磷素總量為948 萬t[10]，磷污染日益嚴(yán)重。

本研究將主要分析湘潭縣近10年來畜禽養(yǎng)殖的時序變化規(guī)律。利用養(yǎng)分平衡原理計算分析湘潭縣耕地的畜禽養(yǎng)殖磷污染負(fù)荷的變化。養(yǎng)分平衡計算方法基本分為農(nóng)場總體平衡法（Farm－gate balance）和土壤層面平衡法（Soil－surface balance）[11]。本研究采用土壤層面平衡法。進而揭示畜禽養(yǎng)殖業(yè)對湘潭環(huán)境壓力的時序演變規(guī)律，為湘潭地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的科學(xué)發(fā)展和有效控制管理提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

湘潭縣位于東經(jīng)112°25"～113°03"，北緯27°20"～28°05"，海拔63 m，位于湖南省“五區(qū)一廊”戰(zhàn)略要沖，地處湖南省中部偏東，湘江下游西岸，東與株洲、湘潭市接壤，西與湘鄉(xiāng)接界，北與寧鄉(xiāng)、望城為鄰，南與衡山、衡東毗連。區(qū)域農(nóng)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，已初步建成糧、豬、漁、禽、蓮、茶、林、果、蠶、藥十大商品生產(chǎn)基地。糧食作物以水稻為主，其次，有紅薯、小麥等；經(jīng)濟作物有柑橘、茶葉、棉花、湘蓮、黃花、辣椒等；油料作物有油菜、花生、大豆等。養(yǎng)殖業(yè)以豬、牛、羊、禽類為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本研究的畜禽養(yǎng)殖量數(shù)據(jù)資料和耕地面積數(shù)據(jù)主要來源于2000～2011年的湖南農(nóng)村統(tǒng)計年鑒或統(tǒng)計匯編資料。畜禽養(yǎng)殖量數(shù)據(jù)中，選用豬年末存欄量、牛年末存欄量、羊年末存欄量、家禽年末存欄量代表各類畜禽1年的養(yǎng)殖量。

畜禽糞尿污染物排放量計算，根據(jù)畜禽存欄量和糞便排泄系數(shù)與糞便含磷量計算，各種畜禽糞便磷排泄系數(shù)參照王方浩等[12]提供的參數(shù)（見表1），其中豬的糞便排泄量按照存欄量×110×3×天數(shù)排泄系數(shù)計算；牛的糞便排泄量取肉牛與奶牛的平均值計算；禽類的糞便排泄量主要參照雞（肉雞、蛋雞）的平均糞便排泄量計算；除豬外，其他畜禽糞便排泄量均按照存欄量×年排放系數(shù)計算。根據(jù)本課題組對湖南省各縣市畜禽養(yǎng)殖糞污處理情況的相關(guān)調(diào)研,本研究綜合考慮處理措施的占比,每年施入?yún)^(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)的糞肥磷量按照養(yǎng)殖業(yè)糞便排放總量的30%計算。

表1 畜禽種類及其糞便產(chǎn)出量和磷素含量[12]

區(qū)域農(nóng)田作物磷消納量：選取水稻、玉米、大豆、紅薯、馬鈴薯、花生、油菜、柑橘等幾種主要農(nóng)田作物進行分析比較，一般每生產(chǎn)100 kg 作物需從土壤中吸收磷（P2O5）：稻谷需吸收0.6～1.3 kg；玉米需吸收1.15～1.60 kg；大豆需吸收1～1.8 kg；油菜需吸收3～3.9 kg；柑橘需吸收0.11 kg。計算時選取每種作物吸收平均值，真實反應(yīng)區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)磷素需求量。

參照經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OEDC）對于磷平衡研究所推薦的方法（Soil－surface balance），將湘潭縣可用于耕種農(nóng)田擬合成一個整體，就其2000～2011年的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過對其系統(tǒng)內(nèi)磷素輸入和輸出進行定量化，進一步確定系統(tǒng)內(nèi)的磷素盈虧量。在輸入端，主要考慮化肥和需求養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞肥等施用情況；在輸出端，主要考慮農(nóng)產(chǎn)品（如稻谷、玉米、大豆、油菜、柑橘）生長所需吸收土壤中磷素總量。磷平衡計算方法可簡單的表示為：P 盈余(或P 虧缺)＝P 輸入－P 輸出。若農(nóng)田磷素平衡P 輸入值與P 輸出值總量之差為正值，則表明區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)磷素表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，若長期維持此狀態(tài)不變，磷素在土壤中積累量越大則其損失量就可能越大，對區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)環(huán)境污染的風(fēng)險就越大；若農(nóng)田磷素平衡P 輸入值總量與P 輸出值總量之差為負(fù)值，則表明區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)磷素表現(xiàn)為虧缺狀態(tài)，若長期維持此狀態(tài)不變，土壤中則沒有磷素積累，磷素的損失量相對較小，對區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)環(huán)境不會產(chǎn)生環(huán)境污染風(fēng)險。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)殖量動態(tài)變化

湘潭縣也是一個傳統(tǒng)的養(yǎng)殖大縣，尤其以生豬養(yǎng)殖量最大。湘潭縣養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)變化如圖1 所示。

圖1 湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)殖量變化

湘潭縣區(qū)域生豬養(yǎng)殖規(guī)模整體呈現(xiàn)上升趨勢，由2000年的生豬存欄63.38 萬頭增加至2011年的119.05萬頭，上升87.84%，其中由以2008年養(yǎng)殖量為最大，達(dá)到134.33 萬頭；同時，禽類養(yǎng)殖規(guī)模則整體呈現(xiàn)下降趨勢，由2000年的禽類存欄517.00 萬羽減少至2011年的364.21 萬羽，下降29.55%。

2.2 區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素平衡動態(tài)變化

湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素平衡主要取決于化肥、糞肥磷的輸入以及農(nóng)田作物生產(chǎn)所導(dǎo)致磷的輸出。區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)作物磷素的輸入、輸出根據(jù)總量大小排名為：農(nóng)田作物輸出＞化肥磷輸入＞糞肥磷輸入，由此表明作物生產(chǎn)所導(dǎo)致的磷素輸出對于區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷平衡起著主要控制作用。從2000～2011年，作物生產(chǎn)磷素輸出呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，增長量不明顯，甚至相比與2000年，2011年磷素輸出量降低了3.21 kg/hm2，但就整體而言，其均值分別高于化肥磷輸入均值46.15%和糞肥磷輸入均值85.38%；化肥磷素輸入量除2003年外，整體呈現(xiàn)上升趨勢，較2000年相比，2011年化肥磷輸入增加18.30 kg/hm2，上升30.65%；糞肥磷素輸入量整體增長平緩，這里需要指出的是，雖然較2000年相比，2011年生豬存欄量上升87.84%，但牛、羊、禽類存欄量卻分別下降了48.42%、31.54%和29.55%。湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)單位耕地磷素收支變化情況見圖2。

圖2 湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)單位耕地P 收支變化

根據(jù)磷平衡理論（Soil－surface balance）分析，湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素盈虧關(guān)系如圖3 所示。

圖3 湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)單位耕地P 盈余與虧缺

由圖3 可知，湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)磷素平衡除2003年虧缺外，其整體表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，且呈現(xiàn)上升的趨勢。區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)磷素盈余量從2000～2011年，增加了24.62 kg/hm2，上升了163.05%。由圖2 可知，2003年作物磷輸出和糞肥磷輸入無異常, 唯有化肥施用量急劇下降,致使2003年磷素處于虧缺狀態(tài),由此可見化肥施用量是導(dǎo)致磷盈余的主要原因。此外，圖2 中作物磷輸出和糞肥磷輸入均增長平緩，湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)磷盈余主要因素表現(xiàn)為化肥磷輸入的不斷上升，據(jù)統(tǒng)計資料表明，湘潭縣歷年化肥磷輸入量均居湘潭地區(qū)輸入總量的首位。高祥照等[13]研究發(fā)現(xiàn)，耕地土壤中磷養(yǎng)分盈余能導(dǎo)致土壤中速效磷濃度的提升。但長期的磷素盈余是不可持續(xù)的。土壤中長期磷素累積在雨水、灌溉水淋溶作用下，勢必導(dǎo)致磷素大量流失，滲濾到地下水或江河湖泊中能造成重大環(huán)境危害。如何合理的調(diào)整種養(yǎng)結(jié)構(gòu)、控制減少化肥磷輸入量、提倡多施糞肥，成為了維護區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素平衡、保護環(huán)境的重中之重。

3 結(jié)論

從2000～2011年，湘潭縣區(qū)域畜禽養(yǎng)殖存欄總量由607.74 萬頭（羽）減少至485.50 萬頭（羽），下降了20.11%。根據(jù)磷平衡理論（Soil－surface balance）分析得出，湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素平均盈余量為25.59 kg/hm2，雖然磷素盈余量不大，但其整體呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢。湘潭縣區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素盈余上升趨勢主要受化肥磷輸入量的持續(xù)增長的影響，與此同時，農(nóng)田作物輸出和糞肥磷輸入量則維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷素平衡主要取決于化肥、糞肥磷的輸入以及農(nóng)田作物生產(chǎn)所導(dǎo)致磷的輸出，根據(jù)輸入、輸出總量大小排名為：農(nóng)田作物輸出＞化肥磷輸入＞糞肥磷輸入，表明作物生產(chǎn)所導(dǎo)致的磷素輸出對于區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)土壤磷平衡起著主要控制作用。所以，為減少農(nóng)田系統(tǒng)磷素盈余，在調(diào)整種養(yǎng)結(jié)構(gòu)的同時，湘潭縣應(yīng)盡量減少農(nóng)田系統(tǒng)的化肥磷的施用，轉(zhuǎn)而以糞肥施用所替代，形成以“種”帶“養(yǎng)”的良性循環(huán)模式。

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