宋大利，侯勝鵬，王秀斌，梁國慶，周 衛(wèi)

（中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖發(fā)展迅速，規(guī)模化比例顯著提高，引發(fā)的環(huán)境污染問題也日益突出[1]。畜禽糞尿是畜禽養(yǎng)殖中主要副產物，也是主要的農業(yè)廢棄物之一[2]，糞尿中含有一定量的有機質和氮、磷、鉀以及其他植物生長所需的營養(yǎng)元素，是植物重要的養(yǎng)分資源[3]，但糞尿中的氮、磷也是導致環(huán)境污染的重要因素[4]。第一次全國污染源普查數據表明，化學需氧量 (COD)、總氮排放量、總磷排放量3項主要污染物指標，農業(yè)源污染物排放占全國排放總量的比重分別為43.7%、57.2%和67.4%，其中畜禽糞便中COD、總氮、總磷的產生量分別為1268、106和16萬t，分別占農業(yè)污染源產生量的96%、38%、65%[5]。近年的污染源普查動態(tài)更新數據顯示，畜禽糞尿污染物產生量在全國污染物總產生量中的占比有所上升[6]。畜禽糞便污染物減排已不容小覷，攸關國家節(jié)能減排目標的實現(xiàn)，而畜禽糞尿的任意排放既造成了養(yǎng)分資源的巨大浪費，又導致了嚴重的環(huán)境污染。

目前由于長期單施和過量施用化學肥料已造成土壤有機質含量降低、土壤結構退化[7]、肥料利用率下降[8]、土壤微生物多樣性和生物活性降低[9]，進而引起土壤肥力和生產力下降[10]。研究表明，化肥配施有機肥是保持土壤生產力和減少化肥施用的一種傳統(tǒng)而有效的方法，可以達到節(jié)約成本和增加養(yǎng)分有效性的雙重作用[11]，而且在調控健康土壤微生物區(qū)系和防治土傳病害方面同樣有著突出作用[12]，配施有機肥可減緩土傳病害[13]，進而提高土壤可持續(xù)利用程度[14]。洪瑜等[15]研究表明配施有機肥可降低灌淤土容重，顯著提升土壤有機質和養(yǎng)分含量，對促進玉米產量和氮肥利用率具有積極作用。李慧等[16]利用東北黑土長期定位試驗研究認為，有機肥料和化肥對玉米均具有顯著的增產效果，有機肥化肥配施可降低玉米產量的變異系數和提高可持續(xù)性指數，從而保證玉米的持續(xù)穩(wěn)產高產。鄭亮等[17]研究表明，豬糞與化肥合理配施可以維持水稻產量和土壤無機氮水平，同時可提高土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮，改善土壤肥力。從農業(yè)廢棄物高效利用和維護農田地力的角度出發(fā)，有機無機配施將是我國今后肥料施用發(fā)展的必然趨勢[18]。

我國畜禽糞尿資源豐富，掌握我國畜禽糞尿養(yǎng)分資源數量、分布及其利用狀況，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?，F(xiàn)有的研究中關于畜禽糞尿對耕地、水存在的潛在污染風險，大多是通過單位面積耕地的糞尿負荷來分析[6, 19–25]，而從國家尺度上分析畜禽糞尿養(yǎng)分資源數量對化肥減施影響的研究很少。因此，本文利用2016年國家統(tǒng)計數據和已發(fā)表資料的統(tǒng)計，探討和分析了中國畜禽糞尿數量及其養(yǎng)分資源總量和分布情況，以期為中國畜禽糞尿資源的高效利用提供理論依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究對象與區(qū)域劃分

主要研究對象為中國31個省市，不包括香港、澳門、臺灣和南海群島。將中國省市分為六大農區(qū)[26]，分別為東北地區(qū)，包括黑龍江、吉林和遼寧 3 ??；華北地區(qū)，北京、天津、河北、河南、山東、山西6省 (市)；長江中下游地區(qū)，上海、江蘇、浙江、安徽、湖北、湖南、江西 7 省 (市)；西北地區(qū)，內蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆 6 省 (自治區(qū))；西南地區(qū)，重慶、四川、貴州、云南、西藏 5省 (市、自治區(qū))；東南地區(qū)，福建、廣東、廣西、海南 4 省 (自治區(qū))。研究的畜禽種類包括役用牛、肉牛、奶牛、羊 (山羊和綿羊)、馬、驢、騾、豬 (育肥豬和母豬)、兔和家禽。主要農作物為水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、花生、油菜和棉花。

1.2 畜禽糞便產生總量及其養(yǎng)分量估算方法

中國歷史上對畜禽糞尿數量沒有專門的統(tǒng)計，本文參考國際上比較通用的和大多數研究所采用的方法，即通過畜禽養(yǎng)殖數量、畜禽飼養(yǎng)周期與糞尿排泄系數的關系得到，其計算公式如下：

式中：Wi—第 i個省 (市、自治區(qū)) 年糞 (尿) 產生量；Nij—第i個省 (市、自治區(qū)) 的第j類動物飼養(yǎng)量；Tj—第j類動物飼養(yǎng)期；Rj—第j類動物排泄系數；WN—畜禽糞 (尿) 中氮素 (N) 養(yǎng)分資源量；Wj—第 j類動物年糞 (尿) 產生量；Nj—第 j類動物糞(尿) 中氮素養(yǎng)分含量；WP—畜禽糞 (尿) 中磷素 (P2O5)養(yǎng)分資源量；Pj—第j類動物糞 (尿) 中磷素養(yǎng)分含量；WK—畜禽糞 (尿) 中鉀素 (K2O) 養(yǎng)分資源量；Kj—第 j類動物糞 (尿) 中鉀素養(yǎng)分含量。i = 1, 2,3, …, 31；j = 1, 2, 3, …, 11。本文收集國內公開發(fā)表的文章數據[1, 5, 27–36]，確定各種畜禽糞尿的排泄系數，畜禽糞尿排泄系數和養(yǎng)分含量見表1。

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：Ncrop—畜禽糞尿回田化學N養(yǎng)分替代率；P—畜禽糞尿回田比例；Yk—第k地區(qū)畜禽糞尿收集系數；Wk—第k地區(qū)畜禽糞尿養(yǎng)分含量；Ckn—第k地區(qū)第n類作物最佳施肥量；Skn—第k地區(qū)第n 類作物種植面積。n = 1, 2, 3, …, 8；k 代表六大農區(qū)。每個地區(qū)P、K的養(yǎng)分替代率計算公式同上N養(yǎng)分替代率計算公式。內蒙古、新疆、青海和西藏四大牧區(qū)的畜禽糞尿養(yǎng)分不包括在本次計算內，這些區(qū)域的畜禽糞尿大多數直接排泄到環(huán)境中。

1.3 數據來源

本文涉及的2015年主要農作物產量和種植面積均來自于《中國統(tǒng)計年鑒 2016》 、《中國農業(yè)年鑒2016》和《 中國農村統(tǒng)計年鑒 2016》。畜禽出欄量和存欄量主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒 2016》 、《中國農業(yè)年鑒 2016》和《中國畜牧獸醫(yī)年鑒 2016》，其中畜禽養(yǎng)殖量由畜禽的平均飼養(yǎng)周期結合統(tǒng)計數據綜合決定。一般飼養(yǎng)周期小于1年的畜禽，以當年出欄量作為養(yǎng)殖數量，存欄量不予考慮，飼養(yǎng)周期按平均飼養(yǎng)天數計算；平均飼養(yǎng)周期大于1年的畜禽，以當年末存欄量作為養(yǎng)殖數量，飼養(yǎng)周期按365天計算。畜禽飼養(yǎng)周期見表1。

表1 主要畜禽的飼養(yǎng)周期、糞尿日排泄量、糞尿氮磷鉀含量 (鮮基) 和收集系數Table 1 Livestock feeding period, daily excrement/urine, NPK contents (based on fresh weight) and collection coefficients

2 結果與分析

2.1 中國畜禽糞尿數量及其養(yǎng)分資源量

本研究估算2015年中國畜禽糞尿數量為31.6 ×108t (表2)，其糞尿數量以豬最大，其次為肉牛和奶牛，分別占總量的36.8%、24.8%和9.9%，其它畜禽糞尿數量占28.6%。從畜禽糞尿養(yǎng)分資源量看，養(yǎng)分資源總量為3832.9萬t，其中N、P2O5和K2O養(yǎng)分資源量分別為1478.0、901.0和1453.9萬t，糞尿總養(yǎng)分量以豬最大，其次為肉牛和羊，分別占總量的28.2%、22.8%和15.0%，家禽第四，其養(yǎng)分量占14.0%，其它畜禽糞尿總養(yǎng)分量占20.0%。糞尿單質養(yǎng)分資源量以豬的氮和磷養(yǎng)分數量最高，分別占單質養(yǎng)分總量的 28.0% (N) 和 39.3% (P2O5)，鉀養(yǎng)分數量以肉牛最高，占單質養(yǎng)分總量的28.7% (K2O)。

2.2 畜禽糞尿資源區(qū)域分布特征

從不同地區(qū)畜禽糞尿數量及其養(yǎng)分資源分布來看，2015年中國31個省市的糞尿數量及其養(yǎng)分資源分布各地區(qū)差異較大 (表3)，西南和華北地區(qū)糞尿數量和養(yǎng)分資源量最多，糞尿數量分別占全國總量的22.3%和21.5%，養(yǎng)分資源量分別占全國總量的21.3%和21.9%。2015年畜禽糞尿數量和糞尿養(yǎng)分總量前3個省份分別是四川、河南和山東，其畜禽糞尿數量分別占糞尿總量的8.9%、8.2%和6.5%，糞尿養(yǎng)分總量占養(yǎng)分資源總量的8.5%、8.0%和7.1%。從各省的畜禽糞尿數量看，大于2億t的省(市) 有 3 個，1 億～2 億 t的省 (市) 有 11 個，0.5～1 億 t的省 (市) 有 8 個，0.1～0.5 億 t的省 (市)有7個，低于0.1億t的省 (市) 僅有2個。

2.3 畜禽糞尿中氮素養(yǎng)分去向

不同畜禽種類糞尿中氮素養(yǎng)分去向參考劉曉利等[37]的研究，平均按50%的糞尿氮素養(yǎng)分還田利用，15 %的氮素養(yǎng)分揮發(fā)損失, 22 %的氮素養(yǎng)分進入水體污染環(huán)境，13%的氮素養(yǎng)分堆置廢棄。從不同畜禽種類糞尿中氮素養(yǎng)分去向來看 (表4)，2015年中國僅有613.7萬t氮回田利用，221.7萬t氮揮發(fā)損失，325.2萬t氮素進入水體污染環(huán)境，317.4萬t氮堆置廢棄，其中畜禽糞尿氮素損失中以豬的最大，其次為肉牛。從不同區(qū)域來看畜禽糞尿中氮素養(yǎng)分去向 (表5)，發(fā)現(xiàn)華北和西南地區(qū)氮素回田量最大，分別為161.6萬t和133.9萬t，西北地區(qū)氮素回田量最小，僅為40.4萬t。

2.4 畜禽糞尿中磷和鉀素養(yǎng)分去向

2015年中國畜禽糞尿中磷和鉀素回田量分別為389.6萬t和501.4萬t，僅占其養(yǎng)分總量的43.2%(P2O5) 和34.5% (K2O)，進入環(huán)境的磷和鉀素分別為511.3和952.5萬t (表6)。中國不同畜禽種類糞尿中磷的還田量以豬的最高，回田量為224.9萬t，家禽次之，為80.3萬t，進入環(huán)境的磷素同樣以豬和家禽的糞尿磷為主，分別為129.1萬t和101.0萬t；鉀的回田量最高的為豬，回田量為199.4萬t，其次為肉牛，為100.7萬t，進入環(huán)境的鉀素以肉牛和羊的糞尿鉀為最高，分別為316.9萬t和161.2萬t。不同區(qū)域畜禽糞尿磷和鉀的去向中，磷和鉀還田量最高的均為華北區(qū)，分別為99.1萬t和127.5萬t，其中長江中下游地區(qū)磷的回田量與華北地區(qū)相近，磷和鉀進入環(huán)境中數量最高的均為西北地區(qū)，分別為117.4 萬 t和 252.5 萬 t (表 7)。

表2 2015年中國畜禽糞尿數量、所含養(yǎng)分資源量及其在全部資源量的占比Table 2 Animal manure amounts, contained nutrient quantities and their percentages in the whole resources in China in 2015

表3 2015年中國不同地區(qū)畜禽糞尿資源分布Table 3 Manure and contained nutrient resources in different regions of China in 2015

2.5 畜禽糞尿不同回田比例對化肥減施的影響

畜禽糞尿是畜禽養(yǎng)殖中重要的副產物，同時也是環(huán)境污染物，而糞尿作為有機養(yǎng)分回田是減少化學肥料施用、培肥土壤的有效途徑。根據《中國統(tǒng)計年鑒2016》各區(qū)域不同作物種植面積和各區(qū)域不同作物最佳施用量 (表8)，可計算得到各區(qū)域的養(yǎng)分需求量。由表9可以看出，將畜禽糞尿全量還田N、P2O5、K2O 輸入量分別為 811.8 萬 t (已減去 15 %的氮素養(yǎng)分揮發(fā)損失[37])、856.6萬t和849.5萬t。那么不同地區(qū)化肥氮的減施率為15.2%～91.1%，平均為45.3%；化肥磷的減施率為59.0%～220.2%，平均為106.8%；化肥鉀的減施率為39.5%～115.6%，平均為76.5%。分析不同地區(qū)畜禽糞尿全量回田，發(fā)現(xiàn)N、P2O5和K2O減施量最高的均為華北地區(qū)，減施量分別為218.7萬t、197.1萬t和193.3萬t，而N和P2O5減施率最高的為東南地區(qū)，K2O減施率最高的為西北地區(qū)。

3 討論

3.1 加強畜禽糞尿養(yǎng)分資源利用

畜禽糞尿是重要的有機肥，如果能把養(yǎng)殖場畜禽糞尿充分還田和有效利用起來，不但解決了養(yǎng)殖場污染問題，還催生了新的有機農業(yè)產業(yè)，生產高附加值的農產品。將畜禽糞尿作為農業(yè)產業(yè)鏈中的一個重要環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)物質的多重循環(huán)和多次轉化利用，從而提高畜禽糞尿的資源利用率以及整體效益[38]。

中國畜禽糞尿的產生量已超過工業(yè)固體廢棄物，成為環(huán)境污染的主要來源，至2020年，畜禽糞尿產生量將以平均每年2.32%的速度增加[33]。畜禽糞尿污染物減排已不容小覷，攸關國家節(jié)能減排目標的實現(xiàn)，而了解畜禽糞尿年產生量是其充分合理利用的基礎。已有研究對中國各年份畜禽糞尿量及其各類污染物排放量進行了估算，而結果存在一定的偏差。許俊香等[39]研究認為中國2002年糞便量為33億t；高定等[150]研究認為2002年是27.5億t；王方浩等[28]認為2003年是31.9億t；田宜水等[32]估算2009年我國規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便排放量8.37 × 108t；賈偉[151]估算2009我國畜禽糞便干重6.96億t；張?zhí)锏萚34]估算 2009年中國畜禽糞便總量達 32.64億t；也有研究表明2009年糞便量為21.83億t[33]和39.92億 t[152]，2010年 22.35億 t[22]，2011年是 26.89億 t[153]；朱建春等[20]認為 2002年是23.35億t，2003年是24.45億t，2009年是24.22億t，2010年是24.45億t，2011年是25.45億t；黎運紅等[154]研究認為2013年我國主要畜禽糞便干重達6.23億t。而本研究收集國內公開發(fā)表的文章，確定各種畜禽糞尿的排泄系數，估算2015年畜禽糞尿量為31.584億t。結果的差異可能由于產排污系數選取、飼養(yǎng)周期和畜禽數量估算等因素的差別[21, 155]。雖然這些研究結果存在較大差異，但均證明了中國養(yǎng)殖業(yè)的畜禽糞尿產生量巨大，若需準確系統(tǒng)地獲得可比性較強的估算結果，應對禽糞便的估算方法科學地進行統(tǒng)一。

表4 2015年中國不同畜禽種類糞尿中氮素去向 (× 104 t)Table 4 Fate of N from different manure resources in 2015

表5 2015年中國不同區(qū)域糞尿中氮素去向 (× 104 t)Table 5 Fate of N from animal manure in different regions in 2015

畜禽糞尿會對環(huán)境造成很大影響，但同時又是一種寶貴的資源，畜禽糞尿中含有大量的有機物和氮、磷等營養(yǎng)元素，對其進行肥料化、能源化和飼料化等一系列資源化利用，在促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和維護生態(tài)平衡方面起到重要作用[31]。賈偉等[151]估算2009年畜禽糞尿氮、磷、鉀養(yǎng)分資源數量分別為1290萬 t、310萬 t、1030萬 t。耿維等[22]估算2010 年畜禽糞便可提供總氮1900萬t，占當年氮肥消費量的 79%；提供總磷400萬t，占當年磷肥消費量的50%。黎運紅等[154]研究認為2013年我國畜禽糞便資源中理論上含有氮養(yǎng)分 1155.42萬t、磷養(yǎng)分311.57萬t、鉀養(yǎng)分774.06萬t，氮、磷、鉀分別相當于我國 2013年農業(yè)氮、磷、鉀肥施用量的 48.26%、37.51%、123.38%。本研究估算2015年我國畜禽糞尿資源中理論上含有氮、磷、鉀養(yǎng)分分別為1478.0、901.0和1453.9萬t。因此加強畜禽糞尿資源的利用不但可以降低環(huán)境污染，同時能夠實現(xiàn)農田化肥減施，提高畜禽糞尿的資源利用率。

3.2 畜禽糞尿還田潛力研究

畜禽糞尿含有的氮磷鉀養(yǎng)分資源如果能夠合理返還農田，將大量減少化學肥料施用[156]。本研究發(fā)現(xiàn)2015年，中國畜禽糞尿中氮素養(yǎng)分為1478.0萬t，相當于3213.0萬t尿素中的氮含量，約為2015年消費的氮肥中氮素養(yǎng)分的62.6%，糞尿全量還田理論上氮、磷、鉀施用量平均可以減少37.3%、87.6%和65.9%。路國彬等[157]利用模型估算了畜禽糞肥替代化肥潛力，結果表明2014年畜禽糞肥可替代氮肥、磷肥、鉀肥的潛力分別為1186.78萬t、806.41萬t和1169.25萬t，分別占當年實際化肥施用量的38.30%、52.00%和86.77%；我國不同地區(qū)畜禽糞肥可替代化肥潛力差異較大，河南、四川、山東、湖南和湖北畜禽糞肥替代化肥潛力排在前五位；其研究的畜禽種類為豬、牛和家禽，而不包含其它畜禽。趙俊偉等[27]在確定畜禽糞便年排放量和農田所需養(yǎng)分量估算方法的基礎上，根據2011—2014年青島市畜禽養(yǎng)殖量和農作物產量數據，從肥料化利用角度分析畜禽糞便資源化利用潛力，結果發(fā)現(xiàn)如果畜禽糞便能夠完全實現(xiàn)肥料化利用，則畜禽糞便中養(yǎng)分的化肥替代率達60%以上。宇萬太等[158]利用中長期定位試驗研究了有機肥料 (豬圈肥) 的養(yǎng)分利用率，結果發(fā)現(xiàn)豬圈肥中氮和磷的5年平均表觀利用率分別為61%和39%，且有隨施肥年限的延長而增長的趨勢，表明有機肥中養(yǎng)分具有較強的殘效迭加作用。孫聰姝等[159]利用長期定位試驗研究同樣認為有機肥具有明顯的后效性。因此，在畜禽糞肥長期還田下不僅需要考慮當季作物對其養(yǎng)分的吸收，還需考慮畜禽糞肥養(yǎng)分的后效問題，而目前有關不同種類畜禽糞肥在不同土壤中養(yǎng)分有效性及其后效的研究較少。

相關研究表明[160]，若用有機肥替代化肥，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17.5%、52.9%和62.6%。研究[161-162]表明新鮮的豬糞中不僅含有作物生長所需的礦質營養(yǎng)元素，而且含有揮發(fā)性脂肪酸，能有效抑制和消除植物土傳病害。楊娟等[163]研究表明，豬糞50%、100%替代化肥分別比單施化肥水稻增產15.87%、9.14%。侯苗苗等[164]研究認為在塿土小麥/玉米輪作體系中牛糞有機氮替代化肥氮75%最好，可以保證作物產量、實現(xiàn)N2O減排。趙軍等[165]研究認為，在稻麥輪作體系中豬糞有機無機復合肥替代70%常規(guī)化肥施用能有效提高作物產量，同時是一種具有培育高產土壤微生物區(qū)系潛力的施肥措施。李江濤等[166]認為，長期施用畜禽糞尿能夠通過增加土壤活性有機碳含量和改善土壤理化性質來改善土壤生物化學質量。雷成等[167]研究了畜禽糞尿的不同處理途徑，認為直接施入農田是最為簡單的做法。楊世琦等[24]研究認為，我國農田消納畜禽糞尿的潛力較大，通過畜禽糞尿還田利用能夠有效地解決糞尿污染問題。

畜禽糞肥從養(yǎng)殖場到農田的轉移存在一定局限性[24]。畜禽糞尿的特點決定了其無法進行大范圍、跨地區(qū)的移動，所以在當前經濟可行的技術條件下，耕地消納仍是較為經濟可行的畜禽糞肥處理手段[168]。然而在一定時期內，單位耕地面積對畜禽糞尿的消納容量有限，區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展應該符合該地區(qū)的土壤環(huán)境承載力，其飼養(yǎng)密度應不超過該地區(qū)耕地資源的最大承載能力[169]。李祖章等[170]研究表明，每年每公頃稻田施用豬糞量應控制在15 t以內，每公頃農田承載母豬糞便能力為15頭、果園為30頭，承載存欄育肥豬糞便能力為45頭。陸善玲等[171]對上海郊區(qū)研究表明，在每公頃施225 kg純氮的基礎上，水稻田的豬糞肥適宜施用量為15～35 t/hm2，臨界施用量為45 t/hm2。土壤糞便的年施用量中磷含量不能超過 35 kg/hm2(P2O580 kg/hm2)，否則會引起磷的淋洗造成環(huán)境污染[172]。

4 結論

目前中國畜禽糞尿數量及其養(yǎng)分資源量依然巨大，2015年中國畜禽糞尿數量31.584億t，其中氮(N)、磷 (P2O5)、鉀 (K2O) 養(yǎng)分資源總量分別達到1478.0萬t、901.0萬t和1453.9萬t，畜禽糞尿回田是實現(xiàn)化肥減施增效的有效措施，具有廣闊的利用空間。畜禽糞尿資源數量以豬、肉牛和奶牛占據主要部分，其總養(yǎng)分量以豬、肉牛和羊最大，同時西南和華北地區(qū)糞尿數量和養(yǎng)分資源量最多。改善畜禽糞尿處理、運輸和還田方式，提高畜禽糞尿養(yǎng)分資源利用率仍是未來一段時間急需解決的問題，畜禽糞尿資源充分利用同樣是實現(xiàn)化肥施用零增長行動和保障國家糧食安全的重要措施。