蔡美芳 劉曉偉 吳孝情 吳仁人 陳中穎 盧文洲

（環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所國家環(huán)境保護水環(huán)境模擬與污染控制重點實驗室、廣東省水與大氣污染防治重點實驗室，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)生量已達到25.45×108t，其中的氮、磷含量分別達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38×104t［4］，為了加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，2017年6月12日，國務院辦公廳發(fā)布了《關于加快推進畜禽養(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到75%以上。因此，利用好畜禽糞便不但可以減少化學肥料的用量，有效降低畜禽養(yǎng)殖帶來的面源污染，還能增加土壤有機質，實現(xiàn)減肥增效和農(nóng)田可持續(xù)利用。但是，當一定區(qū)域內畜禽產(chǎn)生的糞便超過作物生長需要和土壤的自凈能力時，就會出現(xiàn)土壤N、P盈余［5-6］，過量的N、P便會通過地表徑流和淋溶進入河流、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］。

目前國內外有關畜禽養(yǎng)殖的研究主要集中在畜禽糞便組分、環(huán)境風險評估以及畜禽養(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區(qū)為研究對象，選取水田、菜地、園地和林地4種農(nóng)用地類型，測定土壤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，判斷氮、磷盈余或缺損，并將區(qū)域內能承受的輸入量間接轉化為豬當量畜禽數(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)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》（NY/T 395-2012）和《土壤檢測第1部分：土壤樣品的采集、處理與貯存》（NY/T 1121.1-2006）的要求，采用梅花布點和四分法共采集土壤樣品35個，其中水田、菜地、園地各10個，林地5個，采樣點分布見圖1。監(jiān)測指標包括pH、土壤電導率（EC）、有機質、全氮、全磷、速效氮、有效磷以及Cu、Zn、As等重金屬共10個指標，其中，pH和EC采用電極法測定，有機質采用重鉻酸鉀滴定法測定，全氮和速效氮分別采用凱氏法和堿解法進行測定，全磷和有效磷分別采用分光光度法和鉬銻抗比色法進行測定，Cu、Zn、As采用分光光度法測定。

本研究中各種農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于新會區(qū)統(tǒng)計年鑒，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)域內氮、磷元素的輸入和輸出項，判斷氮、磷盈余或缺損，并將區(qū)域內能承受的輸入量間接轉化為豬當量畜禽數(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，計算獲得的土地當量畜禽的承載量，計算公式如下：

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年新會區(qū)統(tǒng)計年鑒》，新會區(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，結合單位產(chǎn)品N、P需求量，便可計算出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥量A。

表2 2015年新會區(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)境影響評價準則》（GBT26622-2011）和《畜禽糞便還田技術規(guī)范》（GB/T 25246-2010）中推薦的方法計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元素的測定值，mg·kg-1，t表示校正系數(shù)，因土壤具有緩沖能力，測定值只是代表供肥潛力，實際能被作物吸收的量只占測定值的一部分，可取0.5［18］。

2 結果與討論

2.1 土壤肥力水平

新會區(qū)農(nóng)用地土壤的有機質、N、P含量結果見表3。從該表中可看出，新會農(nóng)用地土壤中有機質平均含量在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，水田的有機質、全磷和有效磷的平均含量最低，林地的有機質、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《畜禽糞便還田技術規(guī)范》（GB/T 25246-2010）推薦的土壤肥力分級標準，根據(jù)土壤全氮含量進行新會區(qū)農(nóng)用地土壤肥力水平評價，結果顯示，在所監(jiān)測的點位中，新會區(qū)土壤肥力等級較高，水田和林地肥力全為Ⅰ級，菜地除崖門鎮(zhèn)為Ⅲ級外，其余全為Ⅰ級，果園除大澤和雙水為Ⅱ級外，其余也為Ⅰ級，Ⅰ級點位數(shù)占所有監(jiān)測點位的91.4%。

2.2 土壤Cu、Zn、As含量

根據(jù)土壤采樣監(jiān)測結果，按照《農(nóng)用地土壤環(huán)境質量標準》（三次征求意見稿），采用單因子指數(shù)法對新會區(qū)土壤中Cu、Zn、As污染情況進行評價，結果見表4。在所監(jiān)測的所有菜地中，未出現(xiàn)Cu、Zn、As超標，部分果園土壤出現(xiàn)As超標，這可能與果園曾經(jīng)使用含砷農(nóng)藥有關，超標的點位分別為羅坑、沙堆、古井三個鎮(zhèn)，超標倍數(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，超標倍數(shù)分別為0.15、0.08和0.23。

為了促進畜禽生長和提高免疫力，動物飼料中往往加入含Cu、Zn、As等重金屬的添加劑，然而，由于動物對Cu、Zn、As添加劑的利用率較低，導致這些重金屬隨畜禽糞便進入環(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在禽畜糞中富集［19］。另有調查表明，廣東集約化養(yǎng)殖場豬糞中As、Cu、Zn的平均含量分別達89.3、765.1、1128 mg·kg-1；雞糞中As、Cu、Zn的平均含量分別達21.6、107.5、366.6 mg·kg-1［20］。因此，施用畜禽糞肥可能會導致土壤重金屬污染。

表3 新會區(qū)農(nóng)用地土壤有機質、N、P測定結果(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)新會區(qū)土壤中N、P含量監(jiān)測結果，利用式（2）分別計算各鎮(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，會城、三江和大鰲的所有農(nóng)用地均存在土壤P肥或N肥過?，F(xiàn)象，會城園地和大鰲水田還同時出現(xiàn)N肥和P肥過剩，這與前人的研究結論［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)調查，目前新會區(qū)有機肥施用比例約為20%，畜禽糞便收集率為70%（流失率30%），利用式（1）和式（2）計算出新會各鎮(zhèn)街適宜的養(yǎng)殖量（見表6），全區(qū)總的養(yǎng)殖量為27萬頭豬當量。同時，根據(jù)新會區(qū)農(nóng)林局提供的畜禽養(yǎng)殖種類和數(shù)量，結合廣東省地方標準《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》，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頭豬的折算標準，按豬當量計算各鎮(zhèn)街畜禽養(yǎng)殖量，全區(qū)現(xiàn)狀養(yǎng)殖總量為125.7萬頭豬當量。此外，根據(jù)《廣東國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》（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，結合新會區(qū)人口數(shù)據(jù)，可算出基于新會區(qū)肉類需求的養(yǎng)殖量，為38萬頭豬當量。由此可見，現(xiàn)狀全區(qū)的養(yǎng)殖總量已經(jīng)遠遠超出了適宜的養(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，會城、三江、大鰲三個鎮(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鎮(zhèn)。

3 結 論

新會區(qū)部分農(nóng)用地土壤存在過量施肥現(xiàn)象，2015年全區(qū)化肥平均施用強度為367 kg·hm-2（按種植面積計算），超出了發(fā)達國家提出的警戒線（225 kg·hm-2）。新會區(qū)現(xiàn)狀畜禽養(yǎng)殖總量大，遠遠超出了畜禽養(yǎng)殖承載力，除崖門和睦州兩個鎮(zhèn)外，其余8個鎮(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，畜禽糞肥農(nóng)用的環(huán)境風險不容忽視。因此，新會區(qū)在施用畜禽糞肥時除了要考慮土壤的養(yǎng)分平衡，防止N、P盈余和累積外，還需關注糞肥帶來的As污染風險。

表4 新會區(qū)土壤重金屬評價結果Table 4 Heavy metal concentrations in the soils of Xinhui/(mg·kg-1)

表5 2015年新會區(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年新會區(qū)畜禽養(yǎng)殖量分析（單位：頭豬當量）Table 6 Livestock and poultry feeding loads in Xinhui (2015, pig equivalent)

續(xù)表