秦 鐘，隆少秋，王 璐，張春霞，袁 蘭

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基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的東莞有機(jī)廢棄物替代化肥潛力研究

秦 鐘1,2,3，隆少秋1,2,3，王 璐1,2,3※，張春霞1，袁 蘭1,2,3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；2. 國土資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

綜合考慮作物秸稈還田、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物排放這3個(gè)過程中所產(chǎn)生的養(yǎng)分資源以及農(nóng)作物、果樹生長需要吸納的養(yǎng)分，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，探究東莞種養(yǎng)結(jié)合、有效利用有機(jī)廢棄物養(yǎng)分從而替代化肥施用的潛力。結(jié)果表明，2025年農(nóng)作物和果樹養(yǎng)分的總需求量為4.613 6×103t，作物秸稈、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料蘊(yùn)含的養(yǎng)分為0.430 6×103和4.514 3×103t。若這些有機(jī)糞肥資源按存儲(chǔ)發(fā)酵、沼氣處理和堆肥加工這3種方式處理，則實(shí)際可提供的總養(yǎng)分依次為3.913 9×103，4.803 7×103和3.055 0×103t。根據(jù)有機(jī)肥氮素替代50%化肥氮的原則來估算有機(jī)廢棄物養(yǎng)分供應(yīng)量，則有機(jī)糞肥資源所提供的氮、磷、鉀養(yǎng)分均超出當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和果樹生長所需，需要外運(yùn)糞肥以降低對環(huán)境的影響。考慮當(dāng)?shù)刈魑锝斩掃€田方式，即全部還田、部分還田和不還田（不還田的秸桿用于焚燒或作飼料），需要移出的養(yǎng)分比例分別為73.2%～74.1%，53.7%～60.0% 和24.1%～33.5%。

養(yǎng)分；糞；化肥；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；情景分析；東莞

0 引 言

近年來，隨著規(guī)?；?、集約型畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞尿產(chǎn)量大、廢棄物治理困難、農(nóng)業(yè)面源污染等問題日益嚴(yán)重。畜禽糞便施入農(nóng)田進(jìn)行循環(huán)利用是最為經(jīng)濟(jì)有效的處理方式，但由于資金、土地等條件的制約，在部分農(nóng)牧脫節(jié)、治污設(shè)施不配套、畜禽養(yǎng)殖密度過高的地區(qū)，畜禽糞便養(yǎng)分已經(jīng)超過農(nóng)田作物養(yǎng)分的實(shí)際需求量[1-2]。種植業(yè)生產(chǎn)中使用大量化肥，農(nóng)田耕地承載消納畜禽產(chǎn)污的能力降低等現(xiàn)象也屢有報(bào)道[3-4]。在此情況下，依據(jù)本地畜禽養(yǎng)殖量和耕地資源現(xiàn)狀，制定合理的區(qū)域農(nóng)田循環(huán)利用糞肥養(yǎng)分策略，對降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)、推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

估算畜禽糞肥資源量及養(yǎng)分含量，明確時(shí)空分布動(dòng)態(tài)等是實(shí)現(xiàn)糞肥循環(huán)利用的基礎(chǔ)性工作。已有學(xué)者從國家、區(qū)域/流域、乃至縣或生產(chǎn)企業(yè)等尺度，從畜禽糞肥養(yǎng)分產(chǎn)生數(shù)量和空間分布特征[5-6]、耕地氮/磷承載力[7-8]、污染潛勢與環(huán)境影響[9-10]等角度開展了大量研究。另有一些學(xué)者從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，分析對農(nóng)業(yè)農(nóng)村主要廢棄物（包括畜禽糞便、作物秸稈、生活污泥和生活垃圾等）的產(chǎn)生量及分布特點(diǎn)，從種養(yǎng)結(jié)合、循環(huán)利用的角度，對這些廢棄物資源作為有機(jī)肥還田利用的潛力進(jìn)行評估[11-12]，并從管理或政策層面提出環(huán)境友好型畜禽生態(tài)養(yǎng)殖的建議或方案[13]。這些研究為摸清中國畜禽養(yǎng)殖、糞肥管理現(xiàn)狀和存在的問題、探尋畜禽養(yǎng)殖環(huán)境管理與污染防治途徑等提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

珠江三角洲是中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍、人口高度密集、水系發(fā)達(dá)的地區(qū)。近年來，隨著生活水平的不斷提高和居民膳食結(jié)構(gòu)的變化，畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到了快速發(fā)展，已有16個(gè)生豬主產(chǎn)縣（市、區(qū)）集中分布于珠江西岸。據(jù)2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，這些主產(chǎn)縣生豬存欄量達(dá)398×104頭，出欄量706×104頭[14]。在耕地面積日益減少、規(guī)模化和集約化養(yǎng)殖業(yè)水平提高的背景下，區(qū)域生豬存欄量已超出土地承載能力。2000－2008年深圳、佛山和東莞等市單位耕地面積N、P2O5負(fù)荷量均高于300 kg/hm2[15]。針對這一情況，農(nóng)業(yè)部及廣東省相關(guān)部門已做出了養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的調(diào)整轉(zhuǎn)移、加大畜禽養(yǎng)殖污染治理，推廣豬沼茶等生態(tài)養(yǎng)殖模式等多項(xiàng)舉措，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模已趨于持續(xù)縮小，亟需適時(shí)明確養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整后生豬主產(chǎn)區(qū)糞肥的產(chǎn)生量及養(yǎng)分資源，提出合理返還農(nóng)田的糞肥資源處理和養(yǎng)分管理策略，從而推動(dòng)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。東莞是珠三角地區(qū)較早開展畜禽養(yǎng)殖污染治理的地區(qū)之一，本研究將以該地區(qū)為例，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（system dynamics，SD）方法，將人口、種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)納入?yún)^(qū)域糞肥資源核算體系并構(gòu)建相應(yīng)的模型，以作物秸稈還田、糞肥處理不同方式為著眼點(diǎn)，分析畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生產(chǎn)、生活有機(jī)廢棄物糞肥的養(yǎng)分含量與作物養(yǎng)分需求之間匹配關(guān)系，探究未來有機(jī)養(yǎng)分資源替代化肥利用的潛力及變化，以期為其他水網(wǎng)地區(qū)制定有機(jī)養(yǎng)分資源在農(nóng)田的可持續(xù)利用的策略等提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源

東莞市主要畜禽（豬、牛、羊、雞、鴨、鵝）的養(yǎng)殖數(shù)量、農(nóng)作物播種面積及產(chǎn)量、耕地面積、農(nóng)村人口數(shù)量等數(shù)據(jù)主要來自《廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[16]（1993－2017年）、《東莞統(tǒng)計(jì)年鑒》[17]（1979－2017年）及省、市統(tǒng)計(jì)調(diào)查信息網(wǎng)等。

2 分析方法

2.1 模型框架與運(yùn)算過程

模型以有機(jī)廢棄物養(yǎng)分的流動(dòng)過程為主線，基于養(yǎng)分平衡和循環(huán)利用的角度，分析區(qū)域農(nóng)業(yè)農(nóng)村系統(tǒng)內(nèi)種植、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活3個(gè)過程中養(yǎng)分的產(chǎn)生、需求及相互聯(lián)系，所構(gòu)建的框架模型如圖1所示。在構(gòu)建模型時(shí)，將設(shè)立以下3個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 有機(jī)養(yǎng)分資源利用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)框架圖

2.1.1 人口子系統(tǒng)

人口子系統(tǒng)主要反映農(nóng)村人口數(shù)量、產(chǎn)生的生活有機(jī)廢棄物資源及養(yǎng)分。該子系統(tǒng)以人口總數(shù)為庫，包含人口變化流率變量及影響人口數(shù)量的因子如出生率、死亡率、凈遷移率、農(nóng)業(yè)人口所占比例等（表函數(shù)形式）；人均糞尿年排出量及N、P含量、流失率常數(shù)（圖2）。

計(jì)算方法如下：參考高祥照等[18]編寫的《肥料實(shí)用手冊》中對人糞、尿的研究，得出成年人年糞、尿排放量及N、P含量，即每個(gè)成年人年排放糞、尿分別為113.7和579.3 kg/(人·a)，糞中氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.64%和0.11%，尿中氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.53%和0.04%，人糞尿的流失率按21.9%計(jì)[19]。

根據(jù)東莞歷年農(nóng)村人口數(shù)據(jù)，即可估算出農(nóng)村生活所產(chǎn)生的糞肥及養(yǎng)分含量。

2.1.2 種植子系統(tǒng)

主要反映農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量及所含的養(yǎng)分資源、糧食作物產(chǎn)量滿足地區(qū)人口糧食消費(fèi)需求的程度及作物、果樹生長對氮、磷、鉀養(yǎng)分的需求情況。該子系統(tǒng)主要包括：

注：ZRK表示總?cè)丝冢籖CS，RSW，JQY分別表示人口出生率、死亡率和凈遷移率；NYRK，RNYRK分別表示農(nóng)業(yè)人口及占總?cè)丝诘谋壤籗HTN和SHTP分別表示農(nóng)村生活所產(chǎn)生的糞肥氮（N）養(yǎng)分和磷（P2O5）養(yǎng)分；FenN 和 FenP分別表示禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物所含的氮、磷養(yǎng)分；CZRK1和CZRK2分別表示總?cè)丝诘脑鲩L、減少。

Note: ZRK represents total population; RCS, RSW and JQY represent population birth rate, death rate and net migration rate respectively; NYRK and RNYRK represent agriculture-related population and its contribution to total population, respectively; SHTN and SHTP represent nitrogen (N), phosphorus (P2O5) nutrient derived from rural domestic manure, respectively; FenN and FenP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste; CZRK1 and CZRK2 represent the increased and decreased population, respectively.

圖2 人口子系統(tǒng)糞肥資源利用的動(dòng)力學(xué)模型

Fig.2 System dynamic model of manure nutrient utilization for population subsystem

稻谷、薯類、大豆、甘蔗、花生、蔬菜和果樹單產(chǎn)產(chǎn)量共7個(gè)庫及相對應(yīng)的單產(chǎn)增加率（即模型中的流率）；各類作物和水果單產(chǎn)增加率、播種/種植面積共14個(gè)表函數(shù)；各類作物和水果吸收的氮、磷、鉀養(yǎng)分系數(shù)共21個(gè)常量。子系統(tǒng)中也包括計(jì)算各類作物秸稈產(chǎn)生量和養(yǎng)分含量、作物和果樹營養(yǎng)元素吸收量的輔助方程。秸稈系數(shù)、秸稈的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量系數(shù)直接寫入相應(yīng)的輔助方程中。以水稻秸稈的養(yǎng)分為例，相應(yīng)的模型如下（圖3）。

計(jì)算方法如下：各類作物田間收獲的秸稈量是基于作物產(chǎn)量和草谷比系數(shù)（又稱秸稈系數(shù)）進(jìn)行估算。需要說明的是，由于甘蔗在統(tǒng)計(jì)年鑒中以鮮質(zhì)量統(tǒng)計(jì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，先將甘蔗莖稈按照70%的含水率[20]換算成干質(zhì)量經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，再按公式（1）計(jì)算田間秸稈量。秸稈中含有大量的氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，其養(yǎng)分含量系數(shù)取自文獻(xiàn)[21]，計(jì)算公式為

2.1.3 畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)

主要反映畜禽養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量及其中的養(yǎng)分含量。該子系統(tǒng)包括豬出欄量、牛、羊末存欄量和雞、鴨、鵝（包括雞、鴨和鵝）出欄量共4個(gè)庫及各自對應(yīng)的年增長率；年豬出欄量增長率、牛、羊年末存欄量增長率、雞、鴨、鵝年出欄量增長率4個(gè)表函數(shù)；各類畜禽糞便日排泄量、養(yǎng)分含量系數(shù)、飼養(yǎng)周期共計(jì)16個(gè)常數(shù)。以豬養(yǎng)殖、糞便產(chǎn)生量及其中的養(yǎng)分含量為例，相應(yīng)的模型如下（圖4）。

注：DCSD：每公頃水稻產(chǎn)量；CLSD：水稻總產(chǎn)量；MJSD：水稻種植面積；JGSD：水稻秸稈產(chǎn)量；CDCSD和RDCSD分別表示水稻單產(chǎn)的增加及其每年的增長率；TNSD、TPSD和TKSD分別代表水稻秸稈所含的氮（N）、磷（P2O5）和鉀素（K2O）營養(yǎng)；SXNSD、SXPSD和SXKSD分別表示水稻生長需要吸收的氮、磷和鉀素；PsxNSD、PsxPSD和PsxKSD分別代表水稻對氮、磷和鉀素的吸收系數(shù)；FenN、FenP和FenK分別表示禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物所含的氮、磷和鉀養(yǎng)分；TSXN、TSXP和TSXK分別表示所有作物生長所需的氮、磷和鉀素；JGTN、JGTP、JGTK分別代表所有農(nóng)作物秸稈（不包括果樹）所含氮、磷和鉀素；RSL、RFS和RHT分別代表用作飼料、燃料和肥料的秸稈比例；CZTN、CZTP和CZTK分別表示作物秸稈還田、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物提供的氮、磷和鉀養(yǎng)分與農(nóng)作物生長所需的養(yǎng)分之差；ZSTN、ZSTP和ZSTK分別代表農(nóng)作物秸稈提供的氮、磷和鉀營養(yǎng)，這3個(gè)變量的值受作物秸稈處理/利用方式的影響。

Note: DCSD: rice yield per hectare; CLSD: total rice yield; MJSD: rice planting areas; JGSD: rice straw yield; CDCSD and RDCSD represent the increased rice yield per hectare and its increasing rate per year; TNSD, TPSD and TKSD represent rice straw nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrient, respectively; SXNSD, SXPSD and SXKSD represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption in rice, respectively; PsxNSD, PsxPSD and PsxKSD represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption coefficient in rice plant, respectively; FenN, FenP and FenK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste, respectively; TSXN, TSXP and TSXK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient absorption in the whole cropping system, respectively; JGTN, JGTP and JGTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in all crop straws (not including the fruit trees); RSL, RFS and RHT represent proportion of straw used as feed, fuel and fertilizer, respectively; CZTN, CZTP and CZTK represent difference of nitrogen, phosphorus and potassium nutrient between the supply of crop residue retention, livestock farming and rural domestic waste and the demand of the whole cropping system; ZSTN，ZSTP and ZSTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient provided by crop straws, respectively. Values of the three variables were influenced by crop straw disposal/utilization schemes.

圖3 水稻種植子系統(tǒng)糞肥資源利用的動(dòng)力學(xué)模型

Fig.3 System dynamic model of manure nutrient utilization for rice cropping subsystem

計(jì)算方法如下：采用日排污量計(jì)算法估算各類畜禽糞便產(chǎn)生量及養(yǎng)分量見公式（3）和（4）。

注：ZhuCL：生豬出欄量；CZhuCL和RZhuCL代表了生豬出欄量的增加及其每年的增長率；TS：時(shí)間變量（年份）；DZhu：豬的飼養(yǎng)周期；ZhuF：豬糞日排放量；PaZhuF：豬糞排泄系數(shù)；ZhuTN, ZhuTP and ZhuKO分別表示豬糞總氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）含量；PaZhuN、PaZhuP和PaZhuKO分別表示豬糞氮、磷和鉀的養(yǎng)分含量系數(shù)；ZfhN和ZfhP分別表示以氮和磷計(jì)的總豬糞當(dāng)量；SJKZN、SJKZP分別表示實(shí)際土地總氮、總磷承載力；MJGD和MJGY分別代表耕地和果園面積；CMJGD和RMJGD分別增加了耕地面積及其年增長率；CP和CN代表歐盟發(fā)布的氮（170 kg/hm2）和磷（35 kg/hm2）應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；KZhuN和 KZhuP分別表示以氮、磷計(jì)算得到的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量；RIN、RIP分別對應(yīng)2種模式（作物所需的50%氮素來自于糞肥或所需的磷素全部來自于糞肥）下需要移出耕地的糞肥量。

Note: ZhuCL: the amount of pig slaughter; CZhuCL and RZhuCL represent the increased amount of pig slaughter and its increasing rate per year; TS: Temporal variable (year of study); DZhu: period of pig-raising; ZhuF: total amounts of pig excrement; PaZhuF: excretive coefficient of pig; ZhuTN, ZhuTP and ZhuKO represent total nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrient produced by pig industry, respectively; PaZhuN, PaZhuP and PaZhuKO represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in pig feces, respectively; ZfhN and ZfhP represent nitrogen and phosphorus nutrient in tons of pig manure equivalent derived from livestock and poultry feces, respectively; SJKZN, SJKZP represent actual loads of nitrogen and phosphorus nutrient in arable land; MJGD and MJGY represent arable land and orchard area, respectively; CMJGD and RMJGD represent the increased area of arable land and its increasing rate per year; CP and CN represent nitrogen (170 kg/hm2) and phosphorus (35 kg/hm2) application standard issued by the European Union; KZhuN and KZhuP represent load-carrying capacity of nitrogen and phosphorus nutrient according to the standard of European Union. RIN and RIP were estimated nitrogen and phosphorus nutrient that should be removed from arable land, based on two patterns of manure substituting potential (50% and 100%).

圖4 生豬養(yǎng)殖子系統(tǒng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村糞肥資源利用模型

Fig.4 Pig breeding subsystem dynamic model of manure and nutrient utilization

參照已有的研究[22]，東莞畜禽養(yǎng)殖允許總量（）和實(shí)際數(shù)量（′）的計(jì)算見公式（5）和（6）。

2.2 模型主要參數(shù)的設(shè)定

2.2.1 耕地和果園面積

1978－2016年間，東莞耕地面積隨時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)性減少的趨勢，耕地面積由7.89萬hm2降為2016年的3.64萬hm2，即在39a時(shí)間里，耕地面積減少了一半以上，年均降幅為1.38%。其中2001－2002年的降幅最高，達(dá)22.2%，其次是1992－1993和1984－1985年，耕地面積年降幅為10%。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，非農(nóng)建設(shè)占用耕地的數(shù)量持續(xù)上升，東莞耕地面積的日益減少將發(fā)展為長期趨勢。在當(dāng)前耕地面積約束條件下，當(dāng)?shù)卣贫擞嘘P(guān)建設(shè)占用耕地必須占補(bǔ)平衡、農(nóng)用地轉(zhuǎn)用報(bào)批、土地規(guī)劃和布局調(diào)整等一系列制度，其中在《東莞市土地利用總體規(guī)劃（2006－2020）》（以下簡稱《規(guī)劃》）中明確提出了耕地面積的控制性指標(biāo)為：到2020年耕地保有量為3.18萬hm2，若按當(dāng)前耕地面積年均減少速率，到2020年耕地面積為3.44萬hm2，符合當(dāng)?shù)貙Ω孛娣e的約束性指標(biāo)。據(jù)此，文中將據(jù)這一減少速率預(yù)測2017－2025年的耕地面積。

東莞果園面積的階段性波動(dòng)較為明顯，1987年面積最高達(dá)4.06萬hm2，之后持續(xù)減少，2007年后呈現(xiàn)微幅增長趨勢，至2016年達(dá)1.33萬hm2，可預(yù)計(jì)2017－2025年果園面積將以約2.3%的年降幅減少。

2.2.2 生豬養(yǎng)殖

東莞生豬出欄量呈現(xiàn)先增后降的雙峰波動(dòng)趨勢，1978－2001年以年均22.1%的速率持續(xù)增加，之后略有下降，2004－2005生豬出欄量再次增加至峰值，達(dá)227.38萬頭，此后開始下降。2006年生豬出欄量急劇下降至42.06萬頭，其后以年均6.6%的速率逐年下降。2016年生豬出欄量達(dá)11.49萬頭。長期以來，東莞生豬養(yǎng)殖業(yè)在帶動(dòng)移民增收的同時(shí)，也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為此，自2006年以來，東莞市相關(guān)部門制定了限制生豬養(yǎng)殖規(guī)模，設(shè)置生豬定點(diǎn)基地、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖等措施，并下發(fā)《東莞市生豬生產(chǎn)規(guī)劃（2012－2020年）》，提出到2020年，全市生豬出欄量達(dá)到10萬頭，豬肉自給率達(dá)3%左右。為此，2017－2020年東莞生豬出欄量將以年均3.2%的速率下降才能完成這一目標(biāo)。此速率也將用于2020年后生豬出欄量的預(yù)測。

2.2.3 農(nóng)作物和水果單產(chǎn)

根據(jù)1978－2016年間水稻、薯類和大豆3種糧食作物單產(chǎn)的數(shù)據(jù)，采用趨勢分析法、平均數(shù)法確定2017－2025年的年均增長率，分別為1.64%、4.24%和3.30%。2025年水稻、薯類和大豆的單產(chǎn)將分別達(dá)6.12、4.96和2.57 t/hm2。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，未來3種糧食作物的單產(chǎn)水平及增幅均接近于歷史單產(chǎn)的高值。以水稻為例，1990－1991年，1995－1999年單產(chǎn)在6.0～6.07 t/hm2之間，盡管2016年水稻單產(chǎn)降至5.65 t/hm2，但在水稻新品種大面積推廣、種植技術(shù)改進(jìn)和農(nóng)田管理強(qiáng)化等因素的影響下，單產(chǎn)恢復(fù)至歷史最好水平是完全可以實(shí)現(xiàn)的。甘蔗、花生、蔬菜（含菜用瓜）、水果產(chǎn)量單產(chǎn)的增長率也通過類似的方法獲得，2025年的單產(chǎn)將分別達(dá)到149.78、2.21、31.04和8.70 t/hm2。

2.2.4 其他參數(shù)的設(shè)定

為便于研究，文中對人口和禽畜養(yǎng)殖子系統(tǒng)做了如下設(shè)定：

1）假設(shè)2017－2025年東莞農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)維持在2016年的水平，即0.6893，由已估算出的耕地面積可得出2017－2025年農(nóng)作物總播種面積。若各種作物占農(nóng)作物總播種面積的比例保持不變，可計(jì)算出2017－2025年各種作物的播種面積。

2）假設(shè)人口的出生率、死亡率和遷移率均保持2016年的水平，即分別為13.92‰、5.28‰和8.5‰，2017－2025年非農(nóng)業(yè)人口所占比例通過趨勢分析獲得。

3）牛年末存欄量、雞鴨鵝出欄量的增長率分別采用回歸模型擬合的方法求得。受市場等因素影響，東莞羊的養(yǎng)殖數(shù)量有限，年份間年末存欄量波動(dòng)較大且逐年減少，2016年僅有889頭，在缺乏2008、2009年記錄的情況下，假設(shè)2016年后羊年末存欄量仍然保持現(xiàn)有的數(shù)量。

2.3 情景分析設(shè)定

作物秸稈和糞肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為普遍的廢棄物資源。其中秸稈的利用方式主要有：還田（主要指秸稈機(jī)械粉碎翻壓還田、覆蓋還田、留高茬還田等直接還田和秸稈沼肥還田、堆漚還田等間接還田方式）、飼料（直接喂養(yǎng)牲畜、墊圈的秸稈以及通過氨化、青貯、微貯方式做飼料的秸稈）、燃燒（農(nóng)戶直接用于生活燃料以及在田間和地頭焚燒的秸稈等），其他方式（如秸稈用作造紙、可降解材料、人造板等的原料以及棄置亂堆）。不同利用方式下秸稈養(yǎng)分還田比例并不相同，其中秸稈還田的養(yǎng)分全部還田，用于飼料的秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分還田率分別為50%、72%、77%（主要指秸稈飼用后過腹還田的養(yǎng)分比例），用作生活能源和焚燒的秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分還田率分別為0、70%、70%[23]。

糞肥資源主要來源于畜禽養(yǎng)殖，也包括農(nóng)村生活所產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物。糞肥還田、制取沼氣、有機(jī)肥商品化生產(chǎn)、用作飼料或生產(chǎn)動(dòng)物蛋白等是常見的糞污處理方式，文中主要考慮前3種方式。固液糞肥資源的收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏以及沼氣設(shè)施、堆肥工藝等過程中都有不同程度的養(yǎng)分損失，氮、磷和鉀養(yǎng)分損失參數(shù)取自各類文獻(xiàn)報(bào)道中損失率的均值[13]。

秸稈和人畜糞便中蘊(yùn)藏的養(yǎng)分資源是否得到合理的利用，所蘊(yùn)藏的養(yǎng)分資源與農(nóng)作物生長所需的養(yǎng)分相差多少，如何處理才能避免養(yǎng)分過量導(dǎo)致的污染風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與管理所面臨的重要問題。為此，研究將針對當(dāng)前作物秸稈和畜禽糞便的不同處理方式，設(shè)置相應(yīng)的情景（表1）。根據(jù)文獻(xiàn)中現(xiàn)有作物秸稈資源利用不同方式及所占比例[25-26]，將不還田的情景（S3）分為2種，在這2種情景下不還田的那部分秸稈資源將分別用于焚燒和飼料來源。各情景將根據(jù)作物所需的50%氮素來自于糞肥[27]或所需的磷素全部來自于糞肥這2種模式來決定糞肥施用量[28]。當(dāng)投入含1kg磷的糞肥時(shí)，所帶入的全氮為1.85 kg。化肥補(bǔ)充施用原則為總養(yǎng)分需求量減去糞肥提供的氮磷養(yǎng)分，不足部分由化肥氮磷補(bǔ)充。

表1 不同作物秸稈還田和糞肥處理方式的情景設(shè)置

2.4 模型的運(yùn)行與檢驗(yàn)

借助系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬軟件STELLA（structural thinking, experiential learning laboratory with animation, STELLA)，向已構(gòu)建的模型輸入收集到的主要變量初值、歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、相關(guān)常數(shù)/系數(shù)項(xiàng)或函數(shù)關(guān)系式等，對不同秸稈還田和糞肥處理方式下養(yǎng)分的流動(dòng)狀況進(jìn)行模擬。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行院涂煽啃裕芯肯壤?978－2016年的數(shù)據(jù)，將模擬步長為1 a，采用微分方程的Euler法求解，運(yùn)行模型。選取人口數(shù)量、主要農(nóng)作物產(chǎn)量、耕地面積、禽畜養(yǎng)殖數(shù)量等指標(biāo)與實(shí)際歷史數(shù)據(jù)資料相對比，相對誤差<5%的比例為84.7%，且每個(gè)變量的相對誤差不大于9%，表明模型可用于對未來糞肥養(yǎng)分利用狀況的模擬及預(yù)測。文中將以2016年各變量的數(shù)據(jù)為初值，對2017－2025年不同秸稈還田和糞肥處理方式下養(yǎng)分的流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)果分析

3.1 農(nóng)業(yè)和農(nóng)村廢棄物產(chǎn)生量及養(yǎng)分含量預(yù)測

模型預(yù)測結(jié)果顯示，2016年后東莞農(nóng)作物秸稈資源及氮、磷、鉀養(yǎng)分均呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。到2025年，農(nóng)作物秸稈總量達(dá)4.89萬t，比2016年增加14.2%。水稻秸稈占秸稈總量的比例為11.2%～13.0%。2016年秸稈資源量為4.08萬t，蘊(yùn)含的總養(yǎng)分為413.22 t，其中氮、磷、鉀分別為175.23、46.83和191.20 t（圖5）。預(yù)計(jì)秸稈總養(yǎng)分將以年均1%的速度增加（不考慮秸稈利用過程中的損失），在2025年達(dá)430.64 t。水稻、薯類和大豆3種糧食作物秸稈所提供的養(yǎng)分占秸稈總養(yǎng)分的62.3%～65.7%，且隨時(shí)間的推移而趨于下降。

2016年后東莞的豬出欄量、牛年底存欄量持續(xù)下降，而雞、鴨、鵝的數(shù)量略有回升。畜禽糞便產(chǎn)生總量由2016年的1 912.16萬t豬糞當(dāng)量（以N計(jì)）逐年減少，至2025年僅為994.93萬t（圖6）。其中豬的糞便量減少了55%左右，而2025年雞、鴨、鵝的糞便量增加了30.8%。以耕地和果園畜禽糞便的主要消納場所，則2017－2025期間單位面積N和P2O5的載荷變動(dòng)幅度分別為：34.5～50.1，28.2～36.5 kg/hm2，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的限量標(biāo)準(zhǔn)[26-27]，也低于廣東省平均單位耕地面積畜禽糞便N、P2O5負(fù)荷量240.65和199.14 kg/hm2這一數(shù)值[15]。隨時(shí)間的推移，單位面積N和P2O5的載荷還將減少。

注：JGTN、JGTP、JGTK分別表示農(nóng)作物（不包括果樹）秸稈的氮、磷、鉀養(yǎng)分。

Note: JGTN, JGTP and JGTK represent nitrogen, phosphorus and potassium nutrient contained in all crop straws (not including fruit trees).

圖5 2016－2025年東莞農(nóng)作物秸稈的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)

Fig.5 Amount of crop straw nutrient resources in Dongguan during 2016－2025

注：ZfhN, ZfhP分別表示禽畜糞肥分別換算為以氮、磷計(jì)的總豬糞當(dāng)量。

Note: ZfhN and ZfhP represent nitrogen and phosphorus nutrient in tons of pig manure equivalent derived from livestock and poultry feces, respectively.

圖6 2016－2025禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的豬糞當(dāng)量

Fig.6 Pig manure equivalent produced from livestock and poultry breeding during 2016－2025

2016年農(nóng)村生活產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物為6.20萬t。禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料養(yǎng)分呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，總養(yǎng)分含量將由2016年的0.58萬t下降至2025年的4.51萬t，其中氮、磷、鉀養(yǎng)分將分別由2016年的3.09×103、1.55×103和1.19×103t以年均3.0%、3.4%和4.7%的速度下降（圖7）。禽畜養(yǎng)殖所提供的氮、磷養(yǎng)分的年均降幅均在3.8%以上，而農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料養(yǎng)分的年均降幅僅為0.94%。從兩者對總糞肥養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率來看，禽畜養(yǎng)殖氮、磷養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率將由2016的49.81%、78.48%逐年下降，至2025年分別達(dá)41.27%和72.36%。相反地，農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料氮、磷養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率逐年增加。在禽畜養(yǎng)殖所產(chǎn)生的總養(yǎng)分中，以豬養(yǎng)殖糞肥的貢獻(xiàn)率為最高，達(dá)62.53%～83.16%，其次是雞、鴨、鵝。

注：FenN, FenP表示禽畜養(yǎng)殖糞肥所產(chǎn)生的氮、磷養(yǎng)分；SHTN、SHTP表示農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料所產(chǎn)生的養(yǎng)分氮、磷養(yǎng)分。

Note: FenN and FenP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from livestock farming and rural domestic waste, respectively; SHTN and SHTP represent nitrogen and phosphorus nutrient derived from rural domestic manure, respectively.

圖7 禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化

Fig.7 Nutrients released from livestock farming and rural domestic waste

隨著豬飼養(yǎng)量和出欄量的逐年減少，所產(chǎn)生的糞肥資源及養(yǎng)分貢獻(xiàn)率均明顯下降，年均降幅為6.2%。相反地，2016年后雞、鴨、鵝養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞肥及養(yǎng)分隨著養(yǎng)殖數(shù)量的適度增加而呈現(xiàn)上升趨勢，年增加率約3.7%。研究中因羊的年末存欄量極少且假設(shè)維持在2016年的水平，每年所產(chǎn)生的養(yǎng)分僅為0.347 t。

3.2 作物養(yǎng)分需求量及變化

根據(jù)各類糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和果樹產(chǎn)量及單位產(chǎn)量所需的養(yǎng)分得出，2016年東莞農(nóng)作物、果樹養(yǎng)分的需求量分別為3.9063×103和0.4968×103t。隨著時(shí)間推移，農(nóng)作物、果樹養(yǎng)分的需求量將分別以年均0.7%和1.3%的速度增長，2025年兩者對養(yǎng)分的總需求量將分別達(dá)3.9857×103和0.6279×103t。在所有農(nóng)作物中，水稻生長對養(yǎng)分的需求量相對較高，占所有農(nóng)作物養(yǎng)分總需求的8.9%～10.7%，且隨時(shí)間的推移略有下降?；ㄉ鷮︷B(yǎng)分的需求量也將逐年減少，但蔬菜、薯類作物和大豆等對養(yǎng)分的需求量將增加（圖8）。

注：SC，SD和SG代表蔬菜、水稻和果樹這3類需要吸收較多養(yǎng)分的作物；DD，GZ，HS和SL代表大豆、甘蔗、花生和薯類這4類需要吸收較多養(yǎng)分的作物。

Note: SC, SD and SG represent three crop types (vegetable, rice, fruit) demanding relatively larger amounts of nutrient. DD, GZ, HS and SL represent four crop types (soybean, sugarcane, peanut, potato) demanding more amounts of nutrient.

圖8 農(nóng)作物和果樹生長所需的養(yǎng)分及動(dòng)態(tài)

Fig.8 Nutrients demanded by crops and fruit trees and their dynamics

3.3 糞肥養(yǎng)分替代化肥施用的情景分析

預(yù)計(jì)2016年后東莞農(nóng)作物和果樹養(yǎng)分的總需求量處于平穩(wěn)略升的態(tài)勢。至2025年，農(nóng)作物和果樹養(yǎng)分的總需求量為4.613 6×103t，比2016年增加了4.3%，其中氮、磷、鉀分別為1.739 1×103，0.664 5×103和2.210 4×103t，年均增長率約1.4%。如果秸稈全部還田，則2025年還田可提供的總養(yǎng)分為507 t，其中氮、磷、鉀分別為205，53.8和248.2 t，在此情況下農(nóng)作物養(yǎng)分的總需求量為4.394 0×103t，其中氮、磷、鉀分別為1.592 3×103、0.614 2×103和2.187 4×103t。秸稈不還田（S31）情景下農(nóng)作物養(yǎng)分的總需求量比秸稈全部還田高5.04%，達(dá)4.627 0×103t（表2）。

表2 2025年不同秸稈還田方式下糞肥替代與化肥補(bǔ)充的養(yǎng)分

注：模式1(Q1)和模式2(Q2)分別指根據(jù)歐盟有機(jī)肥氮素替代50%化肥氮的原則或若根據(jù)作物需磷量來估算農(nóng)作物糞肥養(yǎng)分供應(yīng)量這2種方式，下同。

Note: Q1 and Q2 represent two patterns of manure application for crops based on rules issued by the European Union. One is 50% nitrogen substitution for chemical nitrogen (Q1), the other is the estimation of crop phosphorus nutrient requirement, the same as below.

從東莞市作物糞肥養(yǎng)分供應(yīng)量的結(jié)果來看，2025年禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料養(yǎng)分可提供的總養(yǎng)分為5.1794×103t，其中氮、磷、鉀分別為3.274 3×103t，1.283 0×103t和0.622 1×103t?？紤]到有機(jī)廢棄物處理導(dǎo)致的養(yǎng)分損失，存儲(chǔ)發(fā)酵、沼氣處理和堆肥加工，3種情景下糞肥實(shí)際可提供的總養(yǎng)分依次為3.913 9×103、4.803 7×103和3.055 0×103t。若根據(jù)歐盟有機(jī)肥氮素替代50%化肥氮的原則來估算農(nóng)作物糞肥養(yǎng)分供應(yīng)量（Q1），預(yù)計(jì)糞肥存儲(chǔ)發(fā)酵、沼氣處理2種情景（即S1和S2）下，糞肥所提供的養(yǎng)分將出現(xiàn)不同程度的盈余，需要轉(zhuǎn)移出系統(tǒng)，其中S2情景下氮、磷、鉀養(yǎng)分超出量最多，4種秸稈處理方式下需要移出的養(yǎng)分比例分別為73.2%～74.1%，53.7%～60.0%，24.1%～33.5%，即氮、磷、鉀養(yǎng)分移出的比例以秸稈全部還田處理為最高，而秸稈不還田處理最低（圖9）。情景S3中糞肥經(jīng)堆肥加工養(yǎng)分損失較大，盡管氮、磷養(yǎng)分仍然超出作物需求量，但實(shí)際糞肥中的鉀素與理論計(jì)算得到的代替鉀素養(yǎng)分相比略顯不足，因而還需補(bǔ)充57.3～103.2 t的化肥（鉀肥）才能滿足作物需要，其中秸稈不還田處理（S31）需要補(bǔ)充的鉀肥量居高。

注：2025年禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活有機(jī)廢棄物肥料養(yǎng)分可提供的總養(yǎng)分為5.179 4×103t。在存儲(chǔ)發(fā)酵、沼氣處理和堆肥加工3種情景下，糞肥實(shí)際可提供的總養(yǎng)分依次為3.913 9×103、4.803 7×103和3.055 0×103t。

Note: Total available nutrient of crop residue retention, livestock farming and rural domestic waste was 5.1794×103t in 2025. Under scenarios of three typical manure management methods (stockpiling, biogas production and composting), the actual available nutrient elements were estimated to 3.913 9×103, 4.803 7×103and 3.055 0×103t, respectively.

圖9 2025年需要外運(yùn)的糞肥養(yǎng)分

Fig.9 Outer transported nutrients in manure resources in 2025

若根據(jù)作物需磷量來決定糞肥施用量（Q2），則沼氣處理情景（S2）需要向外轉(zhuǎn)移出糞肥，其中氮素的轉(zhuǎn)移比例約66.7%，磷、鉀養(yǎng)分移出的比例分別為39.8%～42.2%和0.8%～3.2%。養(yǎng)分元素的移出量均以秸稈全部還田處理為最高。在糞肥存儲(chǔ)發(fā)酵情景下（S1），氮、磷養(yǎng)分有余而鉀素不足，故需分別向外轉(zhuǎn)移44.5%～46.0%和32.7%～35.3%的氮、磷養(yǎng)分，同時(shí)補(bǔ)充9.0%～12.2%的鉀肥進(jìn)入系統(tǒng)。在堆肥加工（S3）處理中，僅氮養(yǎng)分有余而磷、鉀素均欠缺，故需移出37.9%左右的氮素，并補(bǔ)充0.5%～1.7%、33.7%～37.2%的磷肥和鉀肥才能滿足作物生長的需要。在需要補(bǔ)充化肥（磷肥、鉀肥）的2種情景中，以秸稈不還田，用于焚燒的秸稈比例為73.72%（S31）時(shí)所需要補(bǔ)充的化肥量為最高。

4 討 論

1978年至今，東莞畜禽養(yǎng)殖所經(jīng)過了近20 a的增長，在1996－2005年養(yǎng)殖數(shù)量及所產(chǎn)生的糞肥均達(dá)到了頂峰，糞肥提供的總養(yǎng)分在1.0萬～2.0萬 t，對人畜糞肥總養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率達(dá)73%～84%，已超過了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)耕地需要吸納的畜禽養(yǎng)分資源總量，成為轉(zhuǎn)運(yùn)或輸出糞肥養(yǎng)分的主體。2005年后當(dāng)?shù)卣畬θ懈麈?zhèn)的畜禽養(yǎng)殖場進(jìn)行了全面整治，明確劃定了全市畜禽養(yǎng)殖的禁養(yǎng)區(qū)和限養(yǎng)區(qū)，畜禽存欄量大幅度減少，所產(chǎn)生的糞肥量也隨之下降。模型預(yù)測顯示，畜禽養(yǎng)殖對糞肥總養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率將持續(xù)下降，但在同期耕地、果園面積逐漸減少的情況下，不論以哪種原則決定糞肥施用量或采用何種糞肥處理方式，均需將一定數(shù)量的氮養(yǎng)分移出，才能解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤氮素負(fù)荷過量問題。

總體來看，隨著東莞對畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境監(jiān)管工作的不斷推進(jìn)，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和規(guī)模已明顯減少，單位耕地和果園面積N和P2O5的載荷遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家限量標(biāo)準(zhǔn)和廣東省平均水平，說明畜禽養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的污染得到有效遏制。在此基礎(chǔ)上，如何減少秸稈養(yǎng)分損失，合理利用糞肥養(yǎng)分資源替代化肥，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。因地制宜，畜-禽-果-菜-魚相結(jié)合，提高秸稈養(yǎng)分循環(huán)利用比例，加強(qiáng)有機(jī)糞肥養(yǎng)分資源管理，不斷提高糞肥養(yǎng)分利用效率，控制糞肥在綜合利用過程中的養(yǎng)分缺失，才能有效緩解土地缺乏導(dǎo)致高的農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分載荷較高等問題，推動(dòng)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本研究采用的是統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)和公開發(fā)表文獻(xiàn)中的有關(guān)秸稈系數(shù)、秸稈養(yǎng)分含量參數(shù)、畜禽糞便排泄系數(shù)、作物養(yǎng)分吸收系數(shù)等來估算秸稈量、畜禽糞便資源量等及其養(yǎng)分含量等，實(shí)際中由于品種、生長地區(qū)、氣候、管理方式、廢棄物利用率等不同，這些系數(shù)在不同的報(bào)道或文獻(xiàn)中并不統(tǒng)一[29]。例如畜禽糞便的日排泄量與品種、體質(zhì)量、生理狀態(tài)、飼料組成和飼喂方式等均相關(guān)，中國目前尚沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)[9]，在估算時(shí)對排泄系數(shù)選取上差別很大，從而導(dǎo)致研究結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。此外，研究基于養(yǎng)分平衡法估算耕地和果園養(yǎng)分盈虧情況時(shí)，并未考慮大氣降水及灌概水養(yǎng)分輸入量、種子帶入的養(yǎng)分及其他如生物固氮、干濕沉降等因素的影響。因數(shù)據(jù)獲取所限，也未能將土壤淋溶、侵蝕、有機(jī)氮礦化和植物體蒸散損失的氮等計(jì)入。在糞肥處理方式上，僅考慮了3種常見的情景。實(shí)際上當(dāng)前已涌現(xiàn)了多種技術(shù)成熟的糞肥資源化利用方式，如水糞混合做能源回收，糞肥的動(dòng)物蛋白轉(zhuǎn)化利用等[30]。在處理和施用糞肥的時(shí)候，一些國家（如丹麥）還考慮了不同來源糞肥的特性以及不同作物對氮、磷、鉀的需求量等細(xì)節(jié)性措施[31]。因此，后續(xù)研究應(yīng)針對參數(shù)選擇及結(jié)果進(jìn)行不確定性分析，并結(jié)合實(shí)地觀測、農(nóng)戶調(diào)研等獲取數(shù)據(jù)資料，從而使研究結(jié)果更具科學(xué)性和指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合，將秸稈替代部分飼草，糞便通過還田替代部分化肥，是減少農(nóng)業(yè)面源污染、踐行綠色發(fā)展理念的重要舉措。研究以地處珠三角水網(wǎng)區(qū)腹地的東莞為例，構(gòu)建人口－種植業(yè)－畜禽養(yǎng)殖業(yè)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從耕地氮、磷承載力的角度，分析區(qū)域糞肥的產(chǎn)生量及養(yǎng)分資源的動(dòng)態(tài)變化，探究農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生活廢棄物資源化利用和養(yǎng)分有效管理的途徑。研究表明，東莞農(nóng)業(yè)農(nóng)村有豐富的有機(jī)廢棄物資源。2016年作物秸稈資源量、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物分別為4.08×104，1 912.16×104t豬糞當(dāng)量（以N計(jì)）和6.20×104t。這些廢棄物資源中蘊(yùn)含的潛在養(yǎng)分達(dá)0.702 4×104t，并以逐年3.4%的幅度減少。若根據(jù)有機(jī)肥氮素替代50%化肥氮的原則來估算有機(jī)廢棄物養(yǎng)分供應(yīng)量，則氮、磷、鉀養(yǎng)分均超出當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和果樹生長所需，需要外運(yùn)糞肥以降低對環(huán)境的影響。在秸稈全部還田的情景下，最高有約84.7%的人畜糞肥（氮素）需要外運(yùn)。隨著時(shí)間的推移，需要外運(yùn)的糞肥數(shù)量趨于減少。需要注意的是，對于經(jīng)堆肥加工處理的糞肥，在控制畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活產(chǎn)生糞肥的氮、磷養(yǎng)分的同時(shí)，還需按照作物需鉀量補(bǔ)充適量的鉀肥，在秸稈不還田的情況下，需要補(bǔ)充的鉀素最多。

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Potential of partial substitution of chemical fertilizer by organic manures in Dongguan based on system dynamics

Qin Zhong1,2,3, Long Shaoqiu1,2,3, Wang Lu1,2,3※, Zhang Chunxia1, Yuan Lan1,2,3

(1.510642,; 2.,,510642,; 3.510642,)

Strategies for managing livestock manures and slurries in a sustainable manner have become an import issue with the rapid development in livestock and poultry industry in China. The manure production and utilization, usually involves the farming population, livestock and poultry breeding and crop cultivation, can achieve planting-breeding balance and reduce emissions of nutrients and pollutants to the environment. Understanding the process of manure nutrients in this comprehensive system can be helpful to strategies for the efficient recycling of manures. We develop a STELLA (Structural Thinking, Experiential Learning Laboratory with Animation) model for predicting the manure productions in agricultural and rural livelihoods and the changes in arable land bearing capacity for manure resources,and estimating the balance betweenlocal manure nutrients supply and fertilizer demand under different scenarios of crop straw returning to field and manure processing methods. The study aimed toprovide scientific information for optimize planting and breeding structure, achieve the sustainable recycling of manures, and promote the formulation of relevant policies. The model was applied to Dongguan in Pearl River Delta, an ideal candidate for investigating regional dynamics of manure nutrients with the adjustment of stock breeding industry and continuing reduced livestock and poultry breeding in recent years. The dynamics of manure nutrients included in the model were: 1) The loading capacity of agricultural land soil for nitrogen and phosphorus nutrients according to limitations on nitrogen and phosphorus application issued by the European Union; 2) The estimated amount of crop straw and its nutrient content. The crop straw nitrogen (N), phosphorus (P2O5) and potassium (K2O) nutrients returned to field were also quantified separately under three returning proportions; 3) The amount of livestock manure estimated by the excretive coefficient method. Manures produced from different livestock species were converted into pig equivalent. Manure nutrients were calculated under three manure processing methods; 4) Nutrients derived from rural domestic manures; 5)The average values of arable land loading of nitrogen and phosphorus nutrients. The model was calibrated using the statistical data during 1979－2017 and then used for the future prediction. The results showed that nutrients demand of crops and fruit trees in 2025 was 4.613 6×103t, while nutrients supplied by crop residue retention, livestock farming and rural domestic wastes were 430.64 and 4.5143×103t, respectively. Under scenarios of three typical manure management methods (stockpiling, biogas production and composting), the actual available nutrient elements were estimated to 3.913 9×103, 4.803 7×103and 3.055 0×103t , respectively. According to the rule of organic fertilizer N substituting 50% of chemical fertilizer N, the amount of N, P, K contained in organic wastes has exceeded the requirements of crop and fruit trees and should be transported out to reduce the risk of environmental pollution. Under the scenario of all straw returned to field, up to 87% of livestock manures should be exported out. Moreover, the additional K needed to be supplied with chemical fertilizers to meet the needs of crops and fruit trees under the compost processing scenario. The prediction posed a caution that the livestock farms and farmers in Dongguan shouldensure the amount of manure nutrients supplied by crop residue retention, livestock farming and rural domestic not to exceed the demand of crops and fruit trees.

nutrients; manures; fertilizers; system dynamics; scenario analysis; Dongguan

2018-12-17

2019-05-15

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B020206002）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2018YFD1100103）、國土資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SCAUGIS-OF2014-01）

秦 鐘，博士，副教授。主要的研究領(lǐng)域?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)分析與模擬。Email：q_breeze@scau.edu.cn

王 璐，博士，副教授。主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)分析與模擬。Email：selinapple@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.026

S11+7

A

1002-6819(2019)-11-0223-10

秦 鐘，隆少秋，王 璐，張春霞，袁 蘭. 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的東莞有機(jī)廢棄物替代化肥潛力研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：223－232. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.026 http://www.tcsae.org

Qin Zhong, Long Shaoqiu, Wang Lu, Zhang Chunxia, Yuan Lan. Potential of partial substitution ochemical fertilizer by organic manures in Dongguan based on system dynamics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 223－232. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.026 http://www.tcsae.org