鄒晨昕, 趙冬萍, 徐新悅, 王文超, 楊文慧, 劉麗麗, 李建國

基于氮平衡的鹽城市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分析

鄒晨昕, 趙冬萍, 徐新悅, 王文超, 楊文慧, 劉麗麗*, 李建國*

江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院, 徐州 221116

濱海地區(qū)為海陸交互地帶, 具有明顯的過渡性與環(huán)境的脆弱性。江蘇省濱海是江蘇省畜禽養(yǎng)殖最為集中的區(qū)域, 其巨大的環(huán)境風(fēng)險給區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。種養(yǎng)平衡是約束區(qū)域養(yǎng)殖規(guī)模, 緩解其環(huán)境風(fēng)險的主要策略之一?，F(xiàn)以鹽城市為例, 借助Truog的養(yǎng)分平衡法, 以種養(yǎng)平衡為前提, 結(jié)合政府統(tǒng)計資料和實地調(diào)研踏勘與采樣數(shù)據(jù)分析鹽城市種植業(yè)生產(chǎn)農(nóng)作物氮養(yǎng)分年消耗總量和耕地土壤氮養(yǎng)分供給量, 對鹽城市亭湖區(qū)和鹽都區(qū)各鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進行分析, 結(jié)果表明: (1)研究區(qū)土壤氮養(yǎng)分含量較為緊缺, 農(nóng)作物氮需求總量為1.44×104t, 土壤氮養(yǎng)分供給量僅為0.97×104t; (2)研究區(qū)合理承載規(guī)模為7.20×104頭豬當量, 基于氮的畜禽環(huán)境承載力均值為氮5.77頭豬當量·hm-2, 在區(qū)域內(nèi)處于較低水平, 承載潛力較大, 并未對環(huán)境造成威脅, 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖發(fā)展存在顯著差異; (3)畜禽養(yǎng)殖空間分布錯位, 局部地區(qū)污染嚴重。當前研究區(qū)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模總體較為合理, 研究結(jié)果可為濱海地區(qū)畜禽養(yǎng)殖的種養(yǎng)結(jié)合、畜禽產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化提供支持。

濱海地區(qū); 種養(yǎng)平衡; 畜禽養(yǎng)殖; 承載力

0 前言

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展帶來了日益嚴重的污染問題?！兜谝淮稳珖廴驹雌詹楣珗蟆凤@示, 農(nóng)業(yè)源已成為中國污染物的主要來源[1]; 2013年環(huán)境統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)顯示, 農(nóng)業(yè)源COD排放量占我國廢水排放總量的43.7%, 其中95.8%的排放量來源于養(yǎng)殖業(yè)。濱海地區(qū)土地資源豐富, 成本低廉, 是江蘇畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主要集中區(qū)。畜禽產(chǎn)品的巨大需求所帶來的利潤使大量江蘇濱海地區(qū)農(nóng)戶投入到畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展當中。禽畜養(yǎng)殖已經(jīng)成為當?shù)匾徊糠洲r(nóng)戶生計的主要來源。2015年鹽城市畜牧業(yè)總產(chǎn)值298億元, 占全市農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的28%。但養(yǎng)殖戶畜禽養(yǎng)殖空間分布分散、畜禽排泄物處理不合理, 大量的畜禽糞尿不經(jīng)處理就被排放到環(huán)境中, 全國90%以上的規(guī)?；B(yǎng)殖場沒有經(jīng)過環(huán)境影響評價, 90%的規(guī)?；B(yǎng)殖場缺乏必要的污染治理設(shè)施[2]。種養(yǎng)結(jié)合是國內(nèi)外解決畜禽養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境問題的主要思路。美國重視畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染問題, 從種養(yǎng)計劃安排到生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)都有法可依, 種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)能進行合理結(jié)合[3]; 丹麥和比利時主要采用糞水－發(fā)酵－還田、糞水－沼氣發(fā)電－沼液還田、糞水－固液分離－有機肥和電極分解－還田等模式實現(xiàn)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)之間的良性循環(huán)[4]; 加拿大對養(yǎng)殖業(yè)治污是以當?shù)匦笄菁S便的土地消化利用為主, 并會規(guī)定該地區(qū)具體的畜禽糞便使用方法、使用量、使用次數(shù)和使用時期[5]。

中國不同于國外廣泛存在的種養(yǎng)一體的大農(nóng)場, 家庭作坊式的養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展方式受到很大的局限。畜禽糞便除作為有機肥投入使用外, 很難有其他用途。在已有的調(diào)研中發(fā)現(xiàn), 畜禽糞便所生產(chǎn)的有機肥在與化肥的競爭中, 因其水分高、肥效低、氣味難聞、使用不便、易造成二次污染而劣勢明顯, 推廣難度很大。沈其榮等的研究表明, 在1960年、1980年、2000年、2010年我國有機肥施用量分別占總施肥量的80%、60%、30%、10%, 呈大幅遞減趨勢[6]。同時, 農(nóng)戶普遍受“施肥越多, 產(chǎn)量越高”等觀念的影響, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更偏向于大量施用化肥。在我國, 畜禽糞便的主要處理途徑是經(jīng)發(fā)酵腐熟后還田用作有機肥料, 農(nóng)田是畜禽糞便的主要消納場所[7]。而不合理的畜禽糞便農(nóng)田施用使得農(nóng)業(yè)污染成為我國環(huán)境污染的第一大污染源。隨著我國2020年達到化肥使用量零增長目標的制定, 畜禽養(yǎng)殖糞便的資源化利用終將成為未來中國農(nóng)業(yè)主流趨勢。因此, 將養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)相結(jié)合進行畜禽養(yǎng)殖合理規(guī)模測算是控制區(qū)域畜禽養(yǎng)殖污染、加速畜禽糞便資源化的基礎(chǔ)工作[8]。

對于畜禽養(yǎng)殖承載規(guī)模, 國外多根據(jù)農(nóng)田養(yǎng)分平衡理論, 采用逐級測算方法來制定有關(guān)規(guī)章制度進行限制[9], 國內(nèi)則還未形成系統(tǒng)的規(guī)劃。眾多學(xué)者對這一熱點問題也開展了一定的研究。如, 許翼等運用系統(tǒng)分析方法中灰色預(yù)測模型, 對沈陽市自然狀態(tài)下和處理部分糞污情況下的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載能力進行了分析和預(yù)測, 對市域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖達到警戒限的年限進行了測算[10]; 李帷等基于GIS等空間分析方法進行北京市空間畜禽糞便分布與耕地空間可達性分析, 對北京市畜禽養(yǎng)殖業(yè)空間布局進行安排, 能有效降低市域內(nèi)畜禽糞便耕地承載壓力[11]; 陳天寶等設(shè)計建立農(nóng)區(qū)耕地畜禽承載能力評估數(shù)學(xué)模型(N-LSCM)對四川農(nóng)區(qū)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模進行分析, 評估出畜禽發(fā)展?jié)摿? 評價結(jié)果較為真實地反映四川農(nóng)區(qū)的客觀實際[12]。這些研究主要是基于省級等大中尺度的研究, 能在宏觀尺度上反映我國各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的大致狀況。但農(nóng)用地對禽畜糞便的消納能力除受耕地本身影響外, 還受當?shù)剞r(nóng)戶行為偏好、耕地區(qū)位與種植結(jié)構(gòu)等微觀自然或人文因素的制約。因此, 在微觀尺度上對畜禽養(yǎng)殖業(yè)承載能力進行研究更具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義[13]。研究表明, 畜禽廢棄物的轉(zhuǎn)運距離不宜超過10 km[14]。因此, 對區(qū)域小尺度的種養(yǎng)平衡進行研究能更好地反映區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模風(fēng)險, 也能在大尺度上配合政策的落實。微觀尺度在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上具有較為明顯的空間異質(zhì)性, 制約著畜禽糞便承載力研究的實踐指導(dǎo)意義, 是阻礙畜禽養(yǎng)殖業(yè)科學(xué)發(fā)展的“最后1公里”。因此, 以區(qū)(縣)、鎮(zhèn)(鄉(xiāng))層面的實證研究對區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有更好參考價值。同時, 大量的研究主要集中于我國的傳統(tǒng)農(nóng)區(qū), 對于濱海灘涂地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展關(guān)注明顯不足。濱海地區(qū)處于海陸交互區(qū)域, 與傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)相比具有更多的污染物擴散通道和更大的環(huán)境風(fēng)險。同時, 這一區(qū)域土壤質(zhì)量低下, 借助種養(yǎng)結(jié)合模式可以較好地解決畜禽養(yǎng)殖與糧食生產(chǎn)的問題。本文選擇養(yǎng)殖業(yè)較為集中的鹽城地區(qū), 以江蘇省鹽城市為實證調(diào)研對象, 開展以種養(yǎng)結(jié)合為目標的畜禽養(yǎng)殖業(yè)承載力與合理規(guī)模測算研究。借鑒Truog的養(yǎng)分平衡法, 結(jié)合相關(guān)調(diào)研和統(tǒng)計數(shù)據(jù), 對鹽城主要區(qū)、鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力與合理規(guī)模進行測算, 可為濱海地區(qū)合理畜禽養(yǎng)殖業(yè)的空間布局、降低畜禽養(yǎng)殖帶來的環(huán)境污染、實現(xiàn)濱海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鹽城市位于東經(jīng)119.57°—120.45°, 北緯32.34°—34.28°, 居于中國東部、江蘇省中北部, 瀕臨黃海。作為江蘇省土地面積最大、海岸線最長的地級市, 全市總面積16972 km2, 灘涂資源豐富, 是典型的淤泥質(zhì)海岸。沿海灘涂面積45.53×104hm2, 占全省沿海灘涂面積的70%, 沿海灘涂耕地后備資源面積占全市灘涂總面積的44%。在氣候上, 屬于北亞熱帶氣候向南暖溫帶氣候過渡的地帶, 四季分明, 季風(fēng)盛行, 雨熱同季, 光照充足, 降水充沛, 年降水量為785.2—1309.5 mm, 年平均氣溫為13.7—14.5℃, 全年光照平均時長約為2280 h。本次調(diào)研地主要為鹽城中東部地區(qū)的亭湖區(qū)和鹽都區(qū), 均屬鹽城主城區(qū)。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)是當?shù)剞r(nóng)戶收入的主要來源之一。2015年, 亭湖區(qū)和鹽都區(qū)城鎮(zhèn)人口分別占全市總城鎮(zhèn)人口的16.76%、9.45%, 肉類總產(chǎn)量分別占全市的5.95%、7.19%, 農(nóng)作物播種面積分別占全市的4.09%、7.13%, 其中糧食產(chǎn)量各占亭湖區(qū)、鹽都區(qū)農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的38.14%、70.99%。在作物種植上, 當?shù)剞r(nóng)戶主要以大小麥和油菜為主。因土壤和水源等問題, 研究區(qū)圍墾初期不種植水稻。但隨著土地質(zhì)量達到大面積種植的要求以及土地流轉(zhuǎn)政策的推行, 經(jīng)調(diào)查有很多承包商選擇在圍墾區(qū)承包大面積的土地進行水稻種植, 種植面積非常龐大, 也帶動了當?shù)厣艮r(nóng)戶進行了種植水稻的生產(chǎn)活動,致使研究區(qū)土地在周而復(fù)始的干濕交替活動中, 土壤性質(zhì)愈加趨近于水稻土和潮土。農(nóng)戶畜禽養(yǎng)殖主要以雞、豬養(yǎng)殖為主。鹽都區(qū)畜禽養(yǎng)殖主要集中在東部, 多為團狀分布; 亭湖區(qū)畜禽養(yǎng)殖則偏重于北部, 條帶狀分布為多, 以養(yǎng)雞為主。根據(jù)每年畜禽排泄的糞便(包括糞尿)中的氮產(chǎn)生量, 將其他畜禽折算成豬當量, 進而估算各地區(qū)畜禽的環(huán)境承載力。研究區(qū)禽類基于氮的折算系數(shù)是62.64只禽類相當于1頭豬, 基于磷的折算系數(shù)是42.5只禽類相當于1頭豬。

圖1 研究區(qū)行政區(qū)劃及養(yǎng)殖點分布

Figure 1 Distribution of administrative divisions and farms in the study area

本研究以研究區(qū)農(nóng)戶耕地作為畜禽糞便消納地。畜禽糞便經(jīng)科學(xué)處理得到的有機肥富含豐富的養(yǎng)分, 而土壤在進行作物生產(chǎn)時, 由化肥或有機肥補充除土壤地力之外作物所需的養(yǎng)分是必要的, 故由耕地土壤消納是最為經(jīng)濟可行的手段。調(diào)查研究中農(nóng)戶種植農(nóng)作物的耕地和畜禽養(yǎng)殖的圈養(yǎng)地基本處于同一區(qū)域或為相鄰區(qū)域, 將畜禽產(chǎn)生的糞便在耕地就近消納也是處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物的有效方式(黃海街道辦事處經(jīng)調(diào)查無農(nóng)用耕地, 所以下文對該處不予考慮)。

1.2 研究方法

本研究參照Truog提出的養(yǎng)分平衡法, 以研究區(qū)種養(yǎng)平衡為前提, 即耕地農(nóng)作物生長以施用有機肥(畜禽糞便)來補充除土壤地力之外作物所需的養(yǎng)分。主要的思路是利用轉(zhuǎn)換系數(shù), 根據(jù)研究區(qū)主要農(nóng)作物的產(chǎn)量估算氮元素的需求總量(公式1); 根據(jù)地區(qū)土壤地球化學(xué)調(diào)查樣點數(shù)據(jù)(圖2c), 利用矯正系數(shù)獲得區(qū)域土壤養(yǎng)分供給總量(地力)(公式2-3), 進而獲取區(qū)域土壤養(yǎng)分需求總量(公式4)。利用畜禽排污系數(shù)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化系數(shù)將不同畜禽養(yǎng)殖類型轉(zhuǎn)換頭豬當量和養(yǎng)分物質(zhì)釋放量。借助公式4測算區(qū)域的頭豬承載當量。

研究區(qū)域種植業(yè)生產(chǎn)農(nóng)作物氮養(yǎng)分年消耗總量計算公式如下:

式中:Y為2015年研究區(qū)域類農(nóng)產(chǎn)品年產(chǎn)量,表示農(nóng)作物種類,=1, 2, 3……n;m為第類農(nóng)產(chǎn)品100 kg產(chǎn)量所需的氮養(yǎng)分量。

研究區(qū)域耕地土壤氮養(yǎng)分供給量計算公式如下:

式中:為研究區(qū)域耕地土壤有效氮測定值; 2.25為土壤養(yǎng)分換算系數(shù), 是將研究區(qū)域耕地的有效氮的測定值()換算成每公頃耕地的土壤的有效氮養(yǎng)分含量;為土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù), 通過測定土壤有效氮養(yǎng)分含量來計算農(nóng)作物施肥量, 是對作物實際吸收的土壤的有效養(yǎng)分進行校正。土壤有效氮數(shù)據(jù)來自于當?shù)氐厍蚧瘜W(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)庫。土壤有效氮校正系數(shù)Y可依據(jù)土壤有效氮測定值X計算。計算公式借助曹連福等[16]對 “3414”試驗數(shù)據(jù)[17]進行Excel數(shù)據(jù)分析得到土壤有效養(yǎng)分與校正系數(shù)之間的回歸方程式:

畜禽養(yǎng)殖承載力的計算公式如下:

式中:為每頭豬年排泄糞便(包括糞尿)中的總氮含量。參照《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策》, 確定豬糞便的氮排放量為4.51 kg·a-1。M為研究區(qū)域內(nèi)用于消納畜禽糞便的農(nóng)用地面積(本研究中實為耕地面積)。

表1 主要農(nóng)作物形成100 kg經(jīng)濟產(chǎn)量所需的氮養(yǎng)分量

數(shù)據(jù)來源: 肥料實用手冊高祥照等編著[15]

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽養(yǎng)殖規(guī)模

根據(jù)調(diào)查的結(jié)果, 研究區(qū)養(yǎng)殖調(diào)查點中農(nóng)戶畜禽養(yǎng)殖多以個體散養(yǎng)為主, 散養(yǎng)比率達67.70%; 畜禽種類主要以雞、豬養(yǎng)殖為主, 共養(yǎng)殖雞3750960只、豬52157頭。雞的品種最為豐富, 包括羅曼雞、海蘭雞、三黃雞、北農(nóng)大雞等, 其中蛋雞有1965350只、肉雞有1785610只, 以蛋雞養(yǎng)殖為主。從整體上看, 鹽都區(qū)畜禽養(yǎng)殖以生豬為主, 調(diào)查生豬頭數(shù)占總調(diào)查生豬頭數(shù)的87.68%, 空間上主要集中在東部, 多為團狀聚集分布; 亭湖區(qū)畜禽養(yǎng)殖空間分布偏重于北部, 條帶狀分布為主, 農(nóng)戶側(cè)重于養(yǎng)雞, 雞只數(shù)占總養(yǎng)殖調(diào)查總數(shù)的51.87%。依據(jù)《2017年畜禽養(yǎng)殖標準化示范創(chuàng)建活動工作方案》, 研究區(qū)生豬養(yǎng)殖均達不到規(guī)?；瘶藴? 蛋雞養(yǎng)殖規(guī)?；蕿?.47, 肉雞養(yǎng)殖規(guī)?；蕿?.40。研究區(qū)的禁養(yǎng)區(qū)主要集中在通榆河等河流的一級水源保護區(qū)內(nèi), 在《江蘇省通榆河水污染防治條例》實施后, 禁養(yǎng)區(qū)仍存在39家規(guī)模養(yǎng)殖場。在中央環(huán)境保護督查組和省市環(huán)保部門的督察下, 截至2017年6月, 鹽城市已全部完成2016年度禁養(yǎng)區(qū)關(guān)閉搬遷任務(wù)。

2.2 農(nóng)作物氮養(yǎng)分消耗總量

由于地處亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶, 鹽城市可耕種農(nóng)作物種類繁多。由于缺乏具體的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù), 根據(jù)2015年鹽都區(qū)和亭湖區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的種植業(yè)農(nóng)作物總產(chǎn)量, 排除小面積范圍內(nèi)的各項干擾因素, 核算2015年不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)各類農(nóng)作物生長所需要消耗的氮養(yǎng)分總量。亭湖區(qū)和鹽都區(qū)種植業(yè)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)消耗總氮分別為5472.97 t和8961.37 t, 鹽都區(qū)氮的消耗總量明顯高于亭湖區(qū)。整體上, 研究區(qū)農(nóng)作物種植主要以小麥為主, 其次是油菜和大麥, 這三類農(nóng)作物氮消耗總量也占比較高。其中, 小麥的氮消耗量是8231.58 t, 占各類農(nóng)作物氮消耗總量的57.03%, 遠遠大于油菜籽、大麥的氮消耗量占比, 而其余農(nóng)作物氮消耗量均不超過總量的10%。除小麥、油菜、大麥這三種主要作物外, 稻谷產(chǎn)量也較高, 達到18770 t; 僅次于稻谷氮消耗的是玉米, 產(chǎn)量為16731 t。鹽都區(qū)內(nèi), 小麥的氮消耗量遠超于其他農(nóng)作物的氮消耗量, 占該區(qū)年消耗氮總量的72.06%; 相較于鹽都區(qū)農(nóng)作物氮消耗的不平衡, 亭湖區(qū)農(nóng)作物氮消耗主要以小麥、大麥、油菜為主, 小麥、大麥、油菜的氮消耗量分別占亭湖區(qū)氮消耗總量的32.41%、20.45%和18.72%?？臻g分布上, 研究區(qū)氮消耗量分布分散, 主要集中在大岡鎮(zhèn)、秦南鎮(zhèn)、龍岡鎮(zhèn)、鹽東鎮(zhèn)、步鳳鎮(zhèn)這五個鎮(zhèn), 中部和西南部地區(qū)氮養(yǎng)分消耗量最少(圖2a)。

農(nóng)戶種植的作物類型雖會因市場變化而做調(diào)整, 但大體仍以小麥、油菜、大麥這三種作物為主。這與鹽城灘涂圍墾, 墾區(qū)土壤質(zhì)量在達到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)水平后, 主要以小麥等大宗農(nóng)作物為主的耕作模式密不可分。圍墾活動下沿海灘涂土壤在圍墾后30年左右趨于穩(wěn)定[18], 研究區(qū)灘涂圍墾較早, 至今約80年, 符合大面積種植的要求。且市場對大小麥和油菜有需求, 當?shù)剞r(nóng)戶出于經(jīng)濟考慮也多選種這三類作物。而鹽都區(qū)農(nóng)作物種植量遠大于亭湖區(qū)農(nóng)作物種植總量, 所以消耗的氮養(yǎng)分含量也明顯高于亭湖區(qū)。

2.3 土壤供肥能力

土壤氮養(yǎng)分供肥總量在耕地面積和土壤氮養(yǎng)分年供給能力的影響下, 土壤氮養(yǎng)分年供給總量最多的鎮(zhèn)是鹽都區(qū)的大岡鎮(zhèn), 為797.31 t; 氮養(yǎng)分年供給總量最少的鎮(zhèn)是亭湖區(qū)的毓龍街道辦事處, 為0.02 t。亭湖區(qū)和鹽都區(qū)的土壤氮養(yǎng)分供給量分別為4428.76 t、5225.07 t, 兩個區(qū)的土壤氮養(yǎng)分供給量相差不大, 這與兩個區(qū)的耕地面積大小、土壤氮養(yǎng)分年供給能力有關(guān)。鹽都區(qū)內(nèi)各鎮(zhèn)土壤氮養(yǎng)分供給量多集中于200—300 t, 土壤供肥能力最大的鎮(zhèn)是大岡鎮(zhèn), 土壤氮養(yǎng)分供給量是797.31 t, 是土壤供肥能力最小鎮(zhèn)大縱湖鎮(zhèn)的3.64倍; 亭湖區(qū)各鎮(zhèn)土壤氮養(yǎng)分供給能力差異較大, 其中, 鹽東鎮(zhèn)土壤氮養(yǎng)分供給能力最大, 氮養(yǎng)分供肥量為716.04 t; 毓龍街道辦事處土壤氮養(yǎng)分供給量最小, 僅占亭湖區(qū)各鎮(zhèn)土壤氮養(yǎng)分供給量均值的0.007%?？臻g分布上, 研究區(qū)土壤氮養(yǎng)分供肥能力中部地區(qū)較弱, 與中部各街道耕作面積較少有關(guān), 供肥能力較強的主要是大岡鎮(zhèn)、鹽東鎮(zhèn)、秦南鎮(zhèn)、步鳳鎮(zhèn)、龍岡鎮(zhèn)、青墩鎮(zhèn)這六個鎮(zhèn), 其余地區(qū)土壤供氮能力差距不大, 較為均衡(圖2b)。

2.4 各區(qū)鎮(zhèn)農(nóng)用地畜禽承載力

通過農(nóng)作物養(yǎng)分消耗總量和土壤供肥能力, 可以分別計算出鹽城市亭湖區(qū)和鹽都區(qū)各鎮(zhèn)的畜禽環(huán)境承載力(圖3)。其中, 基于氮養(yǎng)分的畜禽環(huán)境承載力可以劃分為3個層次。第一層是基于氮的承載力位于10頭豬當量·hm-2及以上的城鎮(zhèn), 包括鹽都區(qū)的尚莊鎮(zhèn)、大岡鎮(zhèn)、葛武鎮(zhèn)、北蔣鎮(zhèn)、秦南鎮(zhèn)、樓王鎮(zhèn)、郭猛鎮(zhèn)、學(xué)富鎮(zhèn)、新都街道、潘黃鎮(zhèn)。其中, 潘黃鎮(zhèn)基于氮的畜禽環(huán)境承載力最大, 為11.81頭豬當量·hm-2。第二層包括鹽都區(qū)的大縱湖鎮(zhèn)、義豐鎮(zhèn)、北龍港鎮(zhèn)和龍岡鎮(zhèn), 承載力范圍在5—10頭豬當量·hm-2。第三層是承載力位于5頭豬當量·hm-2以下的城鎮(zhèn), 而亭湖區(qū)的所有城鎮(zhèn)承載力普遍偏低, 故均屬第三層。其中, 新洋街道辦事處基于氮的畜禽環(huán)境承載力最小, 為0.016頭豬當量·hm-2。亭湖區(qū)和鹽都區(qū)各鎮(zhèn)基于氮的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分別為0.016—4.01頭豬當量·hm-2和9.03—11.81頭豬當量·hm-2, 兩區(qū)基于氮的畜禽環(huán)境承載力差異顯著。因為兩個區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素的不同, 鹽都區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展明顯優(yōu)于亭湖區(qū)?？傮w上看, 鹽都區(qū)各鎮(zhèn)畜禽環(huán)境承載力的平均值為10.5頭豬當量·hm-2, 發(fā)展平穩(wěn)、差距不大, 畜禽承載力最大值的鎮(zhèn)(潘黃鎮(zhèn))與最小值的鎮(zhèn)(大縱湖鎮(zhèn))間僅是每公頃2頭豬的差距; 亭湖區(qū)各區(qū)鎮(zhèn)畜禽環(huán)境承載力的平均值為2.1頭豬當量·hm-2, 遠小于鹽都區(qū)的環(huán)境承載力均值, 且各鎮(zhèn)數(shù)值落差較大, 畜禽承載力最大的鎮(zhèn)是黃尖鎮(zhèn)(4頭豬當量·hm-2), 值最小的鎮(zhèn)是新洋街道辦事處, 僅占黃尖鎮(zhèn)畜禽承載力的0.4%。武蘭芳等[13]基于養(yǎng)分平衡理論, 以氮素為基準, 測算山東禹城耕地的畜禽環(huán)境承載力為13.8頭豬當量·hm-2, 而湖南桃源的畜禽承載力為14.6頭豬當量·hm-2[13], 可以看出本研究區(qū)基于氮的畜禽環(huán)境承載力處于較低的水平(5.77頭豬當量·hm-2)。

根據(jù)基于氮養(yǎng)分的畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力和各區(qū)鎮(zhèn)的耕地面積, 計算出各區(qū)鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖合理規(guī)模, 即該鎮(zhèn)適宜養(yǎng)殖畜禽的數(shù)量。研究區(qū)整體的合理規(guī)模為72037頭豬當量, 其中亭湖區(qū)的合理規(guī)模是12863頭豬當量, 鹽都區(qū)則是59174頭豬當量。鹽都區(qū)的畜禽容納量遠遠高于亭湖區(qū), 其中大岡鎮(zhèn)的合理規(guī)模最大, 大縱湖鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖合理規(guī)模最小, 為1980頭豬當量; 鹽都區(qū)各鎮(zhèn)合理規(guī)模的均值是3902.73頭豬當量, 是亭湖區(qū)各鎮(zhèn)畜禽合理規(guī)模均值的5.33倍。在研究區(qū)中, 鹽都區(qū)大岡鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖合理規(guī)模值最大, 為122487.13頭豬當量; 亭湖區(qū)的毓龍街道辦事處合理規(guī)模值最小, 為0.19頭豬當量。從實地調(diào)查的結(jié)果來看, 各鎮(zhèn)整體上畜禽承載量并不太高, 養(yǎng)殖密度也存在較大差異。本研究的結(jié)果主要依據(jù)土壤和養(yǎng)殖規(guī)模等客觀數(shù)據(jù), 但種養(yǎng)平衡需要農(nóng)戶與養(yǎng)殖戶的積極參與。從我們的調(diào)查情況來看, 研究區(qū)農(nóng)戶由于有機肥養(yǎng)分含量低、氣味大, 轉(zhuǎn)運不便等因素, 對于使用畜禽糞污積極性普遍不高。加之研究區(qū)養(yǎng)殖戶環(huán)保意識較低, 隨意堆放等粗放式糞污處理方式較為常見, 導(dǎo)致研究區(qū)實際畜禽污染風(fēng)險比測算結(jié)果更為嚴重。

a. 農(nóng)作物氮養(yǎng)分消耗量; b. 土壤供氮肥總量; c. 土壤有效氮測定值

Figure 2 Nitrogen demand, soil supply of nitrogen and available nitrogen of study area

a. 為農(nóng)作物生長需要氮值; b. 為土壤供應(yīng)氮的值; CN. 為氮元素的畜禽承載力; TCN. 為畜禽養(yǎng)殖承載水平

Figure 3 Livestock and poultry carrying capacity in Yancheng

3 討論

3.1 研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其對種養(yǎng)平衡的影響

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要自然資源, 以土壤為中心由土壤與其環(huán)境條件組成的土壤生態(tài)系統(tǒng)的好壞決定了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[19], 故必須引起重視。作為江蘇重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū), 鹽城市2015年農(nóng)用地109.48×104hm2, 耕地為83.71×104hm2, 耕地仍是它土地利用的重要方式之一。糧食的產(chǎn)量雖與化肥施用緊密相關(guān), 但也離不開自然環(huán)境、農(nóng)戶耕種經(jīng)驗、政策幫扶和科技進步等因素的作用。不可否認, 隨著人口增多, 糧食需求量增大, 給作物提供養(yǎng)分的化肥投入量也在逐年增加, 但逃不脫邊際效益遞減的規(guī)律的影響。而隨著國家更加注重生態(tài)文明, 有機肥添加及其種養(yǎng)結(jié)合必將得到有效實施。這一過程在提升經(jīng)濟效益的同時, 更多的是提升區(qū)域的生態(tài)效益, 也能從根本上改變?nèi)藗児逃械慕?jīng)濟效益邊際遞減的傳統(tǒng)認識。鹽城市濱海灘涂墾區(qū)作為典型的淤泥質(zhì)海岸, 圍墾初期墾區(qū)土壤鹽分含量高, 養(yǎng)分含量不足, 不能直接用于作物種植, 必先經(jīng)過海水養(yǎng)殖或拋荒來加速土壤脫鹽[20]。亭湖區(qū)和鹽都區(qū)屬于圍墾較早的地區(qū), 當前, 土壤質(zhì)量也達到了大面積種植的要求[21–22], 大小麥、水稻、玉米等糧食作物和經(jīng)濟作物被廣泛種植。墾區(qū)土壤鹽分大多低至1%以下, 已達到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)的水平[23]。圍墾后土壤養(yǎng)分種類中氮、磷養(yǎng)分含量呈顯著增加的趨勢, 但是仍然不能像傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)那樣進行長期的大田作物輪作。在研究區(qū)大麥–玉米、大麥–棉花、小麥–油菜是較多的輪作方式。但是由于地力低下, 人們只能輪作一到兩年之后進行一次拋荒或者牧草培肥以增強土壤養(yǎng)分水平。其中, 氮是研究區(qū)土壤中較為緊缺的養(yǎng)分, 已有的研究表明, 南通市如東縣墾區(qū)圍墾60年之后的土壤表層氮含量也僅有0.07%, 相當于國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級的第五級[24]。畜禽糞便及其有機肥是氮含量較高的肥料來源, 市面上傳統(tǒng)的有機肥和復(fù)合肥的氮含量都超過了15%, 甚至到了20%以上。合理添加有機肥和畜禽糞便可以使土壤總氮和硝態(tài)氮的提升明顯[25]。

3.2 濱海地區(qū)畜禽養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展對策

不同于傳統(tǒng)的大農(nóng)場, 研究區(qū)的畜禽養(yǎng)殖方式多是小規(guī)模家庭作坊式的養(yǎng)殖方式。根據(jù)課題組在鹽城調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)表明, 研究區(qū)近一半的養(yǎng)殖戶豬存欄數(shù)小于100頭, 雞少于5000只(表2)。但是由于養(yǎng)殖場周邊耕地數(shù)量有限, 且農(nóng)村青壯年勞動力流失嚴重, 大量的畜禽糞便被隨意堆放。加之研究區(qū)河溝縱橫, 造成了非常嚴重的水體污染。同時, 養(yǎng)殖場氣味較為難聞, 周邊普通住戶對此意見非常大, 合理布局畜禽養(yǎng)殖空間也是目前亟需解決的重要問題[26]。濱海地區(qū)嚴重的畜禽養(yǎng)殖污染問題必須依靠種養(yǎng)結(jié)合的方式去解決。在種植區(qū)與養(yǎng)殖區(qū)空間協(xié)調(diào)分布的前提下, 對畜禽養(yǎng)殖廢棄物進行多渠道開發(fā)(生產(chǎn)有機肥、還田、生產(chǎn)沼氣等)。基于此認識, 2017年8月中國農(nóng)業(yè)部發(fā)布《種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)示范工程建設(shè)規(guī)劃(2017—2020年)》(簡稱“規(guī)劃”), 規(guī)劃中重點發(fā)展以“以種帶養(yǎng), 以養(yǎng)促種”為特點的種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)。強調(diào)以就地消納、能量循環(huán)和綜合利用為主線, 采取政府支持、企業(yè)運營、社會參與和整縣推進為方式的新一輪種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)試點和改革。力爭到2020年, 列入國家支持的200個畜牧大縣, 全縣畜禽糞污綜合利用率需達到90%以上, 規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理設(shè)施裝備配套率達到100%。由于市場調(diào)節(jié)作用在畜禽糞污處理環(huán)節(jié)效果不明顯, 在推行機制上應(yīng)實行政府主導(dǎo)、農(nóng)戶考核、市場參與為原則的種養(yǎng)結(jié)合措施。對于市場不能充分調(diào)節(jié)到位的糞污轉(zhuǎn)運、有機肥施用、沼氣池建設(shè)等方面進行政府補貼、技術(shù)指導(dǎo)和資金支持。對于農(nóng)戶和養(yǎng)殖戶也要接受政府考核、監(jiān)管甚至處罰。初期收益歸農(nóng)戶和養(yǎng)殖戶, 后期形成規(guī)范和規(guī)模擴大后, 收益政府與農(nóng)戶按比例分紅。

相比于內(nèi)陸的傳統(tǒng)農(nóng)區(qū), 鹽城市鹽都區(qū)和亭湖區(qū)的禽畜養(yǎng)殖環(huán)境承載力較低, 發(fā)展?jié)摿^大。但鹽城市地處蘇北, 經(jīng)濟并不發(fā)達, 畜禽養(yǎng)殖區(qū)大多為養(yǎng)殖戶自行發(fā)展而成, 養(yǎng)殖點分布較為零散, 缺少規(guī)劃布局的指引。從養(yǎng)殖戶的空間分布的調(diào)查情況看, 養(yǎng)殖戶多在市區(qū)等人口密集區(qū)或主要河流附近進行畜禽養(yǎng)殖, 對局部地區(qū)造成了嚴重的污染。作為全國重點關(guān)注的畜禽污染控制區(qū), 不能盲目擴展畜禽養(yǎng)殖的規(guī)模, 而應(yīng)對現(xiàn)有的養(yǎng)殖規(guī)模進行約束, 合理規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖的空間分布, 嚴格管制局部環(huán)境污染嚴重的地區(qū)。在規(guī)模上推行集約化養(yǎng)殖, 摒棄家庭作坊式的小規(guī)模養(yǎng)殖方式。同時, 鹽城市的禁養(yǎng)區(qū)主要集中在通榆河等河流的一級水源保護區(qū)內(nèi), 應(yīng)嚴格落實禁養(yǎng)區(qū)方案。研究區(qū)內(nèi)河流眾多, 多處被劃為禁養(yǎng)區(qū), 故不能“一刀切”地發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)。而應(yīng)因地制宜發(fā)展多種養(yǎng)殖、規(guī)模養(yǎng)殖、生態(tài)養(yǎng)殖, 積極發(fā)揮種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)利用模式、技術(shù)型生態(tài)養(yǎng)殖模式、畜禽糞尿綜合利用模式等生態(tài)養(yǎng)殖模式。鼓勵專業(yè)人員到養(yǎng)殖戶間進行有效推廣, 使之成為鹽城市畜禽養(yǎng)殖的三大主要類型。在養(yǎng)殖戶生產(chǎn)生活中, 不僅要落實各類沼氣工程和畜禽糞便處理中心的建立, 更要切實發(fā)揮功效實現(xiàn)利民便民和環(huán)境保護。在政策上, 應(yīng)建立高標準畜禽養(yǎng)殖示范區(qū), 對單位面積土地畜禽承載量嚴格控制, 對超過土地承載力的鎮(zhèn)(街道)進行合理規(guī)模養(yǎng)殖, 對局部養(yǎng)殖污染較嚴重的地區(qū)進行整改。同時, 應(yīng)對禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)的養(yǎng)殖戶給予一定補償, 幫助他們實現(xiàn)再就業(yè), 對仍在從事養(yǎng)殖的農(nóng)戶給予政府養(yǎng)殖補貼, 并進行科學(xué)技術(shù)指導(dǎo), 幫助他們解決養(yǎng)殖過程中遇到的切實問題。

表2 樣本養(yǎng)殖戶個體特征及養(yǎng)殖基本情況描述

注: 數(shù)據(jù)來自于2017年課題組養(yǎng)殖戶調(diào)研數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)農(nóng)作物氮需求總量為1.44×104t, 其中亭湖區(qū)和鹽都區(qū)種植業(yè)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)消耗總氮分別為5472.97 t和8961.37 t, 鹽都區(qū)氮消耗量明顯高于亭湖區(qū)。總體上, 大岡鎮(zhèn)氮需求量最高, 達1349.73 t, 其次是秦南鎮(zhèn), 為1221.49 t, 接著依次是龍岡鎮(zhèn)、鹽東鎮(zhèn)、步鳳鎮(zhèn); 中部和西南部地區(qū)氮養(yǎng)分消耗量最少, 毓龍街道辦事處氮消耗量僅達0.019 t。

2)研究區(qū)土壤氮養(yǎng)分供給量為0.97×104t, 其中亭湖區(qū)土壤氮養(yǎng)分供給量為4428.76 t, 鹽都區(qū)土壤氮養(yǎng)分供給量為5225.07 t。土壤氮養(yǎng)分供給量最高的是大岡鎮(zhèn), 達797.31 t, 是土壤供肥能力最小的大縱湖鎮(zhèn)的3.64倍; 然后依次是鹽東鎮(zhèn)、秦南鎮(zhèn)、步鳳鎮(zhèn)、龍岡鎮(zhèn)、青墩鎮(zhèn), 其余地區(qū)土壤供氮能力較為均衡。

3)研究區(qū)基于氮的畜禽環(huán)境承載力均值為5.77頭豬當量·hm-2, 在全國處于較低水平, 承載潛力較大; 畜禽養(yǎng)殖合理承載規(guī)模為7.20×104頭豬當量, 亭湖區(qū)的養(yǎng)殖合理承載規(guī)模是12863頭豬當量, 鹽都區(qū)是59174頭豬當量, 鹽都區(qū)的畜禽容納量遠遠高于亭湖區(qū), 其中又以鹽都區(qū)大岡鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖合理承載規(guī)模為最大, 亭湖區(qū)的毓龍街道辦事處合理承載規(guī)模為最小。

4)研究區(qū)土壤氮養(yǎng)分含量較為緊缺, 應(yīng)通過合理添加有機肥和畜禽糞便使土壤總氮和硝態(tài)氮得到提升; 研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)間畜禽養(yǎng)殖的差異較大, 且空間分布錯位, 局部地區(qū)污染嚴重, 后續(xù)發(fā)展中應(yīng)結(jié)合各地實際, 確定適宜的養(yǎng)殖規(guī)模與畜禽結(jié)構(gòu), 通過種養(yǎng)結(jié)合實現(xiàn)有效平衡, 以此加快現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展進程。

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Analysis of environmental carrying capacity of livestock and poultry breeding in Yancheng City based on nitrogen balance

ZOU Chenxin, ZHAO Dongping, XU Xinyue, WANG Wenchao, YANG Wenhui, LIU Lili*, LI Jianguo*

School of Geography, Geomatics, and Planning, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China

Coastal areas are the special areas characterized by land-sea interaction and fragile environment. Jiangsu’s coastal areas are the most concentrated regions for livestock and poultry breeding in Jiangsu Province, which generally causes higher environmental risks and big pressure on regional ecological environment. The balance of planting and breeding is one of the main strategies for restricting the scale of regional breeding and further relieving environmental risks. In this study, Yancheng City is chosen as an case study to estimate the environmental carrying capacity of livestock and poultry breeding using Truog's nutrient balance framework. Data from local government statistics, field survey and sampling are all collected to analyze the N stock in soil, N demands of crops production and N-supplying capacity of livestock and poultry breeding. The results show that: (1) Soil N content in the study area is relatively low, and total N demands for crops growth is up to 14400 tons. However, the scale of N-supplying capacity of soil is merely 0.97 million tons. (2) The reasonable scale of breeding in the study area is about 72000 pigs equivalent, and the average environmental carrying capacity of livestock and poultry breeding is about 5.77 pigs equivalent per hm2, which is in a low level through country. Nevertheless, the potential of carrying capacity of livestock and poultry breeding is large, and is produced a threat to the environment. Additionally, there are significant differences among towns in livestock and poultry breeding development. (3) The livestock and poultry breeding in the study area is not co-located with planting and consequently resulting in pollution in some zones. The results can provide support for combinating planting and breeding in coastal areas, adjusting the structure of breeding, and modernizing of animal husbandry.

coastal area; breeding-planting balance; livestock and poultry breeding; carrying capacity

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.023

S811.5

A

1008-8873(2019)04-169-09

2018-06-28;

2018-07-27

江蘇省高校自然科學(xué)研究項目(17KJB170006); 教育部人文社會科學(xué)研究一般項目(17YJCZH085);國家自然科學(xué)基金項目(41701371);江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610320043Z); 江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

鄒晨昕(1996—), 女, 浙江溫州人, 主要從事灘涂養(yǎng)殖戶行為研究, E-mail: 787493241@qq.com

李建國(1986—), 男, 博士, 副教授, 主要從事海岸帶開發(fā)及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究, E-mail:lijianguo531@126.com

劉麗麗(1984—), 女, 碩士, 助理研究員, 主要從事濱海畜禽養(yǎng)殖環(huán)境效應(yīng)研究, E-mail:huanyin728@126.com

鄒晨昕, 趙冬萍, 徐新悅, 等. 基于氮平衡的鹽城市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(4): 169-177.

ZOU Chenxin, ZHAO Dongping, XU Xinyue, et al. Analysis of environmental carrying capacity of livestock and poultry breeding in Yancheng City based on nitrogen balance[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 169-177.