贠 超, 申為民, 宋成軍, 劉國濤, 黨 鵬, 李 忱

(1.安陽市農業(yè)科學院， 河南 安陽 455000； 2.農業(yè)農村部農業(yè)生態(tài)與資源保護總站， 北京 100125)

2015年，我國畜禽養(yǎng)殖場(戶)1億多個，畜牧業(yè)產(chǎn)值達2.98萬億元，占農業(yè)總產(chǎn)值的27.8%。畜牧業(yè)的快速發(fā)展，在保證了不斷增長的畜產(chǎn)品需求的同時，也產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖廢棄物。目前，全國畜禽糞污年產(chǎn)生量約38億噸。2010年《全國第一次污染源普查公報》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的化學需氧量達到1268.26萬噸，占農業(yè)源排放總量的96%?？偟涂偭着欧帕繛?02.48萬噸和16.04萬噸，分別占農業(yè)源排放總量的38%和56%。畜禽糞污成為農業(yè)面源污染的主要來源。中央財經(jīng)領導小組第十四次會議指出，加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，關系6億多農村居民生產(chǎn)生活環(huán)境，關系農村能源革命，關系能不能不斷改善土壤地力、治理好農業(yè)面源污染，是一件利國利民利長遠的大好事[1]。

對于農作物而言，畜禽糞便含有豐富的養(yǎng)分資源，自古以來就被做為有機肥返還農田[2]，將畜禽糞便為提高土壤肥力的主要原料。大規(guī)模的畜禽糞污，同時也是巨大的資源庫。農牧結合、種養(yǎng)結合和循環(huán)利用是資源化、減量化、無害化和生態(tài)化解決畜禽養(yǎng)殖污染的根本途徑[3-4]。

2017年中央一號文件《關于深入推進農業(yè)供給側結構性改革加快培育農業(yè)農村發(fā)展新動能的若干意見》中，指出要推進農業(yè)清潔生產(chǎn)，開展有機肥替代化肥試點，促進農業(yè)節(jié)本增效。大力推行高效生態(tài)循環(huán)的種養(yǎng)模式，加快畜禽糞便集中處理，鼓勵各地加大農作物秸稈綜合利用支持力度。

在美國、加拿大、法國、荷蘭等歐美發(fā)達國家，奶牛養(yǎng)殖普遍采用種養(yǎng)結合模式[5-6],根據(jù)環(huán)境氮、磷本底信息、區(qū)域主要收支途徑與強度、時空變化等特征,以流域為單元制訂實施氮、磷環(huán)境承載力是當前歐美通用的面源污染防控方法[7]。通過科學測算區(qū)域內畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境承載力，有利于優(yōu)化調整種植業(yè)畜牧業(yè)空間布局，實現(xiàn)農牧業(yè)有機結合平衡發(fā)展[8]。

新疆吉木乃縣，位于新疆北部，屬于內陸干旱地區(qū)，降雨量少，日照充足，蒸發(fā)量大，土地瘠薄，水是當?shù)剞r業(yè)重要的限制性因素。畜牧業(yè)占農業(yè)總產(chǎn)值的55%，是農業(yè)的主要組成部分。隨著畜牧業(yè)的集約化和規(guī)?；?，養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量糞便和污水成為一個嚴重的環(huán)境問題。為解決養(yǎng)殖帶來的環(huán)境問題，增加種植收益，減少農田化肥和水的使用量，區(qū)域范圍內的畜禽糞污種養(yǎng)循環(huán)是一種非?？尚械哪Ｊ?。規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)帶來的大量糞便和污水一方面為貧瘠的土壤提供了養(yǎng)分，降低了化肥使用量，改善了土壤，同時給干旱地區(qū)的作物帶來了急需的水分，這對我國西部干旱地區(qū)的農業(yè)有著特別的意義。

本文以新疆吉木乃縣某農牧企業(yè)為例，以小麥、苜蓿種植基地和牛羊養(yǎng)殖場為依托，以全氮和全磷為測算依據(jù)，探討該類型區(qū)域條件下的畜禽承載力和種養(yǎng)平衡，以期為該類型區(qū)域生態(tài)農業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 項目區(qū)概況

該種養(yǎng)加結合的農業(yè)園位于新疆北部吉木乃縣，地處亞歐大陸腹地，屬于北溫帶亞干旱氣候區(qū)，降雨量少，日照充足，蒸發(fā)量大。常年平均氣溫在4℃左右，無霜期140天，平均風速5.5 m·s-1，年降水量200 mm左右。

項目實施區(qū)域位于托普鐵熱克鄉(xiāng)和恰勒什海鄉(xiāng)。兩個鄉(xiāng)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)均較為發(fā)達，牲畜存欄量50319頭(只)，占到全縣牲畜存欄量的24%，耕地面積為6.75萬畝，占到全縣耕地的46%。作為全縣的糧食和肉類主產(chǎn)鄉(xiāng)，具有種養(yǎng)循環(huán)模式的典型示范價值。

項目核心區(qū)面積為23383畝，主要在阿勒泰某有機面業(yè)有限公司的種植基地、加工廠、有機肥廠和協(xié)作養(yǎng)殖場內。包括：種植基地23000畝，養(yǎng)殖場300畝，存欄肉牛1100頭、肉羊28800頭，面粉加工廠60畝，有機肥加工廠23畝。

根據(jù)吉木乃縣農業(yè)技術推廣站土壤測試結果，土壤狀況見表1所示。

表1 項目區(qū)土壤數(shù)據(jù)

1.2 生態(tài)問題分析

1.2.1 農副作物秸稈利用率低

項目區(qū)域內農作物秸稈產(chǎn)量為3萬余噸，但是對農作物秸稈的飼料化、肥料化、基料化、燃料化等的綜合利用程度十分低下。

1.2.2 化肥和畜禽糞便污染嚴重

化肥使用量不斷增加，從上世紀90年農田每畝地化肥使用量平均在35 kg左右, 增加到目前的45 kg左右。作物無法全部吸收，造成土壤和水體污染。集約化養(yǎng)殖場產(chǎn)生大量糞污，當?shù)丨h(huán)境無法消納，引起水土和空氣污染。

1.2.3 水資源短缺與水污染并存

地表水多年平均年徑流量0.74億m3，地表水資源人均占有量1977 m3，是疆平均水平5321 m3的1/3，地表水資源利用率已經(jīng)達到80%以上，大大超出了60%的生態(tài)警戒線。農、林、牧業(yè)用水高峰期供需矛盾十分突出，是制約吉木乃縣農牧業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素之一。

1.3 種養(yǎng)平衡分析

1.3.1 分析方法

國外通常有2種方法來評價畜禽承載力：一種是根據(jù)土地提供畜禽飼料的能力，另一種是根據(jù)特定地理區(qū)域消納畜禽糞便的能力。為減少畜牧業(yè)帶來的環(huán)境污染，加之我國絕大多數(shù)畜牧場周圍沒有與之配套的農田來提供畜禽飼料，而且不同區(qū)域提供的飼料會在全國范圍內流通，所以本研究采用第2種評價方法[9]。

歐美等國家根據(jù)土地能夠消納的畜禽糞便氮或磷來確定畜禽糞便施用量。以氮為標準會導致農用地磷素超標，美國后期的養(yǎng)分管理計劃將主要以磷作為標準。所以本報告將分別以氮和磷為標準，采用單位農用地承載畜禽糞便氮或磷的方法來確定承載的畜禽數(shù)量，在區(qū)域范圍內形成農牧良性循環(huán)，從而降低環(huán)境的污染。

1.3.2 畜禽承載力確定

本研究將分別以氮、磷為標準，根據(jù)單位面積農用地不同作物每季養(yǎng)分需要量(N)、畜禽糞便養(yǎng)分年可利用量(M)和有機肥利用率(k)來確定單位農用地(有效耕地面積)承載的最大畜禽數(shù)量(Qmax)。由于多季的作物和蔬菜會在同一塊農用地上耕種，所以計入各類作物的復種指數(shù)(A)。由于我國化肥用量較大，本方法考慮了有機肥的利用率，作物養(yǎng)分需要量的不足部分由化肥提供。

Qmax=k×N×A÷M

(1)

式中：Qmax為每公頃農用地所能承載的最大畜禽數(shù)量，頭(只)·hm-2；N為每公頃第i種作物每季的養(yǎng)分需要量，kg·hm-2s-1；A為各地區(qū)的復種指數(shù)(每種類型作物的播種面積除以其占用耕地面積)；M為每頭每(只)畜禽糞便養(yǎng)分年產(chǎn)量，kg·a-1只-1；k為有機肥利用率，%。

1.3.3 畜禽糞便養(yǎng)分的確定

畜禽糞便養(yǎng)分由分式(2)可知：

M=365×Q×P×(1-L)

(2)

式中：M為每頭每(只)畜禽糞便養(yǎng)分年產(chǎn)量，kg·a-1只-1；Q為每頭存欄動物日平均糞尿產(chǎn)量，kg·d-1只-1；P為糞尿養(yǎng)分百分含量，%；L為養(yǎng)分損失率，%。

1.3.4 養(yǎng)分需求量的確定

養(yǎng)分需求量的確定由公式(3)可知：

N=10×D×W

(3)

式中：D為作物單位重量經(jīng)濟產(chǎn)量的養(yǎng)分需求量，kg·100 kg-1；W為每種作物的目標經(jīng)濟產(chǎn)量，t·hm-2。

首先測算養(yǎng)殖場各養(yǎng)殖品種單位糞便養(yǎng)分含量和農作物單位面積產(chǎn)出物肥料養(yǎng)分消耗量。通過比較后得出單位面積各類養(yǎng)殖品種的承載量，即為單位面積畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力。

2 結果與分析

2.1 養(yǎng)殖場牛羊糞便及養(yǎng)分產(chǎn)生量

養(yǎng)殖場存欄肉牛1100頭、肉羊28800頭。由于國家第1次農業(yè)污染源普查中只有肉牛產(chǎn)排污系數(shù)，故肉羊折算成肉牛計算。1頭牛折算15只肉羊，肉羊折合肉牛當量1920頭，養(yǎng)殖場合計折合肉牛3020頭。根據(jù)肉牛產(chǎn)污系數(shù)估算，整個養(yǎng)殖場糞便生產(chǎn)量為22509 噸，糞便全氮產(chǎn)量114.76 噸·年-1，全磷產(chǎn)量11.26 噸·年-1(見表2)。

表2 養(yǎng)殖場育肥肉牛糞便及養(yǎng)分產(chǎn)生量

2.2 養(yǎng)殖場糞便養(yǎng)分可供給量

該養(yǎng)殖場采用漏縫地板下刮糞板清理糞污。收集的牛羊糞污經(jīng)過固液分離后，糞運送至堆肥廠進行堆肥，廢水暫存于氧化儲液池，無害化處理作為液肥回用農田。固液分離得到的液體中氮、磷養(yǎng)分含量占總含量的81%和86%[10]。糞便堆肥的氮和磷損失率為20%和5%[11-12]，氧化塘氮和磷的損失率為15%和5%[13-14]。養(yǎng)殖場最終的氮磷供給量為96.76噸·年-1和10.70噸·年-1。具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 糞便氮、磷供給量示意圖

2.3 種植作物品種的選擇及其養(yǎng)分需求量

新疆吉木乃縣，位于新疆北部，屬于北溫帶亞干旱氣候區(qū)。常年平均氣溫在4℃左右，無霜期140天，年降水量200mm左右，氣候寒冷干旱，可選擇作物的品種非常有限?？紤]到項目主體擁有小麥加工廠和牛羊養(yǎng)殖場，種植小麥或苜蓿最為適宜，當?shù)匦←渾萎a(chǎn)在6 t·hm-2左右，苜蓿單產(chǎn)在11 t·hm-2左右。

不同作物有不同的單位經(jīng)濟產(chǎn)量養(yǎng)分移走量和目標經(jīng)濟產(chǎn)量，由此帶來年單位面積的養(yǎng)分移走量也不同。如表3所示，小麥單位經(jīng)濟產(chǎn)量氮的移走量為2.75 kg·100kg-1，磷為0.37 kg·100kg-1；紫花苜蓿單位經(jīng)濟產(chǎn)量氮的移走量為3.00 kg·100kg-1，磷為0.60 kg·100kg-1。當小麥每公頃目標產(chǎn)量為6 t時，小麥每年氮和磷的移走量為165 kg·hm-2和22.20 kg·hm-2[12]；紫花苜蓿每公頃目標產(chǎn)量為11 t時，苜蓿每年氮和磷的移走量為330 kg·hm-2和66 kg·hm-2[18]。單位面積苜蓿的磷的轉移量是小麥的3倍，氮的轉移量是小麥的2倍。

表3 每公頃作物每年的養(yǎng)分移走量

2.4 畜禽承載力

在用糞肥替代化肥時，用50%糞肥替代化肥，養(yǎng)分利用率較高。有利于作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，減少環(huán)境風險，提高經(jīng)濟效益，是較為合適的施用比例[18-19]。如表4所示，在目標經(jīng)濟產(chǎn)量下，以氮為基礎，單位每公頃小麥可承2.57頭肉牛，每公頃紫花苜蓿可承載5.15頭肉牛，苜蓿的承載力是小麥的2倍；以磷為基礎，單位每公頃小麥可承3.10頭肉牛，每公頃紫花苜?？沙休d9.31頭肉牛，苜蓿的承載力是小麥的3倍。這表明單位面積的紫花苜蓿較小麥可以承載較多的畜禽量，這對有畜禽超載風險的地區(qū)有較大的生態(tài)意義。

表4 每公頃作物每季可承載的畜禽數(shù)量與需要匹配的農田面積

養(yǎng)殖場有效的氮、磷供給量為96.76噸·年-1和10.70噸·年-1。在用50%糞肥替代化肥模式下，養(yǎng)殖場現(xiàn)有的養(yǎng)分供給量可滿足14612.90畝小麥磷的需求或17626.50畝小麥氮的需求，占農場可種植面積的63.53%和76.64%。亦可滿足4865.74畝苜蓿磷的需求或8796.15畝氮的需求，占農場可種植面積的21.16%和38.24%，這為養(yǎng)殖場擴大規(guī)模提供了較大的生態(tài)空間。

本項目實施單位擁有23000畝的種植基地，無論種植小麥還是紫花苜蓿都可以承載養(yǎng)殖場所有牛羊產(chǎn)生的糞污?？筛鶕?jù)實際需要安排小麥和苜蓿的種植面積，也可根據(jù)承載量適度擴大養(yǎng)殖規(guī)模。

3 生態(tài)循環(huán)模式設計

項目主要針對公司種植基地產(chǎn)生的麥稈、紫花苜蓿，養(yǎng)殖場產(chǎn)生的畜禽糞便，采用種養(yǎng)結合方式，通過秸稈飼料化、糞污肥料化，實現(xiàn)農田地力提升、化肥減量、農牧循環(huán)的目標。

技術模式如圖2所示：1)收集養(yǎng)殖場糞污,進行固液分離后，固體進行堆肥生產(chǎn)有固體有機肥，液體進入氧化塘后生產(chǎn)液體有機肥，用于項目自有種植基地，固體糞肥只做基肥，液體肥料只做追肥；2)種植基地根據(jù)需要種植小麥和苜蓿；3)小麥進入加工廠，苜蓿收集待用；4)收集加工廠的不完善粒、麩皮等農副產(chǎn)品和秸稈等廢棄物，用于制作秸稈微貯飼料和日混料，苜蓿晾干后生產(chǎn)苜蓿草料，用于牛羊養(yǎng)殖。

圖2 項目區(qū)域循環(huán)農業(yè)示范模式示意圖

4 結論

4.1 畜禽糞便氮、磷含量

養(yǎng)殖場肉牛1100頭、肉羊28800頭，糞尿生產(chǎn)量為22509 t，全氮產(chǎn)量114.76 t·年-1，全磷產(chǎn)量11.26 t·年-1，減去收集運輸過程中的損失，養(yǎng)殖場最終的氮磷供給量為96.76 t·年-1和10.70 t·年-1。

4.2 畜禽承載力

在50%糞肥替代化肥模式下，養(yǎng)殖場現(xiàn)有的養(yǎng)分供給量可滿足14612.90畝小麥磷的需求或17626.50畝小麥氮的需求，占農場可種植面積的63.53%和76.64%；亦可滿足4865.74畝苜蓿磷的需求或8796.15畝苜蓿氮的需求,占農場可種植面積的21.16%和38.24%。無論種植小麥還是紫花苜蓿，23000畝的種植基地都可以承載養(yǎng)殖場牛羊產(chǎn)生的全部糞污，可根據(jù)實際需要安排小麥和苜蓿的種植面積，也可根據(jù)承載量適度擴大養(yǎng)殖。

4.3 生態(tài)循環(huán)模式

技術模式如下： 1)收集養(yǎng)殖場糞污,進行固液分離后，固體進行堆肥生產(chǎn)有固體有機肥，液體進入氧化塘后生產(chǎn)液體有機肥，用于項目自有種植基地，固體糞肥只做基肥，液體肥料只做追肥； 2)種植基地根據(jù)需要種植小麥和苜蓿； 3)小麥進入加工廠，苜蓿收集待用； 4)收集加工廠的不完善粒、麩皮等農副產(chǎn)品和秸稈等廢棄物，用于制作秸稈微貯飼料和日混料，苜蓿晾干后生產(chǎn)苜蓿草料，用于牛羊養(yǎng)殖。以期實現(xiàn)污染減少、地力提升、化肥減量、農牧循環(huán)的目標。

5 討論

5.1 糞便養(yǎng)分產(chǎn)量對畜禽承載力的影響

糞便的收集、處理、貯存和運輸方式是影響糞便養(yǎng)分供給量的重要因素。氮、磷在不同糞便處理和貯存方式下的損失率為 15%～85%和10%～85%[9]，使耕地承載力隨之發(fā)生變化。本文為了方便計算，僅計算了糞便在堆肥和氧化塘氮中氮磷的損失，并未計算養(yǎng)分在收集、儲存、運輸?shù)冗^程中的損失。實際操作過程中，這部分損失可能較大，耕地實際的畜禽承載力應該會比理論結果大[17]。同時也意味著我們在糞尿的收集、處理、貯存和運輸過程中有很多需要改善的地方。

5.2 不同類型作物對畜禽承載力的影響

蔬菜地的畜禽承載力最大，大田作物地次之，園地承載力最小。所以不同地區(qū)可以根據(jù)調整當?shù)氐姆N植結構來增大區(qū)域范圍內的畜禽承載力，使農田能夠最大限度地消納當?shù)氐男笄菁S便，減少環(huán)境污染[9]。該種植基地所種植的苜蓿是一種經(jīng)濟產(chǎn)量高、養(yǎng)分含量高的優(yōu)質牧草。苜蓿對土壤養(yǎng)分需求量高，可承載較多的畜禽。目前國內很多養(yǎng)殖量大的地方都面臨畜禽超載的風險，苜蓿在種養(yǎng)循環(huán)鏈條中具有較高的生態(tài)價值，可作為一種緩解該風險的作物進行種植。