馮璞陽 ，謝恩澤 ，白亞妮 ，顏 宏 ，李文孝 ，梁建強 ，趙文娟 *

（1.陜西省生物農業(yè)研究所，西安 710043；2.陜西省酶工程技術研究中心，西安 710600；3.土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

隨著中國畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，畜禽養(yǎng)殖糞污不當處理，直接或間接導致土壤污染、大氣污染、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境污染問題日益突出[1-3]。同時，作為重要的有機肥資源，畜禽糞尿富含有機物和植物生長所需的氮磷鉀等營養(yǎng)元素，將其無害化處理后施入土壤，可有效增加土壤有機質[4-5]、提高土壤肥力[6-8]、改善土壤結構[5]，進而促進作物生長、增加作物產(chǎn)量[9-10]并改善農產(chǎn)品品質[11]。2015年中華人民共和國農業(yè)農村部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，要求轉變施肥方式，增加有機肥資源利用，減少不合理化肥投入。

我國是化肥生產(chǎn)和使用大國，存在施用量偏高、施肥不均衡、有機肥資源利用率低、“三重三輕”問題突出等現(xiàn)象。長期、盲目、單一施用化肥導致土壤退化、耕地板結、保水保肥能力下降[12-14]?！蛾兾魇∞r牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》指出，陜西化肥施用量遠超全國平均水平和發(fā)達國家的安全上限，造成日趨嚴重的農業(yè)面源污染，成為影響陜西省現(xiàn)代農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和食品安全的嚴重問題。

目前，國內相關科研院所在糞污資源、能源潛力、環(huán)境風險以及處理技術和裝備等方面已開展了大量的研究，并在畜牧業(yè)較集中的地區(qū)開展了糞污資源評估和環(huán)境承載力方面的研究[15]。賈偉等[16]針對京郊養(yǎng)殖業(yè)和農用地面積現(xiàn)狀，提出應外輸固體糞肥以減少農田氮磷負荷及環(huán)境風險。耿維等[15]評估了安徽省糞便資源作為有機肥對化肥的替代潛力，發(fā)現(xiàn)畜牧業(yè)廢棄物對農用地環(huán)境污染風險不高，但有6個縣（區(qū)）屬于環(huán)境污染高風險地區(qū)。宋大利等[17]評估了2015年中國畜禽糞尿中養(yǎng)分資源數(shù)量及利用潛力，其中陜西畜禽糞尿量為4 840萬t，養(yǎng)分總量為56.8萬t。但關于陜西省在市級尺度上畜禽糞尿資源現(xiàn)狀及其替代化肥潛力的全面研究鮮有報道。

因此，科學、及時的評估陜西省各市（區(qū)）畜禽糞尿及其養(yǎng)分資源量的分布特征和變化規(guī)律，分析有機肥對化肥的區(qū)域替代潛力，有助于為陜西省畜牧業(yè)糞尿資源化利用、統(tǒng)籌優(yōu)化布局、實現(xiàn)化肥零增長目標提供數(shù)據(jù)支撐及基礎實施方案，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 飼養(yǎng)量和飼養(yǎng)期

本研究所用陜西省各市（區(qū)）畜禽存欄情況來源于《陜西統(tǒng)計年鑒（2001—2019）》[18]，畜禽主要種類包括肉豬、妊娠豬、肉牛、奶牛、羊和家禽。畜禽飼養(yǎng)周期來源于《全國農產(chǎn)品成本收益資料匯編（2018）》[19]，其中肉豬 159 d、肉牛 197 d、奶牛 365 d和羊184 d為陜西省不同規(guī)模飼養(yǎng)時間均值，家禽74 d為全國平均飼養(yǎng)時間，妊娠豬飼養(yǎng)時間為365 d。

1.1.2 產(chǎn)排污系數(shù)和養(yǎng)分含量

畜禽產(chǎn)排污系數(shù)參考《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》[20]西北地區(qū)數(shù)據(jù)，其中羊產(chǎn)排污系數(shù)及畜禽糞尿養(yǎng)分含量來自文獻[21]。肉豬產(chǎn)排污系數(shù)=1/3保育期產(chǎn)排污系數(shù)+2/3育肥期產(chǎn)排污系數(shù)[22]，見表1。

表1 陜西省畜禽糞尿的產(chǎn)排污系數(shù)和養(yǎng)分含量（鮮基）Table 1 Daily excretion and nutrient content in livestock and poultry faeces in Shaanxi province （fresh based）

1.1.3 秸稈系數(shù)和養(yǎng)分含量

2018年陜西省主要農產(chǎn)品產(chǎn)量來自《陜西統(tǒng)計年鑒（2019）》[18]，秸稈系數(shù)來自文獻[23]的陜西或北方其余省區(qū)市平均值，秸稈養(yǎng)分質量分數(shù)參考中國有機肥養(yǎng)分數(shù)據(jù)集[24]，見表2。

表2 2018年陜西省主要作物秸稈系數(shù)和養(yǎng)分含量Table 2 Straw factor and nutrient content in main crops of Shaanxi province in 2018

1.1.4 其他數(shù)據(jù)

中國、陜西省各市（區(qū)）播種面積、農用化肥施用量（折純，全文同）分別來自《中國統(tǒng)計年鑒（2019）》[25]、《陜西統(tǒng)計年鑒（2019）》[18]。

1.2 估算方法

1.2.1 畜禽糞尿產(chǎn)生量及養(yǎng)分量

畜禽糞尿產(chǎn)生量（鮮質）計算公式如下。

式中：Q為畜禽糞、尿產(chǎn)生量（鮮質），104t；i為畜禽種類；S為畜禽年內存欄數(shù)，104；T為飼養(yǎng)天數(shù)，d；e為每只（頭）畜禽產(chǎn)排污系數(shù)kg/d。

畜禽糞尿養(yǎng)分計算公式如下。

式中：CN、CP、CK分別為畜禽糞尿 N、P2O5、K2O養(yǎng)分總量，104t；cN、cP、cK分別為畜禽糞、尿 N、P2O5、K2O養(yǎng)分含量，%。

1.2.2 單位面積畜禽糞尿環(huán)境分析

r=q/p

式中：r為區(qū)域畜禽糞尿負荷量承受程度有關的警報值，分為6級（表3）；q為單位播種面積畜禽糞尿負荷量，t/hm2；為有機肥理論最大適宜施肥量，從環(huán)境風險考慮，以最低限度30 t/hm2為最大理論適宜量[1，26]。

表3 畜禽糞尿土地負荷警報值分級的環(huán)境影響[26-27]Table 3 Environmental impact of livestock and poultry faeces classification of alarming values

1.2.3 作物秸稈還田量

作物秸稈產(chǎn)生量可基于作物產(chǎn)量和秸稈系數(shù)進行計算，如下。

式中：A為作物秸稈產(chǎn)生量，103t；l為作物種類；Y為作物產(chǎn)量，103t；K為秸稈系數(shù)；NN、NP、NK分別為作物秸稈 N、P2O5、K2O 養(yǎng)分總量，t；nN、nP、nK分別為作物秸稈N、P2O5、K2O養(yǎng)分質量分數(shù)（干基），g/kg。

2 結果與分析

2.1 陜西省畜牧業(yè)糞尿資源及其分布

2000—2018年陜西省畜禽糞尿資源年產(chǎn)生量及其構成變化如圖1所示。糞尿產(chǎn)生量經(jīng)歷了持續(xù)增長（2000—2005年）、急劇下降（2006年）、較快增長（2007—2008年）、先下降后平穩(wěn)波動（2009—2018年）4個階段。各類畜禽糞尿產(chǎn)生量占總量的比例大小依次為：牛＞豬＞羊＞家禽。2005年陜西省糞尿產(chǎn)生量接近3 000萬 t，2005—2006年畜禽養(yǎng)殖總量突降，肉豬、妊娠豬、肉牛、奶牛、羊、家禽糞尿產(chǎn)生量依次降低 30.04%、37.98%、54.28%、12.15%、34.81%、36.02%。隨后動態(tài)穩(wěn)定在2 000萬t，除妊娠豬、羊、家禽為增長趨勢、奶牛先增后驟降外，其他家畜糞尿產(chǎn)生量保持基本穩(wěn)定。

圖1 陜西省畜禽糞尿年產(chǎn)生量和結構組成Figure 1 Annual production and composition of livestock and poultry faeces in Shaanxi province

2000—2018年畜牧業(yè)糞尿以牛糞尿為主，其在2016年之前占比高達（50±3）%，2016—2018年占比約40%；豬糞尿占比接近1/3；羊糞尿在2016年之前占比約16%，2016—2018年占比增長了46.02%，達到了24%；家禽糞尿占比最低約為4%。

以2018年為例，陜西省畜禽糞尿產(chǎn)生量及空間分布情況如圖2所示。陜西省畜牧業(yè)糞尿產(chǎn)生總量為2 034.47萬 t，不同市（區(qū)）占全省總量的比例大不相同，其中，榆林市高達460萬t，除延安市、西安市、銅川市、商洛市低于100萬 t，寶雞市和渭南市約為300萬 t外，其他市（區(qū)）均為200多萬 t。區(qū)域角度上，關中地區(qū)占比量最大，占全省總量的46.51%，陜南、陜北接近，分別為26.74%與26.75%。關中地區(qū)，寶雞市和渭南市糞尿產(chǎn)生量接近，兩者占關中地區(qū)總量的64.3%；銅川市糞尿產(chǎn)生量最低，占關中地區(qū)總量的2.0%。陜南地區(qū)，漢中市糞尿產(chǎn)生量最高，占陜南地區(qū)總量的45.1%。陜北地區(qū)，榆林市糞尿產(chǎn)生量最高，占陜北地區(qū)總量的84.5%。

圖2 2018年陜西省各市（區(qū)）畜禽糞尿年產(chǎn)量分布Figure 2 Annual production of livestock and poultry faeces in each county of Shaanxi province in 2018

2018年陜西省畜禽糞尿總量來源依次為牛（899 萬 t）＞豬（601 萬 t）＞羊（437 萬 t）＞家禽（97 萬 t），各地（市）數(shù)據(jù)略有差異，其中，陜北地區(qū)，榆林市糞尿產(chǎn)生量：羊＞牛＞豬＞家禽，延安市糞尿產(chǎn)生量：豬≈?！盅颍炯仪?；關中地區(qū)糞尿產(chǎn)生量：牛＞豬＞羊≈家禽；陜南地區(qū)糞尿產(chǎn)生量：豬＞牛＞羊≈家禽。陜西省牛、豬、羊、家禽糞尿產(chǎn)生量最高的市（區(qū)）分別為寶雞市（26.47%）、漢中市（19.47%）、榆林市（64.53%）、渭南市（21.65%）。

2.2 陜西省畜牧業(yè)環(huán)境承載力分析

2018年陜西省、各市（區(qū)）單位播種面積畜禽糞尿負荷量警報值r＜0.4，為Ⅰ級，無污染（表4）。從區(qū)域角度來看，單位播種面積N、P2O5、K2O養(yǎng)分含量最高的是陜北地區(qū)，分別為36.37、7.34和26.12kg/hm2。市級單元上，單位播種面積N、P2O5養(yǎng)分含量最高的是榆林市，分別為38.11和7.59 kg/hm2，K2O養(yǎng)分含量最高的是寶雞市，為39.26 kg/hm2。在不考慮化肥施用、秸稈還田的前提下，糞尿養(yǎng)分資源可以安全、高效、充分消納，陜西省畜牧業(yè)對農用地環(huán)境不存在污染。

表4 2018年陜西各市（區(qū)）單位播種面積畜禽糞尿負荷及其警報分級和養(yǎng)分含量Table 4 Load capacity，alarm grading and nutrient content of livestock and poultry faeces per sowing area in each county of Shaanxi province in 2018

2.3 陜西省畜牧業(yè)糞尿養(yǎng)分的化肥替代潛力

聯(lián)合國糧農組織（Food and Agriculture Organization，F(xiàn)AO）規(guī)定的化肥施用限值為225 kg/hm2，2018年中國單位播種面積化肥施用量為341 kg/hm2，而同期陜西省為561 kg/hm2。從區(qū)域角度分布看（圖3-a），關中5市（區(qū)）整體較高，均值為873.25 kg/hm2，其中，咸陽市、渭南市最高，達到了1 000 kg/hm2左右；陜南地區(qū)整體較低，平均約為267 kg/hm2，接近FAO限值；陜北的延安市較高，約為826.64 kg/hm2左右，榆林市低于FAO規(guī)定限值，為174.56 kg/hm2。可以看到，陜西省大部分地區(qū)化肥施用量大，其中關中地區(qū)、延安市化肥減施任務重，存在較大的節(jié)肥潛力。

在僅充分考慮畜禽糞尿養(yǎng)分替代化肥的情況下，陜西省單位播種面積化肥施用量可由561 kg/hm2降至507.3 kg/hm2，降幅約10%。而從區(qū)域角度分布看，各市（區(qū)）畜禽糞尿替代化肥潛力存在較大差異（圖3-c）。其中陜北兩市差距較大，榆林市為全省最高，達到了41.68%，而延安市僅6.68%；陜南三市替代潛力較平均，約為17%左右；關中地區(qū)替代潛力最弱，僅寶雞市替代潛力達到了12.35%，咸陽市為5.17%，其他三市均＜5%。

2018年陜西省畜牧業(yè)糞尿養(yǎng)分資源總量為21.98萬t（表5），同期化肥施用總量為229.6萬t，占化肥施用量的9.57%。雖然家禽的糞便養(yǎng)分含量普遍高于豬、牛、羊（表1），但由于糞便產(chǎn)生總量較低（圖1），因此4類畜禽糞尿養(yǎng)分的替代化肥潛力依次為牛糞尿（3.95%）＞羊糞尿（3.25%）＞豬糞尿（1.61%）＞家禽糞便（0.76%），且羊糞尿對氮肥的替代潛力最大，牛糞尿對鉀肥的替代潛力最大（表5）。

表5 2018年陜西省4類畜禽糞尿養(yǎng)分含量及替代化肥潛力Table 5 Nutrient yield in livestock and poultry faeces and its alternative potential to chemical fertilizer

3 討論

畜禽糞尿資源量的評估涉及畜禽種類、飼養(yǎng)期、飼養(yǎng)量、日均產(chǎn)排污系數(shù)和糞尿養(yǎng)分含量，上述變量在不同的地區(qū)取值均不相同，且相同地區(qū)前人在系數(shù)選擇方面也各不相同，因而評估結果存在一定的差異性[15]。劉曉永和李書田[21]在前人研究的基礎上，對畜禽糞尿產(chǎn)生量計算公式進行了修正，得到2010年陜西省糞尿產(chǎn)生量分別為4 041.92萬t，2 712.93萬t，并加權均值分地區(qū)計算出各種畜禽糞尿的氮磷鉀養(yǎng)分資源總量在20萬t～25萬t。本文從市（區(qū)）級尺度上，以年內存欄數(shù)為飼養(yǎng)量，基于相關系數(shù)計算分析了陜西省區(qū)域畜牧業(yè)（包括豬、牛、羊、家禽）糞尿資源現(xiàn)狀及單位播種面積畜禽糞尿負荷，評估了陜西省畜禽糞尿養(yǎng)分替代化肥潛力，有助于以市（區(qū)）級為單元，制定化肥減施方案和開展有機肥替代項目的整體推進。

陜西省不同市（區(qū)）畜禽糞尿產(chǎn)生量及空間分布情況大不相同，其主要是受各地經(jīng)濟發(fā)展水平的影響和制約，以及農業(yè)資源條件和農業(yè)生產(chǎn)方式的不同，導致畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生了高度集中化的主產(chǎn)區(qū)，不同畜禽品種主產(chǎn)區(qū)呈現(xiàn)出明顯的地域重合性及空間集中性的特點[28-29]。如：2018年畜牧業(yè)糞尿產(chǎn)生量榆林市最高，銅川市最低，這是因為榆林市以羊為產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點，羊糞尿年產(chǎn)生量占全省羊糞尿年產(chǎn)生量的64.5%，而只占全省面積不到2%的銅川市農業(yè)發(fā)展較弱，側重發(fā)展煤礦等第二產(chǎn)業(yè)。

長期以來，畜禽糞尿是我國農田有機肥養(yǎng)分的主要來源，農田也是消納畜禽糞尿所含養(yǎng)分的主要承載場所[1]，單位播種面積（指實際種植農作物的面積，不論是耕地或非耕地）上的畜禽糞尿負荷量，是衡量一個地區(qū)畜禽飼養(yǎng)密度大小、養(yǎng)殖業(yè)布局合理程度的重要依據(jù)[27]。農用地對糞尿的消納能力與土壤肥力和種植結構有關，一般情況下，耕地、園地、林地、牧草地和水面對糞尿的消納能力不同[15]，本文將其等同，以最低限量30 t/hm2為有機肥最大理論適宜量[1，26]，存在一定誤差。國家環(huán)境保護總局自然生態(tài)保護司編寫的《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調查及防治對策》中參考單位耕地面積，評估陜西省畜禽糞尿負荷量警報值r為0.23（Ⅰ級）[26]，與本文參考農作物播種面積得出的r值接近。但仍需警惕由于畜牧業(yè)與種植業(yè)結合不緊密，或種植業(yè)對肥料的季節(jié)性需求與糞尿全年產(chǎn)生之間的矛盾，所造成的規(guī)模化養(yǎng)殖場的潛在點源污染問題[15]。

中國是世界最主要化肥生產(chǎn)與施用大國，2016年中國化肥總產(chǎn)量約7 004萬 t，施用量約5 984萬 t，占世界總施用量的1/3[30]，目前主要存在化肥用量偏高、化肥增產(chǎn)邊際效應逐漸明顯、施肥不均衡現(xiàn)象突出、過度依賴無機肥料、有機肥料資源利用率較低、施肥結構不平衡等問題[14]。如果能夠將畜禽糞尿富含的氮磷鉀養(yǎng)分合理返還農田，將大大減少化學肥料的施用[31]。結合陜西省化肥施用現(xiàn)狀，如果僅充分考慮畜牧業(yè)糞尿作為有機肥資源，陜西省單位播種面積化肥施用量將由561 kg/hm2降至507.3 kg/hm2，替代量為9.57%（表5）。而陜西省每年可產(chǎn)生豐富的秸稈、枝葉等農業(yè)廢棄物，以2018年為例，陜西省主要作物秸稈養(yǎng)分總量為28.21萬t，替代化肥潛力為12.28%（表6）。因此，可以考慮采用畜牧業(yè)糞尿養(yǎng)分與秸稈養(yǎng)分相結合的方式替代化肥。

表6 2018年陜西省主要作物秸稈養(yǎng)分含量及替代化肥潛力Table 6 Nutrient content in main crops and its alternative potential to chemical fertilizer of Shaanxi province in 2018

假設采用畜牧業(yè)糞尿養(yǎng)分與秸稈養(yǎng)分相結合的替代方式，陜西省各市（區(qū)）化肥施用量均將不同程度減少（表7），其中，榆林市替代潛力高達69.15%，陜南三市替代潛力均值為38.35%，西安市與銅川市替代潛力提高幅度最大，分別達到3.69倍與3.09倍。依據(jù)現(xiàn)狀（圖3-a），咸陽市、渭南市、延安市單位播種面積化肥施用量極高，僅依靠當?shù)氐挠袡C肥資源，其化肥施用量仍為同期中國單位播種面積化肥施用量的2倍多；而榆林市和陜南地區(qū)單位播種面積化肥施用量本身低于或接近FAO限值，可考慮區(qū)域協(xié)作，將富余的畜禽糞尿與秸稈養(yǎng)分作為商品有機肥輸送到養(yǎng)分虧缺的區(qū)域。

表7 陜西省各市（區(qū)）畜禽糞尿與秸稈養(yǎng)分替代化肥潛力Table 7 Alternative potential of nutrient in livestock and poultry faeces and crop straw to chemical fertilizer of Shaanxi province

因此，根據(jù)不同區(qū)域有機肥結構和總量，科學確定有機肥綜合利用的技術途徑，其中，西安市、銅川市、寶雞市充分利用當?shù)匦笄菁S尿和秸稈養(yǎng)分，可分別降低單位播種面積化肥施用量15.84%、16.17%、24.33%；陜南地區(qū)、榆林市的畜禽糞尿與秸稈養(yǎng)分依據(jù)跨區(qū)域調控，就近消納原則，對應轉施于渭南市、咸陽市、延安市（圖4），則可將此3市的單位播種面積化肥施用量分別降低28.88%、28.80%、41.18%，以達到充分利用有機肥資源，降低陜西省整體化肥施用量的效果。

圖4 區(qū)域調控降低陜西省單位播種面積化肥施用量Figure 4 Regional regulation and control reduce the amount of fertilizer applied per unit sown area

相關研究表明，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%、62.6%[17，32]。但要實現(xiàn)有機肥對化肥的有效且充分替代，還應考慮農民的用肥習慣和經(jīng)濟效益，破除傳統(tǒng)有機肥腐熟周期長，營養(yǎng)損失大，勞動效益低、強度大等生產(chǎn)、應用與發(fā)展瓶頸，積極探索有機養(yǎng)分資源利用的有效模式[15]：一是推進有機肥資源化利用，支持規(guī)模化養(yǎng)殖企業(yè)利用畜禽糞便生產(chǎn)有機肥[33]，推廣規(guī)?；B(yǎng)殖+沼氣+社會化出渣運肥模式，加快開發(fā)適用市場的商品化有機肥、有機無機復混肥等；二是推進秸稈養(yǎng)分還田，推廣秸稈粉碎還田、快速腐熟還田、過腹還田等技術[34]，研發(fā)具有秸稈粉碎、腐熟劑施用、土壤翻耕、土地平整等功能的復式作業(yè)機具[35]，使秸稈取之于田、用之于田；三是種植綠肥作物，如豆科、禾本科、十字花科綠肥等[36]；四是結合測土配方施肥技術，實現(xiàn)糧食作物、設施農業(yè)及蔬菜、果樹、茶葉等經(jīng)濟園藝作物全覆蓋應用，創(chuàng)新肥料配方定制模式[14]。

4 結論

①2000—2018年陜西省畜牧業(yè)主要畜禽糞尿產(chǎn)生量為：牛＞豬＞羊＞家禽。

②2018年陜西省不同市（區(qū)）畜禽糞尿產(chǎn)生量、來源不同，存在地域性特點。

③2018年陜西省、各市（區(qū)）單位播種面積畜禽糞尿負荷量警報值r＜0.4，為Ⅰ級，對環(huán)境無污染風險。

④陜西省畜牧業(yè)糞尿養(yǎng)分替代化肥潛力約為10%。

⑤通過科學評估陜西省各市（區(qū)）畜禽糞肥資源現(xiàn)狀及其替代化肥潛力，依據(jù)區(qū)域協(xié)作、就近消納原則，可提高陜西省資源循環(huán)利用效率，實現(xiàn)化肥減施。