程海燕,蘇永東,周育智2,,胡 翩,牛經(jīng)緯,徐燕飛,陳孝楊2,

(1. 平安煤炭開(kāi)采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232033;2. 安徽省煤礦綠色低碳發(fā)展工程研究中心,安徽 淮南 232000;3. 淮河能源(集團(tuán))股份有限公司,安徽 淮南 232001;4. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

【研究意義】我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)活動(dòng)伴隨大量秸稈和畜禽糞污等農(nóng)業(yè)固體廢棄物的產(chǎn)生,理論上全國(guó)每年秸稈可收集資源約為9×108t,綜合利用率約80%[1]。畜禽糞污每年產(chǎn)生量高達(dá)38×108t,但綜合利用率卻不足60%[2]。農(nóng)業(yè)固廢在利用過(guò)程中具有兩面性,一方面在糧食主產(chǎn)區(qū)易出現(xiàn)秸稈季節(jié)性和結(jié)構(gòu)性過(guò)剩的問(wèn)題,短時(shí)間無(wú)法處理和收儲(chǔ)大量秸稈,易出現(xiàn)秸稈就地焚燒、丟棄在田間地頭等現(xiàn)象[3]。畜禽糞污則會(huì)在堆放過(guò)程中除了會(huì)產(chǎn)生CH4等溫室氣體外,還會(huì)向周?chē)h(huán)境釋放H2S、NH3、醇類(lèi)、胺類(lèi)、吲哚等惡臭物質(zhì)影響周?chē)h(huán)境[4]。另一方面秸稈和畜禽糞污中都含有豐富的有機(jī)物質(zhì),在腐殖化和分解作用下,進(jìn)一步釋放大量N、P、K等養(yǎng)分元素,是種植業(yè)重要的有機(jī)肥來(lái)源[5]。農(nóng)業(yè)固廢肥料化利用對(duì)減少化肥投入、改善耕地質(zhì)量具有重要意義。我國(guó)也是合成肥料的主要生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),化肥年施用量占全球35%[6],數(shù)量高達(dá)0.60×108t,其中氮肥約占0.24×108t[7],與有機(jī)肥料相比,化肥成本低且使用方便,使的農(nóng)戶對(duì)化肥依賴(lài)性過(guò)高[8],而過(guò)度施用化肥會(huì)導(dǎo)致一系列環(huán)境問(wèn)題,如氨揮發(fā)、反硝化、溫室氣體排放、空氣污染等[9],進(jìn)一步促使土壤酸化板結(jié)、微生物活性和多樣性降低、肥力降低,導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降[10]。因此,轉(zhuǎn)變施肥方式,減少不合理化肥投入,增加有機(jī)肥利用比率,顯得尤為重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)多位專(zhuān)家學(xué)者就不同地區(qū)秸稈和畜禽糞污代替化肥情況進(jìn)行了分析,黃巧義等[11]對(duì)廣東省水稻、玉米、薯類(lèi)、花生和大豆5種農(nóng)作物秸稈數(shù)量和養(yǎng)分資源量進(jìn)行了估算,得出秸稈代替N、P2O5、K2O的潛力分別為22%、19%和70%。汪秋云等[12]估算黃淮海平原秸稈養(yǎng)分資源總量約為678.60×104t,發(fā)現(xiàn)旱作區(qū)秸稈代替化肥潛力較大。馮璞陽(yáng)等[13]對(duì)陜西省牛、豬、羊和家禽糞污養(yǎng)分進(jìn)行估算,得出糞污中N、P2O5、K2O含量分別為10.60、2.35和9.03×104t,約為同期化肥使用量9.57%。石曉曉等[14]估算我國(guó)8種畜禽糞便養(yǎng)分資源總量約為0.47×108t,并指出肥料化利用率受種養(yǎng)分離、農(nóng)田污染負(fù)荷等影響。【本研究切入點(diǎn)】當(dāng)前相關(guān)研究大都只考慮秸稈或者畜禽糞污其中一種肥料化利用潛力,難以反映一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)固廢整體養(yǎng)分情況,此外,對(duì)國(guó)家、省市層面研究較多,區(qū)縣等小尺度研究薄弱,難以反映微觀尺度畜禽糞便潛力的空間差異。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以皖北區(qū)縣為基本單元,綜合考慮農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污以及糞肥利用情景對(duì)養(yǎng)分資源的影響,定量分析農(nóng)業(yè)固廢肥料化利用潛力,明確各區(qū)縣氮磷養(yǎng)分供需關(guān)系,對(duì)優(yōu)化區(qū)域施肥結(jié)構(gòu),合理配置養(yǎng)分資源具有一定參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)選取與數(shù)據(jù)來(lái)源

皖北地區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年平均氣溫15.5～16.6 ℃,年平均降雨522.5～698.4 mm,無(wú)霜期200～250 d,水熱條件良好。研究區(qū)域包括淮南、淮北、蚌埠、阜陽(yáng)、宿州和亳州6個(gè)市共35個(gè)區(qū)縣。皖北地區(qū)是安徽省最大的農(nóng)業(yè)種植基地,農(nóng)作物種植面積約為26.26×104hm2,占全省種植農(nóng)作物面積的53.15%[15],農(nóng)作物秸稈主要以水稻、小麥、玉米為主,約占秸稈可收集資源總量的88%,以豆類(lèi)和油料作物為輔[16]。豐富的農(nóng)業(yè)資源也帶動(dòng)了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,皖北地區(qū)糞污資源量約占全省57%[17](數(shù)據(jù)主要來(lái)自2017—2021年發(fā)布的統(tǒng)計(jì)年鑒,具體包括農(nóng)作物產(chǎn)量、種植面積和化肥使用量信息,以及畜禽年當(dāng)年出欄數(shù)量或年末存欄數(shù)量信息)。

1.2 農(nóng)作物養(yǎng)分需求量計(jì)算

為估算皖北地區(qū)主要農(nóng)作物養(yǎng)分需求,按照單位種植面積農(nóng)作物氮磷需求量和種植面積對(duì)其進(jìn)行估算,具體公式如下:

(1)

式中,D為主要農(nóng)作物總氮總磷需求量(kg);Cij為i地區(qū)第j種作物的播種面積(hm2);Rij為i地區(qū)第j種作物單位面積氮(磷)需求量(kg/hm2)。

參考年鑒資料和相關(guān)研究得出皖北地區(qū)5種類(lèi)別農(nóng)作物播種面積及氮磷需求量(表1),其中水稻單位面積養(yǎng)分需求量參考安徽省平均施氮磷量,小麥、玉米、豆類(lèi)和油料單位面積養(yǎng)分需求量參考孫超等[18]使用的數(shù)值。

表1 皖北地區(qū)主要作物播種面積及養(yǎng)分需求量

1.3 秸稈還田氮磷供給量計(jì)算

秸稈還田氮磷供給量計(jì)算主要由各類(lèi)農(nóng)作物秸稈可收集資源量、氮磷養(yǎng)分含量以及還田率相乘得到的,具體公式如下:

(2)

式中,T為氮磷供給量(×104t);CSi為第i種秸稈可收集資源量(×104t);Hi為第i中秸稈中氮磷養(yǎng)分含量(g/kg);I秸稈還田率。

CSi=Qi×Ri×Ci

(3)

式中,Qi為第i種農(nóng)作物產(chǎn)量(×104t);Ri為第i種農(nóng)作物草谷比;Ci為第i種農(nóng)作物秸稈可回收系數(shù)。

草谷比定義為某種農(nóng)作物單位面積秸稈產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量的比值。由于農(nóng)作物收割方式和留茬高度不同,考慮到秸稈損耗,利用可收集系數(shù)進(jìn)行折減,更符合實(shí)際情況。草谷比和可收集系數(shù)取值分別參考王曉玉等[19]和李勝男等[20]的研究結(jié)果,不同秸稈養(yǎng)分含量取值參考程文龍等[21]的研究結(jié)果(表2)。考慮到2020年蚌埠、阜陽(yáng)和宿州秸稈肥料化利用率都在50%左右,故I取0.5。

表2 主要農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分含量、草谷比和可收集系數(shù)

1.4 畜禽糞污還田氮磷供給量計(jì)算

畜禽糞污中氮磷供給量主要是通過(guò)各類(lèi)畜禽數(shù)量、飼養(yǎng)周期以及糞污中氮磷排放量3種指標(biāo)來(lái)計(jì)算,具體公式如下:

(4)

式中,TN(TP)為畜禽糞便總氮磷產(chǎn)生量(t),Ni為第i類(lèi)畜禽飼養(yǎng)量(頭或只);Ti為第i類(lèi)畜禽飼養(yǎng)周期(d);Ei為第i類(lèi)畜禽每日氮磷排放量(g/d)。

皖北地區(qū)常見(jiàn)的牲畜包括牛、羊、豬等,牛、羊一般當(dāng)年不出欄,飼養(yǎng)周期按照365 d來(lái)計(jì)算,生豬飼養(yǎng)周期為199 d[22]。皖北地區(qū)蛋禽數(shù)量約為肉禽數(shù)量的1/5,故以肉禽糞數(shù)量為家禽飼養(yǎng)數(shù)量,肉禽飼養(yǎng)周期一般為55 d[23]。牛、羊飼養(yǎng)量以年末存欄量為準(zhǔn),生豬和家禽則采用當(dāng)年出欄量作為年飼養(yǎng)量。畜禽每日氮磷排放量參考孫超等[18]使用的數(shù)值(表3)。

表3 皖北地區(qū)畜禽糞污氮磷排放量

1.5 畜禽糞污3種利用情景設(shè)置

畜禽糞污在高溫、潮濕的條件下,會(huì)逐漸發(fā)酵腐熟,整個(gè)堆肥過(guò)程中會(huì)造成一定的養(yǎng)分損失,氮肥常見(jiàn)的損失途徑包括揮發(fā)損失、地表徑流損失、硝化-反硝化損失、淋溶損失等,損失率可以達(dá)40%。磷肥損失主要方式包括徑流損失和無(wú)效化損失,在長(zhǎng)期施肥條件下,磷肥損失率接近20%[24]。因此,需要考慮不同的處理工藝和使用場(chǎng)景下養(yǎng)分損失情況,本研究只考慮氮磷在堆肥、沼氣和儲(chǔ)藏過(guò)程中損失比例,具體參考靳紅梅等[25]和付廣青等[26]研究結(jié)果(表4)。

根據(jù)皖北地區(qū)糞污常見(jiàn)處理工藝,設(shè)立3種利用情景(圖1)。情景一:畜禽固體糞便收集儲(chǔ)藏堆放后就地還田,家畜尿液不儲(chǔ)藏,收集后直接排放;情景二:收集的畜禽固體糞便經(jīng)儲(chǔ)藏堆放后利用,家畜尿液經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生的沼渣、沼液就地還田利用;情景三:收集后的畜禽固體糞便經(jīng)堆肥加工為商品有機(jī)肥,就地或在周邊地區(qū)利用,家畜尿液經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生的沼渣、沼液就地還田利用。

圖1 畜禽糞污3種利用情景Fig.1 Three utilization scenarios of livestock manure

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷養(yǎng)分需求量現(xiàn)狀

根據(jù)近五年皖北地區(qū)不同農(nóng)作物平均種植面積,結(jié)合單位面積農(nóng)作物在中等肥力需求下的養(yǎng)分需求量,來(lái)估算各區(qū)縣農(nóng)作物整個(gè)生長(zhǎng)周期氮磷需求量。結(jié)果顯示氮磷需求總量分別為80.26×104和13.35×104t左右,不同農(nóng)作物氮磷需求量存在差異。農(nóng)作物對(duì)氮需求量從大到小依次為小麥(41.75×104t)、玉米(16.83×104t)、豆類(lèi)作物(11.72×104t)、水稻(8.37×104t)、油料作物(1.59×104t)。農(nóng)作物對(duì)磷需求量為小麥(7.06×104t)、玉米(3.13×104t)、豆類(lèi)作物(1.43×104t)、水稻(1.39×104t)、油料作物(0.33×104t)。各市農(nóng)作物氮磷養(yǎng)分需求量大小關(guān)系為:阜陽(yáng)>宿州>亳州>蚌埠>淮南>淮北(表5)。

表5 皖北各市養(yǎng)分需求量與供給量

2.2 氮磷養(yǎng)分供給量現(xiàn)狀

皖北地區(qū)主要農(nóng)作物秸稈可收集資源量約為0.20×108t,理論上這些秸稈中氮磷供給量分別在7.78×104和1.02×104t,秸稈氮養(yǎng)分供給量由大到小依次為小麥(3.18×104t)、玉米(2.23×104t)、水稻(1.14×104t)、豆類(lèi)(0.74×104t)、油料(0.48×104t),秸稈磷養(yǎng)分供給量分別為小麥(0.37×104t)、玉米(0.36×104t)、水稻(0.17×104t)、豆類(lèi)(0.08×104t)、油料(0.04×104t)。

皖北地區(qū)牛、羊、豬和家禽養(yǎng)殖總量分別為66.48萬(wàn)頭、510.67萬(wàn)只、1210.37萬(wàn)頭和3.83億只。這些畜禽每年產(chǎn)生的糞污中氮養(yǎng)分供給量約為13.61×104t,磷養(yǎng)分供給量約為3.06×104t,其中固體糞便中氮磷含量分別為6.97×104和2.67×104t,家畜尿液中氮磷含量分別為6.64×104和0.40×104t。畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量分別為豬(65.8%)、牛(19.4%)、家禽(7.6%)、羊(7.2%),磷養(yǎng)分供給量分別為豬(63.0%)、牛(18.3%)、家禽(14.7%)、羊(4.0%)。各市畜禽糞污養(yǎng)分供給量大小關(guān)系為阜陽(yáng)>宿州>蚌埠>亳州>淮南>淮北。

2.3 畜禽糞污利用情景分析

畜禽糞污在3種利用情景下氮磷養(yǎng)分損失情況存在差異,情景一會(huì)使得68.2%氮和54.8%磷會(huì)直接進(jìn)入環(huán)境中,主要因?yàn)槟蛞褐苯优欧诺江h(huán)境中,沒(méi)有還田使用從而造成大量養(yǎng)分流失,氮和磷最終還田量分別為4.33×104和1.38×104t;若采用情景二處理畜禽糞污,即畜禽固體糞便儲(chǔ)藏還田,家畜尿液經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生的沼渣、沼液就地還田利用,這種利用模式能很好地利用家畜尿液,接近10.38×104t氮和1.74×104t磷進(jìn)入農(nóng)田,氮和磷損失分別降低至23.7%和42.4%;若采用情景三利用模式處理畜禽糞污,即畜禽固體糞便商業(yè)堆肥,家畜尿液經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生沼渣、沼液就地還田利用,畜禽糞污商業(yè)化利用保存了更多磷元素,使得氮和磷損失率進(jìn)一步降低到20.1%和10.3%,氮和磷最終還田量分別達(dá)10.87×104和2.75×104t(圖2)。

圖2 3種情景下畜禽糞污氮磷還田量Fig.2 Amount of nitrogen and phosphorus returned from livestock manure under three scenarios

總得來(lái)說(shuō)情景一中磷損失率最大,還田量最少,情景二較情景一顯著減少家畜尿液中氮損失,提升了氮的還田量,而情景三在情景二的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了固體糞便中磷的損失,所以就減少氮磷損失的角度來(lái)分析,情景三是當(dāng)前畜禽糞污處理方式的最優(yōu)解。

2.4 區(qū)縣氮磷養(yǎng)分需求量與供給量空間分布

為了最大化利用畜禽糞污中養(yǎng)分,采用情景三中畜禽糞污處理方式來(lái)估算畜禽糞污養(yǎng)分供給量,實(shí)際數(shù)值還需減去養(yǎng)分損耗(氮20.1%、磷10.3%)。從區(qū)縣整體情況來(lái)看,農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中氮和磷需求量分布保持一致,需求量較高區(qū)縣主要集中在中部地區(qū),南部地區(qū)只有壽縣需求量較大,埇橋區(qū)和壽縣農(nóng)作物氮需求量都超過(guò)5.40×104t,磷需求量都超過(guò)0.89×104t,中部地區(qū)包括渦陽(yáng)縣、蒙城縣、懷遠(yuǎn)縣、濉溪縣、靈璧縣等氮需求量都超過(guò)4.30×104t,磷需求量都在0.72×104t之上(圖3-a和圖3-b)。秸稈還田氮磷供給量較大區(qū)縣也集中在中部地區(qū),壽縣氮和磷供給量最大,分別達(dá)到0.63×104和0.09×104t,蒙城縣、埇橋區(qū)、利辛縣、泗縣等地區(qū)氮供給量都大于4.20×104t,磷供給量都大于0.05×104t(圖3-c和圖3-d)。畜禽糞污氮磷供給量較秸稈供給量有較大差別,主要集中在西南部和東北部,埇橋區(qū)和臨泉縣氮供給量相近,約為0.82×104t,磷供給量約為0.21×104t,西南部潁上縣、阜南縣和東北部的固鎮(zhèn)縣、蕭縣、靈璧縣、泗縣等氮供給量都大于0.50×104t,磷供給量都大于0.13×104t(圖3-e和圖3-f)。皖北地區(qū)養(yǎng)分供需關(guān)系整體上是農(nóng)作物氮磷需求量>畜禽糞污氮磷供給量>秸稈還田氮磷供給量,且需求量遠(yuǎn)大于供給量之和,提高供給量顯得十分重要,故應(yīng)保證無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的前提下,適當(dāng)增加秸稈和畜禽糞污肥料化利用比例,增加氮磷養(yǎng)分供給量。

圖3 皖北地區(qū)氮磷供需量分布情況Fig.3 Distribution of nitrogen and phosphorus supply and demand in Northern Anhui

2.5 區(qū)縣氮磷養(yǎng)分供需關(guān)系

通過(guò)對(duì)皖北地區(qū)養(yǎng)分供給量進(jìn)行估算,結(jié)合不同來(lái)源氮磷供給所占比例,可以更全面更直觀地反應(yīng)養(yǎng)分供需關(guān)系。從畜禽糞污、秸稈還田和其它方式氮磷供給量三個(gè)方面分析,三者之和即是農(nóng)作物養(yǎng)分需求量。龍子湖區(qū)畜禽糞污氮磷供給量占比明顯大于其他區(qū)縣,畜禽糞污氮磷供給量分別占總需求量的50%和76%,表明該區(qū)畜禽糞污氮磷供給量可以很大程度減少養(yǎng)分需求的壓力。除此之外,臨泉縣、蕭縣、固鎮(zhèn)縣、五河縣、潁州區(qū)和八公山區(qū)畜禽糞污氮供給量占比也都超過(guò)20%,其中,臨泉縣的牛糞污、蕭縣的羊糞污、固鎮(zhèn)縣和五河縣家禽糞便中養(yǎng)分供給量較豐富。濉溪縣、渦陽(yáng)縣、謝家集區(qū)等區(qū)縣其它方式氮補(bǔ)給量超過(guò)82%,表明這些區(qū)縣對(duì)外來(lái)氮源依賴(lài)程度較大。磷養(yǎng)分供需關(guān)系整體趨勢(shì)與氮保持一致,畜禽糞污氮供給量占比大都處于7%～20%,秸稈還田氮供給量則介于7%～12%(圖4-a和圖4-b),磷養(yǎng)分供給量占比略高于氮,說(shuō)明皖北地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中氮的需求程度大于磷,且更依賴(lài)其它方式氮磷養(yǎng)分的補(bǔ)給,需要人工額外施用單質(zhì)肥或者復(fù)合肥。

圖4 皖北地區(qū)氮養(yǎng)分(a)與磷養(yǎng)分(b)供需比例關(guān)系Fig.4 Supply and demand ratio of nitrogen nutrient (a) and phosphorus nutrient (b) in Northern Anhui

2.6 各市施肥結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與建議

除了秸稈和畜禽糞污可以提供氮磷養(yǎng)分外,直接施用化肥也可以為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供豐富的氮磷養(yǎng)分。2020年皖北地區(qū)各類(lèi)化肥施用量(折純)約為153.23×104t,除了鉀單質(zhì)肥之外,氮磷單質(zhì)肥施用量分別為40.66×104和10.41×104t,復(fù)合肥施用量約為90.82×104t。各市施肥習(xí)慣存在差異,相較而言,蚌埠市偏向施用單質(zhì)肥,阜陽(yáng)市則施用復(fù)合肥較多(表6)。為了估算化肥中氮磷養(yǎng)分含量,需將復(fù)合肥折算成單質(zhì)肥,以我國(guó)通用型復(fù)合肥(氮磷鉀養(yǎng)分含量相等)為標(biāo)準(zhǔn),則復(fù)合肥有效養(yǎng)分中氮或磷單質(zhì)肥含量約為其質(zhì)量的1/3[27]。氮肥總量為氮單質(zhì)肥與復(fù)合肥折算單質(zhì)肥之和,磷肥計(jì)算與氮肥一致。結(jié)果顯示蚌埠施用化肥折算成氮肥總量最大,約為11.43×104t,磷肥總量最大的是阜陽(yáng)市,約為8.57×104t。

表6 皖北各市化肥折算成氮肥磷肥總量

為了更好反映各市施肥結(jié)構(gòu)情況,需綜合考慮農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污和化肥氮磷供(補(bǔ))給量與需求量之間的關(guān)系,化肥補(bǔ)給量與其折算成氮磷總量相同。各市的氮磷需求量整體為阜陽(yáng)>宿州>亳州>蚌埠≈淮南>淮北,各市氮養(yǎng)分供需關(guān)系不同,阜陽(yáng)和淮北氮供(補(bǔ))給量略高于需求量,表明正常使用三種肥料,基本滿足農(nóng)作物正常生長(zhǎng)需求。宿州和亳州供(補(bǔ))給量小于需求量,且秸稈和畜禽糞污對(duì)氮磷貢獻(xiàn)偏小,表明保持原有施肥結(jié)構(gòu)可能造成養(yǎng)分短缺,建議未來(lái)在保證化肥施用量不變的基礎(chǔ)上增加秸稈和糞污肥料化利用量。蚌埠和淮南供(補(bǔ))給量明顯高于需求量,且化肥施用量偏大(圖5),這種施肥結(jié)構(gòu)下不僅浪費(fèi)肥料養(yǎng)分,甚至?xí)绊戅r(nóng)用地土壤質(zhì)量,建議在保證秸稈和糞污肥料化利用量不變的基礎(chǔ)上,適當(dāng)減少化肥使用量,提高氮磷養(yǎng)分有效利用率。

圖5 皖北各市施肥結(jié)構(gòu)Fig.5 Fertilization structure of cities in Northern Anhui

3 討 論

農(nóng)業(yè)固廢資源量會(huì)直接影響?zhàn)B分供給潛力的估算,合理選取系數(shù)十分重要,秸稈資源量估算主要受草谷比和可收集系數(shù)取值影響,不同地域的氣候類(lèi)別、土壤成分、播種季節(jié)、農(nóng)作物品種存在明顯差異,會(huì)引起農(nóng)作物秸稈的草谷比和可收集系數(shù)取值也有所不同,例如:晚熟水稻的草谷比大于早熟水稻,平展葉型玉米的草谷比大于緊湊葉型玉米,育種改良后水稻由高稈轉(zhuǎn)化為矮稈,草谷比隨之降低[3]。除此之外,種植技術(shù)、收割方式和測(cè)量方法均會(huì)對(duì)取值產(chǎn)生較大影響[28]。本研究草谷比主要參考安徽省大田作物秸稈取值,估算的秸稈資源量約為0.20×108t,在研究區(qū)與秸稈種類(lèi)相同的情況下,樊瓊等[16]估算資源量約為0.28×108t,取值參考長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)的草谷比系數(shù),為了減少取值帶來(lái)的誤差,未來(lái)可以考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)取值系數(shù)進(jìn)行修正,保證所得數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。不同畜禽每天產(chǎn)生的糞污量和氮磷排放量存在較大差異,通常情況下畜禽每日氮磷產(chǎn)生規(guī)律為牛>豬>羊>家禽。受不同地區(qū)飼養(yǎng)方式和畜禽品種不同,畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中氮磷產(chǎn)生量具有明顯的區(qū)域特征,例如,我國(guó)華東地區(qū)豬每日氮磷排放量(47.25、5.13 g/d)遠(yuǎn)大于西北地區(qū)(31.73、4.22 g/d)[29]。已經(jīng)有學(xué)者對(duì)固鎮(zhèn)縣的畜禽氮磷產(chǎn)量進(jìn)行研究[18],而固鎮(zhèn)縣屬于皖北地區(qū),故采用的氮磷每日排放量與其一致。

從區(qū)縣養(yǎng)分供需關(guān)系中得出,畜禽糞污磷供給量占比大都介于15%～30%,秸稈還田磷供給量占比大都處于7%～9%,整體上磷供給比例大于氮,表明皖北地區(qū)氮肥需求量大,在施肥過(guò)程中更應(yīng)保證氮肥的使用量,防止農(nóng)作物因缺少氮肥出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、植株矮小、莖葉瘦弱、分枝分蘗減少等早衰現(xiàn)象[30],龍子湖區(qū)和固鎮(zhèn)縣糞污氮磷養(yǎng)分供給占比較高,可以很大緩解當(dāng)?shù)仞B(yǎng)分需求壓力,但在肥料化利用過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)周?chē)h(huán)境的影響,過(guò)量使用畜禽糞污會(huì)導(dǎo)致氮磷和無(wú)機(jī)鹽含量增加,當(dāng)超過(guò)環(huán)境消納量,可能引起周?chē)w富營(yíng)養(yǎng)化和土壤中溶解鹽堆積,改變土壤理化性質(zhì),影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)[31]。此外,人工大規(guī)模飼養(yǎng)畜禽所產(chǎn)生的糞便重金屬和抗生素含量偏高,這些畜禽糞污進(jìn)入土壤,也可能引起相關(guān)污染[32]。為了降低畜禽糞污重金屬對(duì)土壤的影響,可以考慮在堆肥過(guò)程中加入生物炭,不僅能促進(jìn)腐殖酸形成,還可以促進(jìn)重金屬鈍化,降低糞肥生物毒性[33]。秸稈還田可以明顯降低土壤容重,促進(jìn)土壤含水率和速效養(yǎng)分的提升[34],但在自然條件下秸稈腐解周期長(zhǎng),殘存部分不利于農(nóng)作物根系生長(zhǎng),還會(huì)加劇病蟲(chóng)害侵?jǐn)_[35]。因此,秸稈還田過(guò)程中應(yīng)重視秸稈腐解速率和病害的防控等問(wèn)題,可以考慮使用有益菌劑、藥劑和微生物防治等技術(shù),縮減秸稈腐解時(shí)間,抑制秸稈中病原微生物和蟲(chóng)卵生長(zhǎng),加快秸稈養(yǎng)分融入土壤膠體[36]。

各市施肥結(jié)構(gòu)顯示化肥氮磷補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于秸稈和畜禽糞污,其中,化肥中氮養(yǎng)分約為秸稈還田供給量的9倍,畜禽糞污供給量的7倍,這表明化肥在養(yǎng)分供給方面依舊占據(jù)主導(dǎo)地位?；茨?、蚌埠、阜陽(yáng)和淮北市供(補(bǔ))給量均大于需求量,化肥過(guò)量使用問(wèn)題依舊存在,張靖雨等[37]分析了安徽省畜禽養(yǎng)殖土地承載力,認(rèn)為當(dāng)前土地消納畜禽糞污量未超過(guò)環(huán)境容量,因此,各市應(yīng)積極調(diào)整施肥結(jié)構(gòu),減少化肥施用量,提高有機(jī)肥、秸稈和畜禽糞污肥料化利用比率。單獨(dú)施用有機(jī)肥化成本高,會(huì)制約農(nóng)戶施用的積極性[38],李亞莉等[39]發(fā)現(xiàn)化肥配施有機(jī)肥可以顯著提高玉米產(chǎn)量、N素吸收量和籽粒Zn濃度,Anas等[40]有機(jī)無(wú)機(jī)肥聯(lián)合使用改善土壤性質(zhì)、真菌群落結(jié)構(gòu)多樣性以及提高水稻產(chǎn)量,因此,可考慮采用化肥配施有機(jī)肥方式,不僅降低部分成本,還可提高作物產(chǎn)量。此外,應(yīng)提倡精細(xì)化施肥策略,根據(jù)農(nóng)作物種類(lèi),耕地輪作類(lèi)型科學(xué)配肥、施肥,加快形成化肥減量、耕地質(zhì)量提升、種養(yǎng)業(yè)高度協(xié)同高質(zhì)量發(fā)展新格局,實(shí)現(xiàn)區(qū)域化肥減量增效,鞏固落實(shí)化肥農(nóng)藥使用零增長(zhǎng)策略。

4 結(jié) 論

皖北地區(qū)農(nóng)作物氮磷養(yǎng)分需求量分別為80.26×104和13.35×104t,按照當(dāng)前農(nóng)業(yè)固廢利用情況估算得出秸稈還田氮磷養(yǎng)分供給量分別為7.78×104和1.02×104t,畜禽糞污氮磷養(yǎng)分供給量分別為13.61×104和3.06×104t。糞污常見(jiàn)處理方式中,以畜禽固體糞便商業(yè)堆肥,家畜尿液經(jīng)沼氣處理后產(chǎn)生沼渣、沼液就地還田效益最優(yōu),氮磷養(yǎng)分損耗分別為20.1%和10.3%。區(qū)縣養(yǎng)分供需關(guān)系表明僅施用秸稈和糞污肥料化不能滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求,還需額外施用單質(zhì)肥或復(fù)合肥,且氮肥需求程度大于磷肥。2020年皖北地區(qū)化肥施用量約為153.23×104t,折算成氮磷肥總量分別為70.94×104和40.69×104t,市級(jí)養(yǎng)分供需關(guān)系表現(xiàn)為蚌埠和淮南供大于需,宿州和亳州供小于需,阜陽(yáng)和淮北供需基本持平。各市應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu),可采用化肥配施有機(jī)肥的方式,促進(jìn)區(qū)域化肥減量增效,加大有機(jī)肥研發(fā)力度,擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,降低生產(chǎn)和運(yùn)輸成本,力爭(zhēng)部分替代甚至完全替代化肥使用,形成畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植聯(lián)動(dòng)模式。