易湘琳 宋李思瑩 李汪晟 彭河山 吳根義、2

1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)； 2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所

湖南省是我國的畜禽養(yǎng)殖大省，生豬養(yǎng)殖量尤為大，畜禽養(yǎng)殖廢棄物產(chǎn)生量大且地區(qū)分布不均，造成部分地區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染較為嚴(yán)重。畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染占湖南省污染物排放總量的比重較大，根據(jù)《2012 年湖南省環(huán)境狀況公報(bào)》 數(shù)據(jù)顯示，2012 年COD 排放總量為126.33 萬噸， 其中農(nóng)業(yè)源排放量為56.73 萬噸，占排放總量的44.91%。 氨氮排放總量為16.13 萬噸，其中農(nóng)業(yè)源排放量為6.26 萬噸， 占排放總量的38.81%。畜禽養(yǎng)殖廢棄物隨意排放或不合理利用已成為湖南省污染物排放總量的主要來源之一。畜禽養(yǎng)殖廢棄物同時(shí)也可作為農(nóng)業(yè)種植的肥料得到合理利用，一方面解決養(yǎng)殖廢棄物污染問題， 另一方面也可減少農(nóng)業(yè)種植化肥施用量，提高土壤和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。 畜禽廢棄物能確保得到合理利用的前提是實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)種養(yǎng)平衡，降低運(yùn)輸成本和施用難度。 本研究依據(jù)在特定地理區(qū)域范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所能夠消納畜禽廢棄物的能力核算出湖南省各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖承載力。

一、核算方法

1.方法確定

氮是絕大多數(shù)影響農(nóng)作物產(chǎn)量的限制因子，氮肥的施入量能否滿足作物的需求決定了作物的產(chǎn)量。氮平衡是利用物質(zhì)平衡原理，即：盈余量=輸入量-輸出量。 通過量化核算區(qū)域內(nèi)氮元素的各個(gè)輸入和輸出項(xiàng)，利用計(jì)算結(jié)果判斷氮的盈余或缺損的情況，將區(qū)域內(nèi)能承受的輸入量轉(zhuǎn)化為豬當(dāng)量畜禽數(shù)量，即區(qū)域畜禽養(yǎng)殖承載能力。

2.模式構(gòu)建

參照湖南省畜禽廢棄物承載力指數(shù)定義，在一定的土地供肥能力和單位面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)預(yù)期產(chǎn)量條件下，不考慮化學(xué)肥料供給，完全由畜禽糞便提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需肥量（需氮量）的理想狀況下，這種狀況下得到的環(huán)境承載量即為土地當(dāng)量畜禽的最大承載量。其計(jì)算參照《畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》[1]中的相關(guān)公式如下：

式中：A 表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥量， 湖南省畜禽養(yǎng)殖廢棄物主要農(nóng)業(yè)利用方式為種植業(yè)農(nóng)田利用和生態(tài)林利用，包括農(nóng)作物生長和生態(tài)林所需要投入的肥料總量，噸/公頃；S 為土壤供肥量，噸/公頃；d 為出欄一頭生豬排放進(jìn)入土壤的氮素量；r 為畜禽糞便的年季利用率， 有研究表明有機(jī)肥的年季利用率在23%～50%之間，為降低環(huán)境污染，本研究采用最低養(yǎng)分損失進(jìn)行，即r 取值為0.5；a 為施用有機(jī)肥占比率。

二、氮平衡法核算湖南省各參數(shù)取值確定

1.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥量A 的確定

(1)湖南各市縣種植業(yè)需肥量核算。湖南農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好， 農(nóng)業(yè)資源十分豐富， 主要糧食作物有水稻、玉米、大豆、薯類，其它主要農(nóng)作物也包含油菜、茶葉、柑橘等。 因此，本研究選擇這7 類主要作物作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象。

通過總結(jié)國內(nèi)外研究和《肥料手冊(cè)》[2]確定農(nóng)作物氮養(yǎng)分消耗標(biāo)準(zhǔn)，本研究氮素取值為：每生產(chǎn)100 千克稻谷需從土壤中吸收氮為2.2 千克， 玉米為2.5 千克，大豆為5.3 千克，大豆為5.3 千克，薯類為0.25 千克，油料為8 千克，蔬菜為0.28 千克，茶葉為1.1 千克，水果類為0.4 千克。 單位面積作物產(chǎn)量參照《2014年湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[3]。計(jì)算出主要農(nóng)作物需氮量如表2-1。

（2）湖南省及其各市縣生態(tài)林地可消納畜禽廢棄物量。 目前，利用畜禽廢棄物對(duì)生態(tài)林地進(jìn)行生產(chǎn)是畜禽廢棄物的一種新型的利用途徑，既解決了生態(tài)林地用肥問題，又提供了一種解決畜禽養(yǎng)殖廢棄物的方法。 一棵林木一年可施入的畜禽糞便等有機(jī)肥在25～45 千克之間，每畝林地一般種植樹木100 棵左右，施入林地的有機(jī)肥氮素含量一般在1.5%左右。 由此可得到每公頃林地年需肥量為100×15×35×0.015=787.5千克/公頃。

因此，結(jié)合《2014 年湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》中湖南省各市縣的生態(tài)林（生態(tài)林包括用材林、防護(hù)林和特種用途林等三種類型）用地面積和單位林地需氮量得到湖南省各地市生態(tài)林需氮量情況。 結(jié)果見表1。

表1 湖南省各地市農(nóng)業(yè)種植、生態(tài)林需肥量（單位:千克）

2.土壤供肥量S 的確定

(1)湖南省土壤有效氮平均含量。 湖南省種植區(qū)的土壤劃分為地帶性土壤和非地帶性土壤兩種類型，地帶性土壤主要為紅壤和黃壤，其中紅壤面積約為全省土地總面積的51.0%， 黃壤占全省土地總面積的12.24%。 非地帶性土壤主要有水稻土、紫色土和石灰土，分別占全省土地面積的百分比為16.5%、7.86%和6.9%。

本實(shí)驗(yàn)選取長沙縣、望城縣、攸縣等有連續(xù)5 年以上耕作歷史的8 個(gè)取樣點(diǎn)，其中3 個(gè)取樣點(diǎn)為水田、3 個(gè)點(diǎn)為旱地菜園、2 個(gè)點(diǎn)為生態(tài)林地， 取樣點(diǎn)具體分布見表2.4，檢測(cè)方法按照國標(biāo)《森林土壤水解性氮的測(cè)定》LY-T 1229-1999 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)。 對(duì)全省各檢測(cè)點(diǎn)不同土壤樣品進(jìn)行采集，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 檢測(cè)點(diǎn)位分布及含氮量檢測(cè)結(jié)果（毫克/千克）

由上表檢測(cè)結(jié)論可知，全省范圍內(nèi)紅壤中有效氮含量為130.22 毫克/千克， 黃壤中有效氮含量約為132.33 毫克/千克， 水稻土有效氮含量在141.82 毫克/千克， 石灰土中有效氮的含量為121.7 毫克/千克，紫色土中有效氮含量為103.34 毫克/千克。

根據(jù)湖南省五種主要土壤理化性質(zhì)中有效氮的含量， 利用《畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》GBT26622-2011 中相關(guān)公式計(jì)算五種土壤單位面積的供氮量。 公式如下：

式中S1表示土壤供氮量（噸/公頃）；2.25×10-3表示土壤養(yǎng)分的“換算系數(shù)”；c 表示土壤中某營養(yǎng)元素的測(cè)定值（毫克/千克）；S2表示土壤實(shí)際供氮量（噸/公頃）；t 表示土壤養(yǎng)分校正系數(shù)， 本研究取土壤氮素校正系數(shù)為0.5。

以紅壤、水稻土、黃壤、石灰土、紫色土等五種主要土壤類型所占比例計(jì)算出其加權(quán)平均有效氮含量，作為湖南省土壤有效氮含量的參考標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過計(jì)算得湖南省內(nèi)土壤的平均供氮能力為18.38 千克/畝。

（2）湖南省各市土壤供肥能力。 根據(jù)《2014 湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》所提供的湖南省各市縣耕地和園地面積，利用公式（2）和公式（3）可計(jì)算出湖南省各地市土壤供氮能力也和實(shí)際供氮量。 結(jié)果見表3。

表3 湖南省各市土壤供氮能力

3.每頭當(dāng)量生豬產(chǎn)氮系數(shù)d 的確定

試驗(yàn)在湖南省長沙市某養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行，生豬產(chǎn)污系數(shù)試驗(yàn)選取養(yǎng)殖場(chǎng)1 周內(nèi)出生的豬5 頭。待樣本選定后飼養(yǎng)1 周后再正式開始試驗(yàn)， 每天定時(shí) （上午8：00±30 分鐘）收集豬糞及豬尿并記錄其產(chǎn)生量，每隔15 天左右對(duì)豬糞和豬尿中的TN 進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

根據(jù)董紅敏[4]等對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)提出的計(jì)算方法，畜禽產(chǎn)污系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)Pi,j,k為單位畜禽生長周期內(nèi)的產(chǎn)污系數(shù)，為千克/年；QFi,j為單位糞便產(chǎn)量，千克/天；CFi,j,k為畜禽第j 生產(chǎn)階段糞便中含有第k 種污染物的濃度，毫克/千克或克/千克；T 為每次試驗(yàn)樣品間隔的天數(shù)，單位為天。

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，得到湖南省生豬產(chǎn)氮系數(shù)為3.78 千克/頭。 從湖南省目前畜禽養(yǎng)殖水平和養(yǎng)殖業(yè)減排措施情況看，湖南省畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮素的流失率為30%左右。 所以本研究d 取值為3.78×0.7 千克/頭。

三、核算結(jié)果

近十年來全省的化肥施用量在逐年增加，2013年湖南省化肥施用量為248.19 萬噸， 且當(dāng)年的農(nóng)作物總播種面積為3084.30 千公頃[5]。 按播種面積計(jì)算，湖南省2013 年平均化肥施用量達(dá)362.41 千克/公頃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)達(dá)國家設(shè)置的225 千克/公頃的安全上限[6]。 沈根祥[7]等報(bào)道，上海市市郊畜禽糞便作為有機(jī)肥施用于農(nóng)田占農(nóng)村總肥源（含化肥）的20%～50%。王曉燕[8]等報(bào)道，北京市密云縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)際化學(xué)氮肥施用量占總肥源的比例為10%～30%。根據(jù)2014 年湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒可知2013 年湖南省的化肥施用量為248.19 萬噸，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥量，得出目前湖南省化肥施用量占總量的45%左右， 即有機(jī)肥占比率為55%。 大量研究表明，施用有機(jī)肥不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加土壤肥力，更能改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[9-10]。因此，農(nóng)田施用有機(jī)肥越來越引起人們的關(guān)注。 以湖南省化肥施用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況，分別研究有機(jī)肥占比率25%、40%、55%、70%、85%和100%情況下的承載力分析。利用公式（1）和相關(guān)參數(shù)，得到在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不同有機(jī)肥占比情況下的湖南省各地市畜禽承載當(dāng)量見表4。

表4 湖南省各地市在不同情況有機(jī)肥占比下的生豬承載當(dāng)量

1.有機(jī)肥施用量占總施肥量100%情況下的最大承載量分析

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中全部施畜禽廢棄物作為肥源的理想狀況下，此時(shí)得到的承載量即為當(dāng)量豬的最大承載量。 從上表可看出，湖南省可承載當(dāng)量豬的最大養(yǎng)殖量為348884831 頭，其中畜禽養(yǎng)殖承載量最大的前5 個(gè)市依次為：常德市、永州市、衡陽市、岳陽市和益陽市。 當(dāng)量豬承載量最少的為湘西自治州，僅1670562 頭。 而當(dāng)年的養(yǎng)殖量為2595862 頭，已超出最大承載量，應(yīng)進(jìn)一步縮減飼養(yǎng)規(guī)模，減少畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)。

2.有機(jī)肥施用量占總施肥量55%情況下的最佳承載量分析

在有機(jī)肥施用量占總施肥量55%的情況下，即在當(dāng)前施肥現(xiàn)狀下，此時(shí)得到的承載量即為當(dāng)量豬的最佳承載量。 湖南省可承載當(dāng)量豬的最佳養(yǎng)殖量為191886655 頭， 較2013 年養(yǎng)殖現(xiàn)狀的仍有65146146頭當(dāng)量豬的容量。 從全省范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)殖總量上看，目前湖南省的畜禽養(yǎng)殖量沒有超出現(xiàn)有施肥水平下的環(huán)境承載量，對(duì)生態(tài)環(huán)境沒有構(gòu)成威脅，可見在保持化肥施用量占比不變的情況，畜禽養(yǎng)殖業(yè)從總量上說仍有一定的發(fā)展空間。 從各地市養(yǎng)殖情況來看，邵陽、張家界、懷化、婁底和湘西州這五個(gè)地市超出了現(xiàn)有的環(huán)境承載量。 應(yīng)在嚴(yán)格控制畜禽養(yǎng)殖量的前提下，積極加強(qiáng)養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物處理措施的建設(shè)與資源化利用，以緩解養(yǎng)殖量的增加帶來的環(huán)境壓力。

3.有機(jī)肥施用量占總施肥量70%和85%理想狀況下的承載量分析

在有機(jī)肥施用量占總施肥量70%和85%的理想狀況下，湖南省畜禽養(yǎng)殖容量很大，較當(dāng)年養(yǎng)殖現(xiàn)狀分別有117478872 頭和169811598 頭的養(yǎng)殖容量。在有機(jī)肥占比率提高的情況下，保持現(xiàn)有養(yǎng)殖狀況對(duì)生態(tài)環(huán)境不會(huì)構(gòu)成威脅，還可擴(kuò)大飼養(yǎng)規(guī)模。 然而湘西州仍然超出了養(yǎng)殖容量， 應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制飼養(yǎng)規(guī)模，合理規(guī)劃出適養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)和限養(yǎng)區(qū)，以控制畜禽養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的污染。

4.有機(jī)肥施用量占總施肥量25%和40%情況下的承載量分析

在有機(jī)肥施用量占總施肥量25%的情況下，湖南省可承載當(dāng)量豬的養(yǎng)殖量為87221202 頭， 此時(shí)已超出當(dāng)年養(yǎng)殖現(xiàn)狀39519307 頭當(dāng)量豬， 除了常德市外其他13 個(gè)地市均超出當(dāng)?shù)氐酿B(yǎng)殖容量。 由此看來在保持有機(jī)肥占比率25%的情況下， 湖南省畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)造成了一定污染。

在有機(jī)肥施用量占總施肥量40%的情況下，較2013 年養(yǎng)殖現(xiàn)狀的還有有12813420 頭的當(dāng)量豬容量。 在保持有機(jī)肥占比率25%的情況下，從各地市養(yǎng)殖現(xiàn)狀來看，湘潭、株洲、衡陽、岳陽、常德、益陽、永州這7 個(gè)地市仍有一定的發(fā)展空間，其他7 個(gè)地市應(yīng)當(dāng)控制飼養(yǎng)規(guī)模，減少畜禽養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的污染。

四、結(jié)論

1.湖南省畜禽廢棄物的環(huán)境承載能力結(jié)果表明：隨化肥施肥比例增加，畜禽廢棄物的環(huán)境承載能力越來越弱。 在有機(jī)肥施用量占總施肥量100%的情況下，湖南省當(dāng)量豬的最大承載量為34888.48 萬頭。 在有機(jī)肥施用量占總施肥量55%的情況下， 即在湖南省可承載當(dāng)量豬的最佳養(yǎng)殖量為19188.66 萬頭、在有機(jī)肥施用量占總施肥量25%的情況下， 湖南省可承載當(dāng)量豬的養(yǎng)殖量為8722.12 萬頭。 在加強(qiáng)畜禽廢棄物的綜合處理和資源化利用的同時(shí)，提高畜禽糞便等有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需肥中所占比例，可增大湖南省畜禽廢棄物的環(huán)境承載量。

2.綜合湖南省目前的畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)肥料使用情況，在目前化肥施用總量約占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥總量的45%的情況下， 湖南省畜禽養(yǎng)殖業(yè)從養(yǎng)殖總量上說仍有6514.6 萬頭當(dāng)量豬的發(fā)展空間。 但是由于各地區(qū)發(fā)展情況不一致，出現(xiàn)個(gè)別地區(qū)目前的畜禽養(yǎng)殖量超過了環(huán)境的承載量，主要集中在邵陽、張家界、懷化、婁底和湘西州五個(gè)市。

[1]GBT 26622-2011 畜禽糞便農(nóng)田利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[S].

[2]北京農(nóng)業(yè)大學(xué).《肥料手冊(cè)》編寫組.肥料手冊(cè)[M].北京農(nóng)業(yè)出版社，1979.

[3]湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒：2014[M],中國統(tǒng)計(jì)出版社,2014.[4]董紅敏,朱志平,黃宏坤等.畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)和排污技術(shù)計(jì)算方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1)：303～308.

[5]湖南省統(tǒng)計(jì)局.《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》[M].中國統(tǒng)計(jì)出版社,2014.

[6]張鋒.中國化肥投入的面源污染問題研究-基于農(nóng)戶施用行為的視角[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[7]沈根祥,汪雅谷,袁大偉.上海市郊農(nóng)田畜禽糞便負(fù)荷量及其警報(bào)與分級(jí)[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1994,(11)：18-21.[8]王曉燕,王一峋,蔡新廣等.北京密云水庫流域非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù). 2002,24：7-11.[9]徐明崗,李冬初,李菊梅等.化肥有機(jī)肥配施對(duì)水稻養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué).2008,41(10)：3133-3139.

[10]徐陽春,沈其榮.有機(jī)肥和化肥長期施用對(duì)土壤及其不同粒級(jí)供氮特性的影響[J].土壤學(xué)報(bào).2004,41(1)：87-92.