夏艷陽，雷書彥，張 智，吳 超，汪 冉，左 璐

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所，湖北 武漢 420111；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 420111)

近年來，隨著種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；⒓s化發(fā)展程度的不斷提高，“種養(yǎng)脫節(jié)、農(nóng)牧分離”現(xiàn)象凸顯，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。同時(shí)，日趨嚴(yán)峻的種養(yǎng)不協(xié)調(diào)對環(huán)境的影響也被學(xué)術(shù)界廣泛熱議。一方面，養(yǎng)殖規(guī)模過大會對環(huán)境產(chǎn)生一定影響。隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的散養(yǎng)模式向集約化、規(guī)?；Ｊ睫D(zhuǎn)變，導(dǎo)致大量畜禽糞便在固定區(qū)域內(nèi)集中產(chǎn)生[1]，不利于處理。未經(jīng)有效利用的糞污直接排入水體，導(dǎo)致富營養(yǎng)化[2-6]。另一方面，種植規(guī)模過大對環(huán)境也有一定的影響。集約化種植導(dǎo)致化肥施用過量，促使土壤酸化、板結(jié)，破壞土壤結(jié)構(gòu)[7]。當(dāng)前，超過一半以上的湖泊處于富營養(yǎng)狀態(tài)，其主要原因是農(nóng)業(yè)化肥投入量過多[8]。因此，加強(qiáng)區(qū)域種植、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃，使區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)合理，減少農(nóng)業(yè)污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，就顯得十分重要和迫切。針對當(dāng)前形勢下的不同區(qū)域開展畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力估算與評價(jià)，國內(nèi)學(xué)者已開展了探索性研究[9-15]。但多參照過去氮養(yǎng)分平衡學(xué)說，以耕地氮總需求量減去實(shí)際畜禽養(yǎng)殖排泄氮總量，來計(jì)算區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力，較少考慮化肥及秸稈還田對農(nóng)作物生長氮的供給量，造成區(qū)域畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力估算偏大。

公安縣地處洞庭湖水系敏感區(qū)，位于湖北省“兩圈兩帶”戰(zhàn)略格局中長江經(jīng)濟(jì)帶和鄂西生態(tài)文化旅游圈的交接地帶，承擔(dān)著溝通長江和洞庭湖水系、調(diào)蓄長江水量的重要生態(tài)功能，屬重度敏感區(qū)。如該區(qū)域受畜禽污染影響，會嚴(yán)重威脅洞庭湖流域的生態(tài)安全?；诖耍狙芯恳浴豆部h統(tǒng)計(jì)年鑒2017》為基礎(chǔ)，對區(qū)域內(nèi)作物生長對氮養(yǎng)分的需求量、區(qū)域內(nèi)化肥使用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量、秸稈還田為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量、畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行估算分析，采用修正后的氮養(yǎng)分平衡法評價(jià)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)，為公安縣乃至華中地區(qū)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供量化、科學(xué)、客觀的判斷依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)發(fā)展提供重要參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域種養(yǎng)殖概況

公安縣位于湖北省中南部、江漢平原南部、長江中游南岸，隸屬荊州市。公安縣轄埠河鎮(zhèn)、斗湖提鎮(zhèn)等16 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是全國重點(diǎn)糧、棉、油生產(chǎn)基地。同時(shí)，公安縣又是典型的畜牧大縣，連續(xù)10 a為全國生豬調(diào)出大縣。

如表1所示，2016年公安縣農(nóng)用地面積約163 970 hm2，主要種植作物有水稻、小麥、油菜、棉花等。其中，稻谷產(chǎn)量最高，為494 160 t，其次是蔬菜，產(chǎn)量為395 539 t；2016年公安縣施用含氮化肥中，尿素94 995 t、復(fù)合肥54 455 t。

表1 2016年公安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)用地面積、主要作物產(chǎn)量及化肥施用量

續(xù)表1 2016年公安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)用地面積、主要作物產(chǎn)量及化肥施用量

注：數(shù)據(jù)來源于《公安縣統(tǒng)計(jì)年鑒2017》[17]，下同。

Note:Data fromStatisticalYearbookofGonganCounty2017[17]，the same below.

如表2所示，公安縣畜禽養(yǎng)殖以生豬、肉牛、肉羊、蛋雞等為主，以存欄量計(jì)，2016年共有生豬1 185 000 頭，肉牛3090 頭，肉羊16 856 頭，蛋雞753.34 萬羽、肉雞20.70 萬羽。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16]，主要畜禽的豬當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為100頭豬相當(dāng)于15 頭奶牛、30 頭肉牛、250 只羊、2 500 只家禽。可計(jì)算出2016年公安縣畜禽養(yǎng)殖為1 503 378頭(豬當(dāng)量)。

表2 2016年公安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)養(yǎng)殖規(guī)模

1.2 研究方法

本研究在前人研究結(jié)果[18-21]和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16]的基礎(chǔ)上，對氮養(yǎng)分平衡法進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了化肥施用、秸稈直接還田對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力的影響。本研究假設(shè)所有畜禽糞污實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)就地消納，作物生長對氮養(yǎng)分的需求量等于化肥施用、秸稈直接還田和畜禽糞污還田的氮養(yǎng)分的供給量，不考慮過量氮養(yǎng)分徑流進(jìn)入水體的情況，由此計(jì)算出畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力。

首先，計(jì)算區(qū)域內(nèi)作物生長對氮養(yǎng)分的需求量，公式如下：

(1)

式中，D為作物生長對氮養(yǎng)分的需求量(t)；Gj為第j類農(nóng)產(chǎn)品年總產(chǎn)量(t)，Hj為第j類作物每100 kg產(chǎn)量氮需求量(kg)，數(shù)據(jù)來自于2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16](表3)。

表3 主要作物每100 kg產(chǎn)量氮養(yǎng)分需求量

其次，計(jì)算區(qū)域內(nèi)化肥施用為作物生產(chǎn)提供的氮養(yǎng)分供給量，公式如下：

(2)

式中，O為區(qū)域內(nèi)化肥施用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量(kg)；Fi為第i類化肥的年總施用量(kg)；Ki為第i類化肥的氮含量(%)；2016年公安縣使用的尿素中氮含量，取46%，復(fù)合肥中氮含量介于13%～16%(取14.5%)，Ui為第i類化肥施用后的氮養(yǎng)分當(dāng)季利用率(%)，褚明輝等[20]研究表明，當(dāng)前我國作物生長氮養(yǎng)分當(dāng)季利用率僅為33%。

秸稈還田為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量，公式如下：

(3)

式中，Y為區(qū)域內(nèi)秸稈還田為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量(t)；Gj為第j類農(nóng)產(chǎn)品的年總產(chǎn)量(t)；Rj為第j類農(nóng)作物的草谷比系數(shù)，Lj為第j類單位農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量中的氮含量(%)，目前公安縣還田秸稈包括稻谷、玉米、小麥、大豆秸稈等，而關(guān)于草谷比與秸稈含氮量系數(shù)的測算，國內(nèi)進(jìn)行了大量研究，本研究選擇采用畢于運(yùn)[22]的成果研究(表4)；Aj為第j類農(nóng)作物秸稈還田比例(%)，公安縣由于受氣候、土壤等條件的影響，秸稈還田后不易腐爛，需采用大型機(jī)械進(jìn)行深翻填埋才能不影響下茬作物生長，由于當(dāng)前的秸稈還田機(jī)械普及率不高，總秸稈還田比例只有40%；Mj為第j類秸稈直接還田后的氮養(yǎng)分當(dāng)季利用率(%)，據(jù)黃顯雷[21]研究表明，秸稈還田氮養(yǎng)分當(dāng)季利用率為10%～20%，本研究取15%。

表4 主要農(nóng)作物草谷比與秸稈含氮量系數(shù)

最后，計(jì)算區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力，公式如下：

N=(D-O-N)×R/(S×B×E)

(4)

式中，N為區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力(頭/hm2)(豬當(dāng)量)；D為區(qū)域內(nèi)作物生長對氮養(yǎng)分需求量(kg)，O為區(qū)域內(nèi)化肥施用氮養(yǎng)分供給量(kg)；N為區(qū)域內(nèi)秸稈還田氮養(yǎng)分供給量(kg)；R為施肥供給占比，根據(jù)2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16]，R值為45%；S為農(nóng)用地面積(hm2)，B為每頭豬當(dāng)量的產(chǎn)氮系數(shù)(kg/頭)，根據(jù)2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16]，B值為7 kg/頭；E為畜禽糞便還田后的氮養(yǎng)分當(dāng)季利用率(%)，根據(jù)2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16]，E值為25%。

單位面積畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷公式如下：

A=M/(S×f)

(5)

式中，A為單位面積畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷(kg/hm2)；M為畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷(kg)；S為農(nóng)用地面積(hm2)，f為糞肥比例系數(shù)，根據(jù)2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》[16]，f值為50%。

本研究引入畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)，評價(jià)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)當(dāng)前單位面積農(nóng)用地實(shí)際承載畜禽量，相對于單位面積農(nóng)用地畜禽環(huán)境承載力的飽和程度，公式如下：

(6)

式中，PI為畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)；L為單位面積農(nóng)用地實(shí)際承載畜禽量(頭/hm2)(豬當(dāng)量)；C為單位面積農(nóng)用地畜禽環(huán)境承載力(頭/hm2)(豬當(dāng)量)。當(dāng)01時(shí)，說明畜禽實(shí)際養(yǎng)殖量超出畜禽環(huán)境承載力上限，會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成一定影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮養(yǎng)分需求量與供給量

2.1.1 區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生長的氮養(yǎng)分需求量 根據(jù)公式(1)，結(jié)合表1、3，估算出公安縣農(nóng)作物生長的氮養(yǎng)分總需求量為26 183 t。由于公安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植作物品種和面積不同，導(dǎo)致各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)作物生長對氮養(yǎng)分需求量也不一樣。從空間分布來看，全縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，斑竹垱鎮(zhèn)、章莊鋪鎮(zhèn)、毛家港鎮(zhèn)作物生長的氮養(yǎng)分需求量分別為2 166 、2 120 、2 111 t，占總量的8.27%、8.10%、8.06%，為氮養(yǎng)分需求量前3位(圖1)。

圖1 公安縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)作物生長的氮養(yǎng)分需求量

2.1.2 區(qū)域內(nèi)化肥施用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量 根據(jù)公式(2)、表1估算出全縣化肥施用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量為17 068 t，從空間分布來看，全縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，毛家港鎮(zhèn)、夾竹園鎮(zhèn)、斑竹垱鎮(zhèn)化肥施用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量分別為1 719、1 559、1 457 t，占總供給量的10.07%、9.13%、8.54%，是化肥施用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量的前3位(圖2)。

圖2 公安縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)化肥施用為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量

2.1.3 秸稈還田為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量 根據(jù)公式(3)，結(jié)合表1估算全縣秸稈還田氮養(yǎng)分供給總量為375 t，其中，章莊鋪鎮(zhèn)、埠河鎮(zhèn)分別為32、30 t，分別占總量8.53%、8.00%，為秸稈還田為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量的前2位(圖3)。

圖3 公安縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)秸稈還田為作物生長提供的氮養(yǎng)分供給量

2.2 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力

根據(jù)公式(4)，估算出公安縣畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力為2 307 464頭(豬當(dāng)量)，單位面積畜禽環(huán)境承載力為11.56 頭/hm2(豬當(dāng)量)，而公安縣實(shí)際養(yǎng)殖量為1 503 378頭(豬當(dāng)量)，單位面積實(shí)際畜禽量為9.17頭/hm2(豬當(dāng)量)(表2)。根據(jù)圖4將全縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分為3個(gè)層次：孟家溪鎮(zhèn)、藕池鎮(zhèn)、楊家廠鎮(zhèn)3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力處于20.00～30.00頭/hm2(豬當(dāng)量)，最高達(dá)到21.48頭/hm2(豬當(dāng)量)；章莊鋪鎮(zhèn)、南平鎮(zhèn)、埠河鎮(zhèn)、章田寺鄉(xiāng)、獅子口鎮(zhèn)、麻豪口鎮(zhèn)、黃山頭鎮(zhèn)、斑竹垱鎮(zhèn)、夾竹園鎮(zhèn)9 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力處于10.00～20.00頭/hm2(豬當(dāng)量)；毛家港鎮(zhèn)、閘口鎮(zhèn)、斗湖堤鎮(zhèn)和甘家廠鄉(xiāng)的環(huán)境承載力偏低，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力處于10.00頭/hm2(豬當(dāng)量)以下。

圖4 公安縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力及單位面積實(shí)際畜禽量

2.3 畜禽養(yǎng)殖污染量

根據(jù)公式(5)得到公安縣2016年單位耕地畜禽養(yǎng)殖污染量為125.77 kg/hm2。根據(jù)圖5，將公安縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分為2個(gè)層次：孟家溪鎮(zhèn)、楊家廠鎮(zhèn)、夾竹園鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染量分別為226.06、183.88、179.65 kg/hm2，以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)均超出了歐盟限制標(biāo)準(zhǔn)(170.00 kg/hm2)[25]；其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染量均在歐盟限制標(biāo)準(zhǔn)以下，以獅子口鎮(zhèn)最低，為60.09 kg/hm2。

2.4 畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)公式(6)計(jì)算得到公安縣畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)為0.79，說明公安縣整體畜禽養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)較低，但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)狀況差別顯著，介于0.31～7.69。其中，夾竹園鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)最高，達(dá)到7.69，存在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，閘口鎮(zhèn)、斗湖提鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)分別為1.85、1.70，均存在較高風(fēng)險(xiǎn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)均小于1.00，風(fēng)險(xiǎn)較小(圖6)。

圖5 公安縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染量

圖6 公安縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié)論與討論

3.1 公安縣畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分析

2016年公安縣單位面積畜禽環(huán)境承載力為11.56頭/hm2(豬當(dāng)量)，單位面積實(shí)際畜禽量為9.17頭/hm2(豬當(dāng)量)，小于單位面積畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力，環(huán)境壓力較小，與國內(nèi)外相比，單位面積畜禽環(huán)境承載力相對較低。邱樂豐等[14]研究表明，杭州市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力為18.20頭/hm2(豬當(dāng)量)；武蘭芳等[23]根據(jù)分平衡理論，分析得到山東禹城耕地年最大畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力為13.80頭/hm2(豬當(dāng)量)；湖南桃源畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力為14.60頭/hm2(豬當(dāng)量)；PENG等[24]研究表明，福建莆田市農(nóng)用地年最大畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力為14.97頭/hm2(豬當(dāng)量)；歐盟國家畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力相當(dāng)于37.69頭/hm2(豬當(dāng)量)[25]。從以上可知，公安縣畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力相對于國內(nèi)和國外均處于較低水平。主要原因如下：一方面，國外發(fā)達(dá)國家普遍使用有機(jī)肥而化肥用量較少，因此畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力較高；另一方面，由于國內(nèi)規(guī)模種植導(dǎo)致化肥和畜禽糞污使用量過多，產(chǎn)生大量的氮、磷養(yǎng)分剩余[26]，降低了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力。

3.2 公安縣畜禽養(yǎng)殖污染量分析

公安縣2016年單位耕地畜禽養(yǎng)殖氮污染量為125.77 kg/hm2。楊飛等[27]研究表明，當(dāng)前我國平均耕地面積的畜禽養(yǎng)殖污染量達(dá)到138.13 kg/hm2，其中，湖北省為155.90 kg/hm2。目前，我國還沒有全國性的單位面積耕地土壤畜禽養(yǎng)殖污染量限制標(biāo)準(zhǔn)，歐盟制定的農(nóng)田有機(jī)肥氮的限制標(biāo)準(zhǔn)為170 kg/hm2[25]，潘瑜春等[9]在綜述歐洲和國內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，提出畜禽養(yǎng)殖污染量的限制標(biāo)準(zhǔn)為200 kg/hm2。由此可以看出，公安縣畜禽養(yǎng)殖污染量相對較低。但孟家溪鎮(zhèn)、楊家廠鎮(zhèn)、夾竹園鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染量超出了歐盟限制標(biāo)準(zhǔn)。孟家溪鎮(zhèn)、楊家廠鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力較高，同時(shí)畜禽養(yǎng)殖污染量也較高，基本可以消納本地糞污量。夾竹園鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力較低，而污染量又較高，會造成較大的環(huán)境污染，因此需通過轉(zhuǎn)移至埠河鎮(zhèn)、毛家港鎮(zhèn)等有較大消納潛力的周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以降低環(huán)境污染。

3.3 公安縣畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)分析

2016年公安縣畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)為0.79，整體畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)較小。高定等[28]研究表明，我國受畜禽糞便污染威脅較大的省(區(qū)、市)多分布在東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，湖北省畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)相對較低，與本研究結(jié)果一致。雖然公安縣畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)整體較低，但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間差別較大。其中，夾竹園鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)最高，達(dá)到7.69，存在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)；閘口鎮(zhèn)、斗湖堤鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)分別為1.85、1.70。因此，這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)需通過積極引導(dǎo)畜禽糞便堆肥化和資源化利用技術(shù)的發(fā)展，提倡農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)平衡，擴(kuò)大畜禽糞便資源化利用的出路，將養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的廢物轉(zhuǎn)化為種植業(yè)可利用的資源，最終實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合的良性生態(tài)農(nóng)業(yè)鏈。