王一如 ， 周妍宏 ， 梁馨月 ， 張 穎 ， 金明姬

（1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林延吉 133002；2.延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，吉林琿春 133000）

隨著畜牧業(yè)快速發(fā)展， 大量畜禽糞便進(jìn)入環(huán)境，通過(guò)轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥就地還田，能夠?qū)崿F(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合， 是解決畜禽糞便污染的有效手段 （徐繼國(guó)，2018；Kyllingsback 等，2007）。 通過(guò)分析區(qū)域畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力，估算出區(qū)域最大養(yǎng)殖量，以此調(diào)整養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域種養(yǎng)平衡，有利于種植業(yè)與畜牧業(yè)綠色發(fā)展。

目前評(píng)估畜禽糞便環(huán)境效益方法有很多，大多采用養(yǎng)分平衡法評(píng)價(jià)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境效益 （黃顯雷等，2020；夏艷陽(yáng)等，2019；邱樂(lè)豐等，2016；白云峰等，2011）。 養(yǎng)分平衡法是作物生產(chǎn)所需養(yǎng)分與土壤供給養(yǎng)分達(dá)到平衡。本文以吉林省為研究區(qū)，利用養(yǎng)分平衡法， 將作物生產(chǎn)所需養(yǎng)分量與農(nóng)戶(hù)施肥、秸稈還田供給量，通過(guò)施入畜禽糞便達(dá)到養(yǎng)分平衡，進(jìn)而評(píng)估區(qū)域畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力，并結(jié)合實(shí)際分析全省各市畜禽養(yǎng)殖發(fā)展?jié)摿臻g，為吉林省畜牧業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 承載力和養(yǎng)分量計(jì)算 養(yǎng)分平衡法又稱(chēng)目標(biāo)產(chǎn)量法， 即根據(jù)作物肥料需求與土壤肥料供應(yīng)之間差異，估算土壤可施肥量，計(jì)算出該地區(qū)農(nóng)田總氮（磷）環(huán)境承載力。 本研究目的是發(fā)展種養(yǎng)平衡， 即設(shè)定農(nóng)田輸入養(yǎng)分主要來(lái)自農(nóng)戶(hù)施用化肥和秸稈還田、畜禽糞便提供養(yǎng)分量，當(dāng)土壤和秸稈供肥量不足時(shí)，通過(guò)施入畜禽糞便來(lái)增加養(yǎng)分，促使區(qū)域種植業(yè)和畜牧業(yè)達(dá)到理想平衡狀態(tài)。 研究區(qū)農(nóng)用地畜禽養(yǎng)殖氮（磷）環(huán)境承載力計(jì)算公式如下：

式中：C 為研究區(qū)農(nóng)用地畜禽養(yǎng)殖氮 （磷）環(huán)境承載力，頭豬當(dāng)量/hm2；G 為農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)總氮（磷）養(yǎng)分需求量，kg；F 為區(qū)域施肥為作物生長(zhǎng)提供的氮（磷）養(yǎng)分供應(yīng)量；Y 為秸稈直接還田所提供總氮 （磷） 養(yǎng)分量，kg；S 為研究區(qū)域農(nóng)用面積（hm2）， 這里只統(tǒng)計(jì)農(nóng)田耕地面積和果園面積；T為每頭豬年排泄糞便中總氮（磷）產(chǎn)污系數(shù)，總氮為 7.0 kg/a，總磷為 1.2 kg/a（劉美玲等，2020）；P為研究區(qū)域畜禽糞便年還田比例，參考2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的 《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》，P 值為45%；E 為畜禽糞便還田后當(dāng)季氮（磷）養(yǎng)分利用率，根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2018 年發(fā)布的《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》， 氮當(dāng)季利用率為27.5%，磷當(dāng)季利用率為32.5%。

研究區(qū)域農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)總氮（磷）的養(yǎng)分需求量計(jì)算公式如下：

式中：Dj為第 i 類(lèi)農(nóng)作物總產(chǎn)量，t；Hj為生產(chǎn) i類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品100 kg 所需的氮（磷）養(yǎng)分量，kg/100 kg。

研究區(qū)域施肥為作物生長(zhǎng)提供的氮（磷）養(yǎng)分量計(jì)算公式如下：

式中：Oi為第i類(lèi)化肥年總施用量，kg；Ki為第i類(lèi)化肥的氮（磷）養(yǎng)分量含量百分比；Ai為第i類(lèi)化肥施入后氮（磷）養(yǎng)分當(dāng)季利用率，通過(guò)研究確定施入化肥后氮當(dāng)季利用率為33%，磷當(dāng)季利用率為 24%（黃顯雷等，2020；褚明輝等，2017）。

研究區(qū)域秸稈直接還田所提供的總氮（磷）養(yǎng)分量計(jì)算公式如下：

式中：Dj為第 j 類(lèi)農(nóng)作物總產(chǎn)量，t；Pj為第 j類(lèi)秸稈草谷比系數(shù)；Bj為第j 類(lèi)秸稈可收集系數(shù)；Lj是第j 類(lèi)農(nóng)作物秸稈單產(chǎn)中氮 （磷） 含量百分比，%；Nj是第j 類(lèi)農(nóng)作物秸稈還田后氮（磷）養(yǎng)分當(dāng)季利用率，%， 由于秸稈還田屬于遲效性肥料，因此秸稈還田后氮 （磷） 養(yǎng)分的當(dāng)季利用率為15%；Wj為j 類(lèi)農(nóng)作物秸稈還田比例， 即為40%（褚明輝等，2017）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 畜禽飼養(yǎng)量 數(shù)據(jù)來(lái)源于 《吉林統(tǒng)計(jì)年鑒2019》、各市（州）2019 年統(tǒng)計(jì)年鑒，分別包含長(zhǎng)春市、四平市、吉林市、遼源市、通化市、白山市、松原市、白城市以及延邊州2019 統(tǒng)計(jì)年鑒。 本研究根據(jù)飼養(yǎng)周期的不同， 在統(tǒng)計(jì)年鑒中選取不同飼養(yǎng)數(shù)值，如生豬與家禽以年末出欄量為飼養(yǎng)量，牛、馬、羊、驢、騾以年末存欄量為飼養(yǎng)量。

1.2.2 豬當(dāng)量換算系數(shù) 本研究根據(jù)各種畜禽糞便中所含的氮（磷）養(yǎng)分產(chǎn)量，將其他畜禽種類(lèi)換算成豬當(dāng)量， 豬當(dāng)量即為一頭豬為一個(gè)豬當(dāng)量。基于氮（磷）養(yǎng)分的豬當(dāng)量換算系數(shù)如表1（邱樂(lè)豐等，2016）。

表1 各種畜禽豬當(dāng)量換算系數(shù)

1.2.3 農(nóng)作物相關(guān)系數(shù)

1.2.3.1 農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的氮（磷）養(yǎng)分含量系數(shù) 目前吉林省種植業(yè)以稻谷、玉米、大豆等經(jīng)濟(jì)作物為主， 農(nóng)林經(jīng)濟(jì)作物所需養(yǎng)分系數(shù)通過(guò)吉林省種植業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，具體參考 2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的 《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》， 由于不同地區(qū)種植結(jié)構(gòu)有差異，本研究又參考了其他相關(guān)數(shù)據(jù) （黃顯雷等，2020；劉美玲等，2020；游武等，2020；張英等，2019；李登 赴 等 ，2019； 褚 明 輝 等 ，2017； 邱 樂(lè) 豐 等 ，2016），取平均值減小誤差。 農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的氮（磷）養(yǎng)分含量系數(shù)如表2。

表2 主要作物單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量所需氮、磷養(yǎng)分量 kg/100 kg

1.2.3.2 農(nóng)作物秸稈氮素含量系數(shù) 本研究選取水稻、玉米、大豆、馬鈴薯等作物秸稈進(jìn)行還田，參考宋大利等（2018）、畢于運(yùn)等（2019）研究成果，確定秸稈氮、磷養(yǎng)分量系數(shù)，具體見(jiàn)表3。

表3 主要作物秸稈草谷比及養(yǎng)分含量

1.3 研究區(qū)域 吉林省位于我國(guó)東北地區(qū)中部，與遼寧、內(nèi)蒙古、黑龍江相連，研究區(qū)土地面積為18.7 萬(wàn) hm2， 全年平均氣溫 5.8 ℃， 年平均降水687 mm，屬于溫帶季風(fēng)季候，四季分明，適宜動(dòng)植物生長(zhǎng)。 吉林省是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省，2018 年全省農(nóng)作物播種面積為6080.9 千hm2， 可為畜牧業(yè)提供優(yōu)質(zhì)飼料，而且吉林省交通便利，勞動(dòng)力資源多，在政府扶持下吉林省畜牧業(yè)逐漸占據(jù)農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)地位。目前吉林省種植業(yè)以稻谷、玉米、大豆、薯類(lèi)、甜菜等為主，具體見(jiàn)表4，養(yǎng)殖業(yè)以豬、牛、羊、家禽等為主，具體見(jiàn)表5。

表4 2018 年吉林省各市（州）農(nóng)作物產(chǎn)量

表5 2018 年吉林省各市（州）畜牧業(yè)情況 萬(wàn)頭(只)

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)作物氮（磷）養(yǎng)分需求量與供給量

2.1.1 農(nóng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分量測(cè)算 2018 年吉林省各市（州）作物生長(zhǎng)氮（磷）養(yǎng)分理論需求量（表 6 和表 7）， 即吉林省總氮養(yǎng)分需求量為1085379 t，長(zhǎng)春、松原、四平相對(duì)其他市（州）氮養(yǎng)分需求量較大， 分別占吉林省氮養(yǎng)分需求量的23%、21%和17%。 而吉林省總磷養(yǎng)分需求量為481608 t，與氮相比，吉林省磷養(yǎng)分需求量相對(duì)較少，這與吉林省種植業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中長(zhǎng)春、松原、四平磷養(yǎng)分需求量較大， 分別占吉林省總磷需求量的24%、20%、18%。

表6 2018 年吉林省各市（州）作物生長(zhǎng)氮養(yǎng)分需求量、施肥及秸稈還田供給氮養(yǎng)分量 t

表7 2018 年吉林省各市（州）作物生長(zhǎng)磷養(yǎng)分需求量、施肥及秸稈還田供給磷養(yǎng)分量 t

2.1.2 施肥及秸稈還田供給養(yǎng)分量測(cè)算 目前，吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中還是以化肥為主， 在各市（州）中長(zhǎng)春市是施肥量最高的地區(qū)，其次是四平和吉林。 由于研究地區(qū)受寒冷氣候的影響， 秸稈還田后不易腐爛，需要使用大型機(jī)械深耕填埋，以保證下一茬作物的生長(zhǎng)不受影響， 受各地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展條件限制， 每個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平不一致，本研究設(shè)置秸稈還田利用率約40% ，結(jié)合相關(guān)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出2018 年吉林省各市（州）秸稈還田供給養(yǎng)分量，其中長(zhǎng)春、四平、松原是秸稈供給養(yǎng)分量較大的地區(qū)。

2.2 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力

2.2.1 吉林省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分析 吉林省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力以氮養(yǎng)分計(jì)為27.45 頭/hm2（豬當(dāng)量）， 而以磷養(yǎng)分計(jì)為 12.87 頭/hm2（豬當(dāng)量）。按照氮養(yǎng)分計(jì)算吉林省實(shí)際單位農(nóng)田地養(yǎng)殖量為19.15 頭/hm2（豬當(dāng)量），而按照磷養(yǎng)分計(jì)算吉林省實(shí)際單位農(nóng)田地養(yǎng)殖量為8.50 頭/hm2（豬當(dāng)量），與實(shí)際值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是按照氮還是磷養(yǎng)分計(jì)算， 全市實(shí)際養(yǎng)殖量都未超過(guò)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力上限， 說(shuō)明吉林省畜牧業(yè)發(fā)展是有潛在空間的，具體見(jiàn)表8。

表8 2018 年吉林省各市（州）畜禽環(huán)境養(yǎng)殖環(huán)境承載力情況 頭/hm2

2.2.2 各市（州）畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力分析 本研究分別以氮和磷養(yǎng)分計(jì)計(jì)算畜禽環(huán)境承載力，其中以氮計(jì)算的畜禽環(huán)境承載力中，長(zhǎng)春、吉林和白山實(shí)際畜禽養(yǎng)殖量都超出了理論值， 說(shuō)明這三個(gè)地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖量已超載， 極易對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染；以磷計(jì)算的畜禽環(huán)境承載力中，吉林、白山實(shí)際畜禽養(yǎng)殖量都超出了理論值， 說(shuō)明這兩個(gè)地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖量已超載， 極易對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染， 需要調(diào)整養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)或種植結(jié)構(gòu)解決養(yǎng)分過(guò)量情況。

2.3 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力負(fù)荷預(yù)警值分析 本研究將實(shí)際單位農(nóng)田地畜禽養(yǎng)殖量除以理論單位農(nóng)田地畜禽養(yǎng)殖量， 得到單位農(nóng)田地畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力負(fù)荷預(yù)警值。 吳永勝等（2018）在原有畜禽糞便農(nóng)田負(fù)荷預(yù)警值分類(lèi)方法的基礎(chǔ)上， 增加了畜禽養(yǎng)殖潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)， 分為6個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表9。

表9 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力負(fù)荷預(yù)警值

通過(guò)計(jì)算得出吉林各市（州）畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力負(fù)荷預(yù)警值，吉林省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力氮、磷負(fù)荷預(yù)警值分別是0.69 和0.66，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為II級(jí)，說(shuō)明對(duì)環(huán)境稍有威脅，處于低潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況。各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力氮、磷負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)各有差異，具體見(jiàn)表10，氮負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值在0.28 ～ 1.64，磷負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值在 0.16 ～ 1.27，其中長(zhǎng)春、吉林、白山存在著較高程度的污染風(fēng)險(xiǎn)，從空間分布來(lái)看， 吉林省中部及南部地區(qū)污染風(fēng)險(xiǎn)較高。

表10 吉林省各市（州）畜禽養(yǎng)殖氮、磷污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

3 討論

3.1 吉林省畜禽養(yǎng)養(yǎng)殖環(huán)境承載力分析 2018年吉林省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力以氮、 磷計(jì)分別為27.45 頭/hm2和 12.87 頭/hm2（豬當(dāng)量），邱樂(lè)豐等（2016）通過(guò)養(yǎng)分平衡法計(jì)算出杭州市畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力， 以氮、 磷計(jì)分別為 18.20 頭/hm2和18.29 頭/hm2（豬當(dāng)量），Peng 等（2013） 計(jì)算出福建莆田市耕地最大承載力， 以氮、 磷計(jì)分別為14.97 頭/hm2和 15.81 頭/hm2（豬當(dāng)量）；歐盟國(guó)家使用土地的容納畜禽糞便的年度限值以氮、 磷計(jì)分別為 170 頭/hm2和 80 kg/hm2（李艷霞等，2010）， 換算成豬當(dāng)量 分別為 24.29 頭/hm2和66.67 頭/hm2，相比較而言，吉林省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力在全國(guó)處于較高水平， 畜牧業(yè)有較大的發(fā)展空間。

3.2 吉林省畜禽養(yǎng)殖耕地污染負(fù)荷分析 2018年吉林省實(shí)際養(yǎng)殖量以氮、磷計(jì)分別為19.15 頭/hm2和8.50 頭/hm2（豬當(dāng)量），劉曉永等（2019）研究表明，全國(guó)單位耕地面積畜禽糞便污染負(fù)荷，以氮和磷計(jì)分別為15.73 kg/hm2和40.37 kg/hm2，相當(dāng)于22.47 頭/hm2和 33.64 頭/hm2（豬當(dāng)量）， 潘瑜春（2015）等結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究，確定耕地畜禽養(yǎng)殖承載力限量以氮、 磷計(jì)分別為44.34 頭/hm2和23.53 頭/hm2（豬當(dāng)量），園地分別為 55.43 頭/hm2和32.35 頭/hm2（豬當(dāng)量），這表明吉林省畜禽養(yǎng)殖耕地負(fù)荷在全國(guó)范圍內(nèi)相對(duì)較低。

2018 年吉林省畜禽養(yǎng)殖耕地負(fù)荷預(yù)警值以氮、磷計(jì)分別是0.69 和0.66，屬于II 級(jí)，處于低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。 其中長(zhǎng)春、吉林、白山三個(gè)地區(qū)負(fù)荷預(yù)警值已經(jīng)達(dá)到高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別， 極易對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染，而其他地區(qū)相對(duì)來(lái)講，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較低，可承載畜禽養(yǎng)殖能力較強(qiáng)。 因此可以采取畜禽糞便轉(zhuǎn)移等方式，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡。 當(dāng)然，本文只計(jì)算了農(nóng)用耕地面積和果園面積，未計(jì)算林地面積，而長(zhǎng)春、吉林、白山還含有不同面積的林地資源，可以考慮用林地消納畜禽糞便。

4 結(jié)論

本研究以吉林省各市（州）為研究區(qū)，通過(guò)采用增加秸稈還田養(yǎng)分供給量的養(yǎng)分平衡法對(duì)其畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進(jìn)行分析， 得出以下結(jié)論：（1）2018 年全省農(nóng)用地單位畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境承載力以氮、 磷計(jì)分別為 27.45 頭/hm2和 12.87 頭/hm2（豬當(dāng)量）， 實(shí)際全省養(yǎng)殖量以氮、 磷計(jì)分別為19.15 頭/hm2和 8.50 頭/hm2（豬當(dāng)量），可見(jiàn)從全省布局的角度來(lái)看， 畜禽糞便可以被土地完全吸收， 畜禽環(huán)境承載能力有較大的發(fā)展空間。 （2）2018 年吉林省整體耕地負(fù)荷預(yù)警值以氮、磷計(jì)分別是0.69 和0.66，屬于II 級(jí)，處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，其中耕地負(fù)荷預(yù)警值以氮計(jì)有2個(gè)市處于無(wú)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，3個(gè)市處于低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，1個(gè)市處于中等風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，而吉林市處于較高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，長(zhǎng)春市和白山市處于高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別； 耕地負(fù)荷預(yù)警值以磷計(jì)有4個(gè)市處于無(wú)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，3個(gè)市處于低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，而吉林市和白山市處于較高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別， 均未出現(xiàn)很高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。