王勁松，李聰平，盧俊媛 ，趙會玉，姜圓圓，趙曉晨，張亞東，幸衛(wèi)萍

(1.曲靖市土壤肥料工作站，云南 曲靖 655000；2.云南省土壤肥料工作站，云南 昆明 650034；3.云南省綠色食品發(fā)展中心，云南 昆明 650224；4.云南省農(nóng)業(yè)廣播電視學校羅平縣分校，云南 羅平 655800)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖已成為保證國家食品安全、推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和促進農(nóng)民增收的重要內(nèi)容[1]。畜禽養(yǎng)殖快速發(fā)展的同時糞便資源量也不斷增加[2]。畜禽糞便中含有大量可利用的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，合理利用可大量減少化肥施用。但受制于利用的方式，不合理的施用導致養(yǎng)分損失和污染環(huán)境等問題日益顯現(xiàn)[3]，尤其是在規(guī)模化養(yǎng)殖區(qū)域，畜禽糞便氮、磷養(yǎng)分遠遠超過農(nóng)田承載標準[4]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求不斷深入，畜禽養(yǎng)殖污染治理與控制已成為最重要的措施之一[5]，無害化處理的合格糞肥施用在降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的同時，還可增加農(nóng)業(yè)收入，具有良好的綜合效益[6-7]。綠色種養(yǎng)循環(huán)不僅能解決畜禽糞便的資源化利用難題、減少農(nóng)業(yè)面源污染，還能有效促進化肥減量增效、提高耕地質(zhì)量。

目前國內(nèi)圍繞糞污資源評估和環(huán)境承載力開展了深入的研究[8-9]，對畜禽糞便氮、磷、鉀養(yǎng)分資源現(xiàn)狀和替代化肥潛力研究也有報道[4,10]，但云南省畜禽糞肥氮、磷、鉀養(yǎng)分資源現(xiàn)狀和糞肥替代化肥潛力的分析鮮見報道。本研究以云南省各州(市)為基本單元，結(jié)合主要農(nóng)作物種類、播種面積、畜禽排污系數(shù)和糞便處理方式等因素，定量估算畜禽糞便氮、磷、鉀有效供給及替代化肥潛力，評估云南省畜禽糞便養(yǎng)分資源量的分布特征和規(guī)律，分析還田糞肥對化肥的替代潛力，為畜禽養(yǎng)殖糞便的資源化利用以及促進化肥減量增效提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與估算依據(jù)

1.1.1 畜禽飼養(yǎng)數(shù)量和飼養(yǎng)周期

云南省畜禽種類包括生豬、能繁母豬、肉牛、肉羊和家禽等。根據(jù)飼養(yǎng)周期確定養(yǎng)殖數(shù)量，生豬、家禽飼養(yǎng)期小于1 年，以出欄量作為飼養(yǎng)量；能繁母豬、肉牛和肉羊飼養(yǎng)期長于1 年，以年底存欄量為飼養(yǎng)量[11]。2020 年飼養(yǎng)量分別為生豬3 453.20 萬頭、能繁母豬271.13 萬頭、肉牛858.78萬頭、肉羊1 350.66 萬只、家禽34 226.76 萬只。根據(jù)《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2021》[12]確定飼養(yǎng)周期，生豬152.06 d、家禽(肉雞) 79.96 d；能繁母豬、肉牛和肉羊飼養(yǎng)周期按365.00 d 計。

1.1.2 畜禽產(chǎn)污系數(shù)和養(yǎng)分含量

畜禽產(chǎn)污系數(shù)源于《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》[13]中的西南地區(qū)數(shù)據(jù)；肉羊產(chǎn)污系數(shù)及養(yǎng)分含量參考劉曉勇等[14]的研究；生豬的產(chǎn)污系數(shù)采用三分之一保育期與三分之二育肥期的產(chǎn)污系數(shù)之和計算得出[15]；家禽的產(chǎn)污系數(shù)以肉雞系數(shù)計算[11]。

1.1.3 主要農(nóng)田作物養(yǎng)分需求量

選取水稻、小麥、玉米、豆類、薯類、油菜、蔬菜和水果等8 類云南省主要種植作物進行糞便消納，并計算養(yǎng)分需求量。2020 年主要作物種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《云南統(tǒng)計年鑒(2021)》[16]，每1 000 kg 糧食作物、蔬菜和果樹的單位產(chǎn)量養(yǎng)分需求量和單位面積養(yǎng)分需求量參考相關資料[4,17-18]。

1.1.4 主要糧食作物秸稈還田量

云南省還田利用秸稈主要源于糧食作物秸稈，產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《云南統(tǒng)計年鑒(2021)》[16]，秸稈系數(shù)來自文獻[19]中的云南(或南方)平均值，秸稈(風干基)養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)參考《中國有機肥料養(yǎng)分數(shù)據(jù)集》[20]。

1.2 估算方法

1.2.1 固液糞便產(chǎn)生量及養(yǎng)分量

能繁母豬、肉牛和肉羊等固液糞便產(chǎn)生量采用年內(nèi)存欄數(shù)、飼養(yǎng)時間(365 d)與產(chǎn)排污系數(shù)的乘積得到，糞便中養(yǎng)分總量為糞便產(chǎn)生量乘以養(yǎng)分含量。固體糞便產(chǎn)生量(Qsolid)和液體糞便產(chǎn)生量(Qliquid)的計算公式為：

式中：i為第i種家畜；Qsolidi為第i種家畜固體糞便產(chǎn)生量，×104t，鮮質(zhì)量；d為該家畜數(shù)量；Si為該家畜年內(nèi)存欄數(shù)，×104只(頭)；Ti為該家畜飼養(yǎng)時間，d；Eim 為該家畜固體糞便產(chǎn)污系數(shù)，kg/d；Qliquidi為第i種家畜液體糞便產(chǎn)生量，×104t；Eiu 為該家畜液體糞便產(chǎn)污系數(shù)，kg/d。

糞便中氮養(yǎng)分產(chǎn)生量(CN)計算公式為：

式中：CNi為第i種家畜糞便中氮的養(yǎng)分總量，×104t。SNi為該家畜固體糞便中氮的養(yǎng)分含量，%；LNi為該家畜液體糞便中氮的養(yǎng)分含量，%。

糞便中磷和鉀養(yǎng)分產(chǎn)生量計算公式與氮相同。生豬和家禽糞便產(chǎn)生量和糞便中氮、磷、鉀養(yǎng)分產(chǎn)生量采用年內(nèi)出欄數(shù)進行計算，飼養(yǎng)時間按1.1.1 節(jié)計。家禽不區(qū)分固體和液體糞便，其他指標的計算方法同家畜。

1.2.2 農(nóng)田作物養(yǎng)分需求量

主要作物氮養(yǎng)分需求量(Ncrop)計算公式為：

式中：Ncrop為作物氮養(yǎng)分需求量，×104t，b為作物種類數(shù)量；f為作物種類；Careaf為該類作物播種面積，×104hm2；Rareaf為該類作物單位面積養(yǎng)分需求量，kg/hm2[21]。作物的磷、鉀養(yǎng)分需求量計算公式與氮相同。

1.2.3 作物秸稈產(chǎn)生量及養(yǎng)分量

主要作物秸稈產(chǎn)生量可基于作物產(chǎn)量和谷草比秸稈系數(shù)計算[18]。秸稈產(chǎn)生量(Ystraw)和秸稈氮養(yǎng)分量(Nstraw)的計算公式為：

式中：a為第a種類作物；Ystrawa為該類作物秸稈量，×104t ；p為作物種類數(shù)量；Xa為作物產(chǎn)量，×104t；Ka為該類作物谷草比系數(shù)；Nstrawa為該類作物秸稈氮養(yǎng)分總量，×104t；Sa為該類作物秸稈養(yǎng)分氮質(zhì)量分數(shù)，g/kg 。作物秸稈磷、鉀養(yǎng)分量計算公式與氮相同。

1.3 不同糞肥處理模式情景分析及替代潛力目標估算

1.3.1 畜禽糞便處理模式設置

結(jié)合云南實際情況，畜禽糞便加工處理還田的模式可采用孫超等[22]設計的3 種情景模式，即簡單堆儲(A)、沼液發(fā)酵工藝(B)、規(guī)范堆肥(C)。

1.3.2 糞肥替代化肥養(yǎng)分的潛力目標估算

在不同處理模式基礎上，按照糞肥中氮有效養(yǎng)分的不同，采用以下公式計算糞肥可能替代氮化肥的預期目標[22]：

式中：PN,r,B、PN,r,C為情景B、C 下r地域內(nèi)糞肥替代氮化肥有效潛力目標，×104t；MN,r,A、MN,r,B和MN,r,C為情景A、B、C 下r地域內(nèi)糞肥供應氮的量，×104t。替代磷、鉀化肥預期目標的計算公式與氮相同。

1.3.3 不同處理模式的養(yǎng)分虧損范圍

不同糞便處理方式影響其養(yǎng)分含量，本研究只關注處理后的氮、磷、鉀養(yǎng)分損失量，不同處理過程中養(yǎng)分損失比例參考已有研究[4-5,23](表1)。

表1 不同糞便處理模式的養(yǎng)分虧損范圍Tab.1 Nutrient deficit range of different manure treatment modes %

2 結(jié)果與分析

2.1 主要種植作物養(yǎng)分需求量

根據(jù)云南省2020 年水稻、小麥、玉米、豆類、薯類、油菜、蔬菜和水果等8 類主要作物的種植面積及其單位面積氮、磷、鉀養(yǎng)分需求量，估算云南省主要種植作物養(yǎng)分需求總量為154.38×104t，其中氮、磷、鉀分別為70.27×104、18.22×104和65.89×104t (表2)。從各州(市)養(yǎng)分需求量來看，處于前3 位的分別是曲靖、文山和昭通，其養(yǎng)分需求量占云南省的41.31%，其中曲靖占15.07%，文山占14.39%，昭通占11.85%。云南省糧食作物、蔬菜、果樹的養(yǎng)分需求分別占養(yǎng)分需求總量的85.48%、10.49%和4.02%。其中糧食作物養(yǎng)分需求處于前3 位的分別為曲靖、昭通和文山，蔬菜養(yǎng)分需求處于前3 位的分別為文山、曲靖和紅河，果樹養(yǎng)分需求處于前3 位的分別為紅河、昭通和大理。

表2 主要作物養(yǎng)分需求量及其區(qū)域分布 (2020 年)Tab.2 Nutrient requirements of major crops and their regional distribution (2020)

2.2 主要糧作秸稈可提供養(yǎng)分量

根據(jù)云南省2020 年水稻、小麥、玉米、豆類、薯類和油菜等主要糧食的產(chǎn)量計算秸稈總資源量為1 896.49×104t，可提供的總養(yǎng)分含量為61.08×104t，氮、磷、鉀分別為19.15×104、5.80×104和36.13×104t (表3)。

表3 主要糧食作物秸稈數(shù)量及養(yǎng)分含量Tab.3 Straw quantity and nutrient content of main grain crops

2.3 畜禽養(yǎng)殖糞肥資源養(yǎng)分供給估算

2.3.1 畜禽產(chǎn)污系數(shù)和養(yǎng)分含量

由表4 可知：云南省畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)以肉牛最高，豬和肉羊其次，而家禽最低；每千克牲畜固體糞便中，養(yǎng)分含量最高的為肉羊糞便，豬糞次之，肉牛糞便最低；每千克液體糞便中，養(yǎng)分含量最高的為肉羊糞便，肉牛糞便次之，豬糞最低。

表4 畜禽糞肥產(chǎn)污系數(shù)和養(yǎng)分含量(鮮基)Tab.4 Pollution production coefficient and nutrient content of livestock manure (fresh basis)

2.3.2 畜禽糞肥總量及其養(yǎng)分總量

按2020 年云南省畜禽養(yǎng)殖飼養(yǎng)量，依據(jù)其產(chǎn)污系數(shù)和養(yǎng)分含量，計算畜禽糞便產(chǎn)生的糞肥資源總鮮質(zhì)量為10 198.85×104t (表5)，位列前3 的分別是曲靖、紅河、文山，固液糞便產(chǎn)生量分別占全省的17.89%、10.87%和9.88%。全省畜禽糞便中氮、磷、鉀養(yǎng)分總量為47.30×104、8.82×104和 45.98×104t。其中，養(yǎng)分供給量從高到低依次為肉牛、生豬、肉羊、能繁母豬、家禽，占比分別為63.78%、28.95%、22.50%、3.08%和2.89%。

表5 畜禽固液糞便及其氮、磷、鉀養(yǎng)分含量(2020 年)Tab.5 Solid and liquid manure of livestock and their nitrogen,phosphorus and potassium nutrient content (2020)

2.4 畜禽糞肥合理利用情景模式的養(yǎng)分變化

分析3 種糞肥加工模式下糞肥中氮、磷、鉀養(yǎng)分還田利用和進入環(huán)境養(yǎng)分的變化情況(圖1)。按照固體糞肥簡單堆儲后施用、液體糞肥直接排放的處理方式(情景A)，畜禽糞肥可提供還田的氮、磷、鉀分別為17.80×104、4.08×104和9.49×104t，其中62.36%的氮、53.86%的磷和79.36%的鉀進入環(huán)境。在情景A 基礎上將液體糞肥沼液發(fā)酵處理(情景B)，可提供還田的氮、磷、鉀分別為34.80×104、5.01×104和37.47×104t，與情景A 相比養(yǎng)分損失明顯減少，其中26.43%的氮、43.33%的磷和18.50%的鉀進入環(huán)境。將固體糞肥規(guī)范堆肥處理及液體糞肥沼液發(fā)酵處理(情景C)，可提供還田的氮、磷、鉀分別為36.83×104、7.90×104和41.59×104t，其中22.13%的氮、10.44%的磷和9.54%的鉀進入環(huán)境，固體糞肥保存了更多的養(yǎng)分，尤其是鉀養(yǎng)分幅度較大。從養(yǎng)分損失減少角度看，情景C 優(yōu)于其他2 種模式，故選擇情景C 作為畜禽糞肥處理優(yōu)選模式。情景C 可提供養(yǎng)分量分別占云南省作物種植氮、磷、鉀需求量的52.41%、43.36%和63.12%。

圖1 不同情景下畜禽糞肥養(yǎng)分變化Fig.1 Nutrient changes of livestock manure under different scenarios

2.5 畜禽糞肥替代化肥養(yǎng)分含量分析

本研究在設置作物秸稈全還田和零還田2 種還田量(S1和S2)下，按照畜禽糞便處置情景C 產(chǎn)生養(yǎng)分的結(jié)果，計算糞肥替代化肥的潛力。由表6 可知：按照情景C 生產(chǎn)糞肥還田，可提供養(yǎng)分總量86.32×104t (氮、磷、鉀分別為36.83×104、7.90×104和41.59×104t)，在S1還田量下，可提供總養(yǎng)分61.08×104t (氮、磷、鉀分別為 19.15×104、5.80×104和36.13×104t)，糧菜果等作物還需補充化肥養(yǎng)分6.96×104t (氮、磷、鉀分別為14.29×104、4.51×104和-11.84×104t)才能滿足需求；在S2還田量下，則還需從化肥中補充養(yǎng)分68.04×104t (氮、磷、鉀分別為33.44×104、10.31×104和24.29×104t)。說明隨著秸稈還田量的增加，畜禽糞肥可提供替代61.08×104t 化肥的變量空間，其中氮肥替代幅度為52.41%～72.05%，磷肥替代幅度為43.36%～63.65%，鉀肥替代幅度為63.12%～139.79%。在S1還田量下，除大理、麗江、迪慶和楚雄等州(市)外，其他州(市)的氮養(yǎng)分均需要依靠化肥來補充；除大理、麗江、迪慶和怒江等州(市)外，其他州(市)的磷養(yǎng)分均需要補充少量化肥；除昭通、文山、德宏、西雙版納和玉溪等少數(shù)州(市)的鉀養(yǎng)分需要化肥補充外，其他州(市)均出現(xiàn)盈余；在S2還田量下，全省各地的氮、鉀養(yǎng)分均需要依靠化肥來補充，而磷養(yǎng)分除大理、麗江和迪慶等地出現(xiàn)盈余外，其他州(市)需要依靠化肥來補充。糞肥替代化肥潛力分析表明：在當前云南省糞肥產(chǎn)能較大的現(xiàn)狀下，運用合理畜禽糞便處置方式，與秸稈還田利用相結(jié)合，能有效減少化肥的施用量。

表6 不同秸稈還田量下所需化肥補充養(yǎng)分變化Tab.6 Change of nutrient supplement of chemical fertilizer required under different straw returning amount ×104t

2.6 畜禽糞肥替代化肥養(yǎng)分潛力分析

目前云南省處理畜禽糞便的方式多樣，雖然規(guī)模化養(yǎng)殖場處置相對規(guī)范，但小規(guī)模散養(yǎng)戶情況參差不齊。固體糞便以簡單堆儲后還田利用為主，輔以加工生產(chǎn)有機肥進行轉(zhuǎn)移；液體糞便部分經(jīng)干濕分離及沼液發(fā)酵處理后在本地還田利用，但收集后直接排放的現(xiàn)象仍然存在。

對固體糞肥進行簡單堆儲或規(guī)范堆肥、液體糞肥直接排放或沼液工藝等措施相互搭配后的3 種模式進行比較(圖2)可知：養(yǎng)分有效供給呈情景C＞情景B＞情景A 的趨勢，糞肥中氮、磷、鉀養(yǎng)分替代化肥均有較大空間，尤以鉀的潛力最大。不同糞便處理模式下氮、磷、鉀養(yǎng)分有效供給提升潛力不同。從氮替代潛力看，情景B 為情景A 的2.0 倍，情景C 分別為情景A 和情景B 的2.1 倍和1.1 倍；從磷替代潛力看，情景B 為情景A 的1.2 倍，情景C 分別為情景A 和情景B 的1.9 倍和1.6 倍；從鉀替代潛力看，情景B 為情景A 的3.9 倍，情景C 分別為情景A 和情景B 的4.4 倍和1.1 倍。

圖2 不同糞肥處理模式下氮、磷、鉀養(yǎng)分有效供給變化Fig.2 Changes in available nitrogen,phosphorus and potassium supply under different manure treatments

3 討論

本研究涉及的畜禽數(shù)量以及作物種植面積和產(chǎn)量等均基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，排泄量參數(shù)和作物養(yǎng)分需求來源于代表性文獻。真實數(shù)量與統(tǒng)計必然存在差別，對計算結(jié)果會產(chǎn)生一定影響[4,22]。筆者根據(jù)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和生長周期對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合產(chǎn)排污系數(shù)和排泄物參數(shù)計算畜禽糞便可提供養(yǎng)分含量，以作物種植面積和產(chǎn)量推算養(yǎng)分需求量，一定程度上減少了統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不確定因素，但不可能做到完全避免，受畜禽飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)和喂養(yǎng)方式、農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及栽培管理、區(qū)域分布和氣候海拔等因素影響，不同州(市)的結(jié)果仍可能存在一定的偏差。本研究以畜禽排污系數(shù)為基礎計算糞便總量和糞便養(yǎng)分產(chǎn)生量，與以豬當量為基礎的計算結(jié)果相比，糞便養(yǎng)分含量結(jié)果不同，按豬當量計算糞便中氮、磷養(yǎng)分別為96.41×104和47.30×104t，與本研究結(jié)果差異較大。說明在不同糞便氮、磷養(yǎng)分的計算中，以豬當量計算時，數(shù)據(jù)基數(shù)越大，結(jié)果差異放大效應就越明顯[6]。研究發(fā)現(xiàn)：大理、麗江、迪慶和怒江等地畜禽糞肥提供的磷養(yǎng)分較高，如果結(jié)合當?shù)貍鹘y(tǒng)秸稈還田施肥習慣，磷養(yǎng)分有超過作物需求量的風險，出現(xiàn)磷養(yǎng)分盈余，增加生態(tài)環(huán)境風險[24-25]。因此，大理等區(qū)域的農(nóng)田施肥應嚴格控制磷肥投入，減少農(nóng)田磷素累積，推廣糞肥合理輸出機制，如大量生產(chǎn)有機肥外運。面對糞肥磷負荷較高的潛在污染風險，值得相關部門在農(nóng)業(yè)污染環(huán)境治理、調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和安排生產(chǎn)中予以籌劃。

云南省糞肥替代化肥潛力巨大，但在實際生產(chǎn)中，受資金占用、投資回報和處置工藝等影響，養(yǎng)殖場存在處置設施建設不到位、投入使用率低和技術水平低等問題，糞便處置不夠徹底[26-27]。而云南省以畜禽糞便為原料的有機肥生產(chǎn)，面臨技術水平低、生產(chǎn)運輸成本高、消費者觀念落后和社會化服務不足等諸多問題，影響商品有機肥的推廣施用[28]。云南省如何因地制宜多元化開展畜禽糞污處置利用、提高資源利用水平和大幅減少化肥施用量值得探討。有機肥替代化肥已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基礎保障，是近年來指導施肥的重要內(nèi)容，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部先后下達指導意見在全國范圍內(nèi)開展替代工作。發(fā)展以畜禽糞便為主要原料生產(chǎn)有機肥來替代化肥，除了考慮加工技術和生產(chǎn)工藝的先進性外，還要考慮施用有機肥的安全性。要支持規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)有機肥[29]，推廣綠色種養(yǎng)循環(huán)糞肥還田技術模式，還要兼顧農(nóng)民的用肥習慣、有機肥的經(jīng)濟效益等因素，破除發(fā)展瓶頸，探索適合于云南省的畜禽養(yǎng)分資源有效利用模式。

4 結(jié)論

云南省畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮、磷、鉀養(yǎng)分資源豐富，合理處置糞肥資源，結(jié)合秸稈還田和化肥優(yōu)化施用，現(xiàn)有耕地可以消納畜禽養(yǎng)殖糞便。固態(tài)糞肥規(guī)范堆肥、液態(tài)糞肥沼液發(fā)酵的處理工藝可有效減少養(yǎng)分進入環(huán)境，提高糞肥產(chǎn)品養(yǎng)分含量，防止養(yǎng)分損失。該處理工藝下，可替代氮肥幅度為52.41%～72.05%，替代磷肥幅度為43.36%～63.65%，替代鉀肥幅度為63.12～139.79%，替代效果與作物秸稈還田量有關。在秸稈還田的前提下，部分州(市)糞肥中磷的供給量已超過了農(nóng)田作物對磷的需求量，在綠色種養(yǎng)循環(huán)生產(chǎn)中應實施以磷養(yǎng)分投入為控制目標的糞肥利用對策。