甘肃省天水市畜禽粪肥资源现状及替代化肥潜力研究

2020-03-07张小红

中国农业文摘·农业工程 2020年1期

摘要：综合考虑农作物种植结构、种植面积及畜禽粪污处理方式等因素，估算了天水市各县区粪污养分资源现状及其替代化肥的潜力。结果表明，天水市畜禽粪污中氮、磷养分分别为22565.0lt和3384.75t，且各县区畜禽粪污氮和磷供给量均未超过作物需求量;当前天水市大部分养殖场固体粪污储藏堆放还田，液体粪污直接还田，在这种粪污处理方式下，氮、磷的有效供给量分别占作物氮、磷需求量的10.49%和6.72%，表明天水市有足够的耕地消纳畜禽粪污;研究还发现：在固体粪污加工为商品有机肥，液体粪污沼气处理的方式下，粪肥养分损失率最低;各县区氮养分的替代率高于磷养分替代率;我市粪肥替代化肥潜力较大，应提高粪污资源化利用水平。研究结果可为天水市畜禽粪污资源化利用和确定养殖业发展规模提供理论依据。

关键词：畜禽粪污;氮（磷）养分;替代化肥潜力;天水市

随着集约化饲养程度的不断提高，畜禽养殖废弃物已成为影响我国环境质量的重要污染之一^[1]，加之城镇化扩张、畜禽规模化养殖等使得土地对畜禽粪污的消纳能力降低、消纳成本增加，我国农村一些村、镇本地的畜禽粪污产生量已经大大超出当地农田可承载的最大负荷^[2]。畜禽粪污中含有大量的氮、磷等营养物质，是一种良好的可再生有机资源，但局部区域施用的畜禽粪污如果超出农田消纳容量，则会导致包括温室气体排放、污染水体以及土壤质量退化等问题^[2-3]。

农牧结合是畜禽养殖污染治理与控制最重要和最有效的措施之一^[1]，这不仅能缓解畜禽粪污的环境污染压力，而且能减少化肥施用量，减少农业面源污染，增加土壤有机质，提高土壤肥力，形成农业循环发展，实现种植业与养殖业的“双赢”。此外，肥料替代还可以降低生产成本，改善作物品质，增加农业收入，具有良好的经济效益^[4]。在不同的畜禽粪污处理方式下，粪污中的氮、磷养分含量有差异^[I^，^5-7]。然而许多研究主要从畜禽粪污量、畜禽粪污氮磷养分、农田氮磷负荷及超负荷对环境威胁评价等方面做了深入探讨，但对于不同方式处理畜禽粪污有效还田氮磷养分和粪肥替代化肥氮磷养分的潜力研究较少^[8]。

为此本文以天水市各县区为基本单元，在实地调研的基础上，结合主要作物种类、播种面积以及畜禽粪污处理方式等因素，利用猪当量计算畜禽粪污中氮磷总量，定量估计畜禽粪污氮、磷的有效供给及替代化肥的潜力，为“2020年化肥零增长目标”提供科学依据，为天水市畜禽粪污资源化利用提供数据支撑。

1研究方法及数据来源

1.1研究地区概况与数据来源

天水市位于甘肃省东南部，属暖温带半湿润气候区，气候温和，是著名的蔬菜水果生产之乡和畜牧养殖基地。2017年天水市农作物播种面積为463946.67hm²，主要种植小麦、玉米、薯类、蔬菜和水果等。近年来，天水市畜禽养殖业迅速发展，促进了地区经济发展和农民增收。2017年生猪存栏量和出栏量达到了70.24万头、84.01万头;肉牛存栏量为31.71万头;羊存栏量和出栏量分别为31.6万只、16.29万只;蛋鸡存栏量为131.45万只;肉鸡出栏量为335.31万只。天水市地跨长江、黄河两大流域，如果畜禽粪污处理不当，容易造成水污染，影响人畜的饮水安全。

1.2总氮（总磷）产生量计算

本文以猪当量为单位来计算总氮、总磷的产生量。猪当量指用于衡量畜禽氮（辚）排泄量的度量单位，1头猪为1个猪当量。1个猪当量的氮排泄量为11kg，磷排泄量为1.65kg。按存栏量折算：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽。生猪、奶牛、肉牛固体粪污中氮素占氮排泄总量的50%，磷素占磷排泄总量的80%;羊、家禽固体粪污中氮（磷）素占氮（磷）排泄总量100%。天水市畜禽养殖业以猪、肉牛、羊、肉鸡和蛋鸡为主，其他畜禽饲养数量极少。因此，在计算总氮（总磷）产生量时仅考虑猪、肉牛、羊、肉鸡和蛋鸡五种畜禽。

1.3主要作物养分需求量计算

主要作物氮（磷）需求量计算公式如下：

式（1）中，F_jk为j地区第k种作物的氮（磷）总需求量，kg;D_jk为j地区第k种作物的播种面积，hm²;E.。为j地区第k种作物单位面积氮（磷）需求

量，kg/hm²;j为县区数，j=l，2，…，m;k为作物种类，k=l，2，…，n。

天水市的种植作物主要包括小麦、玉米、薯类、油料、蔬菜及瓜果等，播种面积占总播种面积的90%以上。部分作物的养分需求参数难以获取，因此选取小麦、玉米、马铃薯、胡麻及水果作为消纳畜禽粪污的场所，参考相关资料^[2，5.9-10]，确定单位面积作物养分需求量参数，见表1。

1.4粪肥替代化肥氮（磷）养分的潜力分析

粪污处理方式显著影响着可用于农田的养分含量^[1，5-7]。根据固体粪污和液体粪泻的处理工艺和去向，将粪污处理方式分为三种，见表2。

根据不同处理方式下氮（磷）有效供给量的差异，计算天水市各县区粪肥替代化肥潜力的计算公式为

式（1）（2）中，P_j_._B、P_j_._C分别为第二种和第三种畜禽粪污处理方式下j地区粪肥替代化肥的有效潜力，t;E_j.A、E_j.B、E_j.C分别为第一种、第二种和第三种畜禽粪污处理方式下j地区粪肥供应氮（磷）的量，t。

粪污处理方式显著影响着可用于农田的养分含量^[1，5-7]，不同粪肥处理工艺中的氮（磷）养分损失比例见表3。

2结果与分析

2.1畜禽养殖现状及粪肥资源现状

天水市肉羊、肉牛的养殖主要分布在少数民族自治县——张家川县，仅张家川县肉羊的存栏量占天水市肉羊存栏总量的38.86%，肉牛比重为35.62%;蛋鸡养殖主要分布在清水县、秦安县、麦积区，三个地区禽蛋产量所占我市禽蛋总产量的比重均为20%左右，三地区比重总和超过50%;生猪养殖主要分布在甘谷县、秦安县和武山县，三个县存栏量比重总和占天水市生猪总存栏量的62.17%，见表4。

为了得到接近实际的猪粪污资源量计算结果，依据《畜禽养殖业产排污系数手册》中的西北区猪产排污系数和猪群结构确定猪的粪尿量为4.17kg/d。由表5可知，2017年天水市畜禽粪污总量为153.98万工，其中，清水县和张家川县分布较多，粪污产生量多达30万工左右，分别占天水市畜禽粪污总量的17.56%

和22.08%，张家川县肉牛肉羊的养殖数量占比均将近40%，加之肉牛的产排污系数最高，每天产粪尿量为20.42kg，肉羊的产排污系数位居第三，为每天0.87kg，因此，产生的畜禽粪污量最高;两区五县中，清水县五种畜禽的养殖数量均位居前列，是天水市第一养殖大县，畜禽粪污总量相对较高;武山县最少，仅有16.16万工，占总量的10.50%，武山县畜禽饲养量相对较低，产排污最高的肉牛仅饲养了1万多头。天水市畜禽粪污氮、磷的产生量分别是22565.0lt和3384.75t，其中，清水县、甘谷县和张家川县总氮的产生量超过了3000t，除了武山县和秦州区外，其他五个县区总磷的产生量达到了400t以上。以上表明，各县区畜禽结构及畜禽种类影响着畜禽粪污产生量以及粪污中氮磷养分含量。

根据2017年天水市主要作物的播种面积和各作物养分的需求量，计算出各县区氮、磷的需求量。天水市农作物氮、磷的需求量分别为77434.20t和21667.72t;除了張家川县外，其余四个县区作物磷的需求量均超过了10000t;在不施用化肥及秸秆还田的情况下，天水市畜禽粪污氮、磷供给量与作物氮、磷需求量相差甚多，其中氮的供给量与需求量相差54869.19吨，磷的供给量与需求量相差18282.97吨;两区五县中，除了张家川县畜禽粪污氮、磷供给量与作物需求量相差不大外，其余需求量远远高于供给量，见表5。这充分说明了天水市养殖规模有很大的提升空间，作物生产中，还需要施用化肥和秸秆还田来补充氮、磷养分。本文的研究结果是以猪当量为基础计算粪污总量和粪污养分供给量，与孙超^[5]等的以排污系数为基础计算的结果相比，粪污总量降低了，反而粪污养分供给量上升了，这说明数据基数大，采用不同的衡量畜禽氮（磷）排泄量的度量单位，结果差异的放大效应比较明显。

2.2合理施用粪肥分析

粪污处理方式显著影响着可用于农田的养分含量^[1，5-7]，不同粪肥处理工艺中的氮（磷）养分损失比例见表3。天水市绝大部分养殖场采用第一种方式处理粪污，那么按照第一种方式处理，全市粪污可提供氮和磷养分分别为8016t和1455t，63%的氮和57%的磷进入环境;第二种方式处理粪污，可供作物利用的氮和辚养分分别为16823t和2012t，液体粪污经过沼气工程处理降低了养分损失率，25%的氮和41%的磷进入环境，与第一种处理方式相比氮的损失显著减少;第三种处理方式下，其氮和磷供给量分别为17738t和3047t，见图1，固体粪污经堆肥处理，磷养分的损失减小，氮和磷的损失率分别为21%和10%。第三种粪污处理方式显著地降低了氮磷养分的损失，优于第一种处理方式和第二种处理方式，因此，应选择第三种处理方式作为畜禽粪污处理的优先模式，此研究结果与孙超等^[5]研究结果一致。

当前，天水市绝大部分养殖场采用第一种方式处理粪污，即固体粪污储藏堆放还田，液体粪污直接还田。在此现状下，天水市各县区粪肥氮、磷有效供给量和化肥、秸秆养分补充量见表6。天永市粪肥氮、磷的有效供给量分别占作物氮、磷的需求量为10.49%和6.72%;氮和磷的化肥、秸秆养分补充量分别为69310.80t和20212.28t。说明了在现有养殖规模下，天水市有足够农用地消纳畜禽粪污。天水市各县区粪肥氮、磷养分占作物氮、磷养分需求的比例差异较大，张家川县粪肥氮、磷养分占作物氮、磷需求比例均为最高，分别为26.64%和16.00%;武山县粪肥氮、磷养分占作物氮、磷需求比例均为最低，16.75%和3.82%。从表6可以看出，天水市畜禽粪污养分的有效利用率比较低，应采用高效的处理方式，降低养分的损失率。本文采用猪当量分析的结果和采用排污系数分析结果一致，天水市各县区氮养分的替代率高于磷养分替代率，然而，与孙超等^[5]研究安徽省固镇县的氮磷养分替代率结果相反，通过比较发现，畜禽养殖结构影响着粪肥氮磷养分替代率，肉鸡蛋鸡养殖数量越大，磷养分的替代率越高。天水市为了防止畜禽规模扩大带来的粪污污染，应实施以氮养分投入为控制目标的粪肥利用对策。张家川县牛肉销售已实现品牌化，是当地的名牌产品，虽然粪肥中氮、磷有效供给量占作物需求养分比例最高，但畜禽养殖数量低于当地环境限制容量，还可增加肉牛肉羊饲养规模，带动周边地区农民增收。

2.3粪肥替代化肥氮（磷）养分潜力分析

根据图2可知，与第二种处理方式相比，第三种处理方式中粪污氮、磷养分替代化肥潜力均有较大提高。在第二种处理方式下，各县区畜禽粪污中氮、磷的有效供给量平均为2417.68t和285.29t，天水市类肥氮、磷替代化肥的有效潜力分别为8800.35t和541.56t;在第三种处理方式下，各县区畜禽粪污中氮、磷的有效供给量平均为2546.62t和435.18t，全市粪肥氮、磷替代化肥的有效潜力分别为9702.95t和1590.83t。第三种处理方式下的畜禽粪污中氮、磷的有效供给量和替代化肥的有效潜力均高于第二种处理方式，尤其是粪污磷养分替代化肥潜力平均为第二种处理方式的3倍左右。第三种处理方式中，粪污中氮、磷养分替代化肥潜力最大的县区均为张家川县，分别为2142.80t和351.32t，其次为清水县。

天水市各县区粪肥替代化肥潜力较大，但实地调研发现，受养殖场自身资金短缺、投资回报率低等因素影响，大部分养殖场粪污处理设施设备不到位，不仅不能用畜禽粪污养分替代化肥，还易流到环境中，造成面源污染。天水市应引导鼓励养殖场建立或改造必要的粪污处理利用配套设施;突出扶持甘谷县、秦安县和武山县生猪养殖场和张家川县肉牛养殖场粪污有效处理利用;因地制宜，利用粪污发展商品有机肥、沼气、天然气生产等，提高资源化利用水平。

3讨论

天水市作物养分需求量和畜禽粪污养分产生量均基于统计数据和参数，其不确定性可能会使结果出现误差。作物养分需求量参数来源于文献，部分作物的养分需求参数难以获取，因此选取天水市主要作物：小麦、玉米、马铃薯、胡麻及水果作为研究对象，加之种植模式和管理措施等的影响，相应计算结果可能存在误差。由于数据限制，本文农田养分来源没有考虑秸秆还田，只考虑了粪肥替代化肥数量。本文采用的畜禽存出栏数据来自《天水经济年鉴2017》，实际畜禽数量和统计数据之间必定存在差别，本文依据猪当量对统计数据进行处理，尽管一定程度上减少了统计数据不确定性，但是不能完全消除。

天水市同一县区内，不同乡镇养殖的畜禽规模、种类各不相同，为了优化资源配置，减轻环境压力，充分发掘畜禽粪污替代化肥潛力，下一步我们将研究区域细化至每一个县区的各乡镇，然后从自然、社会及经济方面确定各县区内各乡镇畜禽粪污处理设施建设优先级。

4结论

（1）天水市养殖规模有很大的提升空间，作物生产中，还需要施用化肥和秸秆还田来补充氮、磷养分。

（2）天水市应选择第三种处理方式作为畜禽粪污处理的优先模式;

（3）天水市各县区氮养分的替代卒高于磷养分替代率，为了防止畜禽规模扩大带来的粪污污染，应实施以氮养分投入为控制目标的粪肥利用对策;

（4）天水市各县区粪肥替代化肥潜力较大，应提高资源化利用水平。

参考文献

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