龙雯琪，吴根义，林毅青

（湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙410128）

畜禽养殖作为农业的重要组成部分，其粪便污染已成为世界普遍关注的焦点。现今，中国畜禽养殖已对中国生态环境安全构成严重威胁[1-3]。磷是农业生产中最重要的养分限制因子之一，同时也是水体富营养化的主要限制因子[4-5]。在作物生产中，大多数土壤都需要通过矿物化肥或畜禽粪便补充氮磷养分以获得满意的产量。但是，现代农业生产对地表水和地下水等产生的硝酸盐污染[6]和来源于农业生产的磷负荷逐渐成为引起湖泊、河流和海水富营养化的主要因素[7-8]。随着畜禽养殖业的发展，我国畜禽粪便产生磷总量大幅度增长，2002年我国磷肥总消费量超过9.92 万t，约占同年世界总磷消费量的30%[9]，畜禽粪便产生磷素总量为948 万t[10]，磷污染日益严重。

本研究将主要分析湘潭县近10年来畜禽养殖的时序变化规律。利用养分平衡原理计算分析湘潭县耕地的畜禽养殖磷污染负荷的变化。养分平衡计算方法基本分为农场总体平衡法（Farm－gate balance）和土壤层面平衡法（Soil－surface balance）[11]。本研究采用土壤层面平衡法。进而揭示畜禽养殖业对湘潭环境压力的时序演变规律，为湘潭地区畜禽养殖业的科学发展和有效控制管理提供支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

湘潭县位于东经112°25"～113°03"，北纬27°20"～28°05"，海拔63 m，位于湖南省“五区一廊”战略要冲，地处湖南省中部偏东，湘江下游西岸，东与株洲、湘潭市接壤，西与湘乡接界，北与宁乡、望城为邻，南与衡山、衡东毗连。区域农业稳步发展，已初步建成粮、猪、渔、禽、莲、茶、林、果、蚕、药十大商品生产基地。粮食作物以水稻为主，其次，有红薯、小麦等；经济作物有柑橘、茶叶、棉花、湘莲、黄花、辣椒等；油料作物有油菜、花生、大豆等。养殖业以猪、牛、羊、禽类为主。

1.2 数据来源与分析方法

本研究的畜禽养殖量数据资料和耕地面积数据主要来源于2000～2011年的湖南农村统计年鉴或统计汇编资料。畜禽养殖量数据中，选用猪年末存栏量、牛年末存栏量、羊年末存栏量、家禽年末存栏量代表各类畜禽1年的养殖量。

畜禽粪尿污染物排放量计算，根据畜禽存栏量和粪便排泄系数与粪便含磷量计算，各种畜禽粪便磷排泄系数参照王方浩等[12]提供的参数（见表1），其中猪的粪便排泄量按照存栏量×110×3×天数排泄系数计算；牛的粪便排泄量取肉牛与奶牛的平均值计算；禽类的粪便排泄量主要参照鸡（肉鸡、蛋鸡）的平均粪便排泄量计算；除猪外，其他畜禽粪便排泄量均按照存栏量×年排放系数计算。根据本课题组对湖南省各县市畜禽养殖粪污处理情况的相关调研,本研究综合考虑处理措施的占比,每年施入区域农田系统的粪肥磷量按照养殖业粪便排放总量的30%计算。

表1 畜禽种类及其粪便产出量和磷素含量[12]

区域农田作物磷消纳量：选取水稻、玉米、大豆、红薯、马铃薯、花生、油菜、柑橘等几种主要农田作物进行分析比较，一般每生产100 kg 作物需从土壤中吸收磷（P2O5）：稻谷需吸收0.6～1.3 kg；玉米需吸收1.15～1.60 kg；大豆需吸收1～1.8 kg；油菜需吸收3～3.9 kg；柑橘需吸收0.11 kg。计算时选取每种作物吸收平均值，真实反应区域农田系统磷素需求量。

参照经济合作与发展组织（OEDC）对于磷平衡研究所推荐的方法（Soil－surface balance），将湘潭县可用于耕种农田拟合成一个整体，就其2000～2011年的相关统计数据，通过对其系统内磷素输入和输出进行定量化，进一步确定系统内的磷素盈亏量。在输入端，主要考虑化肥和需求养殖产生的粪肥等施用情况；在输出端，主要考虑农产品（如稻谷、玉米、大豆、油菜、柑橘）生长所需吸收土壤中磷素总量。磷平衡计算方法可简单的表示为：P 盈余(或P 亏缺)＝P 输入－P 输出。若农田磷素平衡P 输入值与P 输出值总量之差为正值，则表明区域农田系统内磷素表现为盈余状态，若长期维持此状态不变，磷素在土壤中积累量越大则其损失量就可能越大，对区域系统内生态环境污染的风险就越大；若农田磷素平衡P 输入值总量与P 输出值总量之差为负值，则表明区域农田系统内磷素表现为亏缺状态，若长期维持此状态不变，土壤中则没有磷素积累，磷素的损失量相对较小，对区域系统内生态环境不会产生环境污染风险。

2 结果与分析

2.1 养殖量动态变化

湘潭县也是一个传统的养殖大县，尤其以生猪养殖量最大。湘潭县养殖结构变化如图1 所示。

图1 湘潭县区域农田系统养殖量变化

湘潭县区域生猪养殖规模整体呈现上升趋势，由2000年的生猪存栏63.38 万头增加至2011年的119.05万头，上升87.84%，其中由以2008年养殖量为最大，达到134.33 万头；同时，禽类养殖规模则整体呈现下降趋势，由2000年的禽类存栏517.00 万羽减少至2011年的364.21 万羽，下降29.55%。

2.2 区域农田系统土壤磷素平衡动态变化

湘潭县区域农田系统土壤磷素平衡主要取决于化肥、粪肥磷的输入以及农田作物生产所导致磷的输出。区域农田系统作物磷素的输入、输出根据总量大小排名为：农田作物输出＞化肥磷输入＞粪肥磷输入，由此表明作物生产所导致的磷素输出对于区域农田系统土壤磷平衡起着主要控制作用。从2000～2011年，作物生产磷素输出呈现先上升后下降的趋势，增长量不明显，甚至相比与2000年，2011年磷素输出量降低了3.21 kg/hm2，但就整体而言，其均值分别高于化肥磷输入均值46.15%和粪肥磷输入均值85.38%；化肥磷素输入量除2003年外，整体呈现上升趋势，较2000年相比，2011年化肥磷输入增加18.30 kg/hm2，上升30.65%；粪肥磷素输入量整体增长平缓，这里需要指出的是，虽然较2000年相比，2011年生猪存栏量上升87.84%，但牛、羊、禽类存栏量却分别下降了48.42%、31.54%和29.55%。湘潭县区域农田系统单位耕地磷素收支变化情况见图2。

图2 湘潭县区域农田系统单位耕地P 收支变化

根据磷平衡理论（Soil－surface balance）分析，湘潭县区域农田系统土壤磷素盈亏关系如图3 所示。

图3 湘潭县区域农田系统单位耕地P 盈余与亏缺

由图3 可知，湘潭县区域农田系统磷素平衡除2003年亏缺外，其整体表现为盈余状态，且呈现上升的趋势。区域农田系统磷素盈余量从2000～2011年，增加了24.62 kg/hm2，上升了163.05%。由图2 可知，2003年作物磷输出和粪肥磷输入无异常, 唯有化肥施用量急剧下降,致使2003年磷素处于亏缺状态,由此可见化肥施用量是导致磷盈余的主要原因。此外，图2 中作物磷输出和粪肥磷输入均增长平缓，湘潭县区域农田系统磷盈余主要因素表现为化肥磷输入的不断上升，据统计资料表明，湘潭县历年化肥磷输入量均居湘潭地区输入总量的首位。高祥照等[13]研究发现，耕地土壤中磷养分盈余能导致土壤中速效磷浓度的提升。但长期的磷素盈余是不可持续的。土壤中长期磷素累积在雨水、灌溉水淋溶作用下，势必导致磷素大量流失，渗滤到地下水或江河湖泊中能造成重大环境危害。如何合理的调整种养结构、控制减少化肥磷输入量、提倡多施粪肥，成为了维护区域农田系统土壤磷素平衡、保护环境的重中之重。

3 结论

从2000～2011年，湘潭县区域畜禽养殖存栏总量由607.74 万头（羽）减少至485.50 万头（羽），下降了20.11%。根据磷平衡理论（Soil－surface balance）分析得出，湘潭县区域农田系统土壤磷素平均盈余量为25.59 kg/hm2，虽然磷素盈余量不大，但其整体呈现较为明显的上升趋势。湘潭县区域农田系统土壤磷素盈余上升趋势主要受化肥磷输入量的持续增长的影响，与此同时，农田作物输出和粪肥磷输入量则维持在一个相对稳定的范围。农田系统土壤磷素平衡主要取决于化肥、粪肥磷的输入以及农田作物生产所导致磷的输出，根据输入、输出总量大小排名为：农田作物输出＞化肥磷输入＞粪肥磷输入，表明作物生产所导致的磷素输出对于区域农田系统土壤磷平衡起着主要控制作用。所以，为减少农田系统磷素盈余，在调整种养结构的同时，湘潭县应尽量减少农田系统的化肥磷的施用，转而以粪肥施用所替代，形成以“种”带“养”的良性循环模式。

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