刘晨峰， 汪志锋， 赵兴征， 沈 忱， 李 松*

1.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心， 北京 100012

2.生态环境部环境规划院， 北京 100012

3.北京环安工程检测有限责任公司， 北京 100082

4.中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012

畜禽粪污富含有机物和氮磷等营养元素，自古以来都是我国农业肥料的主要来源[1-3]. 20世纪80年代后，化肥施用量的迅猛增加导致粪肥的施用空间逐年压缩，随着我国畜禽规模养殖量不断提高[4]，养殖业环境污染问题逐渐显现. 化肥施用强度过高与粪污资源化利用不足成为我国农业污染的根本成因[5-6]. 2013年国务院令第643号颁布了《畜禽规模养殖污染防治条例》[7]，确定“以粪便的综合利用作为治理畜禽养殖污染的根本途径”，鼓励种养结合，实现就地就近利用. 2015年，多部委联合发布《全国农业可持续发展规划(2015—2030年》(农计发〔2015〕145号)、原农业部发布《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》(农科教〔2015〕1号)，提出“一控两减三基本”工作目标，明确提出要“减少化肥和农药使用量，实现畜禽养殖废弃物基本综合利用”. 2017年，国务院办公厅出台《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(国办发〔2017〕48号)，原农业部发布《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017—2020年)》(农牧发〔2017〕11号)和《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》(农发〔2017〕2号)，提出到2020年我国畜禽粪污综合利用率达到75%以上的目标，引导各地以果菜茶生产为重点，实施有机肥替代化肥，推进畜禽粪污资源循环利用. 2018年，原农业部印发《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》(农办牧〔2018〕1号)和《畜禽规模养殖场粪污资源化利用设施建设规范(试行)》(农办牧〔2018〕2号)，指导各地畜禽粪污资源科学还田. 但目前尚缺乏经济可行的畜禽粪污还田利用无害化处理措施，我国已发布肥料抗生素残留检测国家标准[8]和有机肥料标准重金属限值[9]，为避免农用地二次污染，必须严格做好投入品的源头管控，降低有机肥替代化肥可能产生的环境污染风险.

该研究以《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》推荐的测算方法为基本思路，从各类作物类型中筛选出当前施肥强度较高[10-11]、适宜开展粪肥替代化肥的果菜茶作物类型进行单位种植面积畜禽粪污承载压力测算. 依据氮素收支平衡方法，从各省份果菜茶作物产量推算氮素养分需求量，基于第二次全国污染源普查结果[12]，获取畜禽养殖粪肥氮素供给量，据此评价各省份化肥替代率为0.4和0.5两种情景下目标作物单位种植面积畜禽粪污养分承载现状. 通过单位种植面积粪肥可提供量与氮肥实际需求量之比反算粪肥全部还田利用后能达到的最高化肥替代率. 各省份可将单位种植面积畜禽粪污承载量指标作为未来畜牧业发展规划或畜禽养殖项目立项评估依据. 研究结果可对各地掌握辖区内粪肥承载现状、优化种养布局、构建种养平衡的循环利用体系提供参考和决策支持.

1 研究方法

1.1 作物养分需求量与单位种植面积氮素实际所需施用量测算

依据《2018年中国农村统计年鉴》[13]各省份蔬菜、茶叶、水果和瓜果的产量与《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]不同植物形成100 kg产量需要吸收氮磷量推荐值估算各省份蔬菜、茶叶、水果和瓜果四类作物总养分需求量. 根据推荐值，各省份茶叶类单位产量需要吸收氮值为6.4 kg(100 kg产量)，蔬菜类采用推荐值各类蔬菜平均值，为0.4 kg(100 kg产量)，水果依据各省份各类水果产量与单位产量需要吸收氮值推荐值做加权平均，得到各省份水果类单位产量需要吸收氮值. 瓜果类依据相关研究[15-16]，单位产量需要吸收氮值设定为0.8 kg(100 kg产量). 各省份四类作物总养分需求量计算公式：

Atotal=∑yi×ai×10-2

(1)

式中：Atotal为区域内果菜茶总产量下需要吸收的氮素量，t；yi为区域内第i种作物总产量，t；ai为第i种作物收获100 kg产量吸收的氮素量，kg(100 kg产量).

根据计算所获得的果菜茶总养分需求量除以该地区果菜茶总种植面积，获得单位种植面积氮养分需求量，考虑氮素当季养分利用率[17]，取值0.35，推算出单位种植面积氮素实际所需施用量，计算公式：

(2)

式中：Naverage为区域内果菜茶平均单位种植面积氮素实际所需施用量，kghm2；Areatotal为区域内果菜茶总的种植面积，hm2.

1.2 单位种植面积粪肥养分需求量

将区域内粪肥养分替代化肥的比率乘以单位耕地面积氮素实际所需施用量，计算得到区域单位耕地面积粪肥养分需求量，计算公式：

NMneed=Naverage×Pmanure

(3)

式中：NMneed为区域内果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量，kghm2；Naverage为区域内果菜茶单位种植面积氮素实际所需施用量，kghm2；Pmanure为区域内粪肥替代化肥比率.

一般情况下有机肥和化肥施肥比例为4∶6[17]，该研究参考原农业部制定的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》[14]，在化肥替代率为0.4的基础上增加化肥替代率为0.5的情景.

1.3 区域粪肥总养分产生量与供给量测算

依据第二次全国污染源普查技术规定，畜禽养殖业总氮、总磷产生量依据各省份养殖量与总氮、总磷产污系数计算得到，核算范围为养殖规模满足生猪全年出栏量≥50头、奶牛年末存栏量≥5头、肉牛全年出栏量≥10头、蛋鸡年末存栏量≥500羽、肉鸡全年出栏量≥2 000 羽的所有养殖场户养殖量. 从粪肥氮与粪肥磷土地承载限值看[18]，如果要满足作物对磷的需求量，则氮素量超标. 该研究优先考虑粪肥氮承载水平，磷根据作物需求与当地土壤条件通过磷肥补充. 由于粪污及养分在运输、处理、存储和施用过程中会有所损失，参考文献[17,19-20]，氮损失率一般为30%～40%，该研究以氮损失率为40%计算养分供给量. 根据各省份畜禽粪肥总养分供给量除以果菜茶总种植面积，得到单位种植面积总养分供给量，计算公式：

(4)

式中：NMsup为区域内畜禽粪肥氮养分供给量，kghm2；NMaverage为区域内果菜茶平均单位种植面积粪肥养分供给量，kghm2.

1.4 区域畜禽粪污承载压力系数测算和化肥最高替代率测算

采用区域内果菜茶平均单位种植面积粪肥氮养分供给量与粪肥氮养分需求量之比，简称养分承载压力系数(RA)〔见式(5)〕，表征各省份粪肥承载压力现状. 采用区域内果菜茶平均单位种植面积粪肥养分供给量与单位种植面积氮素实际所需施用量之比，反算各省份畜禽养殖业可提供的粪污全部用于区域内果菜茶种植后化肥的最高替代率，以Tmax〔见式(6)〕表征.

RA=NMaverageNMneed

(5)

Tmax=NMaverageNaverage

(6)

式中，RA为养分承载压力系数，Tmax为化肥最高替代率.

2 结果与分析

2.1 区域果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量

化肥替代率为0.4时，全国果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量为143.5 kghm2，山东省、河北省、内蒙古自治区和河南省四省(自治区)果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量均在200 kghm2以上(见图1)，且山东省达到240.4 kghm2. 化肥替代率为0.5时，全国果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量为179 kghm2. 山东省、河北省、内蒙古自治区、上海市、河南省、吉林省、黑龙江省、天津市、江苏省、辽宁省及新疆维吾尔自治区(含新疆生产建设兵团，下同)等11个省(自治区、直辖市)需求量平均在200 kghm2以上，山东省和河北省分别达到300和288 kghm2. 化肥替代率增加10%后，各省份果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量平均增加38 kghm2.

图1 我国各省份果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量

2.2 区域果菜茶单位种植面积粪肥氮养分供给量

全国畜禽养殖业核算范围内氮素产生量为463.3×104t，按照氮损失率为40%计算，粪肥氮素供给量为277.97×104t. 产生量和供给量靠前的5个省份是山东省、河南省、河北省、江苏省、辽宁省，粪肥氮素产生量与供给量合计占全国的37%. 果菜茶单位种植面积氮素供给量各省份差异较大，全国平均为126.37 kghm2，吉林省、黑龙江省、天津市、西藏自治区、内蒙古自治区、辽宁省单位面积氮素供给量较大，吉林省达到579.6 kghm2(见图2). 这些省份果菜茶作物种植面积较少，平均只有31×104hm2，单位种植面积粪肥氮养分承载负荷大. 山东省、河南省、湖南省、广东省、四川省等虽然养殖量大，但各省份果菜茶作物种植面积平均在200×104hm2以上，单位种植面积氮素供给量较小.

图2 我国各省份果菜茶单位种植面积粪肥氮养分供给量

2.3 区域粪肥氮养分承载现状

化肥替代率为0.4时，各省份粪肥氮养分承载压力系数在0.21～2.99之间，平均值为0.78(见图3). 北方省份承载压力系数较高. 北京市、天津市、山西省、内蒙古自治区、辽宁省、吉林省、黑龙江省、西藏自治区、青海省等8个省(自治区、直辖市)承载压力系数大于1，平均值为1.51，最大值出现在吉林省，达2.99，以上9个省份以占全国6%的果菜茶种植面积承载全国19%的养殖量(东北三省是3%的种植面积承载12%的养殖量)，单位种植面积氮养分供给量远高于粪肥氮养分需求量，仅果菜茶种植、化肥替代率为0.4已无法消纳粪肥产生量. 其余省份粪肥氮养分承载压力系数均低于1，平均值为0.48.

图3 我国各省份总氮养分承载压力系数

化肥替代率为0.5时，各省份粪肥氮养分承载压力系数在0.17～2.39之间，平均值为0.63. 天津市、吉林省、黑龙江省、西藏自治区、青海省等5个省(自治区、直辖市)份承载压力系数大于1，最大值为吉林省，达2.39. 天津市、西藏自治区和青海省单位种植面积氮养分承载压力系数偏高，主要是因为果菜茶种植面积低所致，合计仅为15.9×104hm2. 吉林省、黑龙江省相对于养殖量而言，果菜茶种植区面积相对较小，仅果菜茶种植、化肥替代率为0.5无法消纳粪肥产生量. 其余省份粪肥氮养分承载压力系数均低于1，平均值为0.46. 这表明全国大部分区域省级层面畜禽粪肥氮养分提供量未超过本区域果菜茶种植的肥料所需.

2.4 区域粪肥替代化肥最高比率

当各省份畜禽养殖业可提供的粪污全部用于区域内果菜茶作物施肥，果菜茶平均单位种植面积粪肥养分供给量与氮素实际所需施用量之比在0.09～1.19之间(见图4). 粪肥可替代化肥的比率低于0.4的有河北省、上海市、江苏省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山东省、河南省、湖北省、湖南省、广东省、广西壮族自治区、海南省、重庆市、四川省、贵州省、云南省、陕西省、甘肃省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区等22个省(自治区、直辖市)；比率介于0.4～0.5之间的有山西省、内蒙古自治区、辽宁省；比率介于0.5～0.7之间的有天津市、黑龙江省、西藏自治区、青海省. 吉林省粪肥替代化肥比率为1.19，果菜茶种植所需肥料全部由养殖业粪肥养分来提供，仍无法完全消纳本辖区产生的粪肥养分，还需进一步扩大施用粪肥的作物范围.

图4 我国各省份粪肥替代化肥最高比率

3 讨论

果菜茶是原农业部重点推荐实施有机肥替代化肥、推进粪肥资源循环利用的主要作物类型[21]，该研究在省域尺度以化肥替代率为0.4和0.5两种情景测算了各省份果菜茶单位种植面积所需的粪肥氮养分需求量和供给量. 化肥替代率在0.4条件下，全国23个省份果菜茶单位种植面积粪肥氮供给量小于需求量，平均粪肥氮供给量为70 kghm2，最大值为146.5 kghm2. 化肥替代率在0.5条件下，26个省份果菜茶单位种植面积粪肥氮供给量小于需求量，平均粪肥氮供给量为88 kghm2，最大值为236.7 kghm2. 大量文献围绕粪肥氮素的环境安全施用限值做了研究：一是欧盟在硝酸盐敏感地区的有机肥施用标准[22]不超过175 kghm2(以N计)；二是英国洛桑实验站的有机肥施用标准不超过276 kghm2(以N计)[23-24]；三是我国肥料领域专家朱兆良认为农田氮肥的安全施用量为150～180 kghm2(以N计)(一季作物)[25]，过量施用会导致氮素的环境污染加剧. 该研究以欧盟标准衡量，在化肥替代率为0.5的情景下，承载压力系数小于1的省份中，内蒙古自治区和辽宁省果菜茶单位种植面积粪肥氮供给量均超过了安全限值，分别为236.71和221.29 kghm2，其余省份均在安全限值内. 以英国洛桑实验站有机肥施用标准衡量，承载压力系数小于1的省份均在该安全施用标准内，承载压力系数大于1的省份中吉林省和黑龙江省超过了该施用标准，分别为579.58和343.66 kghm2.

各类研究因选取要素(包括行政区域范围、消纳作物类型以及参与核算的畜禽养殖种类和养殖量统计口径等)的差异而产生不同的研究结果. 侯世忠[26]对山东省、潘喻春等[27]对北京市、吴飞龙等[28]对福建省等的畜禽养殖环境承载力进行了研究，由于忽略粪便收集、存储及施用过程中氮素损失量，导致单位耕地氮养分承载系数均偏高. 高延清等[29]基于原农业部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》核算了松原市下辖的区县水稻、玉米、大豆、马铃薯、油料、甜菜、果菜茶、葵花籽等作物粪肥养分需求与畜禽粪肥养分提供情况，发现松原市5个区县中4个仍有较大畜禽养殖空间. 吴永胜等[30]测算了成都市20个区县畜禽粪污氮磷耕地承载负荷风险状态，发现2个地区处于中等风险状态，3个地区处于较高风险状态. 基于相同的研究目标，付强等[31]通过中国畜牧业年鉴、农业统计年鉴主要畜类养殖量(猪、牛、羊、家禽)及区域作物(大豆、稻谷、谷子、棉花、小麦、玉米等大田作物)产量核算氮养分供给量与氮养分需求量关系，发现东北地区的黑龙江省、吉林省，黄淮海地区的河北省、河南省、山东省、安徽省、江苏省等省份多为农业大省，其植物畜禽粪肥养分消纳能力较强. 这与该研究结果存在差异：一方面是因为选择畜禽种类范围大，且统计口径为全口径，该研究只针对五类畜禽开展研究；另一方面是二者选择消纳粪肥的作物类型和种植面积地区差异大，该研究选择果菜茶作物类型，在黑龙江省和吉林省等地区种植面积小，承载压力系数高；而稻谷、小麦、玉米等粮食产量高，选择粮食作物类型时粪污消纳能力较强.

该研究以各省份果菜茶为主要粪肥养分消纳作物类型，测算了0.4和0.5的化肥替代率下，大部分省份果菜茶种植面积即可消纳区域粪肥氮养分产生量. 当各省份畜禽养殖业可提供的粪肥全部用于区域内果菜茶作物施肥时，除吉林省果菜茶种植无法消纳完本区域产生的粪肥养分，需扩大施用粪肥的作物范围外，其余区域在省级范围内果菜茶种植均能消纳区域粪肥养分供给量. 该研究鉴于《中国农村统计年鉴》数据未能将蔬菜品类分开，蔬菜类单位产品产量氮素需求量取用了各类蔬菜氮素需求量的平均值，未能将各省份各品类蔬菜产量差异考虑在内，氮素当季利用率与土壤养分现状也未能按照各地实际情况加以考虑，这些因素都对准确测算各省份粪肥养分承载现状造成一定影响. 但各省份可以该研究为参考，宏观掌握本辖区种养平衡基本形势，具体到市级、区县一级测算时可依据该研究框架，结合各地果菜茶实际种植面积和品类产量以及当地土壤养分条件进行精细测算，根据测算结果确定辖区畜禽粪污处理处置基本方向. 针对辖区畜禽粪污资源化利用“最后一公里”面临的各种阻碍因素，通过畜禽粪污供需服务站建设、加大有机肥施用补贴力度、加强畜禽粪污资源化利用技术指导等措施手段，切实提升畜禽粪污资源化利用水平.

4 结论

a) 化肥替代率为0.4时，全国果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量为143.5 kghm2；化肥替代率为0.5时，全国果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量为179 kghm2. 化肥替代率增加10%后，各省份果菜茶单位种植面积粪肥氮养分需求量平均增加38 kghm2. 第二次全国污染源普查畜禽养殖业核算范围内氮素产生量为463.3×104t，粪肥氮素供给量为277.97×104t. 果菜茶单位种植面积氮素供给量各省份差异较大，全国平均为126.37 kghm2.

b) 化肥替代率为0.4时，全国各省份粪肥氮养分承载压力系数在0.21～2.99之间，平均值为0.78. 北方省份承载压力系数较高. 北京市、天津市等8个省份承载压力系数大于1，平均值为1.51，最大值为吉林省，达2.99. 其余省份粪肥氮养分承载压力系数均低于1，平均值为0.48. 化肥替代率为0.5时，全国各省份粪肥氮养分承载压力系数在0.17～2.39之间，平均值为0.63. 天津市、吉林省等5个省份承载压力系数大于1，最大值出现在吉林省，达2.39. 其余省份粪肥氮养分承载压力系数均低于1，平均值为0.46.

c) 各省份畜禽养殖业可提供的粪污全部用于区域内果菜茶作物施肥，平均单位种植面积粪肥养分供给量与单位面积氮素实际所需施用量之比在0.09～1.19之间. 粪肥可替代化肥的最高比率低于0.4的有河北省、浙江省、新疆维吾尔自治区等22个省份；最高替代率介于0.4～0.5之间的为山西省、内蒙古自治区、辽宁省；最高替代率介于0.5～0.7之间的省份有天津市、黑龙江省、西藏自治区、青海省.