劉曉永，李書田,2

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中國畜禽糞尿養(yǎng)分資源及其還田的時(shí)空分布特征

劉曉永1，李書田1,2※

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2. 國際植物營養(yǎng)研究所（IPNI）北京辦事處，北京 100081）

為準(zhǔn)確掌握中國不同地區(qū)畜禽糞尿量、畜禽糞尿氮磷鉀量及其還田利用隨時(shí)間變化特征，該研究基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料，估算各地區(qū)畜禽糞尿量、養(yǎng)分量及各種畜禽糞尿所占比例，分析不同時(shí)期畜禽糞尿養(yǎng)分還田量的地區(qū)間差異。結(jié)果表明：1980s，1990s，2000s和2010s全國畜禽糞尿（鮮質(zhì)）資源量分別為276 177.41×104，391 083.29×104，445 885.84×104，423 422.87×104t，30多年增長了53.32%，其養(yǎng)分資源分別為2 523.86×104t（N 1 249.47×104t，P2O5230.64×104t，K2O 1 043.75×104t），3 686.59×104t（N 1 820.79×104t，P2O5327.13×104t，K2O 1 538.67×104t），4 296.77×104t（N 2 124.13×104t，P2O5401.29×104t，K2O 1 771.35×104t）和4 089.40×104t（N 2 017.66×104t，P2O5421.17×104t，K2O 1 650.57×104t），30多年增加了62.03%，其中東北地區(qū)增幅最為明顯。河南、四川、山東、湖南、云南和內(nèi)蒙古的畜禽糞尿及其養(yǎng)分量約占全國的40%。全國不同畜禽糞尿及其養(yǎng)分量占總量的比例依次為：牛>豬>羊>家禽>馬>驢>騾，但各地區(qū)有一定差異。西北、西南和東北地區(qū)牛糞尿及其養(yǎng)分占比較大，長江中下游地區(qū)豬糞尿及其養(yǎng)分占比最高，西北地區(qū)羊糞尿及其養(yǎng)分占比最大，東南地區(qū)禽糞及其養(yǎng)分占比最高，馬、驢、騾糞尿及其養(yǎng)分在各地區(qū)占比都相對(duì)較小。1980s，1990s，2000s和2010s全國畜禽糞尿氮磷鉀總養(yǎng)分還田量分別為1 132.73×104，821.36×104，1 860.52×104和1 709.19×104t，還田率分別為44.88%，22.28%，43.30%和41.80%，河北、河南、山東、湖南、內(nèi)蒙古、四川、云南和廣西省畜禽糞尿養(yǎng)分還田量約占全國還田量的50%。2010s全國畜禽糞尿N，P2O5和K2O還田量分別為615.91.91×104，297.70×104和795.58×104t，還田率分別為30.53%，70.68%和48.20%。該研究為中國和各地區(qū)畜禽糞尿養(yǎng)分資源的合理利用和化肥零增長下畜禽糞尿養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

糞；尿；養(yǎng)分；畜禽；養(yǎng)分還田；時(shí)空分布

0 引 言

中國畜禽糞尿資源豐富[1-3]，可提供豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分，是優(yōu)質(zhì)農(nóng)家肥，具有較高的農(nóng)業(yè)利用價(jià)值。作為重要的有機(jī)肥資源，畜禽糞尿在提高土壤有機(jī)質(zhì)[4-5]、提高土壤肥力[1-2,6]、改善土壤結(jié)構(gòu)[5]、促進(jìn)作物生產(chǎn)和增加作物產(chǎn)量[7-8]，以及改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[9]等中發(fā)揮著巨大作用；同時(shí)，與化肥相比，畜禽糞尿具有養(yǎng)分全面、肥效穩(wěn)而長和易被作物吸收等特點(diǎn)[9-10]。

中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，從傳統(tǒng)粗放式向規(guī)?；⒓s化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變[11-13]，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞尿及其養(yǎng)分也在不斷增加。翁伯琦等[6]估算1999年中國畜禽糞便排泄量為19.65×108t，其中TN和TP分別為969.90×104和189.20×104t；王方浩等[14]估算2003年中國畜禽糞尿排泄量為31.90×108t，其中TN和TP分別為1 394.60×104和378.50×104t；翁伯琦等[6]估算2006年中國畜禽糞尿的排泄量為22.67×108t，其中TN和TP分別為1 103.40×104和220.10×104t；耿維等[15]估算2010年中國畜禽糞尿排泄量為22.35×108t；郭冬生等[16]估算2010年中國畜禽糞尿排泄量為45.00×108t，其中有機(jī)氮1 597.00×104t，有機(jī)磷363.00×104t?？梢?，在不同時(shí)期各研究者估算的中國畜禽糞尿及其養(yǎng)分資源量結(jié)果差異較大，且難以進(jìn)行時(shí)空演變特征的比較和分析，其中存在的較大問題是估算方法和參數(shù)不統(tǒng)一，鮮有對(duì)各地區(qū)不同時(shí)期畜禽糞尿及其養(yǎng)分資源進(jìn)行估算。因此，有必要及時(shí)、合理地弄清不同時(shí)期中國各地區(qū)畜禽糞尿及其養(yǎng)分資源量的分布特征和變化規(guī)律，旨在為統(tǒng)籌中國各地區(qū)畜禽糞尿資源化利用的規(guī)劃布局，為畜禽糞尿養(yǎng)分資源利用提供數(shù)據(jù)支撐。

長期以來，畜禽糞尿一直是中國重要的有機(jī)肥資源，也是畜禽糞尿處理的主要出路[17-18]。隨著中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；?、集約化發(fā)展，畜禽糞肥資源增加，化肥消費(fèi)量激增，使得畜禽糞尿資源的利用逐漸被忽視。2005年，畜禽糞尿循環(huán)利用的還田比例減少到不足50%[19-20]，2008年中國畜禽集約化養(yǎng)殖中僅有19.40%的糞便磷還田，家庭養(yǎng)殖中68.10%的糞便磷還田[21]。但是，有研究表明2003年中國畜禽糞尿養(yǎng)分資源占當(dāng)年氮磷鉀化肥消費(fèi)量的60%以上[22]，2010年中國畜禽糞便中的有機(jī)氮、有機(jī)磷總量相當(dāng)于同期化肥使用量的78.90%和57.40%[16]，畜禽糞肥依然具有較高的化肥替代的潛力。目前，研究者更多地關(guān)注畜禽糞尿及其養(yǎng)分量的估算[1-3]及其土壤負(fù)荷的估算和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究[23-24]，鮮有對(duì)畜禽糞尿養(yǎng)分資源的還田情況進(jìn)行研究。因此，為推動(dòng)中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[22,25]，利用畜禽糞尿養(yǎng)分替代部分化肥[13,15,26]，為實(shí)現(xiàn)“減施化肥”和“2020年化肥零增長目標(biāo)”提供科學(xué)依據(jù)和參考，更為決策者制定畜禽糞尿資源綜合利用政策和措施提供數(shù)據(jù)支撐，有必要弄清不同時(shí)期中國畜禽糞尿及其養(yǎng)分量還田情況，這是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分資源循環(huán)再利用和凈化環(huán)境的關(guān)鍵[27-29]。由此，本研究以省級(jí)為單元，基于國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和參考資料，研究了畜禽糞尿資源及其養(yǎng)分資源的時(shí)空變化和分布特征及畜禽糞尿養(yǎng)分資源還田的時(shí)空變化和分布特征。

1 材料與方法

1.1 估算方法

參照中國糧食主產(chǎn)區(qū)劃分如下區(qū)域[3]，1）東北地區(qū)：包括黑龍江、吉林和遼寧；2）華北地區(qū)：北京、天津、河北、河南、山東、山西；3）長江中下游地區(qū)：上海、江蘇、浙江、安徽、湖北、湖南、江西；4）西北地區(qū)：內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆；5）西南地區(qū)：重慶、四川、貴州、云南、西藏；6）東南地區(qū)：福建、廣東、廣西、海南。未包括香港、澳門、臺(tái)灣的數(shù)據(jù)。

畜禽糞尿產(chǎn)生量的估算多采用排泄系數(shù)法[30-31]。各類畜禽糞尿的年產(chǎn)生量由畜禽飼養(yǎng)量（年末存欄數(shù)、年內(nèi)出欄數(shù)）、飼養(yǎng)周期、排泄系數(shù)計(jì)算而得。目前，國內(nèi)在估算畜禽糞尿年產(chǎn)生量時(shí)，主要有4種計(jì)算方法：

1）畜禽年糞尿量(104t)年末存欄數(shù)(104個(gè)(頭))×日排泄系數(shù)（kg/(d·個(gè)(頭))）×365(d)×10-3[32-34]，該公式?jīng)]有考慮畜禽年內(nèi)出欄數(shù)，以及各畜禽飼養(yǎng)周期的大小差異，均用365 d計(jì)算，不能準(zhǔn)確的反映實(shí)際l a內(nèi)畜禽糞尿產(chǎn)生量。

2）畜禽年糞尿量(104t)=年內(nèi)出欄數(shù)(104個(gè)(頭))×日排泄系數(shù)（kg/(d·個(gè)(頭))）×飼養(yǎng)周期(d)×10-3[35-37]，由于部分當(dāng)年內(nèi)出欄的畜禽在該年的存在時(shí)間還沒有到1個(gè)飼養(yǎng)周期，按照1個(gè)飼養(yǎng)周期計(jì)算會(huì)使得結(jié)果偏大。

3）畜禽年糞尿量(104t)=(年內(nèi)出欄數(shù)+年末存欄數(shù))(104個(gè)(頭))×日排泄系數(shù)（kg/(d·個(gè)(頭))）×飼養(yǎng)周期(d)×10-3[38-40]，沒有考慮飼養(yǎng)周期大于1a的畜禽情況，其年末存欄數(shù)尚未達(dá)到1個(gè)飼養(yǎng)周期，均以飼養(yǎng)周期計(jì)算時(shí)會(huì)使得結(jié)果偏大。

4）畜禽年糞尿量(104t)=(年內(nèi)出欄數(shù)或年末存欄數(shù))(104個(gè)(頭))×日排泄系數(shù)（kg/(d·個(gè)(頭))）×飼養(yǎng)周期(d)× 10-3[1,24,41]，公式中，以畜禽年內(nèi)出欄數(shù)（飼養(yǎng)周期≤1 a）計(jì)算時(shí)沒有考慮年末存欄數(shù)，以年末存欄數(shù)計(jì)算時(shí)（飼養(yǎng)周期≥1 a）沒有考慮到年內(nèi)出欄數(shù)，估算結(jié)果有一定出入。

因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)上述計(jì)算公式進(jìn)行了修正，考慮畜禽年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù)的差異，以及各畜禽飼養(yǎng)周期的大小差異，分別確定飼養(yǎng)周期≥1a和≤1a畜禽年排泄量的估算方法，同時(shí)為避免糞和尿的種類差異，將畜禽糞、尿量分開估算。計(jì)算如下：

1）畜禽糞尿（鮮質(zhì)）：

式中QM和QU分別為畜禽糞量和尿量，104t；為豬、牛、羊、家禽的種類；為馬、驢、騾的種類；分別為畜禽年內(nèi)出欄數(shù)、年末存欄數(shù)，104；為飼養(yǎng)周期天數(shù)，d；365為一年365 d；和分別為畜禽糞和尿日排泄系數(shù)(kg/(d·個(gè)(頭)），1000為換算系數(shù)。

2）畜禽糞尿養(yǎng)分：

式中TN，TP和TK分別為畜禽糞尿N、P2O5和K2O養(yǎng)分總量，104t；QM、QU分別為畜禽糞量、尿量，104t；MN，MP和MK分別為畜禽糞N、P2O5和K2O養(yǎng)分含量，%；UN、UP和UK分別為畜禽尿N、P2O5和K2O養(yǎng)分含量，%。

3）畜禽糞尿養(yǎng)分還田：

直接還田：

燃燒還田：

式中DN，DP和DK分別為畜禽糞尿N，P2O5和K2O養(yǎng)分直接還田量，104t；BP和BK分別為畜禽糞便P2O5和K2O養(yǎng)分燃燒后還田量，104t；Rd為畜禽糞尿直接還田率，%；Rb畜禽糞燃燒還田率，%；LN，LP，LK分別為N、P2O5和K2O養(yǎng)分損失率，%；Pr，Kr分別為畜禽糞便燃燒后P2O5、K2O養(yǎng)分歸還率，%。

1.2 數(shù)據(jù)及參數(shù)

1.2.1 數(shù) 據(jù)

畜禽（豬、牛、羊、家禽、馬、驢、騾）年末存欄數(shù)、年內(nèi)出欄數(shù)數(shù)據(jù)取自《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》（1981－2016）[42]和《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》（1981－2016）[43]。為避免畜禽種類和畜禽養(yǎng)殖量年際間變化的影響，本研究分別以1980－1989，1990－1999，2000－2009和2010－2015的均值表示1980s，1990s，2000s，2010s的數(shù)據(jù)。1980s和1990s重慶的數(shù)據(jù)包含在四川省內(nèi)。

1.2.2 參 數(shù)

1）畜禽糞尿日排泄系數(shù)

畜禽糞、尿排泄系數(shù)是指單個(gè)畜禽每日排出糞、尿的數(shù)量，是畜禽糞、尿年排放量估算的關(guān)鍵，其因畜禽種類、性別、生長期、個(gè)體質(zhì)量、生理狀態(tài)、地域、氣候、飼養(yǎng)環(huán)境、飼料、飼喂方式和季節(jié)等因素的不同會(huì)有很大的差異[32,44]，且不同文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)也不完全相同，這樣導(dǎo)致最終估算的結(jié)果會(huì)有較大的差異，為力求更加準(zhǔn)確的貼近實(shí)際值，本研究收集、整理和分析大量的文獻(xiàn)資料、書籍或研究報(bào)告等，加權(quán)均值計(jì)算各種畜禽的糞、尿日排泄系數(shù)（表1）。

2）畜禽糞、尿的氮磷鉀含量

本研究估算的畜禽糞、尿量時(shí)以鮮質(zhì)量計(jì)，估算畜禽糞、尿氮磷鉀養(yǎng)分含量也是以鮮基計(jì)。通過收集、整理和分析大量相關(guān)文獻(xiàn)資料、書籍或研究報(bào)告等，加權(quán)均值計(jì)算各種畜禽糞尿的N、P2O5、K2O養(yǎng)分含量（表2）。

3）畜禽飼養(yǎng)周期

畜禽飼養(yǎng)周期指畜禽被飼養(yǎng)的天數(shù)，因畜禽種類及其用途的差異，其飼養(yǎng)天數(shù)大不相同。一般生產(chǎn)周期大于一年（1 a）的，按365 d計(jì)算，生產(chǎn)周期小于1 a的，按實(shí)際飼養(yǎng)天數(shù)計(jì)算。本研究通過匯總《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》（1980－2015）[45]中的畜禽（豬、牛、羊、家禽、馬、驢和騾）飼養(yǎng)周期，分別以1980－1989，1990－1999，2000－2009和2010－2015畜禽飼養(yǎng)周期的均值表示1980s，1990s，2000s和2010s數(shù)據(jù)（表3）。

4）畜禽糞尿還田率

本研究通過收集、整理和分析現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料、書籍或研究報(bào)告等，分地區(qū)加權(quán)均值計(jì)算不同年代不同地區(qū)畜禽糞尿還田率。1980s時(shí)，全國畜禽糞尿資源大多數(shù)作為有機(jī)肥還田利用，還田率為60%～75%[20,46-47]，而在牧區(qū)，如內(nèi)蒙古、青海、寧夏和西藏大部分糞便被用來做燃料燃燒后還田，還田率分別為66.67%[48-49]，50%[50]，50%[50]和73%[51-52]。在1990s，全國畜禽糞尿資源還田率為31.5%～59.4%[53-57]，而藏區(qū)牧民依然有燃燒畜禽糞便的習(xí)慣，其燃燒率為73.00[51-52]，2000s和2010s的全國各地區(qū)畜禽糞尿還田率分別見表4。

5）畜禽糞尿養(yǎng)分損失率

從養(yǎng)分循環(huán)利用角度考慮，畜禽糞尿還田利用，是一種最為經(jīng)濟(jì)的資源化利用和處置方式，但由于資源化利用技術(shù)落后、產(chǎn)業(yè)化水平滯后等各種因素的制約，受困于資金、技術(shù)的限制，畜禽糞尿在施到農(nóng)田之前通常要經(jīng)歷“排泄-清掃-儲(chǔ)存-處理（堆積、高溫堆肥或厭氧發(fā)酵）-運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移”過程[14,58]，在處置、利用過程中氮磷鉀養(yǎng)分損失較大[1,12,58-60]，不可避免地造成畜禽糞尿養(yǎng)分的損失，其氮、磷、鉀損失率見表5。而用作燃料燃燒的糞便，燃燒后其氮、磷和鉀養(yǎng)分歸還率為0，82.50%和82.50%[61]。

表1 畜禽的糞尿日排泄量（鮮基）

注： 此部分僅列出主要參考文獻(xiàn)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為加權(quán)均值數(shù)據(jù)樣本數(shù)，下同。

Note: Only the main references are listed in the table, the values in brackets are the number of weighted average data samples, the same below.

表2 不同畜禽的糞、尿養(yǎng)分含量（鮮基）

d

表3 不同地區(qū)不同畜禽飼養(yǎng)期

Note: NE: Northeast, NC: North China, MLYR: Middle and lower reaches of Yangtze River, NW: Northwest, SW: Southwest, SE: Southeast, the same as below.

表4 2000s和2010s畜禽糞尿還田率

注： 此部分主要參考文獻(xiàn)見[51-52,77,87-94]。西藏大牲畜（牛、馬、驢和騾）糞便為燃燒還田。

Note: Some references used here were [51-52,77,87-94]. Manures of large livestock (cattle, horses, donkeys and mules) in Tibet were returned to field after burning.

表5 畜禽糞尿養(yǎng)分損失率[95]

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel計(jì)算，利用Arcgis10.2.1軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞尿資源量

通過計(jì)算，1980s，1990s，2000s和2010s全國畜禽糞尿（鮮質(zhì)）資源量分別為276 177.41×104t（糞167 234.36×104t，尿108 943.05×104t），391 083.29×104t（糞243 753.30×104t，尿147 329.99×104t），445 885.84× 104t（糞279 929.65×104t，尿165 956.15×104t）和423 422.87×104t（糞263 439.16×104t，尿159983.71×104t）（表6）。30多年來全國畜禽糞尿資源總量增長了53.32%，糞量增長了57.53%，尿量增長了46.85%。從地區(qū)增幅角度來看，東北和寧夏增幅最大，東北增幅為169.41%，其次是河南、天津、山東和河北，增幅在100%左右，而青海、江蘇、浙江和上海呈略有下降趨勢。中國畜禽糞尿總量的增加與這一時(shí)期畜禽養(yǎng)殖數(shù)量大幅增加有關(guān)[42-43]。而不同地區(qū)畜禽糞尿資源隨時(shí)間變化的差異與1980s到2010s畜禽養(yǎng)殖量的地域間差異隨時(shí)間進(jìn)一步增大[96-97]相關(guān)聯(lián)，也可能與中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)不斷調(diào)整，地域產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步分明，規(guī)?；潭冗M(jìn)一步提高[77,98-99]有關(guān)。

從區(qū)域分布來看，中國畜禽糞尿資源主要分布在河南、四川、山東、湖南、云南和內(nèi)蒙古，這些地區(qū)的畜禽糞尿資源量占全國總量的39.03%～41.22%，這與中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要分布在河南、四川、山東、湖南、云南和內(nèi)蒙古等地相一致[42-43,98]，也可歸結(jié)于中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)正逐步向經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的且自然資源豐裕的地區(qū)轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)區(qū)域集中度進(jìn)一步強(qiáng)化[100-101]。

表6 不同年份各省畜禽糞尿資源量

通過分析可知，1980s以來，牛、豬、羊、家禽一直是中國畜禽糞尿的主要來源。以2010s為例，全國各類畜禽糞尿量占其總量的比例大小依次為：牛>豬>羊>家禽>馬>驢>騾，分別占全國糞尿資源總量41.12%，39.09%，10.27%，7.81%，0.87%，0.60%，0.24%（表7），其他年代也有類似的趨勢。各區(qū)域不同種類畜禽糞尿資源占本區(qū)域畜禽糞尿資源總量的比例也存在一定差異，其中牛糞尿資源占比較大的是西北、西南和東北地區(qū)，其次是華北地區(qū)，東南和長江中下游地區(qū)相對(duì)較低。豬糞尿占比最大的是長江中下游地區(qū)，其次是東南地區(qū)，西南、東北和華北地區(qū)豬糞尿資源占比相對(duì)較低，西北地區(qū)最低。羊糞尿資源占比最大的是西北地區(qū)，其次是華北、東北和西南地區(qū)，長江中下游相對(duì)較低，最低的是東南地區(qū)。禽糞資源占比最大的是東南地區(qū)，其次是長江中下游和華北地區(qū)，東北和西南地區(qū)相對(duì)較低，最低的是西北地區(qū)。馬、驢或騾糞尿養(yǎng)分在各區(qū)域占比都相對(duì)較小，低于2%，有的地區(qū)幾乎沒有。因此，中國各種畜禽糞尿資源結(jié)構(gòu)所占比例差異較大，源于畜禽養(yǎng)殖數(shù)量及結(jié)構(gòu)存在較大差異[42-43]。

表7 2010s各地區(qū)各種畜禽糞尿資源量占本地區(qū)糞尿資源總量的比例

2.2 畜禽糞尿養(yǎng)分資源量

總體來看，30多年來全國畜禽糞尿中的氮磷鉀養(yǎng)分總量呈增加趨勢。1980s，1990s，2000s和2010s全國畜禽糞尿中的氮磷鉀養(yǎng)分總量分別為2 523.86×104t（N 1 249.47×104t，P2O5230.64×104t，K2O 1 043.75×104t），3 686.59×104t（N 1 820.79×104t，P2O5327.13×104t，K2O 1 538.67×104t），4 296.77×104t（N 2 124.13×104t，P2O5401.29×104t，K2O 1 771.35×104t）和4 089.40×104t（N 2 017.66×104t，P2O5421.17×104t，K2O 1 650.57×104t）（圖1），30多年間增加了62.03%。畜禽糞尿的氮磷鉀總量分別占各時(shí)期化肥消費(fèi)量的142.42%、107.15%、90.97%和70.03%。從區(qū)域角度來看，東北地區(qū)增加幅度最大，從153.96×104t增加到439.96×104t，增長了185.76%，其次是華北部分地區(qū)，從442.63×104t增加到921.72×104t增長了108.24%，而長江中下游、西北、西南和東南地區(qū)增幅較低，增幅僅為35.74%～46.70%。畜禽糞尿養(yǎng)分資源量的分布與畜禽糞尿資源量時(shí)空分布相似，主要分布在河南、四川、山東、內(nèi)蒙古以及云南，這些地區(qū)的畜禽糞尿氮磷鉀養(yǎng)分總量約占全國總量的40%。這些研究結(jié)果與其他研究有異同，不同的是同一年代畜禽糞尿養(yǎng)分資源數(shù)量估算有一定差異，原因主要與估算方法、計(jì)算參數(shù)（如畜禽糞、尿日排泄系數(shù)、飼養(yǎng)周期和糞、尿養(yǎng)分含量）不同有關(guān)，即使相同數(shù)量的畜禽養(yǎng)殖量，因這些因素的差異性，導(dǎo)致最終的畜禽糞尿養(yǎng)分量估算結(jié)果也可能存在一定的差異。與他人研究結(jié)果的相似之處是畜禽糞尿養(yǎng)分資源的分布狀況基本一致[23,102]。

圖1 畜禽糞尿養(yǎng)分資源量時(shí)空分布

與畜禽糞尿資源結(jié)構(gòu)一致，1980s以來，牛、豬、羊、家禽糞尿養(yǎng)分是主要組成部分，全國不同畜禽糞尿養(yǎng)分量占總量的比例依次為：牛>豬>羊>家禽>馬>驢>騾，分別占全國總量的39.27%，27.19%，17.58%，14.11%、0.98%、0.68%和0.18%（表8）。不同區(qū)域各種畜禽糞尿養(yǎng)分資源占當(dāng)?shù)匦笄菁S尿養(yǎng)分資源比例有一定差異，牛糞尿養(yǎng)分占比較大的是西南地區(qū)，其次是西北和東北地區(qū)，華北和東南地區(qū)相對(duì)較低，長江中下游地區(qū)最低。豬糞尿養(yǎng)分占比最大的是長江中下游地區(qū)，其次是東南地區(qū)，西南、東北和華北地區(qū)相對(duì)較低，西北地區(qū)最低。羊糞尿養(yǎng)分占比最大的是西北地區(qū)，其次是華北和東北地區(qū)，西南和長江中下游次之，東南地區(qū)最低。禽糞養(yǎng)分占比最大的是東南地區(qū)，其次是華北、東北和長江中下游地區(qū)，西南地區(qū)相對(duì)較低，西北地區(qū)最低。馬、驢或騾糞尿養(yǎng)分在各區(qū)域占比都相對(duì)較小，低于2%，有的地區(qū)甚至沒有。

表8 2010s各地區(qū)畜禽糞尿養(yǎng)分資源量占本地區(qū)糞尿資源養(yǎng)分總量的比例

2.3 畜禽糞尿養(yǎng)分還田量

長時(shí)間以來，有機(jī)肥一直是中國農(nóng)田養(yǎng)分的主要來源[103]，而隨著化肥的投入及糧食產(chǎn)量的迅速提高，導(dǎo)致中國畜禽糞尿養(yǎng)分還田數(shù)量和比例發(fā)生了較大變化。1980s全國畜禽糞尿養(yǎng)分還田量為1 132.73×104t，還田率為44.88%，其中N，P2O5和K2O還田量分別為365.13×104，194.19×104和573.40×104t，還田率分別為29.22%，84.20%和54.94%，還田氮磷鉀總量占同時(shí)期化肥消費(fèi)量的63.92%；1990s全國畜禽糞尿養(yǎng)分還田量為821.36×104t，還田率為22.28%，其中N，P2O5和K2O還田量分別為280.91×104，135.20×104和405.24×104t，還田率分別為15.42%，41.33%和26.34%，還田氮磷鉀總量占當(dāng)時(shí)期化肥消費(fèi)量的23.87%；2000s全國畜禽糞尿養(yǎng)分還田量為1 860.52×104t，還田率為43.30%，其中N，P2O5和K2O還田量分別為662.46×104，309.48×104和888.58×104t，還田率分別為31.19%，77.12%和50.16%，還田氮磷鉀總量占當(dāng)時(shí)期化肥消費(fèi)量的39.39%；2010s全國畜禽糞尿養(yǎng)分還田量為1 709.19×104t，還田率為41.80%，其中N，P2O5和K2O還田量分別為615.91×104，297.70×104和795.58×104t，還田率分別為30.53%，70.68%和48.20%，還田氮磷鉀總量占當(dāng)時(shí)期化肥消費(fèi)量的29.27%（圖2）。

從1980s到2010s，中國畜禽糞尿氮磷鉀養(yǎng)分還田總量增加了50.89%，其中，東北地區(qū)增幅最大，從73.35×104t增加到182.45×104t，增幅為148.74%，其次是西北和華北地區(qū)，分別從205.99×104和205.32×104t增加到387.82×104和370.18×104t，增幅分別為88.27%和80.29%。從省域角度來看，中國各地區(qū)畜禽糞尿養(yǎng)分還田量增減幅度大不相同。其中，寧夏增幅最大，為439.82%，其次是內(nèi)蒙古、東北三省和山東增幅均在100%以上，河南、河北、天津、甘肅和青海增幅均在70%以上，而上海、浙江和山西呈明顯下降趨勢，這主要是由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不均、各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量及養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的變化，以及各地區(qū)化肥消費(fèi)水平的不同所致。從地區(qū)分布來看，中國畜禽糞尿養(yǎng)分還田量主要分布在河北、河南、山東、湖南、內(nèi)蒙古、新疆、四川、云南和廣西，約占全國還田養(yǎng)分總量的50.88%～55.58%。

圖2 畜禽糞尿養(yǎng)分還田資源量時(shí)空分布

3 討 論

3.1 畜禽糞尿及其養(yǎng)分量時(shí)空分布

隨著中國人口規(guī)模的快速增長，以及人們飲食結(jié)構(gòu)根本性的改變，肉、蛋、奶等畜禽產(chǎn)品的消費(fèi)量迅速增加，促進(jìn)了中國畜禽業(yè)快速發(fā)展[28,77]，畜禽養(yǎng)殖量隨時(shí)間成直線甚至指數(shù)增長[42-43]，由此產(chǎn)生的畜禽糞尿及其養(yǎng)分量極大。本研究表明，從1980s到2010s，中國畜禽糞尿及其氮磷鉀養(yǎng)分資源量分別從276 177.41×104，2 508.05×104t增加到423 422.87×104，4 116.61×104t，增幅分別為53.32%和64.13%，這與翁伯琦等[6]、王方浩等[14]、耿維等[15]和郭冬生等[16]等研究結(jié)果的變化趨勢基本一致。30多年來，中國畜禽糞尿養(yǎng)分量占同時(shí)期化肥消費(fèi)量的比例從141.53%下降到70.50%，降幅較為明顯，但是畜禽糞尿養(yǎng)分依然有較高的替代化肥的潛力。在區(qū)域增幅上，增幅最大的是東北三省，其畜禽糞尿及其養(yǎng)分總量增幅分別為169.41%，185.76%，其次是河南、天津、山東、河北，這與楊飛等[23]的研究一致，主要原因是東北和華北各省的畜禽發(fā)展年平均增長率相對(duì)較高，畜禽養(yǎng)殖的增幅較快、養(yǎng)殖量較大有關(guān)。隨著中國畜禽養(yǎng)殖集中化逐漸提高，區(qū)域生產(chǎn)格局已基本形成[42-43]，養(yǎng)殖生產(chǎn)產(chǎn)生的糞尿及其養(yǎng)分資源呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性分布。從地區(qū)分布來看，約40%的畜禽糞尿及其養(yǎng)分量分布在河南、四川、山東、湖南、云南和內(nèi)蒙古等地，這一結(jié)果與其他研究結(jié)果相似。耿維等[15]認(rèn)為2010年山東、河南、四川、內(nèi)蒙古、河北和遼寧為中國糞尿資源大省，總計(jì)約占全國糞便資源總量的41.00%；路國彬等[26]認(rèn)為2014年中國不同地區(qū)畜禽糞肥可替代化肥潛力排在前五位是河南、四川、山東、湖南和湖北，可見這些地區(qū)的畜禽糞尿替代化肥的潛力最大，這主要源于中國各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展不平衡，各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的不同，因而產(chǎn)生的糞肥資源分布亦呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特點(diǎn)，同時(shí)這些地區(qū)是中國養(yǎng)殖量主要分布區(qū)[42-43]，也是中國畜禽養(yǎng)殖污染防治重點(diǎn)地區(qū)[104-105]。因此，需要對(duì)這些地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行合理規(guī)劃布局，調(diào)整養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，同時(shí)控制和削減畜禽糞尿的隨意排放，推動(dòng)畜禽糞尿肥料化、飼料化和能源化。

3.2 畜禽糞尿養(yǎng)分還田量時(shí)空分布

以當(dāng)下有限的研究資料表明，1980s養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的畜禽糞尿大部分用作還田。1990s中國畜禽糞尿還田率呈明顯下降趨勢，其原因主要有以下3個(gè)方面：首先，中國畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（年末存欄數(shù)）大幅增加，增幅從大到小依次是家禽>羊>生豬>牛>馬驢騾，其中家禽、羊、生豬和牛年末存欄數(shù)分別從197 890.70×104、15 588.40×104，33 139.60×104和8 682.00×104增加到410 858.30×104，27 685.59×104，44 169.19×104和13 206.01×104，而馬驢騾年末存欄總數(shù)從2 646.80×104略微下降到2 620.45×104[42-43]；其次，中國化肥消費(fèi)量從1 801.77×104t增加到3 593.90× 104t[42-43]，增幅幾近100%，化肥在中國農(nóng)田施肥中開始占據(jù)主導(dǎo)地位；第三，人工成本的增加，從事農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)力缺乏，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的集約化發(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)總體脫離，家庭燃料結(jié)構(gòu)的改變等。2000年以后，畜禽糞尿還田率開始逐漸回升，主要是由于國家農(nóng)業(yè)政策、新型化肥的出現(xiàn)、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的大力興建，以及畜禽廢棄物的無害化處理技術(shù)包括有肥料化、飼料化和能源化技術(shù)的成熟。在牧區(qū)及半牧區(qū)的絕大部分地區(qū)，由于家庭燃料的匱乏、能源的短缺，在1980s畜禽糞便主要是用作燃料源，而隨著時(shí)間的推移，畜禽養(yǎng)殖開始轉(zhuǎn)向規(guī)模化、集約化，牧民由游牧轉(zhuǎn)向定居，以及家庭燃料結(jié)構(gòu)的改變，青海、內(nèi)蒙古等地的牧民用畜禽糞便做燃料的生活方式逐漸被改變，畜禽糞便燃燒還田率逐漸降低，但目前在廣大的藏區(qū)牧民依然有用牛糞做燃料的習(xí)慣[51-52,94]。

畜禽糞肥作為有機(jī)肥料還田利用，是一種最為經(jīng)濟(jì)的資源化利用和糞污治理方式，通過直接還田、堆漚還田、制作生物有機(jī)肥和燃燒后灰分還田等方式為農(nóng)田提供了大量的氮磷鉀養(yǎng)分。本研究表明1980s，1990s，2000s和2010s畜禽糞尿養(yǎng)分還田量分別為1 132.73×104，821.36×104，1 860.52×104和1 709.19×104t，還田率均不到45%，分別占同時(shí)期化肥消費(fèi)量的63.92%，23.87%，39.39%和29.27%。可見，中國畜禽糞尿養(yǎng)分還田具有很高的化肥替代潛力，合理施用可明顯減少中國化肥消費(fèi)，對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮磷鉀養(yǎng)分循環(huán)利用具有重大意義。從地區(qū)分布來看，本研究中，河北、河南、山東、湖南、內(nèi)蒙古、新疆、四川、云南和廣西省的畜禽糞尿養(yǎng)分還田量占全國還田量的50%。傳統(tǒng)上畜禽糞肥施用時(shí)往往過量，歸田后易發(fā)生非點(diǎn)源污染的潛在威脅。因此，需要根據(jù)各地區(qū)的畜禽糞尿量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活習(xí)慣、農(nóng)作制度、土壤肥力、自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等方面出發(fā)，區(qū)分適合各地區(qū)的畜禽糞尿資源化利用和管理模式，確定各地畜禽糞尿還田利用總量，避免局部污染負(fù)荷超限。

3.3 問題及建議

中國畜禽糞尿及其養(yǎng)分資源量大，具有較高的替代化肥潛力。但由于畜禽糞肥資源化利用技術(shù)的限制，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化水平的滯后，以及畜禽養(yǎng)殖布局不合理，和畜禽糞尿污染治理缺乏全局性規(guī)劃和布局，加上各地對(duì)糞尿還田認(rèn)識(shí)不足及利用不當(dāng)?shù)葐栴}，導(dǎo)致豐富的畜禽糞尿養(yǎng)分資源不能得到有效的處理和利用，更對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[2,106-107]。對(duì)此，提出以下對(duì)策建議：

1）宏觀調(diào)控各類肥料的價(jià)格，實(shí)行有機(jī)肥補(bǔ)貼，加強(qiáng)宣傳培訓(xùn)工作，大力發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合農(nóng)業(yè)，就地消化，鼓勵(lì)種植戶施用糞肥和商品有機(jī)肥。

2）在畜禽糞尿資源主要分布區(qū)，大力推廣“公司+農(nóng)戶”的產(chǎn)業(yè)化模式，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化畜禽糞污處理廠，同時(shí)調(diào)整畜禽養(yǎng)殖布局規(guī)模，加大種植與養(yǎng)殖結(jié)合力度。

3）在如藏區(qū)等牧區(qū)和半牧區(qū)，改進(jìn)畜禽糞尿燃料化利用技術(shù)，加大沼氣工程建設(shè)，引進(jìn)有機(jī)肥生產(chǎn)加工以及沼渣沼液利用相結(jié)合的處理方式。

4）在畜禽養(yǎng)分還田量較高的地區(qū)，開展畜禽糞尿替代化肥的比例研究。

5）開展畜禽糞尿還田時(shí)的養(yǎng)分和有害物質(zhì)如重金屬等的安全限量標(biāo)準(zhǔn)研究，建立一個(gè)既考慮作物需求，又兼顧土壤對(duì)畜禽糞尿養(yǎng)分承載的最大負(fù)荷量，針對(duì)不同土壤和作物制定安全施用技術(shù)規(guī)范。

4 結(jié) 論

1）1980s到2010s全國畜禽糞尿及其氮磷鉀養(yǎng)分資源量持續(xù)增加，30多年來分別增長了53.32%和62.03%，其中，東北地區(qū)增幅最為明顯，分別增長了169.41%和185.76%，其次是河南、天津、山東、河北。約40%的畜禽糞尿及其養(yǎng)分資源分布在河南、四川、山東、湖南、云南和內(nèi)蒙古。

2）全國不同畜禽糞尿及其養(yǎng)分量占總量的比例依次為：牛>豬>羊>家禽>馬>驢>騾，但各地區(qū)有一定差異。西北、西南和東北地區(qū)牛糞尿及其養(yǎng)分占比較大，長江中下游地區(qū)豬糞尿及其養(yǎng)分占比最高，西北地區(qū)羊糞尿及其養(yǎng)分占比最大，東南地區(qū)禽糞及其養(yǎng)分占比最高，馬、驢、騾糞尿及其養(yǎng)分在各地區(qū)占比都相對(duì)較小。

3）1980s，1990s，2000s和2010s畜禽糞尿氮磷鉀總養(yǎng)分還田量分別為1 132.73×104，821.36×104，1 860.52×104和1 709.19×104t，還田率分別為44.88%，22.28%，43.30%和41.80%。河北、河南、山東、湖南、內(nèi)蒙古、四川、云南和廣西的畜禽糞尿養(yǎng)分還田量約占全國的50%。2010s全國畜禽糞尿N、P2O5和K2O還田量分別為615.91×104，297.70×104和795.58×104t，還田率分別為30.53%，70.68%和48.20%。

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Temporal and spatial distribution of nutrient resource from livestock and poultry feces and its returning to cropland

Liu Xiaoyong1, Li Shutian1,2※

(1.100081; 2.()100081)

In recent decades, China's livestock and poultry industry developed rapidly, producing plentiful of livestock and poultry manure and urine. But their quantity, nutrient content, rate of returning to cropland in different regions, and the changes of quantity over time have not been fully understood. In this paper, based on official statistical data and literature reviews, we estimated the quantity of animal feces, nutrient resources and their rate of returning to cropland at provincial level in various time slots. Results showed that, in 1980s, 1990s, 2000s and 2010s, the amount of animal feces (fresh) in China was 27.62×108, 39.11×108, 44.59×108and 42.34×108metric tons, respectively, increased by 53.32% in 30 years. The total nutrient N, P and K resources of animal feces in 1980s, 1990s, 2000s and 2010s were 2 523.86×104t (N 1 249.47×104t, P2O5230.64×104t, K2O 1 043.75×104t), 3 686.59×104t (N 1 820.79×104t, P2O5327.13×104t, K2O 1 538.67×104t), 4 296.77×104t (N 2 124.13×104t, P2O5401.29×104t, K2O 1 771.35×104t) and 4 089.40×104t (N 2 017.66×104t, P2O5421.17×104t, K2O 1 650.57×104t), increased by 62.03% in 30 years and Northeast China had the greatest increase. About 40% of China total amount of animal feces and the corresponding nutrients was derived from Henan, Sichuan, Shandong, Hunan, Yunnan and Inner Mongolia. The ratio of specific animal feces and nutrients in China was in the sequence of cow > pig > sheep > poultry > horse > donkey > mule, but varied in different regions. Northwest China, Southwest China and Northeast China had the higher proportions of cow feces and the corresponding nutrients, the Middle Lower Reaches of the Yangtze River had the highest proportion of pig feces and the corresponding nutrients, the Northwest China had the highest proportion of sheep feces and the corresponding nutrients, the Southeast China had the highest proportion of poultry feces and the corresponding nutrients. The ratios of feces and the corresponding nutrient quantity from horse, donkey and mule were relatively small in various regions. In 1980s, 1990s, 2000s, 2010s the total amount of nutrient N, P and K returning to cropland reached 1 132.73×104, 821.36×104, 1 860.52×104and 1 709.19×104t, respectively, accounting for 44.88%, 22.28%, 43.30% and 41.80% of total resources, respectively. About 50% of the total nitrogen, phosphorus and potassium nutrient returning to cropland from animal feces was occurred in Hebei, Henan, Shandong, Hunan, Inner Mongolia, Sichuan, Yunnan and Guangxi. By 2010s, N, P2O5, K2O from animal feces returned to cropland was 615.91×104, 297.70×104and 795.58×104t, accounting for 30.53%, 70.68% and 48.20% of the total quantity, respectively. This investigation can provide scientific basis and reference for the rational utilization of nutrient resources from animal feces and nutrient management under zero growth of chemical fertilizer in different provinces or regions in China.

manures; urine; nutrients; livestock and poultry; nutrient returning; temporal and spatial distribution

2017-11-08

2018-01-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFD0200103）

劉曉永，博士生，主要從事植物營養(yǎng)與施肥研究。Email：853653593@qq.com

李書田，博士，研究員，主要從事植物營養(yǎng)與施肥研究。Email：sli@ipni.net；lishutian@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.001

X713

A

1002-6819(2018)-04-0001-14

劉曉永，李書田. 中國畜禽糞尿養(yǎng)分資源及其還田的時(shí)空分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(4)：1－14.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.001 http://www.tcsae.org

Liu Xiaoyong, Li Shutian. Temporal and spatial distribution of nutrient resource from livestock and poultry feces and its returning to cropland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 1－14. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.001 http://www.tcsae.org