董心怡，李 晶，鞏細(xì)民，張洋洋，李小坤，任 濤，陸志峰，叢日環(huán)，魯劍巍

湖北省秸稈和畜禽糞污還田化肥替減潛力與環(huán)境承載力分析

董心怡1,2，李 晶3，鞏細(xì)民3，張洋洋1,2，李小坤1,2，任 濤1,2，陸志峰1,2，叢日環(huán)1,2※，魯劍巍1,2

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3. 湖北省耕地質(zhì)量與肥料工作總站，武漢 430070）

湖北省畜禽業(yè)規(guī)模化養(yǎng)殖水平顯著提高，秸稈資源量逐年提升，農(nóng)業(yè)廢棄物還田不僅可以減少農(nóng)業(yè)面源污染，還可以減少化肥施用。該研究將湖北省分為5個(gè)種植區(qū)域（即鄂東南低山丘陵區(qū)、鄂北低山丘崗區(qū)、鄂西北山地區(qū)、鄂中平原區(qū)以及鄂西南山地區(qū)）。基于2019年－2020年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，收集不同區(qū)域主要畜禽（豬、肉牛、奶牛、羊、肉雞、蛋雞）的存欄量、出欄量以及飼養(yǎng)周期，主要農(nóng)作物種植面積和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，計(jì)算湖北省畜禽糞污的養(yǎng)分供給量，評(píng)估不同區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀是否超過(guò)土地承載畜禽糞污的最大容許數(shù)量。根據(jù)不同農(nóng)作物的草谷比以及秸稈養(yǎng)分含量，計(jì)算出湖北省農(nóng)作物秸稈的養(yǎng)分資源量以及養(yǎng)分還田量。湖北省不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖量均未超出當(dāng)?shù)刈畲蟪休d容納量，其中鄂北地區(qū)的土地承載力指數(shù)最高，達(dá)到了0.35～0.78，鄂中地區(qū)的土地承載力指數(shù)僅在0.17～0.54，有較大的空間來(lái)發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)。2019年湖北省畜禽糞污養(yǎng)分資源量分別為36.89萬(wàn)t N、14.03萬(wàn)t P2O5、52.06萬(wàn)t K2O。按照畜禽糞污肥料化還田率65%計(jì)算，畜禽糞肥的養(yǎng)分還田總量分別為23.98萬(wàn)t N、9.12萬(wàn)t P2O5、33.70萬(wàn)t K2O，理論可替減化肥比例分別為17.3%、11.9%、56.2%。湖北省主要農(nóng)作物秸稈資源總量以鄂中地區(qū)秸稈資源量最高，鄂西北地區(qū)最低。當(dāng)前湖北省秸稈養(yǎng)分資源為31.07萬(wàn)t N、9.98萬(wàn)t P2O5、68.30萬(wàn)t K2O，理論可替減化肥比例分別為22.53%、13.11%、113.97%。湖北省主要農(nóng)業(yè)廢棄物還田理論可基本滿足主要農(nóng)作物的鉀素需求，實(shí)現(xiàn)氮肥消費(fèi)量減少39.8%、磷肥消費(fèi)量減少25.0%。該研究通過(guò)計(jì)算湖北省主要農(nóng)業(yè)廢棄物（畜禽糞污、秸稈）的養(yǎng)分資源量，評(píng)估農(nóng)業(yè)廢棄物還田的化肥可替減潛力以及畜禽糞污土地承載力，為湖北省農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

秸稈；還田；畜禽糞污；化肥替減；湖北??；養(yǎng)分資源量

0 引 言

中國(guó)畜禽業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖水平顯著提高?！兜诙稳珖?guó)污染源普查公報(bào)》顯示，2017年全國(guó)畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)水污染物總氮排放量達(dá)到37.00萬(wàn)t，總磷排放量達(dá)到8.04萬(wàn)t。畜禽糞污經(jīng)過(guò)處理后作為肥料還入農(nóng)田可以減少面源污染?！丁笆奈濉比珖?guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中提出，到“十四五”末，畜禽糞污綜合利用率達(dá)到80%；秸稈綜合利用率達(dá)到86%以上。畜禽糞肥和秸稈還田可以提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，改善土壤肥力[1]，促進(jìn)良好土壤結(jié)構(gòu)的形成[2]。在湖北省33 a的稻-麥定位試驗(yàn)中，與化肥處理相比，畜禽糞肥與化肥配合施用可分別提高7.0%的水稻產(chǎn)量和37.8%的小麥產(chǎn)量[3]。解開治等[4]在連續(xù)3 a無(wú)機(jī)配施糞肥定位試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)相比于施用100%的化肥N，施用2/3化肥N+1/3糞肥N，可以使水稻增產(chǎn)7.6%～10.2%?；逝涫┘S肥可以提升農(nóng)作物產(chǎn)量，原因之一就是化肥與糞肥配施能夠提升作物的氮肥利用率。相比于全部施用化肥，配施糞肥可以提高鹽漬農(nóng)田玉米氮肥利用率2.6%～7.4%[5]。在8 a連續(xù)定位試驗(yàn)中，單施化肥使得玉米利用率平均每年下降3.3%，而化肥配施有機(jī)肥則使得紅壤玉米氮肥利用率每年提升1.2%[6]。張聰?shù)萚7]在對(duì)玉米秸稈15 a持續(xù)還田的定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會(huì)持續(xù)增加土壤碳庫(kù)含量，且在10 a后達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。Liu 等[8]選取了近年來(lái)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)周期大于兩年的定位試驗(yàn)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Meta分析，與單施化肥相比，秸稈還田對(duì)小麥、玉米和水稻產(chǎn)量分別顯著提高4.1%、7.2%和7.6%。秸稈還田同樣對(duì)肥料利用率有一定的提升，黃婷苗等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)施氮量充足時(shí)，秸稈還田能夠促進(jìn)小麥吸收更多的氮。張剛等[10]認(rèn)為秸稈還田可以減少30.9%的氮素淋溶損失，在水稻實(shí)際生產(chǎn)中可以提升1.8%～4.2%的氮肥利用率。

湖北省是中國(guó)重要的糧食基地，播種面積常年保持在0.85億hm2左右。湖北省作物秸稈資源量大，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模呈逐年擴(kuò)增的趨勢(shì)[11]。在當(dāng)前國(guó)家大力提倡綠色種養(yǎng)循環(huán)的背景下，摸清湖北省不同區(qū)域畜禽糞污及農(nóng)作物秸稈還田養(yǎng)分資源量，評(píng)估其化肥替減潛力及土地承載力能夠?yàn)楹笔∞r(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概括

湖北省位于長(zhǎng)江中游，地處亞熱帶，屬于典型的季風(fēng)氣候，光溫雨熱資源充沛，是中國(guó)重要的糧油生產(chǎn)基地。根據(jù)《2020年湖北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]，湖北省播種面積常年保持在0.85億hm2左右，主要農(nóng)作物（包括糧食作物、油料作物、棉麻作物、果樹、茶樹、蔬菜）總產(chǎn)量1.63億t左右，湖北省2019年化肥施用總量為273.90萬(wàn)t，位居全國(guó)第六。

本文根據(jù)氣候、土壤類型等因素，結(jié)合區(qū)域地貌特征、土地利用、種植結(jié)構(gòu)等，將湖北省農(nóng)作物種植區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域（圖1），即鄂東南（SEH）、鄂北（NH）、鄂西北（NWH）、鄂西南（SWH）以及鄂中（MH）地區(qū)。其中，鄂東南（SEH）包括武漢市、黃石市、鄂州市、咸寧市、黃岡市；鄂北（NH）包括隨州市、荊門市、孝感市；鄂西北（NWH）包括十堰市、襄陽(yáng)市；鄂西南（SWH）包括恩施自治州、神農(nóng)架林區(qū)、宜昌市；鄂中（MH）包括荊州市、仙桃市、潛江市、天門市。

注：SEH，鄂東南；NH，鄂北；NWH，鄂西北；SWH，鄂西南；MH，鄂中。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2019年湖北省（13個(gè)地級(jí)市）牛、羊、家禽存欄量和出欄量，各種農(nóng)作物（水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯、油菜、棉花、茶葉、梨、柑橘、蔬菜）種植面積，作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均來(lái)源于《2020年湖北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]，其中馬鈴薯的產(chǎn)量為折糧產(chǎn)量，即5 kg馬鈴薯折合1 kg糧食，在計(jì)算時(shí)按比例折算。不同畜禽飼養(yǎng)周期參考《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2019》[13]，不同畜禽排泄系數(shù)參考《畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便污染監(jiān)測(cè)核算方法與產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[14]，不同畜禽的日排泄氮磷量以及不同農(nóng)作物基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力參考《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[15]，不同秸稈養(yǎng)分含量（風(fēng)干基）參考《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集》[16]，不同畜禽糞（尿）鉀含量（風(fēng)干基）參考文獻(xiàn)[11]。

1.3 研究方法

1.3.1 畜禽糞污產(chǎn)生總量、養(yǎng)分量及其化肥替減潛力估算方法

畜禽糞污產(chǎn)生量的估算采用排泄系數(shù)法，即各類畜禽糞污的年產(chǎn)生量為由畜禽飼養(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)乘積所得。氮、磷養(yǎng)分供給量計(jì)算參考《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[12]，鉀養(yǎng)分供給量計(jì)算參考《中國(guó)畜禽糞尿中養(yǎng)分資源數(shù)量及利用潛力》[11]（表1）。計(jì)算公式如下：

Q

N

、

P

=∑

Qi

=∑（

Ni

×

Ti

×

Pi

）×PL （1）

Q

K

=∑

Qi

=∑（

Ni

×

Ri

×

Ki

） （2）

式中N、P為氮、磷養(yǎng)分供給總量，萬(wàn)t；Q為第種畜禽糞污養(yǎng)分供給量，t；N為第種畜禽的存欄量或出欄量，頭；T為第種畜禽的飼養(yǎng)周期，d；P為第種畜禽的糞便中氮（磷）的日產(chǎn)生量，kg·（天·頭）-1；PL為堆肥處理方式下氮、磷的留存率，其中氮留存率為68.5%，磷留存率為76.0%。K為鉀養(yǎng)分供給總量，萬(wàn)t；R為第種畜禽的糞（尿）排泄系數(shù)，kg·（天·頭）-1；K為第種畜禽的糞（尿）鉀養(yǎng)分含量，%。本研究中飼養(yǎng)周期小于1 a的畜禽（豬、肉牛、羊、肉雞）以出欄數(shù)作為養(yǎng)殖數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，飼養(yǎng)周期大于1 a的畜禽（奶牛、蛋雞）以存欄數(shù)作為養(yǎng)殖數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。

畜禽糞污的化肥替減潛力根據(jù)單位播種面積的畜禽糞污還田養(yǎng)分量以及化肥實(shí)際施用量進(jìn)行估算：

AM

N/P/K

=∑(

Q

N/P/Ki

×65%/

Si

) （3）

RS

N/P/K

=∑(

Q

N/P/Ki

)/

F

N/P/K

（4）

式中AN、AP、AK分別為單位面積畜禽糞污供氮、磷、鉀量，kg/hm2；65%為根據(jù)湖北省當(dāng)前糞肥利用情況設(shè)置的畜禽糞污還田率；S為第種農(nóng)作物的播種面積，hm2；RN、RP、RK分別畜禽糞污還田的氮、磷、鉀肥替減率，%；N、P、K分別為湖北省2020年N、P、K化肥施用總量，萬(wàn)t。

1.3.2 畜禽糞污土地承載力估算方法

土地承載力是區(qū)域內(nèi)以作物養(yǎng)分需求量為基礎(chǔ)的畜禽最大養(yǎng)殖量，由不同農(nóng)作物的單位面積的最大畜禽養(yǎng)殖量與種植面積計(jì)算得出。不同農(nóng)作物的畜禽糞肥養(yǎng)分需求量以及不同農(nóng)作物單位面積最大畜禽養(yǎng)殖量[15]，計(jì)算公式如下：

Am=

（

Ai×

FP

×

MP

）

/

MR （5）

Ri

=

Am

/

q

（6）

表1 主要畜禽的飼養(yǎng)周期、排泄系數(shù)、日排泄氮磷量以及糞（尿）鉀含量

式中A為不同農(nóng)作物畜禽糞肥養(yǎng)分需求量，t；R為不同作物單位面積最大畜禽養(yǎng)殖量（豬當(dāng)量/hm2），即各類畜禽折算成豬當(dāng)量的單位面積飼養(yǎng)總量，豬當(dāng)量：100頭豬相當(dāng)于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2 500只家禽；為在畜禽產(chǎn)生的糞污全部就地利用的情況下，單位豬當(dāng)量的養(yǎng)分供給量（氮養(yǎng)分供給量為7.0 kg，磷供給量為1.2 kg）；A為不同作物氮、磷養(yǎng)分需求量，t；FP為作物總養(yǎng)分需求中施肥供給養(yǎng)分占比，%，施肥供給的養(yǎng)分比例根據(jù)土壤地力不同而變化，施肥供給占比設(shè)置為45%[15]；MP為畜禽糞污提供養(yǎng)分占施肥總量的比例，%，按照50%計(jì)算[15]；MR為畜禽糞肥當(dāng)季利用效率，%；畜禽糞肥氮當(dāng)季利用率按照25%，畜禽糞肥磷當(dāng)季利用率按照30%計(jì)算[15]。不同農(nóng)作物基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力如表2所示。

表2 不同農(nóng)作物基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力

區(qū)域內(nèi)理論最大養(yǎng)殖量為各類農(nóng)作物單位面積土地承載力乘以該作物的種植面積，及其土地承載力指數(shù)則代表當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖量占理論最大養(yǎng)殖量的比例[15]，計(jì)算公式如下：

R

=∑（

Ri

×

Si

） （7）

I

=

A

/

R

（8）

式中為土地承載力，豬當(dāng)量；S為第種作物的種植面積，hm2；為區(qū)域內(nèi)最大畜禽養(yǎng)殖量（豬當(dāng)量）；為區(qū)域內(nèi)畜禽糞污土地承載力指數(shù)。當(dāng)>1時(shí)，該區(qū)域的畜禽養(yǎng)殖量超過(guò)土地承載力；當(dāng)<1時(shí)，畜禽養(yǎng)殖量并未超過(guò)當(dāng)?shù)赝恋爻休d力。

1.3.3 秸稈養(yǎng)分資源量化肥替減潛力估算方法

秸稈資源量采用草谷比計(jì)算[17-18]，即利用農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)生量與作物產(chǎn)量之間的比例，計(jì)算主要農(nóng)作物秸稈量。

WS

=

WY

×

SG

（9）

式中W代表農(nóng)作物秸稈量，W為作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，S為作物草谷比[19]，即作物地上部秸稈產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值。

不同農(nóng)作物的秸稈養(yǎng)分量計(jì)算方法[15]為

W

N

=

WS

×

NS

（10）

W

P

=

WS

×

PS

×2.29 （11）

W

K

=

WS

×

KS

×1.21 （12）

式中、W、分別為各農(nóng)作物秸稈N、P2O5、K2O養(yǎng)分量，N、P、K分別為各農(nóng)作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分含量（表3），由P、K折算為P2O5、K2O的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為2.29和1.21。主要農(nóng)作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分含量參考《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》[16]。

表3 主要農(nóng)作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分含量

秸稈還田的化肥替減潛力根據(jù)單位播種面積的秸稈還田養(yǎng)分量以及化肥實(shí)際施用量（）進(jìn)行估算：

A

SN/P/K

=∑(

W

N/P/Ki

×100%/

Si

) （13）

R

SN/P/K

=∑(

W

N/P/Ki

)/

F

N/P/K

（14）

式中SN、SP、SK分別為單位面積秸稈還田供氮、磷、鉀量，kg/hm2；100%為設(shè)定7種主要農(nóng)作物秸稈全部還田，SN、SP、SK分別秸稈還田的氮、磷、鉀肥替減率，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于氮、磷的畜禽糞污土地承載力分布特征

當(dāng)前湖北省的畜禽養(yǎng)殖折算成豬當(dāng)量為6 376.02萬(wàn)豬當(dāng)量，以氮為基礎(chǔ)計(jì)算土地承載力時(shí)，湖北省可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為12 890.80萬(wàn)豬當(dāng)量，以磷為基礎(chǔ)計(jì)算土地承載力時(shí)，湖北省可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模為17 221.38萬(wàn)豬當(dāng)量。從湖北省全域尺度來(lái)看，湖北省有較大空間承載消納畜禽糞污。

土地承載力指數(shù)則代表當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖量占理論最大養(yǎng)殖量的比例，土地承載力指數(shù)越大代表當(dāng)?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖規(guī)模越接近可容納的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模上限。以氮為基礎(chǔ)計(jì)算土地承載力時(shí)（圖2a），鄂北地區(qū)的土地承載力指數(shù)最高，達(dá)到了0.35～0.78，即該地區(qū)在維持農(nóng)牧循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的平衡時(shí)，可擴(kuò)大畜禽養(yǎng)規(guī)?？臻g較??；而鄂中地區(qū)的土地承載力指數(shù)僅為0.17～0.54，即該區(qū)域可以消納更多的畜禽糞污，有較大的空間來(lái)發(fā)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)。不同行政區(qū)來(lái)看，黃岡市和隨州市的土地氮承載力指數(shù)最高，分別為0.82和0.78，而仙桃市的土地承載力指數(shù)最低，僅為0.17。以磷為基礎(chǔ)計(jì)算土地承載力時(shí)（圖2b），湖北省各行政區(qū)土地承載力指數(shù)空間分布特征與氮相似，數(shù)值偏低。例如土地承載力指數(shù)最高的黃岡市僅為0.58，其次是襄陽(yáng)市，指數(shù)為0.54。

圖2 湖北省不同區(qū)域土地氮、磷承載力指數(shù)

2.2 不同區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供給量分布特征

當(dāng)前湖北省畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生畜禽糞污養(yǎng)分資源量分別為36.89萬(wàn)t N、14.03萬(wàn)t P2O5、52.06萬(wàn)t K2O。不同區(qū)域畜禽糞污氮（圖3a）、磷（圖3b）、鉀（圖3c）供應(yīng)量差異明顯。鄂北地區(qū)（NH）畜禽糞污養(yǎng)分供給量最高，其中襄陽(yáng)市畜禽糞肥養(yǎng)分資源量分別達(dá)到7.19萬(wàn)t、2.73萬(wàn)t P2O5、11.47萬(wàn)t K2O，分別占全省總量的19.5%、19.4%、22.0%；其次是黃岡市，畜禽糞肥養(yǎng)分資源量分別為5.71萬(wàn)t N、2.13萬(wàn)t P2O5、10.35萬(wàn)t K2O，分別占全省15.5%、15.2%、19.9%。而鄂中區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供給量最低，除去神農(nóng)架林區(qū)，仙桃市畜禽糞肥養(yǎng)分資源量最低，分別為0.39萬(wàn)t N、0.15萬(wàn)t P2O5和0.45萬(wàn)t K2O，其養(yǎng)分資源總量不足全省的1.0%。

圖3 湖北省畜禽糞污氮、磷、鉀養(yǎng)分供給量

從畜禽糞污來(lái)源（數(shù)據(jù)未顯示）來(lái)看，湖北省蛋雞的糞污氮、磷供應(yīng)總量最高，鉀養(yǎng)分供應(yīng)量?jī)H次于奶牛糞污。2020年全省蛋雞畜禽糞肥理論可提供11.49萬(wàn)t N、4.41萬(wàn)t P2O5、11.99萬(wàn)t K2O，分別占全省畜禽糞污養(yǎng)分總量的31.1%、31.4%、23.03%。奶牛糞污的鉀養(yǎng)分供應(yīng)量最大，理論可提供25.35萬(wàn)t K2O，占全省總量的48.69%。其次是豬糞污養(yǎng)分資源，理論上可以提供9.31萬(wàn)t N，3.57萬(wàn)t P2O5，7.50萬(wàn)t K2O，分別占全省總量的25.2%、25.5%、11.40%。不同行政區(qū)的養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)存在差異，例如，宜昌市、鄂州市、咸寧市以及恩施自治州豬糞氮、磷供應(yīng)總量高于蛋雞，以上行政區(qū)豬畜禽糞肥氮供應(yīng)量占全省總量的36.8%～52.6%，磷供應(yīng)量占全省總量的34.5%～53.5%。

2.3 不同區(qū)域畜禽糞污還田化肥替減潛力

當(dāng)前湖北省主要農(nóng)作物（包括糧食作物、油料作物、棉麻作物、果樹、茶樹、蔬菜）種植面積847.61萬(wàn)hm2，化肥投入量（折純）273.89萬(wàn)t，其中氮、磷、鉀肥投入量分別為137.88萬(wàn)t N、76.08萬(wàn)t P2O5、59.93萬(wàn)t K2O（表4）。設(shè)定湖北省畜禽糞污肥料化還田率為65%，則畜禽糞污還田氮養(yǎng)分量23.98萬(wàn)t N，占氮肥投入的17.3%；還田磷養(yǎng)分量9.12萬(wàn)t P2O5，相當(dāng)于磷肥投入的11.9%；還田鉀養(yǎng)分量33.70萬(wàn)t K2O，相當(dāng)于鉀肥投入的56.2%。湖北省畜禽糞污氮、磷、鉀養(yǎng)分可替代化肥潛力較大。不同區(qū)域來(lái)看，鄂東南地區(qū)的畜禽糞污養(yǎng)分還田量最高，分別為6.35萬(wàn)t N、2.40萬(wàn)tP2O5、9.59萬(wàn)t K2O，總養(yǎng)分還田量可達(dá)到18.34萬(wàn)t，高于湖北省平均水平（13.36萬(wàn)t）；其次為鄂西北和鄂北地區(qū)，其畜禽糞污總養(yǎng)分還田量分別為17.50萬(wàn)t和16.30萬(wàn)t。而鄂西南、鄂中地區(qū)的畜禽糞污養(yǎng)分還田量則明顯低于其他區(qū)域，總養(yǎng)分還田量分別為7.90萬(wàn)t和6.56萬(wàn)t。

表4 湖北省不同區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供應(yīng)量及其理論化肥替減比例

湖北省單位種植面積化肥投入量（折純）平均為323.13 kg/hm2，畜禽糞污養(yǎng)分還田量平均為78.58 kg/hm2，畜禽糞污化肥理論可替減率為24.3%。與區(qū)域養(yǎng)分投入總量相似，鄂東南地區(qū)單位面積化肥投入量（461.82 kg/hm2）和畜禽糞污養(yǎng)分供應(yīng)量（130.54 kg/hm2）均為最高，畜禽糞污理論化肥替減率為28.3%；而鄂中地區(qū)單位面積化肥投入量（214.90 kg/hm2）和畜禽糞污養(yǎng)分供應(yīng)量（29.10 kg/hm2）則均為最低，畜禽糞污理論化肥替減率也最低（13.7%）。

2.4 湖北省秸稈資源量空間分布特征

湖北省主要農(nóng)作物秸稈資源量為3 623.06萬(wàn)t（表5）。其中，水稻、油菜和小麥秸稈資源量分別達(dá)到1 965.62萬(wàn)t、616.02萬(wàn)t和451.42萬(wàn)t，分別占湖北省主要農(nóng)作物秸稈資源量的54.3%、17.0%和12.5%。從區(qū)域秸稈分布特征來(lái)看，鄂中地區(qū)秸稈資源量最高（1 248.88萬(wàn)t），區(qū)域主要秸稈類型為水稻、油菜和小麥秸稈，其秸稈資源量分別達(dá)到794.05萬(wàn)t、252.3萬(wàn)t和121.78萬(wàn)t，占鄂中地區(qū)秸稈資源總量的63.6%、20.2%和9.8%。其次是鄂北地區(qū)，其秸稈資源總量為1 170.68萬(wàn)t，區(qū)域主要秸稈類型為水稻、小麥和玉米秸稈，其秸稈資源量分別為586.86萬(wàn)t、260.25萬(wàn)t和129.90萬(wàn)t，占鄂北地區(qū)秸稈資源總量的50.1%、22.2%和11.1%。鄂西南和鄂西北地區(qū)秸稈總量最低，2個(gè)地區(qū)秸稈資源總量合計(jì)僅為543.91萬(wàn)t，占湖北省秸稈總量的15.0%，主要秸稈類型為玉米秸稈和馬鈴薯秸稈，分別占全省玉米和馬鈴薯秸稈資源量的48.8%和80.7%。

表5 湖北省不同區(qū)域主要農(nóng)作物秸稈資源量

2.5 不同區(qū)域秸稈養(yǎng)分資源量分布特征

湖北省主要農(nóng)作物的秸稈養(yǎng)分資源總量如圖4所示，全省秸稈養(yǎng)分資源量分別為31.06萬(wàn)t N、9.98萬(wàn)t P2O5、68.29萬(wàn)t K2O。不同區(qū)域的秸稈氮（圖4a）、磷（圖4b）、鉀（圖4c）養(yǎng)分資源量差異明顯。受區(qū)域不同種植結(jié)構(gòu)影響，鄂中地區(qū)的主要農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分資源量最高，秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別占全省的33.5%、34.3%、36.0%。而鄂西北秸稈養(yǎng)分資源量最低，其秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別僅占全省的6.1%、6.0%、5.4%。

不同農(nóng)作物秸稈提供的養(yǎng)分資源量差異明顯，其中水稻秸稈的養(yǎng)分資源量最高，氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別為16.31萬(wàn)t、5.31萬(wàn)t、40.49萬(wàn)t，分別占全省秸稈養(yǎng)分資源量的52.5%、53.2%、59.3%；其次是油菜秸稈，其氮、磷、鉀養(yǎng)分資源量分別占全省16.3%、20.0%、20.2%；馬鈴薯的秸稈養(yǎng)分量最低，僅為0.62萬(wàn)t N、0.15萬(wàn)t P2O5、1.11萬(wàn)t K2O。不同區(qū)域的種植結(jié)構(gòu)存在差異，因此秸稈的養(yǎng)分資源量不同。其中，鄂中、鄂東南、鄂西北地區(qū)以水稻秸稈（27.5%～67.5%）、油菜秸稈（14.9%～25.6%）為主，鄂北地區(qū)水稻秸稈（49.2%～58.8%）和小麥秸稈（13.7%～16.3%）占比較高，鄂西南地區(qū)則以玉米秸稈占比較高（29.4%～37.0%）。

圖4 湖北省不同區(qū)域秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分供給量

2.6 不同區(qū)域秸稈還田化肥替減潛力

湖北省主要農(nóng)作物秸稈還田氮、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)量分別為31.07萬(wàn)t N、9.98萬(wàn)t P2O5、68.30萬(wàn)t K2O分別占氮、磷、鉀肥投入的22.53%、13.11%、113.97%（表6）。不同區(qū)域來(lái)看，鄂中地區(qū)的秸稈還田養(yǎng)分供應(yīng)量最高，分別為10.42萬(wàn)t N、3.42萬(wàn)tP2O5、24.59萬(wàn)t K2O，總養(yǎng)分還田量可達(dá)到38.43萬(wàn)t；其次為鄂北和鄂東南地區(qū)，其秸稈還田總養(yǎng)分供應(yīng)量分別為33.53萬(wàn)t和20.91萬(wàn)t。而鄂西南、鄂西北地區(qū)的秸稈還田養(yǎng)分供應(yīng)量則明顯低于其他區(qū)域，養(yǎng)分還田量分別為10.27萬(wàn)t和6.20萬(wàn)t。

湖北省單位種植面積秸稈還田養(yǎng)分供應(yīng)量平均為129 kg/hm2，秸稈還田化肥理論可替減率為39.9%。其中，秸稈還田對(duì)鉀素的補(bǔ)充最高，理論上鄂中和鄂北地區(qū)秸稈還田鉀素供應(yīng)量超過(guò)化肥鉀投入量。不同區(qū)域秸稈還田氮、磷養(yǎng)分供應(yīng)與化肥替減率差異明顯，鄂中地區(qū)施肥量最低而主要農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分還田量較高，因此秸稈還田氮、磷替減率最高，分別達(dá)到為43.22%、27.01%；其次為鄂北地區(qū)，秸稈還田氮、磷替減率分別為32.64%和16.72%；而鄂西南和鄂西北地區(qū)單位面積秸稈還田養(yǎng)分供應(yīng)量最低，秸稈還田氮、磷理論替減率也最低，分別為8.0%～11.5%和5.0%～6.7%。湖北省主要農(nóng)業(yè)廢棄物還田理論可基本滿足主要農(nóng)作物的鉀素需求，實(shí)現(xiàn)氮肥消費(fèi)量減少39.8%、磷肥消費(fèi)量減少25.0%。

表6 湖北省不同區(qū)域秸稈還田養(yǎng)分供給量以及化肥替減率

3 討 論

3.1 湖北省農(nóng)業(yè)廢棄物消納與化肥替減

關(guān)于畜禽糞污土壤消納估算的研究已有很多[20-22]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家多采用畜禽糞肥定量施用原則，即不同土壤條件的農(nóng)田，其養(yǎng)分投入量不得超過(guò)某一閾值，并以此確定單位面積的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模[23]。例如，歐盟規(guī)定在硝酸鹽脆弱區(qū)，其畜禽糞肥年施氮、磷限量值分別為170 kg N/hm2，80 kg P2O5/hm2，耿維等[21]采用該畜禽糞肥定量施用原則，計(jì)算安徽省農(nóng)用地畜禽環(huán)境承載力，得出6個(gè)縣（區(qū)）的畜禽糞污環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于1的結(jié)果。然而Ovejero等[24]在6 a玉米-小麥輪作定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明，畜禽糞肥施氮量超出歐盟規(guī)定量（170 kg N/hm2）時(shí)，作物的產(chǎn)量更高，且對(duì)環(huán)境并未造成負(fù)面影響。劉曉永等[22]則提出設(shè)定農(nóng)用地畜禽糞污豬糞當(dāng)量的適宜施用值，作為參數(shù)來(lái)計(jì)算農(nóng)用地負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，即我國(guó)施用畜禽糞污豬糞當(dāng)量的上限為30 t/hm2。以上計(jì)算方法考慮了消納畜禽糞污的農(nóng)田面積，而忽略了不同區(qū)域農(nóng)作物種植差異及土壤消納畜禽糞污的庫(kù)容量差異。農(nóng)田可消納畜禽糞污的閾值既取決于土壤基礎(chǔ)性狀，也取決于不同產(chǎn)量水平下作物的養(yǎng)分吸收量[25]。當(dāng)農(nóng)田的養(yǎng)分投入/產(chǎn)出失去平衡，即化肥、秸稈肥、畜禽糞肥施用量遠(yuǎn)超過(guò)作物地上部帶走量時(shí)，易造成養(yǎng)分積累，進(jìn)而導(dǎo)致土壤鹽漬化、土壤退化[22]，例如盛巧玲[26]基于氮平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)北京市郊區(qū)13個(gè)區(qū)縣的畜禽養(yǎng)殖已經(jīng)輕度超載。本研究采用全國(guó)畜牧總站印發(fā)的《土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》[15]，估算區(qū)域尺度的土地承載畜禽糞污最大容納數(shù)，以平衡長(zhǎng)期消納糞污、滿足作物養(yǎng)分需求以及保護(hù)環(huán)境之間的關(guān)系。本研究研究結(jié)果表明，湖北省畜禽糞污養(yǎng)分資源量占主要農(nóng)業(yè)廢棄物（畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈）養(yǎng)分資源總量的37.9%。在種植面積最大的鄂中地區(qū)，其畜禽糞污土地承載力指數(shù)最低，相應(yīng)的畜禽糞污養(yǎng)分資源量最低，即土地消納畜禽糞污還田的空間最大。鄂北地區(qū)畜禽糞污和秸稈養(yǎng)分資源量均較高，區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)也最高，因此該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖規(guī)模擴(kuò)大空間有限，單位面積土地氮、磷消納壓力較大。此外，鄂北地區(qū)單位面積秸稈還田量達(dá)到5.93 t/hm2，單位面積秸稈養(yǎng)分資源量達(dá)到169.92 kg/hm2，區(qū)域內(nèi)發(fā)展綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)應(yīng)兼顧畜禽糞污和秸稈還田，明確2種養(yǎng)分資源量還田條件下的化肥適宜用量。而鄂東南地區(qū)兩種來(lái)源養(yǎng)分資源量比例相當(dāng)，區(qū)域土地承載力指數(shù)和單位面積秸稈還田量均為中等水平，區(qū)域注重化肥減量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)畜禽糞污和秸稈還田養(yǎng)分資源高效利用，達(dá)到生態(tài)環(huán)境友好的目的。

3.2 秸稈還田化肥替減估算

本研究通過(guò)秸稈養(yǎng)分含量與秸稈產(chǎn)生量計(jì)算得出秸稈養(yǎng)分理論資源量，從區(qū)域角度分析了秸稈還田氮、磷、鉀肥理論替減率分別為22.53%、13.11%和113.97%。田間生產(chǎn)實(shí)際中，秸稈還田化肥替減效果受到土壤養(yǎng)分供應(yīng)、化肥用量與作物產(chǎn)量水平的影響[27-31]。以秸稈還田鉀肥替減為例，不同供鉀能力的土壤，其秸稈還田鉀肥替減率差異較大。供鉀能力高的土壤，秸稈還田鉀素當(dāng)季歸還量可以完全替代鉀肥施用；供鉀能力中等的土壤，秸稈還田可替減50%鉀肥；而供鉀能力低的土壤，秸稈還田僅能夠替代25.0%的鉀肥[27,31]。因此，從土壤鉀庫(kù)平衡的角度出發(fā)，秸稈還田仍需投入一定的化學(xué)鉀肥，Zhu等[32]基于鉀肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)提出，水旱輪作體系最佳的鉀肥管理策略是作物秸稈全量還田配合施用與籽粒鉀帶走量相當(dāng)?shù)拟浄?，這樣既可以保障作物產(chǎn)量，又可以最大程度減少鉀肥用量，同時(shí)維持土壤鉀庫(kù)的平衡。本課題組根據(jù)多年多點(diǎn)定位試驗(yàn)研究結(jié)合不同產(chǎn)量水平推薦施肥量[27,32-35]提出，稻油輪作周年連續(xù)秸稈還田能夠替減約10.0%～15.0%的氮肥、20.0%～30.0%的磷肥和35.0%～60.0%的鉀肥用量。此外，隨著秸稈腐解時(shí)間的延長(zhǎng)和還田量的積累[36]，長(zhǎng)期秸稈還田有利于緩解土壤養(yǎng)分的虧缺和土壤有機(jī)質(zhì)的提升[33,37]，其增產(chǎn)效應(yīng)也隨著還田年份的增加而提高[38]，化肥替減率也將隨著還田年份的增加而提高。例如，郝翔翔等[39]提出在黑土區(qū)連續(xù)8 a秸稈還田后，與初始土壤相比土壤有機(jī)質(zhì)提高了6.6%；王改玲等[40]在陜西合陽(yáng)28 a的冬小麥單作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于單施化肥，長(zhǎng)期秸稈還田土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了146.3%。在19 a的春玉米單作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中[41]，長(zhǎng)期秸稈還田可以增加土壤貯水量，提高水分利用效率，19 a累計(jì)增產(chǎn)幅度可以達(dá)到11.6%～20.9%。

4 結(jié) 論

1）湖北省不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖量均未超出當(dāng)?shù)刈畲蟪休d容納量，其中鄂中地區(qū)畜禽糞污消納空間較大。按照畜禽糞污肥料化還田率65%計(jì)算，2019年湖北省畜禽糞肥的養(yǎng)分還田總量分別為23.98萬(wàn)t N、9.12萬(wàn)t P2O5、33.70萬(wàn)t K2O，鄂北地區(qū)畜禽糞污養(yǎng)分供給量最高，而鄂中區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分供給量最低。

2）當(dāng)前湖北省主要農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分資源為31.07萬(wàn)t N、9.98萬(wàn)t P2O5、68.30萬(wàn)t K2O，以鄂中地區(qū)秸稈資源量最高，鄂西北地區(qū)最低，其中水稻與油菜的所占比例最大。

3）湖北省畜禽糞污還田可替減17.3%的氮肥和11.9%的磷肥，主要農(nóng)作物秸稈還田可替減22.53%的氮肥和13.11%的磷肥，即主要農(nóng)業(yè)廢棄物（畜禽糞污、農(nóng)作物秸稈）還田理論可實(shí)現(xiàn)氮肥消費(fèi)量減少39.8%、磷肥消費(fèi)量減少25.0%，農(nóng)業(yè)廢棄物還田理論上可滿足湖北省主要農(nóng)作物的鉀素需求。

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Reduction potential and environmental carrying capacity of straw and livestock manure returning to fields in Hubei Province of China

Dong Xinyi1,2, Li Jing3, Gong Ximin3, Zhang Yangyang1,2, Li Xiaokun1,2, Ren Tao1,2, Lu Zhifeng1,2, Cong Rihuan1,2※, Lu Jianwei1,2

(1.,,430070,; 2(),,430070,; 3.,430070,)

The large-scale breeding level of livestock and poultry industry in Hubei Province has been significantly improved, and the amount of straw resources has been increased year by year. Returning agricultural wastes to the field can not only reduce agricultural non-point source pollution, but also reduce the application of chemical fertilizers. Based on relevant statistical data and literature, this study collected the amount of livestock and poultry (i.e., pigs, beef cattle, dairy cows, sheep, broilers, layers) in stock, market and growth cycle, and the planting area and economic yield of various crops (i.e., the low hilly area in southeastern Hubei, the low hilly area in northern Hubei, the mountainous area in northwestern Hubei, the plain area in central Hubei, and the mountainous area in southwestern Hubei). Based on the statistical data from 2019 to 2020, We calculated the nutrient supply of livestock and poultry waste, and further evaluated whether the current situation of livestock and poultry breeding in Hubei Province exceeded the maximum allowable amount of soil carrying livestock and poultry waste. According to the ratio of straw to grain of different crops and nutrient content of straw, we analyzed the nutrient resources and the theoretical nutrient returning amount of crop straw. The land carrying capacity index of livestock was the highest in Northern Hubei, reaching to 0.35-0.78. The land carrying capacity index of Central Hubei was only 0.17-0.54, indicating that there would be a large space to develop livestock and poultry breeding. In 2019, the nutrient resources of livestock and poultry waste in Hubei Province were 368 900 t N, 140 300 t P2O5and 520 600 t K2O, respectively. Based on 65% of livestock manure and fertilizer returning to the field, the total nutrient returning to the field of livestock and poultry manure would be 239 800 t N, 91 200 t P2O5and 337 700 t K2O, respectively, with the ratio of fertilizer replacement of 17.3%, 11.9% and 56.2%, respectively. The total amount of straw resources of main crops in Hubei Province was the highest in Central Hubei and the lowest in Northwest Hubei. At present, the nutrient resources of straw in Hubei province were 310 700 t N, 99 800 t P2O5and 683 000 t K2O, and the proportion of theoretical fertilizer replacement were 22.53%, 13.11% and 113.97%, respectively. The livestock and poultry production in different regions of Hubei province did not exceed the local maximum carrying capacity. The livestock and poultry breeding volume in different regions of Hubei Province did not exceed the local maximum carrying capacity. The theory of returning major agricultural wastes in Hubei Province can reduce nitrogen fertilizer consumption by 39.8% and phosphate fertilizer consumption by 25.0%. The total K amount from agricultural wastes return to the field could theoretically meet the demand for potassium of main crops. By calculating the nutrient resources of the main agricultural wastes (i.e., livestock and poultry waste, and straw) in Hubei Province, we evaluated the potential of fertilizer reduction of agricultural waste returning to the field and the carrying capacity of livestock and poultry waste soil, providing theoretical basis and data support for agricultural green development in Hubei Province.

straw; returning to fields; livestock and poultry manure pollution; fertilizer replacement reduction; Hubei Province; nutrient resources

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030

S158.3

A

1002-6819(2022)-15-0277-10

董心怡，李 晶，鞏細(xì)民，等. 湖北省秸稈和畜禽糞污還田化肥替減潛力與環(huán)境承載力分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(15)：277-286.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030 http://www.tcsae.org

Dong Xinyi, Li Jing, Gong Ximin, et al. Reduction potential and environmental carrying capacity of straw and livestock manure returning to fields in Hubei Province of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 277-286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.030 http://www.tcsae.org

2022-05-27

2022-07-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32172678）；湖北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（HBHZD-ZB-2020-005）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2662020ZHPY005）資助

董心怡，研究方向?yàn)橥寥婪柿ε嘤c作物養(yǎng)分管理。Email：dongxinyi@webmail.hzau.edu.cn

叢日環(huán)，副教授，研究方向?yàn)橥寥婪柿ε嘤c作物養(yǎng)分管理。Email：congrh@mail.hzau.edu.cn