李峰，楊珍珍，王雪榮，劉潔，李紅娜

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

近些年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到迅猛發(fā)展，山東省作為畜禽養(yǎng)殖大省，在為全國畜產(chǎn)品供給和出口創(chuàng)匯做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，由畜禽養(yǎng)殖造成的環(huán)境問題也日益突出。畜禽產(chǎn)生的糞便是畜禽養(yǎng)殖中的主要副產(chǎn)物，其含有的氮磷等元素是導(dǎo)致環(huán)境污染的主要原因之一[1]。山東省第二次全國污染普查數(shù)據(jù)表明，2017年，農(nóng)業(yè)源排放的化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷占全省排放總量的51.24%、18.71%、34.69%和64.29%，其中畜禽養(yǎng)殖的水污染排放量中:化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷分別占農(nóng)業(yè)源的97.57%、88.89%、76.06%和92.22%[2]。畜禽糞尿中的部分有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等元素是植物生長的重要養(yǎng)分，對(duì)畜禽糞尿的資源化利用是實(shí)現(xiàn)減污降碳的重要途徑[3]。

長期單施及過量施用化肥，造成土壤有機(jī)質(zhì)含量低、肥料利用率低、土壤結(jié)構(gòu)退化、土壤微生物活性和多樣性降低，使得土壤肥力和生產(chǎn)力降低，這是目前農(nóng)業(yè)面臨的重要問題[4－6]。畜禽糞尿經(jīng)處理后形成的有機(jī)肥與化肥進(jìn)行配施，可以在減少化肥使用的同時(shí)提升土壤生產(chǎn)力，從而達(dá)到節(jié)約成本和增加土壤養(yǎng)分的目的[7]。而且配施有機(jī)肥可以調(diào)控健康土壤微生物區(qū)系、降低土壤N2O的排放和減緩?fù)羵鞑『?，進(jìn)而提高土壤的可持續(xù)利用程度[8－10]。李勝君等[8]研究發(fā)現(xiàn)配施有機(jī)肥有利于N循環(huán)功能微生物，可以增加土壤N庫，降低土壤N淋溶損失，在特定環(huán)境下可以降低N2O排放的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。安祥瑞等[9]發(fā)現(xiàn)利用有機(jī)肥替代部分化肥可以有效提高土壤pH值和養(yǎng)分有效性，增加根際土壤微生物豐富度和多樣性，從而有利于產(chǎn)量提高和提升微生物區(qū)系。張建軍等[10]研究表明不同有機(jī)肥配施可提高果實(shí)中VC、可溶性糖、粗蛋白含量及糖酸比，降低大棚草莓根腐病、白粉病及灰霉病的發(fā)生率。利用配施有機(jī)肥來促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用，是當(dāng)前和今后一段時(shí)期現(xiàn)代畜牧業(yè)建設(shè)的重要舉措。

山東不僅是養(yǎng)殖大省，也是種植大省，2020年全省農(nóng)作物種植面積達(dá)1088.91萬公頃。農(nóng)作物的大量種植需要較多的土壤養(yǎng)分，而畜禽糞尿作為有機(jī)肥代替部分化肥施用不僅可以減少化肥投入，還可以緩解對(duì)環(huán)境的壓力。為加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，防治畜禽養(yǎng)殖污染，中國政府近幾年來相繼出臺(tái)與頒布了一系列環(huán)境規(guī)制政策。2020年6月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部印發(fā)?進(jìn)一步明確畜禽糞污還田利用要求強(qiáng)化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知?(農(nóng)辦牧〔2020〕23號(hào))，山東省為響應(yīng)國家政策也采取了一系列措施。掌握山東省畜禽糞尿養(yǎng)分資源數(shù)量、分布及其利用情況，制訂合理利用策略是解決畜牧業(yè)環(huán)境污染和提高肥料利用率的重要途徑。目前對(duì)于山東省畜禽糞尿的污染以及部分市縣畜禽糞尿資源和耕地負(fù)荷已有研究[11－13]，但是對(duì)于全省畜禽資源的利用潛力尚未見報(bào)道。因此，本研究利用2021年山東統(tǒng)計(jì)年鑒和測土配方施肥公布的不同區(qū)域農(nóng)作物養(yǎng)分需求量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討山東畜禽糞尿數(shù)量及其養(yǎng)分總量和分布情況，以期為山東畜禽糞尿資源的高效化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

由?山東統(tǒng)計(jì)年鑒2021?獲得山東省16個(gè)地級(jí)市的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和耕地面積。畜禽養(yǎng)殖數(shù)量包括山東省16個(gè)地級(jí)市的豬、牛、羊及家禽的出欄和年末存欄數(shù)據(jù)。所用參數(shù)來自國內(nèi)外參考文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際情況，包括畜禽飼養(yǎng)周期、畜禽糞便日排泄系數(shù)、畜禽糞尿中氮磷鉀養(yǎng)分量等。不同區(qū)域作物養(yǎng)分需求來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部官網(wǎng)和文獻(xiàn)。飼養(yǎng)周期大于一年的家畜(牛和羊)，飼養(yǎng)周期按365天計(jì)；飼養(yǎng)周期小于一年的豬按199天、家禽按70天計(jì)。畜禽養(yǎng)殖周期、糞尿排泄系數(shù)和養(yǎng)分含量如表1所示，取加權(quán)平均值[14]。畜禽糞尿的還田率見表2，畜禽糞尿中氮、磷、鉀的損失率見表3。

表1 畜禽飼養(yǎng)周期、糞尿排泄系數(shù)及其N、P、K養(yǎng)分含量和收集系數(shù)

表2 畜禽糞尿還田率 (%)

表3 畜禽糞尿養(yǎng)分損失率 (%)

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 畜禽糞尿的產(chǎn)生總量及其養(yǎng)分量估算方法 目前關(guān)于畜禽糞尿量的計(jì)算方法有多種，本研究采用劉曉永[14]提出的修正方法，即同時(shí)考慮畜禽年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù)，且為避免糞和尿的種類差異，將畜禽糞尿分開估算，計(jì)算公式如下:

(1)畜禽糞尿:

式中，QM為畜禽糞量，QU為畜禽尿量，萬噸；i為豬、牛、羊和家禽的種類；S和H分別為畜禽年內(nèi)出欄數(shù)和年末存欄數(shù)，萬頭(只)；P是飼養(yǎng)周期(天)，365為全年天數(shù)；M、U分別為畜禽糞和尿的日排泄系數(shù)，kg/[頭(只)·天]；1000為換算系數(shù)。

(2)畜禽糞尿養(yǎng)分:

式中TN、TP和TK分別為畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分總量，萬噸；i為豬、牛、羊和家禽的種類；QM和QU分別為畜禽糞量和尿量，萬噸；MN、MP和MK分別為糞中N、P和K含量，%；UN、UP和UK分別為畜禽尿中N、P和K含量，%。

1.2.2 畜禽糞尿養(yǎng)分還田量 計(jì)算公式如下:

式中RN、RP和RK分別為畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分還田量，萬噸；Rd為畜禽糞尿還田率，%；LN、LP和LK分別為畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分損失率，%。

1.2.3 畜禽糞尿不同回田比例化學(xué)養(yǎng)分替代率

計(jì)算公式如下:

式中Nrs、Prs和Krs分別為畜禽糞尿回田化學(xué)N、P、K養(yǎng)分替代率；P為畜禽糞尿回田比例；Ym、Yu為畜禽糞、尿的收集系數(shù)；TNm、TPm和TKm為畜禽糞養(yǎng)分含量，萬噸；TNu、TPu和TKu為畜禽尿養(yǎng)分含量，萬噸；Ckn為第k市第n類作物最佳施肥量，kg/hm2；Skn為第k市第n類作物種植面積，hm2。n＝1，2，…，5；k為山東省16個(gè)地級(jí)市。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東畜禽糞尿數(shù)量及其分布特征

本研究估算2020年山東畜禽糞尿量為26321.18萬噸，其中豬糞尿量最大，為11384.85萬噸，占總量的43.25%；其次是牛糞尿、家禽糞便，分別為6031.45萬噸、5954.68萬噸，分別占總量的22.91%和22.62%；剩余的為羊糞尿，占總量的11.21%。山東省畜禽糞尿的時(shí)空分布如圖1所示，可以看出，臨沂的畜禽糞尿量最多，為3452.58萬噸，占全省的13.12%；其次是德州、濰坊和菏澤，分別為2853.61萬噸、2778.59萬噸和2758.77萬噸，分別占全省的10.84%、10.56%和10.48%，其余12個(gè)市占全省的55.00%。除濱州和淄博外，其它各市中均是豬糞尿量最多，且臨沂>濰坊>菏澤>德州>煙臺(tái)，豬糞尿量均在1100萬噸以上。牛糞量最多的是德州市，為982.95萬噸，其次是濱州和臨沂，分別為876.17萬噸和691.56萬噸。羊糞量菏澤最多，為535.91萬噸，其次是臨沂，為426.61萬噸，其他城市的羊糞量較少。濰坊的家禽糞量為956.16萬噸，在各地市中最多，其次是臨沂的918.21萬噸。這表明不同地市有特色養(yǎng)殖種類，進(jìn)而使得糞尿量有所差別。

圖1 山東省16個(gè)地級(jí)市畜禽糞尿量時(shí)空分布圖

2.2 山東畜禽糞尿養(yǎng)分資源量及其分布特征

由圖2(a)看出，全省畜禽糞尿中N、P和K養(yǎng)分總量為291.25萬噸，其中N為139.18萬噸，P為45.24萬噸，K為106.83萬噸，分別占總養(yǎng)分的47.79%、15.53%和36.68%。臨沂市畜禽糞尿總養(yǎng)分含量最高，為39.88萬噸，占全省的13.69%；其次是濰坊和菏澤，分別為32.12萬噸和30.45萬噸，分別占全省的11.03%和10.45%；德州為28.69萬噸，占全省的9.85%。其余12個(gè)市的畜禽糞尿養(yǎng)分總量占全省的54.98%。

不同畜禽糞尿的養(yǎng)分含量也有所區(qū)別。由圖2(b)可以看出，家禽糞便的N、P和K養(yǎng)分最多，為107.18萬噸，占全部畜禽糞尿養(yǎng)分的36.80%；其次是豬糞尿養(yǎng)分，為70.21萬噸，占全部畜禽糞尿養(yǎng)分的24.11%；牛羊糞尿的養(yǎng)分含量分別占全部畜禽糞尿養(yǎng)分的21.80%和17.29%。

圖2 山東省各市畜禽糞尿養(yǎng)分量(a)及不同畜禽糞尿中的養(yǎng)分含量(b)

2.3 山東省畜禽糞尿還田量及其分布特征

由圖3看出，2020年山東省畜禽糞尿養(yǎng)分的還田量為107.93萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分的37.06%，損失部分占62.94%。其中全省畜禽糞尿養(yǎng)分N的總還田量為40.66萬噸，占總還田量的37.67%，占全省畜禽糞尿N養(yǎng)分的29.21%，損失部分占70.79%；全省畜禽糞尿養(yǎng)分P的總還田量為21.67萬噸，占總還田量的20.08%，占全省畜禽糞尿P養(yǎng)分的47.90%，損失占52.10%；全省畜禽糞尿養(yǎng)分K的總還田量為45.61萬噸，占總還田量的42.26%，占全省畜禽糞尿K養(yǎng)分的42.69%，損失57.31%。如圖3(a)所示，各地市中臨沂市畜禽糞尿養(yǎng)分還田量最大，為15.04萬噸，占臨沂畜禽養(yǎng)分的37.70%，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分還田量的13.93%；其次是濰坊和菏澤市的11.95萬噸和11.55萬噸，分別占本市畜禽養(yǎng)分的37.22%和37.94%，占全省還田量的11.07%和10.70%；德州市畜禽糞尿養(yǎng)分還田量為10.09萬噸，占德州畜禽糞尿養(yǎng)分的35.18%，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分還田量的9.35%，其余12個(gè)市的禽糞尿養(yǎng)分還田量占全省養(yǎng)分還田量的54.95%。

由圖3(b)看出，各市畜禽糞尿的損失量與還田量排序一致，其中臨沂市畜禽糞尿養(yǎng)分的損失量最大，為24.85萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失量的13.56%；濰坊和菏澤的畜禽糞尿養(yǎng)分損失量為20.16萬噸和18.90萬噸，分別占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失量的11.00%和10.31%；德州畜禽糞尿養(yǎng)分的損失量為18.60萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失量的10.15%，其余12個(gè)市的畜禽糞尿養(yǎng)分損失占全省畜禽糞尿養(yǎng)分損失總量的54.98%。

圖3 山東省各市畜禽糞尿養(yǎng)分的還田量(a)及損失量(b)時(shí)空分布圖

2.4 山東省畜禽糞尿不同還田比例下的化肥減施潛力

畜禽糞尿的有效利用不僅能夠減少對(duì)環(huán)境的污染，也可減少化肥的使用，是改善土壤肥力的重要途徑。由?山東統(tǒng)計(jì)年鑒2021?中2020年山東各市不同農(nóng)作物的種植面積及其最佳施肥量[15－20]，可以計(jì)算得出各市農(nóng)作物的最佳養(yǎng)分需求量。由表4可以看出，當(dāng)畜禽糞尿100%還田，全省N、P和K的輸入量為95.57萬噸(已考慮氮15%的揮發(fā)損失[21])、42.26萬噸和74.01萬噸。不同地市N養(yǎng)分的替代率為25.41%～106.32%，平均為57.11%；P養(yǎng)分的替代率為45.57%～203.15%，平均為107.78%；K養(yǎng)分的替代率為34.24%～307.83%，平均為143.98%?？梢钥闯?，對(duì)于畜禽糞尿全量還田來說，日照市N養(yǎng)分的替代率最大，為106.32%，但由于日照市的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較小且種植面積少，不具有代表性。臨沂、濰坊、德州和菏澤作為4大養(yǎng)殖市，其畜禽糞尿全量還田后，其N養(yǎng)分的替代率分別為83.44%、77.38%、57.71%和32.61%。青島、東營、煙臺(tái)、濰坊、威海、日照和臨沂的P養(yǎng)分替代率都大于100%；除青島、棗莊、濟(jì)寧、泰安和威海外，其他地市K養(yǎng)分的替代率高于100%。

表4 不同畜禽糞尿回田養(yǎng)分和可替代化肥養(yǎng)分的百分比

3 討論

3.1 提高畜禽糞尿資源養(yǎng)分的利用

畜禽糞尿是重要的有機(jī)肥來源，養(yǎng)殖場畜禽糞尿的充分還田和有效利用，即解決了長期以來對(duì)環(huán)境的污染，還可以減少化肥的使用、發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，從而生產(chǎn)高附加值農(nóng)產(chǎn)品。一直以來農(nóng)業(yè)源環(huán)境污染遠(yuǎn)超生活源和工業(yè)源的污染，畜禽糞尿的污染占農(nóng)業(yè)源污染中的大部分。目前已有較多文獻(xiàn)對(duì)中國各年份畜禽糞尿量及其養(yǎng)分進(jìn)行過估算，但由于排污系數(shù)選取、畜禽量估算以及飼養(yǎng)周期選取等差異，使得計(jì)算結(jié)果有較大差異[22－25]。劉曉永[14]均衡了各種計(jì)算方法，采用相關(guān)文獻(xiàn)中排泄系數(shù)的加權(quán)平均值統(tǒng)計(jì)了1980—2016年中國各省糞尿的量，結(jié)果表明，相比于20世紀(jì)80年代，21世紀(jì)20(2010—2016)年代全國畜禽糞尿及其養(yǎng)分量分別增加53.35%和62.28%，其中東北地區(qū)增幅最大；年均養(yǎng)分的還田量增加51.26%；21世紀(jì)20年代N、P、K的還田率為30.58%、70.75%、48.22%?；趧杂赖闹袊r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的養(yǎng)分平衡與需求研究方法，本研究結(jié)果表明，2020年山東省畜禽養(yǎng)殖糞尿數(shù)量為26321.18萬噸，養(yǎng)分總量為291.25萬噸，其中N、P、K養(yǎng)分量分別為139.18萬、45.24萬、106.83萬噸。但其還田養(yǎng)分總量為107.93萬噸，損失183.32萬噸，還田率為37.06%，其中氮還田40.66萬噸，損失98.52萬噸；P還田21.67萬噸，損失23.57萬噸；K還田45.61萬噸，損失61.22萬噸。山東省16個(gè)地級(jí)市中臨沂市的畜禽糞尿量、畜禽糞尿量養(yǎng)分、養(yǎng)分還田量和損失量均最大，分別為3452.58萬噸、39.88萬噸、15.04萬噸和24.85萬噸，其次為濰坊、菏澤和德州。由此可見，山東省畜禽糞尿養(yǎng)分資源量較大，但目前的還田量還不到畜禽糞尿養(yǎng)分量的一半，損失率高達(dá)62.94%。其中N由于易揮發(fā)，損失率高達(dá)70.79%，其P、K損失率也均高于50%。因此尋求高效的還田利用方式，以提高畜禽糞尿的資源利用率，是降低環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)農(nóng)田化肥減施的雙贏選擇。

3.2 畜禽糞尿養(yǎng)分還田的潛力研究

關(guān)于畜禽糞尿還田的潛力，已有較多研究:路國彬等[26]通過構(gòu)建模型估算了畜禽糞肥代替化肥的潛力，表明畜禽糞肥的養(yǎng)分含量占當(dāng)年實(shí)際化肥用量的38.30%、52.00%和86.77%；宋大利等[27]研究了中國的畜禽糞尿量養(yǎng)分利用潛力，表明畜禽糞尿全量還田后理論上氮、磷、鉀肥施用量可以減少37.3%、87.6%和65.9%。目前山東省畜禽糞尿養(yǎng)分的還田率還較低，為37.06%，N養(yǎng)分由于易揮發(fā)還田率僅為29.21%。畜禽糞尿中的N、P、K養(yǎng)分若能得到合理利用，將很大程度上減少化肥的使用。本研究中2020年山東省畜禽糞尿中N養(yǎng)分為139.18萬噸，相當(dāng)于302.35萬噸尿素中的N含量。畜禽糞尿全量還田理論上化肥N、P、K的替代率平均為57.11%、107.78%、143.98%，將大大節(jié)省化肥的投入。不同地市之間各種養(yǎng)分的還田率有所差異，這主要是由于畜禽糞尿的養(yǎng)分多于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物種植所需要的養(yǎng)分或畜禽糞尿的養(yǎng)分不足以滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生長所需，因此將不同地市的糞尿養(yǎng)分與臨近市區(qū)進(jìn)行交換，是畜禽糞尿資源化利用的一種方法。例如，全量還田時(shí)，青島糞尿養(yǎng)分的N和K還田率較低，但臨近的日照，畜禽糞尿N、P、K養(yǎng)分還田率均高于100%，因此日照部分畜禽糞尿用于青島還田，將避免畜禽糞尿養(yǎng)分的浪費(fèi)；臨沂作為養(yǎng)殖大市，其畜禽糞尿中P和K養(yǎng)分的還田率均高于100%，其臨近的棗莊、濟(jì)寧和泰安畜禽糞尿還田時(shí)P和K養(yǎng)分不足，因此，將臨沂多余的畜禽糞尿養(yǎng)分用于鄰近市或許能減少臨沂市化肥的使用量；除此之外，將濰坊的部分畜禽糞尿用于淄博，可緩解淄博畜禽糞尿養(yǎng)分K還田率不足的問題。如此，各市可實(shí)現(xiàn)K養(yǎng)分的100%還田，部分市需施加P養(yǎng)分，所有市再追加N養(yǎng)分的輸入，即可實(shí)現(xiàn)全省畜禽糞尿全量還田時(shí)理論上化肥的減施量。

本研究是在畜禽糞尿還田后當(dāng)年全部利用的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但還田的有機(jī)肥養(yǎng)分不能當(dāng)季全部釋放作為有效養(yǎng)分供農(nóng)作物吸收[14]。已有研究表明，有機(jī)肥具有明顯的后效性，且其中的養(yǎng)分具有較強(qiáng)的殘效迭加作用[27，28]。因此有機(jī)肥還田時(shí)需要考慮養(yǎng)分的釋放問題，防止因養(yǎng)分不足而造成農(nóng)作物的減產(chǎn)。而且，畜禽糞尿中的液體部分也含有大量養(yǎng)分，但目前養(yǎng)殖場收集的多是固體，對(duì)液體的收集比較少，多通過簡單處理后排放，這是目前造成污染的重要原因。因此對(duì)畜禽糞尿液體部分的收集利用將很大程度上增加養(yǎng)分還田的潛力并減少環(huán)境污染。

4 結(jié)論

山東省作為養(yǎng)殖大省，其每年產(chǎn)生的畜禽糞尿量及其養(yǎng)分量都是可觀的，2020年山東省的畜禽糞尿數(shù)量為26321.18萬噸，其中豬糞尿量最多，為11384.85萬噸，其次是牛、家禽和羊；畜禽糞尿養(yǎng)分(N＋P＋K)總量291.25萬噸，其中家禽糞便的養(yǎng)分含量最多，為107.18萬噸，其次是豬，牛和羊較少；全省禽糞尿養(yǎng)分的還田量為107.93萬噸，占全省畜禽糞尿養(yǎng)分的37.06%。16個(gè)地級(jí)市中臨沂市的糞尿量、養(yǎng)分量和還田量均最大，分別為2352.88萬噸、39.88萬噸和15.04萬噸。德州市由于養(yǎng)分含量較高的家禽養(yǎng)殖量較少，使得其糞尿量雖僅次于臨沂，但養(yǎng)分量和還田量均列于濰坊和菏澤之后。其余12個(gè)地級(jí)市，貢獻(xiàn)全省55%左右的糞尿量、養(yǎng)分量和還田量。

目前全省畜禽糞尿養(yǎng)分的還田率僅為37.06%，通過計(jì)算可知若畜禽糞尿全量還田理論上化肥N、P、K的替代率平均為57.11%、107.78%和143.98%，將大大減少化肥的投入。改善畜禽糞尿的收集、處理方式，優(yōu)化運(yùn)輸和還田方式以提高畜禽糞尿養(yǎng)分的有效利用是目前的研究重點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)化肥使用零增長行動(dòng)的主要途徑。