山东省畜禽粪尿中养分资源量及其利用潜力

李峰，杨珍珍，王雪荣，刘洁，李红娜

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；
2.山东省农业科学院，山东 济南 250100)

近些年我国畜禽养殖业得到迅猛发展，山东省作为畜禽养殖大省，在为全国畜产品供给和出口创汇做出巨大贡献的同时，由畜禽养殖造成的环境问题也日益突出。畜禽产生的粪便是畜禽养殖中的主要副产物，其含有的氮磷等元素是导致环境污染的主要原因之一[1]。山东省第二次全国污染普查数据表明，2017年，农业源排放的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷占全省排放总量的51.24%、18.71%、34.69%和64.29%，其中畜禽养殖的水污染排放量中:化学需氧量、氨氮、总氮和总磷分别占农业源的97.57%、88.89%、76.06%和92.22%[2]。畜禽粪尿中的部分有机质和氮、磷、钾等元素是植物生长的重要养分，对畜禽粪尿的资源化利用是实现减污降碳的重要途径[3]。

长期单施及过量施用化肥，造成土壤有机质含量低、肥料利用率低、土壤结构退化、土壤微生物活性和多样性降低，使得土壤肥力和生产力降低，这是目前农业面临的重要问题[4－6]。畜禽粪尿经处理后形成的有机肥与化肥进行配施，可以在减少化肥使用的同时提升土壤生产力，从而达到节约成本和增加土壤养分的目的[7]。而且配施有机肥可以调控健康土壤微生物区系、降低土壤N2O的排放和减缓土传病害，进而提高土壤的可持续利用程度[8－10]。李胜君等[8]研究发现配施有机肥有利于N循环功能微生物，可以增加土壤N库，降低土壤N淋溶损失，在特定环境下可以降低N2O排放的环境风险。安祥瑞等[9]发现利用有机肥替代部分化肥可以有效提高土壤pH值和养分有效性，增加根际土壤微生物丰富度和多样性，从而有利于产量提高和提升微生物区系。张建军等[10]研究表明不同有机肥配施可提高果实中VC、可溶性糖、粗蛋白含量及糖酸比，降低大棚草莓根腐病、白粉病及灰霉病的发生率。利用配施有机肥来促进畜禽养殖废弃物的资源化利用，是当前和今后一段时期现代畜牧业建设的重要举措。

山东不仅是养殖大省，也是种植大省，2020年全省农作物种植面积达1088.91万公顷。农作物的大量种植需要较多的土壤养分，而畜禽粪尿作为有机肥代替部分化肥施用不仅可以减少化肥投入，还可以缓解对环境的压力。为加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用，防治畜禽养殖污染，中国政府近几年来相继出台与颁布了一系列环境规制政策。2020年6月，农业农村部、生态环境部印发«进一步明确畜禽粪污还田利用要求强化养殖污染监管的通知»(农办牧〔2020〕23号)，山东省为响应国家政策也采取了一系列措施。掌握山东省畜禽粪尿养分资源数量、分布及其利用情况，制订合理利用策略是解决畜牧业环境污染和提高肥料利用率的重要途径。目前对于山东省畜禽粪尿的污染以及部分市县畜禽粪尿资源和耕地负荷已有研究[11－13]，但是对于全省畜禽资源的利用潜力尚未见报道。因此，本研究利用2021年山东统计年鉴和测土配方施肥公布的不同区域农作物养分需求量进行统计分析，探讨山东畜禽粪尿数量及其养分总量和分布情况，以期为山东畜禽粪尿资源的高效化利用提供理论依据。

1.1 数据来源

由«山东统计年鉴2021»获得山东省16个地级市的畜禽养殖数量和耕地面积。畜禽养殖数量包括山东省16个地级市的猪、牛、羊及家禽的出栏和年末存栏数据。所用参数来自国内外参考文献并结合实际情况，包括畜禽饲养周期、畜禽粪便日排泄系数、畜禽粪尿中氮磷钾养分量等。不同区域作物养分需求来源于农业农村部官网和文献。饲养周期大于一年的家畜(牛和羊)，饲养周期按365天计；
饲养周期小于一年的猪按199天、家禽按70天计。畜禽养殖周期、粪尿排泄系数和养分含量如表1所示，取加权平均值[14]。畜禽粪尿的还田率见表2，畜禽粪尿中氮、磷、钾的损失率见表3。

表1 畜禽饲养周期、粪尿排泄系数及其N、P、K养分含量和收集系数

表2 畜禽粪尿还田率 (%)

表3 畜禽粪尿养分损失率 (%)

1.2 计算方法

1.2.1 畜禽粪尿的产生总量及其养分量估算方法 目前关于畜禽粪尿量的计算方法有多种，本研究采用刘晓永[14]提出的修正方法，即同时考虑畜禽年内出栏数和年末存栏数，且为避免粪和尿的种类差异，将畜禽粪尿分开估算，计算公式如下:

(1)畜禽粪尿:

式中，QM为畜禽粪量，QU为畜禽尿量，万吨；
i为猪、牛、羊和家禽的种类；
S和H分别为畜禽年内出栏数和年末存栏数，万头(只)；
P是饲养周期(天)，365为全年天数；
M、U分别为畜禽粪和尿的日排泄系数，kg/[头(只)·天]；
1000为换算系数。

(2)畜禽粪尿养分:

式中TN、TP和TK分别为畜禽粪尿中N、P和K养分总量，万吨；
i为猪、牛、羊和家禽的种类；
QM和QU分别为畜禽粪量和尿量，万吨；
MN、MP和MK分别为粪中N、P和K含量，%；
UN、UP和UK分别为畜禽尿中N、P和K含量，%。

1.2.2 畜禽粪尿养分还田量 计算公式如下:

式中RN、RP和RK分别为畜禽粪尿中N、P和K养分还田量，万吨；
Rd为畜禽粪尿还田率，%；
LN、LP和LK分别为畜禽粪尿中N、P和K养分损失率，%。

1.2.3 畜禽粪尿不同回田比例化学养分替代率

计算公式如下:

式中Nrs、Prs和Krs分别为畜禽粪尿回田化学N、P、K养分替代率；
P为畜禽粪尿回田比例；
Ym、Yu为畜禽粪、尿的收集系数；
TNm、TPm和TKm为畜禽粪养分含量，万吨；
TNu、TPu和TKu为畜禽尿养分含量，万吨；
Ckn为第k市第n类作物最佳施肥量，kg/hm2；
Skn为第k市第n类作物种植面积，hm2。n＝1，2，…，5；
k为山东省16个地级市。

2.1 山东畜禽粪尿数量及其分布特征

本研究估算2020年山东畜禽粪尿量为26321.18万吨，其中猪粪尿量最大，为11384.85万吨，占总量的43.25%；
其次是牛粪尿、家禽粪便，分别为6031.45万吨、5954.68万吨，分别占总量的22.91%和22.62%；
剩余的为羊粪尿，占总量的11.21%。山东省畜禽粪尿的时空分布如图1所示，可以看出，临沂的畜禽粪尿量最多，为3452.58万吨，占全省的13.12%；
其次是德州、潍坊和菏泽，分别为2853.61万吨、2778.59万吨和2758.77万吨，分别占全省的10.84%、10.56%和10.48%，其余12个市占全省的55.00%。除滨州和淄博外，其它各市中均是猪粪尿量最多，且临沂>潍坊>菏泽>德州>烟台，猪粪尿量均在1100万吨以上。牛粪量最多的是德州市，为982.95万吨，其次是滨州和临沂，分别为876.17万吨和691.56万吨。羊粪量菏泽最多，为535.91万吨，其次是临沂，为426.61万吨，其他城市的羊粪量较少。潍坊的家禽粪量为956.16万吨，在各地市中最多，其次是临沂的918.21万吨。这表明不同地市有特色养殖种类，进而使得粪尿量有所差别。

图1 山东省16个地级市畜禽粪尿量时空分布图

2.2 山东畜禽粪尿养分资源量及其分布特征

由图2(a)看出，全省畜禽粪尿中N、P和K养分总量为291.25万吨，其中N为139.18万吨，P为45.24万吨，K为106.83万吨，分别占总养分的47.79%、15.53%和36.68%。临沂市畜禽粪尿总养分含量最高，为39.88万吨，占全省的13.69%；
其次是潍坊和菏泽，分别为32.12万吨和30.45万吨，分别占全省的11.03%和10.45%；
德州为28.69万吨，占全省的9.85%。其余12个市的畜禽粪尿养分总量占全省的54.98%。

不同畜禽粪尿的养分含量也有所区别。由图2(b)可以看出，家禽粪便的N、P和K养分最多，为107.18万吨，占全部畜禽粪尿养分的36.80%；
其次是猪粪尿养分，为70.21万吨，占全部畜禽粪尿养分的24.11%；
牛羊粪尿的养分含量分别占全部畜禽粪尿养分的21.80%和17.29%。

图2 山东省各市畜禽粪尿养分量(a)及不同畜禽粪尿中的养分含量(b)

2.3 山东省畜禽粪尿还田量及其分布特征

由图3看出，2020年山东省畜禽粪尿养分的还田量为107.93万吨，占全省畜禽粪尿养分的37.06%，损失部分占62.94%。其中全省畜禽粪尿养分N的总还田量为40.66万吨，占总还田量的37.67%，占全省畜禽粪尿N养分的29.21%，损失部分占70.79%；
全省畜禽粪尿养分P的总还田量为21.67万吨，占总还田量的20.08%，占全省畜禽粪尿P养分的47.90%，损失占52.10%；
全省畜禽粪尿养分K的总还田量为45.61万吨，占总还田量的42.26%，占全省畜禽粪尿K养分的42.69%，损失57.31%。如图3(a)所示，各地市中临沂市畜禽粪尿养分还田量最大，为15.04万吨，占临沂畜禽养分的37.70%，占全省畜禽粪尿养分还田量的13.93%；
其次是潍坊和菏泽市的11.95万吨和11.55万吨，分别占本市畜禽养分的37.22%和37.94%，占全省还田量的11.07%和10.70%；
德州市畜禽粪尿养分还田量为10.09万吨，占德州畜禽粪尿养分的35.18%，占全省畜禽粪尿养分还田量的9.35%，其余12个市的禽粪尿养分还田量占全省养分还田量的54.95%。

由图3(b)看出，各市畜禽粪尿的损失量与还田量排序一致，其中临沂市畜禽粪尿养分的损失量最大，为24.85万吨，占全省畜禽粪尿养分损失量的13.56%；
潍坊和菏泽的畜禽粪尿养分损失量为20.16万吨和18.90万吨，分别占全省畜禽粪尿养分损失量的11.00%和10.31%；
德州畜禽粪尿养分的损失量为18.60万吨，占全省畜禽粪尿养分损失量的10.15%，其余12个市的畜禽粪尿养分损失占全省畜禽粪尿养分损失总量的54.98%。

图3 山东省各市畜禽粪尿养分的还田量(a)及损失量(b)时空分布图

2.4 山东省畜禽粪尿不同还田比例下的化肥减施潜力

畜禽粪尿的有效利用不仅能够减少对环境的污染，也可减少化肥的使用，是改善土壤肥力的重要途径。由«山东统计年鉴2021»中2020年山东各市不同农作物的种植面积及其最佳施肥量[15－20]，可以计算得出各市农作物的最佳养分需求量。由表4可以看出，当畜禽粪尿100%还田，全省N、P和K的输入量为95.57万吨(已考虑氮15%的挥发损失[21])、42.26万吨和74.01万吨。不同地市N养分的替代率为25.41%～106.32%，平均为57.11%；
P养分的替代率为45.57%～203.15%，平均为107.78%；
K养分的替代率为34.24%～307.83%，平均为143.98%。可以看出，对于畜禽粪尿全量还田来说，日照市N养分的替代率最大，为106.32%，但由于日照市的畜禽养殖规模较小且种植面积少，不具有代表性。临沂、潍坊、德州和菏泽作为4大养殖市，其畜禽粪尿全量还田后，其N养分的替代率分别为83.44%、77.38%、57.71%和32.61%。青岛、东营、烟台、潍坊、威海、日照和临沂的P养分替代率都大于100%；
除青岛、枣庄、济宁、泰安和威海外，其他地市K养分的替代率高于100%。

表4 不同畜禽粪尿回田养分和可替代化肥养分的百分比

3.1 提高畜禽粪尿资源养分的利用

畜禽粪尿是重要的有机肥来源，养殖场畜禽粪尿的充分还田和有效利用，即解决了长期以来对环境的污染，还可以减少化肥的使用、发展有机农业产业，从而生产高附加值农产品。一直以来农业源环境污染远超生活源和工业源的污染，畜禽粪尿的污染占农业源污染中的大部分。目前已有较多文献对中国各年份畜禽粪尿量及其养分进行过估算，但由于排污系数选取、畜禽量估算以及饲养周期选取等差异，使得计算结果有较大差异[22－25]。刘晓永[14]均衡了各种计算方法，采用相关文献中排泄系数的加权平均值统计了1980—2016年中国各省粪尿的量，结果表明，相比于20世纪80年代，21世纪20(2010—2016)年代全国畜禽粪尿及其养分量分别增加53.35%和62.28%，其中东北地区增幅最大；
年均养分的还田量增加51.26%；
21世纪20年代N、P、K的还田率为30.58%、70.75%、48.22%。基于刘晓永的中国农业生产中的养分平衡与需求研究方法，本研究结果表明，2020年山东省畜禽养殖粪尿数量为26321.18万吨，养分总量为291.25万吨，其中N、P、K养分量分别为139.18万、45.24万、106.83万吨。但其还田养分总量为107.93万吨，损失183.32万吨，还田率为37.06%，其中氮还田40.66万吨，损失98.52万吨；
P还田21.67万吨，损失23.57万吨；
K还田45.61万吨，损失61.22万吨。山东省16个地级市中临沂市的畜禽粪尿量、畜禽粪尿量养分、养分还田量和损失量均最大，分别为3452.58万吨、39.88万吨、15.04万吨和24.85万吨，其次为潍坊、菏泽和德州。由此可见，山东省畜禽粪尿养分资源量较大，但目前的还田量还不到畜禽粪尿养分量的一半，损失率高达62.94%。其中N由于易挥发，损失率高达70.79%，其P、K损失率也均高于50%。因此寻求高效的还田利用方式，以提高畜禽粪尿的资源利用率，是降低环境污染和实现农田化肥减施的双赢选择。

3.2 畜禽粪尿养分还田的潜力研究

关于畜禽粪尿还田的潜力，已有较多研究:路国彬等[26]通过构建模型估算了畜禽粪肥代替化肥的潜力，表明畜禽粪肥的养分含量占当年实际化肥用量的38.30%、52.00%和86.77%；
宋大利等[27]研究了中国的畜禽粪尿量养分利用潜力，表明畜禽粪尿全量还田后理论上氮、磷、钾肥施用量可以减少37.3%、87.6%和65.9%。目前山东省畜禽粪尿养分的还田率还较低，为37.06%，N养分由于易挥发还田率仅为29.21%。畜禽粪尿中的N、P、K养分若能得到合理利用，将很大程度上减少化肥的使用。本研究中2020年山东省畜禽粪尿中N养分为139.18万吨，相当于302.35万吨尿素中的N含量。畜禽粪尿全量还田理论上化肥N、P、K的替代率平均为57.11%、107.78%、143.98%，将大大节省化肥的投入。不同地市之间各种养分的还田率有所差异，这主要是由于畜禽粪尿的养分多于当地农作物种植所需要的养分或畜禽粪尿的养分不足以满足当地农作物生长所需，因此将不同地市的粪尿养分与临近市区进行交换，是畜禽粪尿资源化利用的一种方法。例如，全量还田时，青岛粪尿养分的N和K还田率较低，但临近的日照，畜禽粪尿N、P、K养分还田率均高于100%，因此日照部分畜禽粪尿用于青岛还田，将避免畜禽粪尿养分的浪费；
临沂作为养殖大市，其畜禽粪尿中P和K养分的还田率均高于100%，其临近的枣庄、济宁和泰安畜禽粪尿还田时P和K养分不足，因此，将临沂多余的畜禽粪尿养分用于邻近市或许能减少临沂市化肥的使用量；
除此之外，将潍坊的部分畜禽粪尿用于淄博，可缓解淄博畜禽粪尿养分K还田率不足的问题。如此，各市可实现K养分的100%还田，部分市需施加P养分，所有市再追加N养分的输入，即可实现全省畜禽粪尿全量还田时理论上化肥的减施量。

本研究是在畜禽粪尿还田后当年全部利用的基础上进行的，但还田的有机肥养分不能当季全部释放作为有效养分供农作物吸收[14]。已有研究表明，有机肥具有明显的后效性，且其中的养分具有较强的残效迭加作用[27，28]。因此有机肥还田时需要考虑养分的释放问题，防止因养分不足而造成农作物的减产。而且，畜禽粪尿中的液体部分也含有大量养分，但目前养殖场收集的多是固体，对液体的收集比较少，多通过简单处理后排放，这是目前造成污染的重要原因。因此对畜禽粪尿液体部分的收集利用将很大程度上增加养分还田的潜力并减少环境污染。

山东省作为养殖大省，其每年产生的畜禽粪尿量及其养分量都是可观的，2020年山东省的畜禽粪尿数量为26321.18万吨，其中猪粪尿量最多，为11384.85万吨，其次是牛、家禽和羊；
畜禽粪尿养分(N＋P＋K)总量291.25万吨，其中家禽粪便的养分含量最多，为107.18万吨，其次是猪，牛和羊较少；
全省禽粪尿养分的还田量为107.93万吨，占全省畜禽粪尿养分的37.06%。16个地级市中临沂市的粪尿量、养分量和还田量均最大，分别为2352.88万吨、39.88万吨和15.04万吨。德州市由于养分含量较高的家禽养殖量较少，使得其粪尿量虽仅次于临沂，但养分量和还田量均列于潍坊和菏泽之后。其余12个地级市，贡献全省55%左右的粪尿量、养分量和还田量。

目前全省畜禽粪尿养分的还田率仅为37.06%，通过计算可知若畜禽粪尿全量还田理论上化肥N、P、K的替代率平均为57.11%、107.78%和143.98%，将大大减少化肥的投入。改善畜禽粪尿的收集、处理方式，优化运输和还田方式以提高畜禽粪尿养分的有效利用是目前的研究重点，也是实现化肥使用零增长行动的主要途径。