山东省畜禽粪污土地承载力时空分异特征分析

郑 莉，张晴雯*，张爱平，刘杏认，刘士清，韩 聪

（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.滨州市污染物排放总量控制办公室，山东 滨州 256600）

畜牧业是农业甚至整个国民经济的重要组成部分[1]。然而，随着近年来畜牧业特别是规模化养殖业的迅猛发展，由畜禽养殖带来的环境污染问题日益显现[2]。2010年国家统计局发布第一次全国污染源普查公报，其中对畜禽养殖业196万个对象进行普查，数据显示畜禽养殖业产生粪便约2.43亿t，尿液约1.63亿t。主要水污染物排放化学需氧量1 268.26万t，总氮102.48万t，总磷16.04万t，占全国排放总量的37.90%、21.67%和41.87%[3]。畜禽养殖业成为环境污染的主要来源之一[4]。高投入、高消耗、高污染的畜牧业发展方式不仅严重影响了我国生态环境质量，还限制了畜牧业的可持续发展。种养结合模式将作物种植与畜禽养殖结合在一起，两者的协同效应可以促进农作物增产，提高畜禽粪污资源利用率，促进农业可持续发展[5]。种养结合模式有望成为禽畜养殖业粪污处理未来的发展方向[6]，但畜禽粪污养分产生量与农田消纳量是否匹配影响了养殖业的可持续发展。分析评价畜禽粪便有效N、P养分量和作物N、P养分需求之间匹配关系对减少污染实现可持续农业具有重要意义[7]。

山东省是我国农业大省，粮食主产区之一，其畜牧产业规模多年位居全国第一。孙晨曦等[8]通过计算山东省各市畜禽养殖COD、氨氮的排放量，评价了山东省畜禽粪污环境污染现状，杨军香等[9]以山东省统计数据为例，确定了不同种植模式下的土地适宜载畜量，吴金欣等[10]以资源利用最大化和环境影响最小化原则，分析了山东省种植与养殖结构优化配置量化关系，但是均未进行时空演变特征的比较和分析。由于养殖结构以及粪污收集处理方式的差异，不同区域和不同时期畜禽粪便的产生量不一致，对环境的污染存在差异，这也就产生了畜禽粪便的时间和空间分布差异[11]。因此，有必要摸清不同时期山东省各市畜禽粪尿及其养分资源量的分布特征和变化规律，旨在为畜禽粪尿养分资源利用提供数据支撑。

目前国内对于畜禽养殖量较大区域的农田畜禽粪便环境承载力的评估已有较多研究，多采用负荷警报值分级[12-14]、灰色预测模型对畜禽养殖环境承载力进行评估[15-17]。为推进畜禽粪污资源化利用，优化调整畜牧业区域布局，促进农牧结合、种养循环农业发展，原农业部制定了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，为定量评估畜禽粪污土地承载力提供了计算标准。本文在结合前人研究的基础上，结合山东省的实际情况，时间分布选取近十年山东省年鉴数据，空间分布选取山东省2017年分市年鉴数据，对畜禽粪便养分供给量、植物粪污养分需求量进行核算，采用畜禽粪污土地承载力指数对各区域农田畜禽粪污负荷进行评估，分析山东省不同时间不同区域畜禽粪便年排放量及负荷的差异，并进行分析比较，揭示不同区域的畜禽粪便负荷与污染特征及其动态变化规律，为优化畜禽养殖结构，推动区域畜禽养殖绿色发展，实现农业可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 农作物粪污养分需求量

农作物种类、播种面积、产量来自于山东省2017年统计年鉴[18]。每100 kg产量N、P养分的需求量参考《土地承载力测算技术指南》[19]（表1）。

山东省区域植物氮（磷）养分需求总量计算公式如下：

式中：An,i代表区域内植物氮（磷）养分需求总量，t·a-1；Pr,i代表区域内第i种作物总产量，t·a-1；Qi代表区域内第i种作物的100 kg收获物需氮（磷）量，kg；At,j代表区域内第j种人工林地总的种植面积，hm2；Qj代表区域内第j种人工林地的单位面积年生长量需要吸收的氮（磷）养分量，kg·hm-2。

植物的粪污养分需求量按公式（2）计算。

式中：An,m代表区域内植物粪污养分需求量，t·a-1；An,i代表区域内植物氮（磷）养分需求量，t·a-1；FP代表作物总养分需求中施肥供给养分占比，%；MP代表农田施肥管理中，畜禽粪污养分需求量占施肥养分总量的比例，%；MR代表粪污当季利用率，%。粪污N素利用率25%～30%，P素当季利用率30%～35%。

根据山东土壤养分特征（表2）和表3，确定土壤N、P养分分级为Ⅰ级，施肥供给占比为35%。有机肥与化肥配施比例按25%计算[20]。粪污N、P素当季利用率参考《土地承载力测算技术指南》分别取30%、35%。

1.2 畜禽粪污总养分供给量

山东省畜禽数量数据来源于2017年山东省统计年鉴[18]、中国统计年鉴（2008—2017）[21]、中国畜牧业年鉴（2008—2017）[22]，畜禽种类主要包括猪、奶牛、肉牛、山羊、绵羊、家禽、兔。不同畜禽的N、P日排泄量参考《土地承载力测算技术指南》（表4）。

表1 山东省主要作物产量及形成100 kg产量吸收的氮、磷、钾养分量Table 1 Main crop yields in Shandong Province and nitrogen，phosphorus and potassium nutrients absorbed by 100 kg production

表2 山东省耕地土壤养分特征Table 2 Characteristics of soil nutrients of arable land in Shandong Province

表3 土壤不同N、P养分水平下施肥供给养分占比推荐值Table 3 The nutrient proportion of fertilizing under different nitrogen and phosphorus nutrient levels in soil

畜禽粪便养分产量按公式（3）计算：

式中：Qr,p代表区域内畜禽粪便养分产生量，t·a-1；Qr,p,i代表区域内第i种畜禽粪便养分产生量，t·a-1；APr,i代表区域内第i种动物年均存栏量，头（只）；MPr,i代表第i种动物粪便中N、P的日产生量，g·d-1·头-1。

畜禽粪污养分收集量按公式（4）计算：

式中：Qr,C代表区域内畜禽粪污养分收集量，t·a-1；Qr,C,i代表区域内第i种畜禽粪污养分收集量，t·a-1；Qr,p,i代表区域内第i种畜禽粪污养分产生量，t·a-1；PCi,j代表区域内第i种动物在第j种清粪方式所占比例，%；PLj代表第j种清粪方式氮（磷）养分收集率，%，见表5。

表4 2016年山东省不同畜禽（不区分畜禽生长阶段）的日排泄N、P量Table 4 Daily excretion of nitrogen and phosphorus of different livestock and poultry in Shandong Province（Does not differentiate livestock and poultry growth stages）

不同清粪比例按全国的干清粪占72%，水冲清粪占28%[24]。

不同畜禽粪污的处理方式N、P养分留存率参考《土地承载力测算技术指南》，见表6。

畜禽粪污总养分供给量按公式（5）计算。

式中：Qr,Tr代表区域内畜禽粪污处理后养分供给量，t·a-1；Qr,Tr,i代表区域内第i种畜禽粪污处理后养分供给量，t·a-1；PCi,k代表区域内第i种动物在第k种处理方式所占比例，%；PLk代表第k种处理方式氮（磷）养分留存率，%。

不同畜禽粪污处理方式按全国厌氧发酵占7%，固体贮存占92%，堆肥占1%计算[25]。

1.3 区域畜禽粪污土地承载力

将山东省的总粪污养分供给量按公式（6）折算成单位猪当量养分供给量。

式中：NSr,a代表单位猪当量粪污养分供给量，kg·猪当量-1·a-1；Qr,Tr代表区域内畜禽粪污总养分供给量，t·a-1；A代表区域内饲养的各种动物根据猪当量换算系数，折算成猪当量的饲养总量，猪当量。

将不同的畜禽换算成猪当量，1头猪按存栏量折算：100头猪相当于15头奶牛、30头肉牛、250只羊、2500只家禽[26]，1头猪相当于60只兔[27]。

表5 不同畜禽粪污收集工艺的N、P收集率（%）Table 5 Nitrogen and phosphorus collection rate of different livestock manure collection methods（%）

表6 不同畜禽粪污的处理方式N、P养分留存率（%）Table 6 Nitrogen and phosphorus retention rate of different livestock manure treatments（%）

区域畜禽粪污土地承载力按公式（7）计算，得到山东省理论最大养殖量（以猪当量计）。

式中：R代表区域畜禽以作物粪污养分需求为基础的最大养殖量，猪当量；NUr,m代表区域内植物粪污养分需求量，kg·a-1；NSr,a代表猪当量粪污养分供给量，kg·猪当量-1·a-1。

将山东省各种畜禽实际存栏量（以猪当量计）除以区域最大养殖量（以猪当量计）得到区域畜禽粪污土地承载力指数，计算公式如下：

式中：I代表区域畜禽粪污土地承载力指数；A代表区域内饲养的各种动物根据猪当量换算系数，折算成猪当量的饲养总量，猪当量。

2 结果与分析

2.1 山东省畜禽粪污土地承载力空间分布特征

由于各市养殖结构差异，其畜禽粪便的产生和粪便中养分排放也随空间分布出现差异性。选取2016年数据，对山东省17个市的作物养分需求量、畜禽粪污养分供应量进行估算，将不同畜种产生的畜禽粪便量统一换算为猪粪当量，计算各市畜禽粪污土地承载力指数，分析山东省畜禽粪污土地承载力空间分布特征。

2.1.1 山东省畜禽粪污N、P养分供给量空间分布特征

2016年山东省畜禽粪便N、P养分总量分别为101.7万t和15.5万t，主要来源于猪、肉牛、家禽粪便的供给，分别占总养分量的29.7%、14.3%和28.3%。根据不同畜禽种类不同粪污收集方式下N、P养分的收集率，估算实际畜禽粪污N、P养分收集量分别为89.2万t和14.7万t。由于不同畜禽种类在不同粪污处理方式下N、P养分的留存率不同，估算山东省2016年畜禽粪污产生的可供植物利用的N、P养分量分别为58.7万t和11.7万t。山东省有机肥资源量巨大，降低化肥施用量的潜力大。

图1为各市畜禽粪便中N、P养分量的分布。从各市的畜禽养殖规模来看，规模大的地区主要分布在鲁西南、鲁中南区域。潍坊市、德州市和菏泽市达到了千万级别，分别为1 059.9万、1 078.9万头和1 034.2万头，是山东省养殖大市，分别占全省的11.3%、11.5%、11%。莱芜市养殖规模属山东最小，为101.2万头，仅占全省的1.1%。

图1 山东省畜禽粪污养分供给量空间分布图Figure 1 Spatial distribution of livestock manure nutrients in Shandong Province

由于不同区域养殖规模、养殖类型的分布不同，其畜禽粪便的产生以及粪污N、P养分供给量也存在差异。综合来看，畜禽粪尿养分资源量的空间分布与畜禽养殖规模空间分布相似。畜禽粪便N养分供应量排名前五的市与P养分供应量排名前五的市具有一致性，分别是：潍坊市、济宁市、临沂市、德州市、菏泽市，5个市的畜禽粪尿N、P养分总量约占全省总量的50.5%、50.9%。其中N养分供应量最高是德州市，P养分供应量最高是菏泽市，分别为7.2万t·a-1和1.5万t·a-1，占全省畜禽粪便N、P养分供应量的11.1%和11.2%。N、P养分供应量最低是莱芜市，分别为0.75万t·a-1和0.16万t·a-1，占全省畜禽粪便N、P养分供应量的1.2%、1.3%。畜禽粪便N、P养分在局部地区的集中产生和排放，给当地的水环境造成了很大的压力。

2.1.2 山东省各市农作物N、P养分需求量空间分布特征

根据2016年山东省各种作物播种面积和产量，以及中等肥力和中等产量下的粮食作物和蔬菜作物N、P养分需求量，估算山东省适宜N、P养分需求量分别为205.4万t和54.6万t。根据山东的施肥习惯，计算出区域内植物通过畜禽粪污途径的N、P养分需求量分别为59.9万t和13.7万t。在不考虑粮田秸秆还田的条件下，来自畜禽粪污的N、P养分供给量未超过植物粪污需求量，还需要施用化肥进行N、P素的补充。

山东省是农业大省，2016年农作物总播种面积约1 097.3万hm2，其中排名前五的城市分别为：菏泽市134.4万hm2、潍坊市102.0万hm2、临沂市100.9万hm2、德州市100.3 万hm2、聊城市 96.9万 hm2，分别占总播种面积的12.2%、9.3%、9.2%、9.1%、8.8%。从山东省植物粪污N、P养分需求量空间分布图（图2）可以看出，植物粪便N养分需求量排名前五的市分别为：潍坊市、济宁市、临沂市、德州市、菏泽市；植物粪污P养分需求量排名前五的市分别为：聊城市、济宁市、临沂市、德州市、菏泽市。其中植物粪污N、P养分需求量最高是菏泽市，分别为7.1万t·a-1和1.7万t·a-1，占全省植物粪污N、P养分需求量的12.7%和12.6%。

2.1.3 山东省农田畜禽粪污土地承载力空间分布特征

将山东省作物粪污养分需求量换算成以猪当量计的最大养殖量，来表示畜禽粪污土地承载力。2016年山东省以N、P养分为基准的土地承载力分别为8576万头和9809万头。计算区域畜禽粪污土地承载力指数I，以N养分为基准时IN=0.98＜1，以P养分为基准时IP=0.86＜1。分别以N、P养分为基准时，该区域内土地消纳畜禽粪污均不超载。对基于N和P测算的结果进行比较，取两种计算结果的较低值为该区域的承载量，即山东的最大承载量为8576万头。2016年山东省的养殖规模为8401万头，相较于最大畜禽承载量还有一定的发展空间。

分别对山东省17个市的土地承载力指数I进行估算，如图3。各市畜禽粪便污染风险差异较大，其中青岛、淄博、聊城、菏泽以N、P为基准的I值均小于1，土地不超载，还能容纳一定量的畜禽粪污。济南、枣庄、烟台、泰安、威海、日照、莱芜、临沂、德州以N、P为基准的I值均大于1，畜禽粪污量超过了农田的承受能力，农田畜禽污染风险较大。而莱芜市土地承载力指数I均超过2，分别为2.14和2.36，这说明莱芜市的畜牧业排放的粪污远远超过农田消纳的量，畜禽固液粪便的N、P必须部分外输到其他有机肥缺乏的区域，才能解决莱芜市农田土壤N、P负荷过量问题。而东营、潍坊、济宁、滨州4市以N为基准的I值均大于1，以P为基准的I值均小于1，说明该市来自畜禽粪污的N素盈余明显，而P素的供给量低于农田作物P养分需求量，还需要来自于化肥的P素补充。

图2 山东省植物粪污养分需求量空间分布图Figure 2 Spatial distribution of crop manure nutrients demand in Shandong Province

2.2 山东省畜禽粪污土地承载力时间分布特征

由于经济的发展以及产业结构的调整，近年来山东省养殖结构不断发生变化，山羊、兔养殖量逐年减少，猪、奶牛、肉牛、绵羊、家禽养殖量逐年增加，其中绵羊的养殖量从2007年的324.35万只增加到2016年的1 023.8万只，十年间增加了215.6%。总体来看，近十年山东省的畜禽养殖规模总体呈上升趋势，增幅达19.3%。选取2008—2017年山东省统计年鉴数据，对山东省作物粪污养分需求量、畜禽粪污养分供应量以及历年畜禽粪污土地承载力指数进行估算，分析山东省畜禽粪污土地承载力时间分布特征。

总体来看，分别以N、P养分为基准的各曲线变化趋势具有一致性。由于山东省种植业的发展，近年来全省种植面积呈小幅上升的趋势，从2007年的1 072.4万hm2增加到2016年的1 097.3万hm2，增长了2.3%。植物对粪污养分的需求量也呈稳定上升趋势，从2007年到2016年，N养分的需求量从54.1万t·a-1增加到了59.9万t·a-1，增长了10.6%；P养分的需求量从 12.1 万 t·a-1增加到了 13.7 万 t·a-1，增长了13.1%。畜禽粪污N、P养分供应量在2008至2010年间下降，在2010年存在一个最低值分别为54.2万t·a-1和11.16万t·a-1，在2010年至2012年间迅速增加，总体呈现上升趋势。由图4可以看出，畜禽粪污N、P养分供应量随时间变化特征曲线在2010年到2012年间均有上升趋势，这是由于在该段时间内山东省畜禽养殖规模大幅增加，导致畜禽粪便量增加，畜禽粪污N、P养分供应量急剧增加，其中N养分供应量增加8.4%，P养分供应量增加7.5%。从指数I随时间变化特征曲线来看，以N、P为基准的畜禽粪污土地承载力指数I均呈下降趋势，以N为基准的I值在1上下浮动，以P为基准的I值始终小于1，并且两者在2010年至2012年间均有小幅增加。

3 讨论

由于2007年至2009年受禽流感的影响，山东各地区畜禽养殖量显著下降，2010年山东省政府加大对现代畜牧业发展的扶持力度，出台了一系列鼓励畜牧业发展的优惠政策，使山东省畜禽养殖业得到快速发展，养殖规模在2010年以后呈迅速增加的趋势。由于烟台、青岛、威海地处沿海，发展旅游业和渔业，畜牧业相对较弱。通过计算看出山东省畜禽养殖主要集中在鲁西南、鲁中南以及德州、潍坊等区域，而鲁东地区畜禽养殖规模整体较小，这与吴金欣等[10]的结果一致。在2010至2012年期间以N、P为基准的山东省畜禽粪污土地承载力指数均缓慢增加，其原因可能与这一时期畜禽养殖规模大幅增加有关，根据计算得出在此期间N、P养分供应量增幅均大于养分需求量增幅，导致土地需要消纳的畜禽粪污量增加，畜禽粪污土地承载力指数增大。整体来看，近十年山东省以N、P为基准的畜禽粪污土地承载力指数均呈下降趋势，说明山东省畜禽养殖排放的粪便资源中N、P没有超过土地的承载能力，仍具有一定的消纳空间，而植物所需的N、P养分不能由粪污提供的那部分，需要通过秸秆还田、化肥施用等方式进行额外的养分补充。

图3 山东省畜禽粪污土地承载力指数空间分布图Figure 3 Spatial distribution of loading capacity of livestock manure in Shandong Province

图4 山东省区域畜禽粪污土地承载力时间变化特征Figure 4 Time variation characteristics of loading capacity of livestock manure in Shandong Province

目前，中国畜牧业正处在由传统养殖业向畜禽废弃物资源化利用的现代生态养殖模式转型升级的关键时期[28]。种养结合生产模式有利于保持生态平衡，缓解集约化、规模化养殖带来的环境问题，实现农业可持续发展[29]。以农牧结合、种养平衡、生态循环为原则，加快发展现代生态养殖，促进畜牧产业转型升级，推动养殖环境问题有效解决，是对实现畜禽养殖业可持续发展的要求[30]。山东作为我国的养殖大省，推广种养结合生产模式对我国畜禽养殖废物资源化利用具有示范意义。

为保障山东省各市畜禽粪污被安全消纳，最大限度减少畜禽养殖对环境的影响，促进畜禽养殖业可持续发展，针对山东省畜禽养殖潜在环境风险状态，对各市发展养殖业以及养殖废弃物处理做出以下建议：

（1）调整优化畜禽养殖区域布局。近十年山东省畜禽粪污土地承载力逐渐提高，可容纳的畜禽养殖量增加，但根据估算山东省所产生的畜禽粪污已接近于土地所能承载的上限值，故不建议继续扩大养殖规模。其中淄博、济宁、聊城、菏泽等市农田土地对于畜禽粪污还具有一定的消纳空间；东营、潍坊、济宁、滨州等市养殖业产生的畜禽废物中N素超过了农田消纳能力，而P素不超载，应在维持畜禽养殖量不变的基础上增加化肥P素的投入；对于济南、枣庄、烟台、泰安、威海、日照、莱芜、临沂、德州等市，畜禽粪便的产生量超过了其农田系统消纳能力，在运用种养结合模式时，应对养殖场进行合理选址和设计，确定种养结合模式中养殖场养殖规模与周边农田的合理配置，以保障有足够的农田对产生的畜禽粪污进行安全消纳，多余的畜禽粪污可以采用异地消纳的方式扩大畜禽粪污的消纳半径，如将畜禽粪污运至淄博、济宁、聊城、菏泽等仍具有一定消纳空间的城市进行处理，同时科学管理和引导合理利用有机肥，控制有机肥施用比例，减少化肥的投入；对于青岛、威海、烟台等沿海旅游城市，应减小畜禽养殖业的规模，尽可能降低环境风险，减少养殖废弃物对大气、水环境的污染。

（2）严格控制对畜禽粪污的收集处理。常规养殖废弃物生化处理的运行费用较高，需要重建养殖系统，通过清洁生产减少粪污用水量，增加养分含量，提高肥效，恢复种植与养殖系统之间物流平衡，促进种植与养殖平衡发展，经济有效地解决养殖场粪污问题。对政府部门而言，可以在建立对畜禽养殖无害化处理扶持制度的同时，通过政府补贴的方式引导、鼓励畜禽养殖企业对畜禽粪污的处理，减少畜禽粪污的直接还田。对规模化养殖厂产生的大量畜禽粪污统一收集，经过畜禽粪污的预处理后，可以由专门的有机肥企业进一步加工为商品有机肥、有机无机复合肥或生物有机肥，这些产品转入市场后，即可打破地域间畜禽养殖不平衡的问题；鼓励畜禽养殖企业在沼气发酵后对产生的沼气进行脱硫、除湿处理，进一步将沼气充分利用起来。

在计算过程中，我们假定将山东省年产生的所有畜禽粪便均匀分布到所有耕地面积上，且没有考虑畜禽粪污省外施用以及畜禽粪便运输条件的影响，而在实际农业生产过程中，畜禽养殖往往集中在某些区域，各地区实际的承载力将与本文计算得到的畜禽养殖承载力存在差别；并且在估算山东省植物粪污养分需求量时，没有考虑人工林对畜禽粪污的消纳。如果考虑将人工林地作为消纳畜禽粪污的对象，将提高土地对畜禽粪污的消纳量，进一步扩大山东省的畜禽养殖潜力。

4 结论

通过对2007—2016年山东省以及2016年各市的畜禽粪污养分供给量、植物粪污养分需求量以及畜禽粪污土地承载力进行估算，得到以下结论：

（1）近十年来，整体来看山东畜禽养殖规模呈现上升趋势。山东省畜禽养殖主要集中在鲁西南、鲁中南、以及德州、潍坊等区域，畜禽粪尿资源丰富，鲁东地区畜牧业不发达，畜禽养殖规模整体较小。

（2）山东省作物粪污N、P养分需求量呈逐年上升的趋势，这就需要越来越多的畜禽粪便以有机肥、沼渣沼液等形式施入农田，对畜禽粪便安全还田提出了考验。

（3）青岛、淄博、聊城、菏泽等市产生的畜禽粪污未超载，济南、枣庄、烟台、泰安、威海、日照、莱芜、临沂、德州的畜禽粪污量超过了农田的承受能力，有潜在的N、P污染风险，而莱芜市畜禽粪污土地承载力指数超过2，农田畜禽污染风险较大。但总体上看，山东省畜禽粪污土地承载力有增加的趋势，山东省农田消纳畜禽粪便仍然有一定消纳潜力。