化肥的大量施用在保障农产品实现高产稳产^[1]的同时，也增加了局部土壤质量恶化和环境污染的风险^[2-5]。2015 年原国家农业部发布《到 2020 年化肥使用量零增长行动方案》^[6]，我国国民经济和社会发展第十三个五年计划期间实现了肥料消费量持续下降，2020 年三大粮食作物肥料利用率较 2015 年提高了 5 个百分点，同时全国秸秆综合利用率达 86%，畜禽粪污综合利用率达 75%^[7]。在《“十四五”循环经济发展规划》^[8]和 《“十四五”推进农业农村现代化规划》^[9]中要求，到 2025 年，农作物秸秆综合利用率和畜禽粪污综合利用率分别保持在 86% 和 80% 以上，通过构建种养循环发展机制^[10-11]，可以增加有机肥替代化肥潜力、降低环境风险，实现有机废弃物资源高效利用。

近年来，秸秆和畜禽粪污的综合治理成为我国农业可持续发展面临的重要课题。随着我国种植业和养殖业的规模化发展，畜禽粪污产量逐年增加，局部地区土地承载力指数超过了环境风险阈值。例如 2017 年安徽省有 6 个县属于环境污染高风险区^[12]，2019 年烟台市 15 个县市区中有 13 个土地承载力指数超标^[13]。研究表明，湖北省畜禽粪污产生量较大^[14]，2011 年土地氮、磷负荷高于全国平均水平^[15]。此外，湖北省的秸秆资源量丰富， 2015 年秸秆养分资源量排名全国第 9^[16]。合理利用丰富的秸秆和畜禽粪污养分资源是实现化肥减量的重要途径。研究表明，连续秸秆还田可替减化肥 20%～50%^[17-19]、有机肥可替减化肥 10%～50%^[20-22]。

武穴市位于长江中下游地区，以平原丘陵为主，近 30 年平均温度为 16.8℃，年均降水量 1427.9 mm，年均日照时数为 1913.5 h。光、温、雨、热资源充沛，发展种植业和畜牧业的条件优越，是全国闻名的粮食生产基地和养殖市。本文从养分资源利用的角度出发，收集相关统计数据，估算了 2020 年武穴市的主要农作物秸秆和畜禽粪污养分资源产生量以及农用地的畜牧业环境承载力，对比同期化肥消费量，探讨了主要农作物秸秆和畜禽粪污养分资源对化肥的节肥潜力和成本的影响，为实现武穴市绿色种养循环和化肥减量提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

主要农作物产量、畜禽年均存（出）栏量数据来自《2021 年黄冈市统计年鉴》^[23]；不同农作物的草谷比引自《中国秸秆养分资源及还田的时空分布特征》^[24]中的长江中下游地区数据；不同畜禽的日排泄氮（磷）量、100 kg 收获物需氮磷量引自 《土地承载力测算指南》^[25]；不同畜禽粪污排泄系数引自《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排系数手册》^[26]；秸秆养分含量（风干基）、粪尿钾 （鲜基）含量引自《中国有机肥料养分数据集》^[27]； 不同畜禽平均饲养周期和肥料单价引自《2021 年全国农产品成本收益汇编》^[28]。

1.2 计算方法

1.2.1 秸秆资源量及秸秆养分资源量

本文参考国际上通用的草谷比法来估算武穴市秸秆资源量、氮磷钾养分资源量，其计算公式如下：

式中：TS 为秸秆理论资源量（风干基）（t·年^-1）； TN、TP、TK 分别为秸秆氮（N）、磷（P₂O₅）、钾 （K₂O）资源量（t）；i 为第 i 种作物；Y 为农作物产量（t·年^-1）；Ri 为第 i 种作物的草谷比^[24]，Nci、 Pci、Kci 分别为第 i 种作物风干基秸秆 N、P₂O₅、 K₂O 含量（%）^[27]。

1.2.2 畜禽粪污养分资源量

畜禽粪污氮磷养分资源量参考《土地承载力测算技术指南》^[25]，通过不同畜禽养殖存（出）栏量、日排泄氮（磷）量、饲养周期计算；畜禽粪污钾养分资源量参考文献^[29-31]所采用的方法，即通过畜禽年均存（出）栏量、畜禽饲养周期和粪尿排泄系数的关系得到。其计算公式如下：

式中：M_{N（或 P）}为武穴市畜禽粪尿氮（磷）养分年产生总量（t）；${\mathrm{M}}_{{\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5}$为武穴市畜禽粪尿五氧化二磷（P₂O₅） 年产生总量（t）；Wi 为第 i 种畜禽粪（尿）年产生量 （t）；${\mathrm{M}}_{{\mathrm{K}}_2\mathrm{O}}$为畜禽粪（尿）中年钾素（K₂O）养分资源量 （t）；Ai 为武穴市第 i 种畜禽的存（出）栏量（头）； Ei为第 i 种畜禽氮（磷）日排泄量（kg·d^-1）；2.29 为单质磷折算为五氧化二磷（P₂O₅）的系数；Ti 为第 i 种畜禽的饲养周期（d）；Qi 为第 i 种畜禽排泄系数； Ki 为畜禽粪（尿）中钾素（K₂O）养分资源含量 （t）；Sr 为粪肥养分在留存过程中的留存系数（%），与粪污处理措施有关，本文按照畜禽粪污收集后堆肥处理计，参考《土地承载力测算技术指南》^[25] 氮、磷养分留存率分别为 68.5%、76.5%，钾留存系数同磷留存的系数（76.5%）。本研究以牛、禽存栏量记奶牛、蛋鸡；以牛、禽出栏量记肉牛、肉鸡，对于以存栏数计的畜禽（生猪、奶牛、羊、蛋鸡）饲养周期为 365 d；对于以出栏数计的畜禽（肉牛、肉鸡），则以平均饲养周期^[28] （分别为 241.06、99.00 d）计算。

1.2.3 土地承载力及土地承载力指数

参考《土地承载力测算技术指南》^[25]，武穴市土地承载力为作物总的粪肥养分需求量与单位猪当量粪肥养分供给量的比值。武穴市土地承载力指数为畜禽总存栏量（以猪当量计）与土地承载力之间的比值。

武穴市作物总的粪肥养分需求量计算公式如下：

式中：NU_N，P 为区域内所有作物的氮（N）或磷（P） 养分需求总量（t·年^-1）；NU_r，m 为区域内作物粪肥养分需求量（t·年^-1）；Yi 为区域内第 i 种作物的产量（t·年^-1）；Ci 为区域内第 i 种作物形成 100 kg 产量的养分需求量（kg·100 kg^-1）^[25]；FP 为施肥供给养分占作物总养分需求的比例（%），根据 《畜禽粪便还田技术规范》（GB/T25246-2010）推荐，武穴市施肥供给养分占作物总养分需求比例按照 35% 计算；MP 为畜禽粪尿养分需求占施肥供给养分总量的比例（%），按照 50% 计算^[25]；MR 为粪尿养分的当季利用效率（%），氮、磷素当季利用率分别按照 30%、35% 计算^[25]。

武穴市单位猪当量粪肥养分供给量计算公式如下：

式中：A 为武穴市畜禽养殖实际存栏量（以猪当量计）（猪当量）；Ms 为年区域内畜禽粪污养分供给量，即收集和处理损失后实际的粪肥氮、磷养分留存量 （t·年^-1）；NS_r，a 为武穴市单位猪当量粪肥养分供给量（kg·猪当量^-1）；Pi 为第 i 种畜禽种类折算成猪当量的系数，本文猪当量按存（出）栏量折算，即 100 头猪相当于 15 头奶牛、30 头肉牛、250 只羊、 2500 只家禽^[25]；Gr 为粪肥养分在收集过程中的收集系数（%），与养殖方式有关，本研究按照收集过程中不发生损失，即 100% 计算；Sr 为粪肥养分在留存过程中的留存系数（%），与粪污处理措施有关，本研究按照堆肥方式计算（氮、磷养分留存率分别为 68.5%、76.5%^[25]）。

武穴市土地承载力及土地承载力指数计算公式如下：

式中：R 为土地承载力（猪当量）；I 为土地承载力指数。

1.2.4 秸秆和畜禽粪污替代化肥潜力

秸秆和畜禽粪污养分替代化肥潜力以氮肥为例，计算公式如下：

式中：Q_tN 和 Q_MN 分别为秸秆和畜禽粪污氮肥（N） 替代化肥潜力（t）；70% 和 65% 分别是秸秆和畜禽粪污还田率，为基于《“十四五”循环经济发展规划》和《“十四五”推进农业农村现代化规划》 以及田间实际生产调研设置的情景值。

秸秆和畜禽粪污养分替代率以氮（N）肥为例，公式如下：

式中：P_tN 和 P_MN 分别是秸秆和畜禽粪污氮肥养分替代率（%）。

秸秆和畜禽粪污还田节肥成本公式如下：

${\mathrm{C}}_{\mathrm{M}}={\mathrm{Q}}_{\mathrm{M}\mathrm{N}}\times 4.48\text{元}\cdot {\mathrm{k}\mathrm{g}}^{-1}\times 10+Q_{{\mathrm{M}\mathrm{P}}_2{0}_5}\times 5.42\text{元}\cdot {\mathrm{k}\mathrm{g}}^{-1}\times$

式中：C_t 和 C_M 分别是秸秆和畜禽粪污还田的节肥成本（万元）；Q_tN、${\mathrm{Q}}_{{\mathrm{t}\mathrm{P}}_2{\mathrm{O}}_5}$、${\mathrm{Q}}_{{\mathrm{t}\mathrm{K}}_{2}0}$ 分别是秸秆氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）养分替代化肥潜力（t）；Q_MN、 $Q_{{\mathrm{M}\mathrm{P}}_2{0}_5}$、$Q_{{\mathrm{M}\mathrm{K}}_{2}0}$分别是畜禽粪污氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）养分替代化肥潜力（t）；4.48、5.42、5.46 元·kg^-1 分别为 2020 年氮、磷、钾肥（折纯）肥料价格^[26]。

2 结果与分析

2.1 武穴市主要农作物种植与化肥使用量现状

统计（表2）表明，2020 年武穴市农作物种植面积 87120.00 hm^2[23]，其中水稻、油菜、蔬菜种植面积分别为 37426.67、24820.00、9946.67 hm²。近年来，武穴市化肥施用量^[23]逐年下降（图1）。 2020 年武穴市农用化肥消费总量（折纯）4.34 万 t，其中氮（N） 肥 1.92 万 t、磷（P₂O₅） 肥 1.24 万 t、钾（K₂O）肥 1.18 万 t。

2.2 武穴市主要农作物秸秆养分资源量与畜禽粪污养分资源量

武穴市 2020 年共产生秸秆 53.19 万 t（表3）。其中，水稻秸秆、油菜秸秆、小麦秸秆分别为 32.62 万、16.45 万、1.95 万 t，占秸秆资源总量的 95.9%。

秸秆氮、磷、钾理论养分资源量分别为 N 4464.28 t，P₂O₅ 1536.54 t，K₂O 11014.65 t。其中，水稻、油菜、小麦秸秆的氮、磷、钾养分资源量分别为 N 4177.26 t、P₂O₅ 1438.34 t、K₂O 10693.44 t，分别占秸秆总氮、磷、钾资源量的 93.6%、93.6%、97.1%。

2020 年武穴市共产生畜禽粪污 130.56 万 t，其中产粪 61.37 万 t、尿 69.19 万 t。畜禽粪污产生理论资源量为 N 9051.63 t、P₂O₅ 3142.02 t、K₂O 5248.68 t （表4）。按照畜禽粪污堆肥过程氮、磷、钾养分留存率分别为 68.5%、76.5%、76.5% 计算，武穴市畜禽粪污堆肥处理后养分留存量分别为 N 6200.37 t、 P₂O₅ 2403.65 t、K₂O 4015.24 t。

2.3 武穴市畜禽粪污土地承载力及土地承载力指数

2020 年武穴市畜禽养殖量共计 95.33 万头猪当量。农作物畜禽粪污氮、磷养分需求量分别为 N 7798.09 t、P 2181.47 t。单位猪当量畜禽粪污氮、磷养分供给量分别为 N 6.50 kg·猪当量^-1、P 1.10 kg· 猪当量^-1，以氮、磷养分为基准，武穴市畜禽粪污土地承载力分别为 119.89 万头猪当量、198.12 万头猪当量，基于氮和磷的测算结果进行比较，取两种计算结果的较低值为武穴市的土地承载力，即武穴市的土地承载力为 119.89 万猪当量。武穴市畜禽粪污氮、磷土地承载力指数分别为 0.80、0.48。

2.4 武穴市农作物秸秆和畜禽粪污替减化肥潜力

2020 年武穴市农作物秸秆产生养分资源量为 N 4464.28 t、P₂O₅ 1536.54 t、K₂O 11014.65 t（表6）。基于目前主要农作物秸秆还田现状，按照秸秆还田率 70% 计算，理论武穴市农作物秸秆养分可还田量为 N 3125.00 t、P₂O₅ 1075.58 t、K₂O 7710.26 t，分别占武穴市 2020 年氮、磷、钾肥用量的 16.3%、 8.7%、65.3%，秸秆还田化肥理论减量空间（折纯） 11910.84 t。每年秸秆还田可节约化肥成本 6192.76 万元，占武穴市 2020 年投入肥料成本的 28.4%。

2020 年武穴市畜禽粪污堆肥后可留存养分 N 6200.37 t、P₂O₅ 2403.65 t、K₂O 4015.24 t（表6），按照畜禽粪污还田率 65% 计算，武穴市理论可用于还田的畜禽粪污养分资源量为 N 4030.24 t、P₂O₅ 1562.37 t、K₂O 2609.91 t，分别占武穴市 2020 年化肥用量的 21.0%、12.6%、22.1%，理论化肥减量空间（折纯）8202.52 t，理论畜禽粪污还田可实现化肥节约成本 4077.36 万元，占武穴市 2020 年投入肥料成本的 18.7%。

2020 年武穴市秸秆和畜禽粪污理论可还田养分量共计 N 7155.24 t、P₂O₅ 2637.95 t、K₂O 10320.17 t，可替减武穴市 2020 年化肥施用量的 46.3%，节约化肥成本 10270.12 万元。

3 讨论

武穴市秸秆资源丰富，秸秆还田替减化肥潜力大。通过计算可知，武穴市 2020 年主要农作物产量 39.54 万 t、秸秆资源量 53.19 万 t（表 3），秸秆氮、磷、钾养分资源产生量分别为 N 4464.28 t、P₂O₅ 1536.54 t、K₂O 11014.65 t。田间试验研究表明，主要农作物秸秆还田可以替减氮磷肥 10%～20%^[32-36]、 钾肥 18.3%～66.7%^[37-38]。本文基于统计数据和目前通用的研究方法计算得出 2020 年武穴市秸秆产生的养分可还田量为 N 3125.00 万 t、P₂O₅ 1075.58 万 t、K₂O 7710.26 万 t，分别占武穴市同年氮、磷、 钾消费量的 16.3%、8.7%、65.3%。秸秆还田化肥理论减量空间（折纯）11910.84 t，共计理论可节约化肥成本 6192.76 万元。

已有研究表明，有机无机肥配施可以减少化肥用量，而这些研究多集中在商品有机肥^[39-41]。对于畜禽粪污堆沤还田替减化肥潜力的研究较为缺乏。本文基于统计数据计算得出，武穴市 2020 年畜禽粪污产生的氮、磷、钾养分资源量分别为 N 9051.63 t、 P₂O₅ 3142.02 t、K₂O 5248.68 t，其中理论养分可还田量分别为 N 4030.24 t、P₂O₅ 1562.37 t、K₂O 2609.91 t，分别占武穴市 2020 年化肥消费量的 21.0%、12.6%、 22.1%，化肥减量空间（折纯）8202.52 t，理论畜禽粪污还田可实现节约化肥成本 4077.36 万元。

近年来，随着武穴市规模化养殖的进一步发展，畜禽粪污处理所带来的环境风险备受重视。武穴市土地承载力为 119.89 万头猪当量，畜禽粪污氮、磷土地承载力指数分别为 0.80、0.48，目前畜禽养殖量没有超过武穴市土地承载力，但畜禽养殖量已接近氮承载力的上限。据报道，当前畜禽粪污作为有机肥还田主要应用在蔬菜、果树、茶等作物上，而大田粮食的有机肥施用比例不足^[42]，耕地畜禽粪污消纳面积较少，消纳空间潜力大，可以通过增大畜禽粪污在粮油等大田农作物的消纳面积，或通过推广使用优化畜禽饲料养分配比等途径降低现有畜禽养殖过程中的氮（磷）排放压力，减少化肥投入，实现武穴市绿色种养循环，提高畜禽粪污综合利用率。

4 结论

2020 年武穴市主要农作物种植面积 8712.00 hm²，化肥消费量 4.34 万 t，畜禽养殖共计 95.33 万头猪当量，武穴市土地承载力为 119.89 万头猪当量。目前畜禽养殖量没有超过武穴市土地承载力，但畜禽养殖量已接近氮承载力的上限。武穴市绿色种养 （秸秆和畜禽粪污还田）可节省化肥（折纯）2.01 万 t、减幅潜力 46.3%，化肥理论可实现节约化肥成本 10270.12 万元。合理增加畜禽粪污在粮油等大田农作物的消纳面积，扩大秸秆还田力度是实现武穴市绿色种养循环、提高农业废弃物利用率、减少化肥投入的有效途径。

参考文献