我国畜牧业已从在农业中处于补充地位发展为农业主导产业，进入以提高质量、优化结构和增加效益为主的新阶段[1]。近年来，重庆市城镇化和农村经济快速发展，在养殖行业相关政策和市场对肉、蛋、奶类产品需求的推动下，养殖产业数量和规模正不断壮大。据2020年调查数据，重庆市畜禽规模化养殖场4 730个，肉类、牛奶和禽蛋年产量分别为126.1万t、4.2万t和43.5万t, 其中以生猪生产为主，占肉类总产量的88.9%。然而，规模化养殖带来的畜禽粪污更加集中、种养结合不紧密等问题更加凸显[2]。部分中小型养殖企业存在粪污未规范处理或处理未达标而直接外排等现状[3],导致环境污染和资源浪费。与此同时，重庆市农用氮肥施用量已从1978年的21.63×104t(折纯)增长到2019年的91.08×104t。种植业作为整个农业生产的基础，在生产过程中大量化肥和农药的投入造成了土壤水质污染、水体富营养化、土壤肥力降低等环境风险问题[4]。为应对这些问题，重庆市相关部门积极响应农业部《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,合理使用有机养分资源，实施粪污资源化利用工作，投入约10多亿资金改进养殖场粪污处理设施，并减少种植业中农用化肥的使用。然而，如何建立科学健全的种养结合循环经济发展模式，在保证和提高农产品质量的同时，合理规划布局区域畜禽养殖规模，实现种养业废弃物资源化利用，促进种养业的绿色可持续发展，成为当下亟需解决的实际生产问题。

目前针对畜禽农田承载量的相关研究，主要基于“耕地-作物-畜禽”养分平衡法或通过构建“经济-社会-环境”系统理论模型进行畜禽养殖规模预测。“经济-社会-环境”系统理论综合考虑社会经济、环境资源、畜禽养殖量等因素及权重，通过构建系统动力学模型，对畜禽养殖资源环境承载力进行预测研究[5-6]。仿真结果可靠性和推广性较强，但存在预测模型运算复杂、数据庞大、模型参数确定困难等问题，且因影响模型的因素较多，不能对其进行全面考量，造成预测结果与实际情况存在一定偏差和不相符之处。氮(磷)养分平衡原理以特定区域某一时间段内土壤氮(磷)养分的输入输出和盈余量为研究对象，基于物质守恒定律对输入输出和盈余养分流进行粗略研究评价[7-9]。该方法以农田实际畜禽粪污消化承载能力为限制因素，结合区域种养业方式和特点，因地制宜确定某一地区理论畜禽养殖规模，但缺乏对社会经济因素的考察与联系，针对基于省域层面上的研究存在因所选区域过大而容易掩盖区域内部之间氮养分平衡巨大差异的问题，在县域层面运用养分平衡法开展研究具有充分可行性和现实指导意义[10]。

“以种定养”是指依据区域种植农田面积的可消化承载粪便能力，通过畜禽粪便无害化处理和科学合理还田利用等手段，降低环境污染，实现养殖业废弃物资源化利用[11]。近年来，基于以种定养和氮养分平衡原理建立种养结合循环经济模型，在评估区域畜禽承载量和环境负荷风险方面已得到广泛应用[12-14]。本研究统计了重庆市各区县农作物播种面积、氮肥施用量和实际畜禽养殖量，运用氮养分平衡理论估算了重庆市全市及各区县理论上土地可消纳粪便量，反求畜禽的理论农田承载量，并对重庆市及各区县畜牧业进行风险等级评估，旨在为区域畜禽养殖结构调整、合理空间布局规划和全产业链发展提供理论和政策依据。

1、材料与方法

1.1 数据收集与整理

1.1.1 重庆市种植业规模

基于《重庆市统计年鉴2020》以及相关农业调查资料，分类整理出重庆市各区县各种农作物种植种类(粮食、油料、甘蔗、烟叶、茶叶、水果、蔬菜等)、种植面积、农作物产量、化肥施用量等基础数据。其中万州、涪陵、江津、合川、潼南、开州几个区播种面积在15万公顷以上，而离渝中区(主城区)较近的大渡口区、江北区、南岸区，农作物播种面积不足900公顷。整体上，重庆市种植业近几十年来呈现粮食作物收缩、菜瓜果作物扩张的竞争态势，区域种植模式从“以粮为主”转变为“粮菜兼顾”[15]。

1.1.2 重庆市养殖业规模

基于重庆市畜牧统计信息(2020),收集整理出该市2019年畜禽养殖业数据，包括各区县畜禽种类、规模、分布及粪便排放总量情况。为分析重庆市内区域养殖业布局和规模差异，将该市38个区县按地理位置划分为4大单元(表1)。总体上，禽类养殖在各区县普遍具有较大规模，相比之下，猪、牛、羊等畜种的养殖量在不同区县间表现出显著差异；几类畜禽养殖规模均较小的区域主要集中在主城区。因各类畜禽的粪污计算参数不同而本研究中未能单独统计各禽类数量，故选取养殖产污系数最小的肉鸡作为参照计算禽类粪便氮排放最低总量。

1.2 畜禽农田承载量模型构建

1.2.1 畜禽承载量模型

本文在前人研究理论基础上[16],基于“以种定养”、氮养分平衡原理，以有机粪肥替代量反推出各种类畜禽的理论农田承载量，具体计算步骤如下。

第一步，计算出有机氮肥替代量。计算公式为：

Y=X×α (1)

式(1)中，Y为重庆市某区(县)的有机氮肥替代量，kg/hm2;X为该区农作物年纯氮肥施用量，kg/hm2;α为该区有机肥替代氮肥的比例。

第二步，计算出有机肥好养堆肥发酵前的畜禽粪便含氮量。计算公式为：

式(2)中，Z为有机肥堆沤发酵前的畜禽粪便含氮量，kg/hm2;β为高温好氧堆肥处理过程中的平均氮损失率，36.38%。

第三步，计算出临时堆积前的畜禽粪便初始含氮量。计算公式为：

式(3)中，L为临时堆积前的畜禽粪便初始含氮量(粪便鲜质量),kg/hm2;γ为临时堆积过程中造成的畜禽粪便氮量损失率(不同种类粪便取值：猪粪26.3%,牛粪23.8%,羊粪32.63%,禽粪45.0%)。

第四步，计算出各种类畜禽的农田承载量。计算公式为：

式(4)中，Q为每公顷农田的某一种类畜禽承载量，头(只)/hm2;i代表饲养阶段；n为畜禽种类数量；Ai为该种类畜禽第i饲养阶段所占比例，%; Bi为第i饲养阶段畜禽的日排放粪便含氮量，kg/(头·天);Ci为第i饲养阶段畜禽的饲养周期，d。

本研究根据不同种类畜禽的饲养周期[17-19]、种群结构、畜禽养殖产污系数[20-22]和日粪污含氮量等参数的不同，利用粪便鲜质量氮反求得到各种类畜禽的农田承载量(表2)。

表1重庆市各区县各类畜禽现有养殖规模

1.2.2 模型计算参数

1.2.2.1 有机肥替代氮肥比例的选取

由重庆统计年鉴可知，重庆市各市区的作物种植情况主要有三种类型：第一种类型包括涪陵区、大渡口区等以蔬菜为主导作物的区域；第二种类型包括黔江区、江北区等同时种植蔬菜和粮食的区域；第三种类型则包括万州区、南岸区等“蔬菜-粮食-瓜果”兼种区域。在综合考虑农作物产量并满足环境风险评估的前提下，参考前人对重庆市不同区域的研究试验结果[23-29],并结合其他省份研究的参考数据，本研究选取了合适的有机肥替代氮肥比例：以蔬菜为主的区县为35%,蔬菜和粮食共生的区县为40%,以及蔬菜-粮食-瓜果三者兼种的区县为30%(表3)。

表2不同种类畜禽农田承载量计算参数

1.2.2.2 高温好氧堆肥处理过程中平均氮损失率

在高温好氧堆肥过程中添加外源添加剂，可以降低氨气和温室气体的排放量，减少氮碳元素损失率，提高堆肥品质[30]。故本研究通过整理和归纳在露天或采用堆肥装置条件下，不同外源添加剂对猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪高温好氧堆肥品质影响的相关资料，得出各类畜禽粪便在春夏季节高温好氧堆肥处理过程中的平均氮损失率。猪粪氮平均损失率为38.33%,牛粪氮平均损失率为36.89%,羊粪氮平均损失率为30.44%,鸡粪氮平均损失率为35.95%。经对资料数据的统计和方差分析知，四种粪污在高温好氧堆肥处理过程中的氮损失率差异不显著(P=0.6722),故在本文中取55个样本的均值36.38%作为高温好氧堆肥处理的氮损失率。规模化畜禽养殖场多采用粪棚堆放方式进行临时堆肥，也存在氮损失现象。由于不同畜禽粪便的理化性质和养分含量差异较大[31],参考常志州等[32]、王海候等[33]统计的粪肥储藏过程中养分平均损失比例，不同畜禽粪污临时堆积平均氮损失率分别取猪粪26.3%、牛粪23.8%、羊粪32.63%、禽粪45.0%。

表3重庆不同区县农作物有机肥替代氮肥比例

1.3 区域农田畜禽承载风险系数评估

本研究引用付强等[34]在研究中国种养平衡空间格局时提出的区域农田畜禽承载风险系数r, 来定量化表述区域农田畜禽承载承风险。农田畜禽承载风险系数r计算公式为：

式(5)(6)中，r为农田畜禽承载风险系数；N为区域现有畜禽养殖量，头(只);E为区域农田畜禽承载量，头(只);S为该区(县)的农田耕作面积，hm2.

为便于计算和分析评估区域畜禽承载风险等级，综合考虑重庆市草食牲畜产业体系特色，根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》中推荐的猪当量折算方法将其他几类主要畜禽折算为羊养殖当量，折算公式如下：

式(7)中，Qstandard为标准羊养殖量；Qsheep为羊出栏量；Qpig为生猪出栏量；Qcattle为肉牛出栏量；Qpoultry为家禽出栏量。式中各畜禽种类单位为头或只。

由(5)式可知，区域农田畜禽承载风险系数r越大，造成的环境风险越高，当区域现有畜禽养殖量恰好等于农田畜禽承载量，即r为1时，是产生环境风险的临界条件。根据带来的风险程度不同，将畜禽承载风险系数分为以下3个等级：r≥2说明区域农田畜禽承载风险等级较高，为畜禽养殖限制区；1<r<2时处于中等风险等级，为畜禽养殖一般风险区；r≤1时处于低等风险等级，为畜禽养殖潜力区。

2、结果与分析

2.1 畜禽农田承载量

在选取种植蔬菜为主区县有机肥替代35%氮肥、种植蔬菜-粮食为主区县有机肥替代40% 氮肥、种植蔬菜-粮食-瓜果为主区县有机肥替代30%氮肥的前提下，按照上述方法计算可得各区县现有农田种植规模下的畜禽可承载量(表4)。结果表明，渝西、渝东北和渝东南片区均存在有小部分区县畜禽养殖量超载现象，其中璧山区和云阳县的畜禽养殖量超载规模高于100万头，长寿、合川、荣昌、巫山等地区超载规模略低，在71万头以下；而处于主城区的9个区县现有畜禽养殖规模则表现为远低于或较低于该区畜禽承载最大规模，由于主城区可耕种面积较小，在满足现有种植农田能完全消纳畜禽粪便的前提下，可允许该地养殖场在一定程度上的扩建。

表4重庆市各区县农田可承载畜禽养殖量

2.2 区域农田畜禽承载风险系数评估

由表5可知，对于养殖密度高风险区璧山区，以及长寿区、合川区、荣昌区、城口县、丰都县、云阳县、巫山县、武隆区、酉阳县等9个养殖密度中风险区，应以保护和恢复环境生态为主，在养殖密度风险区合理规划布局禁养区和限养区，减轻区域农田畜禽承载压力，并可将过量的畜禽粪污加工制成有机肥外售于该市其他养殖密度低风险区，防范过量畜禽粪污因不能被现有区域种植农田及时消纳而造成的环境污染风险。而对于其他畜禽养殖潜力区，因现有区域农田种植规模可承载消化较大的畜禽粪污量，可适度增加养殖规模，在减轻养殖密度高中风险区农田承载压力的同时，也最大限度的发挥了农田生态系统生产潜力。

表5各区县区域农田畜禽承载风险等级

3、讨论

3.1 区域农田畜禽承载规模

施用有机粪肥中的实际氮养分含量与畜禽种类[20-22]、饲养阶段[17-19]、粪便处理和贮存工艺[35]等因素密切相关。不同种类动物粪便的养分含量和发酵处理工艺中氮素损失率不同，处于不同年龄和生理阶段的动物日粪便排放量也有差异。本研究根据畜禽种群结构和不同阶段所占比例，计算出每头(只)畜禽的平均日排放粪便含氮量，进而根据区域农田可消化承载粪污能力反求得出畜禽承载量，使按此模型估算的畜禽承载量规模更接近于真实值。但由于重庆市不同地区现下种养结合程度、经济文化发展水平、日常畜禽粪污处理方式以及对粪污肥料化资源化新工艺掌握程度都存在较大差异[36],而本研究未给予考虑，且选取使用较广泛的高温好氧堆肥方式作为清粪工艺纳入计算模型，使理论结果与实际情况存在一定的偏差。在实际应用时，还要综合考虑不同地区经济发展水平、养殖习惯等特点进行相应调整。

3.2 种养业平衡发展

有机-无机肥料配合施用具有提高作物产量、培养土壤肥力、提高肥料利用率等显著优点[37],同时畜禽养殖业粪便的回收和兼施肥料的使用，也有助于推进贫困地区和少数民族地区的脱贫和农业经济可持续发展[38]。但农田的粪污消纳能力具有一定的限度，且不同作物的生理承受能力也不同[39],畜牧业生产发展所产生的畜禽粪污量应与农田的消纳能力相匹配。故本文也针对重庆市不同区县种植类型的不同，选取不同的有机肥替代氮肥比例，尽可能降低畜禽粪便有机肥还田对环境带来的污染问题。

本研究结果表明，不同区县、不同种植面积、不同农作物种植类型得出的各区县自身区域内的畜禽承载量有较大差异。针对区域畜禽养殖量风险区域，可采用“以种定养”的农牧业生态循环发展模式，根据各区县现有农作物种植规模，对畜牧业进行合理空间布局和产业结构调整，在养殖高密度区实施限养和禁养政策，以减轻农田对额外畜禽粪污的消纳负担；也可采用“以养促种”的草畜业结合发展模式，积极主动试点、推广“粮改饲”,在畜禽养殖高密度区，根据现有养殖规模，考虑不同区域的种植业模式，合理种植优质饲料作物、牧草，这对促进本市草牧业的可持续健康发展、草牧业循环经济模式发展具有积极指导意义。

3.3 种养循环的可行性

据相关研究调查可知，重庆市农户类型普遍为农户兼业形式，其中农户兼业又以Ⅱ兼农户(高度兼业)为主[40]。这种农户普遍为种植业和养殖业兼业的现状，为重庆市推进种养平衡的循环经济体制创造了良好的社会条件。本研究将各类畜禽折算为标准羊养殖量，并计算得出重庆市全市羊粪鲜粪含氮量6.04×108kg, 而该市羊理论农田承载量下的粪便氮需求量为7.75×108kg。由此可知，该市现有农田种植规模有足够的能力消纳草食畜牧养殖业产生的畜禽粪污，选用有机肥替代部分化肥不会造成生态环境的较大负担，这为重庆市有机肥替代化肥决策的实施和种养业循环发展提供了良好的环境条件。该市经处理后的畜禽粪肥，可不外售而全部还田利用，而对有机肥需求量大的种植区域，可结合其他有机肥混施和邻近区县调配形式，满足农产品生产需要，在不使农作物减产和不带来生态环境压力的前提下，实施养殖废弃物的合理利用，同时降低化肥过量使用带来的环境风险。但考虑到不同地区土壤理化性质、土壤微生物种类、粪污堆沤方式、气候、有机肥替代化肥施用技术普及程度等的差异，在实际生产应用时，还要结合具体区县的实际情况进行优化处理。

4、结论

重庆不同区县的畜禽承载风险系数差异较大，畜禽养殖规模超载较为严重的区县主要集中在渝西和渝东北片区，而位于主城区域的9个区县风险系数在0.04～0.50范围；其中武隆、酉阳、丰都、奉节等4个区县的预警值在1左右，可视为种养平衡区域。对于养殖业发展潜力区，应积极引导农户发展畜牧养殖，扩大养殖业规模，着力于提高肉蛋奶类畜产品的产量和质量输出，振兴区域养殖业带动全市经济发展。对于畜禽养殖风险区域的养殖业，应进行合理布局规划调整，在拆除建筑不规范、粪污处理设施不到位、生产模式落后的养殖场，或将养殖场搬迁入养殖潜力区域的同时，推进“以种定养、以养促种”的草牧业循环经济模式，通过种植优质农作物和牧草，提高农田对畜禽粪污的消纳量，协调各区县种植业和养殖业的平衡发展。

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基金资助:重庆市现代山地特色高校农业产业技术体系(草食牲畜)(2022);西南大学创新训练项目(S202110635119);

文章来源:李嘉欣,翟建荣,尹权为,等.基于种养平衡理论的重庆市各区县畜禽承载量估算及风险评估[J].家畜生态学报,2024,45(12):73-80.