面向次生盐渍化防控的畜禽粪便设施菜地承载力估算

Estimation on greenhouse vegetable field bearing capacity of animal manure targeting secondary salinization prevention and control

摘要

为防控设施菜地土壤次生盐渍化，以云南、上海、江苏、陕西、甘肃、宁夏、山东、河北和辽宁的设施菜地为研究对象，基于土壤盐分积累模型，开展面向次生盐渍化防控的畜禽粪便设施菜地承载力的建模工作；根据各省设施菜地土壤含盐量现状与盐化分级标准，设置对应的土壤含盐量阈值，估算每hm²设施菜地适宜施用畜禽粪肥量与承载力。结果表明：1）9个省份每hm²设施菜地可承载的生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡数量分别为8.6~153.7 头、0.4~4.1 头、0.6~11.4 头、8.5~162.5 羽和58.8~1 107.5 羽；2）设施菜地土壤和畜禽粪肥含盐量较高，已经限制了畜禽粪肥还田利用与承载力。建议推广淋洗排盐、暗管排水或深耕技术，以降低土壤盐分残留，从而提升畜禽粪便设施菜地承载力。本研究可为区域种养平衡与土壤障碍因子治理提供参考。

Abstract

To prevent soil secondary salinization in greenhouse vegetable fields， Yunnan， Shanghai， Jiangsu， Shaanxi， Gansu， Ningxia， Shandong， Hebei and Liaoning were considered as our research objects. A model was developed based on the soil salinity accumulation model to assess the bearing capacity of greenhouse vegetable fields and prevent soil secondary salinization. According to the current soil salinity and salinization grading standards of vegetable greenhouses in each province， the corresponding soil salinity thresholds were set to estimate the appropriate manure application per hectare of greenhouse vegetable field and its bearing capacity. The results showed that： 1） The greenhouse vegetable field bearing capacity of livestock and poultry manure in the nine provinces ranged from 8.6 to 153.7 pigs equivalent， 0.4 to 4.1 dairy cattle equivalent， 0.6 to 11.4 beef cattle equivalent， 8.5 to 162.5 layers equivalent， and 58.8 to 1 107.5 broilers equivalent per hectare， respectively. 2） Salt content in vegetable greenhouse soils and animal manure was high， which limited the utilization of animal manure for returning to the fields and greenhouse vegetable field bearing capacity. This study recommended promoting techniques such as leaching， subsurface drainage pipe， and deep tillage to reduce soil salinity and enhance the greenhouse vegetable field’s carrying capacity of livestock and poultry manure. This research provided a basis for balancing regional agriculture and animal husbandry production systems and managing other factors of soil obstacles.

Graphical abstract

关键词

畜禽粪便 / 承载力 / 次生盐渍化 / 设施菜地 / 土壤含盐量

Key words

animal manure / bearing capacity / secondary salinization / greenhouse vegetable field / soil salinity

随着“藏粮于地、藏粮于技”战略的深入落实，消减土壤障碍因子和提升耕地质量已成为当前支撑农业产业健康可持续发展的重点研究内容。由于高温高湿、过度施肥和高复种指数等原因，次生盐渍化已成为设施菜地土壤健康的主要障碍因子，亟需治理^［1-3］。

我国设施菜地0~20 cm土壤平均含盐量为2.43 g/kg，较露地土壤高141.1%，已呈中度盐渍化，并且随着种植年限的增加，土壤含盐量呈现增长趋势^［4］。化肥与畜禽粪肥的不合理施用将提高盐土中Na⁺、Cl^-、SO₄^2-等比重，破坏土壤离子平衡，易使作物遭受生理干旱与离子毒害而减产^［5-7］。Yang 等^［8］对91位种植户进行问卷调查发现，设施菜地中畜禽粪肥的施用量显著高于化学肥料施用量。赵懿等^［9］在北京市延庆区旧县镇现代农业产业园试验发现，相较有机肥全量施用组（75 t/hm²），有机肥减量施用组土壤含盐量略低。在模型仿真研究方面，王辉等^［10］建立土壤盐分积累模型仿真分析粪肥施用对土壤次生盐渍化的影响程度，发现高量施用粪肥（65~100 t/hm²）将加剧土壤盐渍化，这可归因于畜禽粪肥中较高的含盐量。本研究整理现有研究报道^［11-15］发现，518 个畜禽粪肥样品中含盐量为0.94~35.40 g/kg。因此，畜禽粪肥含盐量高低是否会影响粪肥可施用量，进而限制设施菜地的畜禽粪便承载力，有待进一步研究。

本研究拟以云南等9个省份的设施菜地为研究对象，以土壤盐分积累模型为基础，进行面向次生盐渍化防控的畜禽粪便设施菜地承载力的建模工作；根据各省设施菜地土壤含盐量现状与盐化分级标准，设置对应的土壤含盐量阈值，估算每hm²设施菜地适宜施用畜禽粪肥量与承载力，以期为区域种养循环与土壤障碍因子治理提供参考。

1　材料与方法

1.1　研究对象

考虑到设施菜地土壤含盐量数据的可获得性^［4］，本研究选择云南、上海、江苏、陕西、甘肃、宁夏、山东、河北和辽宁的设施菜地为研究对象。在种养业方面，这9个省份的蔬菜种植面积约占全国总面积的30.0%，产量约占全国的37.4%；同时，全国约27.4%的牛、28.7%的猪和35.2%的家禽养殖量来自于这9个省份^［16］（表1）。

从设施菜地土壤含盐量统计结果^［4］和土壤盐化分级标准^［17］可知，云南、上海、江苏、陕西和甘肃的土壤含盐量为2.15~3.19 g/kg，为中度盐渍化；宁夏、山东、河北和辽宁的土壤含盐量为1.34~1.86 g/kg，为轻度盐渍化（表2）。由此可见，次生盐渍化已成为上述省份设施菜地土壤的主要障碍因子。

1.2　研究内容

在设施菜地土壤中，过度施肥会加剧土壤次生盐渍化，并且畜禽粪肥含有大量盐分，是土壤盐分的重要来源。结合种养业生产现状分析可知，畜禽粪肥中的盐分主要来自饲料添加剂的使用^［10］。因此，本研究运用土壤盐分积累模型，结合各地土壤含盐量阈值，推算出土壤盐分的年最大增量；进而结合粪肥含盐量，反向推导出每hm²设施菜地可施用的畜禽粪肥量；根据畜禽粪便排泄参数，估算出每hm²设施菜地可以承载的畜禽养殖量。畜禽粪便设施菜地承载力计算流程见图1。

1.3　数据来源及计算方法

本研究假设粪肥为设施菜地土壤的唯一盐分输入，按照HJ 964—2018《环境影响评价技术导则 土壤环境（试行）》^［17］，核算出设施菜地土壤盐分的年最大增量；进而，根据土壤盐分积累模型^［10］，推导出由畜禽粪肥途径可引入的最大盐量，具体计算公式如下：

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }S=\frac{(Q_{\mathrm{1}}-Q_{\mathrm{0}})DA\rho }{t}\\ I_{\mathrm{S}}=\mathrm{\Delta }S\frac{\mathrm{1}-K}{K(\mathrm{1}-K^t)}\end{array}\right.（1）

式中：ΔS为土壤盐分的年最大增量，g/hm²；Q_l为土壤含盐量阈值，g/kg，根据土壤盐化分级标准^［17］，将各地区设施菜地土壤含盐量所处等级的上限作为阈值（表2）；Q₀为土壤含盐量^［4］，g/kg；D为耕层厚度^［18-21］，m；A为面积，本研究中取10 000 m²；ρ为土壤容重^［18-21］，kg/m³；t为达到土壤含盐量阈值所需时间，本研究中取50 a；I_s为由畜禽粪肥途径可输入的最大盐量，g/hm²；K为土壤盐分残留率，本研究中取70%^［10］。

\left\{\begin{array}{l}M=I_{\mathrm{S}}/R_{\mathrm{S}}\\ n=M/H\end{array}\right.（2）

式中：M为畜禽粪肥施用量，kg/hm²；R_s为畜禽粪肥盐分质量分数^［11-15］，g/kg（表3）；n为畜禽养殖量，即畜禽粪便设施菜地承载力，头/hm²或羽/hm²；H为畜禽养殖周期排泄量（以干物质计）^［22］，kg/头或kg/羽。

1.4　情景分析

本研究采用情景分析法，以生猪为例，设置畜禽粪便盐分质量分数、所需时间和减少土壤盐分残留率3 类情景，探究提升畜禽粪便设施菜地承载力的有效途径。

畜禽粪便盐分质量分数情景：将畜禽粪便盐分质量分数的最大值、最小值和平均值分别代入式（1）和式（2）计算，得出各省畜禽粪便设施菜地承载力并进行对比分析，以探究畜禽粪便盐分质量分数对承载力的影响程度。

所需时间情景：将达到土壤含盐量阈值所需时间设置为25、50、75、100和200 a分别代入式（1）和式（2）计算，以探究所需时间对承载力的影响程度。

减少土壤盐分残留率情景：将土壤盐分残留率减少0~50%，以探究盐分残留率每减少10%对承载力的影响程度。

2　结果与分析

2.1　畜禽粪便设施菜地承载力估算

畜禽粪便设施菜地承载力估算结果见图2：从省份角度看，以生猪为例，每hm²设施菜地可承载养殖量依次为：甘肃（153.7 头）>陕西（148.1 头）>云南（119.3 头）>江苏（68.0 头）>辽宁（63.9 头）>河北（47.9 头）>上海（42.7 头）>宁夏（17.5 头）>山东（8.6 头）。奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡的设施菜地承载力结果排序与生猪的一致。从畜禽种类角度看，畜禽粪便设施菜地承载力依次为：肉鸡（58.8~1 107.5 羽/hm²）>蛋鸡（8.5~162.5 羽/hm²）>生猪（8.6~153.7 头/hm²）>肉牛（0.6~11.4 头/hm²）>奶牛（0.4~4.1 头/hm²）。

2.2　情景分析结果

2.2.1　畜禽粪便盐分质量分数情景

图3示出畜禽粪便盐分质量分数影响设施菜地承载力情景分析结果。以生猪为例，畜禽粪便设施菜地承载力排序为：以最小值计算（承载力为110.8~1 971.6 头/hm²）>以平均值计算（8.6~153.7 头/hm²）>以最大值计算（2.9~52.54 头/hm²），其中，以最小值和最大值计算的畜禽粪便设施菜地承载力分别为平均值的1 283%和34%。由此可见，随着畜禽粪便盐分质量分数的增大，将进一步限制畜禽粪便设施菜地承载力。

2.2.2　所需时间情景

以云南省生猪为例，畜禽粪便设施菜地承载力的时间情景分析结果见图4。随着达到土壤含盐量阈值所需时间增加，畜禽粪便设施菜地承载力从238.6 头/hm²下降至29.8 头/hm²，下降约88%。因此，若要维持土壤长期健康，对畜禽粪便中盐分的治理势在必行。

2.2.3　减少土壤盐分残留率情景

以云南省生猪为例，畜禽粪便设施菜地承载力的土壤盐分残留率情景分析结果见图5。随着土壤盐分残留率的减少，畜禽粪便设施菜地承载力从119.3 头/hm²上升至517.0 头/hm²，增加约333%。由此可见，降低土壤盐分残留率能有效提升畜禽粪便设施菜地承载力。

3　讨 论

3.1　与现有行业标准计算结果的对比分析

按照NY/T 3877—2021《畜禽粪便土地承载力测算方法》^［23］计算，以磷养分为基准，计算得到设施菜地承载力结果，其中绝大部分区域和畜禽种类的结果高于本研究计算结果。尤其是蛋鸡和肉鸡，行业标准计算结果分别为117.3~306.6和1 286.1~2 953.6 羽/hm²，本研究计算结果分别为8.5~162.5和58.8~1 107.5 羽/hm²。这主要是因为在鸡的饲养过程中，使用食盐等饲料添加剂^［10］，导致粪便中积累盐分，限制了粪肥的施用量。

从省份角度分析，相较于行业标准计算结果，本研究得到的宁夏、山东、河北和辽宁的畜禽粪便设施菜地承载力整体偏低。以生猪为例，本研究中宁夏、山东、河北和辽宁的设施菜地承载力分别为28.0、37.0、74.3和65.6 头/hm²，分别比行业标准计算结果低37.4%、76.7%、35.6%和2.6%。这4个省份目前设施菜地土壤含盐量较低，处于轻度盐化阶段，对应的与土壤含盐量阈值的差值相对其他省份也就更低，从而限制其畜禽粪便设施菜地承载力。

总的来说，不同设施菜地承载力核算方法解决的问题不同，行业标准的核心在于解决作物养分（氮磷）供需问题，而本研究着重解决土壤次生盐渍化防控问题。从结果比对分析中可以看出，种植业中，设施菜地土壤含盐量高（表2），限制其土壤盐分的年最大增量；而养殖业中，粪肥含盐量远大于养分量，当粪肥提供了满足作物所需的养分时，会引发土壤的次生盐渍化问题。因此，种植业与养殖业均出现盐分过量的情况形成“两头堵”的局面，严重限制畜禽粪肥还田利用，不利于区域种养循环发展。

3.2　减少土壤盐分残留，保障土壤健康

在实际生产中，农户施用大量粪肥以保证蔬菜品质，而次生盐渍化已经成为土壤主要障碍因子。结合情景分析结果（图4和图5）可知，治理设施菜地土壤盐渍化，保障粪肥长期安全施用，是未来蔬菜种植的重要任务。淋洗排盐和暗管排水技术能有效降低土壤盐分残留率。Qian等^［24］在上海郊区6个设施菜地试验发现，土壤洗盐可以带走0~20 cm土层中约35%的盐分；叶素飞等^［25］在无锡市现代农业生态园实验发现，应用暗管排水后，0~20 cm土层土壤电导率值下降39.7%~50.9%。在农艺措施方面，可采用深耕改善土壤通透性，促进盐分向下移动，减弱毛管作用^［26］。除此之外，也可以利用植物渗透保护剂来进一步增强植物对NaCl的抗逆性^［27］。

本研究尝试运用土壤盐分积累模型，估算了9个省份的畜禽粪便设施菜地承载力。畜禽粪肥虽是设施菜地盐渍化的主要原因，但还存在设施环境温湿度、蔬菜栽培措施等多因素影响。因此，未来还需要根据理论研究与试验数据，拓展承载力模型，将更多影响因素纳入计算，使研究结果更加全面与准确。

4　结 论

本研究构建了面向次生盐渍化防控的畜禽粪便设施菜地承载力模型，估算了云南、上海、江苏、陕西、甘肃、宁夏、山东、河北和辽宁的设施菜地的畜禽粪便设施菜地承载力，得到以下结论：

1）所研究的9个省份每hm²设施菜地可承载的生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡数量分别为8.6~153.7 头、0.4~4.1 头、0.6~11.4 头、8.5~162.5 羽和58.8~1 107.5 羽。从省份角度看，每hm²设施菜地可承载的生猪量依次为：甘肃（153.7 头）>陕西（148.1 头）>云南（119.3 头）>江苏（68.0 头）>辽宁（63.9 头）>河北（47.9 头）>上海（42.7 头）>宁夏（17.5 头）>山东（8.6 头）。奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡的设施菜地承载力结果排序与生猪的一致。

2）以云南省生猪为例，随着达到土壤含盐量阈值所需时间增加，畜禽粪便设施菜地承载力从238.6 头/hm²下降至29.8 头/hm²，下降约88%。随着土壤盐分残留率的减少，畜禽粪便设施菜地承载力从119.3 头/hm²上升至517.0 头/hm²，增加约333%。

3）所研究的9个省份设施菜地土壤和畜禽粪肥含盐量较高，已经限制了畜禽粪肥还田利用与设施菜地承载力。建议推广淋洗排盐、暗管排水或深耕技术，以降低土壤盐分残留，实现设施菜地健康可持续发展。

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基金资助

自然资源部生态地球化学重点实验室开放基金项目(ZSDHJJ202203)

“天山英才”培养计划(2022TSYCLJ0050)

农业科技创新稳定支持项目(xjnkywdzc-2023005-1)

农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室开放基金(XBLZ-20225)