武漢城市圈畜禽糞便資源量及養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的潛在影響
——以天門市為例

沈體忠，劉佑林，雷代英 王業(yè)鵬 ，蔣雙林，陶齊成

(湖北省天門市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，湖北 天門 431700

甘建軍，彭碧銀

(湖北省天門市農(nóng)業(yè)局，湖北 天門 431700)

武漢城市圈畜禽糞便資源量及養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的潛在影響
——以天門市為例

沈體忠，劉佑林，雷代英 王業(yè)鵬 ，蔣雙林，陶齊成

(湖北省天門市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，湖北 天門 431700

甘建軍，彭碧銀

(湖北省天門市農(nóng)業(yè)局，湖北 天門 431700)

利用統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，估算了湖北省天門市畜禽糞便排放量與養(yǎng)分資源量，并分析了畜禽養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的潛在影響。結(jié)果表明，2006年天門市畜禽糞便排放量為1 437.917 kt，是當(dāng)年工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量的27.63倍；糞便中除含有194.082 kt有機(jī)質(zhì)外，還含有10.430 kt N、6.572 kt P2O5和10.046 kt K2O等營養(yǎng)元素；分析發(fā)現(xiàn)，除單位耕地面積糞肥N與P2O5平均承載量99.26 kg·hm-2和62.53kg·hm-2對環(huán)境暫未構(gòu)成污染威脅外，畜禽糞便中重金屬Zn、Cu、As對農(nóng)田污染較為突出，平均污染負(fù)荷量分別為3.019、1.738、0.223 kg·hm-2；流失于水體的主要有機(jī)污染物BOD5、CODcr、NH3-N、TP、TN負(fù)荷量分別為11.048、12.121、1.096、0.908 kt和2.580 kt，其中CODcr、NH3-N對水體的污染水平為當(dāng)年工業(yè)和生活污染總水平的70.87%、74.36%；向大氣排放的CH4為4.742 Gg，NH3為5.061 kt，其污染負(fù)荷比高達(dá)30.06%和46.34%，可見畜禽養(yǎng)殖業(yè)已對天門市土壤、水體和大氣造成了較大的污染。

畜禽養(yǎng)殖；糞便；養(yǎng)分；環(huán)境；影響

自20世紀(jì)80年代以來，我國畜牧業(yè)一直保持著快速增長的發(fā)展態(tài)勢，特別是在“九五”以來國家實(shí)施的“菜藍(lán)子”工程的推動下，我國肉類總產(chǎn)量以每年10%的速率增長，奶類和禽蛋產(chǎn)量的增長速率也在10%以上，繼1986年禽蛋產(chǎn)量和1991年的肉類總產(chǎn)量首次超過美國之后，連續(xù)數(shù)年保持世界第一[1]。到2003年底，我國的肉類總產(chǎn)量達(dá)到6 932.9萬t，禽蛋2 606.7萬t，奶類1 848.6萬t。畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展不但滿足了我國城鄉(xiāng)肉、蛋、奶的供應(yīng)，同時(shí)也成為農(nóng)民增收的重要來源。但與此同時(shí)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變所帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，這不僅影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且還危及生態(tài)安全，已成為人們普遍關(guān)注的社會問題[2，3]。

湖北省天門市屬武漢城市圈中的一員，是我國首批“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)”之一。本研究在收集國內(nèi)相關(guān)研究資料和確定天門市畜禽糞便排放系數(shù)、養(yǎng)分含量系數(shù)、有機(jī)污染物與重金屬含量系數(shù)、糞便流失比例以及CH4和NH3排放因子等參數(shù)的基礎(chǔ)上，估算了天門市2006年度畜禽糞便排放量和養(yǎng)分資源量，并分析了畜禽養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的潛在影響，以期為天門市制定畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)劃和“兩型社會”建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與說明

本研究采用的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的數(shù)據(jù)全部來源于《天門統(tǒng)計(jì)年鑒·2006》公布的統(tǒng)計(jì)資料。因從農(nóng)業(yè)年鑒中收集到的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量一般包括出欄(籠)和存欄(籠)2部分，而各類畜禽生長期不一樣，且出欄(籠)與存欄(籠)比例存在一定差距，故根據(jù)各類畜禽的生長周期分別確定其飼養(yǎng)量。

天門市主要養(yǎng)殖用作畜役的水牛和黃牛，因牛生長期長，一般當(dāng)年不出欄，其年末存欄數(shù)可代表當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量；豬的平均飼養(yǎng)周期一般為180 d，因此豬的飼養(yǎng)數(shù)量就是當(dāng)年的出欄數(shù)；羊的生長期一般長于1 a，且飼養(yǎng)量少，因此采用年未存欄數(shù)作為當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量；雞、鴨以養(yǎng)殖蛋雞、蛋鴨為主，一般當(dāng)年不出籠，各自的年末存籠數(shù)即可視為當(dāng)年飼養(yǎng)數(shù)量；鵝的生長期一般為210 d[4]，以當(dāng)年出籠數(shù)計(jì)為當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量。

依據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可得出，2006年天門市共飼養(yǎng)牛54 921頭，豬573 398頭，羊3 406頭，雞525.4萬只，鴨113.87萬只，鵝5.32萬只。

1.2 計(jì)算參數(shù)

(1)畜禽糞便排泄系數(shù) 畜禽的糞便排泄系數(shù)是指單個(gè)動物每天排出糞便的數(shù)量，它與動物的種類、品種、性別、生長期、喂養(yǎng)飼料甚至天氣條件等諸多因素有關(guān)[5]。目前我國尚沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，本研究各類畜禽糞便的排泄系數(shù)采用文獻(xiàn)[6]的數(shù)據(jù)。

(2)畜禽糞便養(yǎng)分含量與污染物含量系數(shù) 畜禽新鮮糞便養(yǎng)分及污染物含量系數(shù)，除羊、鵝糞便的養(yǎng)分含量采用文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)外，其余均采用文獻(xiàn)[8]的數(shù)據(jù)。由于文獻(xiàn)[8]中沒有鵝糞的污染物含量數(shù)據(jù)，故用鴨糞的污染物含量數(shù)據(jù)代替。

(3)畜禽糞便重金屬含量系數(shù) 采用文獻(xiàn)[9]的平均數(shù)據(jù)。

(4)畜禽糞便進(jìn)入水體的比例 畜禽糞便一般通過2種途徑進(jìn)入水體：一是在飼養(yǎng)過程中直接排放進(jìn)入水環(huán)境；二是在堆放儲存過程中因降雨和其它原因進(jìn)入水體[5]。據(jù)國家環(huán)?？偩帜暇┉h(huán)科所(1997)對畜禽養(yǎng)殖場糞便流失情況的研究看，畜禽糞便污染物進(jìn)入水體的流失率糞量保持在2%～8%的水平上，而液體排泄物則可能達(dá)到50%。另據(jù)上海市對集約化畜禽養(yǎng)殖場污染情況進(jìn)行的調(diào)查表明，畜禽糞便進(jìn)入水體的流失率甚至可達(dá)到25%～30%[8]。這是在圈養(yǎng)條件下調(diào)查的數(shù)據(jù)，而天門市除生豬采取圈養(yǎng)外，其它畜禽均以散養(yǎng)為主，其流失率可能還要高。目前，我國還沒有權(quán)威部門發(fā)布的不同管理水平下畜禽糞便進(jìn)入水體的參數(shù)，所以綜合考慮以上因素，天門市畜禽糞便流失率采用30%。

(5)畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4排放因子 反芻牲畜與畜禽糞便CH4排放因子采用文獻(xiàn)[10]的數(shù)據(jù)。

(6)畜禽糞便NH3排放因子 采用文獻(xiàn)[11]的數(shù)據(jù)。

1.3 計(jì)算方法

根據(jù)前述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)，本研究采用下述公式計(jì)算以下各指標(biāo)。

畜禽糞便排放量=飼養(yǎng)量×日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)周期；

畜禽糞便養(yǎng)分或污染物排放量=畜禽糞便排放量×畜禽糞便養(yǎng)分或污染物含量系數(shù)；

畜禽糞便養(yǎng)分耕地承載量=畜禽糞便養(yǎng)分排放量/耕地面積；

畜禽糞便重金屬排放量=畜禽糞便排放量×重金屬含量系數(shù)；

畜禽糞便重金屬耕地負(fù)荷量=畜禽糞便重金屬排放量/耕地面積；

畜禽糞便污染物進(jìn)入水體負(fù)荷量=畜禽糞便污染物排放量×進(jìn)入水體比例；

CH4或NH3排放量=飼養(yǎng)量×CH4或NH3排放因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞便年排放量

畜禽糞便污染不僅是畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)面臨的嚴(yán)重問題，也是畜牧業(yè)發(fā)展中地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題[5]。由表1可以看出， 2006年，天門市畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的糞便總量為1 437.917 kt，其中糞量為896.857 kt，尿液為541.060 kt。當(dāng)年天門市工業(yè)行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物為52.034 kt，畜禽糞便排放量則是當(dāng)年工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量的27.63倍，已成為天門市農(nóng)村面源污染的主要來源之一。從不同畜禽種類年糞便排放量看，牛的排放量最大，占總排放量的41.82%；其次是豬和家禽，分別占38.04%和19.91%；羊最少，僅占0.23%。其中，牛和豬年糞便排放量之和占總排放量的79.86%，表明這2種牲畜既是糞便資源貢獻(xiàn)大戶，也是環(huán)境污染大戶。

表1 2006年天門市畜禽糞便排放量Table 1 Emissions of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

表2 2006年天門市畜禽糞便養(yǎng)分資源量Table 2 Nutrition resource amount of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

2.2 畜禽糞便養(yǎng)分資源量

畜禽糞便中除含有大量的有機(jī)物外，還含有豐富的N、P、K以及其它植物生長所需的營養(yǎng)元素，是生物重要的養(yǎng)分資源。數(shù)千年來，我國一直將畜禽糞便作為培養(yǎng)和提高土壤肥力的重要肥源。2006年，天門市畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)、N、P2O5、K2O等養(yǎng)分資源量分別為194.082、10.430、6.572、10.046 kt(表2)，分別相當(dāng)于22.674 kt尿素、54.767 kt過磷酸鈣和20.092 kt硫酸鉀中N、P、K的養(yǎng)分含量?？梢娦笄菁S便是天門市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種重要肥料資源。

2.3 畜禽養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的潛在影響

(1)畜禽糞便N、P養(yǎng)分單位耕地面積承載量 目前，畜禽糞便處理的主要出路是作為有機(jī)肥料還田，國外許多發(fā)達(dá)國家也將農(nóng)田作為畜禽糞便的負(fù)載場所加以消化。其單位耕地面積上畜禽糞便N、P養(yǎng)分的承載量，可以科學(xué)而又客觀地反映各地畜禽飼養(yǎng)是否過密、畜禽糞便是否過載以及對環(huán)境是否構(gòu)成污染威脅等問題。朱兆良[12]的研究表明，大面積化肥年施N量應(yīng)控制在150～180 kg·hm-2，超過這一水平就會引起環(huán)境污染。糞肥年施N量與土壤質(zhì)地、肥力和氣候等自然條件有關(guān)，綜合考慮這些影響因素，歐盟的農(nóng)業(yè)政策規(guī)定，糞肥年施N量的限量標(biāo)準(zhǔn)為170 kg·hm-2，研究表明，超過這個(gè)極限值將會帶來硝酸鹽的淋洗[13]。而P在土壤中的移動性較差，易在土壤中累積。因此評價(jià)糞肥P養(yǎng)分對環(huán)境的潛在影響時(shí)，既要考慮糞肥P養(yǎng)分的施用量，也要兼顧土壤的供P水平[4]。一般農(nóng)田年糞肥P2O5施用量不能超過80 kg/hm2[14]，過量的P會通過土壤的淋洗而進(jìn)入地表徑流造成水體的富營養(yǎng)化[15]。本研究結(jié)果表明，2006年，天門市單位耕地面積畜禽糞肥N與P2O5養(yǎng)分承載量分別為99.26 kg/hm2、62.53 kg/hm2，未超過環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)值，對環(huán)境暫未構(gòu)成污染威脅。但考慮到區(qū)域內(nèi)畜禽糞便排放空間上的不均衡性，畜禽糞便在一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)可能存在著N、P的污染問題。

表3 2006天門市畜禽糞便重金屬排放量與農(nóng)田污染負(fù)荷量Table 3 Heavy metal emission and field waste loading amount of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

表4 2006年天門市畜禽糞便有機(jī)污染物含量Table 4 Organic waste content of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

(2)糞便中重金屬農(nóng)田污染負(fù)荷量 為了提高飼喂畜禽的生長速率、增強(qiáng)其抗病能力，現(xiàn)在的畜禽飼料中通常都含有一定量的Cu、As、Zn等微量元素和一些藥物添加劑。這些添加劑中的重金屬隨著糞便排出體外，也會對環(huán)境產(chǎn)生一定威脅[16]。目前，天門市主要在豬、雞、鴨飼養(yǎng)上喂食配合飼料，其中又以生豬和雞喂食較為普遍。按照豬糞和雞糞中重金屬含量系數(shù)[9]和當(dāng)?shù)馗孛娣e，對天門市農(nóng)田污染負(fù)荷量進(jìn)行了估算，結(jié)果見表3。由表3已知，畜禽糞便中的Zn、Cu、As對農(nóng)田污染較為突出，其單位耕地面積平均污染負(fù)荷量分別為3.019、1.738、0.223 kg·hm-2。從農(nóng)田重金屬外來污染源看，除Zn、Cu外，畜禽糞便中的As已成為天門市農(nóng)田主要外來污染源。

(3)糞便流失有機(jī)污染物進(jìn)入水體的負(fù)荷量 畜禽糞便中除含有豐富的營養(yǎng)元素外，還含有極其龐雜的有機(jī)污染物(表4)。按畜禽糞便流失率30%計(jì)算，2006年，天門市畜禽糞便中主要有機(jī)污染物流失污染負(fù)荷量BOD5為11.048 kt，CODcr為12.121 kt，NH3-N為1.096 kt，TP為0.908 kt，TN為2.580 kt。天門市環(huán)境公報(bào)顯示，2006年工業(yè)廢水和生活污水中CODcr、NH3-N排放量分別為17.102 kt和1.474 kt。則畜禽養(yǎng)殖業(yè)流失于水體的CODcr和NH3-N對水體的污染水平為工業(yè)和生活污染總水平的70.87%和74.36%。由此可見，畜禽糞便流失不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且還帶來環(huán)境污染，成為造成許多江河湖泊CODcr、TN、TP等主要污染物指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)和水體富營養(yǎng)化的重要原因[17]。

(4)反芻牲畜及畜禽糞便CH4排放量 大氣中CH4是僅次于CO2的第二大溫室氣體，在全球氣候變暖中的效應(yīng)占15%。在這15%的貢獻(xiàn)率中，畜禽養(yǎng)殖年釋放的CH4約占大氣中CH4的1/5[18]。根據(jù)張仁健等[10]編制的CH4排放目錄清單與排放因子，對天門市畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4排放量進(jìn)行了估算，結(jié)果如表5所示。

表5 2006年天門市畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4、NH3排放量Table 5 CH4 and NH3 emissions of livestock breeding in Tianmen City in 2006

反芻動物CH4是動物攝入食物中的有機(jī)物在瘤胃內(nèi)厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生的[19]。由表5已知，2006年全市畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4排放總量為4.742 Gg，其中反芻牲畜牛、羊CH4排放量為2.837 Gg，占排放總量的59.83%，畜禽糞便CH4排放量為1.905 Gg，占40.17%。從畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)看，牛的排放量最大，占整個(gè)畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4排放總量的60.59%，其次為豬，占36.88%，而家禽與羊僅分別占2.17%和0.36%。從區(qū)域內(nèi)大氣中不同污染源負(fù)荷量看(表6)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的CH4占大氣污染負(fù)荷總量的負(fù)荷比為30.06%，為天門市溫室氣體CH4的主要排放源之一。

表6 2006年天門市大氣CH4、NH3污染負(fù)荷量與負(fù)荷比Table 6 Waste loading amount and loading ratio of CH4 and NH3 in atmosphere in Tianmen City in 2006

(5)畜禽糞便NH3排放量 畜禽糞便是NH3的重要排放源，當(dāng)糞便中大量NH3逸散到大氣中，使空氣NH3量增加，嚴(yán)重時(shí)形成酸雨[20]。研究表明，由NH3轉(zhuǎn)化生成的銨鹽進(jìn)入土壤后，在微生物的作用下可氧化生成酸使土壤酸化[11]，而進(jìn)入地表水體的NH3又會增加水體富營養(yǎng)化[21]。采用孫慶瑞等[11]的畜禽糞便NH3排放因子，估算天門市畜禽糞便NH3的排放量，結(jié)果見表5。由表5可知，2006年天門市畜禽糞便向大氣排放的NH3為5.061 kt，排放密度為1.97 t/(km2·a)，是福建九龍江流域(2001)的2.01倍[20]。同時(shí)，本研究還對氮肥使用、人糞尿等人為源NH3排放量進(jìn)行了估算。結(jié)果表明，畜禽糞便NH3排放量超過氮肥使用和人糞尿污染源，其污染負(fù)荷比高達(dá)46.34%，比氮肥使用和人糞尿污染源的負(fù)荷比分別超過11.98個(gè)百分點(diǎn)和27.04個(gè)百分點(diǎn)(表6)，已成為天門市大氣人為源NH3的主要來源。

3 討論與結(jié)論

(1)改革開放以來，隨著人們生活水平的提高，天門市畜牧業(yè)生產(chǎn)得到了快速發(fā)展，畜禽糞便資源排放量也隨之不斷增長。2006年天門市畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的糞便總量為1 437.917 kt，相當(dāng)于22.674 kt尿素，54.767 kt過磷酸鈣和20.092 kt硫酸鉀的養(yǎng)分含量。目前，天門市畜禽糞便的主要出路是作為有機(jī)肥料直接還田，2006年單位耕地面積N與P2O5平均承載量分別為99.26 kg/hm2和62.53 kg/hm2，對環(huán)境暫未構(gòu)成污染威脅。但P2O5對環(huán)境的脅迫水平已達(dá)到0.78，故今后在制定區(qū)域畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)劃時(shí)，應(yīng)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，按農(nóng)田對P2O5的消納容量以土地定養(yǎng)殖規(guī)模，防止盲目擴(kuò)張養(yǎng)殖規(guī)模，導(dǎo)致以破壞生態(tài)環(huán)境為代價(jià)換取暫時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(3)畜禽糞便可通過水的作用而流失，畜禽糞便在露天堆放及清糞沖洗過程中極易進(jìn)入水體，具有較高的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本研究糞便流失率以30%計(jì)，2006年畜禽糞便進(jìn)入水體的主要有機(jī)污染物BOD5、CODcr、NH3-N、TP、TN分別為11.048、12.121、1.096、0.908和2.580 kt。其中CODcr、NH3-N對水體的污染水平為當(dāng)年工業(yè)和生活污染總水平的70.87%和74.36%，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染已成為水體污染的重要因素。如對其不加以監(jiān)管并進(jìn)行合理處置，將對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，從天門市畜禽糞便資源綜合管理角度考慮，當(dāng)前應(yīng)重點(diǎn)將養(yǎng)殖場水沖式清糞工藝改為干清糞工藝，減少糞污產(chǎn)生量和排放量，并修建與養(yǎng)殖規(guī)模相適應(yīng)的氧化塘進(jìn)行污水凈化。同時(shí)，強(qiáng)化畜禽糞便資源化利用，如大力發(fā)展豬——沼——果(菜、糧)，生產(chǎn)生物有機(jī)肥和再生飼料等，走出一條具有天門特色的環(huán)境友好型畜牧業(yè)發(fā)展道路。

(4)畜禽養(yǎng)殖業(yè)向大氣排放的CH4和NH3對環(huán)境的污染不應(yīng)忽視。本研究結(jié)果表明，2006年畜禽養(yǎng)殖業(yè)向大氣排放的CH4為4.742 Gg，NH3為5.061 kt，其污染負(fù)荷比高達(dá)30.06%和46.34%，對大氣環(huán)境已造成了潛在的影響。按目前天門市畜牧業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析，未來幾年內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4和NH3排放量將呈增長趨。因此，要從實(shí)際出發(fā)，在源頭控制和糞便處理等環(huán)節(jié)上，建立減緩畜禽養(yǎng)殖業(yè)CH4和NH3排放的技術(shù)體系，如在反芻動物飼料中補(bǔ)充尿素/糖密舔磚、過瘤蛋白和秸稈氨化、秸稈粉碎及顆?；痆19]；豬、家禽在配合日糧的基礎(chǔ)上添加合成氨基酸、酶制劑、絲蘭屬提取物[1]以及畜禽糞便無害化處理等，并加大實(shí)施力度，切實(shí)解決畜禽養(yǎng)殖業(yè)對大氣環(huán)境的污染問題。

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2009-06-16

沈體忠(1950-)，男，湖北天門市人，高級農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)工作.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2009.03.021

X322;X508

A

1673-1409(2009)03-S070-05