河南省畜禽糞便污染及耕地負(fù)荷時(shí)空變化特征分析

李冬梅，姜翠玲，孫敏華

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

近年來(lái)，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，畜禽糞便排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。根據(jù)2010年《第一次全國(guó)污染源普查報(bào)告》，畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放的化學(xué)需氧量、氮、磷分別占全國(guó)所有污染物排放的化學(xué)需氧量、氮、磷的 41.9%、21.7%和37.9%［1］，畜禽養(yǎng)殖污染已成為最主要的農(nóng)業(yè)污染源。關(guān)于畜禽糞便污染物的研究已有很多報(bào)道，Provolo［2］等以單位面積氮元素負(fù)荷為指標(biāo)，結(jié)合GIS分析評(píng)價(jià)糞肥管理措施;Basnet等［3］以 Westbrook子流域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了區(qū)域內(nèi)土地對(duì)畜禽糞便的承載力;彭里等［4］通過(guò)對(duì)重慶市畜禽養(yǎng)殖業(yè)的調(diào)查，確定了重慶市畜禽糞便年排放量估算方法和估算參數(shù);李帷等［5］通過(guò)對(duì)東北3省畜禽養(yǎng)豬數(shù)量、結(jié)構(gòu)及空間布局的時(shí)空分析，評(píng)價(jià)了畜禽糞便中氮、磷養(yǎng)分對(duì)環(huán)境的影響和污染風(fēng)險(xiǎn)。另外，相關(guān)國(guó)家在養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模、養(yǎng)殖場(chǎng)選址以及糞肥的農(nóng)田施用量和施用時(shí)間等提出了各項(xiàng)規(guī)定。

河南省是全國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)大省，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染已嚴(yán)重影響河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境［6］。因此，本文基于河南省2006年～2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用畜禽糞便排泄系數(shù)法對(duì)河南省畜禽糞便的排放量及其主要污染物的產(chǎn)生量進(jìn)行了量化、系統(tǒng)評(píng)估，從不同年限、不同區(qū)域、不同畜禽3個(gè)方面分析了河南省畜禽糞便排放的時(shí)間變化特征;結(jié)合GIS分析耕地糞便負(fù)荷量;運(yùn)用畜禽糞便承載預(yù)警值對(duì)河南省畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期為今后政府明確養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向，因地制宜的從政策管理和技術(shù)兩方面提出畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理防治措施提供了基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中河南省各市的畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)量、耕地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于2006年～2013年河南省統(tǒng)計(jì)年鑒，數(shù)據(jù)的截至?xí)r間為2012年底。搜集的數(shù)據(jù)包括牛、豬、羊以及家禽的年末存欄量和當(dāng)年出欄量?jī)刹糠帧?/p>

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽養(yǎng)殖糞便養(yǎng)分總量計(jì)算

畜禽年度糞便養(yǎng)分總量計(jì)算公式:

式中:Q—年度糞便養(yǎng)分總量 (萬(wàn)t);N—飼養(yǎng)量 (萬(wàn)頭或只);T—飼養(yǎng)期 (d);K—畜禽排便系數(shù)［kg/(頭或只·d)］;F—畜禽糞便養(yǎng)分含量 (%)。

在進(jìn)行飼養(yǎng)期估算時(shí)，存欄數(shù)的飼養(yǎng)期按365d計(jì)算。出欄數(shù)的飼養(yǎng)期按照國(guó)內(nèi)外資料確定，豬為 199d，牛為 300d，羊?yàn)?180d，家禽為 210d［7，8］。畜禽排便系數(shù)和糞便養(yǎng)分含量參照廖詩(shī)英［9］等人確定的河南省各類畜禽糞便排泄系數(shù)和養(yǎng)分含量，詳見(jiàn)表1和表2。

表2 河南省畜禽糞便養(yǎng)分含量［9］Tab.2 The nutrient content of PLE (%)

1.2.2 耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警值計(jì)算

農(nóng)田畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警值計(jì)算公式為:

式中:r—畜禽糞便負(fù)荷警報(bào)值，即污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);q—畜禽糞便負(fù)荷量 (t/hm2);p—有機(jī)肥最大理論適宜施用量 (45 t/hm2)［10］。畜禽糞便警報(bào)值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3，可見(jiàn)，隨著警報(bào)值的不斷增大，畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成威脅的可能性就越大。

表3 畜禽糞便警報(bào)值分級(jí)［11］Tab.3 Alarm value classification of PLE

農(nóng)田畜禽糞便負(fù)荷量的大小可以間接衡量各地區(qū)畜禽飼養(yǎng)密度及其養(yǎng)殖業(yè)分布的合理性。不同類型的畜禽糞便，其養(yǎng)分差異較大，故其農(nóng)田消耗量(或施用量)也有較大差異。為此，本研究將各類型畜禽糞便量統(tǒng)一折算成豬糞當(dāng)量，再疊加成豬糞總量［12］，從而用可比性較強(qiáng)又符合實(shí)際的畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷來(lái)統(tǒng)計(jì)河南省各市畜禽糞便負(fù)荷量。因此，畜禽糞便負(fù)荷量q的計(jì)算公式為:

式中:Q—年度糞便養(yǎng)分總量 (萬(wàn)t);C—豬糞當(dāng)量換算系數(shù) (表4);A—耕地面積 (萬(wàn)hm2)。

表4 各類畜禽糞便換算豬糞當(dāng)量換算系數(shù)Tab.4 Conversion factors of PLE

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省畜禽糞便總量估算

根據(jù)公式 (1)計(jì)算出，2006年～2012年河南省畜禽養(yǎng)殖排放的糞便量為25910～34416萬(wàn)噸，平均28627萬(wàn)噸。從不同畜禽種類年糞便排放量(圖1)來(lái)看，豬的排放量最大，占總排放量的44.6% ～55.5%，其次是牛和家禽，羊最少。主要原因是糞便的排放量取決于飼養(yǎng)期、飼養(yǎng)量和糞便排放系數(shù)，由河南省統(tǒng)計(jì)年鑒可知，家禽的飼養(yǎng)量最大，其次是豬和羊，牛的飼養(yǎng)量最少，但是豬和牛的糞便排放系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于家禽和羊，且羊的飼養(yǎng)期最短，因此，河南省畜禽糞便排放量為豬＞牛＞家禽＞羊。

目前，我國(guó)大部分畜禽養(yǎng)殖糞便是作為肥料直接還田，糞便中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物能培肥土壤，有助于作物的生長(zhǎng)，但若施入的糞便量過(guò)大，超出耕地環(huán)境的消化能力，就會(huì)引起土壤板結(jié)，土壤容重增加等一系列問(wèn)題［13］。2006年～2012年河南省畜禽養(yǎng)殖糞便中氮、磷、鉀的含量分別為116.14 ～160.49萬(wàn)噸、34.10 ～45.18 萬(wàn)噸、84.64～115.64萬(wàn)噸。從2006年～2012年，糞便中氮、磷、鉀的含量總體上呈下降趨勢(shì) (圖2)，至2012年，氮、磷、鉀分別下降了 21.8%、15.6% 和21.8%。未來(lái)幾年，河南省畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和方式不會(huì)發(fā)生較大改變，因此，畜禽養(yǎng)殖糞便排放量不會(huì)發(fā)生較大變化，按2012年河南省有效耕地面積7202.2千hm2來(lái)算，河南省耕地畜禽糞便氮負(fù)荷量約為174kg/hm2。根據(jù)歐盟的農(nóng)業(yè)政策規(guī)定，糞肥年施氮量的限量標(biāo)準(zhǔn)為170kg/hm2，超過(guò)這個(gè)限量標(biāo)準(zhǔn)將極易會(huì)對(duì)農(nóng)田和水環(huán)境造成污染［14］。因此，在未來(lái)幾年，若向農(nóng)田中仍施入目前的糞便量，將會(huì)對(duì)農(nóng)田以及河南省的水環(huán)境造成污染。

圖1 2006年～2012年河南省畜禽糞便排放總量變化Fig.1 Variation amount of PLE in Henan province from 2006 to 2012

圖2 2006年～2012年河南省畜禽糞便養(yǎng)分總量變化Fig.2 Total nutrient variation of PLE in Henan province from 2006 to 2012

2.2 河南省各市耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警分析

2.2.1 河南省各市耕地畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷量估算

圖3 2006年～2012年河南省各市耕地畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷量空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of average PLE equivalent load of cities’farmland in Henan province from 2006 to 2012

河南省經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2006年～2012年河南省平均耕地畜禽糞便負(fù)荷量有逐年減少的趨勢(shì)，但不同市單位面積耕地糞便負(fù)荷量變化趨勢(shì)相差較大。鶴壁市單位耕地面積畜禽糞便負(fù)荷量表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，于2012年達(dá)到最大值59t/hm2，主要是因?yàn)?012年鶴壁市家禽的飼養(yǎng)量增加了34.9%;而南陽(yáng)市、周口市、洛陽(yáng)市等市表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，其中2012年南陽(yáng)市、周口市、洛陽(yáng)市單位耕地面積糞便負(fù)荷量比2006年分別減少了47%、29%和36%。這種變化主要是與這些城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化而導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖量明顯減少有關(guān)。

由圖3可知，河南省耕地畜禽糞便負(fù)荷量在區(qū)域分布上有較大差異。鶴壁市、平頂山市、漯河市和焦作市耕地畜禽糞便負(fù)荷量最大，尤其是鶴壁市，平均負(fù)荷量高達(dá)51t/hm2，其次是平頂山市，負(fù)荷量為43t/hm2，安陽(yáng)市耕地畜禽糞便負(fù)荷量最小，僅22t/hm2，鄭州市、信陽(yáng)市和周口市耕地畜禽糞便負(fù)荷量較少，平均為27t/hm2。鶴壁市有效耕地資源數(shù)量極少是其耕地畜禽糞便負(fù)荷量最高的重要原因。

2.2.2 河南省各市耕地畜禽糞便污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

畜禽糞便負(fù)荷量的大小能反應(yīng)地區(qū)畜禽飼養(yǎng)規(guī)模以及養(yǎng)殖業(yè)布局是否合理，但是不能較好反映出一個(gè)地區(qū)畜禽糞便是否過(guò)載以及對(duì)環(huán)境是否構(gòu)成威脅。因此，為了更全面分析河南省畜禽糞便對(duì)環(huán)境的污染威脅程度，對(duì)河南省2006年～2012年18個(gè)市耕地畜禽糞便負(fù)荷量承受程度進(jìn)行了預(yù)警分析，耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警值與預(yù)警級(jí)別見(jiàn)表5。

表5 2006年～2012年河南省各市耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警值與預(yù)警級(jí)別Tab.5 Warning value and level of PLE load of cities’farmland in Henan province from2006 to 2012

預(yù)警分析結(jié)果表明，河南省耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警級(jí)別在Ⅰ級(jí)與Ⅳ級(jí)之間，說(shuō)明河南省耕地受到不同程度的污染威脅。其中鶴壁市畜禽糞便污染風(fēng)險(xiǎn)最大，7年的平均預(yù)警級(jí)別在Ⅲ級(jí)以上。2006年耕地畜禽糞便對(duì)環(huán)境污染威脅程度最高，其中平頂山、鶴壁、南陽(yáng)等市畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警級(jí)別均達(dá)到Ⅳ級(jí);而2010年和2011年威脅程度最低，全省平均負(fù)荷預(yù)警級(jí)別為Ⅱ級(jí)。從區(qū)域分布來(lái)看，污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的地市主要是鶴壁市、漯河市、焦作市、平頂山市等，而鄭州、安陽(yáng)、周口等市多處于稍有污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。河南省2006年～2012年地表水環(huán)境質(zhì)量報(bào)告顯示，黑河、八里河、衛(wèi)河、蟒河等河流水質(zhì)污染嚴(yán)重，而這些河道正處于畜禽糞便污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的地區(qū)。因此，加強(qiáng)該地區(qū)畜禽糞便風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)督和管理，同時(shí)提高畜禽糞便的處理能力，以緩解并解決因畜禽糞便超負(fù)荷所造成水環(huán)境污染。

3 結(jié)論

3.1 2006年～2012年河南省畜禽糞便平均年產(chǎn)量為28627萬(wàn)噸，主要來(lái)源于牛和豬。2種畜禽糞便年產(chǎn)生量之和占畜禽糞便總產(chǎn)生量84.5%以上，其中豬的貢獻(xiàn)率最大，約占50.7%，且逐年增加，而牛的貢獻(xiàn)率逐年下降。

3.2 2006年～2012年河南省畜禽糞便中氮、磷、鉀養(yǎng)分的含量分別為116.14～160.49萬(wàn)噸、34.10～45.18萬(wàn)噸、84.64～115.64萬(wàn)噸，糞便作為肥料還田將對(duì)河南省的水環(huán)境造成污染。

3.3 各市單位面積耕地糞便負(fù)荷量差異較大，其中，鶴壁、平頂山、漯河、焦作等市負(fù)荷量較大，尤其是鶴壁市，負(fù)荷量最高達(dá)59t/hm2，且表現(xiàn)為增加的趨勢(shì);安陽(yáng)、鄭州、信陽(yáng)、周口等市負(fù)荷量相對(duì)較小。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，河南省耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警級(jí)別在Ⅱ級(jí)與Ⅳ級(jí)之間，污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的地市主要集中在漯河、平頂山、鶴壁、焦作等市。

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