清江流域畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷研究*

陳紹華 李 哲 吳逸雪 杜冬云

(中南民族大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北省重金屬廢水處理與回用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖帶來的污染已成為中國農(nóng)村面源污染的主要來源[1]。在一些地區(qū)，畜禽糞尿污染已超過居民生活、農(nóng)用化肥、鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)和餐飲業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。目前，中國畜禽糞尿年排放量超過40億t，是工業(yè)有機(jī)污染物的4.1倍[2]。畜禽糞尿最有效、最主要的處理處置方式是作為有機(jī)肥還田，但是過量施用畜禽糞尿會(huì)引起水體、土壤污染等一系列環(huán)境問題[3-4]。中央政府高度重視，提出要全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖污染防治，并將開展規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染減排納入國家“十二五”重點(diǎn)規(guī)劃[5]。畜禽養(yǎng)殖污染是造成許多重要水源地、江、河、湖嚴(yán)重污染的主要原因之一，已成為中國水源的主要污染威脅[6]。

關(guān)于區(qū)域畜禽糞尿排放量估算和環(huán)境效應(yīng)的研究，國內(nèi)外已有了相關(guān)報(bào)道。張玉珍等[7]對(duì)九龍江流域畜禽糞尿年排放量做了估算，并提出了相應(yīng)的防治對(duì)策。謝飛等[8]對(duì)江蘇省太湖地區(qū)畜禽業(yè)產(chǎn)排污進(jìn)行了測(cè)算，分析了污染物對(duì)水體的影響。朱梅等[9]建立畜禽養(yǎng)殖輸出系數(shù)模型，對(duì)海河流域畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷進(jìn)行了研究。王方浩等[10]等通過對(duì)畜禽糞尿年排放量的估算方法和畜禽糞尿排泄參數(shù)的確定，估算了中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞尿排放量，并對(duì)由此產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。目前，還沒有關(guān)于畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)清江流域耕地和水環(huán)境污染負(fù)荷的系統(tǒng)研究。為此，本研究以保護(hù)清江流域水環(huán)境、維系清江水資源為主要目的，分析和評(píng)價(jià)清江流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)耕地和水環(huán)境的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)榍褰饔颉Ｇ褰呛笔【硟?nèi)第二大長江支流，發(fā)源于湖北省利川市之齊岳山，流經(jīng)利川市、咸豐縣、恩施市、宣恩縣、建始縣、巴東縣、鶴峰縣、五峰縣、長陽縣、宜都市等10個(gè)縣市。清江流域是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，2013年流域人口308萬人，其中82%的居民主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)地區(qū)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)大區(qū)，養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。近年來，清江流域各縣市積極推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化適度規(guī)模養(yǎng)殖，2012年恩施市家庭農(nóng)(牧)場(chǎng)達(dá)20 000個(gè)，有部、省、縣標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖示范場(chǎng)近5 000個(gè)，其中恩施市、利川市、建始縣、巴東縣、咸豐縣、長陽縣和宜都市已成為國家生豬調(diào)出大縣市。

清江流域的畜禽養(yǎng)殖業(yè)大多都沒有建立糞污處理設(shè)施，多數(shù)污染物均直接或間接地沖刷進(jìn)入地表水環(huán)境，使得清江流域的水環(huán)境遭到了破壞，局部水體富營養(yǎng)化和主要污染物指標(biāo)超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成了越來越大的影響，畜禽養(yǎng)殖污染已成為清江流域最突出的環(huán)境問題。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)來源于《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》。清江流域范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)殖主要是生豬、牛、羊和家禽4種，本研究也主要考慮這4種畜禽養(yǎng)殖糞尿?qū)Νh(huán)境的影響。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 畜禽飼養(yǎng)周期

根據(jù)國家環(huán)保總局公布的畜禽飼養(yǎng)周期數(shù)據(jù)[11]以及文獻(xiàn)[12、13]，并結(jié)合在清江流域大量的實(shí)地調(diào)研，確定各種畜禽飼養(yǎng)周期。生豬飼養(yǎng)周期為199 d；牛和羊飼養(yǎng)周期較長，一般飼養(yǎng)周期按全年365 d計(jì)；家禽中蛋禽與肉禽的生長周期有較大差異，因此兩者需要分開計(jì)算，一般肉禽占2/3，蛋禽占1/3，肉、蛋禽飼養(yǎng)周期一般分別為55、365 d。

1.3.2 畜禽糞尿排泄系數(shù)

畜禽糞尿排泄系數(shù)與動(dòng)物種類、品種、性別、生長期、飼料、天氣狀況等有關(guān)，中國目前尚無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，本研究主要通過國內(nèi)同類研究[14]和對(duì)清江流域內(nèi)各類養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，得出各類畜禽糞尿排泄系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 各類畜禽糞尿排泄系數(shù)

1.3.3 畜禽糞尿排放量

畜禽糞尿排放量的計(jì)算目前主要有兩種[15]：一種是把各種畜禽的年末存欄量視為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的飼養(yǎng)量，采用式(1)計(jì)算；另一種是將各種畜禽的年出欄量視為飼養(yǎng)總量，采用式(2)計(jì)算。本研究主要采用式(2)計(jì)算清江流域畜禽糞尿排放量。

y=x1×x2×365

(1)

y=x3×x2×x4

(2)

式中：y為畜禽糞尿排放量，kg/a；x1為年末存欄量；x2為畜禽糞尿排泄系數(shù)，kg/d；x3為年出欄量，a-1；x4為飼養(yǎng)周期，d。

1.3.4 耕地畜禽糞尿負(fù)荷量

目前，國外許多發(fā)達(dá)國家將農(nóng)田耕地作為畜禽糞尿養(yǎng)分消化場(chǎng)所，清江流域畜禽糞尿處理處置的出路也主要作有機(jī)肥還田。不同類型糞尿，其肥效養(yǎng)分差異較大，根據(jù)各類畜禽糞尿的含氮量，將各種畜禽糞尿統(tǒng)一換算成豬糞當(dāng)量。因此，以當(dāng)年有效農(nóng)田耕地面積作為實(shí)際的負(fù)載面積來計(jì)算耕地畜禽糞尿負(fù)荷量，公式為：

(3)

式中：q為耕地畜禽糞尿負(fù)荷量，t/hm2；Q為各類畜禽糞尿相當(dāng)?shù)呢i糞當(dāng)量，t；S為有效耕地面積，hm2；X為某類畜禽糞尿排放量，t；T為某類畜禽糞尿換算成豬糞當(dāng)量的換算系數(shù)。

畜禽糞尿作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的肥料還田使用，如果糞肥供給的養(yǎng)分超出當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量所需會(huì)使周邊水體受到污染。一般認(rèn)為，每公頃土地能夠負(fù)荷的畜禽糞尿在30～45 t左右[16]，如果高出這一水平，就會(huì)帶來土壤的富營養(yǎng)化，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。預(yù)警值的計(jì)算公式為：

(4)

式中：R為預(yù)警值；P為最大理論適用量，t/hm2，本研究取P=37.5 t/hm2。

1.3.5 污染物排放量

污染物排放量以式(5)計(jì)算。

A=y×D×10-3

(5)

式中：A為糞尿中污染物排放量，kg/a；D為糞尿中污染物平均質(zhì)量濃度，kg/t，糞尿換算成鮮糞尿計(jì)。

1.3.6 污染物對(duì)水體污染的評(píng)價(jià)

畜禽糞尿堆放及清糞沖洗極易使其中的污染物流失進(jìn)入水體中，為了弄清畜禽養(yǎng)殖污染物對(duì)水體的影響，引入等標(biāo)排放量的評(píng)價(jià)方法，它主要反映污染源本身潛在的污染水平。采用等標(biāo)排放量法對(duì)污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅可反映污染物在量上對(duì)環(huán)境的影響，也反映了污染物在質(zhì)上對(duì)環(huán)境的影響。統(tǒng)一轉(zhuǎn)化后，可使同一污染源所排放污染物、不同污染源對(duì)環(huán)境的潛在影響進(jìn)行定量比較。本研究選用COD、BOD5、氨氮、TN和TP作為評(píng)價(jià)因子，計(jì)算公式[17]如下：

(6)

式中：Pi為等標(biāo)排放量，即將一定數(shù)量污染物i稀釋至評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的濃度所需純凈水的量，m3/a；ci為污染物i流失量，t/a；c0為流域環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中污染物i的閥質(zhì)量濃度，mg/L，本研究采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值，即BOD5、COD、氨氮、TP、TN分別為3、15、0.5、0.1、0.5 mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 清江流域畜禽糞尿排放量

清江流域畜禽糞尿排放量在2008—2014年隨畜禽養(yǎng)殖總量的增長而不斷增長，各縣市的年增長率在3.10%～4.21%。為了分析最近畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)流域環(huán)境的影響，本研究主要利用2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來計(jì)算其畜禽糞尿排放量，結(jié)果見表2。

從表2可以看出，畜禽糞尿排放量最大的是恩施市，為1 945 306 t/a，緊隨其后的是宜都市和長陽縣，分別為1 799 059、1 722 368 t/a。這3個(gè)縣市糞尿排放量分別占清江流域糞尿排放總量的14.68%、13.58%、13.00%。畜禽糞尿排放量最小的3個(gè)縣市分別為五峰縣、鶴峰縣和宣恩縣，這3個(gè)縣市糞尿排放量總和僅占清江流域糞尿排放總量的16.70%。清江流域各類畜禽中糞尿排放量最大的是豬，其糞尿排放量占清江流域糞尿排放總量的61.97%，其次是羊和牛，糞尿排放量最小的是家禽，僅占清江流域糞尿排放總量的3.22%。

2.2 清江流域耕地畜禽糞尿負(fù)荷量

各類畜禽糞尿豬糞當(dāng)量換算系數(shù)如表3[13]所示。農(nóng)田對(duì)畜禽糞尿承受程度的預(yù)警值見表4。

表2 2014年清江流域畜禽糞尿排放量

表3 各類畜禽糞尿豬糞當(dāng)量換算系數(shù)

表4 農(nóng)田對(duì)畜禽糞尿承受程度的預(yù)警值

表5 清江流域耕地畜禽糞尿負(fù)荷的預(yù)警值及級(jí)別

表6 畜禽糞尿中污染物平均質(zhì)量濃度及進(jìn)入水體的流失率

經(jīng)計(jì)算，得到清江流域畜禽糞尿負(fù)荷的預(yù)警值，同時(shí)結(jié)合表4，得到相對(duì)應(yīng)的級(jí)別，結(jié)果見表5。

由表5可知，清江流域豬糞當(dāng)量高達(dá)1 314.03×104t，耕地畜禽糞尿負(fù)荷量為29.37 t/hm2，預(yù)警值為0.78，說明清江流域畜禽養(yǎng)殖對(duì)整個(gè)流域的環(huán)境已有一定的影響。在各縣市中對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境“無影響”的是利川市(q=14.20 t/hm2，R=0.38)，主要是利川市的耕地面積較大導(dǎo)致耕地畜禽糞尿負(fù)荷量相對(duì)較小，目前對(duì)環(huán)境的威脅不大，但是由于其畜禽糞尿排放量仍舊較大(見表2)，因此環(huán)境預(yù)防工作不能忽視。對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境“稍有影響”的是咸豐縣(q=21.12 t/hm2，R=0.56)、宣恩縣(q=21.71 t/hm2，R=0.58)和恩施市(q=23.50 t/hm2，R=0.63)。對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境“有影響”的是五峰縣(q=30.22 t/hm2，R=0.81)、鶴峰縣(q=32.79 t/hm2，R=0.87)、建始縣(q=36.13 t/hm2，R=0.96)和巴東縣(q=37.08 t/hm2，R=0.99)，其中建始縣和巴東縣畜禽養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境已接近“較嚴(yán)重影響”的狀態(tài)，因此在今后環(huán)境控制中應(yīng)該特別引起重視。對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響“較嚴(yán)重”的是長陽縣(q=39.28 t/hm2，R=1.05)。對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響“很嚴(yán)重”的是宜都市，其豬糞當(dāng)量高達(dá)203.05×104t，再加上宜都市的耕地面積相對(duì)較小，使得其耕地畜禽糞尿負(fù)荷量高達(dá)128.51 t/hm2，是全國耕地平均負(fù)荷(24.00 t/hm2)[18]的5.35倍，預(yù)警值為3.43，因此宜都市的畜禽養(yǎng)殖在今后必須引起足夠的重視，要加強(qiáng)對(duì)畜禽糞尿的合理處置，防止環(huán)境的進(jìn)一步惡化。

2.3 污染物對(duì)水體的污染

根據(jù)相關(guān)研究確定畜禽糞尿排放量(見表2)和畜禽糞尿中污染物平均質(zhì)量濃度(見表6[19])，可計(jì)算得出2014年清江流域各種污染物排放量(見表7)。由表7可知，2014年清江流域因畜禽養(yǎng)殖排放BOD5277 274.11 t、COD 294 173.10 t、氨氮25 432.30 t、TP 24 287.07 t和TN 77 380.69 t。在10個(gè)縣市中，恩施市污染物排放總量最大，為110 384.90 t，占清江流域污染物排放總量的15.80%；五峰縣污染物排放總量最小，為29 606.85 t，僅占清江流域污染物排放總量的4.24%。

表7 2014年清江流域各污染物排放量

表8 2014年清江流域畜禽糞尿污染物進(jìn)入水體的流失量

畜禽糞尿隨地表徑流流失，會(huì)對(duì)水體環(huán)境造成嚴(yán)重污染，國內(nèi)對(duì)不同畜禽各種污染物流失率做過相關(guān)研究(見表6)。由2014年清江流域各污染物排放量和各污染物流失率，可計(jì)算得出2014年清江流域畜禽糞尿污染物進(jìn)入水體的流失量，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，2014年清江流域畜禽糞尿污染物進(jìn)入水體的流失量從大到小依次為COD(40 505.03 t/a)、BOD5(30 322.11 t/a)、TN(19 541.30 t/a)、氨氮(5 644.17 t/a)、TP(3 373.90 t/a)。5種污染物進(jìn)入水體的流失總量最大的是恩施市，為15 385.75 t/a，占清江流域流失總量的15.48%，緊隨其后的是宜都市(12 938.48 t/a，占13.02%)和利川市(12 743.14 t/a，占12.82%)，流失總量最小的是五峰縣，為4 349.55 t/a，僅占全流域流失總量的4.38%。巨大的污染物流失量勢(shì)必對(duì)清江流域水源造成嚴(yán)重威脅，因此必須合理處置畜禽養(yǎng)殖糞尿以減少污染物的流失量，降低對(duì)水體污染的潛在威脅。

不同畜禽糞尿進(jìn)入清江流域的等標(biāo)排放量以及等標(biāo)排放率如表9所示。

由表9可以看出，對(duì)BOD5、COD和氨氮貢獻(xiàn)最大的是恩施市，而對(duì)TP、TN貢獻(xiàn)最大的是長陽縣。各縣市等標(biāo)排放量最大的是長陽縣，為14 489.21 m3/a，等標(biāo)排放率是14.95%，說明長陽縣對(duì)畜禽污染物的排放貢獻(xiàn)最大。之后依次為宜都市、恩施市、利川市、巴東縣、建始縣、咸豐縣、宣恩縣、鶴峰縣和五峰縣，等標(biāo)排放率分別為14.24%、13.96%、11.65%、10.94%、10.40%、7.40%、6.97%、5.01%和4.48%。

各種污染物中對(duì)水體污染貢獻(xiàn)最大的是TN，等標(biāo)排放率為40.33%，之后依次為TP、氨氮、BOD5和COD，等標(biāo)排放率分別為34.81%、11.65%、10.43%、2.79%。因此，清江流域畜禽糞尿中TN和TP是水體污染的主要因子，由此必然會(huì)造成清江流域水體富營養(yǎng)化程度的加深。

清江流域各類畜禽養(yǎng)殖中對(duì)水體污染最大的是生豬，生豬養(yǎng)殖對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)為56.19%；其次是牛和羊；家禽養(yǎng)殖對(duì)水體污染最小，其貢獻(xiàn)僅為3.68%。而TN和TP是清江流域水體污染的主要因子，而生豬養(yǎng)殖對(duì)TN和TP污染的貢獻(xiàn)分別為55.28%和46.47%。各類畜禽糞尿排放量的大小順序?yàn)樨i>羊>牛>家禽(見表2)，而各類畜禽養(yǎng)殖對(duì)水體污染貢獻(xiàn)的大小順序是豬>牛>羊>家禽。

表9 不同畜禽糞尿進(jìn)入清江流域的等標(biāo)排放量和等標(biāo)排放率

3 結(jié) 論

(1) 清江流域豬糞當(dāng)量高達(dá)1 314.03×104t，耕地畜禽糞尿負(fù)荷量為29.37 t/hm2，預(yù)警值為0.78，清江流域畜禽養(yǎng)殖對(duì)整個(gè)流域的環(huán)境已有一定的影響。宜都市預(yù)警值高達(dá)3.43，呈現(xiàn)“很嚴(yán)重”的影響；長陽縣、建始縣和巴東縣的畜禽糞尿?qū)Ξ?dāng)?shù)丨h(huán)境已經(jīng)或接近呈現(xiàn)“較嚴(yán)重”影響狀態(tài)。在整個(gè)清江流域，僅有利川市呈現(xiàn)“無影響”的狀態(tài)。

(2) 2014年清江流域畜禽糞尿污染物進(jìn)入水體的流失量從大到小依次為COD(40 505.03 t/a)、BOD5(30 322.11 t/a)、TN(19 541.30 t/a)、氨氮(5 644.17 t/a)、TP(3 373.90 t/a)。5種污染物進(jìn)入水體的流失總量最大的是恩施市，為15 385.75 t/a，占清江流域流失總量的15.48%，緊隨其后的是宜都市(12 938.48 t/a，占13.02%)和利川市(12 743.14 t/a，占12.82%)，流失總量最小的是五峰縣，為4 349.55 t/a，僅占全流域流失總量的4.38%。

(3) 各縣市等標(biāo)排放量最大的是長陽縣，為14 489.21 m3/a，等標(biāo)排放率是14.95%，之后依次為宜都市、恩施市、利川市、巴東縣、建始縣、咸豐縣、宣恩縣、鶴峰縣和五峰縣，等標(biāo)排放率分別為14.24%、13.96%、11.65%、10.94%、10.40%、7.40%、6.97%、5.01%和4.48%。

(4) 各種污染物中對(duì)水體污染貢獻(xiàn)最大的是TN，等標(biāo)排放率為40.33%，之后依次為TP、氨氮、BOD5和COD，等標(biāo)排放率分別為34.81%、11.65%、10.43%、2.79%。

(5) 清江流域各類畜禽養(yǎng)殖中對(duì)水體污染最大的是生豬，生豬養(yǎng)殖對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)為56.19%；家禽養(yǎng)殖對(duì)水體污染最小，其貢獻(xiàn)僅為3.68%。而TN和TP是清江流域水體污染的主要因子，而生豬養(yǎng)殖對(duì)TN和TP污染的貢獻(xiàn)分別為55.28%和46.47%。

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