蘇州市農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)廢棄物氮的量化及其環(huán)境影響①

張 寧，王延華,2*，邱 雨，楊 浩,2，周 偉，蔡祖聰,2

(1 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；3中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008)

蘇州市農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)廢棄物氮的量化及其環(huán)境影響①

張 寧1，王延華1,2*，邱 雨1，楊 浩1,2，周 偉3，蔡祖聰1,2

(1 南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；3中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008)

為了解食物鏈過程廢棄物氮流情況及其環(huán)境影響，以我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)蘇州市為對象，基于農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖-家庭消費(fèi)系統(tǒng)，使用清單核算方法，估算了該市農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖及家庭食物消費(fèi)活動產(chǎn)生的廢棄物氮量，并對廢棄物氮的資源化利用水平及環(huán)境影響狀況進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：蘇州市農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖-家庭消費(fèi)系統(tǒng)一年共產(chǎn)生廢棄物氮5.35萬t，其中59.76% 來自居民食物消費(fèi)活動，57.53% 損失進(jìn)入環(huán)境。秸稈氮、畜禽糞尿氮、餐廚垃圾氮和人糞尿氮的資源化率分別為84.03%、49.26%、37.72% 和21.99%。1.70萬t廢棄物氮進(jìn)入水環(huán)境，造成的水體氮濃度達(dá)到4.3 mg/L，是 Ⅲ 類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的4.3倍；大氣環(huán)境廢棄物氮負(fù)荷量0.58萬t，其主要來自糞尿廢棄物，并以氨氮形態(tài)為主；廢棄物氮的農(nóng)田負(fù)荷警戒值為0.15 ～ 0.22，屬Ⅰ級無污染水平。通徑分析表明人口因素和政策科技因素是影響廢棄物氮環(huán)境排放的兩個最主要驅(qū)動因素。本文建議蘇州市在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增施糞尿有機(jī)肥，在廢棄物管理中通過秸稈多樣化利用、糞尿科學(xué)管理以及餐廚垃圾專門處理等綜合措施來改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染狀況。

蘇州市；農(nóng)田生產(chǎn)；畜禽養(yǎng)殖；家庭消費(fèi)；廢棄物氮；環(huán)境影響

農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖和家庭食品消費(fèi)活動不可避免會產(chǎn)生多種有機(jī)廢棄物，如作物秸稈、人畜糞尿、餐廚垃圾、沼液沼渣、菌基廢料。這些廢棄物具資源與環(huán)境污染雙重屬性。為更好發(fā)揮廢棄物資源屬性，避免或減輕環(huán)境污染風(fēng)險，秸稈還田[1-2]在生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展中被大力推廣；糞尿及秸稈的能源化利用方式[3](沼氣工程)也成為循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展典范；餐廚垃圾資源化處理工藝[4]因其較好的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益推廣應(yīng)用日益廣泛。但局部地區(qū)秸稈焚燒引起的大氣污染[4-5]、畜禽養(yǎng)殖和生活排污帶來的農(nóng)業(yè)面源污染等問題[6-7]仍較普遍。廢棄物中所含氮素稱為“廢棄物氮”。部分廢棄物氮會在廢棄物的資源化利用中得到再利用，其余則最終進(jìn)入環(huán)境，引發(fā)霧霾、酸雨、水體富營養(yǎng)化等污染問題[8-10]。

清單核算方法是流域農(nóng)業(yè)面源污染研究中普遍使用的數(shù)據(jù)量化方法，也被廣泛用于農(nóng)業(yè)廢棄物、氮循環(huán)、氮平衡研究。該法與常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法的不同之處在于，其部分參數(shù)直接來源于實(shí)驗(yàn)檢測，如各種物質(zhì)的氮含量，另一部分參數(shù)來源于統(tǒng)計調(diào)研，如人口、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、作物產(chǎn)量等。該法為研究者提供實(shí)驗(yàn)無法直接獲得的數(shù)據(jù)，確保了定量方法在環(huán)境污染宏觀層面研究中的應(yīng)用。應(yīng)用該方法研究太湖流域農(nóng)業(yè)區(qū)氮平衡時間變化特征，促進(jìn)了氮平衡驅(qū)動因素的深入研究[11]；該方法也使馬林[12]構(gòu)建的食物鏈氮素流動模型得以量化，從而展開對我國氮平衡、利用率等的分析；基于該法，有研究表明總氮對太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)率在34% ～52%[13]；進(jìn)入太湖的總氮染污物83% 來源于農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)村生活排污[14]，由此可見秸稈、人畜糞尿、餐廚垃圾等廢棄物的處理與再利用對農(nóng)業(yè)面源污染有重要影響。

目前，蘇州市秸稈綜合利用水平已超過90%[15]，畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖比重在85% ～ 99.5%[16]，并建有全國領(lǐng)先的餐廚垃圾專門處理廠[17]。此背景下，該市農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖、居民農(nóng)畜食品消費(fèi)活動究竟產(chǎn)生了多少廢棄物氮？廢棄物氮資源化利用程度如何？進(jìn)入環(huán)境的廢棄物氮對當(dāng)?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生了何種程度的污染威脅？面對上述問題，本文以2014年為例，量化該市年內(nèi)農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖-家庭消費(fèi)系統(tǒng)中廢棄物氮量，并以廢棄物氮一次去向?yàn)榛鶞?zhǔn)評析了其資源化利用水平、環(huán)境影響狀況以及廢棄物氮環(huán)境排放驅(qū)動因素。本研究可為區(qū)域廢棄物管理提供理論依據(jù)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)生態(tài)-經(jīng)濟(jì)雙贏目標(biāo)；并對氮素資源優(yōu)化管理政策法規(guī)的制定有指導(dǎo)意義，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州市(119°59′ ～ 121°20′E，30°47′ ～ 32°02′N)位于太湖流域中部，地勢低平，亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，年均氣溫16.9 ℃，年降水量1 265.7 mm[18]。該市轄姑蘇、相城、張家港等6區(qū)4市，總面積8 488.42 km2，水域面積占42.5%[18]。自2000年以來該市GDP一直居全國第五或第六位、江蘇省第一位。2014年年末常住人口達(dá)1 060.4萬人[18]。該市人口多，食品生產(chǎn)消費(fèi)量大，秸稈、糞尿、餐廚垃圾等廢棄物產(chǎn)生量多，因而環(huán)境受廢棄物氮污染的潛在風(fēng)險較大。2014年該市環(huán)境狀況公報顯示其水體和大氣環(huán)境均受到不同程度氮素污染。

1.2 研究方法

1.2.1 研究系統(tǒng)邊界 本文以氮素在農(nóng)田生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖和家庭農(nóng)畜食品消費(fèi)活動中的流動循環(huán)為核心，對農(nóng)田生產(chǎn)(crop production)-畜禽養(yǎng)殖(livestock breeding)-家庭消費(fèi)(household consumption)系統(tǒng)(下文簡稱農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng))展開研究。如圖1所示，系統(tǒng)邊界由肥料氮、飼料氮、食品氮、廢棄物氮、環(huán)境損失氮、土壤盈余氮等輸入輸出氮流所構(gòu)成。其中，肥料氮是化肥、種子、有機(jī)肥、灌溉水、大氣沉降、生物固氮等物質(zhì)和過程中氮素的總稱；飼料氮是秸稈飼料、糧食飼料、副產(chǎn)物飼料、餐廚垃圾飼料及其他飼料氮的總稱；食品氮指農(nóng)田和畜禽兩子系統(tǒng)產(chǎn)出的食品氮和進(jìn)口食品氮；環(huán)境損失氮指經(jīng)氨揮發(fā)、反硝化、徑流、淋溶、燃燒等過程損失進(jìn)入環(huán)境的氮素，土壤盈余氮指盈余于土壤中的氮素。廢棄物氮是本文研究對象，指秸稈、人畜糞尿、餐廚垃圾廢棄物中所含的氮素。

圖1 農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖-家庭消費(fèi)系統(tǒng)邊界Fig. 1 Boundary of crop production-livestock breeding-household consumption system

1.2.2 廢棄物氮數(shù)量及其資源化率核算方法 1)秸稈氮量計算方法。

式中：Nstr為秸稈氮量(t)；α為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；Hcrop,i為第i種作物收獲物產(chǎn)量(t)；Rstr/gra,i為第i種農(nóng)作物秸稈/籽粒比(kg/kg)；Cstr,i為第i種農(nóng)作物秸稈氮含量(g/kg)。本研究包括水稻、麥類、蔬菜等11種作物，秸稈氮去向按廢棄物的一次去向主要分為還田、作飼料、作原料、燃燒、其他。表1列出了各種農(nóng)作物秸稈氮含量、秸稈/籽粒比及秸稈氮去向等參數(shù)值。

2) 畜禽糞尿氮量計算方法。

式中：Nani-exc表示畜禽糞尿氮量(t)；α為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；ni為第i種畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(頭、只)，包括奶牛、豬、羊等6類畜禽；Qexc,i為第i種畜禽日均排氮量(g/(頭(只)·d))，主要參考我國第一次全國污染普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊；ti為飼養(yǎng)周期(d)。畜禽糞尿氮一次去向分為還田、作原料、進(jìn)入大氣、進(jìn)入水體。畜禽排氮量等參數(shù)值見表2。

3) 餐廚垃圾氮資源化率計算方法。

式中：Nfood-waste為餐廚垃圾氮量(t)；α為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；p為人口數(shù)量(人)；Fcon,i為第i種食品人均年消費(fèi)量(kg)，包括糧食、蔬菜、肉類等18種農(nóng)畜食品；Cfood,i為第i種食品氮含量(g/kg)；Rwaste/food,i為第i種單位質(zhì)量食品產(chǎn)生餐廚垃圾的量(kg/kg)。該市餐廚垃圾主要去向有3類：被專門餐廚垃圾處理廠回收作資源化處理，占37.72%；不能被處理廠回收的有60% ～99%(本研究取80%)被養(yǎng)殖戶收購作豬飼料或被商販?zhǔn)召徧釤挼販嫌?下文統(tǒng)稱私人回收)，合計占49.82%；其余混入生活垃圾，30% 填埋，70% 焚燒。表3為各種食品氮含量和餐廚垃圾產(chǎn)生量。

表1 作物秸稈氮含量、秸稈/籽粒比[11,19-20]及秸稈氮去向[15,20-25]Table 1 Nitrogen contents, straw /grain ratios and dispositions of crop straws

表2 畜禽排氮量、飼養(yǎng)周期[11,26-27]及畜禽糞尿氮不同去向[26,28-32]Table 2 Excrement nitrogen contents, raising periods and excrement nitrogen dispositions of livestock and poultry

表3 食品氮含量及餐廚垃圾產(chǎn)生量[30,33-34]Table 3 Food nitrogen contents and production of food residue

4) 人糞尿氮資源化率計算方法。

式中：Nhum-exc為人糞尿氮量(t)；Ncon為居民食品氮消費(fèi)總量(t)，由式(3)中人口數(shù)量、人均食品消費(fèi)量、食品氮含量相乘求得；Nfood-waste同式(3)；Nbody為人體吸收氮量(t)，按人體吸收進(jìn)食的2% 計[35-36]。人糞尿氮一次去向主要有進(jìn)入大氣、進(jìn)入水體、還田，各去向比例見表4。

表4 人糞尿氮不同去向[26,30-31,37]Table 4 Dispositions of human excrements

5) 廢棄物氮資源化率計算方法。

式中：RR代表廢棄物氮資源化率，受氮素自身遷移轉(zhuǎn)化和人類活動復(fù)雜性的影響，廢棄物氮的最終去向極富變化，量化困難，因此本文廢棄物氮資源化率基于一次去向的再利用情況；NR代表再利用的廢棄物氮量，當(dāng)用于秸稈氮時指還田、作飼料、作原料的氮量，用于畜禽糞尿氮時指還田、作原料的氮量，用于餐廚垃圾氮時指處理廠回收的氮量，用于人糞尿氮時指還田氮量；NT代表每種廢棄物氮總量。

1.2.3 環(huán)境影響評價方法 本文環(huán)境影響評價基于廢棄物氮一次去向，主要從水體、大氣和耕地環(huán)境3方面進(jìn)行。

1) 水體環(huán)境。按CN=QN-to-water/Qwater計算排至水體的廢棄物氮濃度。式中：CN為排至水體的廢棄物氮濃度(mg/L)；QN-to-water為進(jìn)入水體的廢棄物氮量(t)；Qwater為研究區(qū)地表水資源總量(m3)，數(shù)據(jù)源于2014年江蘇水資源公報。所得濃度與GB 3838- 2002中 Ⅲ 類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(1.0 mg/L)進(jìn)行比較。

2)大氣環(huán)境。廢棄物燃燒以及氨揮發(fā)、反硝化過程會向大氣釋放氣態(tài)氮。反硝化釋放的N2是惰性氮，不對環(huán)境產(chǎn)生污染，本文僅對廢棄物產(chǎn)生的N2O-N、NH3-N和NxO-N的總量進(jìn)行估算，以量化大氣環(huán)境廢棄物氮負(fù)荷。污染物排放因子見表5。

表5 NH3-N、N2O-N、NOX-N排放因子[29-30,38-39]Table 5 Emission factors of NH3-N, N2O-N and NOX-N

3) 耕地環(huán)境。因秸稈還田利于作物生產(chǎn)，且能改善土壤性狀[40]，是生態(tài)農(nóng)業(yè)提倡的低碳環(huán)保措施，因此本研究僅衡量糞尿廢棄物氮還田對耕地環(huán)境的影響。糞尿氮過量還田會對耕地環(huán)境造成污染。本文使用還田糞尿氮的農(nóng)田負(fù)荷警戒值(r)[41-42]分析蘇州市耕地環(huán)境所受污染程度：r = p/t。式中，p為還田糞尿氮量(N，kg/hm2)；t為理論建議農(nóng)田氮負(fù)荷量(N，kg/hm2)，不同研究者提出的t值存在差異[43]，其范圍在150 ～ 225 kg/hm2之間；r等級：無污染(r＜0.4)、稍有污染(0.4≤r＜0.7)、有污染(0.7≤r＜1.0)、較重污染(1.0≤r＜1.5)、嚴(yán)重污染(r≥1.5)。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集與處理方法 本研究所需數(shù)據(jù)主要通過實(shí)地調(diào)研、訪問調(diào)研和文獻(xiàn)薈萃廣泛獲得，在此基礎(chǔ)上對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合研究區(qū)域進(jìn)行篩選。主要包括以下幾類：

1) 基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)：農(nóng)作物產(chǎn)量、人口數(shù)量、食品人均年消費(fèi)量等，數(shù)據(jù)源于蘇州市和江蘇省統(tǒng)計年鑒[18,44]。

2) 基本參數(shù)數(shù)據(jù)：秸稈/籽粒比、秸稈氮含量、食品氮含量等，主要通過文獻(xiàn)薈萃獲得。

3) 廢棄物氮去向比例參數(shù)：即4種廢棄物氮去向比例，這類參數(shù)主要通過實(shí)地調(diào)研和部門訪談獲得基本信息數(shù)據(jù)，再結(jié)合本地文獻(xiàn)資料對調(diào)研數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行校正得到。

數(shù)據(jù)處理通過WPS Office 2016、CorelDRAW 12、SPSS18完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢棄物氮產(chǎn)生量

據(jù)估算，蘇州市農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)一年共產(chǎn)生5.35 萬t廢棄物氮，其中秸稈氮、人畜糞尿氮和餐廚垃圾氮各占24.63%、69.37%、5.99%(圖2)。這些廢棄物氮24.63% 來源于農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)，15.60% 源于畜禽養(yǎng)殖子系統(tǒng)，59.76% 源于家庭消費(fèi)子系統(tǒng)。從去向看，廢棄物氮總量的42.47% 通過還田、作飼料和原料得到再利用，以還田最多；其余57.53% 進(jìn)入環(huán)境，以進(jìn)入水環(huán)境的最多，約1.70 萬t。

結(jié)果表明，蘇州市農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖-家庭消費(fèi)系統(tǒng)的廢棄物氮主要來源于居民食物消費(fèi)活動并以糞尿氮種類為主，且廢棄物氮的主要去向是進(jìn)入環(huán)境而非資源化再利用。蘇州市人口規(guī)模巨大，超過千萬，居江蘇省第一位；但種植業(yè)和畜牧業(yè)規(guī)模卻是省內(nèi)最小，如種植業(yè)產(chǎn)值僅占農(nóng)林牧漁及其服務(wù)業(yè)總產(chǎn)值的41.14%，畜牧業(yè)占9.89%；因此導(dǎo)致家庭消費(fèi)子系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物氮占比最大。此外，廢棄物氮主要來源于居民食物消費(fèi)活動還與人對食品氮的吸收利用率低有極大關(guān)系。據(jù)研究，人對食品氮的吸收利用率僅為1% ～ 2%[36]，而畜禽對食品氮的吸收利用率要比人高，豬約為30% ～ 35%[45]、奶牛14% ～ 38%[46]、羊10%[39]，所以人類所食絕大部分食品氮都轉(zhuǎn)化成了糞尿氮。該市廢棄物氮大部分進(jìn)入環(huán)境，表明資源化率有待提高，且當(dāng)?shù)丨h(huán)境遭受污染的風(fēng)險較大。

圖2 蘇州市廢棄物氮量及其來源去向(2014年)Fig. 2 Quantities, sources and destinations of waste nitrogen in Suzhou City(2014)

2.2 資源化利用情況

廢棄物具有資源與環(huán)境污染雙重屬性，得到再利用，才能發(fā)揮資源屬性。還田、作飼料、作原料是蘇州市廢棄物氮資源化利用的主要途徑。2014年蘇州市農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物氮中約2.27 萬t得到合理再利用(圖3)。秸稈氮的56.70% 機(jī)械還田，4% 用作畜禽飼料，23.33% 用作沼氣、生物燃料、包裝材料等的生產(chǎn)原料以及菌類蔬菜生產(chǎn)基料，因此秸稈氮的資源化率總計達(dá)到84.03%；畜禽糞尿氮21.50%堆肥還田，27.76% 用于沼氣與有機(jī)肥生產(chǎn)原料，資源化率達(dá)49.26%；餐廚垃圾氮中，37.72% 被餐廚垃圾處理廠回收后進(jìn)行充分資源化利用，生產(chǎn)蛋白飼料、生物柴油和有機(jī)肥等；人糞尿氮大部分由于揮發(fā)和處理中損失進(jìn)入大氣和水體，僅21.99% 還田。

圖3 蘇州市廢棄物氮的資源化利用(2014 年)Fig. 3 Recycling utilization of waste nitrogen in Suzhou City(2014)

蘇州市政府十分重視農(nóng)作物秸稈的綜合利用，秸稈禁燒工作全面到位，秸稈資源化利用途徑多樣，秸稈綜合利用率已超過90%[15,25,47]。而黃淮海地區(qū)秸稈的資源化率為76%[48]，陜西甘肅等省60%[49]，北京郊區(qū)55%[20]，我國整體水平54%[50]，可見蘇州秸稈及其所含氮素的資源化率均明顯高于我國大多數(shù)地區(qū)。蘇州市畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；潭雀?，規(guī)?；B(yǎng)殖利于糞尿的綜合利用，該市不同畜禽糞尿綜合處理率為75.7% ～ 89.5%[28]。但由于水沖清糞方式，淋溶徑流過程會使部分氮素進(jìn)入水體，再加上儲存與處理中不可避免的揮發(fā)損失，使其糞尿氮資源化率明顯低于糞尿的綜合利用率，但仍高于全國43% 的總體水平[29]。據(jù)調(diào)研，2014年內(nèi)蘇州市范圍內(nèi)僅市區(qū)和張家港市建有餐廚垃圾專門處理廠并投入運(yùn)營，兩地每日共可處理餐廚垃圾400 t，這些餐廚垃圾經(jīng)雜物分選、油脂分離后被加工成動物飼料、生物柴油、有機(jī)肥等產(chǎn)品，沖洗污水厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，因此這些餐廚垃圾可得到高度資源化利用。其余大部分餐廚垃圾被用作豬飼料或提煉地溝油。這種利用途徑對居民飲食安全和身體健康存在威脅，不符合“資源化利用”生態(tài)-環(huán)保-健康的目標(biāo)追求。目前蘇州常熟、太倉及昆山市都在積極籌建餐廚垃圾專門處理廠，將進(jìn)一步提高該市餐廚垃圾資源化利用水平。蘇州市鄉(xiāng)村地區(qū)水沖廁所普及，城市地區(qū)有專門糞污處理系統(tǒng)，糞尿氮已較少還田，加之該市地表水極為豐富，糞尿氮容易進(jìn)入水體，致使糞尿氮的資源化率僅22%，低于我國整體水平(23%)[29]。

2.3 環(huán)境影響狀況

廢棄物氮進(jìn)入環(huán)境，將變成環(huán)境污染因子，因此廢棄物環(huán)境污染問題備受關(guān)注。這類污染問題由多種原因所致，明確驅(qū)動因素將利于廢棄物氮管理和環(huán)境治理。

2.3.1 水體、大氣和耕地環(huán)境影響 2014年蘇州市共有1.70萬 t廢棄物氮進(jìn)入水環(huán)境，當(dāng)?shù)厮Y源總量為39.5億 m3，廢棄物氮濃度達(dá)到4.30 mg/L，超出 Ⅲ 類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值3.3倍。本研究核算的秸稈、糞尿等廢棄物恰是農(nóng)業(yè)面源污染眾多來源的一部分，流域河湖水庫等水環(huán)境惡化多與農(nóng)業(yè)面源污染密切相關(guān)。有研究[7]核算蘇州市種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及農(nóng)村生活污水排放使2.18萬 t氮污染進(jìn)入水體，本研究廢棄物氮量入水量占其77.78%?？梢?，蘇州市農(nóng)業(yè)面源污染中的氮污染物很大部分源于農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)廢棄物。因此，該市有必要加強(qiáng)農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)廢棄物氮管理，減少廢棄物氮入水量，改善水環(huán)境。

廢棄物在人類不合理的處理方式及自然狀態(tài)下會釋放含氮?dú)怏w進(jìn)入大氣并造成污染。經(jīng)核算，蘇州市2014年農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)的廢棄物產(chǎn)生0.58萬t大氣環(huán)境氮負(fù)荷，其中91.93% 是氨氮形態(tài)。廢棄物氮大氣負(fù)荷量的55.05% 產(chǎn)生于人糞尿，42.04%產(chǎn)生于畜禽糞尿，秸稈和餐廚垃圾燃燒排放的僅占2.90%。廢棄物燃燒釋放的大氣氮污染物少主要得益于該市秸稈禁燒與秸稈綜合利用工作的有效開展。而該市人口眾多，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量雖相對較少，但糞尿廢棄物產(chǎn)生量巨大，加之人畜糞尿處理工作中氮污染氣體普遍缺乏有效回收處理，使糞尿廢棄物成為大氣廢棄物氮負(fù)荷的主要來源。雖然目前尚無研究指出秸稈焚燒、畜禽養(yǎng)殖活動、人糞尿是蘇州市大氣污染、霧霾災(zāi)害及酸雨的主要污染源，但在種養(yǎng)活動、日常食物消費(fèi)及廢棄物處理中自覺減少氮的污染氣體排放，也定將利于大氣污染和酸雨災(zāi)害的防治。值得注意的是，本研究“農(nóng)田-畜禽-家庭”系統(tǒng)中化肥與有機(jī)肥氮造成的大氣負(fù)荷量是廢棄物氮大氣負(fù)荷量的2 ～ 3倍，因此不僅廢棄物氮的大氣環(huán)境影響需要關(guān)注，農(nóng)田生產(chǎn)活動中的肥料管理也需高度重視。

糞尿廢棄物可作有機(jī)肥還田，但這種資源化利用方式同樣對耕地環(huán)境存在威脅可能。據(jù)核算，蘇州市2014年農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)有0.81萬 t糞尿氮還田，單位耕地面積氮素負(fù)荷為N 33.48 kg/hm2。糞尿氮的農(nóng)田負(fù)荷警戒值r為0.15 ～ 0.22，與2002年劉培芳等人[51]計算的該市畜禽糞便農(nóng)田負(fù)荷警戒值(0.28)同處于Ⅰ 級無污染等級。統(tǒng)計年鑒顯示該市2000—2014年畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷減小(圖4)，因此畜禽糞尿廢棄物產(chǎn)生量隨之減少。加之糞尿還田率降低，所以蘇州市耕地中的糞尿氮負(fù)荷逐年減少，耕地面臨的糞尿氮污染威脅減輕。另有研究[52]對我國31個省市進(jìn)行畜禽糞尿氮農(nóng)田污染評估，結(jié)果顯示江蘇同另外7省處于Ⅰ 級無污染水平?？梢娊K全省耕地在面對糞尿廢棄物帶來的氮素污染威脅方面都較安全，但這并非表明蘇州市耕地環(huán)境是絕對安全的。因?yàn)楦赝寥肋€面臨著化肥大量施用的氮盈余威脅。據(jù)太湖流域各地區(qū)統(tǒng)計年鑒進(jìn)行估算，2014年該域平均化肥施用水平約為N 272.92 kg/hm2，蘇州市糞尿廢棄物氮還田水平只占其12.27%，因此土壤盈余氮及其造成的土壤氮素污染也主要來源于化肥而非糞尿有機(jī)肥。土壤盈余氮會直接導(dǎo)致耕地土壤氮負(fù)荷過高，引起地下水硝酸鹽污染、水體富營養(yǎng)化等問題。所以，減施化肥[53]、增施有機(jī)肥的農(nóng)業(yè)措施被廣泛提倡。以本文方法中建議施氮水平的最低值計算，蘇州市耕地共可消納3.80萬 t糞尿氮，現(xiàn)有糞尿氮還田量約占21%，由此可知該市耕地還有較大的糞尿氮環(huán)境容量，這揭示出蘇州市種植業(yè)施行減少化肥氮施用、增加糞尿氮還田具有一定可行性。

圖4 蘇州市畜禽養(yǎng)殖規(guī)模年際變化Fig. 4 Annual variation of livestock breeding scale in Suzhou City

2.3.2 廢棄物氮環(huán)境排放驅(qū)動因素 蘇州市2014年產(chǎn)生的5.35 萬t廢棄物氮中約有3.08 萬t進(jìn)入環(huán)境，這是多方面原因?qū)е碌模缃?jīng)濟(jì)、人口、政策、科技等。本文使用通徑分析方法，對農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)廢棄物氮環(huán)境排放(因變量Y)的驅(qū)動因素(自變量X)進(jìn)行了分析，分析指標(biāo)和結(jié)果見表6和表7。

由表6可見，8個可能的驅(qū)動因素變量中，X1、X2、X3、X4、X5均與廢棄物氮環(huán)境排放量呈高度正相關(guān)，說明經(jīng)濟(jì)水平、城鎮(zhèn)化水平、居民消費(fèi)水平的提高以及人口數(shù)量的增加會引起廢棄物氮排放進(jìn)入環(huán)境量的增多；在政策引導(dǎo)和科技投入促進(jìn)下引起的廢棄物氮資源化利用量(X8)與廢棄物氮環(huán)境排放量呈中度負(fù)相關(guān)，說明秸稈禁燒、秸稈還田、沼氣建設(shè)、廢棄物工業(yè)化利用等政策措施和相應(yīng)的科技保障可促進(jìn)減少廢棄物氮排放進(jìn)入環(huán)境的量；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動方面的農(nóng)牧業(yè)比重與廢棄物氮環(huán)境排放量相關(guān)性不明顯，反映出農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對廢棄物氮環(huán)境排放量的影響與其他因素相比驅(qū)動作用不明顯。

表6 分析指標(biāo)及相關(guān)系數(shù)Table 6 Analysis indexes and correlation coefficients

表7 逐步回歸和通徑分析結(jié)果Table 7 Consequences of step-wise regression and path analysis

經(jīng)分析，所有變量均服從正態(tài)分布；VIF =2.96＜5，表明回歸分析變量間不存在多重共線；T檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)結(jié)果表明此次回歸分析變量間具有顯著性差異，回歸方程具有統(tǒng)計學(xué)意義。由表7可知，逐步回歸過程在8個驅(qū)動因素中優(yōu)選出了兩個最主要的驅(qū)動因素X4和X8。剩余通徑為0.18，表明這兩個驅(qū)動因素指標(biāo)對廢棄物氮環(huán)境排放量的直接影響程度達(dá)82%，逐步回歸排除的6個驅(qū)動因素指標(biāo)的直接影響作用僅占18%；X4和X8的直接通徑系數(shù)說明蘇州市總?cè)丝跀?shù)量的變化對廢棄物氮環(huán)境排放量多少的直接影響作用最大，其次是政策和科技的保障作用。綜上分析，人口數(shù)量和政策科技因素是農(nóng)田-畜禽-家庭系統(tǒng)廢棄物氮環(huán)境排放的最主要的驅(qū)動因素。由于人口調(diào)控措施難以在短期內(nèi)取得明顯成效，因此，建議廢棄物氮排放管理和環(huán)境治理工作重點(diǎn)應(yīng)從政府政策引導(dǎo)、廢棄物科學(xué)管理和先進(jìn)科技投入等方面展開。

3 結(jié)論

1) 2014年蘇州市農(nóng)田生產(chǎn)-畜禽養(yǎng)殖-家庭消費(fèi)系統(tǒng)共產(chǎn)生5.35 萬t廢棄物氮，其主要(59.76%)來自居民食物消費(fèi)活動，57.53% 損失進(jìn)入環(huán)境。

2) 秸稈氮、畜禽糞尿氮、餐廚垃圾氮和人糞尿氮的資源化率分別為84.03%、49.26%、37.72%、21.99%；秸稈氮資源化率處在全國較高水平；人畜糞尿氮由于損失進(jìn)入大氣和水體的較多，其資源化率相對較低；餐廚垃圾氮資源化率及利用方式需進(jìn)一步改善。

3) 耕地幾乎不受本研究系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物氮污染；大氣環(huán)境和水環(huán)境均已受到廢棄物氮污染；人口數(shù)量、政策引導(dǎo)和科技支撐是蘇州市廢棄物氮排入環(huán)境的最主要驅(qū)動因素。

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Quantification and Environmental Effects of Waste Nitrogen in Crop-livestock-household System of Suzhou City

ZHANG Ning1, WANG Yanhua1,2*, QIU Yu1, YANG Hao1,2, ZHOU Wei3, CAI Zucong1,2
(1 School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, Nanjing 210023, China; 3 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008, China)

In order to know the waste nitrogen flow and its environmental effects in the food chain, the crop productionlivestock breeding-household consumption system in Suzhou City was studied. Results showed that 5.35×104t waste nitrogen were produced, 59.76% of which were from human food consumption and 57.53% of which were lost into environment. The nitrogen recycling rates of crop straw, animal excrement, food residue and human excrement were 84.03%, 49.26%, 37.72% and 21.99%, respectively. 1.70×104t waste nitrogen were transported into water, and the concentration was 4.30 mg/L, which is 4.3 folds of the three-level standard of water environmental quality. The atmospheric environmental waste nitrogen load was 5.8×103t and most of the pollutants stemmed from human and animal excrement, mainly in the form of ammonia. The farmland load warning value ranged from 0.15 to 0.22, belonged to the first level and signified non-pollution. Path analysis showed that population, policy and science-technology are the strongest driving forces for the waste nitrogen discharged in environment.Therefore, comprehensive measures in agricultural production and waste management could be taken into practice to improve the environment in Suzhou City, such as fertilizing more excrement, reusing straw diversely, managing excrement scientifically, and processing food residue specially.

Suzhou City; Crop production; Livestock breeding; Household consumption; Waste nitrogen; Environmental effect

X708

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.011

國家重大科學(xué)研究計劃項(xiàng)目(2014CB953801)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41673107)和南京師范大學(xué)百人計劃項(xiàng)目(184080H20181)資助。

* 通訊作者(wangyanhua@njnu.edu.cn)

張寧(1990—)，女，河北保定人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈剡w移轉(zhuǎn)化對環(huán)境的影響。E-mail： zhangning _njnu@163.com