王夢(mèng)竹,趙 越,童銀棟,續(xù)衍雪*,李佳祺,齊 淼,林 巖
(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072;2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012;3.長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢430100)
自改革開(kāi)放以來(lái),隨著我國(guó)人民生活水平的提高和對(duì)動(dòng)物蛋白攝入的需求加大,居民對(duì)肉類的消費(fèi)量大幅增加,我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)也因此得到迅速發(fā)展[1-3]。自1991年以來(lái),我國(guó)肉、禽、蛋總產(chǎn)量已連續(xù)多年保持世界第一[4],并在2016年達(dá)到13 523萬(wàn)t,其中肉、禽和蛋類總產(chǎn)量分別為8540萬(wàn)、1888萬(wàn)、3095萬(wàn)t[5]。與此同時(shí),未經(jīng)有效處理的畜禽排泄物進(jìn)入到環(huán)境中帶來(lái)的水體污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重[6-10]。畜禽糞便、尿液中含有大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,不恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞綍?huì)導(dǎo)致相當(dāng)一部分營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入水體,造成水環(huán)境污染[11]。據(jù)陳瑤等[12]統(tǒng)計(jì),在2007年,全國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便和尿液產(chǎn)生量分別達(dá)到2.43億t和1.63億t,由此帶來(lái)的化學(xué)需氧量、氮元素和磷元素年排放量分別占全國(guó)污染物排放總量的42%、22%和38%;Gu等[13]估算,在2010年,全國(guó)由畜禽養(yǎng)殖排放到水體中的氮元素通量達(dá)到300萬(wàn)t,是所有農(nóng)業(yè)源排放的重要組成;孫良媛等[3]估算出2011年畜禽養(yǎng)殖的磷元素入水通量約為40萬(wàn)t。由此可以看出,龐大的畜禽養(yǎng)殖已經(jīng)給我國(guó)水環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力[14-15]。
近十年來(lái),我國(guó)畜禽養(yǎng)殖在數(shù)量上稍有增加,如2006年我國(guó)生豬年末出欄量為68 050萬(wàn)頭,在2012年增加到69 790萬(wàn)頭[16]。同時(shí),隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變,我國(guó)畜禽養(yǎng)殖模式也逐步由家庭散養(yǎng)向規(guī)?;B(yǎng)殖過(guò)渡[3,17-19]。2010年我國(guó)生豬出欄量500頭以上的小型養(yǎng)殖戶的數(shù)量占全國(guó)總生豬養(yǎng)殖戶的0.4%,而其生豬出欄量卻占到了34.5%[16]。根據(jù)畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),在2006—2010年間,全國(guó)畜禽養(yǎng)殖中豬、肉牛、奶牛、羊、蛋雞和肉雞的規(guī)?;B(yǎng)殖數(shù)量分別提高了28%、10%、26%、6%、17%和23%,其中豬和肉雞的規(guī)?;B(yǎng)殖比例已經(jīng)超過(guò)了50%。但是需要指出的是,畜禽養(yǎng)殖模式的轉(zhuǎn)變?cè)谖覈?guó)不同區(qū)域內(nèi)的進(jìn)展程度仍然存在較大差異。比如在2010年,北京和上海地區(qū)的蛋雞規(guī)?;B(yǎng)殖比例已經(jīng)分別達(dá)到67%和65%;而西部地區(qū)規(guī)?;M(jìn)程則較慢,如內(nèi)蒙古自治區(qū)蛋雞規(guī)?;B(yǎng)殖比例僅為14%[16]。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)于畜禽養(yǎng)殖環(huán)境影響問(wèn)題的研究成果頗豐,國(guó)外學(xué)者多運(yùn)用自然環(huán)境物理模型模擬和預(yù)測(cè)污染物的產(chǎn)生、遷移和危害等[3,9]。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于畜禽養(yǎng)殖污染物排污量計(jì)算的方法主要采用排放因子法,現(xiàn)有研究對(duì)污染物排放因子多著重于定性描述[3-5,13],通過(guò)選取不同畜禽產(chǎn)排污系數(shù)和糞便污染物含量參數(shù),估算不同畜禽類別的污染物產(chǎn)生總量,再通過(guò)污染物的水體流失率估算畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染物入水通量,從而對(duì)畜禽糞便產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析。從已有研究來(lái)看,對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素污水通量的計(jì)算方法差別不大,但大部分研究只集中于個(gè)別年份,對(duì)全國(guó)各個(gè)省份的氮排放通量進(jìn)行計(jì)算[3-5,13],沒(méi)有在時(shí)間和空間尺度上分析我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量的變化特征,也沒(méi)有將畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖和散養(yǎng)排污分別進(jìn)行分析。因此,為了評(píng)估近十年來(lái)我國(guó)畜禽養(yǎng)殖氮元素排放通量的變化以及養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變帶來(lái)的影響,本文利用2006—2016年中國(guó)畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、畜禽糞便含氮量、水體流失率等統(tǒng)計(jì)資料或文獻(xiàn)數(shù)據(jù),以畜禽養(yǎng)殖業(yè)中最主要的豬、羊、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞為調(diào)查對(duì)象,估算了分別由散養(yǎng)和規(guī)?;B(yǎng)殖向水環(huán)境中排放的氮元素通量,著重比較了不同地區(qū)的空間分布特征和不同畜禽間的差異。本研究的開(kāi)展可以為評(píng)估畜禽養(yǎng)殖對(duì)我國(guó)水環(huán)境的影響和今后相應(yīng)環(huán)境管理政策制定提供科學(xué)依據(jù)。
本文涉及的主要數(shù)據(jù)包括:各類畜禽產(chǎn)排污系數(shù)、排泄物水體流失率、2006—2016年間我國(guó)31個(gè)省份和不同類型畜禽(包括羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞)出欄量、存欄量、規(guī)模化養(yǎng)殖比例等[3,20-22],養(yǎng)殖規(guī)模較小的畜禽不予以考慮。規(guī)模化養(yǎng)殖的畜禽糞便和尿液中氮元素水體流失率采用國(guó)家環(huán)??偩帜暇┉h(huán)科所測(cè)定出的數(shù)據(jù),如表1所示,各類規(guī)模化養(yǎng)殖畜禽糞便的氮元素水體流失率大約在5%~9%,而尿液氮元素流失率則達(dá)到50%,由于現(xiàn)有研究主要集中于規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖的污染物流失率,散養(yǎng)畜禽排泄物的氮元素流失率統(tǒng)一采用30%[13,21]。利用《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊(cè)》,將主要畜禽的產(chǎn)污系數(shù)劃分為五個(gè)區(qū)域取值,這五個(gè)地區(qū)具體包括華北地區(qū)(北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江)、華東地區(qū)(上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東)、中南地區(qū)(河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南)、西南地區(qū)(重慶、四川、貴州、云南、西藏)和西北地區(qū)(山西、甘肅、青海、寧夏、新疆)。
表1 畜禽糞便含氮量以及規(guī)?;B(yǎng)殖水體流失率(%)Table 1 Nitrogen contents in animal manure and loss rate into water(%)
對(duì)于規(guī)?;B(yǎng)殖的具體標(biāo)準(zhǔn),不同統(tǒng)計(jì)資料或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)間存在一定差異,綜合《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》、《中國(guó)畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》信息[16,23-24],本文采用的規(guī)?;瘶?biāo)準(zhǔn)如表2所示。
畜禽排泄物產(chǎn)生的氮元素入水排放總量計(jì)算公式為:
式中,Q1i、Q2i和Q分別為第i種畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖、散養(yǎng)以及所有畜禽總的氮元素入水通量(kg·a-1);Ni存、Ni出為第i種畜禽的年存欄量和出欄量;Pi為規(guī)模化養(yǎng)殖比例;Ei、NEi、LEi分別為畜禽的單位糞便量(kg·只-1·d-1)、糞便含氮量(表1)、糞便水體流失率;Ui、NUi、LUi分別為畜禽的單位尿液量(kg·只-1·d-1)、尿液含氮量、尿液水體流失率;LN為散養(yǎng)的糞便水體流失率。由于2011年以后畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖數(shù)據(jù)缺失,本文利用2006—2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用線性回歸方法來(lái)估算不同畜禽在各地區(qū)的規(guī)模化養(yǎng)殖比例。為了糾正出欄動(dòng)物不再產(chǎn)生糞污這一事實(shí),我們用因子0.542校正了一年中被殺死動(dòng)物的數(shù)量,表示出欄動(dòng)物是年飼養(yǎng)活畜的一部分,以此來(lái)估算出欄畜禽年實(shí)際排污量[25-26]。
如圖1所示,在2006—2016年間,全國(guó)由畜禽養(yǎng)殖排入水體中的氮元素平均通量為4384 Gg,這11年中氮元素入水通量的最大和最小值分別為4832 Gg(2006年)和4010 Gg(2008年),而2006至2008年也是畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量下降最為顯著的時(shí)期。2016年全國(guó)畜禽養(yǎng)殖氮元素排放通量達(dá)到4426 Gg,相比于2006年下降了8%,但在2012年以后的氮元素入水通量幾乎保持不變。Gu等[13]和孫良媛等[3]分別估算出的2010年和2011年畜禽養(yǎng)殖氮元素入水通量為3000 Gg和2140 Gg,本文的估算結(jié)果明顯高于前兩者,由于本文將畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖和散養(yǎng)的糞便排污量分別進(jìn)行計(jì)算,規(guī)?;B(yǎng)殖畜禽糞便的氮元素水體流失率遠(yuǎn)低于散養(yǎng)畜禽糞便氮元素水體流失率,而在這11年中,我國(guó)有相當(dāng)一部分地區(qū)的某些畜禽仍然以散養(yǎng)為主,因此,畜禽散養(yǎng)和規(guī)?;募S便水體流失率差異是造成本文結(jié)果明顯高于前者計(jì)算結(jié)果的主要原因,但本文估算結(jié)果與《全國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報(bào)告》[5]的估算結(jié)果(4071 Gg)相近??傮w來(lái)看,盡管近十年中我國(guó)畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖比例提升顯著,但是入水氮元素通量下降并不顯著。分析原因可能有兩點(diǎn):一是隨著人口增加以及生活水平提高,國(guó)內(nèi)肉類消費(fèi)量逐年上升,同時(shí)活畜禽和鮮凍肉類的出口量也較大[16,27],因此畜禽養(yǎng)殖量仍處于較高規(guī)模;二是規(guī)?;B(yǎng)殖也可能造成污染物的集中排放[28]。規(guī)?;B(yǎng)殖對(duì)糞便集中收集處理效率較高,但是對(duì)畜禽尿液的處理并不理想[29]。規(guī)?;B(yǎng)殖場(chǎng)的清糞方式主要有三種:水沖清糞、干清糞和墊草墊料清糞,其中水沖清糞的排污系數(shù)約為干清糞的3倍[20],墊草墊料清糞最為清潔,但水沖清糞造價(jià)低,操作方便,因此國(guó)內(nèi)很多地方仍采用該方法來(lái)清理畜禽糞便[19,29],如祝其麗等[29]調(diào)查了 2011 年全國(guó) 144 處不同規(guī)模豬場(chǎng)的清糞方式,結(jié)果表明小型養(yǎng)豬場(chǎng)(500~2999頭)水沖清糞的比例高達(dá)87%;劉永豐等[19]對(duì)2014年海南省各地區(qū)畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果顯示全省各地區(qū)至少有60%的養(yǎng)豬場(chǎng)還在使用水沖清糞工藝。綜合各省份畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量,各省份間排放通量差異顯著。2006年畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量最多和最少的省市分別是河南(516 Gg)和上海(148 Gg),分別占該年氮元素總?cè)胨康?1%和0.3%,到2016年,畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量最多和最少的仍是河南(435 Gg)和上海(118 Gg),氮元素入水通量與10年前相比均有所下降,各自占比分別為10%和0.3%。除了河南省之外,山東省、四川省對(duì)于畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量的貢獻(xiàn)也較大,2016年的氮元素入水通量分別是359 Gg和298 Gg,占比分別為8%和7%。
表2 本文對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物規(guī)?;诸悩?biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification criteria on the large-scale farming in this article
圖1 2006—2016年全國(guó)畜禽養(yǎng)殖排入水體的氮元素通量Figure 1 Nitrogen discharge of livestock farming into water in China from 2006 to 2016
在2006—2016年間,不同畜禽養(yǎng)殖類型的氮元素入水通量變化不大(圖2a):在2006年和2016年,羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞、肉雞養(yǎng)殖的氮元素入水通量分別為31、163、177、41、28、42 Gg和22、164、138、59、22、36 Gg;從比例上看(圖2b),2006年和2016年上述各種畜禽的氮元素入水通量分別為7%、34%、36%、8%、6%、9%和5%、37%、31%、13%、5%、8%??傮w來(lái)看,氮元素入水通量按豬>肉牛>奶牛>肉雞>羊>蛋雞的順序依次降低。因此可以看出,我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)中豬和肉牛是導(dǎo)致氮元素進(jìn)入水體的主要排放源。有研究表明[28],在我國(guó)當(dāng)前的畜禽養(yǎng)殖模式下,育肥豬貢獻(xiàn)了約有一半的糞便污染物(包括氮元素、磷元素以及COD等);另外,肉牛的單位產(chǎn)污量最大,約為豬肉的2~3倍,雞肉的5~20倍[28]。本文的結(jié)果也表明,若要有效控制我國(guó)氮元素入水通量,應(yīng)密切關(guān)注畜禽養(yǎng)殖過(guò)程中的氮排放,而在畜禽養(yǎng)殖中豬和牛則是首要的控制因素[28,30]。
圖2 2006—2016年全國(guó)不同養(yǎng)殖類型氮元素流失通量(a)及其比例(b)Figure 2 The nitrogen fluxes(a)of various farmed animals and their proportions(b)in China from 2006 to 2016
由圖3所示,在2006—2016年間,全國(guó)由畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖排入水中的氮元素通量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。在2006年,規(guī)?;B(yǎng)殖氮元素入水通量的比例占總?cè)胨康?3%,在2016年,該比例上升到53%,而這種增加也可以顯著反映我國(guó)規(guī)?;B(yǎng)殖比例的迅速增加。在我國(guó)不同的地理區(qū)域,畜禽散養(yǎng)和規(guī)?;B(yǎng)殖的氮元素入水通量的分布存在較大差異。如圖4所示,我們選擇了2006、2010年和2016年為代表,比較了畜禽散養(yǎng)和規(guī)?;B(yǎng)殖的氮元素入水通量在我國(guó)空間分布上的差異。總體來(lái)看,中南和華北地區(qū)是我國(guó)的畜禽養(yǎng)殖氮元素排放的主要地區(qū),華東和西南次之,西北地區(qū)最少。2016年華北、中南、華東、西南和西北地區(qū)的畜禽氮元素流失通量比例分別為27%、26%、20%、17%、10%。在所有主要區(qū)域中,在中南地區(qū),我國(guó)畜禽散養(yǎng)氮元素入水通量下降趨勢(shì)最為明顯,由2006年的930 Gg下降至2016年的430 Gg,華北和華東地區(qū)次之,下降量分別為437 Gg和426 Gg。對(duì)于西南和西北地區(qū),其畜禽散養(yǎng)帶來(lái)的氮元素入水通量下降趨勢(shì)并不明顯,到2016年仍占相當(dāng)高的比例,西南地區(qū)超過(guò)55%,西北地區(qū)超過(guò)70%。11年來(lái),我國(guó)畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖氮元素入水通量上升趨勢(shì)都較為明顯,中南地區(qū)最多,由2006年的340 Gg上升到2016年的744 Gg,華北、華東、西南、西北地區(qū)的增長(zhǎng)量分別為234、326、154、111 Gg,到2016年,華東、中南地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素排放主要由規(guī)?;B(yǎng)殖引起,分別占各自地區(qū)氮元素入水通量的68%、63%,而華北地區(qū)的規(guī)模化養(yǎng)殖氮元素入水通量占50%,并有繼續(xù)上升的趨勢(shì)(圖3b)。出現(xiàn)這種差異的原因可能是我國(guó)西南和西北地區(qū)地廣人稀,傳統(tǒng)畜禽散養(yǎng)模式向規(guī)?;B(yǎng)殖的轉(zhuǎn)換要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、人口密度大的東南部地區(qū)。
圖3 2006—2016年全國(guó)各地區(qū)畜禽散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖排入水體的氮元素通量Figure 3 The nitrogen fluxes of livestock farming into water in scattered-scale and large-scale in China from 2006 to 2016
圖4 2006、2010年和2016年全國(guó)畜禽散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖排入水體的氮元素通量Figure 4 The nitrogen fluxes of livestock farming into water in scattered-scale and large-scale livestock farming in 2006,2010 and 2016
不同畜禽類型(包括羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞)通過(guò)散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖的氮元素入水通量變化如圖5所示。不同畜禽類型通過(guò)散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖帶來(lái)的氮元素排放通量差異顯著。具體來(lái)說(shuō),羊、肉牛和蛋雞由散養(yǎng)向水中排放的氮元素量較大,在2006年和2016年的排放量分別為302、1499、270 Gg和201、930、172 Gg。在 2016年,其排放在總排放中的比例分別高達(dá)91%、76%、67%。顯著不同的是,豬和肉雞由散養(yǎng)排放氮元素通量的比例下降明顯,豬散養(yǎng)的氮元素入水通量在2006年和2016年分別為1042 Gg和347 Gg,占其總通量的64%和21%;肉雞散養(yǎng)的氮元素入水通量在2006年和2016年分別為311 Gg和136 Gg,占其總通量的74%和38%。奶牛散養(yǎng)的氮元素入水通量在過(guò)去11年內(nèi)幾乎保持不變(均在295~297 Gg范圍內(nèi)),但是該部分的排放比例下降卻較為顯著,由2006的72%降至2016年的50%。這種差異也體現(xiàn)了不同畜禽養(yǎng)殖類型在規(guī)?;B(yǎng)殖比例中的差異。
不同區(qū)域的不同畜禽類型通過(guò)散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖的氮元素入水通量也有差異,如2016年(圖6),華北、華東、中南地區(qū)氮素入水量主要由豬規(guī)?;B(yǎng)殖排放,2016年豬規(guī)模化養(yǎng)殖排放的比例分別為36%、36%、47%,這些區(qū)域應(yīng)該加強(qiáng)規(guī)?;i養(yǎng)殖糞便污染配套設(shè)施建設(shè)。西南和西北地區(qū)氮素入水量主要由肉牛散養(yǎng)排放,2016年兩區(qū)域的肉牛散養(yǎng)排放比例分別為39%和27%,因此應(yīng)該加強(qiáng)散養(yǎng)肉牛的糞便污染控制。總體來(lái)看,豬規(guī)模化養(yǎng)殖和肉牛散養(yǎng)排放的氮元素在各個(gè)地區(qū)均占有較大比例。另外,由羊散養(yǎng)進(jìn)入水體中的氮元素在西北地區(qū)的比例較其他地區(qū)高,該地區(qū)也應(yīng)該加強(qiáng)散養(yǎng)羊的糞便污染控制。
圖5 2006—2016年不同動(dòng)物散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖氮元素入水通量Figure 5 The nitrogen fluxes of all kinds of animals in scattered-scale and large-scale livestock farming from 2006 to 2016
(1)2006—2016年,全國(guó)由畜禽養(yǎng)殖排入水體中的氮元素平均通量為4384 Gg,相比于2006年,2016年氮元素入水通量略有下降。規(guī)模化養(yǎng)殖氮元素入水通量所占的比例由2006年的23%上升到2016年的53%,因此,規(guī)?;B(yǎng)殖帶來(lái)的污染物排放在未來(lái)水環(huán)境管理中需要優(yōu)先考慮。
(2)過(guò)去11年內(nèi),我國(guó)中南、華北、華東、西南、西北地區(qū)規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖的氮元素入水通量分別增長(zhǎng)了404、234、326、154、111 Gg;在2016年,羊、肉牛、蛋雞、奶牛、肉雞和豬散養(yǎng)的氮元素入水通量分別占比91%、76%、67%、50%、38%、21%。
(3)對(duì)于不同畜禽養(yǎng)殖類型,氮元素入水通量按豬>肉牛>奶牛>肉雞>羊>蛋雞的順序依次降低。2016年,華北、華東、中南地區(qū)氮素入水量主要由豬規(guī)模化養(yǎng)殖排放,排放比例分別為36%、36%、47%,西南和西北地區(qū)氮素入水量主要由肉牛散養(yǎng)排放,排放比例分別為39%和27%,總體來(lái)看,肉牛和豬成為我國(guó)畜禽養(yǎng)殖氮元素入水通量的主要排放源。
圖6 2016年各地區(qū)不同養(yǎng)殖類型和方式的氮元素排放比例Figure 6 Proportional distributions of nitrogen released from different types and methods of livestock farming in different regions in 2016
農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2018年12期