基于耕地承載力的畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究
——以四川省為例

郭珊珊, 張 涵, 楊汝馨

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川， 成都 610000；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 四川， 成都 610041)

畜禽養(yǎng)殖污染是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要組成部分，據(jù)全國(guó)污染源普查數(shù)據(jù)，畜禽糞便中COD，TN和TP的產(chǎn)生量分別占農(nóng)業(yè)污染源的96%，38%和65%[1]。目前，回田利用為畜禽糞便處理的主要有效手段，但當(dāng)糞便產(chǎn)生量超過土壤承載力時(shí)，則會(huì)對(duì)土壤造成污染，因此有必要控制畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和養(yǎng)殖密度，使糞便產(chǎn)生量不超過耕地最大承載能力。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)畜禽養(yǎng)殖引起的農(nóng)業(yè)面源污染已開展了一些定量研究。王方浩等[2]和張緒美等[3]研究了中國(guó)畜禽養(yǎng)殖的污染產(chǎn)生量，并結(jié)合耕地面積估算全國(guó)農(nóng)田耕地負(fù)荷量。楊飛等[4]對(duì)中國(guó)近30 a畜禽養(yǎng)殖量及其耕地氮污染負(fù)荷分析；劉曉利等[5]對(duì)中國(guó)各省不同養(yǎng)殖模式下生豬、奶牛、肉牛、肉雞以及蛋雞畜禽糞便氮構(gòu)成進(jìn)行相關(guān)分析；劉亞瓊等[6]運(yùn)用輸出系數(shù)模型估算了北京市的需求養(yǎng)殖、土地利用等多種面源污染的污染負(fù)荷。王曉燕等[7]根據(jù)作物所需畜禽糞尿的最大量，估算北京密云縣耕地畜禽糞便負(fù)荷并進(jìn)行潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。胡蕓蕓等[8]對(duì)沱江流域農(nóng)業(yè)面源污染排放特征進(jìn)行分析，探明了畜禽養(yǎng)殖是其首要污染來源，以及沱江農(nóng)業(yè)面源污染重點(diǎn)防治區(qū)域。以上學(xué)者從畜禽糞便產(chǎn)生量、糞便污染物含量以及流失量等方面做了評(píng)估，但大部分研究為全國(guó)范圍或集中在北方地區(qū)，針對(duì)西南地區(qū)畜禽養(yǎng)殖的污染分析相對(duì)偏少。

四川省位于長(zhǎng)江中上游，區(qū)內(nèi)山地、丘陵、平原和高原分別占全省面積74.2%，10.3%，8.2%和7.3%，特別是高原和山地地區(qū)，農(nóng)業(yè)是主要經(jīng)濟(jì)來源之一，畜禽養(yǎng)殖業(yè)占有很大比重。因此，本文擬以四川省為例，計(jì)算各市州的畜禽糞便產(chǎn)生量、主要污染物產(chǎn)生量和流失量，并利用ArcGIS分析污染物產(chǎn)生，N，P負(fù)荷的空間分布，結(jié)合各市州的年末耕地面積，建立耕地承載力與畜禽養(yǎng)殖量之間的關(guān)系，進(jìn)而探討區(qū)內(nèi)畜禽養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境造成的威脅程度，為西南地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究背景

2016年末四川省常住人口8.26×107人，其中50.79%的居民主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[9]，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)中占有重要地位。四川省畜禽養(yǎng)殖業(yè)大多都沒有建立糞污處理設(shè)施，污染物直接或間接沖刷進(jìn)入地表水環(huán)境，使得水環(huán)境生態(tài)遭到破壞，局部水體富營(yíng)養(yǎng)化和主要污染物指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重，對(duì)人們的生產(chǎn)和生活造成巨大影響，畜禽養(yǎng)殖污染已成為四川農(nóng)業(yè)面源污染最重要的來源之一。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以豬、牛、羊和家禽(含兔子)的糞便為研究對(duì)象，選取統(tǒng)計(jì)年鑒中出欄量或存欄量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。飼養(yǎng)數(shù)量考慮畜禽飼養(yǎng)周期，豬和家禽的飼養(yǎng)量以當(dāng)年出欄數(shù)計(jì)，牛和羊的飼養(yǎng)量以年末存欄量計(jì)[3,10]。各類糞尿的日排泄系數(shù)以國(guó)家環(huán)保部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[11]，結(jié)合中國(guó)分省畜禽日產(chǎn)污系數(shù)[12]和四川省規(guī)模養(yǎng)殖產(chǎn)排污系數(shù)實(shí)測(cè)值[13]，最終確定豬、牛糞和尿的日排泄系數(shù)分別為4.80，3.86，26.12，11.70 kg/d，羊、家禽糞的日排泄系數(shù)分別為2.09，0.12 kg/d。畜禽糞便中主要污染物為化學(xué)需氧量(COD),氨態(tài)氮(NH3-N),全氮(TN)和全磷(TP)[14-15]，其平均含量以及進(jìn)入水體的流失率根據(jù)以往研究[3,10-11]和國(guó)家環(huán)保部公布的數(shù)據(jù)確定，詳見圖1和表1。

注：COD為化學(xué)需氧量，反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度。圖1 四川省各類畜禽糞便中主要污染物含量

表1四川省畜禽糞便污染物進(jìn)入水體的流失率%

注：COD為化學(xué)需氧量，反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度。

1.3 負(fù)荷估算及預(yù)警方法

1.3.1 畜禽糞便污染流失量負(fù)荷估算 畜禽養(yǎng)殖污染的產(chǎn)生一般經(jīng)歷以下3個(gè)過程：①產(chǎn)生畜禽糞便；②畜禽糞便和污水排放到周圍環(huán)境中；③未經(jīng)處理利用的糞便和污水進(jìn)入水體。本文采用輸出系數(shù)模型描述畜禽養(yǎng)殖污染過程，有別于傳統(tǒng)的具有物理基礎(chǔ)的模型，輸出系數(shù)模型克服了面源污染的復(fù)雜性、隨機(jī)性等帶來的建模困難，能在基礎(chǔ)資料較少的情況下，較好地解決面源污染負(fù)荷估計(jì)問題[3,10,16]。根據(jù)畜禽數(shù)量、飼養(yǎng)周期和不同畜禽種類的排泄系數(shù)，通過輸出系數(shù)模型，估算畜禽糞便年產(chǎn)生量(公式1)，各污染物的含量(公式2)和流失量(公式3)

(1)

Lp=W×Lc/1000

(2)

Vq=Lp×Vr

(3)

式中：W——各類畜禽糞便年產(chǎn)生量(t)；Lq——畜禽數(shù)量(只/頭)；T——飼養(yǎng)周期(d)，本文中豬取199 d，牛、羊取365 d，家禽取210 d；C為各類糞便排泄系數(shù)(kg/d)，取值見基礎(chǔ)數(shù)據(jù)部分；Lp——畜禽糞便污染物量(t)；Lc——畜禽糞便污染物含量(kg/t)，取值見圖1，根據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩职l(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定[3,10-11]；Vq——畜禽糞便污染物流失量(t)；Vr——進(jìn)入水體流失率(%)，取值見表1。

1.3.2 畜禽糞便耕地負(fù)荷估算及預(yù)警 畜禽糞便耕地承載力指一定時(shí)間、一定范圍耕地消納糞便的能力，本研究中用土壤對(duì)畜禽糞便的負(fù)荷量來表示。不同畜禽糞便的肥效養(yǎng)分有差異，故耕地對(duì)不同種類糞便的消納量也有所差異。為方便統(tǒng)計(jì)，本研究使用換算系數(shù)將畜禽糞便換算成豬當(dāng)量，計(jì)算土地對(duì)畜禽糞便的負(fù)荷量[11-12,14]。各類畜禽糞尿折算豬當(dāng)量系數(shù)見表2。豬糞中N，P分別占0.65%和0.169%(以N和P2O5計(jì))[2]。

表2 四川省各類畜禽糞尿折算豬當(dāng)量系數(shù) %

耕地環(huán)境承載力采用單位耕地面積畜禽糞便負(fù)荷量來表示[17](式4)，并用單位耕地面積N，P負(fù)荷量來衡量耕地污染情況，計(jì)算公式如下(式5和6)：

(4)

(5)

(6)

式中：q——耕地畜禽糞尿負(fù)荷量(t/hm2)；Q——各類畜禽糞尿的豬糞當(dāng)量(t)；S——有效耕地面積(hm2)；X——某類畜禽糞尿排放量(t)；T——某類畜禽糞尿豬當(dāng)量的換算系數(shù)；qN——單位耕地面積N負(fù)荷量；qP——單位耕地面積P負(fù)荷量。預(yù)警值計(jì)算公式如下：

(7)

式中：R——耕地預(yù)警值，P——最大理論適用量(t/hm2)。

每公頃土地能夠承受的畜禽糞尿在30～45 t左右，若高出這一水平會(huì)超過土壤最大承載力能力[9]。從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境經(jīng)濟(jì)的角度考慮，本文選取平均值37.5 t作為最大理論適宜量。對(duì)耕地預(yù)警值(R)進(jìn)行分級(jí)[3,10]，分為Ⅰ到Ⅵ級(jí)，用以評(píng)價(jià)研究區(qū)域內(nèi)畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成的壓力及潛在影響，Ⅰ級(jí)為對(duì)環(huán)境無威脅，Ⅵ為對(duì)環(huán)境嚴(yán)重威脅。各等級(jí)所對(duì)應(yīng)的預(yù)警值詳見表3。

表3 四川省畜禽糞便污染耕地承載力預(yù)警值R分區(qū)

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞便產(chǎn)量分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，四川省2016年年末畜禽糞尿總產(chǎn)生量2.94×108t，糞占67%，尿占33%。各種糞便中牛糞產(chǎn)生量最大，為9.22×107t，占總產(chǎn)生量的31.32%；其次是豬糞，6.95×107t，占總產(chǎn)生量的23.6%；再次是家禽糞，2.20×107t,占總產(chǎn)生量的7.45%；最少的是羊糞，1.36×107t，占總產(chǎn)生量的4.62%。由此可知，四川省畜禽糞便產(chǎn)生主要集中在牛、豬養(yǎng)殖業(yè)，且豬養(yǎng)殖在四川省的分布較為均勻，牛的分布則呈現(xiàn)一定的區(qū)域性，在甘阿涼地區(qū)主要以牛為養(yǎng)殖畜禽種類，以上三州牛糞和尿的產(chǎn)生量均占總牛糞和尿產(chǎn)生量的57%。

由圖2可見各市州畜禽糞便產(chǎn)生量空間分布，甘孜州、涼山州、阿壩州、達(dá)州市的畜禽糞便產(chǎn)生量較大，分別為3.37×107，3.24×107，2.589×107，2.11×107t，畜禽糞便產(chǎn)生量最小為攀枝花市，僅有2.92×106t。不同市州間糞便產(chǎn)生量出現(xiàn)差異的原因主要是各市州之間經(jīng)濟(jì)水平和畜牧業(yè)發(fā)展不平衡，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后地區(qū)，以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)所占比重較大，糞便產(chǎn)生量也較大。

圖2 2016年四川省各市州畜禽糞尿產(chǎn)生量負(fù)荷

2.2 畜禽糞便污染物產(chǎn)生負(fù)荷量及流失量分析

四川省畜禽糞便污染物產(chǎn)生負(fù)荷總量為8.08×106t，其中COD，NH3-N，TN和TP產(chǎn)生量分別占總產(chǎn)生量的65%，8%，22%和5%。由于大部分畜禽糞便污染物中COD含量都較大，因此COD的產(chǎn)生負(fù)荷量也高。各市州畜禽糞便主要污染物產(chǎn)生負(fù)荷量空間分布情況見圖3。各市州污染物產(chǎn)生負(fù)荷量有明顯差異，主要污染物最大總產(chǎn)生負(fù)荷量均出現(xiàn)在甘孜州和涼山州，分別為1.07×106t和1.01×106t。TN、NH3-N和COD產(chǎn)生負(fù)荷量在甘孜州、涼山州和阿壩州最大，TN產(chǎn)生負(fù)荷量在以上三州分別為1.86×105t，1.76×105t和1.43×105t；NH3-N產(chǎn)生負(fù)荷量在以上三州的負(fù)荷分別7.47×104t，6.29×104t，5.69 ×104t；COD產(chǎn)生負(fù)荷量在以上3州分別為7.73×105，7.34×105，5.93×105t。TP產(chǎn)生負(fù)荷量在涼山州、甘孜州和達(dá)州市最大，分別為3.85×104，3.29×104，2.74×104t。攀枝花市的主要產(chǎn)業(yè)為第二產(chǎn)業(yè)即加工制造業(yè)，占其主要經(jīng)濟(jì)來源的69%，而第一產(chǎn)業(yè)只占了3%，且在第一產(chǎn)業(yè)中，畜禽養(yǎng)殖業(yè)僅占了31%，因此畜禽養(yǎng)殖中各類污染物的產(chǎn)生負(fù)荷量均最低。

圖3 四川省各市州COD，NH3-N，TN和TP輸入量

四川省畜禽糞便污染物流失總量為1.17×106t，占畜禽糞便污染物產(chǎn)生負(fù)荷總量的14.41%；其中COD，NH3-N，TN和TP流失量分別占流失總量的63%，9%，25%，3%。表4對(duì)污染流失結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，COD流失量最高，是污染物流失結(jié)構(gòu)中最主要的組成部分，大量未經(jīng)處理的畜禽糞便直接或間接的進(jìn)入水體，將導(dǎo)致水體COD含量增加。在流失結(jié)構(gòu)中，流失量次高的是TN，NH3-N和TP流失量較小。甘孜州、涼山州和阿壩州的污染物總流失量最大，分別為：1.43×105，1.29×105，1.10×105t。其次是達(dá)州市、南充市、成都市和綿陽市，分別為9.39×104，8.33×104，7.85×104，6.61×104t。攀枝花市污染物總流失量最小，僅為1.21×104t。達(dá)州市、南充市、成都市和綿陽市，盡管這些地區(qū)相對(duì)甘阿涼地區(qū)畜禽糞便處理技術(shù)相對(duì)成熟，但其糞便產(chǎn)生基數(shù)較大，畜禽糞便的產(chǎn)生量和流失量較大；其次隨著城市的發(fā)展，人口數(shù)量增多，耕地面積逐年減少，畜禽糞便作為有機(jī)肥回填利用的途徑也在不斷減少，導(dǎo)致其對(duì)環(huán)境造成潛在污染。

表4 四川省各市州COD，NH3-N，TN和TP流失總量及各污染物流失量

通過以上計(jì)算可知，糞便產(chǎn)生量排序依次是豬糞>家禽糞>牛糞>豬尿>牛尿>羊糞，糞便流失量，排序依次是豬尿>牛尿>豬糞>家禽糞>牛糞>羊糞?？梢姡孩僖?guī)模化養(yǎng)殖數(shù)量較大，畜禽糞便的產(chǎn)生量較大，對(duì)應(yīng)的其污染物的流失量也較大。②對(duì)于同種畜禽，其糞便中尿的流失量要大于其糞便的流失量。

2.3 耕地消納畜禽糞便預(yù)警分析

為研究耕地消納畜禽糞便的潛質(zhì)以及糞便對(duì)環(huán)境構(gòu)成污染的程度，本文根據(jù)各區(qū)的豬當(dāng)量負(fù)荷和耕地面積，計(jì)算單位耕地面積的豬當(dāng)量負(fù)荷量預(yù)警值(詳見表5)。

表5 四川省各市州耕地面積、豬當(dāng)量負(fù)荷及耕地預(yù)警值

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，四川省畜禽糞便豬當(dāng)量負(fù)荷平均值為50.31 t/hm2，平均負(fù)荷預(yù)警值1.34，平均風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅳ級(jí)，對(duì)環(huán)境有威脅。但不同市州之間差異頗大，甘孜州和阿壩州豬當(dāng)量負(fù)荷較高，分別為259.71 t/hm2和247.97 t/hm2；自貢市豬當(dāng)量負(fù)荷最小，僅為3.2 t/hm2。結(jié)合甘孜州和阿壩州耕地面積分別為1.03×105hm2和8.38×104hm2，甘孜州和阿壩州的耕地預(yù)警值高達(dá)6.93和6.61，其單位耕地豬當(dāng)量負(fù)荷級(jí)數(shù)屬Ⅵ級(jí)，即對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅；結(jié)合涼山州的耕地面積5.81×105hm2，其單位耕地豬當(dāng)量負(fù)荷級(jí)數(shù)Ⅳ級(jí)，預(yù)警值為1.34，即對(duì)環(huán)境有威脅。其余多數(shù)城市耕地預(yù)警值屬Ⅲ級(jí)，即對(duì)環(huán)境較輕威脅，自貢市耕地預(yù)警值屬Ⅰ級(jí)，對(duì)環(huán)境無威脅。由于甘阿涼三州自然條件，區(qū)內(nèi)種植業(yè)作物生長(zhǎng)受限，導(dǎo)致以上各區(qū)對(duì)糞便作為有機(jī)肥回收利用率低。此外，結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸、糞便利用工藝等更準(zhǔn)確估計(jì)畜禽糞便利用率。本文中討論的畜禽糞便消納場(chǎng)所主要為農(nóng)耕地，未考慮果園、草地等其他土地類型的糞便消納能力，甘阿涼地區(qū)果園、草地面積占比均高于農(nóng)耕地面積，在評(píng)價(jià)此地區(qū)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，將果園、草地等面積計(jì)入畜禽糞便消納面積進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算。

進(jìn)一步分析比較各市州單位耕地面積N，P耕地負(fù)荷量分布特征(附圖9)。四川省N，P單位耕地面積負(fù)荷量平均值分別為327，85 kg/hm2。N，P單位耕地面積負(fù)荷量空間分布存在一致性，即N負(fù)荷量大的區(qū)域，P的負(fù)荷量也相應(yīng)較大。最大N，P單位耕地面積負(fù)荷量出現(xiàn)在甘孜州和阿壩州：N在甘孜州和阿壩州分別為1.69×103，1.61×103kg/hm2；P在甘孜州和阿壩州439，419 kg/hm2。其次為涼山州，N，P單位耕地面積負(fù)荷量分別為327，85 kg/hm2。除以上3州外，其余各市N，P單位耕地面積負(fù)荷平均值分別為180.06，46.82 kg/hm2，自貢市最小，分別為20.79，5.41 kg/hm2。對(duì)比歐盟關(guān)于投入農(nóng)田糞便氮、磷的環(huán)境污染指標(biāo)，N投入最高限值170 kg/(hm2·a)和P投入最高限值40 kg/(hm2·a)[19-20]，四川境內(nèi)阿壩州、甘孜州和涼山州的N，P單位耕地面積負(fù)荷量均已明顯超標(biāo)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重污染隱患，而其他市的單位耕地面積的N，P負(fù)荷值則略超出標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境有一定的威脅，其威脅程度相對(duì)較小。

3 結(jié)論與建議

本文通過對(duì)四川省2016年畜禽糞便量、污染物產(chǎn)生量、流失量及耕地負(fù)荷計(jì)算，得到以下結(jié)論：①四川省畜禽糞便污染的來源主要是牛糞和豬糞，不同州市畜禽糞便產(chǎn)生量有較大差異。畜禽糞便污染物中COD產(chǎn)生量最大，TP產(chǎn)生量最小，污染物產(chǎn)生量與流失量成正比關(guān)系；②四川省畜禽糞便單位面積耕地豬糞當(dāng)量負(fù)荷平均值為50.31 t/hm2，單位耕地豬糞當(dāng)量負(fù)荷警報(bào)值為1.34，總體級(jí)別為Ⅳ級(jí)，現(xiàn)階段畜禽糞便的產(chǎn)生已對(duì)四川省環(huán)境有威脅；③不同州市之間耕地畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷差別較大，阿壩州和甘孜州的單位耕地豬糞當(dāng)量負(fù)荷級(jí)數(shù)為Ⅵ級(jí)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成很嚴(yán)重威脅；涼山州的單位耕地豬糞當(dāng)量負(fù)荷級(jí)數(shù)為Ⅳ級(jí)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成有威脅；其他多數(shù)城市為Ⅲ級(jí)，對(duì)環(huán)境有較輕威脅。

在今后農(nóng)業(yè)發(fā)展及畜禽管理方面，對(duì)于警報(bào)值為Ⅱ和Ⅲ級(jí)市州，建議優(yōu)化其畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模大小，減少畜禽糞污排放；對(duì)于報(bào)警值為Ⅳ級(jí)的區(qū)域，建議作為限制發(fā)展區(qū)，限制其畜禽養(yǎng)殖規(guī)模再擴(kuò)張，采取部分畜種遷移至有承載力的區(qū)域養(yǎng)殖或增加耕地面積和作物種植面積，同時(shí)積極爭(zhēng)取各級(jí)政府及環(huán)保部門、單位的污染治理投入，推廣農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)平衡、生態(tài)循環(huán)的發(fā)展，從而促進(jìn)因地制宜的畜禽生態(tài)養(yǎng)殖模式。

本文采用輸出系數(shù)模型對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染物負(fù)荷進(jìn)行估算，模型中的系數(shù)流失率等來自經(jīng)驗(yàn)平均數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)報(bào)道，未考慮飼養(yǎng)方式、飼料、畜禽品種以及飼養(yǎng)場(chǎng)地流失條件差異造成的不同情況。另一方面，本研究將耕地作為畜禽糞便的承載區(qū)域，未考慮到林地、草原等作為承載區(qū)域，需進(jìn)一步研究畜禽糞便的最終去處以便更準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)境預(yù)警值。因此，在今后需在這些方面開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模擬研究，獲取更可靠的估算參數(shù)及數(shù)據(jù)，以便更準(zhǔn)確計(jì)算畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境污染負(fù)荷。