張掖市畜禽糞便污染物估算及農(nóng)田承載力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王 磊，張永東，馬 斌，胡俊慧，伏中方，陳曉燕

（張掖市畜牧管理站，甘肅 張掖 734000）

近年來(lái)，我國(guó)畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖水平明顯提高，保障了肉蛋奶的有效供給，但大量養(yǎng)殖廢棄物沒(méi)有得到有效處理和利用，成為農(nóng)村環(huán)境治理的一大難題。黨的十八大以來(lái)，黨中央、國(guó)務(wù)院統(tǒng)籌推進(jìn)“五位一體”總體布局和協(xié)調(diào)推進(jìn)“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局，牢固樹(shù)立和貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，堅(jiān)持保供給與保環(huán)境并重，打響了畜禽廢棄物資源化利用攻堅(jiān)戰(zhàn)，并取得了明顯成效。張掖市位于甘肅省河西走廊中段，地處甘、青、蒙三省交界處，位居中國(guó)第二大內(nèi)陸河黑河中上游，是古絲綢之路的咽喉要道，也是全國(guó)重要的玉米種子、瓜果蔬菜、肉牛肉羊生產(chǎn)基地，更是現(xiàn)代絲路寒旱農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的承載區(qū)和國(guó)家西部重要的生態(tài)安全屏障，做好該地區(qū)畜禽糞污資源化利用工作，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，全國(guó)各地對(duì)畜禽糞便產(chǎn)生量、糞污農(nóng)田土地承載力及環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)等研究較多，而對(duì)甘肅河西走廊現(xiàn)代絲路寒旱農(nóng)業(yè)區(qū)畜禽糞便土地承載力等方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究根據(jù)2017年張掖市畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展情況，對(duì)畜禽糞便污染物產(chǎn)生量及糞污農(nóng)田負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，旨在以張掖市為例對(duì)甘肅河西走廊寒旱農(nóng)業(yè)區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染治理提供思路與對(duì)策。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

張掖市轄甘州區(qū)、臨澤縣、高臺(tái)縣、山丹縣、民樂(lè)縣、肅南縣6個(gè)縣區(qū)。本研究以縣區(qū)為單位，以2017年張掖市統(tǒng)計(jì)年鑒［1］公布的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，測(cè)算全市豬、牛、羊、雞的糞便及其污染物產(chǎn)生量。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 畜禽糞便量的計(jì)算 由于受飼養(yǎng)品種、養(yǎng)殖環(huán)境、飼料配方、氣候差異等因素影響，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)畜禽糞便的日排泄系數(shù)和污染物排放系數(shù)均無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)常采用以下2種方法：一種是根據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩质褂玫姆椒ǎ瑢⒋鏅诹?、日排泄系數(shù)和飼養(yǎng)周期三者相乘，得出一個(gè)周期的糞便產(chǎn)生量，用于估算全年糞便產(chǎn)生量；另一種是將畜禽年內(nèi)出欄量和年末存欄量之和，日排泄系數(shù)和飼養(yǎng)周期三者相乘，估算全年糞便產(chǎn)生量［2］。以上兩種方法的差異體現(xiàn)在畜禽數(shù)量的確定上，前一種方法由于只考慮一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的畜禽存欄量，中間時(shí)期出欄的畜禽數(shù)量未考慮，得出的結(jié)果可能偏?。缓笠环N方法雖然考慮了年內(nèi)出欄量和年末存欄量，但由于年末存欄畜禽未經(jīng)歷完整的飼養(yǎng)周期，易高估糞便產(chǎn)生量。本研究結(jié)合兩種估算方法的優(yōu)點(diǎn)，參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 497—2009）相關(guān)參數(shù)，綜合考慮不同畜禽飼養(yǎng)周期選取不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般生長(zhǎng)周期小于1年的，以當(dāng)年出欄數(shù)作為飼養(yǎng)量；生長(zhǎng)周期大于1年的，按年末存欄數(shù)作為飼養(yǎng)量。本研究中牛羊、生豬、家禽的飼養(yǎng)周期分別按365、160和210 d計(jì)，牛羊糞便量采用年末存欄量來(lái)計(jì)算，豬的年出欄數(shù)代表豬當(dāng)年飼養(yǎng)量，雞以出欄數(shù)代表當(dāng)年飼養(yǎng)量。計(jì)算方法為：存欄量（牛、羊）或出欄量（豬、雞）×糞便日排泄量（kg）×飼養(yǎng)周期（d）。本研究中畜禽糞便 日排泄量［3］和糞便污染物平均含量［4］見(jiàn)表 1。

表1畜禽糞便日排泄量及其污染物平均含量kg/t

1.2.2 畜禽糞便負(fù)荷量的計(jì)算 由于不同類型的畜禽，其糞便養(yǎng)分差異較大，農(nóng)田消納量也有較大差異。因此，本研究根據(jù)各類畜禽糞便含氮量，將各種畜禽糞便統(tǒng)一折算為豬糞當(dāng)量，用可比性較強(qiáng)的豬糞當(dāng)量負(fù)荷來(lái)計(jì)算畜禽糞便的實(shí)際負(fù)荷量。豬糞當(dāng)量換算系數(shù)［5］見(jiàn)表2。

表2畜禽糞便豬糞當(dāng)量換算系數(shù)

畜禽糞便負(fù)荷量估算公式［6］：

式（1）中：q為畜禽糞便豬當(dāng)量負(fù)荷值［t（/hm2·a）］；Q為各類畜禽糞便當(dāng)量總量（t/a）；S為有效耕地面積（hm2）；X為各類畜禽糞便量（t/a）；T為豬糞當(dāng)量的換算系數(shù)。

1.2.3 耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警值 為反映土地畜禽糞便負(fù)荷程度，特估算耕地畜禽糞便負(fù)荷預(yù)警值，估算公式［6］：

式（2）中:r為糞便的負(fù)荷承受程度預(yù)警值，隨著r值逐漸增大，畜禽糞便將逐漸超過(guò)農(nóng)田的可容納量或承受程度；q為畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷值［t（/hm2·a）］；p為有機(jī)肥最大適宜施用量［t/（hm2·a）］。

2 結(jié)果與分析

2.1 張掖市畜禽養(yǎng)殖情況

據(jù)2017年度張掖市統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，全市牛出欄量27.84萬(wàn)頭，年末存欄量69.11萬(wàn)頭；生豬出欄量76.20萬(wàn)頭，年末存欄量65.80萬(wàn)頭；羊當(dāng)年出欄量205.07萬(wàn)只，年末存欄量276.23萬(wàn)只；禽（主要為雞）出欄量642.81萬(wàn)只，年末存欄量412.87萬(wàn)只（見(jiàn)表3）。全市6個(gè)縣區(qū)中甘州區(qū)牛存欄量、羊存欄量、豬出欄量和雞出欄量均最大，分別占全市牛存欄量的45%、羊存欄量的26%、豬出欄量的41%、雞出欄量的70%。

表3 2017年張掖市畜禽飼養(yǎng)情況及畜禽糞便污染物產(chǎn)生量

2.2 畜禽糞便污染物產(chǎn)生量

根據(jù)張掖市全年畜禽飼養(yǎng)數(shù)據(jù)、畜禽糞尿及其污染物排泄系數(shù)，計(jì)算得出全市及分縣區(qū)畜禽糞便年產(chǎn)生量（表4）。結(jié)果表明，張掖市畜禽糞尿年排放量1 156.95萬(wàn)t，其中甘州區(qū)447.07萬(wàn)t，畜禽糞尿產(chǎn)生量最大，占全市糞尿產(chǎn)生總量的38.60%；其次為臨澤縣和高臺(tái)縣，畜禽糞尿產(chǎn)生量分別占全市總量的19.40%和17.20%，甘州區(qū)、臨澤縣、高臺(tái)縣3縣區(qū)畜禽糞尿產(chǎn)生量合計(jì)占到全市的75.2%，山丹縣、民樂(lè)縣、肅南縣畜禽糞尿產(chǎn)生量相比較小，合計(jì)占到全市總量的24.80%。分畜種來(lái)看，牛糞便產(chǎn)生量756.7萬(wàn)t（占總量65.40%）＞羊262.13萬(wàn)t（占總量22.65%）＞豬121.28萬(wàn)t（占總量10.50%）＞雞16.84萬(wàn)t（占總量1.45%）。

大量的畜禽糞便產(chǎn)生 CODcr、BOD5、NH3-N、TN 和TP等大量污染物。張掖市畜禽糞便污染物含量見(jiàn)表3，2017 年張掖市畜禽糞便產(chǎn)生的 CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP 分別為 21.25 萬(wàn) t、16.19 萬(wàn) t、2.19 萬(wàn) t、6.81 萬(wàn) t、1.58萬(wàn)t，污染物合計(jì)總量48.02萬(wàn)t。參考國(guó)家環(huán)?？偩痔峁┑男笄菁S便污染物平均流失率一般為30%～40%，按照30%最低流失率計(jì)算，理論上張掖市畜禽糞便污染物年流失 CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP 分別為6.38 萬(wàn) t、4.86 萬(wàn) t、0.66 萬(wàn) t、2.04 萬(wàn) t、0.47 萬(wàn) t，流失污染物總量14.41萬(wàn)t?？梢?jiàn)畜禽糞便污染物對(duì)環(huán)境造成的污染威脅是非常大的，如處理不當(dāng)，將對(duì)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和水體造成嚴(yán)重影響。

表4 2017年張掖市畜禽飼養(yǎng)情況及畜禽糞便污染物產(chǎn)生量 萬(wàn)t

2.3 張掖市耕地畜禽糞便負(fù)荷量計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)分析

不同畜禽糞便的養(yǎng)分差異較大，因此本研究將各類畜禽糞便統(tǒng)一換算為豬糞當(dāng)量值進(jìn)行分析（表5和表6）。劉培芳等［2］研究發(fā)現(xiàn)，在化肥習(xí)慣施用量為225 kg/hm2純氮的基礎(chǔ)上，豬糞當(dāng)量以15～30 t/（hm2·a）為宜。本研究取值45 t/（hm2·a）作為有機(jī)肥用于農(nóng)田的最大適宜施用量，如果高于這一水平就會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。張掖市6個(gè)縣區(qū)中，肅南縣主要以草原畜牧業(yè)生產(chǎn)為主，其畜禽糞便豬當(dāng)量負(fù)荷量以草原面積為主進(jìn)行單獨(dú)核算。結(jié)果表明：張掖市5縣區(qū)（肅南縣不計(jì)）畜禽糞便豬當(dāng)量負(fù)荷量在10.29～52.15 t/（hm2·a）之間，平均33.28 t/（hm2·a）。根據(jù)農(nóng)田負(fù)荷預(yù)警值分析，張掖市畜禽糞便負(fù)荷量預(yù)警值平均0.74，為Ⅲ級(jí)，已超出了農(nóng)田消納能力，對(duì)周?chē)h(huán)境構(gòu)成了一定影響。分縣區(qū)看，民樂(lè)縣預(yù)警值0.23，為Ⅰ級(jí)，對(duì)環(huán)境無(wú)影響；山丹縣預(yù)警值0.56，為Ⅱ級(jí)，對(duì)環(huán)境稍有影響；甘州區(qū)、臨澤縣、高臺(tái)縣預(yù)警等級(jí)均為Ⅳ級(jí)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成較嚴(yán)重影響。

肅南縣作為張掖市主要的草原畜牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)，擁有各類草原178.5萬(wàn)hm2，而耕地面積僅有1.36萬(wàn)hm2，草原面積中除去落實(shí)草原生態(tài)補(bǔ)獎(jiǎng)?wù)咧兄攸c(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和核心區(qū)禁牧的46.8萬(wàn)hm2外，還有131.7萬(wàn)hm2草原可開(kāi)展畜牧業(yè)生產(chǎn)。因此，表6中肅南縣的糞污土地可消納面積以可實(shí)際開(kāi)展畜牧業(yè)生產(chǎn)的131.7萬(wàn)hm2草原和1.36萬(wàn)hm2耕地面積之和為準(zhǔn)，合計(jì)133.06萬(wàn)hm2。農(nóng)田負(fù)荷預(yù)警值分析表明：其畜禽糞便當(dāng)量負(fù)荷量為0.76 t/（hm2·a），預(yù)警值0.02，遠(yuǎn)低于對(duì)環(huán)境構(gòu)成影響的0.4的預(yù)警值，對(duì)環(huán)境無(wú)影響，這也是牧區(qū)不同的畜牧業(yè)生產(chǎn)方式所致。

表5 2017年張掖市畜禽糞便豬當(dāng)量負(fù)荷量

表6 2017年肅南縣畜禽糞便豬當(dāng)量負(fù)荷量

3 討論

目前，農(nóng)田是畜禽糞便的主要負(fù)載場(chǎng)所，還田是消化糞便養(yǎng)分的主要途徑。2017年，張掖市的耕地面積為31.25萬(wàn)hm2，如果畜禽糞便全部作為有機(jī)肥還田，張掖市畜禽糞便年負(fù)荷量33.28 t/hm2，已超過(guò)了巨天珍等［8］報(bào)道的張掖市年 30 t/hm2的負(fù)荷量［8］，農(nóng)田負(fù)荷預(yù)警值達(dá)0.74，表明對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了一定影響。但鑒于不同地區(qū)畜禽糞便的處理、收集、貯存和運(yùn)輸方式不盡相同，糞便養(yǎng)分的損失率和不同作物當(dāng)季利用率也不同，實(shí)際農(nóng)田畜禽糞便承載力應(yīng)相應(yīng)增加。所以不同地區(qū)可通過(guò)優(yōu)化畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)布局、提高畜禽糞便收貯率和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等方式來(lái)改變畜禽承載力的大小，使農(nóng)田能夠最大限度地消納當(dāng)?shù)匦笄菁S便，減少環(huán)境污染。

分縣區(qū)來(lái)看，張掖市各縣區(qū)畜禽糞便負(fù)荷量差異與各自主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、區(qū)域布局和耕地面積等因素有關(guān)，肅南縣主要為草地畜牧業(yè)，廣闊的草原對(duì)草食畜糞便有很好的消納能力，對(duì)環(huán)境沒(méi)有產(chǎn)生影響；民樂(lè)縣畜禽糞便產(chǎn)生量全市最小，但其耕地面積位居全市第二，因此耕地對(duì)畜禽糞便具有很好的消納利用能力，未對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響；山丹縣畜禽養(yǎng)殖量和耕地面積適中，對(duì)環(huán)境稍有影響；甘州區(qū)、高臺(tái)縣、臨澤縣養(yǎng)殖體量位居全市前三位，但都由于耕地面積無(wú)法匹配消納畜禽糞便，均對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了較嚴(yán)重的影響，其中臨澤縣耕地面積全市最少，對(duì)畜禽糞污的消納能力最弱，因而糞污對(duì)環(huán)境威脅程度最高。由于不同區(qū)域畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成的影響具有差異，因此，應(yīng)立足產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，因地制宜，采取不同的處理措施和防治對(duì)策消除畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成的污染。

由于畜禽養(yǎng)殖量、飼養(yǎng)周期、糞便日排泄量及糞尿中各種污染物是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，不同區(qū)域也存在差異，統(tǒng)計(jì)年鑒反映的也只是年末的靜態(tài)數(shù)據(jù)；同時(shí)出于條件限制，本研究沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)得到精確的測(cè)定數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，只能根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料和相關(guān)測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和分析。但是，本測(cè)算結(jié)果在總體上可反映張掖市各縣區(qū)畜禽糞尿年排泄量、污染物產(chǎn)生量及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響。