遼寧省畜禽糞便農(nóng)田負荷量估算及環(huán)境風(fēng)險評價

張 敏 , 張楊開 , 胡 姝 , 高 添 , 魏歡歡 , 李金洋

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866； 2.沈陽海關(guān)技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110016)

改革開放以后，農(nóng)業(yè)發(fā)展速度隨國家發(fā)展而不斷提高，人民的生活水平不斷提高，同時對畜禽產(chǎn)品的需求量也逐步增加，也為畜禽養(yǎng)殖業(yè)帶來了迅速發(fā)展的機遇[1]。但由此造成的畜禽養(yǎng)殖污染也給農(nóng)村造成了嚴重污染[2]，畜禽造成的環(huán)境污染問題也日益受到關(guān)注[3]。周凱[4]等通過對河南省2008年畜禽糞便排放量進行估算，并分析其耕地畜禽糞便負荷量，結(jié)果遠超過全國耕地畜禽糞便平均負荷，表明河南省畜禽養(yǎng)殖污染給農(nóng)村環(huán)境造成了巨大生態(tài)壓力。我國北京市[5]、重慶市[6]、海南省[7]、吉林省[8]、江蘇省[9]等多個省(市)也都開展畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染情況的調(diào)研。2008年中國畜禽糞便量已由1980年的6.9億 t增加到30億 t[10]。根據(jù)Fischer[11]等的預(yù)測，2020年中國畜禽糞便排出總量將會是2007年的1.37倍。據(jù)有關(guān)資料顯示，畜禽糞便產(chǎn)生的COD,TN,TP分別占農(nóng)業(yè)污染源的96%，38%，65%[12]。目前，畜禽糞便處理利用的主要有效手段仍是回田利用[13]，但不斷增加的畜禽糞尿量[14-15]，使得農(nóng)田負荷量不斷增加，甚至超標(biāo)[16-17]。周晶[18]等通過對湖北省畜禽糞便量進行估算，結(jié)果顯示湖北省目前正面臨較大的畜禽糞便污染威脅。李娜[19]等對吉林省畜禽養(yǎng)殖量進行區(qū)域劃分，研究不同地區(qū)氮磷污染情況，發(fā)現(xiàn)總磷污染較為嚴重。錢永清[20]等首次引入排泄系數(shù)對上海市郊畜禽糞尿的產(chǎn)生量進行估算；王方浩[21]等利用排泄系數(shù)估算了我國畜禽糞便產(chǎn)生量，并提出利用耕地畜禽糞便負荷量衡量耕地消納畜禽糞便的能力。

遼寧省地域廣闊，近些年來畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，主要養(yǎng)殖牛、羊、豬，但目前其存在的問題是規(guī)?；笄輬龅暮暧^環(huán)境治理水平還比較低[22]，因為缺少有效的污染治理設(shè)施，許多養(yǎng)殖場沒能合理處置排泄物大部分直接作為肥料進入農(nóng)田，使農(nóng)田對糞便中的養(yǎng)分進行吸收，以此來對其進行處理。劉曉霞[23]等通過估算遼寧省畜禽糞便資源量，并分析其肥料化利用潛力，得出遼寧省畜禽糞便資源含量豐富，肥料利用潛力巨大，而關(guān)于遼寧省畜禽糞便農(nóng)田負荷量及其對環(huán)境造成的影響方面的內(nèi)容較少。因此，對遼寧省畜禽糞便排放量、環(huán)境風(fēng)險狀況進行研究十分必要。本文通過對遼寧省畜禽糞便農(nóng)田負荷量進行研究，得出遼寧省耕地對畜禽糞便的消納能力[24]，對其造成的土地污染進行分析，可為遼寧畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省地處中國東北部，東經(jīng)118°53′～125°46′，北緯38°43′～43°26′，全省共計14個地區(qū)[25]，土地總面積為14.86萬平方公里。農(nóng)業(yè)用地面積1152.82萬公頃。全省總?cè)丝?190.2萬人。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

表1 遼寧各地區(qū)主要養(yǎng)殖牲畜數(shù)量 (×104)

1.3 研究方法

1.3.1 畜禽糞便量估算

牛、羊飼養(yǎng)周期按365 d，按照存欄量計算畜禽糞便產(chǎn)生量；豬飼養(yǎng)周期短，按照180 d計算，按照出欄量計算畜禽糞便量。

畜禽糞便排放量公式如下：

Q=N×T×P

(1)

式中：Q為畜禽糞便排放量， kg；N為飼養(yǎng)量，萬只(頭)；T為飼養(yǎng)周期， d；P為畜禽糞便日排泄系數(shù)， kg·d-1[28]。

畜禽日排泄系數(shù)采用國家環(huán)境保護部公布的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 畜禽日排泄系數(shù) (kg·d-1)

1.3.2 畜禽糞便中污染物平均含量估算

對糞便污染物產(chǎn)生量的估算，按照環(huán)境保護部門發(fā)布的《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報告》中給出的數(shù)據(jù)。

⑥杜安世《卜算子》(深院花鋪地)：雙調(diào)46字，上闋4句23字3仄韻，下闋4句23字3仄韻。句式：55733。55733。

計算公式如下：

A=Q×c

(2)

式中：A為畜禽糞便中污染物量，kg；Q為畜禽糞便排放量，t；c為單位質(zhì)量畜禽糞便中污染物的含量，kg·t-1[28]，見表3。

表3 畜禽糞便中污染物平均含量 (kg·t-1)

1.3.3 畜禽糞便耕地負荷量估算

估算農(nóng)田耕地畜禽糞便負荷量時需要統(tǒng)一換算成豬糞當(dāng)量。

計算公式[26]如下：

(3)

式中：q為以豬糞當(dāng)量計算的農(nóng)田畜禽糞便負荷量，t·hm-2；Qi為第i種畜禽糞便排放量， t；mi為第i種畜禽糞便換算成豬糞當(dāng)量的換算系數(shù)；S為有效耕地面積， hm2[29]。

表4 豬糞當(dāng)量換算系數(shù)

1.3.4 畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值

畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值計算公式如下：

(4)

式中：r為畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值；q表示農(nóng)田畜禽糞便負荷量, t·hm-2；p為以豬糞當(dāng)量計的有機肥最大適宜施用量，取30 t·hm-2[28]。

預(yù)警值可分為6個等級，不同的級數(shù)對應(yīng)不同的r值范圍，當(dāng)r值越大時，則代表污染風(fēng)險越大，造成的影響也越嚴重；6個等級分別表示畜禽糞便對環(huán)境的影響程度分別為無、稍有、有、較嚴重、嚴重和很嚴重[26]，見表5。

表5 畜禽糞便負荷預(yù)警分級情況

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省畜禽糞便排放總量分析

因2019年家禽的養(yǎng)殖數(shù)量在統(tǒng)計年鑒中未給出，在此不做統(tǒng)計。利用上公式(1)計算遼寧省各類畜禽糞尿產(chǎn)生總量，結(jié)果如表6所示。

表6 遼寧省畜禽糞尿產(chǎn)生量 (×104t)

由表6可知，遼寧省2019年畜禽糞尿產(chǎn)生量是5793.13×104t。在各類畜禽糞尿產(chǎn)生量中，排放數(shù)量最大的是牛，為2895.18×104t(占49.98%)；其次為豬，排放總量為2137.15×104t(占36.89%)；羊的糞便排放總量最小，為760.80×104t(占13.13%)。由此可見遼寧省畜禽糞便主要為牛糞和豬糞，且畜禽糞便產(chǎn)生呈現(xiàn)區(qū)域性差異，朝陽、沈陽、阜新、鐵嶺等地糞便產(chǎn)生量較大，分別為：1255.21×104t，1253.32×104t，953.86×104t，821.11×104t。糞便產(chǎn)生量最小的地區(qū)是盤錦，為59.62×104t。且由圖1可以看出糞便產(chǎn)量呈現(xiàn)出西北多東南少的區(qū)域性差異。

圖1 遼寧省各市畜禽糞尿產(chǎn)生量

2.2 遼寧省畜禽糞便污染量分析

根據(jù)表3和表6給出的污染物平均含量和糞尿排放量，利用公式(2)計算得出遼寧省畜禽糞尿污染量數(shù)值，結(jié)果如表7所示。

表7 遼寧省各地區(qū)畜禽污染物排放量 (×104t)

由表7數(shù)據(jù)知，遼寧省畜禽糞尿污染物中TN的排放量是32.22×104t，TP排放量為7.96×104t，CODCr排放量為122.19×104t，BOD5和NH3-N排放量為106.20×104t和11.49×104t；TN，TP，CODCr，BOD5，NH3-N排放量分別占總排放量的11%，3%，44%，38%，4%；其中CODCr產(chǎn)生量最大，TP產(chǎn)生量最小。

2.3 畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值分析

根據(jù)畜禽糞便當(dāng)量農(nóng)田負荷量與最大有機肥理論適宜量可得出畜禽養(yǎng)殖污染預(yù)警值[30]，由此可對遼寧省各地區(qū)畜禽糞便造成的污染進行環(huán)境風(fēng)險預(yù)警分析。利用公式(4)計算出畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值，可知對應(yīng)的預(yù)警級別及其對環(huán)境的影響，結(jié)果如表8所示。

表8 遼寧省畜禽糞便耕地負荷預(yù)警

圖2 遼寧省畜禽糞便耕地負荷預(yù)警

由表8可知，2018年遼寧省畜禽糞便豬糞當(dāng)量負荷量是11.90 t·hm-2，平均負荷預(yù)警值為0.397，預(yù)警級別是Ⅰ，對環(huán)境無威脅。由圖2可以看出其中預(yù)警值最低的地區(qū)是盤錦，為0.112，預(yù)警級別為Ⅰ，對環(huán)境無污染風(fēng)險；鞍山、撫順等預(yù)警級別為Ⅰ，對環(huán)境無污染風(fēng)險；沈陽、錦州等地預(yù)警級別為Ⅱ，對環(huán)境稍有污染威脅；朝陽市預(yù)警值最高為0.796，預(yù)警級別為Ⅲ，對環(huán)境已有污染威脅，其次是本溪市，預(yù)警值為0.725，預(yù)警級別為Ⅲ，對環(huán)境已有污染威脅。

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)《遼寧統(tǒng)計年鑒》與《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)，通過對2019年遼寧省各地區(qū)畜禽糞便排放總量、農(nóng)田畜禽糞便負荷量和畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值的分析概算，得到的主要研究結(jié)論如下：

(1)遼寧省畜禽糞便污染來源主要是牛糞、豬糞，不同地區(qū)排放有較大差異，排放總量為5.79×107t；畜禽糞便排放總量最高的地區(qū)是沈陽，為1.253×107t，最低的是盤錦市，為59.62×104t。

(2)遼寧省農(nóng)田畜禽糞便負荷量平均值為11.90 t·hm-2；其中最高的地區(qū)是朝陽，為23.88 t·hm-2；最低的地區(qū)是盤錦，為3.36 t·hm-2。

(3)遼寧省全省畜禽糞便耕地負荷預(yù)警值為0.397，對環(huán)境暫無污染威脅。其中沈陽、錦州、阜新、鐵嶺、葫蘆島五個地區(qū)的預(yù)警級別為Ⅱ級，對環(huán)境已經(jīng)稍有污染威脅。朝陽和本溪的預(yù)警級別為Ⅲ級，對環(huán)境已有污染威脅，其余地區(qū)預(yù)警級別為Ⅰ級，對環(huán)境無污染威脅。

目前，農(nóng)田是畜禽糞便的主要負載場所，還田是消化糞便養(yǎng)分的主要途徑[31]。為了能夠清晰的對遼寧省各城市畜禽污染進行定量評價，利用相關(guān)數(shù)據(jù)計算了農(nóng)田畜禽糞便負荷預(yù)警值r，通過r值來評價污染情況。r值越大，說明耕地畜禽糞便負荷量越高，對環(huán)境產(chǎn)生的污染威脅越高；r值越低，說明耕地畜禽糞便負荷量越低，對環(huán)境產(chǎn)生的污染威脅越低。

2019年遼寧省全省畜禽糞便排放平均值對環(huán)境暫無污染風(fēng)險，但沈陽、阜新、鐵嶺、葫蘆島的畜禽糞便已對環(huán)境稍有污染威脅；朝陽市和本溪市對環(huán)境的污染已有威脅。因此在今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展和畜禽管理方面因地制宜，不同地區(qū)要有具體不同的處理辦法和管理措施。預(yù)警級別為Ⅲ級的地區(qū)，建議對其畜禽養(yǎng)殖規(guī)模進行合理的限制，預(yù)警級別為Ⅱ級的地區(qū)，建議其對養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行改進，科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模大小。同時建議政府及環(huán)保管理部門加強管理及環(huán)保投入，實施種養(yǎng)結(jié)合、因地制宜、循環(huán)發(fā)展的生態(tài)發(fā)展模式。糞便年產(chǎn)生量最大的畜種是牛，因在今后要重點關(guān)注牛的糞便排放量，其次為豬、羊的糞便排放量。

本文在評估環(huán)境風(fēng)險時是假設(shè)農(nóng)作物能夠?qū)⑿笄菁S便完全吸收畜禽糞便的基礎(chǔ)上，以遼寧省養(yǎng)殖量大的牛、豬、羊糞便排放為研究對象，來估算其排放量對農(nóng)田耕地環(huán)境的影響，所得數(shù)據(jù)可能與現(xiàn)實情況有所出入，有一定誤差。在今后的研究過程中，應(yīng)將其他畜種以及其糞便處理方式等因素考慮進去。