武漢市禽畜養(yǎng)殖時(shí)空分布及其耕地污染負(fù)荷分析

齊開(kāi)，趙麗婭，鐘韓珊，李元哲

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著我國(guó)禽畜養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展和集約化程度的提高，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的威脅也日趨嚴(yán)重[1-2].我國(guó)每年禽畜糞污產(chǎn)生量約38億噸，禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物COD、TN、TP的排放量分別達(dá)1 268.6×104t、270.46×104t、28.47×104t，占農(nóng)業(yè)源污染總量的比重依次為96%、56%、38%.禽畜養(yǎng)殖業(yè)污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染中排名第一的污染源[3-4].

2013年，武漢市禽畜養(yǎng)殖總量達(dá)6 136.43萬(wàn)頭，牛、家禽、羊、豬養(yǎng)殖數(shù)量分別為21.31萬(wàn)頭、5 802.05萬(wàn)頭、4.87萬(wàn)頭、308.2萬(wàn)頭.龐大的養(yǎng)殖數(shù)量背后是嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，2013年，武漢市產(chǎn)生109.75×104t禽畜糞便污染物，如果這些禽畜糞污不能很好地資源化利用，勢(shì)必會(huì)給區(qū)域的土地、水環(huán)境等帶來(lái)壓力.

禽畜養(yǎng)殖污染問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一.國(guó)內(nèi)的研究集中在基于耕地面積的對(duì)地區(qū)禽畜糞便負(fù)荷估算和環(huán)境影響評(píng)價(jià)等：劉安平等[5]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)禽畜養(yǎng)殖場(chǎng)污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及治理對(duì)策進(jìn)行了研究；宋大平等[6]評(píng)價(jià)了禽畜糞便在區(qū)域耕地和水環(huán)境方面的綜合污染；郝守寧等[7]對(duì)林芝市的禽畜糞便排放量與耕地污染負(fù)荷進(jìn)行了研究.國(guó)外的學(xué)者研究集中在分析禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)：Mallin等[8]研究表明禽畜糞便是水生生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷污染的主要來(lái)源；Aarnink等[9]研究了禽畜養(yǎng)殖對(duì)大氣環(huán)境的污染，Oenema等[10]針對(duì)荷蘭的禽畜養(yǎng)殖業(yè)研究了如何減輕糞污對(duì)環(huán)境的影響.

然而，針對(duì)禽畜養(yǎng)殖在區(qū)域的變化規(guī)律及對(duì)耕地污染情況的系統(tǒng)性研究較少，鑒于此，本研究利用武漢市2009—2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析武漢市禽畜養(yǎng)殖數(shù)量的時(shí)間變化特征和各區(qū)域禽畜養(yǎng)殖空間分布特征，估算禽畜養(yǎng)殖污染物產(chǎn)量和禽畜糞便耕地負(fù)荷，并對(duì)禽畜糞便耕地污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期為武漢市的禽畜養(yǎng)殖的科學(xué)布局和禽畜糞污的利用提供一定的借鑒作用.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源武漢市禽畜養(yǎng)殖量(豬、羊、牛、禽)及耕地面積等數(shù)據(jù)[11-12]來(lái)自湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒(2008—2017年)和武漢市農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒(2008—2017年).

禽畜養(yǎng)殖量統(tǒng)計(jì)采用禽畜的生長(zhǎng)周期來(lái)確定養(yǎng)殖量.生長(zhǎng)周期大于1年的，按存欄量作為養(yǎng)殖量；生長(zhǎng)周期小于1年的，按當(dāng)年出欄量作為養(yǎng)殖量.生豬飼養(yǎng)周期大約199 d，以出欄量為養(yǎng)殖量；牛、羊周期按全年365 d計(jì)，以年底存欄量為養(yǎng)殖量；家禽飼養(yǎng)周期一般為55 d，以出欄量來(lái)計(jì)算[13].

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法

1.2.1 禽畜糞便產(chǎn)生量估算 采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局公布的禽畜糞便日排泄系數(shù)(表1)估算禽畜糞便產(chǎn)生量[10].

表1 禽畜糞便日排泄系數(shù) kg·d-1

糞便年產(chǎn)生量(t/a)=養(yǎng)殖量×排泄系數(shù)×365/1 000.

1.2.2 禽畜糞便污染物產(chǎn)生量估算 采用《全國(guó)規(guī)?；菪箴B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報(bào)告》中各禽畜糞便污染物平均含量來(lái)估算禽畜糞便污染物產(chǎn)生量，見(jiàn)表2.

表2 禽畜糞便中氮、磷、化學(xué)需氧量含量 kg/t

污染物產(chǎn)生量(t/a)=禽畜糞便年產(chǎn)生量×禽畜糞便污染參數(shù)/1 000.

1.2.3 禽糞便耕地負(fù)荷估算 不同的禽畜品種其糞尿中氮磷含量不同，為了便于分析湖北省耕地禽畜糞便負(fù)荷，需要選擇一個(gè)畜種作為當(dāng)量畜種，將其他的畜種統(tǒng)一折算成當(dāng)量[14-15].本文中選取豬為標(biāo)準(zhǔn)畜種，將牛、家禽、羊糞便量統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)豬糞便當(dāng)量，換算系數(shù)見(jiàn)表3.

表3 各類禽畜糞便豬糞當(dāng)量換算系數(shù)

禽畜糞便豬糞當(dāng)量=禽畜糞便年產(chǎn)生量×換算系數(shù).

耕地禽畜糞便負(fù)荷計(jì)算公式為：

式中：q為耕地禽畜糞便負(fù)荷量(t·hm2·a-1)；Q為各類禽畜糞便折算成豬糞便當(dāng)量總量(t/a)；S為耕地面積(hm2)；X為各類禽畜糞便量(t/a)；T為各類禽畜糞便豬糞當(dāng)量換算系數(shù).

1.2.4 禽畜糞便污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 耕地受禽畜糞便污染的程度可以用禽畜糞便耕地負(fù)荷量與單位面積耕地有機(jī)肥最大適宜量(30 t)的比值r(警報(bào)值)來(lái)表示，r分為6級(jí)，r越大，禽畜糞便對(duì)耕地污染的威脅性越高(表4).

表4 禽畜糞便耕地負(fù)荷警報(bào)值分級(jí)

2 結(jié)果分析

2.1 武漢市2009—2016年禽畜養(yǎng)殖數(shù)量的變化武漢市2009—2016年禽畜養(yǎng)殖數(shù)量整體上呈先增后減的趨勢(shì)(圖1).2009—2013年為增長(zhǎng)期，2013年禽畜養(yǎng)殖總量為6 136.43萬(wàn)頭，為2009年的1.22倍.其中羊、豬、家禽養(yǎng)殖數(shù)量增長(zhǎng)較快，與2009年相比，增幅分別為26.82%，23.78%，21.81%，牛的數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定.2014—2016年為下降期，2016年禽畜養(yǎng)殖總量為4 351.38萬(wàn)頭，相比2013年下降了29.90%.其中牛、羊、家禽養(yǎng)殖數(shù)量下降較快，與2013年相比，降幅分別為43.83%，18.89%，30.25%，豬的數(shù)量降幅較小，為6.41%.

圖1 2009—2016年武漢市禽畜養(yǎng)殖量變化趨勢(shì)

2.2 武漢市禽畜養(yǎng)殖空間分布特征武漢市禽畜養(yǎng)殖空間分異明顯(圖2)，禽畜養(yǎng)殖主要集中在周邊城郊的北部和南部地區(qū).豬養(yǎng)殖數(shù)量較高的地區(qū)包括黃陂、江夏區(qū)，養(yǎng)殖數(shù)量均在100萬(wàn)頭以上；牛和羊的養(yǎng)殖空間分布較為相似，養(yǎng)殖數(shù)量較高的地區(qū)包括黃陂、新洲區(qū)，養(yǎng)殖數(shù)量均在1萬(wàn)頭以上；家禽養(yǎng)殖數(shù)量較高的地區(qū)包括江夏、黃陂、新洲區(qū)，養(yǎng)殖數(shù)量均在1 000萬(wàn)只以上.可以看出江夏、黃陂和新洲區(qū)為武漢市禽畜養(yǎng)殖主要分布區(qū)域，3個(gè)區(qū)域合計(jì)禽畜養(yǎng)殖總量為3 728.23萬(wàn)頭，占比85.79%，豬、牛、羊、家禽養(yǎng)殖量分別為244.99、4.68、3.9、3 474.66萬(wàn)頭，占比分別為84.93%、87.11%、61.81%、85.86%，蔡甸、漢南及中心城區(qū)的禽畜養(yǎng)殖量較小.

圖2 武漢市2016年禽畜養(yǎng)殖空間分布差值圖

2.3 禽畜養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響

2.3.1 禽畜養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量 禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的3種主要污染物COD、TN、TP年產(chǎn)生量(表5)與禽畜養(yǎng)殖數(shù)量變化情況具有相似性，表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，這是由于禽畜污染物產(chǎn)生量與禽畜養(yǎng)殖數(shù)量高度的正相關(guān)性所導(dǎo)致的.不同的是禽畜養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量在具有較大基數(shù)的同時(shí)，除2016年外其余年份變化幅度較小，3種污染物年產(chǎn)生量總和在100×104t左右小幅波動(dòng).

表5 武漢市2009—2016年禽畜養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量 104t

各類禽畜糞便對(duì)COD、TN、TP產(chǎn)生量的貢獻(xiàn)排序具有相同的規(guī)律：豬糞便>家禽糞便>牛糞便>羊糞便(表6).豬糞便、家禽糞便對(duì)污染物產(chǎn)生量貢獻(xiàn)較大，兩者相加之和在各類污染物所占比重均超過(guò)80%，是武漢市主要禽畜糞便的污染來(lái)源.

表6 武漢市2016年禽畜糞便污染物產(chǎn)生量與比例

2.3.2 耕地污染負(fù)荷 禽畜糞便耕地負(fù)荷是指單位耕地面積消納的禽畜糞便量，不僅能客觀反映禽畜養(yǎng)殖對(duì)耕地的污染風(fēng)險(xiǎn)，而且也是衡量地區(qū)禽畜密度的主要指標(biāo)[16].從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，禽畜糞便作為肥料用于農(nóng)田的最大適宜施用量為30 t·hm-2·a-1，若高出這一水平則會(huì)導(dǎo)致土壤中的養(yǎng)分過(guò)剩，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響[17].

圖3表明，武漢市2009—2016年禽畜糞便耕地負(fù)荷一直處于較高水平，超過(guò)了耕地最大適宜施用量30 t·hm-2·a-1，2009—2013年耕地負(fù)荷逐年上升，2013年耕地負(fù)荷達(dá)到峰值為40.56 t·hm-2·a-12014—2016年耕地負(fù)荷逐年下降，2016年禽畜糞便耕地負(fù)荷下降至8年間最低水準(zhǔn)，為32.71 t·hm-2·a-1，但仍處于超標(biāo)水準(zhǔn).

圖3 武漢市2009—2016年禽畜糞便耕地負(fù)荷變化

武漢市各區(qū)域耕地面積、禽畜養(yǎng)殖數(shù)量等存在明顯差異，不同區(qū)域的禽畜糞便耕地負(fù)荷也表現(xiàn)出空間分異的特點(diǎn)(圖4)，總體上武漢市禽畜糞便耕地負(fù)荷呈現(xiàn)出自中心向邊界逐漸增大的特點(diǎn)，全市的超標(biāo)區(qū)位于北部的黃陂區(qū)和南部的漢南區(qū)、江夏區(qū)，其中江夏區(qū)屬于45 t/hm2以上的高污染區(qū)，超標(biāo)最大適宜施用量1.87倍.值得注意的是新洲區(qū)有著較大的禽畜養(yǎng)殖數(shù)量但禽畜糞便耕地負(fù)荷處于較低水平，分析是因?yàn)樾轮迏^(qū)雖然家禽養(yǎng)殖量較大，但由于其豬、牛養(yǎng)殖量與黃陂區(qū)、江夏區(qū)相比較少，耕地面積較大，故能消納更多的禽畜糞便.

圖4 武漢市2016年各區(qū)域禽畜糞便耕地負(fù)荷量差異

2.3.3 禽畜養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 從表7可以看出，武漢市轄區(qū)、蔡甸區(qū)、新洲區(qū)耕地受污染程度較低，黃陂區(qū)、漢南區(qū)耕地受到較嚴(yán)重的污染威脅，江夏區(qū)耕地受到嚴(yán)重污染，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)加以控制.全市平均警報(bào)值為1.02(Ⅳ級(jí))，耕地呈現(xiàn)較高污染狀態(tài)，耕地受到污染風(fēng)險(xiǎn)較高.

表7 2016年武漢市各區(qū)域耕地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

1)武漢市2009—2016年禽畜養(yǎng)殖大致可分為兩個(gè)階段：快速發(fā)展期(2009—2013)：武漢市禽畜養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2013年末禽畜養(yǎng)殖總和達(dá)到6 136.43萬(wàn)頭，年平均增幅4.4%；現(xiàn)代化養(yǎng)殖轉(zhuǎn)型期(2014—2016)：各類禽畜養(yǎng)殖數(shù)量逐年下降，2016年末禽畜養(yǎng)殖總和為4 351.38萬(wàn)頭，年平均降幅為9.7%.先增后減的趨勢(shì)反映出國(guó)家對(duì)畜牧業(yè)大力扶持的同時(shí)，對(duì)禽畜養(yǎng)殖所造成的環(huán)境污染尤為重視，在環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策的影響下，畜牧業(yè)向生態(tài)型、現(xiàn)代生產(chǎn)體系發(fā)展[18-19].

2)武漢市禽畜養(yǎng)殖空間分異明顯，禽畜養(yǎng)殖數(shù)量整體上呈現(xiàn)由中心向周邊城郊逐漸增大的特點(diǎn)，北部黃陂區(qū)、新洲區(qū)和南部的江夏區(qū)作為主要的禽畜養(yǎng)殖分布區(qū)域，禽畜養(yǎng)殖量約占全市的90%.中心城區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)，相對(duì)于其他3個(gè)城郊區(qū)，以發(fā)展第二、第三產(chǎn)業(yè)為經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)落后，禽畜養(yǎng)殖數(shù)量相應(yīng)較低.

3)禽畜養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量與禽畜養(yǎng)殖數(shù)量變化趨勢(shì)相似，表現(xiàn)為先增后減，且基數(shù)較大，3種污染物年產(chǎn)生量排序?yàn)?COD>TN>TP.豬、家禽糞便對(duì)污染物產(chǎn)生量貢獻(xiàn)較大，是主要污染源.目前武漢市乃至國(guó)內(nèi)大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)禽畜養(yǎng)殖廢棄物的處理和資源化還有所欠缺[20]，針對(duì)豬、家禽糞便探究更加高效、清潔的禽畜糞污利用途徑[21]，是有效緩解禽畜糞污對(duì)環(huán)境壓力的關(guān)鍵.

4)2016年是武漢市禽畜養(yǎng)殖環(huán)境承載壓力最小的一年，耕地污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)全市平均警報(bào)值為1.02(Ⅳ級(jí))，耕地呈現(xiàn)較高污染狀態(tài)，表明武漢市耕地受到禽畜糞便污染威脅較嚴(yán)重.從時(shí)間尺度上，武漢市從2009—2016年每個(gè)年份禽畜糞便耕地負(fù)荷均超過(guò)耕地最大適宜施用量30 t·hm-2·a-1；從空間尺度上，各區(qū)域耕地污染負(fù)荷差異明顯，表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間聚集性，高值主要位于北部和南部地區(qū)，漢南、黃陂區(qū)作為高污染區(qū)禽畜糞便耕地負(fù)荷均在39 t/hm2以上，江夏區(qū)更是高達(dá)56.13 t/hm2.圍繞江夏、黃陂、漢南區(qū)等高污染區(qū)域打造生態(tài)化養(yǎng)殖，化解禽畜糞便耕地負(fù)荷空間集聚性對(duì)環(huán)境的壓力，是武漢市防范禽畜養(yǎng)殖對(duì)耕地污染的重點(diǎn).