安徽省畜禽養(yǎng)殖糞污土地承載力的時空分布特征

張靖雨, 汪邦穩(wěn), 夏小林, 龍昶宇

(1.安徽省·水利部 淮河水利委員會 水利科學(xué)研究院,安徽 合肥 230088; 2.水利水資源安徽省重點實驗室, 安徽 蚌埠 233000)

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的逐步調(diào)整，畜禽養(yǎng)殖業(yè)已成為農(nóng)村經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，規(guī)?；?、集約化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變趨勢愈加顯著[1-2]。畜禽糞污循環(huán)有效利用是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，其糞便中含有豐富的有機物、水分和營養(yǎng)物質(zhì)，能夠為農(nóng)作物生產(chǎn)提供大量的有機肥[3]。但未經(jīng)處理或處理不當(dāng)?shù)男笄菁S便在其收集、儲存、運輸、還田的過程中對環(huán)境產(chǎn)生較大污染，進而引起生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞[4-5]。據(jù)《第二次全國污染源普查公報》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)總氮(TN)達5.96×105t，總磷(TP)1.20×105t，分別占全國主要污染物排放總量的19.6%和37.9%。

安徽省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在全國有著較高地位，擁有44個畜禽品種資源，2019年肉蛋奶總產(chǎn)6.03×106t，較2015年增長3.2%。常年農(nóng)作物種植面積超8.70×104km2，其中糧食作物面積占75%以上，總產(chǎn)量3.50×107t，糧食作物主要有小麥、稻谷、玉米、大豆、薯類和其他旱糧作物，大宗經(jīng)濟作物主要有油菜、棉花、蔬菜等。全推行的“千區(qū)萬場規(guī)?；七M工程”取得較好的成績，但畜禽污染防治與周邊省份相比仍有較大差距。

關(guān)于畜禽污染排放量估算、風(fēng)險評價以及資源化利用等方面的問題已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。董紅敏等[6]首次提出了畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)和定義、計算方法，劉亞瓊等[7]基于輸出系數(shù)模型估算了北京市的畜禽養(yǎng)殖、土地利用等多種面源負荷。耿維等[8]分析了2010年中國畜禽糞便的能源潛力。Keener等[9]基于氮平衡原理研究畜禽糞便中的氨氮的排放。Coelho等[10]則以磷負荷為對象研究了畜禽糞便對環(huán)境的影響程度。農(nóng)田是畜禽糞便作為肥料還田處理的主要負載場所[11-12]，因此研究畜禽糞污的農(nóng)田土地承載力問題對畜禽糞污還田具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。畜禽糞污土地承載力是指在土地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)運行的條件下，一定區(qū)域內(nèi)耕地、林地和草地等所能承載的最大畜禽存欄量。李艷霞等[13]基于GIS技術(shù)分析了東北農(nóng)田對畜禽養(yǎng)殖糞便的適宜性，Mishima等[14]估算了日本用于農(nóng)田肥料的畜禽糞便含量。馮倩等[15]估算了江西的畜禽排污量并進行了土地承載力分析。張建杰等[16]從時空維度估算了山西耕地畜禽糞污養(yǎng)分資源承載量并評價了其環(huán)境風(fēng)險。

目前安徽省關(guān)于畜禽糞污資源在區(qū)域尺度及歷史時間上變化規(guī)律方面尚缺乏系統(tǒng)研究，而對區(qū)域畜禽糞污土地承載力的測算也多是采用單位面積耕地糞便最大承載量和氮磷養(yǎng)分施用限量的經(jīng)驗值或理論值。宋大平等[17]在畜禽糞便量估算基礎(chǔ)上計算安徽省各地畜禽糞便耕地及水體污染負荷指數(shù)，并對各地區(qū)污染現(xiàn)狀進行了風(fēng)險評價。王雪蕾等[18]基于遙感分布式面源污染模型(DPeRS)估算了巢湖流域各區(qū)域面源污染入河總量，并通過特征解析得出CODCr與畜禽養(yǎng)殖密度之間有顯著的空間關(guān)聯(lián)性。閻波杰等[19]利用GIS對安徽省耕地畜禽養(yǎng)殖廢棄物氮養(yǎng)分污染潛勢進行了評價分析，并利用德爾菲法和層次分析法確定了影響因素及權(quán)重。多數(shù)研究未考慮區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物對糞肥的養(yǎng)分需求，難以充分反映畜禽糞污承載能力的空間差異，對基于種養(yǎng)結(jié)合的畜禽養(yǎng)殖區(qū)域布局優(yōu)化的指導(dǎo)作用也就存在著一定的局限性。2018年原農(nóng)業(yè)部制定了《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》，為定量評估畜禽糞污土地承載力提供了計算標準。

本文利用統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)分析安徽省2009—2018年的畜禽養(yǎng)殖情況及時空分布特征，采用土地承載力指數(shù)核算各地畜禽糞污養(yǎng)分供給量、養(yǎng)分需求量及土地承載能力，旨在為合理規(guī)劃化肥施用、優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)、推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)作物養(yǎng)分需求量估算

區(qū)域作物養(yǎng)分需求量=

∑(每種農(nóng)作物年產(chǎn)量×單位產(chǎn)量養(yǎng)分需求)

(1)

(2)

其中，安徽省農(nóng)作物種類、播種面積、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來源于2010—2019年《安徽省統(tǒng)計年鑒》[20]公布的安徽省及各地市農(nóng)作物種植統(tǒng)計資料；每100 kg作物產(chǎn)量N，P養(yǎng)分的需求量參考《土地承載力測算技術(shù)指南》[21]中推薦數(shù)值。根據(jù)2019年安徽省耕地土壤養(yǎng)分特征(數(shù)據(jù)來源于2019年安徽省耕地質(zhì)量監(jiān)測報告)，確定土壤氮素養(yǎng)分分級為I級、施肥供給所占比例為35%；土壤磷素養(yǎng)分分級蚌埠、阜陽市為Ⅱ級，施肥供給所占比例為45%；其他各市均為Ⅲ級，施肥供給所占比例為55%。糞污氮素磷素當(dāng)季利用率參考《土地承載力測算技術(shù)指南》分別取30%，35%。安徽省2009—2018年主要農(nóng)作物種植面積見表1。

表1 安徽省2009-2018年主要農(nóng)作物種植面積 hm2

1.2 畜禽糞污養(yǎng)分供給量估算

安徽省畜禽養(yǎng)殖量數(shù)據(jù)來源于《安徽省統(tǒng)計年鑒》公布的安徽省及各地市畜牧業(yè)統(tǒng)計資料，具體包括全省豬、牛、家禽等每年末的存欄數(shù)和出欄數(shù)。所用數(shù)據(jù)截止時間為2018年底。畜禽糞污區(qū)域養(yǎng)分收集量計算公式為：

區(qū)域養(yǎng)分收集量=區(qū)域內(nèi)各種畜禽養(yǎng)分產(chǎn)生量×

各種畜禽在不同清糞方式所所占比例例×

各種清糞方式養(yǎng)分收集率

(3)

畜禽糞、尿產(chǎn)生量由畜禽養(yǎng)殖量、飼養(yǎng)周期、排泄系數(shù)、平均含量等參數(shù)計算得到[22-24]。畜禽養(yǎng)殖糞便排泄系數(shù)指單個動物每天排出的糞便量，因品種、個體體重、飼養(yǎng)方式、飼料組成等因素的影響，不同種類之間差異較大。排泄系數(shù)、飼養(yǎng)周期等數(shù)據(jù)主要參考《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范(HJ497-2009)》，并結(jié)合安徽省內(nèi)實際養(yǎng)殖情況。畜禽糞便、尿液中主要污染物平均含量通過參考國家生態(tài)環(huán)境部提供數(shù)據(jù)[25]，并查閱了近年來國內(nèi)外多位學(xué)者的研究成果[26-28]，結(jié)合安徽省內(nèi)畜牧業(yè)現(xiàn)狀，最終整理得出。各項計算參數(shù)詳細見表2。結(jié)合目前安徽省各地推行的畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用3 a行動計劃，并參考其他學(xué)者的研究成果[29]，清糞比例采用干清糞80%，水沖清糞20%計算。此外，根據(jù)《土地承載力測算技術(shù)指南》分析數(shù)據(jù)，干清糞中氮磷收集率分別為88%和95%，水沖糞工藝中氮磷收集率分別為87%和95%。

表2 安徽省不同畜禽養(yǎng)殖糞污排泄系數(shù)及平均含量

區(qū)域畜禽糞污養(yǎng)分總供給量=各種畜禽糞污養(yǎng)分收集量×

各種畜禽在不同處理方式所所占比例例×

(4)

不同處理方式養(yǎng)分留存率

安徽省不同畜禽糞污處理方式所所占比例例依據(jù)省內(nèi)已有文獻資料成果統(tǒng)計[30-31]確定，N，P養(yǎng)分留存率參考《土地承載力測算技術(shù)指南》(詳見表3)確定。

表3 不同畜禽糞污的處理方式比例及N，P養(yǎng)分留存率 %

1.3 區(qū)域畜禽糞污土地承載力測算

為便于對畜禽糞便耕地污染的控制，國家環(huán)保部生態(tài)司建議，由于農(nóng)戶對豬糞的農(nóng)田施用量較容易掌握，宜將畜禽糞便換算成豬糞當(dāng)量。按存欄量折算，100頭豬相當(dāng)于15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2 500只家禽。此外，需將計算得到的畜禽糞污總養(yǎng)分供給量折算成單位豬當(dāng)量養(yǎng)分供給量，計算公式為：

單位豬當(dāng)量糞污養(yǎng)分供給量=

(5)

區(qū)域畜禽糞污土地承載力=

(6)

將安徽省各種畜禽實際存欄量(以豬當(dāng)量計)除以區(qū)域最大養(yǎng)殖量(以豬當(dāng)量計)得到區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)Ⅰ，其值分別為<0.4，0.4～0.7，0.7～1.0，1.0～1.5，1.5～2.5和>2.5時，認為畜禽糞便對環(huán)境的影響程度分別為“無”、“稍有”、“有”、“較嚴重”、“嚴重”和“很嚴重”[32]，R值越大，說明環(huán)境對畜禽糞便負荷量承受能力越低，畜禽糞便對環(huán)境造成的污染威脅性越大。計算公式為：

區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù)I=

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽養(yǎng)殖糞污排放量時間變化特征

安徽省不同畜禽在2009—2018年期間糞便、尿液排放量變化情況如圖1所示。

圖1 安徽省2009-2018年畜禽糞、尿排放量變化

2009—2018年安徽省畜禽養(yǎng)殖糞、尿總排放量6.57×108t，糞便、尿液排放量在2015年分別達到4.24×107，7.09×107t，較2009年增長13.5%和12.9%，2017年后逐漸減少。其中牛尿排放量最低，豬尿排放量最大，平均年排放量2.11×107t，比例為35.8%；牛糞排放量與豬糞較為接近，家禽類養(yǎng)殖量雖顯著高于豬、牛，但糞便排放量平均僅占豬糞的62.3%及牛糞的70.8%。2018年經(jīng)污染防治、禁養(yǎng)區(qū)劃分等管控措施和非洲豬瘟等影響，總排放量較2015年減少21.2%，其中牛糞、牛尿降幅最大為50.9%，而豬糞、豬尿降幅最小僅16.2%，一方面說明管控措施成效顯著，另一方面應(yīng)側(cè)重加強對生豬養(yǎng)殖糞污控制的防治措施。

2.2 畜禽糞污氮磷養(yǎng)分供給量時間變化特征

2009—2018年安徽省畜禽糞污氮磷養(yǎng)分供給量隨時間呈先增大后降低的規(guī)律(圖2)。2015年氮、磷分別達到最大值2.24×105，1.00×105t，2018年末各類畜禽糞污氮磷供給量較2015年分別降低34.0%，30.0%，牛糞、牛尿降幅最顯著。2009—2017年家禽糞便、豬糞、牛糞、豬尿的氮素平均供給量均占全省20%以上，但2018年牛糞牛尿的氮素所占比例降至10%左右。不同類別糞污磷素供給量差異較大，其中豬糞、家禽糞便所占比例最高，平均分別達34.3%和36.2%；羊糞所占比例最低?？偟膩碚f，全省畜禽糞污氮磷供給量在2017年前差別不大，2018年后降幅明顯，實施的畜禽污染防治措施成效顯著。氮素養(yǎng)分供給較為均衡，但磷素差異顯著，家禽糞污、豬場尿液的處理利用工作應(yīng)是首要環(huán)節(jié)，且應(yīng)依據(jù)糞便種類合理確定施肥用量，避免過量投入造成養(yǎng)分失衡。

圖2 安徽省2009-2018年畜禽氮磷養(yǎng)分供給量變化

2.3 畜禽養(yǎng)殖氮磷養(yǎng)分供給量、需求量時空分布特征

以2011，2013，2016，2018年4個不同年份為例，分析了安徽省糞污氮磷養(yǎng)分供給量的空間分布特征，結(jié)果如圖3—4所示?？偟膩砜?，安徽全省糞污排放量與氮磷養(yǎng)分供給量在空間分布上均呈現(xiàn)自北向南遞減的規(guī)律。2011，2013，2016年全省氮磷養(yǎng)分供給量分別為2.03×105，8.90×104，2.17×105，9.70×104t，2.21×105，9.90×104t，2018年降低至1.48×105，7.00×104t。阜陽市和宿州市的氮磷養(yǎng)分供給量最高，年平均氮磷養(yǎng)分供給量分別達3.30×104，1.30×104t和2.70×104，1.20×104t；淮北、淮南以及皖南地區(qū)的銅陵、黃山等8市的氮磷養(yǎng)分供給總量較低，2011—2018年分別占全省的17.8%，19.0%，24.3%和16.9%。糞肥資源分布的時空特征差異，與各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)和耕地面積等諸多因素有關(guān)。

圖3 安徽省畜禽氮磷養(yǎng)分供給量時空分布

圖4 安徽省作物氮磷養(yǎng)分需求量時空分布

2009—2018年全省農(nóng)作物氮磷需求量分別為1.48×106，3.45×105t，不同年份間差異僅在±4.6%和±4.1%之間。結(jié)合安徽耕地土壤養(yǎng)分特征及施肥習(xí)慣，估算得到全省農(nóng)作物經(jīng)畜禽糞肥方式利用的氮磷養(yǎng)分平均需求量分別為5.19×105t和1.56×105t，2015年全省需求量最大，2018年最低。氮磷需求量在空間分布上也具有一致性，銅陵、黃山、馬鞍山、池州4市的需求量平均僅占全省總量的7.0%，6.4%；阜陽市氮素需求量依然最高，亳州市磷素需求量最高。比較可知，畜禽糞污的氮磷養(yǎng)分供給量未超過農(nóng)作物種植的養(yǎng)分需求量，說明在施用農(nóng)田糞肥的同時也需要補充一部分化肥以保證作物的養(yǎng)分利用。

2.4 畜禽養(yǎng)殖土地承載力指數(shù)空間分布及變化特征

全省畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大區(qū)域主要集中在安徽北部和中部(圖5)，阜陽市、宿州市最高，4個年份豬當(dāng)量養(yǎng)殖量年平均分別為8.61×106，7.54×106頭，分別占全省的15.3%和13.4%；銅陵市養(yǎng)殖規(guī)模最小，年平均僅占全省的1.0%。2011—2018年以氮為基準時的全省畜禽糞污土地承載力指數(shù)(I值)分別為0.38，0.42，0.42，0.30，以磷為基準時的I值分別為0.56，0.61，0.62，0.46，不同年份的氮磷基準I值均小于1，認為安徽省內(nèi)土地消納畜禽糞污量均不超載。

2011，2013，2016年3個年份中各市土地承載力指數(shù)分布較為一致(圖5)，以N為基準的I值在0.4以下的城市均為9個，僅黃山市I值達到0.81，屬于“存在污染風(fēng)險”地區(qū)；以P為基準的I值在0.4以下的城市均有4個，合肥、銅陵、宣城3市I值均在0.7～1之間，屬于“存在污染風(fēng)險”地區(qū)，另外黃山市I值達1.37，屬于“較嚴重污染風(fēng)險”地區(qū)。2018年由于全省畜禽養(yǎng)殖量和養(yǎng)分供給量的減少，全省除黃山、宣城外，以N為基準的I值均在0.4以下、以P為基準的I值均在0.7以下，全省農(nóng)田畜禽污染風(fēng)險明顯降低。與養(yǎng)殖規(guī)模以及畜禽糞尿排放量的分布趨勢不同，土地承載力指數(shù)I值較高的區(qū)域主要集中在安徽南部、中部地區(qū)，皖北地區(qū)畜禽污染風(fēng)險反而較低，與當(dāng)?shù)馗孛娣e、播種面積以及農(nóng)作物種植量較大有關(guān)；磷素的土地承載力指數(shù)總體高于氮素，可以認為磷素是限制安徽省畜禽養(yǎng)殖糞便農(nóng)田施用的主要因素。

圖5 安徽省畜禽糞污土地承載力指數(shù)時空分布特征

3 討 論

自2013年國務(wù)院發(fā)布《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》以來，2017—2018年逐步實施的養(yǎng)區(qū)劃分、搬遷或關(guān)閉工作，安徽省對畜禽養(yǎng)殖污染防治的管控力度不斷加大。政策措施不斷強化與該時間段內(nèi)全省畜禽糞、尿排放量先增高后降低的變化規(guī)律吻合。2018年畜禽糞污氮磷供給量較2009年分別下降25%，19%，其中牛糞、牛尿降幅最顯著。TN供給量在不同類別糞尿中分布較均衡，而TP供給量主要來源于豬糞和家禽糞便。

安徽省內(nèi)畜禽糞便供給的主要來源是生豬飼養(yǎng)，畜禽污染防治措施對牛糞、牛尿中氮磷等養(yǎng)分負荷影響效果最明顯，在推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整時應(yīng)側(cè)重生豬和家禽養(yǎng)殖的糞污控制工作。雖然家禽糞便排放量不高，但氮磷養(yǎng)分含量突出，究其原因在于家禽食道短、干濕混合，養(yǎng)分停留時間短，尚未完全吸收利用就已排出體外[33]。

全省糞污排放量及氮磷養(yǎng)分供給量自北向南遞減，阜陽市、宿州市最高，銅陵最低。安徽省著力推進阜陽、宿州、合肥、宣城等生豬優(yōu)勢區(qū)域發(fā)展，力爭2020年實現(xiàn)生豬出欄總量占全省的80%以上。結(jié)合安徽耕地土壤養(yǎng)分特征及施肥習(xí)慣，銅陵、黃山、馬鞍山、池州4市的需求量平均僅占全省總量的7.0%，6.4%；阜陽市氮素需求量依然最高，亳州市磷素需求量最高。皖北平原區(qū)地勢平坦、耕地面積廣闊，阜陽市、亳州市一直是全省糧食主產(chǎn)區(qū)，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，兩市小麥、玉米、大豆年產(chǎn)量平均占全省總量的40.4%，49.8%和45.9%，而這3類作物每100 kg氮需求量分別達到3.0，2.3，7.2 kg，遠高于蔬菜、水果。此外，據(jù)歷年環(huán)境質(zhì)量公報數(shù)據(jù)顯示，阜陽、宿州等地所處的淮河流域中，主要支流渦河和奎河的Ⅳ類及以下水質(zhì)斷面比例平均在60%～70%左右，因此，更需要對這些區(qū)域產(chǎn)業(yè)優(yōu)化布局，推動肥料化、飼料化和能源化利用進程，重點防治污染物滲流進入河湖。

整體來看，安徽省內(nèi)土地消納畜禽糞污量未超過環(huán)境容量，畜禽養(yǎng)殖仍有一定的發(fā)展?jié)摿?。根?jù)土地承載力指數(shù)分析結(jié)果，全省農(nóng)田畜禽污染風(fēng)險主要集中在皖南山區(qū)，這與閻波杰等[34]、肖琴等[35]的結(jié)果一致，但與王奇等[36]的又有所差異。皖南地區(qū)的黃山等市耕地面積少、地形復(fù)雜，應(yīng)對養(yǎng)殖場進行合理選址和設(shè)計，合理配置養(yǎng)殖規(guī)模與周邊農(nóng)田，保障足夠的畜禽糞污消納空間；同時減少化肥投入，科學(xué)糞肥施用。此外，同一年份畜禽糞污養(yǎng)分及土地承載力的測算與其他資料對比仍然有一定差異，主要原因在于采用的估算方法、計算參數(shù)(如日排泄系數(shù)、養(yǎng)分含量、收集率)等各不相同[37-39]，且不同統(tǒng)計年鑒或資料之間的數(shù)據(jù)也存在差異。因此迫切需要提出科學(xué)統(tǒng)一的估算標準，以便在不同類別養(yǎng)殖情況和不同土壤類型等復(fù)雜場景下得出更精準的統(tǒng)計測算數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

安徽省畜禽養(yǎng)殖糞尿排放在2011—2015年持續(xù)上升，2017年后逐漸減少。豬尿排放量最大，平均年排放量2.11×107t，占總量比例為35.8%，羊糞排放量最低。2018年后牛糞、牛尿降幅最大，而豬糞尿排放量降幅最小。

除羊糞外，各類糞、尿?qū)Φ仞B(yǎng)分供給較為均衡，平均在全省比例20%以上，但磷素供給量差異顯著。氮磷養(yǎng)分供給量與畜禽糞污排放的空間分布都呈現(xiàn)北高南低的特點，阜陽市和宿州市的年平均氮磷養(yǎng)分供給量占全省總量的28.4%和26.4%，淮北、淮南以及皖南地區(qū)普遍較低。

2011—2016年，以N為基準的土地承載力指數(shù)在0.4以下的城市均為9個，以P為基準的土地承載力指數(shù)在0.4以下的城市均為4個；2018年除黃山、宣城外，以N為基準的I值均在0.4以下，以P為基準的I值均在0.7以下。全省農(nóng)田畜禽污染風(fēng)險主要集中在安徽中部和南部地區(qū)，如合肥、宣城、黃山等，其中黃山市以N，P為基準的土地承載力指數(shù)均最高，應(yīng)加強對畜禽糞污的綜合利用處理?？傮w來看安徽省土地消納畜禽糞污量未超過環(huán)境容量，畜禽養(yǎng)殖糞污處理仍有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>