基于環(huán)境承載力的畜禽糞污消納評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

王義鵬，趙幫泰，劉 宇，羅 俊，王 巍，左之才，易 軍，郭 曦*

(1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610066；2.四川省畜牧科學(xué)研究院，四川 成都610066；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，成都 溫江 611130)

四川是農(nóng)業(yè)大省，種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模較大。截止2020年，全省畜禽糞污綜合利用率達(dá)75%，規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施裝備配套率達(dá)95%，畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；蔬_(dá)50%，實(shí)現(xiàn)了畜牧業(yè)大省向強(qiáng)省的跨越，但隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖量不斷增加，養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)廢棄物的處理與利用已經(jīng)成為亟需解決的問題[1-3]。畜禽糞污不但會(huì)造成環(huán)境污染，而且大量的畜禽糞污及各種污染物，會(huì)對(duì)各類水體、土壤和大氣環(huán)境造成污染，并對(duì)人類健康構(gòu)成威脅[4]。研究畜禽糞污耕地環(huán)境承載力及畜禽糞污消納評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)四川省畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)意義。

第二次全國(guó)污染源普查農(nóng)業(yè)類畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)37.88萬(wàn)個(gè)。畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)水污染物排放量：化學(xué)需氧量604.83萬(wàn)t、氨氮7.50萬(wàn)t、總氮37.00萬(wàn)t、總磷8.04萬(wàn)t[5]。近年的污染源普查動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)顯示，畜禽養(yǎng)殖污染物排放量在全國(guó)污染物總排放量中的占比有所上升[6]。可見，畜禽養(yǎng)殖污染物減排已不容小覷，攸關(guān)國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的整體改善。本文建立的畜禽糞污消納評(píng)價(jià)指標(biāo)，立足于四川省畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，定量估算畜禽糞污的產(chǎn)生量、糞污耕地負(fù)荷污及主要污染物產(chǎn)生量，分析研究畜禽糞污耕地環(huán)境承載力及最佳種草養(yǎng)畜的配置參數(shù)[7]。

1 肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污處理現(xiàn)狀分析

每頭肉牛每天可產(chǎn)生約30kg糞尿，若不及時(shí)清理，則會(huì)產(chǎn)生有害氣體，影響肉牛的健康及生產(chǎn)性能。為保證肉牛擁有最佳生長(zhǎng)環(huán)境，養(yǎng)殖戶一天對(duì)圈舍內(nèi)糞污處理2次，因場(chǎng)地建設(shè)原因，多數(shù)由人工用鐵鍬、斗車完成整個(gè)工作，耗費(fèi)大量時(shí)間，且勞動(dòng)強(qiáng)度高。一般在牛舍內(nèi)暗溝用于排污收集液體，人工清理堆積濕糞，集中收集的濕糞含水率在75%～80%左右，若進(jìn)行堆肥發(fā)酵則要求含水率降為65%～70%，經(jīng)30d發(fā)酵后，可制成有機(jī)肥用于出售[8]。多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)雖購(gòu)買牛糞干濕分離機(jī)，但使用時(shí)機(jī)器多發(fā)故障，維修費(fèi)用高，濕糞從牛舍中清理出來(lái)后僅在場(chǎng)區(qū)內(nèi)堆積，經(jīng)濟(jì)效益低，且對(duì)環(huán)境有一定影響，不利于牛糞的循環(huán)利用。一般在春季播種前，牛場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的糞污會(huì)集中堆放在種植青飼料的田間，若是青貯玉米播種后，養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的只能糞污堆積在場(chǎng)區(qū)內(nèi)，糞污的消納能力下降，造成了資源浪費(fèi)[9]。因此，要實(shí)現(xiàn)肉牛養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)優(yōu)化和升級(jí)，就必須做好廢棄物的綜合利用，走種養(yǎng)結(jié)合、種養(yǎng)平衡的模式。

2 畜禽糞污環(huán)境承載力

2.1 年糞污產(chǎn)生量

按照環(huán)境承載力的相關(guān)理論，畜禽糞污環(huán)境承載力是指在某一確定的時(shí)間段內(nèi)和環(huán)境條件下，在不改變地區(qū)環(huán)境構(gòu)成與其環(huán)境相互作用的條件下，該地區(qū)的環(huán)境系統(tǒng)對(duì)畜禽糞污消納和承載容量的承受程度[10]。由于不同區(qū)域的牛場(chǎng)建設(shè)環(huán)境、生產(chǎn)技術(shù)、供應(yīng)資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，使得畜禽糞污環(huán)境承載力具有區(qū)域性、客觀性、動(dòng)態(tài)性、多維性，畜禽糞污包括糞、尿及污水，但由于污水量測(cè)算難度較大，故只估算糞量和尿量，畜禽糞污日排泄系數(shù)和污染物排放系數(shù)，結(jié)合其養(yǎng)殖數(shù)量、飼養(yǎng)周期估算年糞污產(chǎn)生量Q。

式(1.1)中，Q表示畜禽糞污年產(chǎn)生量，單位為萬(wàn)t；Ni為第i類畜禽年存(出)欄量，單位為萬(wàn)頭、萬(wàn)只；Ti為第i類畜禽的飼養(yǎng)周期，單位為d；Mi為第i類畜禽糞污日排泄系數(shù)，單位為g/d。畜禽糞污主要是依靠耕地進(jìn)行消納。

2.2 地區(qū)內(nèi)的畜禽糞污排放密度

畜禽糞污耕地負(fù)荷是指理論上將所有畜禽糞污平均到當(dāng)年的有效耕地面積中，但在實(shí)際中全部耕地消納畜禽糞污的可能性不大，常態(tài)下應(yīng)該是至少有30%的耕地來(lái)消納畜禽糞污。研究適度規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞污污染物耕地負(fù)荷有利于在宏觀上把握基于耕地消納的畜禽糞污中污染物承載力的大小[11]。畜禽糞污耕地負(fù)荷可較為客觀地反映某地區(qū)內(nèi)的畜禽糞污排放密度，其估算公式為：

式(1.2)中，q為畜禽糞污耕地負(fù)荷，單位為t/hm2；S為年末有效耕地面積，Qi為第i類畜禽糞污產(chǎn)生量，單位為萬(wàn)t，Pi第i類畜禽糞污量的豬糞當(dāng)量換算系數(shù)，無(wú)單位。

3 畜禽糞污滯納評(píng)價(jià)指標(biāo)

開展適宜性評(píng)價(jià)，需要將影響該模式或區(qū)域推廣和發(fā)展的主要因素進(jìn)行量化，即選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同的模式或區(qū)域具有其特殊性和復(fù)雜性，包含了資源、技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多個(gè)子系統(tǒng)[12]。因此，選取畜禽糞污資源化利用模式的區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)需要結(jié)合不同地區(qū)特點(diǎn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行量化分析。本文通過文獻(xiàn)查詢、專家咨詢、信息統(tǒng)計(jì)處理和綜合歸納等方式，進(jìn)行層層篩選、最終確定了一套科學(xué)有效，符合實(shí)際的評(píng)估指標(biāo)體系。同時(shí)，指標(biāo)篩選遵循綜合性、科學(xué)性、可比性、定性與定量評(píng)價(jià)的結(jié)合性、可操作性、簡(jiǎn)易獲取性的原則。

3.1 畜禽糞污滯納評(píng)價(jià)指標(biāo)

在正確認(rèn)識(shí)畜禽糞污資源化利用模式的原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析影響模式發(fā)展的主要區(qū)域因素，從資源、技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)環(huán)境4個(gè)方面總結(jié)了該模式推廣利用所需的基礎(chǔ)條件，并確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。

經(jīng)過系統(tǒng)分析和篩選，本研究以畜禽糞污資源化利用模式為目標(biāo)層，資源條件、技術(shù)條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境條件4個(gè)方面為準(zhǔn)則層(B)，從準(zhǔn)則層選取14個(gè)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)為次準(zhǔn)則層(C)。其中資源條件準(zhǔn)則層中包括畜禽糞污產(chǎn)生量(C1)、農(nóng)村人均經(jīng)營(yíng)土地面積(C2)、經(jīng)濟(jì)作物種植規(guī)模(C3)3個(gè)指標(biāo)；技術(shù)條件包括養(yǎng)殖場(chǎng)(戶)糞污處理設(shè)施設(shè)備投資占比(C4)、村鎮(zhèn)平均配套技術(shù)人員數(shù)(C5)、農(nóng)村污水處理率(C6)3個(gè)指標(biāo)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件包括人均地方財(cái)政收入(C7)、養(yǎng)殖企業(yè)年均收益(C8)、農(nóng)戶年均收入(C9)、農(nóng)村受教育年限>10人數(shù)占比(C10)農(nóng)村人均用電量5個(gè)指標(biāo)(C11)；建設(shè)環(huán)境條件包括年平均溫度>12℃日數(shù)(C12)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路建成率(C13)、村鎮(zhèn)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)建成率(C14)3個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 畜禽糞污滯納評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 相對(duì)一致性檢驗(yàn)結(jié)果模型

將畜禽糞污處理能力、主要影響因素進(jìn)行量化，得到個(gè)指標(biāo)下相對(duì)一致性檢驗(yàn)結(jié)果模型最終確定了一套科學(xué)有效、符合實(shí)際的畜禽糞污評(píng)估指標(biāo)體系，可用來(lái)判斷當(dāng)前糞污處理模式的適宜性[16]。通過上述步驟計(jì)算求得每個(gè)層次中全部評(píng)價(jià)因子的層次單排序，即可求出針對(duì)上一層次評(píng)價(jià)因子而言該層次中所有因子的排序結(jié)果，由此得到最低層中每個(gè)評(píng)價(jià)因子相對(duì)于決策目標(biāo)的權(quán)重排序及其相對(duì)重要性，各指標(biāo)的相對(duì)一致性檢驗(yàn)結(jié)果模型為：

式(1.3)中CR為相對(duì)一致性檢驗(yàn)結(jié)果；CIi為第i指標(biāo)層次單排序的最大特征值；RIi為i指標(biāo)層次單排序的平均一致性指標(biāo)；w為層次總排序的權(quán)重值。

4 糞污供給需求模型

根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》，不同畜禽的氮(磷)養(yǎng)分日產(chǎn)生量可以根據(jù)實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)獲得，無(wú)測(cè)定數(shù)據(jù)的可根據(jù)豬當(dāng)量進(jìn)行測(cè)算[17]。固體糞便和污水以沼氣工程處理為主的，糞污收集處理過程中氮留存率推薦值為65%(磷留存率65%)；固體糞便堆肥、污水氧化塘貯存或厭氧發(fā)酵后農(nóng)田利用為主的，糞污收集處理過程中氮留存率推薦值62%(磷留存率72%)。根據(jù)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)飼養(yǎng)畜禽存欄量、畜禽氮(磷)排泄量、養(yǎng)分留存率測(cè)算，得到糞肥養(yǎng)分供給量模型為：

P養(yǎng)份供給量=Σ(N存欄欄×E排泄量)×0.62 (1.4)

式(1.4)中P為糞肥養(yǎng)分供給量；N為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)肉牛存欄數(shù)量；E為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)肉牛排泄量；0.62為氮留存率。

單位土地養(yǎng)分需求量為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)單位面積配套土地種植的各類植物在目標(biāo)產(chǎn)量下的氮(磷)養(yǎng)分需求量之和，各類作物的目標(biāo)產(chǎn)品可以根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄a(chǎn)量確定，具體參照區(qū)域植物養(yǎng)分需求量計(jì)算。施肥比例根據(jù)土壤中氮(磷)養(yǎng)分確定，土壤不同氮磷養(yǎng)分水平下的施肥比例。糞肥比例、當(dāng)季利用率分別為50%、30%，單位土地養(yǎng)分需求量、施肥比例、糞肥占施肥比例和糞肥當(dāng)季利用效率測(cè)算，得到區(qū)域面積糞肥養(yǎng)分需求模型為：

N養(yǎng)分需求量=3.3×(ΣS×n單位面積需求養(yǎng)分)×50%(1.5)

式(1.5)中N為總糞肥養(yǎng)分需求量；n為單位面積；E為規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)肉牛排泄量；3.3為氮留存率。

5 結(jié)論

本文以畜禽糞污生產(chǎn)與消納的內(nèi)部循環(huán)為研究對(duì)象，通過建立畜禽糞污滯納評(píng)價(jià)指標(biāo)、畜禽糞污滯納評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終形成了一套科學(xué)有效，符合當(dāng)前模式的評(píng)價(jià)體系。開展了肉牛種養(yǎng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖園區(qū)的研究，配套牛場(chǎng)周圍的種植規(guī)模、處理能力，讓肉牛產(chǎn)生的糞便、污水在特定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的循環(huán)流動(dòng)，依據(jù)《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》，建立了單位牛場(chǎng)糞污養(yǎng)分供給量模型，區(qū)域面積糞肥養(yǎng)分需求模型，以環(huán)境保護(hù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化和升級(jí)，為畜禽糞污處理及建設(shè)種養(yǎng)循環(huán)的綠色生態(tài)畜牧養(yǎng)殖技術(shù)體系提供參考。