亮子河流域農(nóng)地對散養(yǎng)密集型畜禽養(yǎng)殖的承載力研究

王 輝, 趙瑩瑩, 王留鎖, 高殊凈,王英剛*, 吳 昊, 王曉旭, 羅 慶

(1. 沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110044;2. 遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心 流域研究所, 遼寧 沈陽 110161)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的不斷提高,人們對畜禽產(chǎn)品的需求也日益增加,特別是對肉類、蛋類的需求已經(jīng)達(dá)到改革開放前的3倍以上,這促進(jìn)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展。家庭分散養(yǎng)殖成為農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支柱之一[1-2],在農(nóng)村區(qū)域形成了散養(yǎng)密集區(qū)。散養(yǎng)密集區(qū)是指以家庭分散養(yǎng)殖為主要養(yǎng)殖模式、以畜禽養(yǎng)殖設(shè)施或者場所與居民生活區(qū)混雜為主要特點(diǎn)、在一定范圍內(nèi)從事以銷售為目的的畜禽養(yǎng)殖活動的區(qū)域,區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖戶3家以上、單戶養(yǎng)殖數(shù)量低于規(guī)?；B(yǎng)殖場數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)、總體養(yǎng)殖規(guī)模較大[3-4]。

畜禽養(yǎng)殖場的畜禽糞便廢水是一種高濃度有機(jī)廢水,富含N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的同時,還含有硫化氫、酚類、醇類、抗生素、激素、胺類、酰胺類和吲哚等有機(jī)物[5],這些物質(zhì)會污染地表水和地下水,并對人體的健康產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)使用的飼料含有較多Zn、Cu、Fe、As、Cd、Mn等元素,這些物質(zhì)隨著糞污進(jìn)入土壤后,會破壞土壤結(jié)構(gòu),影響作物的正常生長,進(jìn)而威脅人類的健康[7]。而散養(yǎng)密集區(qū)的管理不規(guī)范、畜禽散養(yǎng)戶較多而且環(huán)保意識不強(qiáng)、相應(yīng)的環(huán)境治理措施不完善,極易滋生蚊蠅等害蟲,對周圍環(huán)境造成污染[8-10]。亮子河流域是遼寧省畜禽散養(yǎng)戶集中的區(qū)域,沿岸散養(yǎng)密集區(qū)的畜禽養(yǎng)殖污染已成為流域水環(huán)境的重要污染源,其污染排放量占亮子河流域總排放量的90%以上,已導(dǎo)致亮子河污染日益嚴(yán)重,急需開展相關(guān)的研究。

本研究以亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)為研究對象,在對畜禽散養(yǎng)密集區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上,開展關(guān)于畜禽糞便負(fù)荷量、畜禽承載力預(yù)警值、畜禽養(yǎng)殖最大承載量的研究,并進(jìn)行散養(yǎng)密集區(qū)土地畜禽養(yǎng)殖承載力評價,為改善流域環(huán)境質(zhì)量、加強(qiáng)環(huán)境管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

亮子河是遼河一級支流,發(fā)源于遼寧省鐵嶺市昌圖縣泉頭鎮(zhèn),流經(jīng)通江口鎮(zhèn)后跨界進(jìn)入鐵嶺市開原市境內(nèi),并在后施堡匯入遼河。河流全長106 km,流域面積565.8 km2,流域主要涉及8個鄉(xiāng)鎮(zhèn):昌圖縣內(nèi)泉頭鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)、大興鎮(zhèn)和開原市內(nèi)八寶鎮(zhèn)、慶云堡鎮(zhèn)等。

畜禽養(yǎng)殖特別是家庭分散養(yǎng)殖在亮子河流域占有重要的地位,已成為該地區(qū)農(nóng)村區(qū)域經(jīng)濟(jì)的重要增長點(diǎn)和農(nóng)民增收的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。同時由于家庭分散養(yǎng)殖分布相對分散、管理水平落后、治理難度大,導(dǎo)致亮子河流域成為遼寧省畜禽養(yǎng)殖富營養(yǎng)化物質(zhì)流失量最大的區(qū)域之一[11]。流域內(nèi)農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖散戶化學(xué)需氧量和氨氮排放量分別為392.60和21.61 t·a-1。畜禽糞便及污水未經(jīng)任何處理直接排放到環(huán)境中,在降水和灌溉等過程的影響下會隨地表徑流遷移,嚴(yán)重污染了地表水、地下水和土壤,使河流水質(zhì)惡化,使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低,成為昌圖縣和開原市的主要污染源[12-13]。

1.2 現(xiàn)狀調(diào)查

在2019年7—9月期間,對亮子河流域涉及的8個鎮(zhèn)125個村開展畜禽散養(yǎng)密集區(qū)畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀調(diào)查,對區(qū)域內(nèi)豬、牛、羊、馬、騾、雞、鴨、鵝的飼養(yǎng)情況進(jìn)行了調(diào)研和統(tǒng)計。由于不同地區(qū)的畜禽種類和數(shù)量之間存在著較大的差異,為便于統(tǒng)計和比較,根據(jù)不同種類畜禽糞尿的日排放量和總氮(TN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14-17](表1),以豬每日產(chǎn)生的TN量為基礎(chǔ),通過計算其余畜禽種類每日產(chǎn)生的TN量與豬的比值,把各種不同畜禽轉(zhuǎn)化為畜禽豬當(dāng)量。同時對各個鎮(zhèn)農(nóng)地面積進(jìn)行統(tǒng)計,八寶鎮(zhèn)、大興鎮(zhèn)、慶云堡鎮(zhèn)、泉頭鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)和亮中橋鎮(zhèn)耕地面積分別為6 667、5 133、7 333、4 000、6 400、7 333、5 840和11 600 hm2。

表1 畜禽糞尿日排放量和畜禽糞尿中TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Daily discharge of animal manure and urine and mass fraction of TN in animal manure and urine

1.3 畜禽承載力研究

畜禽環(huán)境承載能力是環(huán)境系統(tǒng)對畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的負(fù)荷能力,是區(qū)域自然環(huán)境在一定時期、條件下畜禽養(yǎng)殖環(huán)境系統(tǒng)的承載能力,是該地區(qū)可以繼續(xù)支持的牲畜和家禽養(yǎng)殖的最大數(shù)量[18-19]。畜禽環(huán)境承載能力的計算主要包括養(yǎng)分平衡法[20]、灰色建模法[21]、系統(tǒng)分析法[22]、系統(tǒng)動力學(xué)法[23-25]和大系統(tǒng)理論與層次分析法相結(jié)合[26-27]等方法。與后4種方法相比,養(yǎng)分平衡法考慮了農(nóng)田種植的養(yǎng)分輸出和畜禽糞便的養(yǎng)分輸入之間的關(guān)系,對該地區(qū)可以繼續(xù)支持最大數(shù)量的牲畜進(jìn)行了計算,該方法相對簡便,結(jié)果客觀,便于推廣應(yīng)用,因此,本文選擇養(yǎng)分平衡法從土地畜禽糞便負(fù)荷量、畜禽承載力預(yù)警值、畜禽養(yǎng)殖最大承載量3方面對亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)土地畜禽糞便承載力進(jìn)行計算和分析。

1.3.1 畜禽糞便負(fù)荷量

畜禽糞便負(fù)荷量指單位面積農(nóng)地所負(fù)荷的畜禽糞便量,可通過式(1)進(jìn)行計算[28],

(1)

式中:q為農(nóng)地畜禽糞便負(fù)荷量,t·hm-2;M為畜禽糞便年排泄量,t;S為糞便有效消納面積,hm2;L為畜禽糞便流失率,通常畜禽糞便流失率為30%～40%[29],本研究取流失率為30%。

在實(shí)際畜禽飼養(yǎng)過程中,畜禽存欄量是一個不斷變化的值,但為了便于研究,本文中把畜禽存欄量看作一個相對穩(wěn)定的值,則畜禽糞便年排泄量M的計算公式為

(2)

式中:Q為畜禽養(yǎng)殖量,頭或只;C1為畜禽糞尿的日排放量(見表1),kg·d-1。

1.3.2 土地畜禽承載力預(yù)警值

土地畜禽糞便承載力預(yù)警值的計算公式如下:

式中:r為農(nóng)地畜禽糞便承載力預(yù)警值;P為以豬糞當(dāng)量計的農(nóng)地畜禽糞便最大負(fù)荷量,t·hm-2。

農(nóng)地畜禽糞便最大負(fù)荷量P可以通過作物所需畜禽糞便最大氮量進(jìn)行計算,

(3)

式中:Nmax為作物所需畜禽糞便最大供氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),t·hm-2;K為豬糞含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;V為糞肥氮的利用率,取60%。亮子河流域水田主要用于種植水稻,而旱田主要以玉米為主,因此選擇水稻和玉米作為水田和旱田的種植作物來計算作物所需畜禽糞便最大供氮量,其中單位面積水稻和玉米的全年需氮量為113.8和120.0 kg·hm-2[18,30]。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)整理,以亮子河流域畜禽散養(yǎng)戶的畜禽養(yǎng)殖出欄量占畜禽養(yǎng)殖出欄總量的50%計,對文獻(xiàn)中畜禽糞便承載力預(yù)警值分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整[28-29],即:當(dāng)r<0.20,污染級別為Ⅰ,污染程度為無;當(dāng)0.20≤r<0.35,污染級別為Ⅱ,污染程度為稍有;當(dāng)0.35≤r<0.50,污染級別為Ⅲ,污染程度為有;r≥0.5,污染級別為Ⅳ,污染程度為嚴(yán)重。

1.3.3 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量是指在一定區(qū)域范圍內(nèi),在環(huán)境允許范圍內(nèi)的最大畜禽養(yǎng)殖數(shù)量,是該地區(qū)農(nóng)地畜禽養(yǎng)殖容量的最大值,為便于不同種類畜禽養(yǎng)殖間的相關(guān)比較,這里采用畜禽豬當(dāng)量進(jìn)行計算。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量,即農(nóng)地畜禽最大承載量Qmax的計算公式如下[30]:

(4)

式中:Qmax為畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量,頭;0.4為鐵嶺市有機(jī)糞肥占總施用糞肥的比例;C2為1頭豬年糞尿排泄量,kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)狀分析

于2019年7—9月期間對亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)豬、牛、羊、馬、騾、雞、鴨、鵝的飼養(yǎng)情況進(jìn)行了調(diào)研,其畜禽飼養(yǎng)情況見圖1。從圖1中可以看出,亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)畜禽飼養(yǎng)數(shù)量為80.83萬頭,其中飼養(yǎng)數(shù)量最多為肉雞、豬和蛋雞,馬、驢、騾的數(shù)量較少,可以忽略不計。不同鎮(zhèn)的畜禽飼養(yǎng)情況差異顯著,其中慶云堡鎮(zhèn)畜禽數(shù)量最多(15.27萬頭),通江口鎮(zhèn)和老城鎮(zhèn)次之(13.97和11.23萬頭),而亮中橋鎮(zhèn)畜禽數(shù)量最少(8.19萬頭)。不同畜禽養(yǎng)殖種類的分布情況也存在較大的差異,豬養(yǎng)殖主要集中在老城鎮(zhèn)、亮中橋和大興鎮(zhèn),其飼養(yǎng)量占到流域的51.78%;牛養(yǎng)殖主要集中在亮中橋鎮(zhèn)和大興鎮(zhèn),占流域的55.73%;羊養(yǎng)殖主要集中在通江口鎮(zhèn)、八寶鎮(zhèn)和亮中橋鎮(zhèn),占流域的53.46%;蛋雞養(yǎng)殖主要集中在老城鎮(zhèn)和大興鎮(zhèn),占流域的55.95%,而肉雞和鴨養(yǎng)殖主要集中在慶云堡鎮(zhèn)和通江口鎮(zhèn),分別占流域的55.39%和63.55%。

圖1 亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)養(yǎng)殖情況Fig.1 Livestock and poultry farming in the densely-raised area of Liangzi River Basin

由于不同畜禽種類和數(shù)量在各鎮(zhèn)間存在顯著差異,因此,依據(jù)不同種類畜禽每日產(chǎn)生的糞尿TN質(zhì)量分?jǐn)?shù),把各種不同畜禽的養(yǎng)殖量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的豬當(dāng)量以便于比較研究,轉(zhuǎn)化后的豬當(dāng)量由高到低排序?yàn)榱林袠蜴?zhèn)(15.11萬頭)、大興鎮(zhèn)(11.65萬頭)、老城鎮(zhèn)(9.78萬頭)、通江口鎮(zhèn)(7.08萬頭)、昌圖鎮(zhèn)(6.48萬頭)、八寶鎮(zhèn)(3.65萬頭)、慶云堡鎮(zhèn)(3.62萬頭)、泉頭鎮(zhèn)(2.92萬頭)。畜禽散養(yǎng)密集區(qū)主要集中在亮子河流域的中游。亮子河流域散養(yǎng)密集區(qū)畜禽豬當(dāng)量為59.99萬頭,不同鎮(zhèn)間豬當(dāng)量差異顯著,亮中橋鎮(zhèn)豬當(dāng)量最大,為豬當(dāng)量最小的泉頭鎮(zhèn)的5.18倍。

2.2 畜禽承載力

2.2.1 土地畜禽糞便負(fù)荷量

使用式(1)和式(2)對亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)土地畜禽糞便負(fù)荷量進(jìn)行了計算,結(jié)果見圖2。各鎮(zhèn)畜禽糞便年產(chǎn)量差異顯著,由高到底依次為亮中橋鎮(zhèn)、大興鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)、八寶鎮(zhèn)、慶云堡鎮(zhèn)、泉頭鎮(zhèn),其中亮中橋鎮(zhèn)最高,為16.17萬t,泉頭鎮(zhèn)最少,為3.12萬t,其排列順序與豬當(dāng)量排列順序一致。

圖2 亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)年糞尿產(chǎn)量和畜禽糞便負(fù)荷量Fig.2 Annual manure and urine output and manure load of livestock and poultry in the densely-raised livestock and poultry areas in Liangzi River Basin

土地畜禽糞便負(fù)荷量受年糞尿產(chǎn)量影響的同時還取決于農(nóng)地面積,因此各鎮(zhèn)的畜禽糞便負(fù)荷量由大到小依次為大興鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)、泉頭鎮(zhèn)、八寶鎮(zhèn)、慶云堡鎮(zhèn),其中負(fù)荷量最大的大興鎮(zhèn)(17.01 t·hm-2)為最少的慶云堡鎮(zhèn)(3.70 t·hm-2)的4.60倍。大興鎮(zhèn)畜禽豬當(dāng)量較高且農(nóng)地面積較小有關(guān),而慶云堡鎮(zhèn)主要以雞、鴨養(yǎng)殖為主,折算豬當(dāng)量的畜禽糞便量相對較少,且其可以承受畜禽糞便量的農(nóng)田耕地面積較大,所以大興鎮(zhèn)的農(nóng)地畜禽糞便負(fù)荷量較大,土壤壓力較大,而慶云堡鎮(zhèn)農(nóng)地畜禽糞便負(fù)荷量最小。

2.2.2 農(nóng)地畜禽糞便承載力的風(fēng)險評價

使用式(3)對農(nóng)地畜禽糞便最大負(fù)荷量P進(jìn)行計算,亮子河流域農(nóng)地畜禽糞便最大負(fù)荷量P平均值為3.89 t·hm-2,各鎮(zhèn)的差異較小。其中大興鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)和泉頭鎮(zhèn)農(nóng)地主要以旱田為主,水田的面積可以忽略不計,而以玉米為代表的旱田的全年需氮量略大于水田[12,28],所以這4個鎮(zhèn)的P值相同,均為39.22,且大于其他鎮(zhèn)。慶云堡鎮(zhèn)的P值最小,為37.84,按照P的大小與農(nóng)地中水田所占比例成反比,排序如下:P大興鎮(zhèn)=P通江口鎮(zhèn)=P昌圖鎮(zhèn)=P泉頭鎮(zhèn)>P亮中橋鎮(zhèn)>P老城鎮(zhèn)>P八寶鎮(zhèn)>P慶云堡鎮(zhèn)。

土地畜禽糞便承載力預(yù)警值計算結(jié)果表明,亮子河流域總的土地畜禽糞便承載力預(yù)警值0.21,污染級別為Ⅱ級,已對環(huán)境產(chǎn)生影響,各鎮(zhèn)的情況差異顯著,其中慶云堡鎮(zhèn)(0.10)、八寶鎮(zhèn)(0.11)、昌圖鎮(zhèn)(0.18)、泉頭鎮(zhèn)(0.14)的預(yù)警值在0.20以下,其污染級別為Ⅰ級,未對環(huán)境產(chǎn)生顯著的影響;老城鎮(zhèn)(0.26)、亮中橋鎮(zhèn)(0.25)、通江口鎮(zhèn)(0.23)的預(yù)警值在0.20～0.35之間,污染級別為Ⅱ級,已對環(huán)境產(chǎn)生影響;大興鎮(zhèn)預(yù)警值(0.43)在0.35～0.50之間,其污染級別為Ⅲ級,已對環(huán)境產(chǎn)生顯著的影響。亮子河流域總體上已經(jīng)超過環(huán)境安全的范圍,應(yīng)加強(qiáng)畜禽糞污處理設(shè)施的建設(shè),對于老城鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)管理,而對于超標(biāo)嚴(yán)重的大興鎮(zhèn)應(yīng)該限制其畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,以免對環(huán)境造成更加嚴(yán)重的影響,對居民生活造成危害。

2.2.3 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量受到農(nóng)地種植作物種類、農(nóng)地面積、有機(jī)糞肥施用比例、密集散養(yǎng)區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量占畜禽養(yǎng)殖總數(shù)比例的影響,依據(jù)式(4),計算亮子河流域散養(yǎng)密集區(qū)畜禽散養(yǎng)環(huán)境容量Qmax,如圖3。

圖3 亮子河流域散養(yǎng)密集區(qū)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量Fig.3 Environmental capacity of livestock and poultry breeding in intensive free-range areas in Liangzi River Basin

從圖3中可以看出,亮中橋鎮(zhèn)畜禽散養(yǎng)環(huán)境容量最大,為12.59萬頭,泉頭鎮(zhèn)最小,為4.35萬頭,是亮中橋鎮(zhèn)的34.56%。這主要受到各鎮(zhèn)農(nóng)地面積的影響,雖然泉頭鎮(zhèn)農(nóng)地畜禽糞便最大負(fù)荷量略大于亮中橋鎮(zhèn),但泉頭鎮(zhèn)農(nóng)地面積為亮中橋鎮(zhèn)的34.48%,因此泉頭鎮(zhèn)畜禽散養(yǎng)環(huán)境容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于亮中橋鎮(zhèn)。與亮子河流域散養(yǎng)密集區(qū)畜禽散養(yǎng)數(shù)量進(jìn)行比較可以看出,大興鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)和通江口鎮(zhèn)超過畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量,大興鎮(zhèn)超標(biāo)最嚴(yán)重,超標(biāo)108.68%。因此,需限制畜禽養(yǎng)殖業(yè)在大興鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)和通江口鎮(zhèn)的過分發(fā)展,加強(qiáng)畜禽糞污處理設(shè)施的建設(shè),而八寶鎮(zhèn)和慶云堡鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)存在一定的發(fā)展空間,可以進(jìn)一步擴(kuò)大其養(yǎng)殖規(guī)模。

3 結(jié) 論

1) 亮子河流域畜禽散養(yǎng)密集區(qū)畜禽飼養(yǎng)數(shù)量為80.83萬頭,其以肉雞、豬和蛋雞養(yǎng)殖為主。不同鎮(zhèn)間豬當(dāng)量數(shù)量差異顯著,由大到小依次為亮中橋鎮(zhèn)、大興鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)、八寶鎮(zhèn)、慶云堡鎮(zhèn)、泉頭鎮(zhèn)。

2) 各鎮(zhèn)畜禽糞便年產(chǎn)量與豬當(dāng)量成正比,而畜禽糞便負(fù)荷量受到消納面積的影響,由大到小依次為大興鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、通江口鎮(zhèn)、昌圖鎮(zhèn)、泉頭鎮(zhèn)、八寶鎮(zhèn)、慶云堡鎮(zhèn)。

3) 畜禽糞便承載力的風(fēng)險評價和畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量結(jié)果顯示,大興鎮(zhèn)、亮中橋鎮(zhèn)、老城鎮(zhèn)和通江口鎮(zhèn)超過畜禽養(yǎng)殖環(huán)境容量,對環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生不同程度的污染,特別是大興鎮(zhèn)超標(biāo)最嚴(yán)重,需對其加強(qiáng)環(huán)境管理。