山西省畜禽養(yǎng)殖糞尿及養(yǎng)分含量時空分布特征

胡雪純，解文艷，馬曉楠，周懷平，楊振興，劉志平

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國家重點實驗室（籌），山西 太原 030031）

山西省的自然地理環(huán)境具有畜牧業(yè)發(fā)展的天然優(yōu)勢，通過多年持續(xù)的建設(shè)，全省畜牧業(yè)取得了長足發(fā)展，畜產(chǎn)品從百姓節(jié)日才可以吃到變?yōu)椴妥赖娜粘Ｊ澄颷1]。經(jīng)過多年發(fā)展，山西省涌現(xiàn)出一批先進(jìn)市縣，一批畜牧龍頭企業(yè)，創(chuàng)造了“懷仁羔羊肉”、“呂糧山豬”等馳名品牌[2-3]。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)?；图s化程度的不斷提高，不規(guī)范的畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿?qū)Νh(huán)境造成一定程度的影響，若缺乏有效處理，會給生態(tài)環(huán)境帶來極大的危害[4-5]。因此，系統(tǒng)分析山西省畜禽養(yǎng)殖污染變化時空分布規(guī)律，對畜禽養(yǎng)殖業(yè)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

目前關(guān)于畜禽糞尿污染負(fù)荷估算、時空分布及預(yù)測等方面的研究已有諸多報道。侯世忠等[6]根據(jù)山東省各市2010年初、年末畜禽存欄平均數(shù)，估算了各市和全省畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便產(chǎn)生量，并對由此產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了評價；鄭莉等[7]量化分析了山東省作物糞污養(yǎng)分需求量、畜禽糞污養(yǎng)分供應(yīng)量，將不同畜種產(chǎn)生的畜禽糞便量統(tǒng)一換算為豬糞當(dāng)量，計算各市畜禽糞污土地承載力指數(shù)，分析山東省畜禽糞污土地承載力的時空變化特征；陳國和等[8]分析了2000—2016 年浙江省10 個地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)的時空變化特征、糞尿產(chǎn)生量、氮磷產(chǎn)生量以及對土地環(huán)境的影響，評估各地區(qū)農(nóng)用地對畜禽養(yǎng)殖糞尿的承載情況；張靖雨等[9]研究了安徽省2009—2018年畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，估算畜禽糞尿產(chǎn)生量及其主要污染物含量的變化，分析了安徽省不同種類畜禽養(yǎng)殖糞尿養(yǎng)分時空格局及演化特征。

目前，針對近年來山西省內(nèi)畜禽糞尿資源已有如下研究。張建杰等[10]分析了1978—2012年山西省畜禽養(yǎng)殖量的變化特征，從時空維度評價了山西省畜禽糞尿資源量及其環(huán)境風(fēng)險；李向陽等[11]簡述了2010—2016 年山西省畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)對生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行了分析；李丹陽等[12]估算了2016 年山西省畜禽糞污的產(chǎn)生量和負(fù)荷量；郭彩霞等[13]研究基于農(nóng)牧生產(chǎn)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的方法，測算了山西省縣域尺度的畜禽糞污土地承載力。但對于山西省1987年后有確切數(shù)據(jù)依據(jù)的畜禽養(yǎng)殖糞尿及養(yǎng)分含量時空分布特征還未研究。

本研究利用山西省畜牧業(yè)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)分析山西省1987—2019 年的畜禽養(yǎng)殖情況及時空分布特征，采用生態(tài)環(huán)境部推薦的排泄系數(shù)法估算糞尿排放量，同時對山西省畜禽養(yǎng)殖污染時空演變規(guī)律進(jìn)行分析，旨在為山西省畜禽糞尿養(yǎng)分資源利用和畜禽養(yǎng)殖業(yè)科學(xué)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

山西省位于黃河中游，黃土高原東部。轄區(qū)地理坐標(biāo)為北緯 34°34′～40°44′，東經(jīng) 110°14′～114°33′?？偯娣e15.67萬km2，東有太行山，西有呂梁山，山區(qū)面積約占全省總面積的80%以上，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，是國際上公認(rèn)的優(yōu)良畜牧業(yè)生產(chǎn)地區(qū)。下轄11個地級市，119個縣級行政單位（23個市轄區(qū)、11 個縣級市、85 個縣）。畜牧業(yè)是山西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。

1.2 試驗方法

數(shù)據(jù)來自1987—2019 年《山西統(tǒng)計年鑒》公布的山西省及各地市畜牧業(yè)生產(chǎn)情況統(tǒng)計資料，具體包括全省及各地市牛、豬、家禽每年末的存欄數(shù)和出欄數(shù)，所用數(shù)據(jù)截止時間為2019 年底。所用到的參數(shù)來自國內(nèi)外的文獻(xiàn)資料并結(jié)合實際情況，包括畜禽的飼養(yǎng)期、畜禽糞便日排泄系數(shù)、畜禽糞尿中污染物平均含量系數(shù)、畜禽糞便產(chǎn)氣系數(shù)和畜禽糞便豬糞當(dāng)量系數(shù)等[14-15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

糞便產(chǎn)生量計算公式[16]如下。

式中，Q為畜禽糞便產(chǎn)生量（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）（表1）。

表1 山西省不同畜禽養(yǎng)殖糞污排泄系數(shù)Tab.1 The excretion coefficient of manure from different livestock and poultry breeding in Shanxi province

山西省各類畜禽的生長周期：豬的平均飼養(yǎng)期為199 d，以出欄量作為飼養(yǎng)量；牛的飼養(yǎng)期大于365 d（按365 d 計），以年底存欄量為飼養(yǎng)量；家禽的平均飼養(yǎng)期為210 d，以年末存欄只數(shù)計算。

式中，A為畜禽糞便中污染物量（kg）；m為畜禽糞便產(chǎn)生量（t）；c為單位質(zhì)量畜禽糞便污染物含量（kg/t）。

通過查閱近年來多位學(xué)者的研究成果[17-20]，本研究篩選的新鮮畜禽糞尿中污染物的平均含量系數(shù)如表2所示。

表2 畜禽糞尿中主要污染物平均含量Tab.2 Average content of main pollutants in manure and urine of livestock and poultry kg/t

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省1987—2019年畜禽養(yǎng)殖業(yè)變化特征

從圖1可以看出，2019年山西省豬全年出欄量939.9 萬頭，達(dá)到歷史新高，與1987 年相比增加了271.9%；家禽年末存欄量12 128.95萬羽，達(dá)到歷史新高，與1987年相比增加了262.3%；牛年末存欄量為103.89萬頭，與1987年相比減少了33.9%。由圖1可知，1987—1996年是山西畜牧業(yè)全面快速發(fā)展的時期，這一階段主要是貫徹黨的十一屆三中全會的路線，執(zhí)行改革開放的方針，在畜牧業(yè)所有制方面推行了聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，鼓勵和支持農(nóng)民發(fā)展家庭畜牧業(yè)，山西省各畜禽養(yǎng)殖量增長趨勢穩(wěn)定，增長趨勢較快的是豬和家禽，在此期間，牛的養(yǎng)殖開始有了一定的發(fā)展；1997—2006 年，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，山西畜牧業(yè)從以數(shù)量增長為主逐步轉(zhuǎn)向以提高質(zhì)量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和增加效益的結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)展階段，這一時期豬和家禽的養(yǎng)殖有了進(jìn)一步的發(fā)展，牛的養(yǎng)殖量保持穩(wěn)中有增的趨勢；2007—2014 年，進(jìn)入發(fā)展方式轉(zhuǎn)變期，由傳統(tǒng)畜牧業(yè)進(jìn)一步向商品畜牧業(yè)發(fā)展，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，用于役用的牛大幅減少，受市場的影響，牛的養(yǎng)殖數(shù)量開始減少，而同時在肉、蛋、奶等畜牧產(chǎn)品消費需求的拉動下，豬和家禽的養(yǎng)殖在此階段得到了快速發(fā)展[21]。2015—2018 年期間由于受環(huán)保政策（山西省汾河流域生態(tài)修復(fù)與保護(hù)條例[22]、“煤改氣”、“煤改電”工程）、非洲豬瘟、禽流感和雞飼料價格不斷上漲的影響，豬和家禽養(yǎng)殖規(guī)模水平稍有降低，到2019年恢復(fù)增長[23-24]。

由于豬的養(yǎng)殖在畜禽養(yǎng)殖中占據(jù)著很大的比例，因此，本研究中將牛、家禽的養(yǎng)殖數(shù)量換算為豬當(dāng)量數(shù)來衡量畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量和密度，以便不同畜禽種類之間進(jìn)行比較。即將其他畜禽按一定關(guān)系折算成豬的數(shù)量，按照100 頭豬相當(dāng)于30 頭牛、2 500 只家禽計算[16]，則山西省不同時間段畜禽養(yǎng)殖占比如圖2所示。

由圖2 可知，從主要畜禽的豬當(dāng)量看，2007—2014、2015—2019年中山西省畜禽養(yǎng)殖中豬的貢獻(xiàn)最大，均超過了50.0%，其次為牛，最后為家禽，說明豬肉是現(xiàn)代山西人民餐桌上最主要的肉類產(chǎn)品，這與豬飼養(yǎng)周期相對較短、飼養(yǎng)成本較低有關(guān)。而近30 a 來牛的占比呈下降趨勢，從52.9%降至21.8%。豬、家禽占比呈上升趨勢，這可能與農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高、飼養(yǎng)牛的難度大、成本高、周期長有關(guān)。

在空間上，從圖3、4可以看出，在2007—2019年，山西省北部地區(qū)一直是牛的主要養(yǎng)殖區(qū)域，西南部和南部區(qū)域牛養(yǎng)殖規(guī)?？s小，晉西北地區(qū)（呂梁市）逐漸發(fā)展牛養(yǎng)殖業(yè)；豬和家禽的養(yǎng)殖在2007—2019 年均主要集中在晉南、晉東南地區(qū)；2007年運城市畜禽養(yǎng)殖量居全省末尾，但2019 年運城市的豬全年出欄量和家禽年末存欄量分別為137萬頭、2 833.6 萬羽，位居全省首位，這可能與之前運城市重點發(fā)展種植業(yè)，不發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)有關(guān)。

2.2 山西省1987—2019 年畜禽養(yǎng)殖糞尿產(chǎn)生量時空變化特征

由圖5可知，1987—1996年糞尿產(chǎn)生總量增長迅速，在 1996 年達(dá)到 3 922.6 萬 t；1997 年突然下降至3 000.5萬t，比1996年減少了23.5%，之后又恢復(fù)增長，在 2005 年達(dá)到了 3 709.5 萬 t，與 1996 年基本持平；2006—2007 年由于養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的調(diào)整，畜禽糞便、尿液產(chǎn)生總量出現(xiàn)急劇下滑，在2007年下降至1 951.7 萬t；之后保持平穩(wěn)增長狀態(tài)，在2019 年達(dá)2 383.0 萬 t，較 2007 年增長 22.1%。由表 1 可知，不同糞尿類別產(chǎn)生量差異較大。牛糞產(chǎn)生量最大，在1987—2006 年這 20 a 間平均年產(chǎn)生量 1 553.7 萬 t，占比為51.8%；在2007—2019年牛糞年平均產(chǎn)生量為715.0 萬t，占比為35.2%，養(yǎng)殖量平均為97.9 萬頭，按豬當(dāng)量計為490.0 萬頭，而豬養(yǎng)殖量平均為740.7萬頭，雖然牛養(yǎng)殖量占豬養(yǎng)殖量的66.1%，但牛糞年平均產(chǎn)生量是豬糞的242.5%；家禽類養(yǎng)殖量雖高于豬、牛，但糞便平均產(chǎn)生量僅為牛糞的24.8%、豬糞的60.1%，因此，應(yīng)側(cè)重加強(qiáng)對牛養(yǎng)殖糞污控制的防治措施。

由于多數(shù)城市沒有2007年以前的畜牧業(yè)生產(chǎn)情況記載，所以，本研究將對比2007年與2019年各市畜禽養(yǎng)殖糞尿產(chǎn)生量的空間變化。由圖6、7 可知，2007 年，山西省畜禽糞尿產(chǎn)生量大體呈現(xiàn)南北多、中部少的特點；2019 年，除了太原市、陽泉市畜禽糞尿產(chǎn)生量由于分別受環(huán)保政策和人口規(guī)模的影響較少外，全省其他地市畜禽糞尿產(chǎn)生量分布均勻，在 192.7 萬～319.9 萬 t；在 2007—2019 年間，大多數(shù)城市畜禽糞尿產(chǎn)生量是在下降的，其中臨汾市畜禽糞尿產(chǎn)生量下降的最多，由2007年的595.2萬t下降至 2019 年的 201.1 萬 t，下降了 66.2%；而忻州市、呂梁市、晉中市，尤其是運城市的畜禽糞尿產(chǎn)生量增加最多，2019 年的畜禽養(yǎng)殖糞尿產(chǎn)生量達(dá)248.9萬t，約是2007年的24倍。

2.3 山西省1987—2019 年畜禽養(yǎng)殖糞尿養(yǎng)分產(chǎn)生量時空變化特征

從圖8 可以看出，全省畜禽糞尿中COD、BOD、NH3-N、TN、TP 含量年際變化趨勢相似，在1987—1996年快速增長的過程中，5種主要污染物產(chǎn)生之和 由 107.2 萬 t 增長至 207.3 萬 t，在 1997 年下降至158.4萬t，之后又開始上升，2005年達(dá)到199.2萬t，之后在2007年突降至108.6萬t，隨后一直到2019年，保持整體上升的趨勢。1987—2019年間，COD和BOD產(chǎn)生量最高，占5 種主要污染物之和的83.1%。在2018 年后，COD、BOD 和 TN 的增幅要明顯高于NH3-N和TP。30多年間，全省畜禽糞尿中COD產(chǎn)生量均保持最高，年平均產(chǎn)生量為64.3萬t，占污染物產(chǎn)生總量的45.3%；TP產(chǎn)生量最低，僅占總量的2.5%。

從圖9、10 可以看出，畜禽糞尿中主要污染物產(chǎn)生分布與畜禽糞尿一致，2007 年排除運城市在外，呈現(xiàn)南北高、中部地區(qū)少的特點。2007 年全省畜禽糞尿中COD、BOD、NH3-N、TN 及TP 含量分別為62.3萬、52.8萬、5.6萬、13.8萬、3.7萬t，污染物產(chǎn)生總量最靠前的地市分別為臨汾市、大同市、長治市、晉城市，主要集中在山西省的南、北兩端地區(qū)，4 個市之和占全省總量的63.3%；2019年全省COD、BOD、NH3-N、TN 含量較2007 年分別下降了5.3%、3.2%、9.7%、8.0%，而TP 含量增加了7.0%。其中，5 種污染物含量之和降低最多的是臨汾市，分別降低了62.5%、60.3%、66.4%、65.3%和50.6%，降低均達(dá)到了1/2以上；5種污染物含量之和增加最多的是運城市，增加倍數(shù)在23～31 倍之間。運城市的家禽糞便中的污染物含量增加最多，達(dá)到了42 倍之多，這與運城市近10 多年家禽養(yǎng)殖的扶持政策有關(guān)，但這也提醒相關(guān)部門要重視畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、畜禽糞污處理和資源化利用，同時落實畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境評價和污染監(jiān)管制度。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，1987—2019 年，山西省畜禽養(yǎng)殖規(guī)模整體呈現(xiàn)階段性上升趨勢，分為1987—1996 年全面發(fā)展期、1997—2006 年結(jié)構(gòu)調(diào)整期、2007—2014年發(fā)展方式轉(zhuǎn)變期和2015年之后恢復(fù)增長期這4個時期。2007—2019年間，空間上由原來的南北高中間少變化為各地市分布均勻，區(qū)域生產(chǎn)格局基本形成。太原市主要發(fā)展高新技術(shù)，而陽泉市主要以資源開采為主，畜牧業(yè)不發(fā)達(dá)，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模整體較小。

折算為豬當(dāng)量后，山西省近30 a來牛的占比呈下降趨勢，從63.8%降至31.4%。豬、家禽占比呈緩慢上升趨勢，這可能與農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高、飼養(yǎng)牛的難度大、成本高、周期長有關(guān)。面對豬、家禽養(yǎng)殖逐漸占據(jù)主導(dǎo)的情況，各地要加強(qiáng)對豬、家禽糞尿的綜合管理，調(diào)整養(yǎng)殖規(guī)模，合理布局，開展有機(jī)肥代替化肥，種養(yǎng)結(jié)合，就地建設(shè)糞污處理廠。

目前山西省畜禽糞尿產(chǎn)生形勢雖比2006年之前低接近1/2，但仍較為嚴(yán)峻，2007—2019年糞尿產(chǎn)生總量達(dá)26 400.2萬t。牛糞產(chǎn)生量最大，平均年產(chǎn)生量715.0 萬t，占比為35.2%；家禽糞便產(chǎn)生量最低，年平均產(chǎn)生量177.0 萬t，占比為8.7%。在畜禽糞尿處理方面，可以將畜禽糞尿無害化處理后還田利用，為農(nóng)田提供了大量的氮磷鉀養(yǎng)分，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，也可建設(shè)沼氣工程解決燃料匱乏問題。

1987—2019 年，全省畜禽糞尿中COD、BOD、NH3-N、TN、TP含量年際變化趨勢同畜禽養(yǎng)殖規(guī)模相似，全省畜禽糞尿中TP產(chǎn)生量最低，平均僅占總量的2.5%，COD產(chǎn)生量均保持最高，年平均產(chǎn)生量64.3萬t，占污染物產(chǎn)生總量的45.3%。與養(yǎng)殖規(guī)模類似，畜禽糞尿中養(yǎng)分產(chǎn)生量最低是太原市和陽泉市。相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)污染狀況劃定禁養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)和適養(yǎng)區(qū)。