基于耕地消納能力和水環(huán)境容量的畜禽糞便環(huán)境承載力分析
——以宜春市為例

袁定波，王紅利，廖 兵，熊 鵬*，張秋根，唐 豪，張 穎

（1.江西省生態(tài)環(huán)境科學研究與規(guī)劃院，江西 南昌 330039；2.河海大學 環(huán)境學院，江蘇 南京 210098；3.南昌航空大學 環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330063；4.江西水利職業(yè)學院，江西 南昌 330013）

隨著畜牧業(yè)朝集約化與規(guī)?；较蚩焖侔l(fā)展［1］，規(guī)模畜禽養(yǎng)殖廢棄物所帶來的環(huán)境問題也越來越嚴重［2］。第一次全國污染源普查數(shù)據(jù)表明：畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便產(chǎn)生量達2.43億t，尿液產(chǎn)生量達1.63億t；主要水污染物排放量COD 1268.26萬t、總氮102.48萬t、總磷16.04萬t、銅2397.23 t、鋅4756.94 t，COD、總氮、總磷排放量分別占全國總排放量的41.9%、21.7%、37.7%，分別占農(nóng)業(yè)源排放量的96%、38%、65%［3］。畜牧業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和污染源普查動態(tài)更新數(shù)據(jù)表明，全國畜禽養(yǎng)殖污染物排放量在污染物總排放量中的占比呈上升趨勢［4］。由于畜禽糞尿具有收集難度大、轉(zhuǎn)運要求高等難點，決定了其不適于大范圍跨地區(qū)移動處理，耕地消納仍是較為經(jīng)濟可行的畜禽污染物處理方式［5］。當畜禽污染物超過自然消納能力時，經(jīng)過物質(zhì)循環(huán)的污染物最終將進入土壤，造成土壤及水體污染，導致農(nóng)作物減產(chǎn)，進而威脅人類健康［6］。

我國關于畜禽糞便對環(huán)境影響的研究從糞污處理模式、資源化利用方式、政策與法律法規(guī)制定方面逐漸聚焦于畜禽糞污空間特征和環(huán)境承載力分析等方面［7］。例如：仇煥廣等［8］測算了各省區(qū)不同畜禽糞污的排放量與污染量，并采用農(nóng)業(yè)空間均衡模型對中國畜禽污染的空間特征進行了分析；邱樂豐等［10］根據(jù)農(nóng)作物生長對氮磷養(yǎng)分需求量與畜禽養(yǎng)殖氮磷養(yǎng)分供給量之間的差額，使用養(yǎng)分平衡法對杭州市農(nóng)用地畜禽養(yǎng)殖環(huán)境承載力進行了估算；潘瑜春等［11］參考歐洲標準和相關文獻設定耕地和果園的氮（磷）限量標準，分析了北京市平谷區(qū)及其各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地和果園對畜禽養(yǎng)殖的承載潛力；史瑞祥等［12］通過文獻調(diào)研與相關數(shù)據(jù)資料收集，量化分析了陜西省安康市的畜禽糞便環(huán)境承載力；韓成吉等［13］在分析社會經(jīng)濟、畜禽養(yǎng)殖和種植業(yè)各子系統(tǒng)及其要素特征的基礎上，建立了畜禽糞污土地承載力系統(tǒng)動力學模型，并在石家莊市對模型的有效性進行了檢驗。定量分析畜禽糞便的環(huán)境承載力，對于編制省、市、縣級“十四五”畜禽養(yǎng)殖污染防治規(guī)劃，科學布局區(qū)域養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，具有十分重要的意義。筆者選擇贛江流域重要城市宜春市為研究區(qū)，基于耕地消納能力和水環(huán)境容量對全市畜禽糞便的環(huán)境承載力進行了分析，以期為編制宜春市畜禽養(yǎng)殖污染防治規(guī)劃提供依據(jù)，保障全市畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

宜春市位于江西省西北部，地處東經(jīng)113° 54′～116°27′、北緯27°33′～29°06′之間。其東境與南昌市接界，東南與撫州市為鄰，南陲與吉安市及新余市毗連，西南與萍鄉(xiāng)市接壤，西北與湖南省的長沙市及岳陽市交界，北域與九江市相鄰，總面積1.87萬km2，下轄1個區(qū)（袁州）、6個縣（萬載、宜豐、銅鼓、上高、奉新、靖安），代管3個縣級市（豐城、樟樹、高安）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

宜春市畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)由2020年全市規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場摸底調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析而來；土地利用類型數(shù)據(jù)來源于2020年中國科學院30 m地表覆蓋精細分類產(chǎn)品數(shù)據(jù)［14］。水環(huán)境容量計算以縣級行政區(qū)為單元開展，根據(jù)《水環(huán)境承載力評價方法》（試行）要求：參與評價的斷面至少每季度監(jiān)測1次，包括國控、省控、市控和縣控斷面；涉及上下游縣（區(qū)）的出入境斷面，均納入上游縣（區(qū)）進行評價；存在往返流的斷面按照年度主流方向，確定上游縣（區(qū)）；涉及2個或多個縣（區(qū)）界河的斷面，同時參與所有涉及縣（區(qū)）的水環(huán)境承載力評價。經(jīng)比選，確定選取30個控制斷面進行宜春市水環(huán)境容量計算，各斷面的分布情況詳見圖1。

圖1 宜春市控制斷面的分布

2 研究方法與參數(shù)選取

2.1 存、出欄量換算

2020年宜春市規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場摸底調(diào)查統(tǒng)計了年度畜禽存欄量和出欄量。根據(jù)畜禽種類和存出欄時間的差異，本文選取生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2021年7月制定的《畜禽養(yǎng)殖污染防治規(guī)劃編制指南（試行）》推薦的存出欄換算系數(shù)（表1），將不同畜禽種類出欄量折算為存欄量，并在此基礎上綜合考慮畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境的影響。

表1 畜禽存出欄量換算系數(shù)

2.2 畜禽糞尿產(chǎn)生量、污染物含量及流失量估算

根據(jù)畜禽種類、飼養(yǎng)周期以及糞尿排泄系數(shù)的不同，畜禽糞尿年產(chǎn)生量計算公式為：

畜禽糞尿年產(chǎn)生量=畜禽年存欄量×飼養(yǎng)周期×畜禽糞尿排泄系數(shù)/1000 （1）

式（1）中：畜禽糞尿年產(chǎn)生量的計量單位為t；糞尿排泄系數(shù)的計量單位為kg/d。畜禽的平均飼養(yǎng)周期：豬199 d［15］、牛365 d［16］、羊365 d［17］、家禽210 d［18］。

畜禽糞尿中的COD、NH3-N、BOD、TN、TP等污染物年產(chǎn)生量計算公式為：

式（2）中：污染物年產(chǎn)生量的計量單位為t；產(chǎn)污系數(shù)的計量單位為kg/t。

畜禽糞尿污染物進入水體后的年流失量計算公式為：

各類畜禽糞尿的排泄系數(shù)、產(chǎn)污系數(shù)以及污染物進入水體的流失率均采用原國家環(huán)保部公布的數(shù)據(jù)［15］，詳見表2和表3。

表2 各類畜禽糞污的排泄系數(shù)和產(chǎn)污系數(shù)

表3 各類畜禽糞尿污染物的流失率 %

2.3 畜禽糞尿耕地負荷量估算及預警分析

畜禽糞尿耕地負荷量是指特定區(qū)域耕地消納糞尿的能力。由于不同畜禽糞尿的肥效養(yǎng)分差異較大，所以原國家環(huán)保部生態(tài)司建議將畜禽糞尿換算成更容易掌握的豬糞當量，從而計算糞便施用量，并以此計算耕地負荷量。畜禽糞尿換算成豬糞當量的系數(shù)采用原國家環(huán)保總局公布的豬糞當量換算系數(shù)推薦值（表4）；豬糞當量耕地負荷量的計算公式為：

表4 各類畜禽糞便的豬糞當量系數(shù)

式（4）中：q表示單位耕地面積豬糞當量負荷量［t/（hm2·a）］；Q表示各類畜禽糞尿的豬糞當量產(chǎn)生量（t/a）；S表示耕地面積（hm2）；X表示各類畜禽糞尿產(chǎn)生量（t/a）；T表示對應畜禽糞尿換算成豬糞當量的換算系數(shù)。

單位耕地面積畜禽糞尿的豬糞當量負荷與耕地理論最大適宜污染物承載量的比值表示區(qū)域畜禽污染負荷量警報值，污染負荷警報值越高，則畜禽糞尿污染物對環(huán)境的影響越大［19］，耕地消納多余污染物的能力越低。由于本研究區(qū)主要種植水稻、時令蔬菜等短周期季節(jié)性作物，因此耕地理論適宜污染物承載量低于北方等長周期農(nóng)耕地區(qū)。在借鑒相關研究成果［20］的基礎上，本文選擇每年每公頃耕地消納30 t畜禽糞便作為宜春市耕地理論最大適宜污染物承載量。畜禽污染負荷警報分級標準見表5。

表5 畜禽污染負荷警報分級標準

2.4 水環(huán)境容量評價

水環(huán)境容量（承載力）評價指標包括水質(zhì)時間達標率和水質(zhì)空間達標率。其中水質(zhì)時間達標率（A1）反映評價區(qū)域內(nèi)水質(zhì)在時間尺度上的達標情況，是所有斷面（點位）水質(zhì)時間達標率的算術平均值；斷面（點位）水質(zhì)時間達標率指在1年內(nèi)不同時期水質(zhì)達標次數(shù)占總監(jiān)測次數(shù)的百分比，計算公式為：

式（5）和式（6）中：n為區(qū)域內(nèi)斷面（點位）個數(shù)；Ci是指第i個斷面（點位）水質(zhì)時間達標率。

水質(zhì)空間達標率（A2）反映評價區(qū)域內(nèi)水質(zhì)在空間尺度上的達標情況，指區(qū)域內(nèi)年度達標斷面（點位）個數(shù)占斷面（點位）總個數(shù)的百分比，計算公式為：

式（7）中，達標斷面（點位）指1年內(nèi)不同時期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術平均值不超過目標值的斷面（點位），否則為不達標斷面（點位）。

水環(huán)境容量（承載力）指數(shù)（Rc）可定量反映水環(huán)境容量的大小，該指數(shù)值越高，水環(huán)境容量越大，表明區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的支撐能力越強。其計算公式為：

根據(jù)水環(huán)境容量（承載力）指數(shù)的大小，可將水環(huán)境容量評價結(jié)果劃分為超載、臨界超載、未超載3種類型。當Rc＜70%時，判定該區(qū)域為超載狀態(tài)；當70%≤Rc＜90%時，判定該區(qū)域為臨界超載狀態(tài)；當Rc≥90%時，判定該區(qū)域為未超載狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 畜禽養(yǎng)殖量與糞便產(chǎn)生量分析

由表6可知，根據(jù)2020年30 m土地利用類型數(shù)據(jù)，豐城和高安的耕地面積遠多于其他縣（區(qū)），分別達到了93869.62和92064.63 hm2，分別占全市耕地總面積的21.28%和20.87%；僅靖安和銅鼓的耕地面積少于25000.00 hm2，分別為10813.43和8590.91 hm2，分別占全市耕地總面積的2.45%和1.95%。各縣（區(qū)）耕地面積及畜禽養(yǎng)殖情況見表6。從畜禽養(yǎng)殖結(jié)構來看，生豬和雞是宜春市最主要的規(guī)模化養(yǎng)殖畜（禽）種，全市生豬的出欄總量和存欄總量分別達到了271.01萬頭和303.84萬頭，其中，樟樹、萬載、高安、上高、豐城的生豬年存欄量與出欄量之和均在57萬頭以上，而靖安和銅鼓的生豬養(yǎng)殖規(guī)模均在4萬頭以下。全市各縣（區(qū)）畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與耕地面積呈正相關，可消納糞污的耕地越多的縣（區(qū)），養(yǎng)殖規(guī)模越大，這表明全市畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的布局總體合理。

表6 2020年宜春市各縣（區(qū)）耕地面積及畜禽養(yǎng)殖數(shù)量

宜春市2020年畜禽糞尿總產(chǎn)生量為364.32萬t，其中豬糞、豬尿的產(chǎn)生量最高，分別達到了120.93萬t和199.53萬t，分別占全市畜禽糞尿總產(chǎn)生量的33.19%和54.77%（表7）。從全市養(yǎng)殖糞污排放的空間分布情況（圖2）來看，僅奉新、靖安和銅鼓的豬糞尿總量低于10.00萬t，而其余7個縣（區(qū)）的豬糞尿總量均高于25.00萬t；全市各縣（區(qū)）畜禽養(yǎng)殖糞尿排放量不均衡，呈現(xiàn)出由北往南逐漸增加的趨勢，這與北部位于幕連九山脈生態(tài)屏障的生態(tài)保護格局一致。

圖2 2020年宜春市各縣（區(qū)）豬糞尿排放量的空間分布

表7 2020年宜春市各縣（區(qū)）畜禽糞便產(chǎn)生量 萬t

3.2 糞污產(chǎn)生量及流失量分析

根據(jù)表1中的存出欄換算系數(shù)，計算全市各畜禽種類的理論存欄量，并基于表2、表3中的糞污排泄系數(shù)、產(chǎn)污系數(shù)和流失率計算宜春市各類畜禽糞污的產(chǎn)生量和流失量。全市畜禽糞尿污染物總含量表現(xiàn)為COD＞BOD＞TN＞NH3-N＞TP，分別為93428.24、89237.91、16869.21、7609.09、6288.56 t （表8和圖3），其中，樟樹、高安、上高、萬載、袁州的COD、NH3-N、BOD、TN和TP等污染物流失量高于其他縣（區(qū)）。根據(jù)各縣（區(qū)）的河流走向和匯水范圍，萬載、上高和高安的畜禽養(yǎng)殖污染物主要對錦江水環(huán)境安全產(chǎn)生影響，而袁州、樟樹和豐城的畜禽養(yǎng)殖污染物則主要對袁河及贛江的水環(huán)境安全產(chǎn)生影響。

圖3 2020年宜春市各縣（區(qū)）畜禽糞便污染物的流失量

表8 2020年宜春市畜禽糞便主要污染物的產(chǎn)生量及流失量 t

3.3 耕地消納畜禽糞便預警分析

根據(jù)表4中畜禽糞便豬糞當量換算參數(shù)，將不同畜禽種類污染物折算為豬糞當量；考慮全市60%的耕地使用畜禽糞污作為肥料，折算得到的各縣（區(qū)）耕地消納豬糞當量詳見表9。宜春市耕地豬糞當量負荷平均值為11.38 t/hm2，在各縣市區(qū)之間的差異較大，其中上高縣豬糞當量負荷最高，達到22.71 t/hm2，負荷級數(shù)達到Ⅲ級；樟樹、萬載、宜豐、銅鼓的單位耕地豬糞當量負荷級數(shù)均為Ⅱ級；奉新、靖安的耕地豬糞當量負荷分別僅為2.32和3.23 t/hm2；銅鼓由于耕地面積少，單位耕地面積的豬糞當量負荷達到11.97 t/hm2，接近全市的平均值。

表9 耕地消納畜禽糞便負荷預警分析結(jié)果

3.4 水環(huán)境容量評價

2020年，豐城市共有4個評價斷面、48次月值水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)過5次水質(zhì)超標；高安市共有3個評價斷面、36次月值水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)過4次水質(zhì)超標；樟樹市共有8個評價斷面、96次月值水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)過4次水質(zhì)超標情況；豐城、高安、樟樹的水質(zhì)時間達標率分別為90%、89%和96%。30個評價斷面的2020年年均水質(zhì)數(shù)據(jù)均未超標，各縣（區(qū)）的水質(zhì)空間達標率均為100%。10個縣（區(qū)）的水環(huán)境容量都超過90%，表明宜春市各縣（區(qū)）水環(huán)境容量均處于未超載狀態(tài)。各縣（區(qū)）水質(zhì)時間達標率、空間達標率和水環(huán)境容量詳見表10。

表10 宜春市各縣（區(qū)）水環(huán)境容量（承載力）

4 小結(jié)與討論

2020年宜春市最主要的規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽種為豬和雞，各縣（區(qū)）的養(yǎng)殖規(guī)模不均衡，其中樟樹、萬載、高安、上高的生豬年存出欄總量均在57萬頭以上。在畜禽糞污產(chǎn)生量方面，豬糞和豬尿的產(chǎn)生量分別占全市畜禽糞尿總產(chǎn)生量的33.19%和54.77%，僅奉新、靖安和銅鼓的豬糞尿總量低于10萬t。根據(jù)各縣市區(qū)河流匯水特征以及畜禽糞污污染物流失情況，樟樹、高安、上高、萬載、袁州排放的COD、NH3-N、BOD、TN等污染物對錦江、袁河及贛江水環(huán)境的影響較大。就耕地豬糞當量負荷而言，以上高縣最高，達到22.71 t/hm2，負荷級數(shù)為Ⅲ級；而奉新、靖安分別僅為2.32和3.23 t/hm2。宜春市各縣（區(qū)）的水環(huán)境容量均未超載，說明區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)對畜禽養(yǎng)殖仍有較強的支撐能力。

本研究結(jié)果可以用來指導各縣（區(qū)）畜禽養(yǎng)殖的合理布局，為科學編制宜春市畜禽養(yǎng)殖污染防治規(guī)劃提供參考。但本研究也存在不足之處，如畜禽養(yǎng)殖周期、排泄系數(shù)等參數(shù)的選取主要來源于相關文獻資料，不一定符合江西的情況；另外本文單獨分析了耕地消納能力與水環(huán)境容量對畜禽養(yǎng)殖情況的影響，并未將兩者進行耦合，未來將在耕地消納能力與水環(huán)境容量耦合模型方面開展深入研究，以期為區(qū)域畜禽養(yǎng)殖污染防治提供更加科學的依據(jù)。