黑龍江省畜牧業(yè)糞污的時(shí)空分布及集聚特征分析

董依博，張武鑫，林秀蔚，韋春波

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北平原農(nóng)業(yè)綠色低碳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

董依博，張武鑫，林秀蔚，等.黑龍江省畜牧業(yè)糞污的時(shí)空分布及集聚特征分析［J］.畜牧與飼料科學(xué)，2023，44（2）：1-8.

近年來，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，黑龍江省作為我國畜牧業(yè)大省，在散養(yǎng)戶退出、規(guī)?；教嵘挠绊懴拢笄蒺B(yǎng)殖規(guī)模和結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)大和優(yōu)化［1］。但畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的大量糞污和溫室氣體，對(duì)畜禽和周邊居民健康造成一定危害。畜禽糞污量越來越大，一旦處置不當(dāng)，將會(huì)超過土地的承載力，給生態(tài)環(huán)境帶來潛在的影響和壓力［2］，極易造成土壤、水和空氣的污染。因此，2020 年6 月我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、生態(tài)環(huán)境部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步明確畜禽糞污還田利用要求強(qiáng)化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知》［3］。畜牧業(yè)作為重要的溫室氣體排放源之一，如何控制畜牧生產(chǎn)糞污排放量直接影響我國“30·60”雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為積極響應(yīng)這一目標(biāo)，黑龍江省委、省政府2022 年也印發(fā)了《中共黑龍江省委 黑龍江省人民政府關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念 做好碳達(dá)峰碳中和工作的實(shí)施意見》。

關(guān)于如何減少畜禽糞污對(duì)環(huán)境的污染，估算和分析畜禽糞污產(chǎn)生量，國內(nèi)外已開展了諸多研究。荷蘭科學(xué)家Oenema［4］、Dijkstra 等［5］，我國石曉曉等［6］、郭冬生等［7］針對(duì)減少畜禽糞污的排放量以及提升資源化利用水平提出了工農(nóng)結(jié)合、養(yǎng)分還田、健康養(yǎng)殖等方法。此外，我國張建杰等［8］和張靖雨等［9］在畜禽糞污的空間分布上開展了研究。朱麗梅等［10］對(duì)黑龍江省2016 年畜禽糞污土地承載力進(jìn)行了分析；王爽等［11］通過對(duì)黑龍江省耕地承載力進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，畜禽飼養(yǎng)量和糞便排泄量的空間分布非常不均衡。由于養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)和糞便污染處理系統(tǒng)的不同，不同地區(qū)、不同時(shí)期畜禽糞便對(duì)環(huán)境造成的污染也有差異。鑒于此，亟須對(duì)黑龍江省全省及各個(gè)地區(qū)的畜禽糞便、尿液及其污染物的排放量及分布特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，為黑龍江省畜牧業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源

畜禽飼養(yǎng)量直接決定了養(yǎng)殖糞污排放量［12］。該研究數(shù)據(jù)來自《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》，數(shù)據(jù)截至2020 年末［13］。調(diào)查范圍包括綏化市、大慶市、哈爾濱市、齊齊哈爾市、牡丹江市、佳木斯市、雙鴨山市、雞西市、鶴崗市、黑河市、伊春市、七臺(tái)河市、大興安嶺地區(qū)共13 個(gè)地區(qū)，主要調(diào)查豬、羊、家禽、奶牛、黃牛和肉牛的飼養(yǎng)量（見表1）。不同畜禽種類養(yǎng)殖周期存在一定差異，為此，該研究選取不同的參數(shù)：黑龍江省養(yǎng)殖的牛主要有奶牛、黃牛和肉牛，生長(zhǎng)周期為一年以上，因此，以年末的總存欄數(shù)為該年度的飼養(yǎng)數(shù)量；豬、羊、家禽的生長(zhǎng)周期一般不足一年（豬的平均養(yǎng)殖周期為199 d；羊的飼養(yǎng)周期為180 d；黑龍江省家禽養(yǎng)殖以肉蛋兼用型的地方品種為主，家禽飼養(yǎng)周期為80 d），因此，以當(dāng)年的出欄量為飼養(yǎng)量。

表1 2009—2020 年黑龍江省畜禽飼養(yǎng)量 單位：萬頭（只）

2 研究分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

該研究應(yīng)用的畜禽糞污概念與以往的畜禽糞污概念不同，以往的畜禽糞污包括養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中畜禽排放的糞便和尿液、廢棄墊料、飼料剩余物、污水等［14］。為了便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，該研究將畜禽排放的糞便和尿液?jiǎn)为?dú)列出，確定畜禽糞污為養(yǎng)殖過程中主要種類畜禽排放的糞便和尿液以及其中的污染物。該研究估算的畜禽糞尿污染物包括：生化需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）、氨態(tài)氮（NH3-N）。豬、羊、家禽、黃牛及肉牛的糞尿排泄系數(shù)來源于石曉曉等［6］的研究，奶牛的糞尿排放系數(shù)參考王琳 等［15］的 研 究，BOD、COD、NH3-N 來 源 于 王 爽等［11］的研究，同時(shí)，參考生態(tài)環(huán)境部和有關(guān)研究機(jī)構(gòu)推薦的估算系數(shù)（見表2）。

表2 畜禽養(yǎng)殖中糞污的排放系數(shù)

BOD：通過微生物降解有機(jī)物所需的溶氧量。它反映了水體中的有機(jī)污染物含量的綜合指標(biāo)。當(dāng)數(shù)值較高時(shí)，表明水體中有機(jī)物含量較高，污染程度較大。

COD：在一定條件下，使用一定的強(qiáng)氧化劑對(duì)水樣進(jìn)行處理時(shí)所需的氧化劑量。這是一種反映水中還原性物質(zhì)含量的指標(biāo)。

NH3-N：是水（糞尿）中氨氮含量指標(biāo)。

2.2 計(jì)算公式

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)的確定，該研究采用的指標(biāo)計(jì)算方法如下：畜禽糞便產(chǎn)生量=畜禽養(yǎng)殖數(shù)量 （萬頭或萬只）×日排泄系數(shù) ［kg/（d·頭或只）］×畜禽飼養(yǎng)周期（d）；畜禽尿液產(chǎn)生量=畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（萬頭或萬只）×日排泄系數(shù)［kg/（d·頭或只）］×畜禽飼養(yǎng)周期（d）；畜禽糞便污染物（BOD、COD、NH3-N）產(chǎn)生量=畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（萬頭或萬只）×年排泄系數(shù)［kg/（年·頭或只）］；畜禽糞尿耕地負(fù)荷量=畜禽糞尿豬糞當(dāng)量（萬t）/耕地面積（萬hm2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省畜禽糞污產(chǎn)生量的變化

對(duì)黑龍江省畜禽糞污排放量計(jì)算選取的畜禽種類為黃牛和肉牛、奶牛、豬、羊和家禽。根據(jù)不同種類畜禽的飼養(yǎng)量以及相應(yīng)指標(biāo)的計(jì)算公式，計(jì)算得出黑龍江省2009—2020 年畜禽糞污的排放量，結(jié)果見表3 及圖1、圖2。

由表3 可以看出，不同畜禽的糞尿排放量差異較大，黃牛和肉牛的糞尿排放量最多，平均年排放量為4 953.13 萬t，占平均總排放量的47.30%；平均年排放量最小的是家禽，僅占平均總排放量的1.43%。不同畜禽糞尿平均年排放量的排序?yàn)辄S牛及肉牛>奶牛>豬>羊>家禽；糞尿中污染物平均年排放量的大小排序?yàn)镃OD>BOD>NH3-N。

表3 2009—2020 年黑龍江省畜禽糞污產(chǎn)生量 單位：萬t

運(yùn)用Excel 軟件中的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差函數(shù)和均值函數(shù)計(jì)算變異系數(shù)，利用變異系數(shù)評(píng)價(jià)黑龍江省畜禽糞尿總排放量變化幅度，其變異系數(shù)為4.20%，表明數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng)但年際變化幅度不大（見圖1）；糞尿總量由2009 年的10 566.65 萬t下降到2020 年的10 264.43 萬t，下降了2.86%。由于畜禽糞尿污染物排放量與畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和年產(chǎn)生量有關(guān)，與2009 年相比，2020 年的畜牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)及規(guī)模出現(xiàn)變動(dòng)，所以BOD、COD、NH3-N 產(chǎn)生量都有所增加 （見圖2），分別增加了3.67%、2.72%、2.31%。

圖1 2009—2020 年黑龍江省畜禽糞尿產(chǎn)生量變化情況

圖2 2009—2020 年黑龍江省畜禽糞尿污染物產(chǎn)生量變化情況

3.2 黑龍江省主要畜禽養(yǎng)殖區(qū)域分布

黑龍江省區(qū)域內(nèi)，綏化市、哈爾濱市和齊齊哈爾市為畜禽養(yǎng)殖主要集中地。以2019 年的數(shù)據(jù)為例，黑龍江省13 個(gè)地區(qū)畜禽飼養(yǎng)量差異明顯。如表4 所示，在空間上，黑龍江省呈現(xiàn)西南地區(qū)（綏化市、哈爾濱市、齊齊哈爾市和大慶市）畜禽飼養(yǎng)量高，東部（佳木斯市、雙鴨山市、雞西市和牡丹江市）、中部（伊春市、鶴崗市和七臺(tái)河市）及北部（黑河市和大興安嶺地區(qū)）地區(qū)畜禽養(yǎng)殖量低的特點(diǎn)。黑龍江省不同地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展不均衡，地理位置、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面的差異是主要因素。

表4 2019 年黑龍江省不同地區(qū)的畜禽飼養(yǎng)量 單位：萬頭（只）

3.3 黑龍江省不同地區(qū)畜禽糞尿產(chǎn)生量及耕地負(fù)荷量

由于黑龍江省不同區(qū)域養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)存在差異，其畜禽糞尿的產(chǎn)生量和糞尿中污染物排放量也隨空間分布出現(xiàn)差異性［16］。該研究選取2019 年數(shù)據(jù)，對(duì)黑龍江省13 個(gè)地區(qū)畜禽糞尿排放量進(jìn)行估算。為便于對(duì)不同地區(qū)畜禽糞尿排泄量的密度進(jìn)行觀察和探究，該研究采用豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量的計(jì)算方法，即畜禽糞尿豬糞當(dāng)量與耕地面積的比值。單位耕地畜禽糞尿負(fù)荷量只是畜禽糞尿量與耕地面積的單一比值，但除耕地外，草地和林地還會(huì)消納部分糞便。大興安嶺地區(qū)等地以森林草原為主，該地區(qū)的牛、羊主要以山區(qū)自由放牧和自由采食為主，以舍飼補(bǔ)飼為輔。因此，并非所有排泄物都進(jìn)入耕地，也有一些畜禽糞尿排入山區(qū)和森林，每個(gè)地區(qū)都有很大一部分畜禽糞尿流失，耕地上種植的作物類型也會(huì)影響畜禽糞尿的消耗。該研究?jī)H對(duì)單位耕地面積的畜禽糞尿負(fù)荷量進(jìn)行計(jì)算，因此，實(shí)際畜禽糞尿負(fù)荷量小于該研究的估算值。

按照1 頭牛=13.55 頭當(dāng)量豬，1 只羊=1.26 頭當(dāng)量豬，1 只家禽=0.06 頭當(dāng)量豬［17］，通過對(duì)黑龍江省各地區(qū)豬糞當(dāng)量以及豬糞當(dāng)量土地負(fù)荷量的計(jì)算，分析黑龍江省畜禽糞污豬糞當(dāng)量負(fù)荷量的空間分布特征。黑龍江省2019 年各地區(qū)的畜禽糞尿排泄量以及豬糞當(dāng)量負(fù)荷量見表5。

由表5 可知，2019 年黑龍江省豬糞當(dāng)量比實(shí)際糞尿排放量多，因?yàn)楹邶埥∨５娘曫B(yǎng)量較多。各地區(qū)畜禽糞尿排泄量與畜禽糞尿豬糞當(dāng)量排列順序大致相同，從大到小依次為綏化市＞齊齊哈爾市＞哈爾濱市＞大慶市＞黑河市＞佳木斯市＞牡丹江市＞雞西市＞雙鴨山市＞伊春市＞鶴崗市＞七臺(tái)河市＞大興安嶺地區(qū)，主要原因是每個(gè)地區(qū)飼養(yǎng)的牲畜和家禽數(shù)量不同。由于綏化市、齊齊哈爾市、哈爾濱市為肉牛、奶牛以及豬的主要養(yǎng)殖地區(qū)，畜禽糞尿排泄量較大；而鶴崗市、七臺(tái)河市、大興安嶺地區(qū)非畜牧發(fā)展的重要地區(qū)，畜禽糞尿排泄量較小。

表5 2019 年黑龍江省不同地區(qū)畜禽糞尿產(chǎn)生量及耕地負(fù)荷量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，2019 年黑龍江省豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量平均值為8.21 t/hm2，遠(yuǎn)小于我國土地最適宜負(fù)荷量30 t/hm2［18］。各地區(qū)豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量的順序?yàn)椋捍髴c市＞綏化市＞牡丹江市＞齊齊哈爾市＞哈爾濱市＞伊春市＞七臺(tái)河市＞黑河市＞佳木斯市＞大興安嶺地區(qū)＞雞西市＞鶴崗市＞雙鴨山市。大慶市的單位耕地面積豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量最高，為22.58 t/hm2，比最小的雙鴨山市高8 倍左右，說明不同區(qū)域之間畜禽糞尿排放量差異較大，且分布不均衡。

3.4 黑龍江省畜禽糞污的集聚特征

根據(jù)2019 年黑龍江省不同地區(qū)豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量的計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用ArcGIS 軟件，采用空間自相關(guān)法對(duì)該省畜禽糞污量空間集聚特征進(jìn)行分析?？臻g自相關(guān)是指同一變量在不同空間位置上的相互關(guān)系，通過對(duì)屬性信息進(jìn)行分析，確定其與鄰近單位的屬性間的相似性［19］。該研究首先進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析，得到Moran I 指數(shù)為0.128 954、z 得分為2.813 897、P 值為0.004 894。由于Moran I 指數(shù)大于0、Z 得分大于2.58、P 值小于0.01，故可得出黑龍江省畜禽糞污量分布具有一定的空間集聚性。進(jìn)一步進(jìn)行局部自相關(guān)分析，將ArcGIS 軟件局部自相關(guān)分析結(jié)果繪制成表，使得結(jié)果更加直觀。

由于畜禽飼養(yǎng)密度和種類分布不同，各地區(qū)的畜禽糞尿及其污染物排泄量也有很大差異。如表6 所示，各地區(qū)的豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量呈現(xiàn)一定的集聚性，其中，大慶市、綏化市和齊齊哈爾市呈現(xiàn)出高高集聚的分布特征。

表6 2019 年黑龍江省各地區(qū)畜禽糞污量空間集聚特征分析結(jié)果

4 結(jié)論與建議

在空間上，黑龍江省的畜牧業(yè)發(fā)展以綏化市、哈爾濱市和齊齊哈爾市為重點(diǎn)，主要養(yǎng)殖區(qū)域集中在該省西南地區(qū)，而東部、中部和北部地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖量較低。黑龍江省城市在地形、溫度和降雨量方面存在差異，不同地區(qū)適合不同種類的家畜和家禽生長(zhǎng)［20］。黑龍江省畜禽糞尿總排放量有一定的波動(dòng)但年際變化幅度不大；各地區(qū)的豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量呈現(xiàn)一定的集聚性，其中，大慶市、綏化市和齊齊哈爾市呈現(xiàn)出高高集聚的分布特征；2019 年黑龍江省單位耕地面積豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量平均值為8.21 t/hm2；黑龍江省畜禽生產(chǎn)和糞便排放的空間分布極不平衡，但畜禽糞便的耕地負(fù)荷并未對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

目前，黑龍江省單位耕地面積畜禽豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷量遠(yuǎn)低于我國最適宜的土地負(fù)荷，對(duì)環(huán)境沒有不良影響。然而，隨著黑龍江省畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜禽污染問題也應(yīng)引起重視。今后應(yīng)依靠先進(jìn)的科學(xué)理論、知識(shí)和技術(shù)，有效降低畜牧業(yè)糞污對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。同時(shí)，應(yīng)優(yōu)化生產(chǎn)布局和區(qū)域養(yǎng)殖協(xié)同管理，控制畜禽糞便污染，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的資源化利用。