基于種養(yǎng)平衡的河南省畜禽養(yǎng)殖分析及其環(huán)境污染風險研究

張 英，武淑霞，劉宏斌，雷秋良，王洪媛，翟麗梅

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081）

我國是畜禽養(yǎng)殖大國，尤其近年來養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，在提供肉蛋奶的同時不可避免地產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖糞污，產(chǎn)生一系列的生態(tài)環(huán)境問題。關(guān)于畜禽污染已有較多的研究，張緒美等［1-2］研究表明過量的畜禽糞污會改變大氣的正常組分，污染水體從而引起水體富營養(yǎng)化，破壞土壤結(jié)構(gòu)等，并通過對江蘇省畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀調(diào)查分析得出全省畜禽糞便污染嚴重地區(qū)大多靠近水體，對江蘇省水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生威脅。劉曉永等［3］研究得出近30年來全國畜禽糞尿及其氮磷養(yǎng)分資源持續(xù)增加，東北地區(qū)、河南、天津、山東、河北增幅明顯。劉然然［4］研究表明2006～2015年10年間山東省畜禽糞便耕地和水體污染風險等級均處于Ⅲ級及以上水平，受到較為嚴重的污染威脅。河南省是我國的養(yǎng)殖大省，2016年河南省豬、牛、羊出欄量分別占全國的8.77%、10.77% 和 7.06%［5］。高定等［6］在 2005年指出河南省糞便負荷為36.6 t·hm-2。耿維等［7］研究表明2010年河南省年糞便總量達1.87億t，占全國糞便總量的8.37%，居全國第二。

近年來，畜禽養(yǎng)殖方式發(fā)生了較大變化，以前的農(nóng)戶散養(yǎng)逐漸被養(yǎng)殖專業(yè)戶和大、中型畜禽養(yǎng)殖場所替代，難以保證周邊有充足的土地來消納養(yǎng)殖廢棄物，加大了對環(huán)境的潛在污染，以地定畜、種養(yǎng)結(jié)合等方法成為畜禽養(yǎng)殖污染研究的熱點之一。種養(yǎng)結(jié)合模式不僅可以減少畜禽糞便污染，還能提高土壤肥力［8］。已有研究表明，河南省畜禽養(yǎng)殖對周圍地下水體形成的潛在威脅遠大于工業(yè)、生活污染［9-11］，但缺乏對各地差異以及對環(huán)境影響的定量研究。本文基于等標污染負荷法計算了河南省各地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖水體負荷污染指數(shù)，并利用排污系數(shù)法分析了河南省各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖糞污提供的氮素，同時與種植農(nóng)作物氮需求做了平衡分析［12］，對各地區(qū)畜禽糞尿耕地污染負荷情況進行衡量與評估，為河南省畜禽養(yǎng)殖與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論指導。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

我國農(nóng)區(qū)的畜禽糞尿主要來源于牛、豬、羊和家禽。本文選取河南省各地區(qū)的豬、牛、羊、家禽產(chǎn)生的畜禽糞尿作為研究對象。河南省各地區(qū)的畜禽出欄量和存欄量，農(nóng)作物產(chǎn)量均來自于《2017年河南統(tǒng)計年鑒》［5］。農(nóng)作物包括小麥、水稻、玉米、大豆、棉花、蔬菜、瓜果、花生、各類水果、油菜和煙葉等。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽糞尿產(chǎn)生量

生豬的飼養(yǎng)周期確定為199 d，用出欄量作為飼養(yǎng)量，奶牛、肉牛、羊的飼養(yǎng)周期為365 d，取年末存欄量作為飼養(yǎng)量，家禽的飼養(yǎng)周期為210 d，取年末存欄量作為飼養(yǎng)量［13］。目前對于畜禽的排污系數(shù)有不同的意見，本文采用的豬、牛、羊、家禽的排污系數(shù)均參考《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》［14］及朱建春等［13］的研究相結(jié)合進行確定，具體數(shù)據(jù)見表1。畜禽糞尿量的計算公式為:畜禽糞尿量=∑飼養(yǎng)量×日排污系數(shù)×飼養(yǎng)周期。

表1 畜禽糞污日排污系數(shù)

1.2.2 畜禽糞尿耕地負荷及風險評價方法

畜禽糞尿耕地負荷指區(qū)域單位面積承載的畜禽糞尿量，用來衡量區(qū)域養(yǎng)殖規(guī)模是否合理。由于不同類型的畜禽糞便，其肥效養(yǎng)分差異很大，故其農(nóng)田消納量差異也很大，因此將各種糞尿統(tǒng)一成豬糞當量，然后疊加成豬糞總量。各畜禽換算成豬糞當量的換算系數(shù)為豬糞1.00，豬尿0.50，牛糞0.69，牛尿1.23，羊糞1.23，家禽糞2.51［15］。將畜禽糞尿豬糞當量的耕地負荷除以農(nóng)田有機肥理論最大適宜施肥量，其比值即為區(qū)域畜禽糞尿負荷量承受程度的警報值r，它間接反映各地區(qū)畜禽糞尿耕地負荷承受程度。r值越大，畜禽糞尿?qū)Νh(huán)境造成的污染威脅性越大，環(huán)境對畜禽糞尿負荷量的承載能力越小。從環(huán)境風險的角度考慮，一般以30 t·hm-2為最大理論適宜量［16］。計算公式為:

①畜禽糞尿耕地負荷量:q=Q/S=∑X·T/S式中，Q—年度糞尿養(yǎng)分總量（萬t）；S—耕地面積（萬hm2）；

X—各類畜禽糞尿量（萬t）；T—豬糞當量換算系數(shù)。

②警報值計算公式為:r=q/p

式中，q—畜禽糞便負荷量（t·hm-2）；p—有機肥最大理論適宜施用量（t·hm-2）。

1.2.3 基于種養(yǎng)平衡的畜禽養(yǎng)殖量分析方法

通過科學估算區(qū)域畜禽養(yǎng)殖環(huán)境可承載豬當量與實際飼養(yǎng)量比較，評價各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖量是否超量及其程度，并依此指導各地優(yōu)化調(diào)整畜牧業(yè)區(qū)域布局，促進農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展，加快推進畜禽糞污資源化利用，引導畜牧業(yè)綠色發(fā)展。豬當量是指用于衡量畜禽氮排泄物的度量單位，1頭豬為1個豬當量。2018年《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》［12］指出按存欄量折算，100頭豬相當于15頭奶牛，30頭肉牛，250只羊，2 500只家禽。計算公式為:

①土地可承載豬當量總量（以氮量計算）=區(qū)域作物糞肥氮素需求量/單位豬當量糞肥氮素供給量

②區(qū)域作物養(yǎng)分需求量=∑（每種作物總產(chǎn)量×單位產(chǎn)量氮素需求量）

③區(qū)域作物糞肥養(yǎng)分需求量=（區(qū)域作物氮素需求量×施肥供給氮素占比×糞肥占施肥比例）/糞肥氮素當季利用率

式中，單位豬當量糞肥氮素供給量為7.0kg，施肥供給養(yǎng)分占比推薦值為45%。不同植物單位產(chǎn)量適宜氮養(yǎng)分需求量見表2。糞肥中氮素當季利用率推薦值為25%。

表2 主要作物形成100kg產(chǎn)量需要吸收氮量推薦值

1.2.4 水體等標污染負荷

等標污染負荷指把i污染物的排放量稀釋到相應(yīng)排放標準時所需的介質(zhì)量，用以評價各污染源和各污染物的相對危害程度，是污染評價的常用指標，可以表達污染源本身潛在的污染水平。本文所研究的污染物包括全氮（TN）、全磷（TP）、化學需氧量（COD），其產(chǎn)生量根據(jù)畜禽糞尿總量和畜禽糞尿中污染物含量參數(shù)來確定。對于畜禽糞尿的流失率，陳斌璽等［17］，宋大平等［18］都是根據(jù)當?shù)噩F(xiàn)實情況將各種畜禽糞尿流失率均按30%考慮，大多研究是把不同種類畜禽的糞尿流失率分開來考慮，本文參考史瑞祥等［19］和張國印等［20］的研究來確定的畜禽污染物參數(shù)及流失率，具體數(shù)據(jù)見表3。水資源總量為區(qū)域內(nèi)降水形成的地表水和地下水總量。計算公式如下:

表3 畜禽污染物參數(shù)及流失率

①i污染物的等標排放量計算公式為:Pi= ci/c0

式中，Pi—i污染物的等標排放量（m3）；

ci—i污染物流失量（t·年-1）；

c0—污染物按GB 3838-2002Ⅲ類標準系列的閥濃度（COD 為 20 mg·L-1，TN 為 1 mg·L-1，TP為 0.2 mg·L-1）。

②畜禽糞便污染物產(chǎn)生量=年畜禽糞便量×畜禽糞便污染物參數(shù)。

③畜禽糞便污染物流失量=畜禽糞便污染物產(chǎn)生量×進入水體的流失率。

④某地區(qū)污染物的等標污染負荷指數(shù)=該地區(qū)污染物的等標排放量（Pi）/該地區(qū)水資源總量。

⑤某地區(qū)污染物的等標污染負荷比=某地區(qū)污染物的等標排放量（Pi）/某地區(qū)污染物的總等標排放量。當某種污染物的等標污染負荷比越大時，則說明該污染物的貢獻率越大。

⑥某地區(qū)污染物的擴散濃度=該地區(qū)污染物的產(chǎn)生量/該地區(qū)水資源總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省各地區(qū)畜禽糞尿耕地污染現(xiàn)狀

2.1.1 河南省各地區(qū)畜禽糞尿總量

近年來，河南省畜禽養(yǎng)殖規(guī)模逐漸增大，畜禽糞尿產(chǎn)生量增加，部分地區(qū)糞尿基數(shù)大且缺乏足夠的耕地來容納，不可避免地增加了這些地區(qū)氮磷從耕地流失到環(huán)境的風險。河南省各地區(qū)畜禽糞尿排放量如表4所示，由表4可知河南省畜禽糞尿排放總量為13 101.5萬t，其中糞便6 257.0萬t，尿5 799.4萬t。豬的糞尿產(chǎn)生量最高，為5 290.6萬t，占畜禽糞污排放總量的40.4%。從空間分布來看，南陽市的畜禽糞尿排放量最大，為1 970.5萬t，占河南省的15.0%。濟源市畜禽糞污排放量最小，為86.9萬t。畜禽糞尿產(chǎn)生量前五名的地區(qū)為南陽市、駐馬店市、周口市、商丘市和開封市，該5個地區(qū)畜禽糞尿產(chǎn)生量總和占河南省總量的54.0%，與周凱等［11］的研究一致。

表4 河南省各地區(qū)畜禽糞尿產(chǎn)生總量 （萬t）

2.1.2 畜禽糞尿污染耕地負荷及預警分析

河南省各地區(qū)的耕地負荷量及警報值級別如表5所示，糞尿耕地負荷量最大的地區(qū)為開封市，為23.0 t·hm-2。根據(jù)畜禽糞尿耕地負荷量的大小，把畜禽糞便負荷量分為6個等級［15］如表6，河南省平均負荷量為16.2 t·hm-2，警報值級別處于Ⅱ級，對環(huán)境稍構(gòu)成污染威脅。全省畜禽糞尿污染程度在空間分布上呈現(xiàn)不均勻分布，警報值級別達到Ⅲ級的為開封市、平頂山市、漯河市，對環(huán)境構(gòu)成污染威脅。警報值級別達到Ⅱ級的有洛陽市、鶴壁市、濮陽市、許昌市、三門峽市、南陽市、商丘市、周口市、駐馬店市、濟源市，對環(huán)境稍構(gòu)成污染威脅。警報值級別達到Ⅰ級的為鄭州市、安陽市、新鄉(xiāng)市、焦作市、信陽市，對環(huán)境沒有威脅。

表5 畜禽糞尿耕地負荷量及預警分析

表6 畜禽糞便負荷預警級別

2.1.3 河南省各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀分析（以豬當量計）

本文依照《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》［12］，利用豬當量對河南省畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀進行分析，通過作物需要的氮養(yǎng)分計算出各地區(qū)種植業(yè)可承載的豬當量總量，與其實際畜禽養(yǎng)殖豬當量總量相比較，用于評價各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖量是否超量及其程度。河南省畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀如表7所示，全省可承載的豬當量為7 402.4萬頭豬當量，實際養(yǎng)殖9 449.7萬頭豬當量，已超出2 047.3萬頭豬當量。從空間分布上看河南省大部分地區(qū)畜禽養(yǎng)殖豬當量均已超載，只有安陽和商丘兩市還有發(fā)展空間，其中駐馬店超載最嚴重，已超出298.7萬頭豬當量。駐馬店市、平頂山市、洛陽市、信陽市4個市超載嚴重，占超載總量的50.1%。對于上述超載地區(qū)應(yīng)該合理消減畜禽養(yǎng)殖數(shù)量。

表7 河南省畜禽養(yǎng)殖量（以豬當量計算，萬頭）

2.2 河南省各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖水體潛在污染現(xiàn)狀

2.2.1 畜禽糞便水體污染負荷

河南省位于黃河中下游，橫跨黃河、淮河、海河、長江四大水系，境內(nèi)1 500多條河流縱橫交織，黃河橫貫中部，境內(nèi)干流711 km，流域面積3.62萬km2，約占全省面積的1/5［21］。多年平均降水量為784 mm［22］，水資源相對較匱乏。河南省水資源量自北向南逐漸增加，信陽水資源量較豐富，鶴壁和三門峽水資源較匱乏［23］。近年來隨著畜禽養(yǎng)殖的增加，大量畜禽糞尿的不合理排放，造成了部分水體的污染。

經(jīng)計算，2016年河南省畜禽養(yǎng)殖糞尿中主要污染物的流失量、等標排放量、等標污染負荷比、擴散濃度如表8所示。河南省TN、TP和COD流失量總計達78.14萬t，其中COD流失量較多，占總量的68.0%；其次是TN流失量，占27.7%；TP流失量最少，僅占4.3%。TN、TP、COD 3種污染物的等標排放量總計為41.1×1010m3，TN的等標排放量最高，占52.8%，其次是TP占40.7%，COD的等標排放量最低僅占6.5%。說明河南省水體的主要污染物是TN和TP，而COD相對較少。由于河南省水資源較匱乏，加上污染物排放量較大，故河南省水體平均污染物擴散濃度達到了128.0 mg·L-1，擴散濃度最高的為開封市達343.8 mg·L-1，最低的是信陽市為25.2 mg·L-1。信陽市地處河南省的南部，平均年降水量相對較高，水資源較充沛，故污染物擴散濃度較低。駐馬店市和南陽市的污染物對全省的影響最大，二者的等標污染負荷比分別為13.5%和13.4%。對全省影響最小的是濟源市，等標污染負荷比僅為0.8%。

表8 河南省畜禽糞便水體污染情況

2.2.2 畜禽糞便污染水體等標污染負荷指數(shù)

等標污染負荷指數(shù)是以數(shù)值的形式直接反映一個地區(qū)水體污染的嚴重程度。參考宋大平等［18］的研究，按照數(shù)值大小把畜禽糞便等標污染指數(shù)分級如表9。河南省各市的等標污染指數(shù)如圖1，河南省平均等標污染負荷指數(shù)為12.2 mg·L-1，表現(xiàn)為對水環(huán)境有污染。對環(huán)境污染最嚴重的是開封市，等標污染負荷指數(shù)達31.9 mg·L-1。對環(huán)境無污染的是信陽市，等標污染負荷為2.3 mg·L-1。其中開封市、濮陽市、許昌市、漯河市的等標污染負荷指數(shù)大于20 mg·L-1，對環(huán)境造成了嚴重的污染。安陽市、焦作市、濟源市的等標污染負荷指數(shù)均小于10 mg·L-1，對環(huán)境稍有影響。據(jù)統(tǒng)計資料顯示［19］，濮陽市、漯河市、許昌市、開封市的水資源總量均處在全省水資源總量較少的地區(qū)，由于這些地區(qū)畜禽糞尿產(chǎn)生量大而水資源總量少，導致等標污染負荷指數(shù)較大，耕地和水體雙重污染嚴重。而南陽市、三門峽市、信陽市雖然畜禽糞污污染物流失量較多，但水資源總量豐富，其等標污染負荷指數(shù)較低。尤其信陽市年降水量1 300 mm左右，水資源總量占河南省總量的22%，水資源較豐富，其畜禽糞污等標污染負荷指數(shù)較小，對環(huán)境影響也較小。

表9 水體負荷等標污染指數(shù)級別

圖1 河南省畜禽糞便等標污染指數(shù)

3 結(jié)論

（1）河南省2016年畜禽糞尿產(chǎn)生總量為13 101.5萬t，其中，南陽市的畜禽糞尿產(chǎn)生量最大，占河南省的15.0%。其次為駐馬店市、周口市、商丘市和開封市，這5個地區(qū)的畜禽糞尿產(chǎn)生量占河南省的54.0%。濟源市畜禽糞污排放量最小，為86.9萬t。

（2）河南省耕地平均負荷量為16.2 t·hm-2，警報值級別處于Ⅱ級，對環(huán)境稍構(gòu)成污染威脅。最高的警報值級別達到Ⅲ級為開封市、平頂山市、漯河市，對環(huán)境構(gòu)成污染威脅。河南省畜禽養(yǎng)殖量超出其可環(huán)境承載量達2 047.3萬頭豬當量。其中駐馬店市、平頂山市、洛陽市和信陽市超載最嚴重，占超載總量的50.1%。

（3）河南省水體的主要污染物為TN和TP，COD的等標排放量相對較少。全省平均擴散濃度達128.0 mg·L-1，已屬于嚴重污染。河南省平均等標污染指數(shù)為12.2 mg·L-1，表現(xiàn)為對水環(huán)境有污染。全省環(huán)境污染最嚴重的地區(qū)是開封市，污染指數(shù)達31.9 mg·L-1，對環(huán)境污染較小的是信陽市，污染指數(shù)為 2.3 mg·L-1。

（4）從污染負荷來看，開封市、平頂山市、漯河市的耕地承載負荷大，水體潛在污染嚴重，安陽市和信陽市的污染負荷較低。