長三角養(yǎng)殖密集區(qū)畜禽養(yǎng)殖污染空間分布特征及污染評估

施常潔　王社芳　戴鑠蘊　劉亞麗　劉波　童儀　羅開洪　羅丹

摘要：為了有效防治畜禽養(yǎng)殖污染，以江蘇省如皋市為研究對象，采用產(chǎn)污系數(shù)法和削減排放法核算其畜禽糞便及其污染物（全氮、全磷）的產(chǎn)生量及實際排放量，分析各鎮(zhèn)（街道）畜禽糞便污染物（全氮、全磷）的空間分布特征，并進行污染評估。結(jié)果表明，2017年如皋市畜禽糞便及其污染物（全氮、全磷）產(chǎn)生總量分別為16.904萬、1.039萬、0.221萬t，畜禽糞便污染物（全氮、全磷）實際排放量分別為0.615萬、0.132萬t;從空間分布特征來看，西部以及東部個別地區(qū)畜禽糞便污染物產(chǎn)生量相對較大，其余鎮(zhèn)（街道）由西向東逐漸減少;如皋市各類畜禽對畜禽糞便及其污染物的貢獻大小依次是肉豬、蛋雞、肉雞、母豬、羊、奶牛;2017年如皋市畜禽糞便污染物（全氮、全磷）污染風險指數(shù)分別為0.71、0.44。該結(jié)果可以為養(yǎng)殖密集區(qū)鎮(zhèn)（街道）級別糞污處理及總量控制提供資料參考。

關鍵詞：畜禽養(yǎng)殖污染;耕地負荷;污染風險評估;長三角養(yǎng)殖密集區(qū)

中圖分類號：X713文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）01-0176-06

作者簡介：施常潔（1998—），女，安徽安慶人，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境治理研究。E-mail：scj112233@yeah.net。

通信作者：劉波，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境治理研究。Tel：（0513）85015880;E-mail：38760040@qq.com。

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的飛速發(fā)展，畜禽糞便污染物產(chǎn)生量不斷增加，其造成的環(huán)境壓力日益顯現(xiàn)。畜禽糞便污染是農(nóng)村面源污染的一個主要來源，其產(chǎn)生的氮磷等物質(zhì)直接排放到水體環(huán)境中是導致水體富營養(yǎng)化的重要原因[1-3]。畜禽養(yǎng)殖糞便及污染物產(chǎn)排量核算與糞污減排潛力評估是環(huán)境質(zhì)量評價、環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境政策制定的基礎依據(jù)。產(chǎn)排污系數(shù)法是核算畜禽養(yǎng)殖污染產(chǎn)排量的常用方法。我國在第1次全國污染源普查期間建立畜禽養(yǎng)殖主要污染源的產(chǎn)排污系數(shù)，形成了以大區(qū)為單元的畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)，在大區(qū)尺度上具有一定的準確性[4]。但是，由于糞污收集與處理模式多種多樣，現(xiàn)有排放系數(shù)相對過于簡化，進而影響結(jié)果的準確性。此外，相關研究主要聚焦在全國及?。ㄊ?、區(qū)）等宏觀尺度區(qū)域[5-9]，鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）等微觀尺度研究較薄弱[10]，難以反映微觀尺度的畜禽糞便排放與減排潛力的空間差異。而隨著我國持續(xù)推進污染防治攻堅戰(zhàn)，突出問題導向，堅持一切從實際出發(fā)，注重精準施策已成為環(huán)境管理的新趨勢[11]。長三角地區(qū)由于社會經(jīng)濟發(fā)達，畜禽集約化養(yǎng)殖水平高，從養(yǎng)殖地域分布看，主要集中于江蘇省如皋市的各鎮(zhèn)（街道），本研究以鎮(zhèn)（街道）為單元估算該區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地的畜禽養(yǎng)殖承載力及當前耕地和果園承載的污染負荷情況，以期為區(qū)域內(nèi)調(diào)整養(yǎng)殖業(yè)布局、治理環(huán)境污染、促進畜禽糞便資源化利用提供決策支持，也為其他生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)畜禽養(yǎng)殖承載力分析提供借鑒。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

如皋市地處長江三角洲（簡稱長三角）北翼，是長三角畜禽養(yǎng)殖大縣，2017年畜禽養(yǎng)殖量占長三角地區(qū)養(yǎng)殖總量的5.21%[12-14]，近年來畜牧業(yè)生產(chǎn)仍在快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大[15]，如皋市下轄城北街道、如城街道、東陳鎮(zhèn)、城南街道、搬經(jīng)鎮(zhèn)、磨頭鎮(zhèn)、丁堰鎮(zhèn)、江安鎮(zhèn)、吳窯鎮(zhèn)、下原鎮(zhèn)、白蒲鎮(zhèn)、石莊鎮(zhèn)、長江鎮(zhèn)、九華鎮(zhèn)。

1.2數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1畜禽糞便及其污染物全氮、全磷產(chǎn)生量

排污系數(shù)法是核算畜禽污養(yǎng)殖污染產(chǎn)量的常用方法[16]，即根據(jù)畜禽飼養(yǎng)量（年末存欄數(shù)、年內(nèi)出欄數(shù)）、飼養(yǎng)周期、排泄系數(shù)進行計算。目前，國內(nèi)在估算畜禽糞便及其污染物的年產(chǎn)生量時，主要有4種計算公式：第一，畜禽糞便及其污染物年產(chǎn)生量=年末存欄量×日排泄系數(shù)×365（d），該公式?jīng)]有考慮畜禽的年內(nèi)出欄量以及飼養(yǎng)周期，不能準確反映出畜禽糞便及其污染物的年產(chǎn)生量。第二，畜禽糞便及其污染物年產(chǎn)生量=年內(nèi)出欄量×日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)周期（d），該公式雖然考慮到飼養(yǎng)周期，但是由于某些役用、蛋奶用和繁殖用途的畜禽在該年份內(nèi)可能并未出欄，則會導致計算結(jié)果偏小。第三，畜禽糞便及其污染物年產(chǎn)生量=（年末存欄量+年內(nèi)出欄量）×日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)周期（d），該公式中年末存欄畜禽還未經(jīng)歷1個飼養(yǎng)周期，會導致計算結(jié)果偏大。第四，畜禽糞便及其污染物年產(chǎn)生量=年末存欄量或年內(nèi)出欄量×日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)周期（d），該方法既考慮到年末存欄畜禽，又考慮到年內(nèi)出欄畜禽，存欄量和出欄量的選取可根據(jù)畜禽的主要養(yǎng)殖用途來確定，結(jié)合飼養(yǎng)周期以后的計算結(jié)果更具有可靠性，因此，本研究選取計算公式如下。

本研究選取的畜禽生豬、家禽、山羊和奶牛4類為如皋市主要畜禽養(yǎng)殖種類[17]，活動水平數(shù)據(jù)來自《如皋市統(tǒng)計年鑒2017》。根據(jù)畜禽的主要養(yǎng)殖用途，肉用畜禽（肉豬、肉雞）選擇其出欄量參與計算，役用、蛋奶用和繁殖用途的畜禽（母豬、蛋雞、山羊、奶牛）采用其存欄量進行計算[18]。依據(jù)原國家環(huán)境保護總局公布的畜禽飼養(yǎng)期數(shù)據(jù)[19]，結(jié)合實地調(diào)研的結(jié)果，確定各類畜禽飼養(yǎng)周期分別為：肉豬180d，肉雞48d，蛋雞、奶牛、母豬、山羊365d。

畜禽糞便污染物產(chǎn)污系數(shù)是指單位時間內(nèi)單位活動水平產(chǎn)生的糞便污染物的量，該值受到溫度、畜禽種類、養(yǎng)殖方式等多種因素的影響，考慮到這些因素，原農(nóng)業(yè)部科技教育司與第1次全國污染普查領導小組辦公室于2009年公布了《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊》，其中畜禽糞便、化學需氧量（COD）、全氮、全磷日產(chǎn)生量來自其中確定的華東地區(qū)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污系數(shù)（表1）。

1.2.2全氮、全磷排放量

目前，相關學者對于畜禽糞便排放量的估算大多采用排泄系數(shù)法，在活動水平確定的情況下，獲取準確的排污系數(shù)是使用該方法計算的關鍵[20-22]。根據(jù)目前大多數(shù)學者所采用的排泄系數(shù)[4，20，22]，雖然考慮到區(qū)域特征、畜禽種類、飼養(yǎng)階段、體質(zhì)量和清糞工藝等因素，但由于糞污收集與處理模式多樣就顯得相對過于簡化，進而影響結(jié)果的準確性。王俊能等對畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)核算體系進行了詳細的探討，發(fā)現(xiàn)排泄系數(shù)法適用于核算產(chǎn)污量[23]，而對于核算經(jīng)過不同方式的前端清理、末端處理和利用后才進入環(huán)境的實際排放量，應該著眼于其背后的削減量。

通過對文獻的比較分析和專家咨詢的結(jié)果，本研究采用公式（2）進行計算。

式中：Ci表示不同養(yǎng)殖模式下畜禽糞便污染物的削減量，萬t;Qi表示不同養(yǎng)殖模式下畜禽糞便污染物的產(chǎn)生量，萬t;Pi表示不同養(yǎng)殖模式下糞便、COD、全氮、全磷的削減率;Eb表示畜禽糞便污染物排放量，萬t;Q表示畜禽糞便污染物產(chǎn)生量，萬t;C表示糞便、COD、全氮、全磷各削減分量，萬t。

目前全國畜禽養(yǎng)殖場采取的欄舍清糞方式主要為干清糞、水沖糞和墊草墊料。通過干清糞方式清出糞便的末端處理主要包括糞污儲存池、生產(chǎn)有機肥、生產(chǎn)沼氣3種處理模式，水沖糞方式末端處理主要包括糞污儲存池、深度處理、生產(chǎn)沼氣3種模式，墊草墊料方式末端處理主要包括生產(chǎn)有機肥和無處理/農(nóng)業(yè)利用2種模式[24-26]，通過調(diào)研得知，南通市也不例外。本研究結(jié)合參考文獻[27]和2017年如皋市的調(diào)研數(shù)據(jù)及環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析核算出糞便污染物的清糞方式削減率和末端處理削減率（表2、表3）。

1.2.3耕地負荷與污染評估

1.2.3.1畜禽糞便污染物耕地負荷計算畜禽糞便氮、磷的耕地負荷時，以農(nóng)田耕地面積作為實際負載面積，單位面積耕地全氮、全磷負荷計算公式為

1.2.3.3畜禽糞便污染物污染風險指數(shù)耕地畜禽糞便污染物（全氮、全磷）污染風險指數(shù)反映評價單元內(nèi)當前耕地畜禽糞便負荷量相對于該耕地承載糞便容量的飽和程度。計算方法如下：

式中：PI表示畜禽糞便污染風險指數(shù)，PI>2.0說明農(nóng)用地處于高污染風險等級;>1.0～2.0屬于較高污染風險等級;>0.5～1.0屬于中污染風險等級;>0.25～0.50屬于低污染風險等級;<0.25處于無污染風險等級。

2結(jié)果與分析

2.1畜禽糞便及污染物產(chǎn)生與構(gòu)成

2.1.1空間分布特征

根據(jù)畜禽糞便、畜禽糞便污染物計算公式，結(jié)合畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計數(shù)據(jù)和第1次全國污染普查產(chǎn)污系數(shù)，獲得如皋市各鎮(zhèn)（街道）2017年畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞污產(chǎn)生空間分布特征（圖1）。如皋市2017年的畜禽糞便及其污染物全氮、全磷產(chǎn)生總量分別為16.904萬、1.039萬、0.221萬t。如皋市下轄14個鎮(zhèn)（街道），西部及東部個別地區(qū)畜禽糞便污染物產(chǎn)生量相對較大，其中搬經(jīng)鎮(zhèn)最大，各畜禽糞便污染物產(chǎn)生量均居首位，以糞便為例，搬經(jīng)鎮(zhèn)的產(chǎn)生量是如城街道的7.06倍，這是由于其畜禽養(yǎng)殖量大造成的。其次貢獻稍大的是城北街道、江安鎮(zhèn)和白蒲鎮(zhèn)。這4個鎮(zhèn)（街道）畜禽糞便污染物產(chǎn)生量穩(wěn)居如皋市前列，各糞便污染物產(chǎn)生總量占如皋市總產(chǎn)生量的比例分別高達54.38%、55.63%、54.13%、54.57%，其根本原因是4個鎮(zhèn)（街道）的肉豬養(yǎng)殖數(shù)量遠超過其他鎮(zhèn)（街道）。其余鎮(zhèn)（街道）由西向東逐漸減少，其中如城街道的各畜禽糞便污染物產(chǎn)生量最小。城北街道與如城街道雖然在地理位置上相互靠近，但是畜禽糞便污染物產(chǎn)生量卻相差甚遠。可見，以鎮(zhèn)（街道）為基本研究單元更能反映區(qū)域畜禽養(yǎng)殖糞便污染物的強空間差異性。

2.1.2產(chǎn)生構(gòu)成

由圖2可知，肉豬畜禽糞便產(chǎn)生量最大，其次是蛋雞和肉雞，三者之和占總量的89.88%，基本承載了如皋市畜禽糞便的排放。肉豬畜禽糞便污染物產(chǎn)生量占比最高，達到68.17%（全氮），而母豬、奶牛、羊最高僅有6.69%、1.49%、2.45%。如皋市肉豬和禽類養(yǎng)殖量大，從而導致其糞便污染物產(chǎn)生量高。而羊的養(yǎng)殖基量雖然大于奶牛，但是全氮產(chǎn)生量較小，這與奶牛的全氮日排放系數(shù)較大相關。

2.2畜禽糞便污染物實際排放

按照畜禽糞便污染物排放公式，結(jié)合不同清糞方式和末端處理模式下各污染物的削減率以及如皋市2017年畜禽糞便的處理情況，獲得如皋市各鎮(zhèn)（街道）2017年畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞污排放量（表4）。如皋市2017年的畜禽糞便污染物全氮及全磷排放總量分別為0.615萬、0.131萬t，經(jīng)處理后分別較產(chǎn)生量減少了0.424萬、0.090萬t，這在一定程度上減輕了對環(huán)境的壓力。搬經(jīng)鎮(zhèn)畜禽糞便污染物全氮排放量達0.112萬t，占2017年如皋市排放總量的18.21%，位居如皋市14個鎮(zhèn)（街道）之首。分析其原因發(fā)現(xiàn)，搬經(jīng)鎮(zhèn)養(yǎng)殖場雖然同其他鎮(zhèn)（街道）一樣，大多采用干清糞+糞污儲存池的處理方式，但由于前端產(chǎn)生量大，因此其排放量也居于首位。

2.3耕地負荷及污染評估

畜禽糞便有多種處理方式，由于受到交通運輸、處理工藝等因素的影響，若沒有足夠的耕地去消納它，其中的氮磷養(yǎng)分便得不到充分利用，將對環(huán)境造成一定的危害[10]，且耕地消納了適量的畜禽糞便，能在一定程度上改善由于使用化肥而造成的環(huán)境污染問題。2017年如皋市畜禽糞便處理主要采用干清糞結(jié)合糞污儲存池的末端處理方式，經(jīng)過一段時間的發(fā)酵作為有機肥料直接還田，以農(nóng)田耕地面積作為負載面積，結(jié)合畜禽糞便污染物經(jīng)過末端處理后的排放量計算獲得單位耕地面積氮和磷的負荷量[30]（表5）。對于畜禽糞便污染物全氮而言，全市平均負荷量達到71.48kg/hm2，低于其限量標準值100kg/hm2，全氮的耕地負荷并未超標。規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場為了便于運輸，大多建在城市邊緣地帶，造成該類區(qū)域畜禽養(yǎng)殖基量較高，且沒有足夠的土地進行消納，單位面積的土地畜禽污染物負荷量隨之較高，甚至有超過限量標準值的危險。長江鎮(zhèn)、江安鎮(zhèn)、搬經(jīng)鎮(zhèn)的全氮負荷量分別達到252.44、111.68、116.46kg/hm2，其中長江鎮(zhèn)的耕地負荷量是安全消納臨界點的2.52倍。對于全磷而言，其耕地負荷量為15.23kg/hm2，也低于耕地面積的承載量35kg/hm2的安全消納臨界點，且長江鎮(zhèn)、江安鎮(zhèn)和搬經(jīng)鎮(zhèn)也相對較高。

為了更全面清晰地反映如皋市畜禽糞便污染物（全氮、全磷）耕地負荷對環(huán)境帶來的污染，對該地區(qū)畜禽糞便污染物（全氮、全磷）農(nóng)田負荷量承受程度進行風險評價（圖3）。2017年如皋市畜禽糞便污染物全氮污染風險指數(shù)為0.71，處于中污染風險等級，畜禽糞便污染物全磷處于低污染風險等級。整體來看，各鎮(zhèn)（街道）畜禽糞便污染物（全氮、全磷）污染風險差異很大，其中南部地區(qū)的長江鎮(zhèn)高污染指數(shù)突出，西部及中部地區(qū)緊隨其后，北部部分地區(qū)尤其是如城街道風險指數(shù)較低;局部來看，如皋市畜禽糞便污染物全氮負荷僅有如城街道處于無污染風險等級，處于低污染風險等級的只有城北街道和九華鎮(zhèn)，其他11個鎮(zhèn)（街道）均處于中污染風險及以上等級，其中長江鎮(zhèn)的污染風險指數(shù)較高，處于高污染風險等級;全磷負荷的污染風險較全氮而言整體偏低，但仍有6個鎮(zhèn)（街道）的污染風險在中污染風險及以上等級。如果這些鎮(zhèn)（街道）中的畜禽糞便不進行合理的處置，單位面積的耕地糞便、全氮、全磷負荷量過高，畜禽糞便污染物就可能通過土壤帶來面源污染[31]，當?shù)赜嘘P單位應采取相應的措施加以控制，避免其耕地負荷進一步加重。

3結(jié)論

2017年如皋市畜禽糞便及其污染物全氮、全磷產(chǎn)生總量分別為16.904萬、1.039萬、0.221萬t。各鎮(zhèn)（街道）畜禽糞便污染物產(chǎn)生量差異較大。西部及東部個別地區(qū)畜禽糞便污染物產(chǎn)生量相對較大，其中搬經(jīng)鎮(zhèn)最大，畜禽全磷產(chǎn)生量占全市的17.88%，其次貢獻稍大的是城北街道、江安鎮(zhèn)和白蒲鎮(zhèn)，其余鎮(zhèn)（街道）由西向東逐漸減少，其中，如城街道的各畜禽糞便污染物產(chǎn)生量最小，僅占全市的2.81%?？梢?，以鎮(zhèn)（街道）為基本研究單元，更能反映區(qū)域畜禽養(yǎng)殖承載力的強空間差異性，能有效服務于畜禽養(yǎng)殖差別化管控策略和畜禽糞便處理措施制定。2017年如皋市各類禽畜對畜禽糞便污染物的貢獻大小依次是肉豬、蛋雞、肉雞、母豬、羊、奶牛，其中肉豬、蛋雞和肉雞三者之和占總量的89.88%，主要是由三者的養(yǎng)殖基量大造成的。通過對如皋市畜禽糞便進行末端處理，2017年如皋市的畜禽糞便污染物全氮及全磷排放總量分別為0.615萬、0.131萬t，削減率分別達到40.84%、40.56%，如皋市畜禽養(yǎng)殖業(yè)應適當調(diào)整養(yǎng)殖模式。2017年如皋市畜禽糞便污染物（全氮、全磷）的耕地負荷分別為71.48、15.23kg/hm2，均未超標，但長江鎮(zhèn)、江安鎮(zhèn)、搬經(jīng)鎮(zhèn)全氮超標，長江鎮(zhèn)全磷超標，須引起重視;污染風險指數(shù)分別為0.71、0.44。整體來看，各鎮(zhèn)（街道）畜禽糞便污染物（全氮、全磷）污染風險差異很大;局部來看，長江鎮(zhèn)污染風險指數(shù)最高，畜禽糞便污染物全氮排放已達到高污染風險等級，全磷處于較高污染風險等級。

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