林芝市畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防治措施*

郝守寧 張立麒 李成林

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000;2.華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

林芝市地處藏東南生態(tài)安全屏障區(qū)，農(nóng)牧業(yè)是當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。隨著西部大開(kāi)發(fā)政策的實(shí)施，林芝市的畜禽養(yǎng)殖業(yè)更是得到了飛速發(fā)展。林芝市畜牧業(yè)產(chǎn)值由2000年10 917.13萬(wàn)元到2019年已增加至71 494.40萬(wàn)元[1]，增長(zhǎng)了5.5倍。然而，畜牧業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)其糞便排放對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)日益顯現(xiàn)。雖然畜禽糞便可作為耕地有機(jī)糞肥，改善耕地土壤肥力，是一種資源，但如果對(duì)其處理不當(dāng)，進(jìn)入耕地土壤的畜禽糞便超過(guò)自然消納能力[2]就會(huì)引起嚴(yán)重的土壤環(huán)境污染[3]。因此，開(kāi)展畜禽養(yǎng)殖污染的耕地畜禽糞便負(fù)荷評(píng)價(jià)對(duì)防治耕地土壤環(huán)境污染具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多采用糞便總氮(TN)和總磷(TP)的耕地負(fù)荷[4]、畜禽養(yǎng)殖密度(AD)[5]、糞便排放量[6]、糞便污染物排放量[7]、生態(tài)環(huán)境足跡指數(shù)[8]和糞便重金屬排放量[9]等指標(biāo)。郝守寧等[10-11]通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物輸出系數(shù)法對(duì)林芝市面源污染的排放特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，林芝市畜禽養(yǎng)殖糞便排放是最主要的面源污染，其中TP與TN是主要污染物，且畜禽養(yǎng)殖糞便TP與TN排放量呈逐年增加趨勢(shì)。

本研究采用畜禽單元(AU)和營(yíng)養(yǎng)物輸出系數(shù)法，通過(guò)AD、糞便TN和TP的耕地負(fù)荷綜合評(píng)估林芝市的畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)。時(shí)間上選取了西部大開(kāi)發(fā)開(kāi)始的2000年作為基準(zhǔn)年，西藏自治區(qū)環(huán)境綜合整治中提出加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖污染治理的2010年作為中間年，以及能搜集到最新數(shù)據(jù)的2019年作為最近年，以全面總結(jié)西部大開(kāi)發(fā)實(shí)施以來(lái)林芝市的畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)變化情況。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究所需屬性數(shù)據(jù)主要包括林芝市7縣的耕地面積、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和畜禽養(yǎng)殖的污染物排放系數(shù);所需空間數(shù)據(jù)主要是林芝市7縣的行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)通過(guò)林芝市統(tǒng)計(jì)年鑒查詢(xún)得到，其中耕地面積以年末實(shí)際耕地面積為準(zhǔn);畜禽養(yǎng)殖數(shù)量選取了主要的牛、豬、羊、雞的養(yǎng)殖數(shù)量，以年末存欄量為準(zhǔn);畜禽養(yǎng)殖糞便的TP與TN排放系數(shù)參照《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)確定;林芝市7縣的行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘進(jìn)行校正。

1.2 研究方法

1.2.1 AU和AD的計(jì)算及分級(jí)

為了便于對(duì)不同畜禽種類(lèi)進(jìn)行統(tǒng)一分析比較，采用AU對(duì)不同畜禽種類(lèi)的養(yǎng)殖數(shù)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化換算，以454 kg畜禽活體質(zhì)量為1個(gè)AU[12]，林芝市的AU換算系數(shù)如表1所示。

表1 林芝市的AU換算系數(shù)Table 1 Conversion parameters of AU in Nyingchi 頭/AU或只/AU

AD被用作指示農(nóng)業(yè)TN、TP流失風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，常用單位耕地面積的AU[13]表示。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)AD評(píng)價(jià)尚未制定標(biāo)準(zhǔn)，本研究根據(jù)歐洲理事會(huì)的《農(nóng)村發(fā)展戰(zhàn)略指南(2007—2013年)》的規(guī)定以2.00 AU/hm2為AD最大標(biāo)準(zhǔn)限值，并以1個(gè)單位AD為梯度將風(fēng)險(xiǎn)劃為4個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)[14]969。

表2 AD等級(jí)劃分Table 2 Classification standard of AD

1.2.2 糞便TN、TP耕地負(fù)荷計(jì)算及分級(jí)

畜禽糞便排放的TN、TP污染物根據(jù)營(yíng)養(yǎng)物輸出系數(shù)法[15]進(jìn)行計(jì)算，各種畜禽糞便所排放的污染物TN、TP的排放系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 畜禽糞便的污染物排放系數(shù)Table 3 Emission coefficients of pollutants from livestock and poultry manure kg/(頭·年)或kg/(只·年)

目前，我國(guó)針對(duì)糞便TN、TP耕地負(fù)荷也尚未制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。瑞典、挪威和愛(ài)爾蘭等[16]規(guī)定年糞便TP耕地負(fù)荷最大限值為40 kg/hm2，而國(guó)內(nèi)研究認(rèn)為我國(guó)的年糞便TN耕地負(fù)荷最大限值應(yīng)為225 kg/hm2[17]，考慮到國(guó)內(nèi)畜牧業(yè)發(fā)展?fàn)顩r和研究區(qū)的實(shí)際情況，本研究中的年糞便TN、TP耕地負(fù)荷最大限值分別取225、40 kg/hm2。根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷史可將我國(guó)耕地農(nóng)業(yè)發(fā)展分為2個(gè)階段：第1階段為改革開(kāi)放前的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，耕種以原始的畜禽糞肥為主，工業(yè)肥料投入為輔，作物產(chǎn)量較低;第2階段為改革開(kāi)放后逐漸發(fā)展起來(lái)的集約農(nóng)業(yè)，工業(yè)肥料投入大增、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提升，因此可將第1階段的TN、TP的年糞便TN、TP 耕地負(fù)荷作為無(wú)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的背景值，分別取100、10 kg/hm2。此外，將歐盟農(nóng)業(yè)政策規(guī)定的年糞便TN耕地負(fù)荷最大限值170 kg/hm2[18]作為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)的臨界值，TP則在10～40 kg/hm2等比劃分。最后，畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 糞便污染物耕地負(fù)荷的等級(jí)劃分Table 4 Classification standard of manure pollutants farmland loads kg/hm2

1.2.3 畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是降低區(qū)域發(fā)展過(guò)程中可能存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的措施之一，也是開(kāi)展區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的重要措施[19]。本研究在A(yíng)D、糞便TP和TN耕地負(fù)荷分級(jí)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，通過(guò)疊合來(lái)綜合分析林芝市的畜禽養(yǎng)殖區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。由于林芝市地處藏東南生態(tài)安全屏障區(qū)，河網(wǎng)非常密集，生態(tài)較為脆弱，因此采用較為嚴(yán)格的綜合評(píng)估區(qū)劃原則，以AD、糞便TP和TN耕地負(fù)荷分級(jí)的最高等級(jí)作為疊合后綜合的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 林芝市畜禽糞便TN、TP排放特征

根據(jù)林芝市統(tǒng)計(jì)年鑒，2000—2019年林芝市畜禽養(yǎng)殖種類(lèi)及數(shù)量在時(shí)空上存在較大差異。2000—2019年林芝市各類(lèi)畜禽養(yǎng)殖總量雖然發(fā)生了較大的變化，但每年的AU變化較小，即林芝市各類(lèi)畜禽間在數(shù)量上存在互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。林芝市畜禽糞便排放的污染物TP的估算結(jié)果見(jiàn)圖1。2000—2019年林芝市畜禽糞便TP排放量在時(shí)空上存在明顯差異：空間上TP排放量最高的縣為工布江達(dá)縣，2019年最高達(dá)到1 731 t，排放量最低的縣為墨脫縣，值得注意的是墨脫縣的畜禽糞便TP排放量一直遠(yuǎn)低于其他縣，2019年最高時(shí)也只有工布江達(dá)縣的約11%，僅191 t，主要原因是墨脫縣的各類(lèi)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量相對(duì)較少;時(shí)間上從2000年到2019年林芝市畜禽糞便TP排放量呈上升趨勢(shì)，但朗縣和察隅縣出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，波密縣則出現(xiàn)了趨穩(wěn)趨勢(shì)。林芝市各縣的畜禽糞便TP排放主要來(lái)自大牲畜牛和豬，特別是牛的產(chǎn)污量占到了96%以上[20]。

圖1 林芝市畜禽糞便TP排放量Fig.1 TP emissions of livestock and poultry manure in Nyingchi

畜禽糞便TN排放量的時(shí)空分布特征及各類(lèi)畜禽的貢獻(xiàn)狀況與TP有著相似的規(guī)律，在此不再贅述。

2.2 林芝市AD時(shí)空特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

林芝市的AD總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2000、2010、2019年林芝市全市的AD都遠(yuǎn)高于Ⅳ級(jí)水平，分別達(dá)到了31、34、35 AU/hm2，也遠(yuǎn)高于東北三省[14]967，原因是林芝市的畜牧業(yè)是當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，特別是大牲畜養(yǎng)殖量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)東北地區(qū)，而東北以耕種農(nóng)業(yè)為主。

林芝市的AD時(shí)空分布狀況見(jiàn)圖2，不僅在空間上分布極不均勻且在時(shí)間上變化也有較大差異。

圖2 林芝市AD的時(shí)空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of AD in Nyingchi

AD最大的縣始終是朗縣，最高達(dá)到了82 AU/hm2。需要注意的是，即便是AD最小的墨脫縣，其最低值也達(dá)到了8 AU/hm2，高于3 AU/hm2，屬于Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))。林芝縣、米林縣和工布江達(dá)縣的AD呈主流的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而察隅縣呈降低趨勢(shì)，朗縣、波密縣呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，墨脫縣則表現(xiàn)為先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在這近20年的時(shí)間里，AD變化較大的縣有工布江達(dá)縣和朗縣，工布江達(dá)縣增加了15 AU/hm2，朗縣減少了24 AU/hm2。

2.3 林芝市畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷時(shí)空特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由于畜禽糞便TN排放量的時(shí)空分布特征與TP有著相似的規(guī)律，因此畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷也有著相似的規(guī)律。與AD風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，林芝市畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷也都遠(yuǎn)超Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))，并且2019年>2010年>2000年，2019年的畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷分別達(dá)到了2 531、453 kg/hm2。

林芝市的畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷時(shí)空分布狀況見(jiàn)圖3。林芝市7縣的畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷時(shí)空分布規(guī)律基本相同?？臻g上，西邊的朗縣與工布江達(dá)縣是畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷較為嚴(yán)重的兩個(gè)縣。南部的墨脫縣的畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷始終都是最低，但即便是最低值也都遠(yuǎn)超Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))。故林芝市7縣的畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷都始終屬于Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))。時(shí)間上，與2000年相比，2010年除了察隅縣畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷有所下降外，其他縣都是增加的，其中畜禽糞便TP、TN耕地負(fù)荷變化最大的縣為波密縣，而墨脫縣變化最小;2010年至2019年間波密縣與朗縣的畜禽糞便TP、TN耕地負(fù)荷下降，而此階段增加量最大的縣為林芝縣。總體而言，除了察隅縣、波密縣與朗縣的畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷有波動(dòng)外，其余各縣都是保持著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，即風(fēng)險(xiǎn)有增大的趨勢(shì)。

圖 3 林芝市畜禽糞便TN、TP耕地負(fù)荷的時(shí)空分布Fig.3 Spatial and temporal distribution of livestock and poultry manure TN and TP farmland loads in Nyingchi

2.4 畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

雖然AD最大的不一定畜禽糞便TP、TN耕地負(fù)荷也最大，但根據(jù)以AD、糞便TP和TN耕地負(fù)荷分級(jí)的最高等級(jí)作為疊合后綜合的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的原則，林芝市7縣2000—2019年畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果都屬于Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))。分析發(fā)現(xiàn)，交通便利的地區(qū)畜禽養(yǎng)殖量更大，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高于其他地區(qū)。

2.5 畜禽養(yǎng)殖污染防治措施

林芝市的畜禽養(yǎng)殖防治措施、政策及技術(shù)不能完全照搬其他地區(qū)，深化林芝市環(huán)保政策改革，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化資源配置的同時(shí)必須考慮林芝市特殊的地域條件，需因地制宜。林芝市地處高原生態(tài)脆弱區(qū)，區(qū)內(nèi)河流水系密集，畜禽養(yǎng)殖對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，應(yīng)根據(jù)林芝市畜禽養(yǎng)殖的主要污染源、污染物排放量及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的分布狀況，對(duì)林芝市畜禽養(yǎng)殖污染防治采取針對(duì)性的措施。

畜禽養(yǎng)殖污染排放具有隱蔽性、隨機(jī)性和面源性等特征，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果及各縣的具體狀況建議采取相應(yīng)的防治措施：工布江達(dá)縣、米林縣等畜禽養(yǎng)殖污染嚴(yán)重且河網(wǎng)較為密集的大縣，應(yīng)加強(qiáng)畜牧用地規(guī)劃，科學(xué)合理地避開(kāi)尼洋河流域飲用水源地及其保護(hù)區(qū)，河岸帶的一定范圍內(nèi)建設(shè)植被生態(tài)系統(tǒng)工程，防治畜禽糞便在降雨時(shí)產(chǎn)生面源污染直接快速進(jìn)入尼洋河水體;察隅縣與波密縣畜禽養(yǎng)殖量多但耕地面積相對(duì)較少，應(yīng)加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖污染防治技術(shù)的宣傳，提升農(nóng)牧民對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染危害性的認(rèn)知，充分利用較為豐富的森林資源，盡可能將畜禽養(yǎng)殖糞便收集后人工運(yùn)輸?shù)饺鄙俜柿系纳种脖粎^(qū);墨脫縣是林芝市畜禽養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)最小的縣，但也處于Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))，所以應(yīng)加大養(yǎng)殖補(bǔ)貼以合理調(diào)整畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)構(gòu)建完善的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，防止畜禽養(yǎng)殖量的驟增;林芝縣是林芝市的經(jīng)濟(jì)中心，受經(jīng)濟(jì)和人口的影響，畜禽養(yǎng)殖量逐年上升，應(yīng)科學(xué)合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)，重點(diǎn)防治畜禽糞便在降雨時(shí)產(chǎn)生面源污染進(jìn)入河流水體，同時(shí)建議養(yǎng)殖場(chǎng)配備糞污處理設(shè)施;朗縣面積最小，但養(yǎng)殖量大，應(yīng)大力推廣規(guī)模養(yǎng)殖，并將畜禽養(yǎng)殖糞便回田利用，盡可能建設(shè)排污治污設(shè)施，建立糞便收集、運(yùn)輸和處理系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

(1) 在時(shí)間尺度上，2000—2019年林芝市畜禽糞便TN和TP排放量、AD、TN和TP耕地負(fù)荷總體呈上升趨勢(shì)。

(2) 在空間尺度上，AD最大的縣為朗縣，最小的縣為墨脫縣;畜禽糞便 TN、TP耕地負(fù)荷西邊的朗縣和工布江達(dá)縣較為嚴(yán)重，南部的墨脫縣始終最低。

(3) 林芝市的畜禽養(yǎng)殖污染風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果始終處于Ⅳ級(jí)(高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))。在河網(wǎng)密集的地區(qū)，污染物更易通過(guò)降雨形成面源污染而對(duì)水環(huán)境形成威脅。