发布时间：2021-12-20所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：通过畜禽产排污系数以及2011年湖北省的统计数据，估算出湖北省2011年畜禽养殖业畜禽粪便总量及COD、氮、磷的产生量，分析了污染物对环境污染的情况，并对湖北省畜禽养殖的环境容量和污染风险进行了初步评估。结果表明， 2011年湖北省畜禽的粪便总量为8 479.8万t
摘 要：通过畜禽产排污系数以及2011年湖北省的统计数据，估算出湖北省2011年畜禽养殖业畜禽粪便总量及COD、氮、磷的产生量，分析了污染物对环境污染的情况，并对湖北省畜禽养殖的环境容量和污染风险进行了初步评估。结果表明， 2011年湖北省畜禽的粪便总量为8 479.8万t，主要分布在襄阳市、黄冈市、孝感市。全省粪便耕地负荷为16.2 t/hm2 /a，警报值为0.54，分级级数为II，对环境构成污染的威胁为"稍有"。全省氮、磷的耕地负荷分别为157.9 kg/hm2 /a、24.5 kg/hm2 /a，其中，鄂州市、黄冈市均超过欧盟限量标准(氮170 kg/hm2 /a、磷35 kg/hm2 /a)。2011年湖北省的实际养殖总量分别为 7 868.5万头猪当量(N)、9 725.3万头猪当量(P)，都超过畜禽50%环境容量(为4 599.4万头猪当量(N)，7 161.1万头猪当量(P)。除了荆州市外，其他大部分地区的实际养殖数量都超过50%环境容量，这些地区应该严格控制畜禽的养殖数量并同时做好污染物消减措施。
关键词：畜禽粪便;耕地负荷;警报值;总量控制
近些年中国畜禽养殖业发展迅速，促进了农村经济的发展，已逐步发展成为农业和农村经济的重要支柱产业[1]。但随着畜禽养殖业的发展和集约化程度的提高，畜禽养殖污染已经成为导致农业面源污染的重要成因。2011年6月，国家首次将畜禽养殖污染减排作为削减污染物排放总量、改善农村生态环境的重要措施纳入污染减排范围[2]。近年来国内越来越多的学者对畜禽粪便的污染进行了研究。排放系数和模型模拟等方法常用于估算畜禽养殖污染排放和评价污染风险，其中，畜禽粪便产生量估算多是采用排放系数法[3]采用输出系数模型估算北京市的畜禽养殖、土地利用等多种面源污染源的污染负荷。董红敏等[5]研究了畜禽粪便产污系数和排污系数的计算方法。沈根祥等[6] 提出了畜禽粪便负荷量警报值与分级标准，用来全面、客观地反映各地区畜禽粪便对环境造成的影响。李艳霞等[7]基于GIS技术深刻分析东北农田对畜禽养殖粪便的适宜性。王奇等[8]和耿维等[9]通过估算全国畜禽养殖的允许总量、与实际总量进行比较，探讨总量控制的现实必要性和紧迫性。王方浩等[10]通过排放系数估算中国畜禽粪便产生量及评价其环境效应，表明部分城市畜禽养殖业已经对当地环境构成污染，随后在重庆[11]、安徽[12]、广西[13]、河南[14]、海南[15]等地区估算了畜禽粪便排放总量及评价其对环境的影响。但是有关湖北省畜禽养殖业污染现状和风险评估的报道较少。
湖北省是农业大省，也是畜牧大省，其中生猪产业是该省畜禽养殖业的第一大产业，“十一五” 期间生猪出栏量由第9位上升到第5位。近年来在抓生猪数量发展的同时，牛、羊、兔等草食动物在畜牧业中的比重不断加大[16]。在庞大的养殖总量背后，是严峻的环境压力。畜禽粪便污染处理不当会污染地表水及地下水，也会对土壤和空气环境造成污染[17]。畜牧业已经成为一个不可忽视的污染源，它不仅污染环境而且也严重影响人类健康。因此，亟需对湖北省畜禽养殖的现状以及污染情况进行摸底分析。
本研究通过估算2011年湖北省各市畜禽粪便产生量、负荷量以及畜禽养殖环境容量，分析和阐明各市畜禽养殖业对环境的污染情况，为今后湖北省养殖业发展规划提供基础数据，也为该省畜禽养殖业可持续发展及畜禽粪便环境污染防治提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 数据来源
本研究中的数据来自于2012年的湖北省农村统计年鉴，主要数据是湖北省各地区的耕地面积以及猪、牛、羊、家禽、兔、马、驴的出栏量以及存栏量。以湖北省现有17个市的猪、牛、羊、家禽、兔、马、驴为研究对象，以各市为研究单元，估算出2011年各畜禽种类的粪便产生量、猪粪当量以及污染物的含量，并对环境进行评价及总量控制。
1.1.1 饲养量和饲养周期
畜禽饲养量根据各类畜禽的生长周期确定。一般生长周期小于1年的，按当年出栏量作为饲养量;生长周期大于1年的，按存栏量作为饲养量，饲养周期为365 d[13]。
本文的畜禽饲养周期是参考国内文献[18]得到的。各类畜禽的饲养期具体如下：生猪饲养周期 199 d，以出栏量为饲养量;牛、羊、马和驴饲养周期按全年365 d计，以年底存栏量为饲养量;兔的饲养周期为90 d，以出栏量为饲养量;家禽要分为蛋禽和肉禽来计算：肉禽饲养周期一般为55 d，以出栏量来计算，蛋禽饲养周期一般为365 d，以年末蛋鸡的存栏量来计算。
1.1.2 产排污系数
单位个体畜禽每日的粪便以及各污染物的产排污系数见表1。猪、奶牛、役用牛、肉牛、肉禽和蛋鸡的产排污相关参数来自文献[19]。兔、羊、马、驴骡产排污系数来自文献[10, 11]。对产排污系数进行适当的修正[ 9 ]，其中：猪产排污系数=1/3保育期产排污系数+2/3育肥期产排污系数;奶牛产排污系数以产奶阶段产排污系数计;役用牛产排污系数以育成牛阶段产排污系数计;肉牛产排污系数以育肥牛阶段产排污系数计;蛋鸡产排污系数以产蛋期阶段产排污系数计，肉禽产排污系数以肉鸡的产排污系数计算。
2 结果与分析
2.1 畜禽粪便总量、COD、总氮和总磷的产生量及分布情况
根据畜禽的产排污系数以及存出栏量和饲养周期估算出2011年湖北省的各畜禽的粪便总量、 COD、总氮、总磷产生量如表4所示。2011年湖北省畜禽的粪便总量为8 479.8万t，其中牛产生的粪便量最多，为3 970.4万t，占总量的46.8%。猪产生的粪便量其次，为3 447.0万t，占总量的40.6%。羊、家禽的粪便产生量位居第三和第四，分别为 597.7万t和454.9万t，占总量的12.4%。马、驴和兔的粪便产生量最少。
为了更好的比较畜禽粪便的产生量，根据氮素的平衡将畜禽粪便产生量转换成猪粪当量，湖北省的猪粪当量的区域分布见图1。湖北省畜禽粪便产生量较多的市是襄阳市、黄冈市和宜昌市，三个市的粪便产生量占全省总量的49.2%，其中襄阳市位居第一，为990.4万t，是以猪产生的粪便最多，其次是牛和羊，黄冈市位居第二，为844.2万t，是以牛产生的粪便最多，其次是猪和家禽，宜昌市粪便产生量排第三，为644.8万t，是以猪和羊产生的粪便量最多，而神农架的粪便产生量最少，为8.9万t，是以牛和猪的粪便为主。
全省畜禽粪便COD的产生量为782.6万t，其中牛产生的COD量占总量的58.6%、猪产生的COD量占总量的35.6%。畜禽粪便COD产生量在全省各市的空间分布如图2所示。畜禽粪便COD产生量最多的是襄阳市和黄冈市，其中襄阳市和黄冈市的畜禽粪便COD产生量分别为137.8万t、131.2万t，两个市的畜禽粪便COD产生量占全省总量的34.4%。孝感市、恩施市和宜昌市的COD产生量都超过了 50万t。神农架、天门市、潜江市、仙桃市、鄂州市和咸宁市的COD产生量低于20万t。
全省畜禽粪便总N产生量为62万t，其中猪产生的总N量占全省总N量的54.3%，牛产生的总N量占全省总N量的28.1%。畜禽粪便总N产生量在全省各市的空间分布如图3所示。襄阳市、黄冈市和宜昌市的总N产生量最多，分别为9.7万t、8.2万t和 6.3万t，占全省总量的39%。潜江市、仙桃市和神农架的总N产生量均少于1万t。
全省畜禽粪便总P产生量为9.6万t。其中猪产生的总P量占全省总P量的46.3%，牛产生的总P量占全省总P量的32.6%。畜禽粪便总P产生量在全省各市的空间分布如图4所示。襄阳市和黄冈市的畜禽粪便总P产生量最多，分别为1.6万t和1.3万t，占全省总量的31.5%。宜昌市、恩施市、孝感市、荆州市和荆门市的畜禽粪便总P产生量均超过0.6万t。神农架、仙桃市、潜江市、天门市、鄂州市和黄石市的的畜禽粪便总P产生量均少于0.3万t。畜禽粪便COD、总N和总P产生量的主要来源均是牛和猪。因此，牛和猪是湖北省畜禽养殖污染的主要来源，也是湖北省畜禽面源污染的控制重点。
2.2 畜禽粪便对环境的评价
2.2.1 畜禽粪便的耕地负荷及警报值
畜禽粪便的耕地负荷是可以反映该地区耕地消纳畜禽粪便的能力[10]，而农田畜禽粪便负荷警报值是反映畜禽粪便对环境造成的压力程度，进行分级和警报[6]。通过耕地面积和猪粪当量计算出湖北省各地(市)的畜禽粪便的耕地负荷，粪便的耕地负荷在湖北省各地(市)的区域分布见图5。将畜禽粪便的耕地负荷除以有机肥最大理论适宜施用量( 30 t/hm2 /a)得到警报值(表5)。
全省的粪便耕地负荷平均值为16.2 t/hm2 /a，警报值为0.54，分级级数为Ⅱ，表明湖北省畜禽粪便对环境构成污染的威胁为“稍有”。从畜禽粪便耕地负荷的分布图中可以看出畜禽粪便污染较为严重的主要分布在湖北省的鄂州市、黄冈市、襄阳市和宜昌市。畜禽粪便负荷警报值的级别在Ⅰ级和 Ⅲ级之间，表明湖北省大部分地(市)的耕地均受到不同程度的污染威胁。只有黄石市、荆州市、潜江市、仙桃市的警报值小于0.4，表示该地区不受畜禽污染的威胁。武汉市、十堰市、宜昌市、荆门市、咸宁市、随州市、恩施市、天门市和神农架的警报值分级级数为Ⅱ，表示这些地区畜禽养殖对环境稍有污染。而对环境存在较严重污染的地区有鄂州市、黄冈市和襄阳市。其中鄂州市受到的污染程度最大，耕地负荷达26.3 t/hm2 /a，警报值为0.88。尽管鄂州市的畜禽养殖量较少，但是它的耕地面积相对较少，无法消纳畜禽养殖所产生的粪便量。因此它的耕地负荷较大，污染较为严重。而襄阳市、黄冈市的耕地负荷小于鄂州市，这是因为该地区的耕地面积较大能消耗更多的畜禽粪便量。但是他们的畜禽绝对养殖数量较大，这也对环境存在一定的威胁。因此，应加强该地区畜禽粪便风险监督和管理，同时提高畜禽粪便的处理能力，以缓解因畜禽粪便超负荷所造成的环境污染。
2.2.2 总氮和总磷的耕地负荷
畜禽粪便中的氮、磷作为肥料施用于农田不仅能提高农作物产量，还能起到改良土壤和培肥地力的作用[23]，但过量施用会造成农作物减产与产品质量下降，同时会对农田和水体产生一定的污染[24]。2011年湖北省畜禽粪便总氮和总磷的产生量分别为62万t和9.6万t。由2012年的湖北省农村统计年鉴数据可知同年农用氮肥和磷肥施用量分别为159.1万t和65.4万t。畜禽粪便总氮、磷产生量分别占氮肥、磷肥施用量的38.3%和14.7%。因此，畜禽的粪便可以作为重要的农用资源进行还田利用，从而减少化肥的施用。
图6显示了湖北省各市单位面积总氮、总磷的分布情况。湖北省的总氮、总磷耕地负荷分别为 157.9 kg/hm2 /a、24.5 kg/hm2 /a，低于欧盟的限量标准(单位面积耕地总氮、总磷负荷为170 kg/hm2 /a和 35 kg/hm2 /a)。但是从各地(市)来看，鄂州市、黄冈市、襄阳市、宜昌市、恩施市和孝感市的总氮耕地负荷量已经超过170 kg/hm2 /a，其中鄂州市的总氮耕地负荷量严重超过限值，达256.4 kg/hm2 /a，污染程度较为严重。其次是黄冈市和襄阳市，分别为231.6 kg/hm2 /a、211.6 kg/hm2 /a。而超过总磷限值的地(市)有鄂州市、黄冈市、襄阳市和宜昌市。黄冈市为37.9 kg/hm2 /a，鄂州市为36.8 kg/hm2 /a，襄阳市为34.4 kg/hm2 /a，宜昌市为30.4 kg/hm2 /a。这些地区的耕地面积已经存在着不同程度的氮和磷的污染，因此需要控制畜禽粪便还田的量。尽管孝感市、恩施市、武汉市、随州市、十堰市和天门市的氮和磷的耕地负荷没有超过限值，但是也非常接近限值。同样也需要对这几个地区的粪便换田量进行控制。
2.2.3 环境容量的控制
利用不同畜禽粪便的氮、磷含量和单位猪的氮、磷产生量，将其他畜禽折算成猪当量，根据单位耕地面积对氮、磷的承载力，得出2011年湖北省17个地(市)畜禽养殖的环境容量和实际养殖总量。在评估耕地对畜禽粪便的氮、磷环境容量时应考虑化肥施用的影响，假定氮、磷养分全部来自畜禽粪便和50%来自畜禽粪便，估算各地区畜禽养殖环境容量，见表6。由于种植业保持高产的需要，50%比例与实际管理需求更为接近，对各地区控制畜禽养殖总量及合理调整养殖布局更具有参考价值[9]。并将50%环境容量和实际环境养殖量进行比较得到湖北省的污染风险指数(表6)。表中显示，以氮、磷为衡量标准，2011年湖北省的实际养殖总量分别为7 868.5万头猪当量、9 725.3万头猪当量，都超过畜禽50%环境容量(为4 599.5万头猪当量(N)，7 161.1万头猪当量(P))。只有荆州市的畜禽实际养殖量没有超过50%的环境容量。但鄂州市、黄石市和襄阳市的畜禽实际养殖数量已经远远超过环境容量。鄂州市的超出量最多，污染风险指数分别为2.9和2.2。其次是黄石市和襄阳市，风险指数都大于2。对于鄂州市和黄石市受畜禽养殖污染严重的原因主要是该市的耕地面积较小能消纳的畜禽粪便远远低于其养殖产生的粪便量，亟需强制实施总量控制措施并探索畜禽粪便循环利用模式，提高畜禽粪便综合利用效率。尽管襄阳市的耕地面积较大，但是其畜禽养殖总量较大，产生的粪便量较多，从而超出了耕地面积能消纳的范围。其他大部分的市区畜禽污染风险指数都超过了1，这对环境污染有一定的风险。因此，也应对这些地区实施畜禽养殖的总量控制和畜禽养殖污染消减措施。
3 讨论
本文通过估算2011年湖北省畜禽的粪便总量、COD、总N和总P产生量，发现畜禽粪便、 COD、总N和总P的主要来源均是牛和猪。这与湖北省畜牧业的内部结构以及生猪和牛的日排泄系数较大相关。“十一·五”以来，生猪产业是湖北省畜禽养殖业的第一大产业，牛在畜牧业中的比重也在不断加大[16]。就空间分布来看，湖北省畜禽粪便产生量主要分布在襄阳市、黄冈市和宜昌市，主要是这些地区的农业水平较高，对畜禽产品的需求量也较大，因此畜禽养殖业较为发达。畜禽粪便耕地负荷较高的地区主要分布在鄂州市、黄冈市、襄阳市和宜昌市。邓睿等人[25]对襄阳市境内汉江流域的水质进行了研究，发现汉江流域的水体受COD、氨氮的污染严重，其中主要来自于生活源的排放。熊佳等人[26]指出了宜昌市农村畜禽养殖业养殖规模大、发展快，但是畜禽产生的粪便对水体、空气、土壤影响较大。本研究中发现鄂州市、襄阳市和黄冈市的畜禽粪便耕地负荷的警报级别均为Ⅲ，宜昌市的为Ⅱ，这表明了这些地区的水体和农田存在较为严重的畜禽粪便的污染。
湖北省部分地区的畜禽粪便氮和磷的耕地负荷较高，有潜在的氮和磷的污染风险。李兆华等[27] 研究表明湖北省农村地区主要污染物是COD、总氮和总磷，其中畜禽养殖业占据了全省农村地区污染源58.5%的份额。近年来湖北省各地区的湖泊和水库都发生了不同程度的富营养化现象，研究表明水体中的污染物，68%来自于农村地区的面源污染，而畜禽养殖贡献最大[28, 29]。本文通过不同畜禽粪便的氮、磷含量和单位猪的氮、磷产生量，将其他畜禽折算成猪当量，发现2011年湖北省除了荆州市外，其他大部分市区的实际养殖数量都超过50%环境容量。可见，湖北省大部分地区的水体和农田受到较为严重的氮和磷的污染，其中一部分来自于畜禽粪便氮、磷产生量的污染。因此，亟待对畜禽养殖总量进行控制，同时重新整合现有的畜禽粪便污染处理技术，真正地实现畜禽粪便的肥料化、能源化利用，发展生态畜牧业，走可持续发展道路。不同养殖规模类型、粪尿资源化处理和利用现状将是我们下一步研究的重点。
目前国内对畜禽养殖污染的研究较多，但是并没有统一的畜禽粪便量和各类污染物产生量的计算方式，这导致所计算的结果存在一定的差异。同时，畜禽的饲养周期和各污染物的产排系数的确定也存在一定的差异。不同地区、不同种类的畜禽，在不同饲养方式条件下，其产排污系数和饲养周期都会发生变化。基于氮素的猪粪当量的转换系数研究的也比较多，本文是通过日排泄系数计算得来的，所得的结果与林源等[30]、张绪美等[18]的研究结果也存在差异。本文采用耿维等人[9]和朱建春等人[22]研究的方法，结果与其相似。尽管研究结果能够证明湖北省畜禽粪便产生量较大，污染较为严重，但是为了能够更好的评估与比较畜禽养殖污染情况，细化产排污系数的计算方法以及各畜禽计算参数的确定还有待于进一步研究。
4 结论
(1)2011年湖北省畜禽粪便总量为8 479.8万t，其中牛和猪产生的粪便量最多，分别为3 970.4万 t和3 447.1万t，两者的产生量占总量的87.4%，是湖北省畜禽面源污染的控制重点。
(2)全省畜禽粪便耕地负荷平均值为16.2 t/hm2 /a，警报值为0.54，分级级数为Ⅱ，表明湖北省畜禽粪便对环境构成污染的威胁为“稍有”。其中鄂州市受到的污染程度最大，耕地负荷达26.3 t/hm2 /a，警报值为0.88，是亟待进行畜禽养殖总量控制以及畜禽粪便污染治理的重点地区。
(3)湖北省总氮和总磷的耕地负荷平均值分别为157.9 kg/hm2 /a、24.5 kg/hm2 /a。尽管其平均值均小于欧盟的限量标准，但是大部分的市区总氮和总磷的耕地负荷都超过或非常接近氮和磷的施用限量标准。说明部分地区的氮磷污染较为严重。
(4)以氮、磷为衡量标准，2011年湖北省的实际养殖总量分别为 7 868.5 万头猪当量 (N) 、 9 725.3万头猪当量(P)，都超过畜禽50%环境容量 (为4 599.4万头猪当量，7 161.1万头猪当量)。除了荆州市外，其他大部分市区的实际养殖数量都超过50%环境容量。这说明湖北省大部分地区的畜禽粪便污染较为严重，须对这些地区实施畜禽养殖的总量控制和畜禽养殖污染消减措施。——论文作者：黄美玲1,2，夏 颖1,3，范先鹏1,3*，黄 敏2，吴茂前1,3，刘冬碧1,3，张富林1,3
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