江蘇省太湖地區畜禽業產排污測算

謝 飛，曹 磊，王 震，閔興華，趙言文

（南京農業大學 資源與環境科學學院，江蘇 南京210095）

近年來，我國非點源污染的負荷比重逐步上升。以水體污染為例，非點源污染已成為巢湖、太湖、滇池等重要湖泊水質惡化的主要原因之一［1］。據第一次全國污染源普查公報顯示，農業源是中國水環境污染物化學需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）的主要來源，一些地區河流、湖泊、地下水氮濃度超標嚴重［2－3］。江蘇太湖地區主要包括蘇州市、無錫市和常州市，人口密集、生態環境負荷重。畜禽養殖業在該地區經濟發展中具有一定地位，且逐漸呈現規模化趨勢。畜禽業排放的廢棄物如果在一定時空范圍內沒有足夠的土地將其消納，很容易對水體產生污染，導致富營養化［4］。因此，有效評估和控制畜禽糞便污染勢在必行。

關于區域畜禽糞便產生量估算和環境效應的研究，國內外已經有了相關報道。Mallin等［5］認為畜禽糞便是水生生態系統中氮和磷污染的主要來源；畜禽糞便對水、土壤和空氣的環境影響也有過相關研究［6］。張玉珍等［7］對九龍江流域畜禽糞便年產生量做了估算，并提出了相應的防治對策；閻波杰等［8］對北京大興區畜禽糞便量進行了估算，并進行了風險評價；高新昊等［9］通過分析山東省畜禽糞便污染情況，指出畜禽糞便是農業污染的3種主要污染源之一；宋大平等［10］針對安徽省畜禽糞便污染耕地、水體的現狀做了風險評價。這些研究所采用的數據大多來自統計年鑒或文獻中有關畜禽糞便的產污系數進行畜禽糞便產生量的估算，而基于典型規模化養殖場不同飼養時間不同飼養階段的產污測算，以及水體的等標排放量和等標污染指數的研究鮮有報道。因此，本研究在對太湖地區典型規模化養殖場及其污染物進行定點監測的基礎上，測算了江蘇省太湖地區2011年的畜禽業糞污產排量，并分析了污染物對水體的影響，以期為太湖流域農業面源污染的防治和畜禽業可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 監測對象

本研究選取位于常州市的新樂農牧有限公司養殖場設置典型監測點。該生豬養殖場存欄生豬3 000頭，出欄量6 000頭以上。清糞方式為干清，60%用于銷售，部分施用于養殖場的農田種植；污水采用沼氣工程處理，沼液用于農田澆灌，沼渣作為農田底肥施用。在飼養模式和糞污處理方式等方面，代表了蘇南地區規模化養豬場的養殖水平。因此，監測所得數據總體上可反映江蘇省太湖地區規模化養豬場的產排污基本情況。

1.2 樣品采集方法

（1）糞尿樣品采集。選取妊娠母豬（懷孕2個月左右）、育肥豬（約60kg）和保育豬（約25kg）這3個飼養階段的生豬作為試驗對象。在每個階段，隨機抽取1欄（10～15頭）進行糞尿收集采樣。采樣期間內，每日上午和下午分別收集豬只產生的糞便和尿液，分別稱量和記錄。糞便混合均勻后采用四分法取3個樣品，每個樣品約1kg，裝入自封樣品袋中。尿樣500ml裝于聚乙烯瓶。采集的糞尿樣品需進行加酸預處理，添加比例為每100g鮮糞添加20ml濃度為4.5mol／L H2SO4，每100ml尿樣添加2ml濃度為4.5mol／L H2SO4和4滴甲苯。預處理后送至分析檢測室分析。

（2）采樣頻率和時間。監測點為周年監測。從2011年2—12月，分不同季節，在2，4，8和12月對監測點進行連續3～5d的采樣監測，根據天氣狀況、養殖條件等實際狀況安排具體監測時間，并保證3d有效數據。

（3）測定指標和方法。糞便監測指標包括糞便量、含水率、有機質、全氮、全磷。

尿液監測指標包括尿液量、pH值、化學需氧量（CODCr）、全氮（TN）、全磷（TP）。各監測指標的測定方法詳見表1。

表1 監測指標、測定方法和標準

1.3 產污系數測算

產污系數的計算公式為：

式中：FPi，j，k——每頭動物的產污系數〔g／（頭·d）〕；QFi，j——第i種動物第j生產階段的糞產量〔kg／（頭·d）〕；CFi，j，k——第i種動物第j生產階段糞便中含第k種污染物的濃度（mg／kg）；QUi，j——第i種動物第j生產階段尿液產量〔L／（頭·d）〕；CUi，j，k——第i種動物第j生產階段尿中含第k種污染物的濃度（mg／L）。

采用Excel和SPASS軟件進行數據的統計與分析。

2 結果與分析

2.1 養殖場糞尿主要污染指標

經過周年監測，獲得的3種不同生長階段生豬糞尿主要污染指標（表2）。從表2可以看出，保育豬糞便含氮量最高為1.18%，與妊娠母豬和育肥豬差異顯著（p＜0.05）；妊娠母豬總磷含量最高為1.26%，育肥豬次之達1.18%，二者與保育豬間差異顯著（p＜0.05）；保育豬有機質含量最高，達17.78%，與育肥豬差異不顯著（p＞0.05），但是二者都與妊娠母豬間差異顯著（p＜0.05）。

尿液中總氮含量由大到小順序為：保育豬＞育肥豬＞妊娠母豬，保育豬與育肥豬和妊娠母豬間差異顯著（p＜0.05）；總磷含量保育豬最高為124.37mg／L，與育肥豬和妊娠母豬差異顯著（p＜0.05）；生豬尿液中的COD含量均在20 000mg／L以上，妊娠母豬與育肥豬間差異不顯著（p＞0.05）。

表2 生豬糞尿主要污染指標

2.2 養殖場的產污系數

依據產污系數公式，對周年數據進行統計分析，確定了養殖場糞尿污染物產污系數（表3）。產污系數與其它研究相比［11－12］略有不同，這是因為各個地區養殖的畜禽種類、品種、氣候、生長期、喂養飼料等存在差異［13］。

從表3可以看出，生豬不同生長階段糞尿污染物產生量不同，產污系數由高到低排序依次為：妊娠母豬＞育肥豬＞保育豬。雖然妊娠母豬糞尿污染物濃度低，但是糞尿產生量大，因此產生的污染物總量也多。從方差分析結果看，生豬各個階段之間的糞尿污染物產生量存在顯著性差異（p＜0.05）。因此，在選取產污系數時，不能以一個生長階段的糞尿污染物產生量來代替該種動物的產污系數，而是應該分階段測算以后，再根據飼養動物數量，計算獲得較為準確的畜禽污染物產生量。

表3 不同飼養階段豬的產污系數

2.3 畜禽糞尿對水體的污染分析

2.3.1 江蘇太湖地區畜禽糞便排放量 采用的數據來源于2011年的《常州市統計年鑒》、《蘇州市統計年鑒》以及《無錫市統計年鑒》中的畜禽養殖量和水資源總量等數據。根據《畜禽養殖業污染物排放標準（GB18596—2001）》，同時參考汪開英等［14］的研究結果，對不同畜禽種類折算為生豬當量。即2011年江蘇省太湖地區畜禽年末存、出欄量折算生豬當量為584.36萬頭（表4）。

由于牛和羊的生長期較長，將牛和羊的年末存欄量作為一年中穩定的飼養量；豬、家禽的飼養周期不足1a，所以將年末出欄量作為穩定的飼養量。在未考慮飼養周期的前提下，采用該計算方法：存／出欄量（頭／只）×日產污系數（kg／d）×365d。根據所得的產污系數估算2011年江蘇省太湖地區畜禽養殖業糞尿產量為1.93×107t。其中，TN為4.81×104t，TP為3.40×104t，COD為1.47×105t，有機質為5.01×105t。

表4 江蘇省太湖地區2011年各類畜禽年末飼養量

畜禽糞尿在清糞沖洗和堆置貯存過程中極易流失進入水體，但在不同區域、不同管理水平下畜禽糞尿的流失率有很大差異。張維理等［15］研究表明畜禽糞便污染物進入水體的流失率在2%～8%的范圍內，液體排泄物則可能會達到50%。太湖流域水系發達，降水充沛，同時參考孔源、段勇等［16－17］的研究結果，將畜禽糞尿進入水體流失率定為30%。據此計算，2011年江蘇省太湖地區畜禽養殖業共水體排放污染物TN，TP和COD共2.19×105t（表5），其中，COD最高，占到了總量的88.75%，TN和TP分別占總量的6.59%和4.66%。從區域角度看，各地區的畜禽糞污染物排放量也存在差異，常州市污染物排放量最高，達到9.88×104t，占江蘇省太湖地區污染物排放總量的45.14%。原因是常州地區畜禽養殖業較為發達，規模化畜禽養殖場較多，畜禽養殖數量大，畜禽污染物排放量自然也較多。蘇州市的畜禽污染物排放量最少，為5.32×104t，占總量的24.32%，這是因為蘇州市經濟較為發達，農業人口較少，畜禽養殖數量少，污染物排放量也相對較低。利用污染物擴散濃度可以表征農業面源污染對水環境的影響程度。2011年江蘇省太湖地區因畜禽養殖業向水體排放的TN，TP和COD濃度分別為1.46，1.03，19.62mg／L，其中常州市的3種污染物擴散濃度均超過地表水環境質量Ⅲ級標準（COD為20mg／L，TN為1mg／L，TP為0.2mg／L），TP的排放濃度更是遠高于0.2 mg／L。蘇州市和無錫市的TN和TP均超過地表水環境質量Ⅲ級標準。TN，TP，COD的擴散濃度均以常州市最高。

表5 畜禽糞便污染物排放量和擴散濃度

2.3.2 畜禽養殖業等標排放量與等標污染指數 等標污染負荷是污染評價中經常使用的評價指標，它主要反映污染源本身潛在的污染水平，采用等標污染負荷法對污染物進行評價，用污染物的排放量除以環境中污染物的限量標準，把污染物的排放量轉化為“把污染物全部稀釋到評價標準所需的介質量”。計算結果不但反映了污染物在量上對環境的影響，也反映了污染物在質上對環境的影響。統一轉化之后，使同一污染源所排放污染物之間、不同污染源之間在對環境的潛在影響上進行比較成為可能［18－19］。本研究采用此方法對畜禽養殖業污染負荷進行評價，評價因子選擇TN，TP和COD。

式中：Pi——i污染物的等標排放量（m3）；Ci——i污染物流失量（t／a）；C0——污染物按 GB3838—2002的Ⅲ類標準系列的閾濃度（COD為20mg／L，TN為1mg／L，TP為0.2mg／L）。

根據上述結果以及計算公式，計算得出各地區畜禽養殖業污染物等標排放量（表6）和等標污染指數（圖1）。2011年江蘇省太湖地區畜禽養殖業污染物等標排放總量達7.51×1010m3，TN，TP和COD分別占等標排放總量的19.20%，67.87%和12.93%，說明江蘇省太湖地區畜禽糞便對水環境的污染主要是TP，其次是TN和COD的污染。常州市的等標排放總量最高，達3.39×1010m3，說明常州市對畜禽污染物的排放貢獻最大。

2011年江蘇省太湖地區常州市、蘇州市、無錫市的等標污染指數分別為11.54，5.70和6.10，各地區等標污染指數存在差異。常州市等標污染指數最高，遠高于平均值7.78，這與常州市等標排放量最多，而水資源量最少也有關系。從圖1可以看出常州、蘇州、無錫3種污染物的等標污染指數最高為TP，其次為TN和COD，說明TP對水體的污染負荷最大，COD污染負荷最小。

參照《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》中相應水質分級標準，本研究中將等標污染指數劃分為5個等級：等標污染指數在0～5范圍為Ⅰ級，對水體無污染風險；5～10范圍為Ⅱ級，對環境稍有污染；10～15范圍為Ⅲ級，對環境有污染；15～20范圍為Ⅳ級，對環境污染較嚴重；20以上為Ⅴ級，對環境污染嚴重。由上述結果可知，2011年江蘇省太湖地區畜禽污染物對水體的污染程度在Ⅱ級的為蘇州市和無錫市；對水體的污染程度在Ⅲ級的為常州市。

表6 畜禽糞便污染物等標排放量

圖1 研究區畜禽糞便污染物等標污染指數

2.3.3 畜禽養殖業主要污染源 采用區域內污染源或污染物的等標污染負荷比可確定主要污染源和污染物。根據畜禽養殖業不同糞污排放源和污染物的等標污染負荷比（表7）可以看出，2011年江蘇太湖地區畜禽養殖業主要污染源依次是家禽、豬、牛和羊，其等標污染負荷比分別達到了49.52%，44.47%，5.01%和1.00%。雖然家禽的個體產污量不高，但是養殖數量卻是最高的，說明畜禽養殖業的污染物排放量不僅與養殖種類有關，還與飼養數量有關。畜禽養殖業最主要的污染物是TP，其等標污染負荷比達到了67.87%。

表7 畜禽養殖業等標污染負荷比

3 結論

（1）通過選取典型規模化養豬場進行定點監測，測算得出該養殖場的產污系數，以此測算畜禽養殖業糞污排放量，該方法有利于更準確的評估畜禽養殖業對水體污染的貢獻。試驗結果得出：妊娠母豬、育肥和保育3個飼養階段的全氮產污系數分別為每頭32.48，20.04 和 15.09g／（頭 ·d），全 磷 分 別 為24.64，15.25，7.91g／（頭·d），COD分別為119.26，54.08，33.22g／（頭·d），有機質分別為327.13，223.40，153.67g／（頭·d），產糞量分別為1.93，1.28，0.88kg／（頭·d），產尿量分別為5.60，2.43，1.45L／（頭·d）。

（2）2011年江蘇省太湖地區畜禽養殖業TN，TP，COD的排放量分別為1.44×104t，1.02×104t，1.94×105t，相應的等標排放量分別為1.44×1010m3，5.10×1010m3，9.71×109m3。因畜禽養殖業引起的TN，TP，COD擴散濃度分別為1.09～2.22mg／L，0.77～1.57mg／L，14.74～29.85mg／L，常州市的TN，TP，COD以及蘇州市和無錫市的TN和TP擴散濃度均超過地表水環境質量Ⅲ級標準。

（3）2011年江蘇省太湖地區畜禽養殖業污染物等標污染指數常州市、蘇州市、無錫市分別為11.54，5.70和6.10。因此造成的水體污染程度，蘇州市和無錫市為Ⅱ級，常州市為Ⅲ級。葉飛等［20］利用統計年鑒和相關數據估算了2002年江蘇省各地區畜禽糞便污染源等標污染指數，相比本研究結果，2011年常州市和無錫市等標污染指數分別升高155.31%和14.45%，蘇州市等標污染指數降低19.31%。說明常州市和無錫市的畜禽污染程度是增加的，尤其是常州市對水體污染程度較高；蘇州市雖有降低，但對水體仍然存在污染。

（4）2011年江蘇省太湖地區畜禽養殖業最主要的污染物來源是家禽和豬，其貢獻率分別為49.52%和44.47%，因此，應加強對家禽和豬的糞尿污染物控制。主要污染物是TP，其貢獻率為67.87%。宋大平等［10］研究表明安徽省畜禽糞便對水體的主要污染物為TP，與本研究結果一致，說明P素對水環境的污染應該引起重視。

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