清江流域畜禽養殖污染負荷研究*

陳紹華 李 哲 吳逸雪 杜冬云

(中南民族大學資源與環境學院，湖北省重金屬廢水處理與回用工程技術研究中心，湖北 武漢 430074)

隨著畜禽養殖業的迅猛發展，畜禽養殖帶來的污染已成為中國農村面源污染的主要來源[1]。在一些地區，畜禽糞尿污染已超過居民生活、農用化肥、鄉鎮工業和餐飲業對環境的影響。目前，中國畜禽糞尿年排放量超過40億t，是工業有機污染物的4.1倍[2]。畜禽糞尿最有效、最主要的處理處置方式是作為有機肥還田，但是過量施用畜禽糞尿會引起水體、土壤污染等一系列環境問題[3-4]。中央政府高度重視，提出要全面推進畜禽養殖污染防治，并將開展規模化畜禽養殖污染減排納入國家“十二五”重點規劃[5]。畜禽養殖污染是造成許多重要水源地、江、河、湖嚴重污染的主要原因之一，已成為中國水源的主要污染威脅[6]。

關于區域畜禽糞尿排放量估算和環境效應的研究，國內外已有了相關報道。張玉珍等[7]對九龍江流域畜禽糞尿年排放量做了估算，并提出了相應的防治對策。謝飛等[8]對江蘇省太湖地區畜禽業產排污進行了測算，分析了污染物對水體的影響。朱梅等[9]建立畜禽養殖輸出系數模型，對海河流域畜禽養殖污染負荷進行了研究。王方浩等[10]等通過對畜禽糞尿年排放量的估算方法和畜禽糞尿排泄參數的確定，估算了中國畜禽養殖業糞尿排放量，并對由此產生的環境效應進行了評價。目前，還沒有關于畜禽養殖業對清江流域耕地和水環境污染負荷的系統研究。為此，本研究以保護清江流域水環境、維系清江水資源為主要目的，分析和評價清江流域畜禽養殖業對耕地和水環境的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域為清江流域。清江是湖北省境內第二大長江支流，發源于湖北省利川市之齊岳山，流經利川市、咸豐縣、恩施市、宣恩縣、建始縣、巴東縣、鶴峰縣、五峰縣、長陽縣、宜都市等10個縣市。清江流域是經濟欠發達地區，2013年流域人口308萬人，其中82%的居民主要從事農業生產，是一個典型的農業地區和畜禽養殖業大區，養殖業在農業經濟中占有重要的地位。近年來，清江流域各縣市積極推進標準化適度規模養殖，2012年恩施市家庭農(牧)場達20 000個，有部、省、縣標準化規模養殖示范場近5 000個，其中恩施市、利川市、建始縣、巴東縣、咸豐縣、長陽縣和宜都市已成為國家生豬調出大縣市。

清江流域的畜禽養殖業大多都沒有建立糞污處理設施，多數污染物均直接或間接地沖刷進入地表水環境，使得清江流域的水環境遭到了破壞，局部水體富營養化和主要污染物指標超標現象嚴重，對人們的生產生活造成了越來越大的影響，畜禽養殖污染已成為清江流域最突出的環境問題。

1.2 基礎數據

畜禽養殖數據來源于《湖北統計年鑒》。清江流域范圍內畜禽養殖主要是生豬、牛、羊和家禽4種，本研究也主要考慮這4種畜禽養殖糞尿對環境的影響。

1.3 計算方法

1.3.1 畜禽飼養周期

根據國家環保總局公布的畜禽飼養周期數據[11]以及文獻[12、13]，并結合在清江流域大量的實地調研，確定各種畜禽飼養周期。生豬飼養周期為199 d；牛和羊飼養周期較長，一般飼養周期按全年365 d計；家禽中蛋禽與肉禽的生長周期有較大差異，因此兩者需要分開計算，一般肉禽占2/3，蛋禽占1/3，肉、蛋禽飼養周期一般分別為55、365 d。

1.3.2 畜禽糞尿排泄系數

畜禽糞尿排泄系數與動物種類、品種、性別、生長期、飼料、天氣狀況等有關，中國目前尚無相應的國家標準，本研究主要通過國內同類研究[14]和對清江流域內各類養殖場實地調查，得出各類畜禽糞尿排泄系數，結果如表1所示。

表1 各類畜禽糞尿排泄系數

1.3.3 畜禽糞尿排放量

畜禽糞尿排放量的計算目前主要有兩種[15]：一種是把各種畜禽的年末存欄量視為一個相對穩定的飼養量，采用式(1)計算；另一種是將各種畜禽的年出欄量視為飼養總量，采用式(2)計算。本研究主要采用式(2)計算清江流域畜禽糞尿排放量。

y=x1×x2×365

(1)

y=x3×x2×x4

(2)

式中：y為畜禽糞尿排放量，kg/a；x1為年末存欄量；x2為畜禽糞尿排泄系數，kg/d；x3為年出欄量，a-1；x4為飼養周期，d。

1.3.4 耕地畜禽糞尿負荷量

目前，國外許多發達國家將農田耕地作為畜禽糞尿養分消化場所，清江流域畜禽糞尿處理處置的出路也主要作有機肥還田。不同類型糞尿，其肥效養分差異較大，根據各類畜禽糞尿的含氮量，將各種畜禽糞尿統一換算成豬糞當量。因此，以當年有效農田耕地面積作為實際的負載面積來計算耕地畜禽糞尿負荷量，公式為：

(3)

式中：q為耕地畜禽糞尿負荷量，t/hm2；Q為各類畜禽糞尿相當的豬糞當量，t；S為有效耕地面積，hm2；X為某類畜禽糞尿排放量，t；T為某類畜禽糞尿換算成豬糞當量的換算系數。

畜禽糞尿作為農業生產的肥料還田使用，如果糞肥供給的養分超出當地農作物達到目標產量所需會使周邊水體受到污染。一般認為，每公頃土地能夠負荷的畜禽糞尿在30～45 t左右[16]，如果高出這一水平，就會帶來土壤的富營養化，對環境產生影響。預警值的計算公式為：

(4)

式中：R為預警值；P為最大理論適用量，t/hm2，本研究取P=37.5 t/hm2。

1.3.5 污染物排放量

污染物排放量以式(5)計算。

A=y×D×10-3

(5)

式中：A為糞尿中污染物排放量，kg/a；D為糞尿中污染物平均質量濃度，kg/t，糞尿換算成鮮糞尿計。

1.3.6 污染物對水體污染的評價

畜禽糞尿堆放及清糞沖洗極易使其中的污染物流失進入水體中，為了弄清畜禽養殖污染物對水體的影響，引入等標排放量的評價方法，它主要反映污染源本身潛在的污染水平。采用等標排放量法對污染物進行評價，不僅可反映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。統一轉化后，可使同一污染源所排放污染物、不同污染源對環境的潛在影響進行定量比較。本研究選用COD、BOD5、氨氮、TN和TP作為評價因子，計算公式[17]如下：

(6)

式中：Pi為等標排放量，即將一定數量污染物i稀釋至評價標準的濃度所需純凈水的量，m3/a；ci為污染物i流失量，t/a；c0為流域環境質量標準中污染物i的閥質量濃度，mg/L，本研究采用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅱ類標準限值，即BOD5、COD、氨氮、TP、TN分別為3、15、0.5、0.1、0.5 mg/L。

2 結果與分析

2.1 清江流域畜禽糞尿排放量

清江流域畜禽糞尿排放量在2008—2014年隨畜禽養殖總量的增長而不斷增長，各縣市的年增長率在3.10%～4.21%。為了分析最近畜禽養殖業對流域環境的影響，本研究主要利用2014年統計數據來計算其畜禽糞尿排放量，結果見表2。

從表2可以看出，畜禽糞尿排放量最大的是恩施市，為1 945 306 t/a，緊隨其后的是宜都市和長陽縣，分別為1 799 059、1 722 368 t/a。這3個縣市糞尿排放量分別占清江流域糞尿排放總量的14.68%、13.58%、13.00%。畜禽糞尿排放量最小的3個縣市分別為五峰縣、鶴峰縣和宣恩縣，這3個縣市糞尿排放量總和僅占清江流域糞尿排放總量的16.70%。清江流域各類畜禽中糞尿排放量最大的是豬，其糞尿排放量占清江流域糞尿排放總量的61.97%，其次是羊和牛，糞尿排放量最小的是家禽，僅占清江流域糞尿排放總量的3.22%。

2.2 清江流域耕地畜禽糞尿負荷量

各類畜禽糞尿豬糞當量換算系數如表3[13]所示。農田對畜禽糞尿承受程度的預警值見表4。

表2 2014年清江流域畜禽糞尿排放量

表3 各類畜禽糞尿豬糞當量換算系數

表4 農田對畜禽糞尿承受程度的預警值

表5 清江流域耕地畜禽糞尿負荷的預警值及級別

表6 畜禽糞尿中污染物平均質量濃度及進入水體的流失率

經計算，得到清江流域畜禽糞尿負荷的預警值，同時結合表4，得到相對應的級別，結果見表5。

由表5可知，清江流域豬糞當量高達1 314.03×104t，耕地畜禽糞尿負荷量為29.37 t/hm2，預警值為0.78，說明清江流域畜禽養殖對整個流域的環境已有一定的影響。在各縣市中對當地環境“無影響”的是利川市(q=14.20 t/hm2，R=0.38)，主要是利川市的耕地面積較大導致耕地畜禽糞尿負荷量相對較小，目前對環境的威脅不大，但是由于其畜禽糞尿排放量仍舊較大(見表2)，因此環境預防工作不能忽視。對當地環境“稍有影響”的是咸豐縣(q=21.12 t/hm2，R=0.56)、宣恩縣(q=21.71 t/hm2，R=0.58)和恩施市(q=23.50 t/hm2，R=0.63)。對當地環境“有影響”的是五峰縣(q=30.22 t/hm2，R=0.81)、鶴峰縣(q=32.79 t/hm2，R=0.87)、建始縣(q=36.13 t/hm2，R=0.96)和巴東縣(q=37.08 t/hm2，R=0.99)，其中建始縣和巴東縣畜禽養殖對環境已接近“較嚴重影響”的狀態，因此在今后環境控制中應該特別引起重視。對當地環境影響“較嚴重”的是長陽縣(q=39.28 t/hm2，R=1.05)。對當地環境影響“很嚴重”的是宜都市，其豬糞當量高達203.05×104t，再加上宜都市的耕地面積相對較小，使得其耕地畜禽糞尿負荷量高達128.51 t/hm2，是全國耕地平均負荷(24.00 t/hm2)[18]的5.35倍，預警值為3.43，因此宜都市的畜禽養殖在今后必須引起足夠的重視，要加強對畜禽糞尿的合理處置，防止環境的進一步惡化。

2.3 污染物對水體的污染

根據相關研究確定畜禽糞尿排放量(見表2)和畜禽糞尿中污染物平均質量濃度(見表6[19])，可計算得出2014年清江流域各種污染物排放量(見表7)。由表7可知，2014年清江流域因畜禽養殖排放BOD5277 274.11 t、COD 294 173.10 t、氨氮25 432.30 t、TP 24 287.07 t和TN 77 380.69 t。在10個縣市中，恩施市污染物排放總量最大，為110 384.90 t，占清江流域污染物排放總量的15.80%；五峰縣污染物排放總量最小，為29 606.85 t，僅占清江流域污染物排放總量的4.24%。

表7 2014年清江流域各污染物排放量

表8 2014年清江流域畜禽糞尿污染物進入水體的流失量

畜禽糞尿隨地表徑流流失，會對水體環境造成嚴重污染，國內對不同畜禽各種污染物流失率做過相關研究(見表6)。由2014年清江流域各污染物排放量和各污染物流失率，可計算得出2014年清江流域畜禽糞尿污染物進入水體的流失量，結果如表8所示。

由表8可知，2014年清江流域畜禽糞尿污染物進入水體的流失量從大到小依次為COD(40 505.03 t/a)、BOD5(30 322.11 t/a)、TN(19 541.30 t/a)、氨氮(5 644.17 t/a)、TP(3 373.90 t/a)。5種污染物進入水體的流失總量最大的是恩施市，為15 385.75 t/a，占清江流域流失總量的15.48%，緊隨其后的是宜都市(12 938.48 t/a，占13.02%)和利川市(12 743.14 t/a，占12.82%)，流失總量最小的是五峰縣，為4 349.55 t/a，僅占全流域流失總量的4.38%。巨大的污染物流失量勢必對清江流域水源造成嚴重威脅，因此必須合理處置畜禽養殖糞尿以減少污染物的流失量，降低對水體污染的潛在威脅。

不同畜禽糞尿進入清江流域的等標排放量以及等標排放率如表9所示。

由表9可以看出，對BOD5、COD和氨氮貢獻最大的是恩施市，而對TP、TN貢獻最大的是長陽縣。各縣市等標排放量最大的是長陽縣，為14 489.21 m3/a，等標排放率是14.95%，說明長陽縣對畜禽污染物的排放貢獻最大。之后依次為宜都市、恩施市、利川市、巴東縣、建始縣、咸豐縣、宣恩縣、鶴峰縣和五峰縣，等標排放率分別為14.24%、13.96%、11.65%、10.94%、10.40%、7.40%、6.97%、5.01%和4.48%。

各種污染物中對水體污染貢獻最大的是TN，等標排放率為40.33%，之后依次為TP、氨氮、BOD5和COD，等標排放率分別為34.81%、11.65%、10.43%、2.79%。因此，清江流域畜禽糞尿中TN和TP是水體污染的主要因子，由此必然會造成清江流域水體富營養化程度的加深。

清江流域各類畜禽養殖中對水體污染最大的是生豬，生豬養殖對水體污染的貢獻為56.19%；其次是牛和羊；家禽養殖對水體污染最小，其貢獻僅為3.68%。而TN和TP是清江流域水體污染的主要因子，而生豬養殖對TN和TP污染的貢獻分別為55.28%和46.47%。各類畜禽糞尿排放量的大小順序為豬>羊>牛>家禽(見表2)，而各類畜禽養殖對水體污染貢獻的大小順序是豬>牛>羊>家禽。

表9 不同畜禽糞尿進入清江流域的等標排放量和等標排放率

3 結 論

(1) 清江流域豬糞當量高達1 314.03×104t，耕地畜禽糞尿負荷量為29.37 t/hm2，預警值為0.78，清江流域畜禽養殖對整個流域的環境已有一定的影響。宜都市預警值高達3.43，呈現“很嚴重”的影響；長陽縣、建始縣和巴東縣的畜禽糞尿對當地環境已經或接近呈現“較嚴重”影響狀態。在整個清江流域，僅有利川市呈現“無影響”的狀態。

(2) 2014年清江流域畜禽糞尿污染物進入水體的流失量從大到小依次為COD(40 505.03 t/a)、BOD5(30 322.11 t/a)、TN(19 541.30 t/a)、氨氮(5 644.17 t/a)、TP(3 373.90 t/a)。5種污染物進入水體的流失總量最大的是恩施市，為15 385.75 t/a，占清江流域流失總量的15.48%，緊隨其后的是宜都市(12 938.48 t/a，占13.02%)和利川市(12 743.14 t/a，占12.82%)，流失總量最小的是五峰縣，為4 349.55 t/a，僅占全流域流失總量的4.38%。

(3) 各縣市等標排放量最大的是長陽縣，為14 489.21 m3/a，等標排放率是14.95%，之后依次為宜都市、恩施市、利川市、巴東縣、建始縣、咸豐縣、宣恩縣、鶴峰縣和五峰縣，等標排放率分別為14.24%、13.96%、11.65%、10.94%、10.40%、7.40%、6.97%、5.01%和4.48%。

(4) 各種污染物中對水體污染貢獻最大的是TN，等標排放率為40.33%，之后依次為TP、氨氮、BOD5和COD，等標排放率分別為34.81%、11.65%、10.43%、2.79%。

(5) 清江流域各類畜禽養殖中對水體污染最大的是生豬，生豬養殖對水體污染的貢獻為56.19%；家禽養殖對水體污染最小，其貢獻僅為3.68%。而TN和TP是清江流域水體污染的主要因子，而生豬養殖對TN和TP污染的貢獻分別為55.28%和46.47%。

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