陜西省養殖業畜禽糞便氮磷耕地負荷的時空分布

易 秀, 陳生婧, 田 浩

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054)

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陜西省養殖業畜禽糞便氮磷耕地負荷的時空分布

易 秀1,2, 陳生婧1, 田 浩1

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054)

摘要：[目的] 探明畜禽糞便資源對耕地土壤和環境造成的潛在污染風險,為評價和防治畜禽養殖業造成的面源污染提供科學依據。[方法] 以陜西省為研究區,通過計算陜西省畜禽糞便中氮磷耕地負荷,分析了其時空變化特征。[結果] (1) 陜西省各市區畜禽糞便氮磷耕地負荷從2006—2007年達到最大,到2008年急劇下降為最低,之后逐年增加。2008—2010年,氮負荷平均值增加了73.0%,磷負荷增加了59.4%;2008—2010年,延安、渭南兩市畜禽糞便氮磷耕地負荷雖然居于全省最后,但增長率最快。(2) 對比2008年和2010年的畜禽糞便氮磷耕地負荷空間分布變化,漢中市氮磷耕地負荷最大,延安市和渭南市最小。2010年各市畜禽糞便氮負荷平均值依次為:漢中>安康>榆林>寶雞>咸陽>商洛>銅川>西安>延安>渭南;磷耕地負荷平均值依次為：漢中>商洛>寶雞>榆林>咸陽>西安>安康>銅川>延安>渭南。[結論] 針對陜西省畜禽糞便氮磷耕地負荷的時間、空間分布變化,應加大漢中、安康、商洛、寶雞、榆林等區域畜禽糞便的處理力度,降低畜禽糞便造成水土資源污染的風險。

關鍵詞：畜禽糞便; 氮磷耕地負荷; 時空變化; 氮磷污染風險

文獻參數： 易秀, 陳生婧, 田浩.陜西省養殖業畜禽糞便氮磷耕地負荷的時空分布[J].水土保持通報，2016,36(3)：235-240.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.040

畜禽養殖業的迅猛發展，促進了農村經濟繁榮,豐富了城鄉居民的“菜籃子”。畜禽養殖在提供大量肉食產品的同時,也為農作物生產提供了大量有機肥。但由于大部分養殖場未能對畜禽糞便進行有效的處理和利用，因此畜禽養殖產生的污染已經成為中國農村地區的主要污染源[1-7]。畜禽糞便排放量、農地畜禽糞便承載量、畜禽糞便對環境的污染以及畜禽糞便管理等問題越來越引起國內外學者的重視[8-14]。

目前在畜禽養殖排放物中，氮、磷元素的排放和流失嚴重影響土壤資源污染的程度，并通過徑流、淋溶等作用危及地表水和地下水，從而進一步造成水資源的短缺[15-17]。1978—2011年，中國畜禽糞便的產生量和化學需氧量COD(chemical oxygen demand)含量分別增加了1.35和0.91倍，至2011年分別達25.45和2.33×108t，畜禽糞便氮、磷產生量也均呈上升趨勢，分別增加了1.39和1.66倍[16]。2010年畜禽養殖業的化學需氧量、氨氮排放量占全國排放總量的比例分別為45%和25%，分別為當年工業源排放量的3.23和2.30倍[18]。

這一問題在歐美等發達國家已引起了高度重視，并制定了相應的法律法規對畜禽污染進行控制。如歐盟的硝酸鹽法規中明確規定了糞尿肥氮投入量不能超過170 kg/hm2的限制[19]。中國還沒有全國性的單位面積耕地土壤畜禽糞便氮、磷養分限量標準。為了探明畜禽糞便對耕地土壤的污染風險，本文擬以陜西省為研究區，通過計算陜西省畜禽糞便單位面積氮、磷耕地負荷，分析其時空變化特征，闡明陜西省畜禽糞便資源對環境的潛在污染，從而為評價和防治陜西省畜禽養殖業造成的面源污染提供科學依據。

1研究區概況

陜西省位于中國西北地區東部的黃河中游，東經105°29′—110°15′，北緯31°42′—39°35′之間，60%的面積屬于黃河流域，土地總面積2.06×105km2，占全國土地總面積的2.145%。陜西境內山塬起伏，河川縱橫，地形復雜。以北山和秦嶺為界，全省可分為陜北高原、關中平原和秦巴山地3大地貌區。

陜西省畜牧業發展迅速，初步形成了陜南生豬產業帶、關中奶畜產業帶、陜北肉羊產業帶。2009年，陜西省啟動的百萬頭生豬大縣工程是推動生豬產業規?；藴驶l展的一個重要舉措。2010年陜西省投資1.2億元新建的奶牛中心以及很多企業投資新建的大型生豬養殖、肉牛養殖場成為行業龍頭，這些養殖場已成為陜西省畜牧養殖規模化、集約化、標準化的標志。目前陜西生豬和奶牛的規?；B殖率已達62%和50%。

2陜西省畜禽糞便氮磷耕地負荷計算

本文以陜西省現有10個市所轄地區的豬、牛、羊、家禽、兔為研究對象，以各市為單元，估算2006—2010年豬、牛、羊、家禽、兔的糞便排放量、豬糞當量負荷及其有機污染物含量[20]。

2.1數據來源

陜西省各市的耕地面積數據來自陜西省統計年鑒；各市畜禽養殖基礎數據來自各市的統計年鑒和農業部門的統計數據。收集的數據包括生豬、牛(區分肉牛和奶牛)、羊、家禽和兔的年末存欄數、當年出欄數2部分。

2.2畜禽糞便中氮磷含量計算

畜禽糞便中氮磷含量[20-21]的計算公式如下：

M=Q×c

(1)

式中：M——畜禽糞便中氮或磷含量(kg)；Q——各類畜禽糞便排放量(t)；c——各類畜禽糞便中氮或磷含量(kg/t)。

2.3畜禽糞便氮磷耕地負荷計算

目前，中國畜禽糞便處理主要是作為肥料直接還田，國外許多發達國家也將農田作為畜禽糞便的負載場所[22]。所以，計算農田畜禽糞便氮磷負荷時以有效農田耕地面積為實際負載面積。

畜禽糞便中氮磷耕地負荷計算公式如下：

q=M/S

(2)

式中：q——畜禽糞便中氮或磷負荷量(kg/hm2)；M——畜禽糞便中氮或磷含量(kg)；S——陜西省各市區計算年份有效耕地面積(hm2)。

3結果分析

3.1畜禽糞便氮磷耕地負荷空間變化分級方法

農業耕地是畜禽氮磷消納的主要場地，深入分析單位耕地面積的氮磷污染負荷更能客觀反映畜禽養殖的污染風險[23]。畜禽糞便氮磷年施用量與土壤質地、肥力、元素自身的性質、氣候等自然條件有關。本研究中畜禽糞便氮磷耕地負荷空間分布用等分法將其分為5級，此方法被稱作自然分裂法[24]。采取這種等分法，主要考慮目前全國沒有統一的農耕地畜禽糞便氮磷施入量限制標準，陜西省的畜牧業發展水平和養殖業污染情況與其他地區不一樣，各有特點。若按全國其他省份標準劃分，可能得出陜西省不存在污染或污染很嚴重的結論，同時也不容易看出陜西省2006—2010年的污染變化程度。

3.2陜西省畜禽糞便氮素耕地負荷的時空變化

3.2.1陜西省畜禽糞便氮素耕地負荷的時間變化陜西省畜禽養殖以家禽、豬、羊、牛、兔為主，根據畜禽糞便日排泄量、飼養期，按糞便排放量，得出陜西省各類畜禽糞便產生量(表1)[20]。

表1　陜西省各類畜禽糞便產生量　104 t

從表1可以看出，陜西省各類畜禽糞便產生量在2008年中處于低谷，之后呈現快速增長的趨勢。畜禽糞便產生量多少主要是由飼養量的多少來衡量的。兔的糞便產生量變化不大，豬、牛、羊、家禽變化較大。2010年豬、牛、羊、家禽、兔糞便產生量總量為5.79×107t，各類畜禽較2008年分別增長39.9%，119.7%，37.5%，25.8%，13.2%，與其他學者研究結果基本一致[4]；各類畜禽中豬、牛的年糞尿產生量最大，占全部年糞尿總量的75%以上。按年糞便產生量多少排序，依次為：牛>羊>豬>家禽>兔。

畜禽糞便氮耕地負荷的大小與畜禽糞便產生量、糞便種類和計算年份的有效耕地面積有關。2006—2010年全省在有效耕地面積基本保持穩定的情況下，陜西省畜禽糞便氮耕地負荷的大小主要與當年畜禽糞便量有關。從陜西省畜禽糞便氮耕地負荷年際變化(圖1)可以看出，各市區畜禽糞便氮耕地負荷從2006—2007年達到最大，2007年平均值為116.8 kg/hm2，到2008年急劇下降為最低，平均值57.8 kg/hm2，主要原因是畜禽養殖數量下降，之后又逐年增加，雖未及2007年水平，但2008—2010年，全省畜禽糞便氮負荷平均值由57.8 kg/hm2增至100.0 kg/hm2，增加了73.0%；2006—2010年，各市畜禽糞便氮耕地負荷的變異系數在17.9%～47.2%，銅川市最大，安康市最小。其中銅川市畜禽糞便氮耕地負荷由150.0 kg/hm2增加至167.0 kg/hm2，到2010年又降至87.0 kg/hm2；2008—2010年，延安、渭南兩市畜禽糞便氮耕地負荷增長幅度最大。2010年，兩市的畜禽糞便氮耕地負荷分別為72.4，53.3 kg/hm2，各自分別是2008年的1.91和1.17倍；2009年陜西省各市區氮耕地負荷在49.5～135.4 kg/hm2之間，平均值為90.6 kg/hm2，與其他學者的統計結果基本一致，而2009年全國的平均單位耕地面積氮污染負荷已達到138.36 kg/hm2[23]。

中國目前還沒有全國性的單位面積耕地土壤畜禽糞便氮、磷養分限量標準，根據歐盟制訂的農田有機肥氮的限制標準(170 kg/hm2)[19]，2006—2010年陜西省各市畜禽糞便氮負荷都未超出這一限值，但整體都有增加趨勢，考慮到各市的畜禽糞便直接還田施用，可以認為畜禽糞便氮素已對全省的耕地產生了環境影響。

3.2.2陜西省畜禽養殖糞便氮耕地負荷的空間變化通過對比陜西省畜禽養殖糞便氮耕地負荷的空間變化(圖2)可以發現，全省氮耕地負荷平均值2010年比2008年整體有所增加，增幅73.0%。各地區的空間分布格局為，2008年，漢中市的畜禽糞便氮耕地負荷最大，延安市和渭南市最小。主要原因是漢中市城市建設及經濟發展速度很快，并輻射至周邊地區，使農用地面積大幅度減少，消納畜禽養殖廢棄物的負載場相對減少，導致漢中市畜禽糞便氮素負荷量的增加，同時帶動鄰近安康等市區的經濟發展，氮耕地負荷也有提高；延安市由于經濟發展水平等原因，限制了畜禽養殖業的發展，導致該市畜禽糞便氮素負荷量增加緩慢；渭南市以飼養奶牛為主，牛的排泄物中氮素含量較低，因此，渭南市氮素的耕地負荷較低。從2010年的畜禽糞便氮耕地負荷空間分布圖可以看出，漢中市的畜禽糞便氮耕地負荷仍然保持最大，達到142.0 kg/hm2，毗鄰的安康市和陜北的榆林市氮耕地負荷也較大，與漢中市處于同一等級范圍；除西安、銅川、渭南、延安、商洛5市外，其他各市均超過了陜西省畜禽糞便氮耕地負荷平均值(94.0 kg/hm2)，各市氮耕地負荷由大到小依次為：漢中>安康>榆林>寶雞>咸陽>商洛>銅川>西安>延安>渭南。

圖2　　　　2008年和2010年陜西省畜禽

3.3陜西省畜禽養殖糞便磷耕地負荷時空變化

畜禽糞便中磷素的流失途徑主要包括糞肥還田、露天堆放和貯存中被雨水沖刷淋失、飼養圈舍清洗過程中的沖洗水等。由于畜禽養殖的發展模式造成養殖專業戶集中于某些區域，畜禽養殖糞便與農田的距離不斷拉大，再加上城鎮化發展建設用地，使得可有效消納畜禽廢棄物的農田面積不斷減少，大部分畜禽糞便集中在養殖場附近有限的農田，導致土壤中大量磷素累積。

3.3.1陜西省畜禽養殖糞便磷耕地負荷時間變化從2006—2010年陜西省畜禽糞便磷耕地負荷時間變化趨勢圖可以看出，與氮耕地負荷變化基本一致(圖3)，全省畜禽糞便磷耕地負荷平均值2008年最低，為27.1 kg/hm2，2007年最高，為49.4 kg/hm2；2006—2010年，各市區畜禽糞便磷耕地負荷年際變化變異系數在14.7%～40.5%之間，銅川變化最大，2007—2008年磷耕地負荷由55.1 kg/hm2降到19.3 kg/hm2，下降了65.0%，2010年與2008年相比又增長了76.7%；2008—2010年，延安、渭南兩市畜禽糞便磷耕地負荷呈快速增長的態勢。2010年，兩市的畜禽糞便磷耕地負荷分別為30.8，26.0 kg/hm2，分別是2008年的1.46和0.93倍，其他各市區畜禽糞便磷耕地負荷增長幅度不大。

圖3　陜西省各市畜禽糞便磷耕地負荷年變化

3.3.2陜西省畜禽養殖糞便磷耕地負荷空間變化對比2008和2010年陜西省畜禽糞便磷耕地負荷空間分布圖可看出(圖4)，全省畜禽糞便磷耕地負荷均呈現增長的趨勢，平均增加了59.4%。從區域分布上看，2008年畜禽糞便磷耕地負荷漢中市最高，為50.3 kg/hm2，渭南最低，為13.5 kg/hm2；2010年畜禽糞便磷耕地負荷漢中仍然保持最高，為76.0 kg/hm2，渭南最低，為26.0 kg/hm2。這是因為漢中市以飼養豬、家禽為主，豬、家禽糞便中磷含量較高，對畜禽糞便磷耕地負荷貢獻率最大[20]。一般認為土壤中畜禽糞便年施磷量(P2O5)不能超過80 kg/hm2(約含純P為35 kg/hm2)[25]，過量的磷素會通過土壤的淋洗而進入地表徑流造成水體的富營養化。參考這一限值，2008年陜西省只有漢中市超標，到2010年，陜西省畜禽糞便磷耕地負荷平均值高達44.7 kg/hm2，除了銅川、延安和渭南3市外，其他市全部超出上述磷的限值。各市磷耕地負荷由大到小依次為：漢中>商洛>寶雞>榆林>咸陽>西安>安康>銅川>延安>渭南。因此，陜西省畜禽糞便中磷素已經對環境構成威脅，應加大力度采取相應的措施，防止畜禽糞便中磷素對環境的污染。

圖4　　　　2008年和2010年陜西省畜禽

4討論與結論

4.1討 論

從陜西省畜禽糞便氮磷耕地負荷在2006—2010年各地區的分布變化看出，氮素雖然未超出歐盟制訂的農田有機肥氮的限制標準，但整體上都有增加趨勢，而磷素到2010年，除了銅川、延安和渭南3市外，其他市全部超出畜禽糞便磷素養分施用量限值，因此畜禽糞便磷素引起的農業面源污染風險不可忽視。建議有關部門應及時調整畜牧業生產布局，同時加大漢中、安康、商洛、寶雞、榆林等區域畜禽糞便的處理力度。陜西畜禽糞便的資源化利用率較低，規模養殖場畜禽糞便的無害化處理率不足20%，散養農戶大多采取棄置和傳統堆肥等方式，存在環境隱患[26]。因而針對規?；B殖大戶和散養農戶要分別制定畜禽糞便資源化、無害化處理的不同技術策略；從技術和區域公平等角度出發，建立長效管理機制和價格稅收等經濟杠桿的調節機制，應適當提高畜產品價格，或者向畜牧業產品的主要消費地區征收一定的環保稅，解決畜禽污染治理的區域不平衡問題。通過技術和政策兩方面引導，降低畜禽糞便造成水土資源污染的風險。

本文在沒有考慮氮、磷養分累積的情況下，計算出陜西省各市年畜禽糞便氮磷耕地負荷已接近或超過相關的標準限值。但在實際生產中，土壤—農作物系統對畜禽糞便養分消納能力較低，82%的農田處于中下水平，另外氮磷在土壤中利用率較低，長期將大量的畜禽糞便作為肥料施入農田土壤中，必然導致土壤中氮磷的高度富集，對土壤環境及地表水體造成嚴重污染。

本研究是從全省各市的畜禽糞便產生量相對有效耕地面積來進行分析，實際上對于每一個地區，畜禽養殖業的分布相對比較集中，這樣導致畜禽糞便產生量也相對集中，加之農村勞動力缺乏，畜禽糞便很難大面積和遠距離的被土地利用，使得在養殖業集中的地區，單位面積土地的畜禽糞便氮磷負荷比理論統計值更大，可能遠遠超過土地的消納能力，其環境污染風險很大，必須加以重視。

4.2結 論

(1) 陜西省畜禽糞便氮磷耕地負荷年際變化表明，在各市區有效耕地面積相對穩定的情況下，各市畜禽糞便氮耕地負荷從2006—2007年達到最大，到2008年急劇下降至最低，之后逐步增加，反映了各市區畜禽養殖數量的變化；2008—2010年，全省畜禽糞便氮耕地負荷平均值增加了73.0%，磷負荷平均值增加了59.4%；2006—2010年，各市畜禽糞便氮耕地負荷的變異系數在17.9%～47.2%之間，磷耕地負荷年際變化變異系數在14.7%～40.5%之間，銅川變化最大；2008—2010年，延安、渭南兩市畜禽氮磷耕地負荷雖然居于全省最后，但增長率最快。2010年，延安、渭南的畜禽糞便氮耕地負荷分別是2008年的1.91和1.17倍，磷耕地負荷分別是2008年的1.46和0.93倍。2006—2010年陜西省各市畜禽糞便氮負荷都未超出有關環境標準限值，但各市區都有增加趨勢；而畜禽糞便磷負荷在2010年除了銅川、延安和渭南3市外，其他市全部超出畜禽糞便磷素養分施用量限值，有潛在的氮磷污染風險。

(2) 通過對比2008和2010年陜西省畜禽糞便氮磷耕地負荷的空間變化可以發現，2008年，漢中市的畜禽糞便氮磷耕地負荷最大，分別為82.6，50.3 kg/hm2，延安市和渭南市最小。2010年漢中市氮磷耕地負荷仍然保持最大，達到142.0，76.0 kg/hm2；2010年各市畜禽糞便氮耕地負荷平均值由大到小依次為：漢中>安康>榆林>寶雞>咸陽>商洛>銅川>西安>延安>渭南。各市磷耕地負荷平均值由大到小依次為漢中>商洛>寶雞>榆林>咸陽>西安>安康>銅川>延安>渭南。各地區需調整畜牧業生產布局，從技術和政策層面引導，降低畜禽糞便造成水土資源污染風險。

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收稿日期：2015-07-14修回日期：2015-08-13

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0235-06

中圖分類號：X501

Temporal and Spatial Distribution of Nitrogen and Phosphorus Cropland Load of Livestock Manure in Breeding Industry of Shaanxi Province

YI Xiu1,2, CHEN Shengjing1, TIAN Hao1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China;2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologyinAridAreas,MinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract：[Objective] Investigating the potential pollution risks of livestock manure to soil and other environment in order to provide a scientific basis for prevention and control non-point source pollution caused by breeding industry. [Methods] Taking Shaanxi Province as an example, nitrogen and phosphorus cropland load of livestock manure were calculated and the spatial and temporal distribution features were analyzed. [Results] (1) Nitrogen and phosphorus cropland load of livestock manure in Shaanxi Province reached to the maximum in the period from 2006 to 2007, while decreased dramatically to the minimum in 2008, and then increased gradually. From 2008 to 2010, the average value of nitrogen and phosphorus cropland load increased by 73.0% and 59.4%, respectively. Although nitrogen and phosphorus cropland load of livestock manure in Yan’an and Weinan City was the lowest among all the cities, the growth rate was the fastest. (2) According to the spatial distribution of nitrogen and phosphorus cropland load between 2008 and 2010, nitrogen and phosphorus cropland load was the maximum in Hanzhong City, while it was the minimum in Yan’an and Weinan City. In 2010, the average value of nitrogen cropland load showed as: Hanzhong >Ankang >Yulin >Baoji >Xianyang >Shangluo >Tongchuan >Xi’an >Yan’an >Weinan, and the average value of phosphorus cropland load showed as: Hanzhong >Shangluo >Baoji >Yulin >Xianyang >Xi’an >Ankang >Tongchuan >Yan’an >Weinan. [Conclusion] Based on a comprehensive analysis in Shaanxi Province, it suggests that livestock manures should be disposed intensively in Hanzhong, Ankang, Shangluo, Baoji and Yulin City, so that the pollution risks of soil and water resource can be decreased.

Keywords:livestock manure; nitrogen and phosphorus load of cropland; temporal and spatial distribution; pollution risk of nitrogen and phosphorus

資助項目：國家自然科學基金項目“耦合于生態單元的秦巴山區鄉村聚落結構形態研究111學科創新引智項目”(51378067); 高等學校學科創新引智計劃資助項目(B08039)

第一作者：易秀(1965—),女(漢族),青海省西寧市人,博士,教授,主要從事水土資源環境污染防治的教學與科研工作。E-mail:yixiu@chd.edu.cn。