山東規(guī)模化豬場(chǎng)污染物產(chǎn)生量和環(huán)境承載力研究

王誠(chéng)+張印+王彥平+藺海朝+王繼英+武英

摘要：為合理規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的養(yǎng)殖規(guī)模、降低養(yǎng)殖場(chǎng)糞污對(duì)環(huán)境的污染，本研究選擇山東省典型的規(guī)模化生豬生產(chǎn)場(chǎng)，采用全糞尿法測(cè)定3個(gè)飼養(yǎng)階段的豬（保育豬、育肥豬和妊娠2個(gè)月的母豬）在春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)的糞尿產(chǎn)生量，對(duì)部分代表性糞、尿樣品進(jìn)行氮、磷、銅和鋅含量檢測(cè)，估算出山東省規(guī)模化豬場(chǎng)的產(chǎn)污系數(shù)。根據(jù)2015年山東省統(tǒng)計(jì)年鑒公布的農(nóng)作物每公頃產(chǎn)量及單位產(chǎn)量消耗的養(yǎng)分量，基于氮平衡，計(jì)算出山東省不同區(qū)域內(nèi)不同種植結(jié)構(gòu)對(duì)氮的需求量進(jìn)而估算出豬承載量。結(jié)果表明：⑴不同生產(chǎn)階段豬的產(chǎn)污系數(shù)不同，母豬產(chǎn)生量最高，總氮為52.69 g/d，總磷為32.02 g/d；育肥豬次之，總氮為32.98 g/d，總磷為17.66 g/d；仔豬的產(chǎn)生量最小，總氮為18.15 g/d，總磷為7.8 g/d。⑵ 山東農(nóng)田需氮量及豬承載量最大的為蔬菜地，每公頃需氮為2 208.11 kg，可承載122頭仔豬、67頭育成豬和53頭繁殖母豬，每公頃需氮量和豬承載力最小的為薯類，每公頃需氮32.93 kg，可承載5頭仔豬、3頭育成豬和2頭繁殖母豬。本研究可為降低養(yǎng)殖場(chǎng)糞污對(duì)環(huán)境的污染及合理安排養(yǎng)殖規(guī)模提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：豬；產(chǎn)污系數(shù)；作物需氮量；承載力

中圖分類號(hào)：S815.9∶X26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2017）12-0114-05

Abstract It is important to plan farm scale reasonably and reduce farm waste pollution to the environment.This study was performed to research the environment bearing capacity of different planting structure based on pig N excretion of Shandong Province. The pollutant output at three different feeding stages （nursery pigs， fattening pigs and two-month pregnant sows） were determined in spring， summer， autumn and winter respectively in one typical scale pig production farm， and the content of nitrogen， phosphorus， copper and zinc in some pollutant samples were also determined. Then we estimated the pollutant output index. According to the published crop yield per hectare and nutrient consumption in the Shandong Province Agricultural Information Network， we calculated the nitrogen demand per hectare， and then estimated the bearing capacity of different crop planting structure based on nitrogen balance. The results showed that sow had the largest N excretion with 52.69 g/d of total nitrogen and 32.02 g/d of total phosphorus.The next was growing pig with 32.98 g/d of total nitrogen and 17.66 g/d of total phosphorus.Nursery pig had the least N excretion with 18.15 g/d of total nitrogen and 7.8 g/d of total phosphorus. We also estimated the nitrogen demand of different crops and the pig bearing capacity.Vegetables had the largest nitrogen demand and pig bearing capacity， which demanded 2208.11 kg of nitrogen per hectare， and could bear 122 piglets， 67 growing pigs and 53 pregnant sows. Tuber crops had the smallest nitrogen demand and pig bearing capcity， which demanded 32.93 kg nitrogen per hectare and could bear only 5 piglets， 3 growing pigs and 2 pregnant sows.In this study， we determined the pollutant output at different pig feeding stages and estimated the pig bearing capacity under different planting structures in particular region， which could provide basic scientific references for reducing livestock farm pollution to the environment and reasonably arranging animal feeding number.endprint

Keywords Pig； Pollutant output index； Nitrogen demand for crops； Bearing capacity

隨著我國(guó)畜牧業(yè)集約化和規(guī)模化的快速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)生量不斷增加。畜牧業(yè)的迅速發(fā)展在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其產(chǎn)生的大量畜禽糞尿廢棄物也給環(huán)境造成了巨大壓力，已成為我國(guó)農(nóng)村面源污染的主要來(lái)源之一[1]。豬場(chǎng)廢棄物的危害主要有：對(duì)大氣環(huán)境的污染；傳染病和寄生蟲(chóng)的傳播；傳播人畜共患病，直接危害人類健康；溫室效應(yīng)[2]。國(guó)外對(duì)養(yǎng)豬業(yè)污染的危害性和嚴(yán)重性認(rèn)識(shí)較早，20世紀(jì)60年代就提出了“畜產(chǎn)公害的問(wèn)題”[3]；為了降低畜牧業(yè)帶來(lái)的環(huán)境污染，目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家采用還田模式，規(guī)定畜牧場(chǎng)周圍必須有與之配套的農(nóng)田來(lái)消納畜禽糞便，從而在農(nóng)場(chǎng)范圍內(nèi)形成農(nóng)牧種養(yǎng)的良性循環(huán)。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)畜牧場(chǎng)都沒(méi)有與之配套的農(nóng)田，周圍的農(nóng)田又分散在農(nóng)戶手中，而且種植類型隨機(jī)性很大，這對(duì)農(nóng)田消納畜禽糞便造成了障礙。糞污資源沒(méi)有得到一定種植業(yè)規(guī)模的利用和消納，區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)不相匹配是造成畜禽污染的主要原因之一[4]。畜禽糞污還田作肥料是一種傳統(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)有效的處理方法，可將糞尿中的有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)以及植物生產(chǎn)因子，供植物生長(zhǎng)利用，減少化肥使用量，達(dá)到種養(yǎng)結(jié)合和諧發(fā)展的目的。為此，關(guān)聯(lián)養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)、研究作物種植面積和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量相匹配、根據(jù)環(huán)境承載力合理安排養(yǎng)殖規(guī)模是當(dāng)前山東畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切任務(wù)。

畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境承載力定義為，在特定時(shí)空條件下，在維持畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境系統(tǒng)的平衡和健康不受影響的情況下，畜禽養(yǎng)殖資源環(huán)境系統(tǒng)所能支撐畜禽養(yǎng)殖行為的能力[5]。在保障生態(tài)環(huán)境安全的前提下充分利用糞肥，國(guó)外已經(jīng)有很多針對(duì)其自身?xiàng)l件的畜禽承載力研究[6，7]，而且通常是針對(duì)某一具體畜牧場(chǎng)和某一具體畜種來(lái)計(jì)算單位農(nóng)田所能承載的動(dòng)物單位數(shù)。但是山東省一定區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖畜禽種類較多，其排泄糞便養(yǎng)分含量差異明顯；并且養(yǎng)殖的數(shù)量和方式均有所不同，致使不同區(qū)域內(nèi)污染物的排泄量不同。另外，山東省不同區(qū)域內(nèi)的可耕種農(nóng)田面積、土壤類型、種植作物的種類和產(chǎn)量也不相同，所以不同區(qū)域內(nèi)的土地消納量也不同。為此針對(duì)特定區(qū)域的種植結(jié)構(gòu)估算一定區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地消納的糞污量，進(jìn)而估算出區(qū)域內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖量，對(duì)于合理規(guī)劃和布局本區(qū)域內(nèi)的養(yǎng)殖體量更有參考價(jià)值。

與其他畜禽養(yǎng)殖不同，養(yǎng)豬場(chǎng)水的使用量較大，污水產(chǎn)生量較大，養(yǎng)豬是畜禽污染物的主要來(lái)源。為合理規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的養(yǎng)殖規(guī)模，降低養(yǎng)殖場(chǎng)糞污對(duì)環(huán)境的污染，本研究通過(guò)測(cè)定山東省內(nèi)某標(biāo)準(zhǔn)化豬場(chǎng)生豬污染產(chǎn)生量，估算山東省規(guī)模化豬場(chǎng)的產(chǎn)污系數(shù)，并根據(jù)山東省內(nèi)不同地區(qū)的養(yǎng)殖量估算本區(qū)域內(nèi)主要污染物的產(chǎn)生量。另外，在氮平衡基礎(chǔ)之上估算山東省內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)不同種植結(jié)構(gòu)對(duì)氮的需求量，進(jìn)而估算豬的承載量，以期根據(jù)當(dāng)前的種植結(jié)構(gòu)對(duì)養(yǎng)殖規(guī)模合理與否進(jìn)行判斷，并對(duì)區(qū)域內(nèi)合理安排養(yǎng)殖規(guī)模以及制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 不同生產(chǎn)階段產(chǎn)污系數(shù)測(cè)定

1.1.1 試驗(yàn)場(chǎng)、試驗(yàn)動(dòng)物 山東八戒食品有限公司養(yǎng)殖場(chǎng)是山東省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖場(chǎng)，為采取自繁自養(yǎng)生產(chǎn)模式的商品豬生產(chǎn)場(chǎng)，在養(yǎng)殖規(guī)模、飼養(yǎng)模式和糞污處理方式等方面代表了山東省規(guī)模豬場(chǎng)的狀況。

選取保育豬（平均體重20 kg）、育肥豬（平均體重60 kg）和繁殖母豬（妊娠2個(gè)月的初產(chǎn)母豬）各5頭進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)污參數(shù)的測(cè)定。為保證糞尿收集完全，采用全糞尿法在代謝籠中試驗(yàn)，豬只產(chǎn)生的糞便和尿液分開(kāi)收集。考慮豬的排泄物受季節(jié)、環(huán)境條件和飼料等因素的影響，本研究在春、夏、秋、冬4 個(gè)季節(jié)分別進(jìn)行，試驗(yàn)豬與同批次的豬在同一圈舍飼養(yǎng)。每個(gè)季節(jié)的試驗(yàn)期12 d，其中前7 d 為預(yù)飼期，然后連續(xù)采樣5 d，確保3 d樣品有效。試驗(yàn)豬的飼養(yǎng)管理與防疫與豬場(chǎng)其他豬同步進(jìn)行。

1.1.2 樣品的收集和采集 在正式采樣期，每天上、下午分別收集每頭試驗(yàn)豬產(chǎn)生的糞便和尿液，稱重和記錄后混合均勻取3個(gè)樣品（其中固體糞便2個(gè)，尿液1個(gè)），每個(gè)糞樣約0.5 kg、尿樣0.5 L。糞樣按每100 g糞便加入4.5 mol/L H2SO4 20 mL固氮，放在自封袋中做好標(biāo)記，一個(gè)于-20℃凍存用于各種指標(biāo)的測(cè)定，另一個(gè)測(cè)定水分。尿樣按每100 mL加入4.5 mol/L H2SO4 2 mL和甲苯4滴固氮，攪拌均勻后裝入樣品瓶，-20℃凍存用于各種指標(biāo)測(cè)定。樣品及時(shí)送山東省分析測(cè)試中心測(cè)定。

1.1.3 測(cè)定方法 糞便樣品中的全氮、全磷含量參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525-2002進(jìn)行測(cè)定；尿液中的氮、總磷含量分別按照GB 11891-1989和GB 11893-89進(jìn)行測(cè)定；糞便和尿液中的銅和鋅含量分別按照GB/T 17138-1997和GB 7475-87進(jìn)行測(cè)定。

1.1.4 產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算 畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)是指在典型的養(yǎng)殖場(chǎng)正常的生產(chǎn)和管理?xiàng)l件下，一定時(shí)間內(nèi)單個(gè)畜禽所產(chǎn)生的原始污染物量，包括糞尿量以及糞尿中各種污染物的產(chǎn)生量[8]。本研究采用董紅敏等[8]的方法計(jì)算3個(gè)飼養(yǎng)階段4個(gè)季節(jié)的產(chǎn)污系數(shù)。

式中： FPi，j，k為每頭動(dòng)物的產(chǎn)污系數(shù)，單位為g/（頭·d）；QF i，j為第i種動(dòng)物第j生產(chǎn)階段糞產(chǎn)量，單位為kg/（ 頭·d）；CFi， j ，k為第i種動(dòng)物第j生產(chǎn)階段糞便中第k種污染物的濃度，單位為mg/kg；QUij為第i種動(dòng)物第j生產(chǎn)階段尿液產(chǎn)量，單位為L(zhǎng)/（頭· d） ；CUi，j，k為第i種動(dòng)物第j生產(chǎn)階段尿液中第k種污染物的濃度，單位為mg/L。

1.2 土地承載力的估算

1.2.1 區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物年消耗養(yǎng)分的確定 采用邱樂(lè)豐等（2016）[9]的方法計(jì)算單位面積內(nèi)農(nóng)作物年消耗養(yǎng)分量。

T=∑ni=1Yimi（2）

式中：T為區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品年消耗氮養(yǎng)分的總量；Yi為研究區(qū)域i 類農(nóng)產(chǎn)品年產(chǎn)量（kg）；mi為i 類農(nóng)產(chǎn)品100 kg 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量所需的氮養(yǎng)分量（kg）。每公頃作物產(chǎn)量采用《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒-2015》提供的數(shù)據(jù)，mi使用相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果（表1），農(nóng)作物種植方式根據(jù)山東農(nóng)作物種植的實(shí)際情況確定。endprint

1.2.2 基于氮元素需求量的載豬量估算 采用陳微等（2009）[12]的方法，設(shè)定土壤中氮處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且作物達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量所需氮完全由豬提供，根據(jù)作物氮需求量和豬氮排泄量確定單位農(nóng)用地（有效耕地面積）載豬量。

單位農(nóng)用地載豬量=K×Z×AM 。 （3）

式中，Z為每公頃作物每季的需氮總量kg/（hm2·S）；A為各地區(qū)的復(fù)種指數(shù)；M為每頭豬的年產(chǎn)氮量（kg）；K為有機(jī)肥利用率（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬不同飼養(yǎng)階段污染物的產(chǎn)生量

如表2所示，不同生產(chǎn)階段豬的產(chǎn)污系數(shù)不同，繁殖母豬產(chǎn)生量最高，總氮為52.69 g/d，總磷為32.02 g/d，育肥豬次之，仔豬的產(chǎn)生量最小。

本試驗(yàn)結(jié)果與董紅敏（2011）[8]、汪開(kāi)英（2009）[13]等的結(jié)果有所不同，產(chǎn)污系數(shù)的差異可能與飼料種類、豬群具體狀況有關(guān)。因此計(jì)算污染物的產(chǎn)生量需要根據(jù)不同畜種，合理劃分不同階段，分別測(cè)算，結(jié)合各階段飼養(yǎng)的動(dòng)物頭數(shù)，獲得較為準(zhǔn)確的污染物產(chǎn)生量。

2.2 山東主要農(nóng)作物養(yǎng)分消耗總量及載豬量

由表3可知，蔬菜的需氮量最大，每公頃需氮為2 208.11 kg，甘薯需求量較小，每公頃為32.93 kg，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相一致。山東大田主要輪作種植模式小麥+水稻、小麥+玉米、小麥+大豆、小麥+甘薯，每年每公頃的需氮量分別為312.97、299.08、314.37、202.77 kg；山東每年單季種植花生需氮量每公頃為293.35 kg，棉花需氮量較少，每公頃為128.48 kg。

如表4所示，每公頃蔬菜的載豬量最大，可承載122頭仔豬、67頭育肥豬和53頭繁殖母豬，而蘋(píng)果的載豬量最小，可承載5頭仔豬、3頭育肥豬和2頭繁殖母豬。山東輪作主要種植模式小麥+水稻、小麥+玉米、小麥+甘薯、小麥+大豆每公頃承載仔豬分別為47、45、31、47 頭，承載育肥豬分別為26、25、17頭和26頭，承載繁殖母豬分別為16、16、11頭和16頭。

3 討論

單位耕地面積承載量是衡量一個(gè)地區(qū)畜禽飼養(yǎng)密度大小的重要依據(jù)，可以在一定程度上反映畜禽糞尿?qū)Νh(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)[14]。過(guò)量氮及其衍生物可以引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化以及森林退化[15，16]。國(guó)外已將畜禽糞尿的養(yǎng)分資源管理作為管理重點(diǎn)，而且還制定出環(huán)境污染的標(biāo)準(zhǔn)。本研究所提出的豬環(huán)境承載力是基于山東省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量，在設(shè)定土壤氮保持穩(wěn)定，并且作物需氮量全部由豬排泄氮提供的情況下，區(qū)域耕地所能持續(xù)支撐豬的養(yǎng)殖數(shù)量。

3.1 豬的產(chǎn)氮量對(duì)承載力的影響

本研究選用3個(gè)飼養(yǎng)階段的豬，分別在春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)采用全糞尿法測(cè)算出其產(chǎn)污系數(shù)，然后估算出年產(chǎn)氮量，所得值比較接近真實(shí)值。但在實(shí)際生產(chǎn)中受多種因素影響，估算畜禽污染物的產(chǎn)生量與實(shí)際情況會(huì)存在一定誤差。首先，養(yǎng)殖企業(yè)的生產(chǎn)周期不同，污染物排泄量也與飼料成分、環(huán)境（如季節(jié)、氣候）等因素有關(guān)。其次，養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)際飼養(yǎng)量與估算量有偏差，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中未給出死亡淘汰數(shù)量，導(dǎo)致估算值可能偏小。再有估算中雖考慮到豬的生產(chǎn)階段，但生產(chǎn)中一些養(yǎng)殖場(chǎng)育肥豬的出欄體重、出欄時(shí)間以及繁殖種豬的使用年限等都有所不同，導(dǎo)致估算結(jié)果較實(shí)際存在差異。再次，由于各養(yǎng)殖場(chǎng)污染物的貯存方式不同，致使產(chǎn)污量和排污量之間的損失率很難估算。陳微等（2009）[12]研究表明，由于糞尿收集、儲(chǔ)存、處理和運(yùn)輸過(guò)程的方式不同，會(huì)造成一定損失，其中糞便中氮的損失率在5%～15%，尿氮的損失率在15%～25%。本研究在農(nóng)牧配套的前提下進(jìn)行，計(jì)算時(shí)忽略氮在處理、運(yùn)輸?shù)戎虚g過(guò)程的損失，因此如果不考慮環(huán)境因素，僅從承載豬的角度來(lái)講，實(shí)際豬的承載力結(jié)果應(yīng)比計(jì)算值大。

3.2 化肥施用量和有機(jī)肥利用率對(duì)承載力的影響

由于作物對(duì)糞氮的當(dāng)季利用率比較低，在實(shí)際生產(chǎn)中仍需要施用一定量的化肥來(lái)滿足作物生長(zhǎng)。在作物需氮量一定的情況下，化肥與糞肥的施用量彼漲此消。為減少豬場(chǎng)糞污對(duì)環(huán)境污染，本研究以豬生產(chǎn)氮作為作物生產(chǎn)的氮源，并代替化肥的施用。豬承載力大小與有機(jī)肥利用率有直接關(guān)系，通常氮的施用量是理論需求量的3倍[13]，所以養(yǎng)分利用率越低，豬承載力越高。由于用農(nóng)作物為載體消納糞污時(shí)，其中的營(yíng)養(yǎng)成分特別是氮磷元素在土壤理化性質(zhì)及微生物作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和磷酸鹽，若超出了農(nóng)田負(fù)載力，會(huì)造成土壤硝酸鹽、磷酸鹽的淋洗等不良影響[14]。因此， 2016年農(nóng)業(yè)部養(yǎng)殖面源污染治理方法指出提高有機(jī)肥利用率，變廢為肥，降低化肥施用量。豬糞容易處理，如室外發(fā)酵床處理技術(shù)可使豬糞快速腐熟轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，而且運(yùn)輸方便，可以在較遠(yuǎn)的地域內(nèi)使用。但污水是養(yǎng)豬面源污染的處理難題，達(dá)標(biāo)排放，增加企業(yè)運(yùn)行成本，在實(shí)際生產(chǎn)中很難利用；污水厭氧發(fā)酵后變廢水為肥水就近還田是優(yōu)先考慮的方法。為此，研究不同貯存方式下污水的利用率以及土壤最大承載量是避免二次污染所需要解決的問(wèn)題。

3.3 作物種植結(jié)構(gòu)與復(fù)種指數(shù)對(duì)豬承載力的影響

山東各地市養(yǎng)殖體量不同，而且區(qū)域耕種面積和種植結(jié)構(gòu)及復(fù)種指數(shù)也不同，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)糞肥的消納量不同。為此應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的土地類型、種植結(jié)構(gòu)和復(fù)種指數(shù)確定一定范圍的土地載畜量，同時(shí)需要對(duì)糞污氮的流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，使農(nóng)田最大程度地消納糞污，讓豬場(chǎng)生產(chǎn)與環(huán)境安全得到和諧統(tǒng)一。

4 結(jié)論

本研究以作物對(duì)氮的需求量為基準(zhǔn)，在諸多條件假設(shè)的前提下對(duì)區(qū)域內(nèi)豬的承載力進(jìn)行估算。山東農(nóng)田豬承載力最大的為蔬菜地，其次為輪作種植的糧食作物以及果園，承載力最小的為薯類。農(nóng)田豬承載力的大小不僅與有機(jī)肥利用率有關(guān)，而且與作物種類和種植模式有關(guān)。本研究結(jié)果可以指導(dǎo)養(yǎng)殖生產(chǎn)，使養(yǎng)豬規(guī)模與農(nóng)田耕種面積相匹配，最大程度降低養(yǎng)殖業(yè)面源污染，同時(shí)需要對(duì)糞污氮流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究評(píng)估。endprint

參 考 文 獻(xiàn)：

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