2006—2016年間我國畜禽養殖業氮元素入水通量估算

王夢竹，趙 越，童銀棟，續衍雪*，李佳祺，齊 淼，林 巖

（1.天津大學環境科學與工程學院，天津 300072；2.環境保護部環境規劃院，北京 100012；3.長江大學資源與環境學院，武漢430100）

自改革開放以來，隨著我國人民生活水平的提高和對動物蛋白攝入的需求加大，居民對肉類的消費量大幅增加，我國畜禽養殖業也因此得到迅速發展[1-3]。自1991年以來，我國肉、禽、蛋總產量已連續多年保持世界第一[4]，并在2016年達到13 523萬t，其中肉、禽和蛋類總產量分別為8540萬、1888萬、3095萬t[5]。與此同時，未經有效處理的畜禽排泄物進入到環境中帶來的水體污染問題也越來越嚴重[6-10]。畜禽糞便、尿液中含有大量的氮、磷等營養元素，不恰當的處理方式會導致相當一部分營養元素進入水體，造成水環境污染[11]。據陳瑤等[12]統計，在2007年，全國畜禽養殖業糞便和尿液產生量分別達到2.43億t和1.63億t，由此帶來的化學需氧量、氮元素和磷元素年排放量分別占全國污染物排放總量的42%、22%和38%；Gu等[13]估算，在2010年，全國由畜禽養殖排放到水體中的氮元素通量達到300萬t，是所有農業源排放的重要組成；孫良媛等[3]估算出2011年畜禽養殖的磷元素入水通量約為40萬t。由此可以看出，龐大的畜禽養殖已經給我國水環境帶來了巨大的壓力[14-15]。

近十年來，我國畜禽養殖在數量上稍有增加，如2006年我國生豬年末出欄量為68 050萬頭，在2012年增加到69 790萬頭[16]。同時，隨著農業生產方式的改變，我國畜禽養殖模式也逐步由家庭散養向規模化養殖過渡[3，17-19]。2010年我國生豬出欄量500頭以上的小型養殖戶的數量占全國總生豬養殖戶的0.4%，而其生豬出欄量卻占到了34.5%[16]。根據畜禽養殖統計數據，在2006—2010年間，全國畜禽養殖中豬、肉牛、奶牛、羊、蛋雞和肉雞的規模化養殖數量分別提高了28%、10%、26%、6%、17%和23%，其中豬和肉雞的規模化養殖比例已經超過了50%。但是需要指出的是，畜禽養殖模式的轉變在我國不同區域內的進展程度仍然存在較大差異。比如在2010年，北京和上海地區的蛋雞規模化養殖比例已經分別達到67%和65%；而西部地區規模化進程則較慢，如內蒙古自治區蛋雞規模化養殖比例僅為14%[16]。

當前國內外學術界關于畜禽養殖環境影響問題的研究成果頗豐，國外學者多運用自然環境物理模型模擬和預測污染物的產生、遷移和危害等[3，9]。而當前國內對于畜禽養殖污染物排污量計算的方法主要采用排放因子法，現有研究對污染物排放因子多著重于定性描述[3-5，13]，通過選取不同畜禽產排污系數和糞便污染物含量參數，估算不同畜禽類別的污染物產生總量，再通過污染物的水體流失率估算畜禽養殖業的污染物入水通量，從而對畜禽糞便產生的環境效應進行分析。從已有研究來看，對畜禽養殖業氮元素污水通量的計算方法差別不大，但大部分研究只集中于個別年份，對全國各個省份的氮排放通量進行計算[3-5，13]，沒有在時間和空間尺度上分析我國畜禽養殖業氮元素入水通量的變化特征，也沒有將畜禽規模化養殖和散養排污分別進行分析。因此，為了評估近十年來我國畜禽養殖氮元素排放通量的變化以及養殖模式轉變帶來的影響，本文利用2006—2016年中國畜牧業統計數據、畜禽糞便含氮量、水體流失率等統計資料或文獻數據，以畜禽養殖業中最主要的豬、羊、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞為調查對象，估算了分別由散養和規模化養殖向水環境中排放的氮元素通量，著重比較了不同地區的空間分布特征和不同畜禽間的差異。本研究的開展可以為評估畜禽養殖對我國水環境的影響和今后相應環境管理政策制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文涉及的主要數據包括：各類畜禽產排污系數、排泄物水體流失率、2006—2016年間我國31個省份和不同類型畜禽（包括羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞）出欄量、存欄量、規模化養殖比例等[3，20-22]，養殖規模較小的畜禽不予以考慮。規模化養殖的畜禽糞便和尿液中氮元素水體流失率采用國家環保總局南京環科所測定出的數據，如表1所示，各類規模化養殖畜禽糞便的氮元素水體流失率大約在5%～9%，而尿液氮元素流失率則達到50%，由于現有研究主要集中于規模化畜禽養殖的污染物流失率，散養畜禽排泄物的氮元素流失率統一采用30%[13，21]。利用《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數與排污系數手冊》，將主要畜禽的產污系數劃分為五個區域取值，這五個地區具體包括華北地區（北京、天津、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江）、華東地區（上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東）、中南地區（河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南）、西南地區（重慶、四川、貴州、云南、西藏）和西北地區（山西、甘肅、青海、寧夏、新疆）。

表1 畜禽糞便含氮量以及規模化養殖水體流失率（%）Table 1 Nitrogen contents in animal manure and loss rate into water（%）

1.2 畜禽規模化養殖界定以及氮元素入水通量計算

對于規模化養殖的具體標準，不同統計資料或行業標準間存在一定差異，綜合《畜禽養殖業污染治理工程技術規范》《全國農產品成本收益資料匯編》、《中國畜牧業統計年鑒》信息[16，23-24]，本文采用的規模化標準如表2所示。

畜禽排泄物產生的氮元素入水排放總量計算公式為：

式中，Q1i、Q2i和Q分別為第i種畜禽規模化養殖、散養以及所有畜禽總的氮元素入水通量（kg·a-1）；Ni存、Ni出為第i種畜禽的年存欄量和出欄量；Pi為規模化養殖比例；Ei、NEi、LEi分別為畜禽的單位糞便量（kg·只-1·d-1）、糞便含氮量（表1）、糞便水體流失率；Ui、NUi、LUi分別為畜禽的單位尿液量（kg·只-1·d-1）、尿液含氮量、尿液水體流失率；LN為散養的糞便水體流失率。由于2011年以后畜禽規模化養殖數據缺失，本文利用2006—2010年的統計數據，采用線性回歸方法來估算不同畜禽在各地區的規模化養殖比例。為了糾正出欄動物不再產生糞污這一事實，我們用因子0.542校正了一年中被殺死動物的數量，表示出欄動物是年飼養活畜的一部分，以此來估算出欄畜禽年實際排污量[25-26]。

2 結果與討論

2.1 2006—2016年全國畜禽養殖業氮元素入水通量

如圖1所示，在2006—2016年間，全國由畜禽養殖排入水體中的氮元素平均通量為4384 Gg，這11年中氮元素入水通量的最大和最小值分別為4832 Gg（2006年）和4010 Gg（2008年），而2006至2008年也是畜禽養殖業氮元素入水通量下降最為顯著的時期。2016年全國畜禽養殖氮元素排放通量達到4426 Gg，相比于2006年下降了8%，但在2012年以后的氮元素入水通量幾乎保持不變。Gu等[13]和孫良媛等[3]分別估算出的2010年和2011年畜禽養殖氮元素入水通量為3000 Gg和2140 Gg，本文的估算結果明顯高于前兩者，由于本文將畜禽規模化養殖和散養的糞便排污量分別進行計算，規模化養殖畜禽糞便的氮元素水體流失率遠低于散養畜禽糞便氮元素水體流失率，而在這11年中，我國有相當一部分地區的某些畜禽仍然以散養為主，因此，畜禽散養和規模化的糞便水體流失率差異是造成本文結果明顯高于前者計算結果的主要原因，但本文估算結果與《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查技術報告》[5]的估算結果（4071 Gg）相近。總體來看，盡管近十年中我國畜禽規模化養殖比例提升顯著，但是入水氮元素通量下降并不顯著。分析原因可能有兩點：一是隨著人口增加以及生活水平提高，國內肉類消費量逐年上升，同時活畜禽和鮮凍肉類的出口量也較大[16，27]，因此畜禽養殖量仍處于較高規模；二是規模化養殖也可能造成污染物的集中排放[28]。規模化養殖對糞便集中收集處理效率較高，但是對畜禽尿液的處理并不理想[29]。規模化養殖場的清糞方式主要有三種：水沖清糞、干清糞和墊草墊料清糞，其中水沖清糞的排污系數約為干清糞的3倍[20]，墊草墊料清糞最為清潔，但水沖清糞造價低，操作方便，因此國內很多地方仍采用該方法來清理畜禽糞便[19，29]，如祝其麗等[29]調查了 2011 年全國 144 處不同規模豬場的清糞方式，結果表明小型養豬場（500～2999頭）水沖清糞的比例高達87%；劉永豐等[19]對2014年海南省各地區畜禽規模化養殖場的調查結果顯示全省各地區至少有60%的養豬場還在使用水沖清糞工藝。綜合各省份畜禽養殖業氮元素入水通量，各省份間排放通量差異顯著。2006年畜禽養殖業氮元素入水通量最多和最少的省市分別是河南（516 Gg）和上海（148 Gg），分別占該年氮元素總入水通量的11%和0.3%，到2016年，畜禽養殖業氮元素入水通量最多和最少的仍是河南（435 Gg）和上海（118 Gg），氮元素入水通量與10年前相比均有所下降，各自占比分別為10%和0.3%。除了河南省之外，山東省、四川省對于畜禽養殖業氮元素入水通量的貢獻也較大，2016年的氮元素入水通量分別是359 Gg和298 Gg，占比分別為8%和7%。

表2 本文對養殖動物規模化分類標準Table 2 The classification criteria on the large-scale farming in this article

圖1 2006—2016年全國畜禽養殖排入水體的氮元素通量Figure 1 Nitrogen discharge of livestock farming into water in China from 2006 to 2016

在2006—2016年間，不同畜禽養殖類型的氮元素入水通量變化不大（圖2a）：在2006年和2016年，羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞、肉雞養殖的氮元素入水通量分別為31、163、177、41、28、42 Gg和22、164、138、59、22、36 Gg；從比例上看（圖2b），2006年和2016年上述各種畜禽的氮元素入水通量分別為7%、34%、36%、8%、6%、9%和5%、37%、31%、13%、5%、8%。總體來看，氮元素入水通量按豬＞肉牛＞奶牛＞肉雞＞羊＞蛋雞的順序依次降低。因此可以看出，我國畜禽養殖業中豬和肉牛是導致氮元素進入水體的主要排放源。有研究表明[28]，在我國當前的畜禽養殖模式下，育肥豬貢獻了約有一半的糞便污染物（包括氮元素、磷元素以及COD等）；另外，肉牛的單位產污量最大，約為豬肉的2～3倍，雞肉的5～20倍[28]。本文的結果也表明，若要有效控制我國氮元素入水通量，應密切關注畜禽養殖過程中的氮排放，而在畜禽養殖中豬和牛則是首要的控制因素[28，30]。

圖2 2006—2016年全國不同養殖類型氮元素流失通量（a）及其比例（b）Figure 2 The nitrogen fluxes（a）of various farmed animals and their proportions（b）in China from 2006 to 2016

2.2 不同養殖方式的氮元素入水通量變化估算

由圖3所示，在2006—2016年間，全國由畜禽規模化養殖排入水中的氮元素通量呈現顯著的上升趨勢。在2006年，規模化養殖氮元素入水通量的比例占總入水通量的23%，在2016年，該比例上升到53%，而這種增加也可以顯著反映我國規模化養殖比例的迅速增加。在我國不同的地理區域，畜禽散養和規模化養殖的氮元素入水通量的分布存在較大差異。如圖4所示，我們選擇了2006、2010年和2016年為代表，比較了畜禽散養和規模化養殖的氮元素入水通量在我國空間分布上的差異。總體來看，中南和華北地區是我國的畜禽養殖氮元素排放的主要地區，華東和西南次之，西北地區最少。2016年華北、中南、華東、西南和西北地區的畜禽氮元素流失通量比例分別為27%、26%、20%、17%、10%。在所有主要區域中，在中南地區，我國畜禽散養氮元素入水通量下降趨勢最為明顯，由2006年的930 Gg下降至2016年的430 Gg，華北和華東地區次之，下降量分別為437 Gg和426 Gg。對于西南和西北地區，其畜禽散養帶來的氮元素入水通量下降趨勢并不明顯，到2016年仍占相當高的比例，西南地區超過55%，西北地區超過70%。11年來，我國畜禽規模化養殖氮元素入水通量上升趨勢都較為明顯，中南地區最多，由2006年的340 Gg上升到2016年的744 Gg，華北、華東、西南、西北地區的增長量分別為234、326、154、111 Gg，到2016年，華東、中南地區的畜禽養殖業氮元素排放主要由規模化養殖引起，分別占各自地區氮元素入水通量的68%、63%，而華北地區的規模化養殖氮元素入水通量占50%，并有繼續上升的趨勢（圖3b）。出現這種差異的原因可能是我國西南和西北地區地廣人稀，傳統畜禽散養模式向規模化養殖的轉換要遠遠慢于經濟發展快、人口密度大的東南部地區。

2.3 畜禽類型和區域差異對氮元素入水通量的估算

圖3 2006—2016年全國各地區畜禽散養和規模化養殖排入水體的氮元素通量Figure 3 The nitrogen fluxes of livestock farming into water in scattered-scale and large-scale in China from 2006 to 2016

圖4 2006、2010年和2016年全國畜禽散養和規模化養殖排入水體的氮元素通量Figure 4 The nitrogen fluxes of livestock farming into water in scattered-scale and large-scale livestock farming in 2006，2010 and 2016

不同畜禽類型（包括羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞）通過散養和規模化養殖的氮元素入水通量變化如圖5所示。不同畜禽類型通過散養和規模化養殖帶來的氮元素排放通量差異顯著。具體來說，羊、肉牛和蛋雞由散養向水中排放的氮元素量較大，在2006年和2016年的排放量分別為302、1499、270 Gg和201、930、172 Gg。在 2016年，其排放在總排放中的比例分別高達91%、76%、67%。顯著不同的是，豬和肉雞由散養排放氮元素通量的比例下降明顯，豬散養的氮元素入水通量在2006年和2016年分別為1042 Gg和347 Gg，占其總通量的64%和21%；肉雞散養的氮元素入水通量在2006年和2016年分別為311 Gg和136 Gg，占其總通量的74%和38%。奶牛散養的氮元素入水通量在過去11年內幾乎保持不變（均在295～297 Gg范圍內），但是該部分的排放比例下降卻較為顯著，由2006的72%降至2016年的50%。這種差異也體現了不同畜禽養殖類型在規模化養殖比例中的差異。

不同區域的不同畜禽類型通過散養和規模化養殖的氮元素入水通量也有差異，如2016年（圖6），華北、華東、中南地區氮素入水量主要由豬規模化養殖排放，2016年豬規模化養殖排放的比例分別為36%、36%、47%，這些區域應該加強規模化豬養殖糞便污染配套設施建設。西南和西北地區氮素入水量主要由肉牛散養排放，2016年兩區域的肉牛散養排放比例分別為39%和27%，因此應該加強散養肉牛的糞便污染控制。總體來看，豬規模化養殖和肉牛散養排放的氮元素在各個地區均占有較大比例。另外，由羊散養進入水體中的氮元素在西北地區的比例較其他地區高，該地區也應該加強散養羊的糞便污染控制。

圖5 2006—2016年不同動物散養和規模化養殖氮元素入水通量Figure 5 The nitrogen fluxes of all kinds of animals in scattered-scale and large-scale livestock farming from 2006 to 2016

3 結論

（1）2006—2016年，全國由畜禽養殖排入水體中的氮元素平均通量為4384 Gg，相比于2006年，2016年氮元素入水通量略有下降。規模化養殖氮元素入水通量所占的比例由2006年的23%上升到2016年的53%，因此，規模化養殖帶來的污染物排放在未來水環境管理中需要優先考慮。

（2）過去11年內，我國中南、華北、華東、西南、西北地區規模化畜禽養殖的氮元素入水通量分別增長了404、234、326、154、111 Gg；在2016年，羊、肉牛、蛋雞、奶牛、肉雞和豬散養的氮元素入水通量分別占比91%、76%、67%、50%、38%、21%。

（3）對于不同畜禽養殖類型，氮元素入水通量按豬＞肉牛＞奶牛＞肉雞＞羊＞蛋雞的順序依次降低。2016年，華北、華東、中南地區氮素入水量主要由豬規模化養殖排放，排放比例分別為36%、36%、47%，西南和西北地區氮素入水量主要由肉牛散養排放，排放比例分別為39%和27%，總體來看，肉牛和豬成為我國畜禽養殖氮元素入水通量的主要排放源。

圖6 2016年各地區不同養殖類型和方式的氮元素排放比例Figure 6 Proportional distributions of nitrogen released from different types and methods of livestock farming in different regions in 2016