基于種養平衡的河南省畜禽養殖分析及其環境污染風險研究

張 英，武淑霞，劉宏斌，雷秋良，王洪媛，翟麗梅

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業農村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081）

我國是畜禽養殖大國，尤其近年來養殖業發展迅速，在提供肉蛋奶的同時不可避免地產生大量的養殖糞污，產生一系列的生態環境問題。關于畜禽污染已有較多的研究，張緒美等［1-2］研究表明過量的畜禽糞污會改變大氣的正常組分，污染水體從而引起水體富營養化，破壞土壤結構等，并通過對江蘇省畜禽養殖現狀調查分析得出全省畜禽糞便污染嚴重地區大多靠近水體，對江蘇省水環境質量產生威脅。劉曉永等［3］研究得出近30年來全國畜禽糞尿及其氮磷養分資源持續增加，東北地區、河南、天津、山東、河北增幅明顯。劉然然［4］研究表明2006～2015年10年間山東省畜禽糞便耕地和水體污染風險等級均處于Ⅲ級及以上水平，受到較為嚴重的污染威脅。河南省是我國的養殖大省，2016年河南省豬、牛、羊出欄量分別占全國的8.77%、10.77% 和 7.06%［5］。高定等［6］在 2005年指出河南省糞便負荷為36.6 t·hm-2。耿維等［7］研究表明2010年河南省年糞便總量達1.87億t，占全國糞便總量的8.37%，居全國第二。

近年來，畜禽養殖方式發生了較大變化，以前的農戶散養逐漸被養殖專業戶和大、中型畜禽養殖場所替代，難以保證周邊有充足的土地來消納養殖廢棄物，加大了對環境的潛在污染，以地定畜、種養結合等方法成為畜禽養殖污染研究的熱點之一。種養結合模式不僅可以減少畜禽糞便污染，還能提高土壤肥力［8］。已有研究表明，河南省畜禽養殖對周圍地下水體形成的潛在威脅遠大于工業、生活污染［9-11］，但缺乏對各地差異以及對環境影響的定量研究。本文基于等標污染負荷法計算了河南省各地區的畜禽養殖水體負荷污染指數，并利用排污系數法分析了河南省各地區畜禽養殖糞污提供的氮素，同時與種植農作物氮需求做了平衡分析［12］，對各地區畜禽糞尿耕地污染負荷情況進行衡量與評估，為河南省畜禽養殖與生態環境的協調發展提供理論指導。

1 數據與方法

1.1 數據來源

我國農區的畜禽糞尿主要來源于牛、豬、羊和家禽。本文選取河南省各地區的豬、牛、羊、家禽產生的畜禽糞尿作為研究對象。河南省各地區的畜禽出欄量和存欄量，農作物產量均來自于《2017年河南統計年鑒》［5］。農作物包括小麥、水稻、玉米、大豆、棉花、蔬菜、瓜果、花生、各類水果、油菜和煙葉等。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽糞尿產生量

生豬的飼養周期確定為199 d，用出欄量作為飼養量，奶牛、肉牛、羊的飼養周期為365 d，取年末存欄量作為飼養量，家禽的飼養周期為210 d，取年末存欄量作為飼養量［13］。目前對于畜禽的排污系數有不同的意見，本文采用的豬、牛、羊、家禽的排污系數均參考《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》［14］及朱建春等［13］的研究相結合進行確定，具體數據見表1。畜禽糞尿量的計算公式為:畜禽糞尿量=∑飼養量×日排污系數×飼養周期。

表1 畜禽糞污日排污系數

1.2.2 畜禽糞尿耕地負荷及風險評價方法

畜禽糞尿耕地負荷指區域單位面積承載的畜禽糞尿量，用來衡量區域養殖規模是否合理。由于不同類型的畜禽糞便，其肥效養分差異很大，故其農田消納量差異也很大，因此將各種糞尿統一成豬糞當量，然后疊加成豬糞總量。各畜禽換算成豬糞當量的換算系數為豬糞1.00，豬尿0.50，牛糞0.69，牛尿1.23，羊糞1.23，家禽糞2.51［15］。將畜禽糞尿豬糞當量的耕地負荷除以農田有機肥理論最大適宜施肥量，其比值即為區域畜禽糞尿負荷量承受程度的警報值r，它間接反映各地區畜禽糞尿耕地負荷承受程度。r值越大，畜禽糞尿對環境造成的污染威脅性越大，環境對畜禽糞尿負荷量的承載能力越小。從環境風險的角度考慮，一般以30 t·hm-2為最大理論適宜量［16］。計算公式為:

①畜禽糞尿耕地負荷量:q=Q/S=∑X·T/S式中，Q—年度糞尿養分總量（萬t）；S—耕地面積（萬hm2）；

X—各類畜禽糞尿量（萬t）；T—豬糞當量換算系數。

②警報值計算公式為:r=q/p

式中，q—畜禽糞便負荷量（t·hm-2）；p—有機肥最大理論適宜施用量（t·hm-2）。

1.2.3 基于種養平衡的畜禽養殖量分析方法

通過科學估算區域畜禽養殖環境可承載豬當量與實際飼養量比較，評價各地區畜禽養殖量是否超量及其程度，并依此指導各地優化調整畜牧業區域布局，促進農牧結合、種養循環發展，加快推進畜禽糞污資源化利用，引導畜牧業綠色發展。豬當量是指用于衡量畜禽氮排泄物的度量單位，1頭豬為1個豬當量。2018年《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》［12］指出按存欄量折算，100頭豬相當于15頭奶牛，30頭肉牛，250只羊，2 500只家禽。計算公式為:

①土地可承載豬當量總量（以氮量計算）=區域作物糞肥氮素需求量/單位豬當量糞肥氮素供給量

②區域作物養分需求量=∑（每種作物總產量×單位產量氮素需求量）

③區域作物糞肥養分需求量=（區域作物氮素需求量×施肥供給氮素占比×糞肥占施肥比例）/糞肥氮素當季利用率

式中，單位豬當量糞肥氮素供給量為7.0kg，施肥供給養分占比推薦值為45%。不同植物單位產量適宜氮養分需求量見表2。糞肥中氮素當季利用率推薦值為25%。

表2 主要作物形成100kg產量需要吸收氮量推薦值

1.2.4 水體等標污染負荷

等標污染負荷指把i污染物的排放量稀釋到相應排放標準時所需的介質量，用以評價各污染源和各污染物的相對危害程度，是污染評價的常用指標，可以表達污染源本身潛在的污染水平。本文所研究的污染物包括全氮（TN）、全磷（TP）、化學需氧量（COD），其產生量根據畜禽糞尿總量和畜禽糞尿中污染物含量參數來確定。對于畜禽糞尿的流失率，陳斌璽等［17］，宋大平等［18］都是根據當地現實情況將各種畜禽糞尿流失率均按30%考慮，大多研究是把不同種類畜禽的糞尿流失率分開來考慮，本文參考史瑞祥等［19］和張國印等［20］的研究來確定的畜禽污染物參數及流失率，具體數據見表3。水資源總量為區域內降水形成的地表水和地下水總量。計算公式如下:

表3 畜禽污染物參數及流失率

①i污染物的等標排放量計算公式為:Pi= ci/c0

式中，Pi—i污染物的等標排放量（m3）；

ci—i污染物流失量（t·年-1）；

c0—污染物按GB 3838-2002Ⅲ類標準系列的閥濃度（COD 為 20 mg·L-1，TN 為 1 mg·L-1，TP為 0.2 mg·L-1）。

②畜禽糞便污染物產生量=年畜禽糞便量×畜禽糞便污染物參數。

③畜禽糞便污染物流失量=畜禽糞便污染物產生量×進入水體的流失率。

④某地區污染物的等標污染負荷指數=該地區污染物的等標排放量（Pi）/該地區水資源總量。

⑤某地區污染物的等標污染負荷比=某地區污染物的等標排放量（Pi）/某地區污染物的總等標排放量。當某種污染物的等標污染負荷比越大時，則說明該污染物的貢獻率越大。

⑥某地區污染物的擴散濃度=該地區污染物的產生量/該地區水資源總量。

2 結果與分析

2.1 河南省各地區畜禽糞尿耕地污染現狀

2.1.1 河南省各地區畜禽糞尿總量

近年來，河南省畜禽養殖規模逐漸增大，畜禽糞尿產生量增加，部分地區糞尿基數大且缺乏足夠的耕地來容納，不可避免地增加了這些地區氮磷從耕地流失到環境的風險。河南省各地區畜禽糞尿排放量如表4所示，由表4可知河南省畜禽糞尿排放總量為13 101.5萬t，其中糞便6 257.0萬t，尿5 799.4萬t。豬的糞尿產生量最高，為5 290.6萬t，占畜禽糞污排放總量的40.4%。從空間分布來看，南陽市的畜禽糞尿排放量最大，為1 970.5萬t，占河南省的15.0%。濟源市畜禽糞污排放量最小，為86.9萬t。畜禽糞尿產生量前五名的地區為南陽市、駐馬店市、周口市、商丘市和開封市，該5個地區畜禽糞尿產生量總和占河南省總量的54.0%，與周凱等［11］的研究一致。

表4 河南省各地區畜禽糞尿產生總量 （萬t）

2.1.2 畜禽糞尿污染耕地負荷及預警分析

河南省各地區的耕地負荷量及警報值級別如表5所示，糞尿耕地負荷量最大的地區為開封市，為23.0 t·hm-2。根據畜禽糞尿耕地負荷量的大小，把畜禽糞便負荷量分為6個等級［15］如表6，河南省平均負荷量為16.2 t·hm-2，警報值級別處于Ⅱ級，對環境稍構成污染威脅。全省畜禽糞尿污染程度在空間分布上呈現不均勻分布，警報值級別達到Ⅲ級的為開封市、平頂山市、漯河市，對環境構成污染威脅。警報值級別達到Ⅱ級的有洛陽市、鶴壁市、濮陽市、許昌市、三門峽市、南陽市、商丘市、周口市、駐馬店市、濟源市，對環境稍構成污染威脅。警報值級別達到Ⅰ級的為鄭州市、安陽市、新鄉市、焦作市、信陽市，對環境沒有威脅。

表5 畜禽糞尿耕地負荷量及預警分析

表6 畜禽糞便負荷預警級別

2.1.3 河南省各地區畜禽養殖現狀分析（以豬當量計）

本文依照《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》［12］，利用豬當量對河南省畜禽養殖現狀進行分析，通過作物需要的氮養分計算出各地區種植業可承載的豬當量總量，與其實際畜禽養殖豬當量總量相比較，用于評價各地區畜禽養殖量是否超量及其程度。河南省畜禽養殖現狀如表7所示，全省可承載的豬當量為7 402.4萬頭豬當量，實際養殖9 449.7萬頭豬當量，已超出2 047.3萬頭豬當量。從空間分布上看河南省大部分地區畜禽養殖豬當量均已超載，只有安陽和商丘兩市還有發展空間，其中駐馬店超載最嚴重，已超出298.7萬頭豬當量。駐馬店市、平頂山市、洛陽市、信陽市4個市超載嚴重，占超載總量的50.1%。對于上述超載地區應該合理消減畜禽養殖數量。

表7 河南省畜禽養殖量（以豬當量計算，萬頭）

2.2 河南省各地區畜禽養殖水體潛在污染現狀

2.2.1 畜禽糞便水體污染負荷

河南省位于黃河中下游，橫跨黃河、淮河、海河、長江四大水系，境內1 500多條河流縱橫交織，黃河橫貫中部，境內干流711 km，流域面積3.62萬km2，約占全省面積的1/5［21］。多年平均降水量為784 mm［22］，水資源相對較匱乏。河南省水資源量自北向南逐漸增加，信陽水資源量較豐富，鶴壁和三門峽水資源較匱乏［23］。近年來隨著畜禽養殖的增加，大量畜禽糞尿的不合理排放，造成了部分水體的污染。

經計算，2016年河南省畜禽養殖糞尿中主要污染物的流失量、等標排放量、等標污染負荷比、擴散濃度如表8所示。河南省TN、TP和COD流失量總計達78.14萬t，其中COD流失量較多，占總量的68.0%；其次是TN流失量，占27.7%；TP流失量最少，僅占4.3%。TN、TP、COD 3種污染物的等標排放量總計為41.1×1010m3，TN的等標排放量最高，占52.8%，其次是TP占40.7%，COD的等標排放量最低僅占6.5%。說明河南省水體的主要污染物是TN和TP，而COD相對較少。由于河南省水資源較匱乏，加上污染物排放量較大，故河南省水體平均污染物擴散濃度達到了128.0 mg·L-1，擴散濃度最高的為開封市達343.8 mg·L-1，最低的是信陽市為25.2 mg·L-1。信陽市地處河南省的南部，平均年降水量相對較高，水資源較充沛，故污染物擴散濃度較低。駐馬店市和南陽市的污染物對全省的影響最大，二者的等標污染負荷比分別為13.5%和13.4%。對全省影響最小的是濟源市，等標污染負荷比僅為0.8%。

表8 河南省畜禽糞便水體污染情況

2.2.2 畜禽糞便污染水體等標污染負荷指數

等標污染負荷指數是以數值的形式直接反映一個地區水體污染的嚴重程度。參考宋大平等［18］的研究，按照數值大小把畜禽糞便等標污染指數分級如表9。河南省各市的等標污染指數如圖1，河南省平均等標污染負荷指數為12.2 mg·L-1，表現為對水環境有污染。對環境污染最嚴重的是開封市，等標污染負荷指數達31.9 mg·L-1。對環境無污染的是信陽市，等標污染負荷為2.3 mg·L-1。其中開封市、濮陽市、許昌市、漯河市的等標污染負荷指數大于20 mg·L-1，對環境造成了嚴重的污染。安陽市、焦作市、濟源市的等標污染負荷指數均小于10 mg·L-1，對環境稍有影響。據統計資料顯示［19］，濮陽市、漯河市、許昌市、開封市的水資源總量均處在全省水資源總量較少的地區，由于這些地區畜禽糞尿產生量大而水資源總量少，導致等標污染負荷指數較大，耕地和水體雙重污染嚴重。而南陽市、三門峽市、信陽市雖然畜禽糞污污染物流失量較多，但水資源總量豐富，其等標污染負荷指數較低。尤其信陽市年降水量1 300 mm左右，水資源總量占河南省總量的22%，水資源較豐富，其畜禽糞污等標污染負荷指數較小，對環境影響也較小。

表9 水體負荷等標污染指數級別

圖1 河南省畜禽糞便等標污染指數

3 結論

（1）河南省2016年畜禽糞尿產生總量為13 101.5萬t，其中，南陽市的畜禽糞尿產生量最大，占河南省的15.0%。其次為駐馬店市、周口市、商丘市和開封市，這5個地區的畜禽糞尿產生量占河南省的54.0%。濟源市畜禽糞污排放量最小，為86.9萬t。

（2）河南省耕地平均負荷量為16.2 t·hm-2，警報值級別處于Ⅱ級，對環境稍構成污染威脅。最高的警報值級別達到Ⅲ級為開封市、平頂山市、漯河市，對環境構成污染威脅。河南省畜禽養殖量超出其可環境承載量達2 047.3萬頭豬當量。其中駐馬店市、平頂山市、洛陽市和信陽市超載最嚴重，占超載總量的50.1%。

（3）河南省水體的主要污染物為TN和TP，COD的等標排放量相對較少。全省平均擴散濃度達128.0 mg·L-1，已屬于嚴重污染。河南省平均等標污染指數為12.2 mg·L-1，表現為對水環境有污染。全省環境污染最嚴重的地區是開封市，污染指數達31.9 mg·L-1，對環境污染較小的是信陽市，污染指數為 2.3 mg·L-1。

（4）從污染負荷來看，開封市、平頂山市、漯河市的耕地承載負荷大，水體潛在污染嚴重，安陽市和信陽市的污染負荷較低。