基于種養平衡的吉林省遼河流域農田畜禽糞便負荷研究

黃鑫，趙興敏*，蘇偉，鄭玉昕，王鴻斌，王玉軍

（1.吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118；2.吉林省環境科學研究院，長春 130012）

改革開放40多年來，我國經濟迅猛發展，已經成為世界第二大經濟體，但隨著我國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，農業現代化和可持續性發展成為國民經濟高質量發展的重要組成部分，綠色發展建設已成為當前我國亟待解決的重要問題。

東北地區是我國重要的糧食生產基地與畜牧業生產基地，根據《2018年中國統計年鑒》數據，東北糧食產量占全國總產量的21.0%，其中玉米產量占全國總產量的33.7%，大豆更是占比43.9%，這在保障國家糧食安全與農產品供需平衡中占有重要的戰略地位。遼河平原作為東北三大平原之一，在當地農業生產中發揮著重要作用，而吉林省遼河流域作為遼河的上游地區，其生態環境形勢卻不容樂觀。吉林省第二次全國污染源普查公報顯示，2017年吉林省各大類污染源中，畜禽養殖業帶來的污染問題比較突出，其排放的化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）分別占總排放量的68.9%、47.3%、69.8%，遠超工業污染源所帶來的危害。隨著我國工業現代化不斷發展，逐步完善了工業減排管理體制，工業點源污染排放得到了有效控制。按照當前國內外農業面源污染排放的情況，畜禽糞便若處置不當將會給當地生態環境帶來巨大風險。目前針對吉林省遼河流域的研究主要集中在水體環境和生態系統等方面，但對農田畜禽糞便污染的研究鮮有報道。

為此，本研究以吉林省遼河流域（四平市區、雙遼市、梨樹縣、公主嶺市、伊通縣、遼源市區及東遼縣）為研究區域，通過各市縣2017年畜禽養殖基礎數據，結合種植業年度統計數據，進行畜禽糞便負荷及環境風險分析研究，以為防治畜禽養殖污染，科學規劃養殖業發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 畜禽糞便負荷核算數據

以吉林省遼河流域畜禽養殖業和種植業為研究對象，養殖業數據來源于各市縣第二次全國污染源普查，具體情況如圖1所示。

圖1 2017年吉林省遼河流域畜禽養殖數量Figure 1 Amount of livestock husbandry in Liaohe River basin of Jilin Province in 2017

通過四平市和遼源市《統計年鑒》，獲取2017年耕地面積。畜禽糞便的排泄系數是負荷核算的基礎，考慮到不同地區飼養周期和養殖方式差異，根據前人研究的東北地區畜禽有關數據，并結合調研資料確定了吉林省遼河流域畜禽糞便產生量核算相關參數，見表1。

表1 畜禽糞便產生量核算相關參數Table 1 Parameters related to the accounting of livestock manure production

1.1.2畜禽養殖環境承載力數據

根據《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》及吉林省農田耕地土壤養分資料，確定了不同作物生長的氮磷養分需求量（表2）。施肥供給氮養分占比為35%，磷占比為45%；糞肥占施肥比例為50%；糞肥當季氮養分利用率為27.5%，磷養分利用率為32.5%。各市縣農作物生產情況來源于當地統計年鑒數據（表3）。

表2 吉林省遼河流域主要農作物單位經濟產量養分需求量（kg·t-1）Table 2 Demand nutrients per ton economic yield in Liaohe River basin of Jilin Province（kg·t-1）

表3 2017年吉林省遼河流域主要農作物生產情況（t）Table 3 Production of main crops in Liaohe River basin of Jilin Province in 2017（t）

1.2 核算方法

1.2.1 畜禽糞便產生量及耕地負荷核算

畜禽糞便產生量核算采用國家環保總局推薦的測算方法，計算公式為：

式中：為各類畜禽糞便產生量，t·a；為出（存）欄量，頭（羽）；為飼養周期，d；為各類糞便日排泄系數，kg·頭（羽）·a。

先將各類畜禽糞便統一折算成豬糞當量，再進行畜禽糞便負荷量核算，計算公式為：

式中：為畜禽糞便負荷量，t·hm·a；為各類畜禽糞便豬糞當量總量，t·a；為有效耕地面積，hm；為各類畜禽糞便總量，t·a；為豬糞當量折算系數。

為了更全面反映各地區畜禽糞便環境污染威脅程度，引用畜禽糞便污染警戒值概念，具體警戒值分級情況見表4，其計算公式為：

表4 畜禽糞便污染警戒值分級Table 4 Classification of alarming values for loading amount of livestock feces

式中：為畜禽糞便負荷量警戒值；為有機肥最大適宜施肥量，t·hm·a。由于各地區的地貌條件、土壤類型及氣候等原因值的選取不盡相同，基于吉林省遼河流域種植業實際情況考慮，本研究選用30 t·hm·a。

1.2.2 畜禽養殖環境承載力計算

畜禽糞便的總量大、運輸成本高，決定了其無法進行大范圍、跨地區移動，因此畜禽糞便必須在一定區域內自我消化。本研究基于所有的畜禽糞便就地還田，通過種養平衡核算畜禽養殖環境承載力。首先計算流域內農作物生長對氮、磷養分的需求量，計算公式為：

式中：為農作物生長對氮、磷養分的需求量，kg；G為第類農產品的年總產量，t；H為第類農產品單位產量所需的氮、磷養分量，kg·t。

農作物生長所需的養分主要由土壤、化肥和畜禽糞便還田等提供，糞肥養分按照理論推薦值為50%，所以農作物糞肥養分需求量計算公式為：

式中：為域農作物糞肥養分需求量，kg；為域農作物養分需求量，kg；為施肥供給養分占比，%；為糞肥占施肥比例，%；為糞肥當季利用率，%。

綜合考慮畜禽糞便養分在收集、處理和貯存過程中的損失，單位豬當量的氮養分供給量為7 kg，磷為1.2 kg，計算氮（磷）畜禽養殖環境承載力公式為：

式中：為氮（磷）畜禽養殖環境承載力，頭豬當量·hm；為域農作物糞肥氮（磷）養分需求量，kg；為單位豬當量糞肥氮（磷）養分供給量，kg；為耕地面積，hm。

為評估當前實際養殖產生量相較于理論環境承載力的飽和程度，研究各地畜禽糞便產生量是否會對農田帶來環境污染風險，本研究引入畜禽糞便污染風險指數，并將其進行污染威脅程度分級（表5）。

表5 畜禽養殖環境污染風險分級Table 5 Classification of environmental pollution risk for livestock husbandry

式中：為畜禽糞便污染風險指數；為單位耕地面積實際承載畜禽數量，頭豬當量·hm；為氮（磷）畜禽養殖環境承載力，頭豬當量·hm。

2 結果與分析

2.1 吉林省遼河流域畜禽糞便產生量

吉林省遼河流域2017年畜禽糞便構成比例和產生量如圖2所示，糞便總量為537.59萬t。總體來看，畜禽糞便產生量大小依次為生豬>肉牛>蛋雞>奶牛>肉雞，分別為229.52萬、199.96萬、60.26萬、36.29萬、11.56萬t，占比依次為42.69%、37.20%、11.21%、6.75%、2.15%。畜禽糞便主要來源地也不盡相同，其中奶牛和肉牛糞便主要集中在公主嶺市、東遼縣、雙遼市，這3個市縣的奶牛和肉牛糞便占牛糞產生總量的68.63%；梨樹縣、伊通縣、公主嶺市的豬糞產生量均超過了當地畜禽糞便量的50%，同時這3個市縣的豬糞產生量也占據了豬糞總量的65.42%；蛋雞和肉雞糞便主要分布在東遼縣、梨樹縣、公主嶺市，這3個市縣的蛋雞和肉雞糞便占雞糞產生總量的72.91%。

圖2 2017年吉林省遼河流域畜禽糞便產生量與耕地面積Figure 2 The production of livestock manure and area of farmland in Liaohe River basin of Jilin Province in 2017

對市縣畜禽糞便構成比例進行分析，雙遼市、四平市區和東遼縣的牛糞占當地畜禽糞便總量的比例分別為71.54%、61.95%和54.94%，梨樹縣、伊通縣、公主嶺市和遼源市區豬糞占比分別達到65.61%、52.84%、50.73%和41.62%。由此可以看出，2017年吉林省遼河流域最主要的糞便污染是由牛產生的，其次是豬，這兩者的產生量占總量的86.65%。

從各市縣的畜禽糞便的豬糞當量看，公主嶺市的產生量最高，達159.91萬t，占流域畜禽糞便總量的29.39%；其次是梨樹縣和東遼縣，產生量分別為114.48萬、109.81萬t，各占比為21.04%、20.18%；再次是伊通縣和雙遼市，這兩個市縣的畜禽糞便產生量均達到了45萬t；而產生量較小的是四平市區和遼源市區，分別為30.03萬t和12.13萬t。從各市縣耕地面積進行分析，公主嶺市的耕地面積最大為31.57萬hm，其次是梨樹縣，耕地面積為24.18萬hm，這兩個市縣的耕地面積占總耕地面積的55.69%。四平市區和遼源市區耕地面積少，僅有2.09萬hm和1.00萬hm，僅占比4.09%，其余市縣耕地面積相差較小，但是均達到10萬hm以上。由此可以看出，畜禽糞便產生量大的市縣往往耕地面積也更多，這為消納畜禽糞便提供了足夠的空間，從而減輕畜禽糞便對當地農田的污染風險。

2.2 吉林省遼河流域畜禽糞便負荷量

目前，吉林省畜禽糞便的主要處理方式是直接還田，將各市縣的耕地作為畜禽糞便實際負載區域，核算出各地區的畜禽糞便負荷量，如圖3所示。結果表明，該流域的平均畜禽糞便負荷量為5.43 t·hm·a，其中遼源市區的負荷量最高，為12.09 t·hm·a，其次為東遼縣、四平市區，負荷量分別為10.50、9.72 t·hm·a，另外伊通縣也超過平均畜禽糞便負荷量，為5.81 t·hm·a。而梨樹縣、公主嶺市和雙遼市位于流域中下游，農業種植面積相對較多，其負荷量均在平均值以下，故這些區域消納畜禽糞便的潛能大，對周邊環境影響小。

圖3 吉林省遼河流域畜禽糞便負荷量Figure 3 The manure load of livestock in Liaohe River basin of Jilin Province

2.3 吉林省遼河流域畜禽糞便負荷預警分析

根據畜禽糞便負荷風險分級，吉林省遼河流域平均警戒值為0.18，對環境暫無明顯影響。但是按照縣區劃分進行核算發現，遼源市區的警戒值超過0.4，對環境已經構成一定程度的威脅，東遼縣、四平市區的警戒值處于Ⅱ級預警的邊緣，如果畜禽糞便處置不當也會對周邊農田產生威脅。其余市縣的畜禽糞便污染警戒值較小，對當地環境基本無影響。結合GIS地理信息技術分析發現（圖4），遼源市區、東遼縣和四平市區位于吉林省遼河流域的中上游，而畜禽養殖場大多靠近水體，這將會對流域水質環境產生較為嚴重的威脅。

圖4 吉林省遼河流域畜禽糞便負荷風險等級Figure 4 The risk level of manure load for livestock in Liaohe River basin of Jilin Province

2.4 畜禽養殖環境承載力

基于種養平衡理念進行核算，環境承載力可以反映當地耕地對畜禽糞便的消納能力，該數值在一定程度上決定了區域養殖發展的空間。結合歐盟國家耕地消納糞肥限量值（以氮、磷計分別為170、35 kg·hm，相當于24.29、29.17頭豬當量·hm），根據畜禽養殖環境承載力的高低（圖5），將吉林省遼河流域承載力分為3個層次：梨樹縣和公主嶺市屬于高承載力區，這兩個市縣基于氮的環境承載力分別為152.54 kg·hm和143.36 kg·hm，基于磷的環境承載力分別是23.63 kg·hm和21.99 kg·hm；伊通縣和雙遼市為一般承載力區，基于氮的環境承載力處于負荷上限標準的65%~75%，磷的環境承載力分別是19.08 kg·hm和20.49 kg·hm；遼源市區、東遼縣、四平市區為承載力偏低區，畜禽養殖環境的氮、磷承載力均小于限量標準的60%，其中四平市區最低，僅有78.64 kg·hm和11.81 kg·hm。吉林省遼河流域平均氮、磷環境承載力分別為131.39 kg·hm和20.65 kg·hm，梨樹縣和公主嶺市超過平均值，畜禽養殖發展潛力較大，而四平市區和遼源市區的環境承載力相對較低，具有畜禽養殖環境污染的風險。

圖5 吉林省遼河流域畜禽養殖環境承載力Figure 5 The environmental carrying capacity of livestock husbandry in Liaohe River basin of Jilin Province

2.5 畜禽養殖環境污染風險分析

根據畜禽養殖環境風險指數核算，如圖6所示，四平市區和遼源市區的氮污染風險指數分別為1.25、1.07，說明這兩個地區沒有足夠的耕地消納禽畜糞便，這將會對農田產生一定程度的危害。遼源市區的磷污染風險指數為1.08，屬于磷環境中等污染風險，四平市區和東遼縣的磷污染風險指數分別為0.97、0.63，屬于磷畜禽養殖環境低污染風險。綜合氮和磷畜禽養殖環境風險評估發現，遼源市區、東遼縣和四平市區屬于畜禽養殖風險區，且具有污染地區成塊分布、氮和磷養分同時失衡的特征，而其余市縣屬于畜禽養殖環境安全區，對現有的養殖規模具有一定的承載潛力。

圖6 吉林省遼河流域畜禽養殖環境污染風險評估Figure 6 The risk assessment for pollution of livestock husbandry in Liaohe River basin of Jilin Province

3 討論

3.1 關于畜禽糞便負荷量的核算

吉林省遼河流域近5年來養殖規模不斷擴大，畜禽數量相較于2011年增加了近20%，但是畜禽養殖種類構成基本不變。目前流域內主要養殖種類是雞，占養殖總量的88.45%，牛的養殖量最少，僅占總量的0.78%。不同畜禽糞便的排泄系數差異顯著，以奶牛和蛋雞為例，兩者相差186倍。畜禽糞便排泄系數的差異，導致牛的養殖量雖然遠不及雞和生豬，但是前者的糞便產生量卻大于后者。

公主嶺市、梨樹縣和雙遼市區雖然畜禽糞便量很高，豬糞當量分別是159.9萬、114.5萬、45.7萬t，但是這3個市縣的農田負荷風險屬于安全等級，結合地區耕地面積進行分析發現，公主嶺市、梨樹縣和雙遼市區擁有吉林省遼河流域31.5%、24.2%和17.4%的耕地面積，這使得畜禽糞便擁有更多消納的空間，從而降低了畜禽糞便負荷污染風險；以四平市區、遼源市區為例，這兩個區畜禽豬糞當量最低，但是由于這兩個區的耕地面積小，僅占總耕地面積的3.08%和1.01%，從而導致了這兩個區農田負荷量大，分別達到9.72 t·hm·a及12.09 t·hm·a。

為了進一步明確畜禽養殖環境風險范圍，將遼源市區、四平市區按照行政區域劃分核算，結果如表6所示。研究表明龍山區和鐵西區污染警戒值分別為0.43和0.52，而西安區和鐵東區為0.36和0.22，說明龍山區和鐵西區為畜禽糞便污染Ⅱ級風險區，而西安區和鐵東區則屬于安全區，這進一步縮小了畜禽污染風險范圍，為劃分畜禽養殖安全區提供了依據。

表6 2017年四平及遼源市區畜禽糞便污染警戒值與風險等級Table 6 Warning valuesand risk levels of livestock manure pollution in Siping City and Liaoyuan City in 2017

從整體上看，吉林省遼河流域大多數市縣畜禽糞便負荷風險等級處于Ⅰ級，對周圍環境暫無威脅，僅龍山區和鐵西區對環境稍有威脅。通過對比流域畜禽糞便相關研究發現，畜禽糞便負荷風險區域劃分結果與本文一致，但是負荷量核算結果卻相差較大，其平均畜禽糞便負荷量達到了61.16 t·hm·a，超出目前公認的30 t·hm·a的畜禽糞便還田限值，遠高于同一時期吉林省平均畜禽糞便負荷量15~18 t·hm·a。早期研究通常采用全國統一的畜禽產排污系數，核算數值較大，而不同省份和地區的養殖模式、密度和糞便處理方式等因素有很大的差異，本研究采用東北地區系數進行核算，結果則較小，造成了本研究畜禽糞便負荷量核算結果與其他學者存在一定的差異。

3.2 畜禽養殖環境污染及風險控制

對比吉林省遼河流域畜禽糞便負荷和環境承載力發現，雖然四平市區和東遼縣屬于畜禽糞便負荷安全區，但是區域內的氮、磷畜禽養殖環境屬于有污染風險狀態，耕地土壤的氮磷含量有超標風險，這些市縣需要加緊對畜禽糞便的資源化利用，控制對環境的污染影響。

從種養平衡角度進行分析，遼源市區、四平市區和東遼縣的實際養殖數量超過或接近該地區環境承載能力的上限，可能引起氮磷供求失衡，造成較大的畜禽環境污染風險，需要減少畜禽養殖規模或者擴大高標準農田建設面積，以使地區種養保持平衡。從這3個市縣的作物產量看，玉米產量最大，占區域作物總產量的81%，由于玉米單位產量養分需求量相較于大豆、油料作物要小很多，這些區域若要減少畜禽養殖環境風險，需要改變種植作物類型，進一步增加大豆、油料作物的播種面積，擴大種植業對氮、磷養分的需求量，力求作物養分供求平衡，避免種養結合的盲目性和環境污染問題。

4 結論

（1）2017年吉林省遼河流域畜禽糞便產生量達537.59萬t，其中公主嶺市產生量最多，為171.33萬t，其次為梨樹縣，為109.84萬t。

（2）吉林省遼河流域的畜禽糞便負荷量平均為5.43 t·hm·a，畜禽糞便污染警戒平均值為0.18，遼源市區的糞便負荷量最大，為12.09 t·hm·a，達到Ⅱ級環境污染風險，對當地農田環境產生了威脅。其余市縣糞便負荷量都處于安全范圍，對周圍環境基本無影響。

（3）畜禽養殖氮、磷環境承載力平均值分別為131.39 kg·hm和20.65 kg·hm，四平市區的氮環境承載力最弱，為78.64 kg·hm，遼源市區的磷污染風險指數最大為1.08。根據畜禽養殖環境風險劃分，遼源市區屬于氮和磷中等污染風險區，東遼縣屬于氮和磷低污染風險區，而四平市區分別是氮中等風險區和磷低風險區。其余市縣對畜禽糞便具有一定的消納潛力，屬于畜禽養殖環境安全區域。