基于耕地消納能力和水環境容量的畜禽糞便環境承載力分析
——以宜春市為例

袁定波，王紅利，廖 兵，熊 鵬*，張秋根，唐 豪，張 穎

（1.江西省生態環境科學研究與規劃院，江西 南昌 330039；2.河海大學 環境學院，江蘇 南京 210098；3.南昌航空大學 環境與化學工程學院，江西 南昌 330063；4.江西水利職業學院，江西 南昌 330013）

隨著畜牧業朝集約化與規模化方向快速發展［1］，規模畜禽養殖廢棄物所帶來的環境問題也越來越嚴重［2］。第一次全國污染源普查數據表明：畜禽養殖業糞便產生量達2.43億t，尿液產生量達1.63億t；主要水污染物排放量COD 1268.26萬t、總氮102.48萬t、總磷16.04萬t、銅2397.23 t、鋅4756.94 t，COD、總氮、總磷排放量分別占全國總排放量的41.9%、21.7%、37.7%，分別占農業源排放量的96%、38%、65%［3］。畜牧業統計數據和污染源普查動態更新數據表明，全國畜禽養殖污染物排放量在污染物總排放量中的占比呈上升趨勢［4］。由于畜禽糞尿具有收集難度大、轉運要求高等難點，決定了其不適于大范圍跨地區移動處理，耕地消納仍是較為經濟可行的畜禽污染物處理方式［5］。當畜禽污染物超過自然消納能力時，經過物質循環的污染物最終將進入土壤，造成土壤及水體污染，導致農作物減產，進而威脅人類健康［6］。

我國關于畜禽糞便對環境影響的研究從糞污處理模式、資源化利用方式、政策與法律法規制定方面逐漸聚焦于畜禽糞污空間特征和環境承載力分析等方面［7］。例如：仇煥廣等［8］測算了各省區不同畜禽糞污的排放量與污染量，并采用農業空間均衡模型對中國畜禽污染的空間特征進行了分析；邱樂豐等［10］根據農作物生長對氮磷養分需求量與畜禽養殖氮磷養分供給量之間的差額，使用養分平衡法對杭州市農用地畜禽養殖環境承載力進行了估算；潘瑜春等［11］參考歐洲標準和相關文獻設定耕地和果園的氮（磷）限量標準，分析了北京市平谷區及其各鄉鎮耕地和果園對畜禽養殖的承載潛力；史瑞祥等［12］通過文獻調研與相關數據資料收集，量化分析了陜西省安康市的畜禽糞便環境承載力；韓成吉等［13］在分析社會經濟、畜禽養殖和種植業各子系統及其要素特征的基礎上，建立了畜禽糞污土地承載力系統動力學模型，并在石家莊市對模型的有效性進行了檢驗。定量分析畜禽糞便的環境承載力，對于編制省、市、縣級“十四五”畜禽養殖污染防治規劃，科學布局區域養殖產業，具有十分重要的意義。筆者選擇贛江流域重要城市宜春市為研究區，基于耕地消納能力和水環境容量對全市畜禽糞便的環境承載力進行了分析，以期為編制宜春市畜禽養殖污染防治規劃提供依據，保障全市畜禽養殖業可持續發展。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

宜春市位于江西省西北部，地處東經113° 54′～116°27′、北緯27°33′～29°06′之間。其東境與南昌市接界，東南與撫州市為鄰，南陲與吉安市及新余市毗連，西南與萍鄉市接壤，西北與湖南省的長沙市及岳陽市交界，北域與九江市相鄰，總面積1.87萬km2，下轄1個區（袁州）、6個縣（萬載、宜豐、銅鼓、上高、奉新、靖安），代管3個縣級市（豐城、樟樹、高安）。

1.2 數據來源

宜春市畜禽養殖數據由2020年全市規模化畜禽養殖場摸底調查數據統計分析而來；土地利用類型數據來源于2020年中國科學院30 m地表覆蓋精細分類產品數據［14］。水環境容量計算以縣級行政區為單元開展，根據《水環境承載力評價方法》（試行）要求：參與評價的斷面至少每季度監測1次，包括國控、省控、市控和縣控斷面；涉及上下游縣（區）的出入境斷面，均納入上游縣（區）進行評價；存在往返流的斷面按照年度主流方向，確定上游縣（區）；涉及2個或多個縣（區）界河的斷面，同時參與所有涉及縣（區）的水環境承載力評價。經比選，確定選取30個控制斷面進行宜春市水環境容量計算，各斷面的分布情況詳見圖1。

圖1 宜春市控制斷面的分布

2 研究方法與參數選取

2.1 存、出欄量換算

2020年宜春市規模化畜禽養殖場摸底調查統計了年度畜禽存欄量和出欄量。根據畜禽種類和存出欄時間的差異，本文選取生態環境部、農業農村部2021年7月制定的《畜禽養殖污染防治規劃編制指南（試行）》推薦的存出欄換算系數（表1），將不同畜禽種類出欄量折算為存欄量，并在此基礎上綜合考慮畜禽養殖對環境的影響。

表1 畜禽存出欄量換算系數

2.2 畜禽糞尿產生量、污染物含量及流失量估算

根據畜禽種類、飼養周期以及糞尿排泄系數的不同，畜禽糞尿年產生量計算公式為：

畜禽糞尿年產生量=畜禽年存欄量×飼養周期×畜禽糞尿排泄系數/1000 （1）

式（1）中：畜禽糞尿年產生量的計量單位為t；糞尿排泄系數的計量單位為kg/d。畜禽的平均飼養周期：豬199 d［15］、牛365 d［16］、羊365 d［17］、家禽210 d［18］。

畜禽糞尿中的COD、NH3-N、BOD、TN、TP等污染物年產生量計算公式為：

式（2）中：污染物年產生量的計量單位為t；產污系數的計量單位為kg/t。

畜禽糞尿污染物進入水體后的年流失量計算公式為：

各類畜禽糞尿的排泄系數、產污系數以及污染物進入水體的流失率均采用原國家環保部公布的數據［15］，詳見表2和表3。

表2 各類畜禽糞污的排泄系數和產污系數

表3 各類畜禽糞尿污染物的流失率 %

2.3 畜禽糞尿耕地負荷量估算及預警分析

畜禽糞尿耕地負荷量是指特定區域耕地消納糞尿的能力。由于不同畜禽糞尿的肥效養分差異較大，所以原國家環保部生態司建議將畜禽糞尿換算成更容易掌握的豬糞當量，從而計算糞便施用量，并以此計算耕地負荷量。畜禽糞尿換算成豬糞當量的系數采用原國家環保總局公布的豬糞當量換算系數推薦值（表4）；豬糞當量耕地負荷量的計算公式為：

表4 各類畜禽糞便的豬糞當量系數

式（4）中：q表示單位耕地面積豬糞當量負荷量［t/（hm2·a）］；Q表示各類畜禽糞尿的豬糞當量產生量（t/a）；S表示耕地面積（hm2）；X表示各類畜禽糞尿產生量（t/a）；T表示對應畜禽糞尿換算成豬糞當量的換算系數。

單位耕地面積畜禽糞尿的豬糞當量負荷與耕地理論最大適宜污染物承載量的比值表示區域畜禽污染負荷量警報值，污染負荷警報值越高，則畜禽糞尿污染物對環境的影響越大［19］，耕地消納多余污染物的能力越低。由于本研究區主要種植水稻、時令蔬菜等短周期季節性作物，因此耕地理論適宜污染物承載量低于北方等長周期農耕地區。在借鑒相關研究成果［20］的基礎上，本文選擇每年每公頃耕地消納30 t畜禽糞便作為宜春市耕地理論最大適宜污染物承載量。畜禽污染負荷警報分級標準見表5。

表5 畜禽污染負荷警報分級標準

2.4 水環境容量評價

水環境容量（承載力）評價指標包括水質時間達標率和水質空間達標率。其中水質時間達標率（A1）反映評價區域內水質在時間尺度上的達標情況，是所有斷面（點位）水質時間達標率的算術平均值；斷面（點位）水質時間達標率指在1年內不同時期水質達標次數占總監測次數的百分比，計算公式為：

式（5）和式（6）中：n為區域內斷面（點位）個數；Ci是指第i個斷面（點位）水質時間達標率。

水質空間達標率（A2）反映評價區域內水質在空間尺度上的達標情況，指區域內年度達標斷面（點位）個數占斷面（點位）總個數的百分比，計算公式為：

式（7）中，達標斷面（點位）指1年內不同時期水質監測數據的算術平均值不超過目標值的斷面（點位），否則為不達標斷面（點位）。

水環境容量（承載力）指數（Rc）可定量反映水環境容量的大小，該指數值越高，水環境容量越大，表明區域水環境系統對社會經濟系統的支撐能力越強。其計算公式為：

根據水環境容量（承載力）指數的大小，可將水環境容量評價結果劃分為超載、臨界超載、未超載3種類型。當Rc＜70%時，判定該區域為超載狀態；當70%≤Rc＜90%時，判定該區域為臨界超載狀態；當Rc≥90%時，判定該區域為未超載狀態。

3 結果與分析

3.1 畜禽養殖量與糞便產生量分析

由表6可知，根據2020年30 m土地利用類型數據，豐城和高安的耕地面積遠多于其他縣（區），分別達到了93869.62和92064.63 hm2，分別占全市耕地總面積的21.28%和20.87%；僅靖安和銅鼓的耕地面積少于25000.00 hm2，分別為10813.43和8590.91 hm2，分別占全市耕地總面積的2.45%和1.95%。各縣（區）耕地面積及畜禽養殖情況見表6。從畜禽養殖結構來看，生豬和雞是宜春市最主要的規模化養殖畜（禽）種，全市生豬的出欄總量和存欄總量分別達到了271.01萬頭和303.84萬頭，其中，樟樹、萬載、高安、上高、豐城的生豬年存欄量與出欄量之和均在57萬頭以上，而靖安和銅鼓的生豬養殖規模均在4萬頭以下。全市各縣（區）畜禽養殖規模與耕地面積呈正相關，可消納糞污的耕地越多的縣（區），養殖規模越大，這表明全市畜禽養殖產業的布局總體合理。

表6 2020年宜春市各縣（區）耕地面積及畜禽養殖數量

宜春市2020年畜禽糞尿總產生量為364.32萬t，其中豬糞、豬尿的產生量最高，分別達到了120.93萬t和199.53萬t，分別占全市畜禽糞尿總產生量的33.19%和54.77%（表7）。從全市養殖糞污排放的空間分布情況（圖2）來看，僅奉新、靖安和銅鼓的豬糞尿總量低于10.00萬t，而其余7個縣（區）的豬糞尿總量均高于25.00萬t；全市各縣（區）畜禽養殖糞尿排放量不均衡，呈現出由北往南逐漸增加的趨勢，這與北部位于幕連九山脈生態屏障的生態保護格局一致。

圖2 2020年宜春市各縣（區）豬糞尿排放量的空間分布

表7 2020年宜春市各縣（區）畜禽糞便產生量 萬t

3.2 糞污產生量及流失量分析

根據表1中的存出欄換算系數，計算全市各畜禽種類的理論存欄量，并基于表2、表3中的糞污排泄系數、產污系數和流失率計算宜春市各類畜禽糞污的產生量和流失量。全市畜禽糞尿污染物總含量表現為COD＞BOD＞TN＞NH3-N＞TP，分別為93428.24、89237.91、16869.21、7609.09、6288.56 t （表8和圖3），其中，樟樹、高安、上高、萬載、袁州的COD、NH3-N、BOD、TN和TP等污染物流失量高于其他縣（區）。根據各縣（區）的河流走向和匯水范圍，萬載、上高和高安的畜禽養殖污染物主要對錦江水環境安全產生影響，而袁州、樟樹和豐城的畜禽養殖污染物則主要對袁河及贛江的水環境安全產生影響。

圖3 2020年宜春市各縣（區）畜禽糞便污染物的流失量

表8 2020年宜春市畜禽糞便主要污染物的產生量及流失量 t

3.3 耕地消納畜禽糞便預警分析

根據表4中畜禽糞便豬糞當量換算參數，將不同畜禽種類污染物折算為豬糞當量；考慮全市60%的耕地使用畜禽糞污作為肥料，折算得到的各縣（區）耕地消納豬糞當量詳見表9。宜春市耕地豬糞當量負荷平均值為11.38 t/hm2，在各縣市區之間的差異較大，其中上高縣豬糞當量負荷最高，達到22.71 t/hm2，負荷級數達到Ⅲ級；樟樹、萬載、宜豐、銅鼓的單位耕地豬糞當量負荷級數均為Ⅱ級；奉新、靖安的耕地豬糞當量負荷分別僅為2.32和3.23 t/hm2；銅鼓由于耕地面積少，單位耕地面積的豬糞當量負荷達到11.97 t/hm2，接近全市的平均值。

表9 耕地消納畜禽糞便負荷預警分析結果

3.4 水環境容量評價

2020年，豐城市共有4個評價斷面、48次月值水質數據出現過5次水質超標；高安市共有3個評價斷面、36次月值水質數據出現過4次水質超標；樟樹市共有8個評價斷面、96次月值水質數據出現過4次水質超標情況；豐城、高安、樟樹的水質時間達標率分別為90%、89%和96%。30個評價斷面的2020年年均水質數據均未超標，各縣（區）的水質空間達標率均為100%。10個縣（區）的水環境容量都超過90%，表明宜春市各縣（區）水環境容量均處于未超載狀態。各縣（區）水質時間達標率、空間達標率和水環境容量詳見表10。

表10 宜春市各縣（區）水環境容量（承載力）

4 小結與討論

2020年宜春市最主要的規模化養殖畜禽種為豬和雞，各縣（區）的養殖規模不均衡，其中樟樹、萬載、高安、上高的生豬年存出欄總量均在57萬頭以上。在畜禽糞污產生量方面，豬糞和豬尿的產生量分別占全市畜禽糞尿總產生量的33.19%和54.77%，僅奉新、靖安和銅鼓的豬糞尿總量低于10萬t。根據各縣市區河流匯水特征以及畜禽糞污污染物流失情況，樟樹、高安、上高、萬載、袁州排放的COD、NH3-N、BOD、TN等污染物對錦江、袁河及贛江水環境的影響較大。就耕地豬糞當量負荷而言，以上高縣最高，達到22.71 t/hm2，負荷級數為Ⅲ級；而奉新、靖安分別僅為2.32和3.23 t/hm2。宜春市各縣（區）的水環境容量均未超載，說明區域水環境系統對畜禽養殖仍有較強的支撐能力。

本研究結果可以用來指導各縣（區）畜禽養殖的合理布局，為科學編制宜春市畜禽養殖污染防治規劃提供參考。但本研究也存在不足之處，如畜禽養殖周期、排泄系數等參數的選取主要來源于相關文獻資料，不一定符合江西的情況；另外本文單獨分析了耕地消納能力與水環境容量對畜禽養殖情況的影響，并未將兩者進行耦合，未來將在耕地消納能力與水環境容量耦合模型方面開展深入研究，以期為區域畜禽養殖污染防治提供更加科學的依據。