基于耕地承載力的十堰市畜禽養殖環境風險評價

龔世飛，肖能武，丁武漢，居學海，吳平華，余永松，李虎

基于耕地承載力的十堰市畜禽養殖環境風險評價

龔世飛1，肖能武1，丁武漢2，居學海3，吳平華1，余永松1，李虎2

1丹江口庫區十堰生態農業研究院，湖北十堰 442000；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125

【目的】十堰市是南水北調中線工程的核心水源區，全面認識畜禽養殖污染現狀及其對耕地的潛在威脅，為加強畜禽糞便風險管控提供依據?！痉椒ā窟\用畜禽糞便環境風險評價模型，對十堰市各縣（區、市）2020年主要畜禽糞便來源結構進行定量分析，并從種養平衡視角對其環境風險進行綜合評價。【結果】十堰市2020年主要畜禽養殖糞便豬糞當量達306.85×104t，且主要分布于鄖陽區、丹江口市和房縣，糞便中有機物的化學需氧量（COD）最大（57.00×104t），總氮（TN）（2.63×104t），總磷（TP）含量較少（0.65×104t）。十堰市畜禽養殖等標污染負荷總量為15.532×1010m3，且在不同地區的來源結構差異明顯，TP是畜禽養殖的首要污染物，其污染等標負荷占負荷總量的41.68%，其次為TN，污染負荷率為33.85%，COD的等標污染負荷率最小，為24.47%。養牛是十堰地區畜禽養殖面源污染的首要污染源，對等標污染負荷總量的貢獻率達49.47%，其次為家禽（21.60%）。環境污染風險評價結果顯示，全市單位耕地畜禽糞便負荷強度為10.15 t·hm-2，警報值為0.338，分級指數為Ⅰ，對環境構成污染的威脅為“無”。TN、TP的負荷強度分別為0.09和0.02 t·hm-2，環境風險指數為1.023和1.223，但區域間存在明顯的空間分異特征。全市有超過1/2地區存在潛在的畜禽養殖污染風險，其中以茅箭區和鄖陽區最為突出。以磷（P）為衡量標準，十堰市養殖總量須在現有基礎上消減98.51萬頭豬當量?！窘Y論】保持合理的畜禽養殖規模（≤441.00萬頭豬當量），同時做好污染物消減措施，對促進十堰市種養平衡和畜禽養殖業有序發展具有重要意義。

十堰市；耕地承載力；畜禽糞便；耕地負荷；環境風險

0 引言

【研究意義】長期以來，畜禽養殖業一直是我國農業農村經濟發展的重要支柱產業。尤其是近年來，隨著社會經濟的迅猛發展，畜禽養殖業的經營方式也正由分散養殖向規?；?、集約化和產業化發展方向轉變[1]，我國的肉類、蛋類和禽類產量經過連續多年穩定增長已躍居全球首位[2-3]。然而，在保證畜禽產品有效供給的同時，迅速增加的養殖糞污對環境構成的威脅也在不斷攀升，已經成為農業面源污染的重要成因之一[4-5]。根據2020年發布的第二次全國污染源普查公報結果顯示，我國畜禽養殖業排放的化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）分別為1 000.53×104、53.63×104、11.97×104t，分別占全國排放總量的46.67%、19.61%、37.95%，占農業源污染物排放量的93.76%、42.14%和56.46%，總體占比較高。因此，準確認識畜禽養殖業的污染來源、負荷強度和分布特征及其潛在環境風險，對有針對性地提出養殖業面源污染防控策略，進而推動區域農業綠色發展和生態環境保護均具有十分重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】圍繞畜禽養殖污染現狀和環境負荷問題，學界已開展了很多工作。有研究表明畜禽糞便可在較高程度上填補氮、磷肥的需求，具有較大替代化肥潛力[6-7]，但不同省份間畜禽糞尿磷負荷量和還田量污染風險具有較大差異，多數地區的糞尿磷污染風險較大[8]。丹江口庫區作為我國南水北調中線工程源頭，是生態功能極重要區和生態環境極敏感區，水源地生態環境狀況直接關系到京、津、冀地區的戰略性用水安全。研究者[9]對水源地典型流域農業面源污染的監測顯示，水體中TN平均質量濃度已超過Ⅳ類水標準，TP平均質量濃度接近Ⅱ類水標準。綜合現有研究結論不難發現，畜禽養殖業伴隨的污染負荷對庫區負荷總量的貢獻超過50%[10-12]，是導致當前庫區水體污染的首要來源?！颈狙芯壳腥朦c】十堰市地處丹江口庫區下游腹地，是國家級生態示范區和鄂西北山區國家級生態功能保護區，同時還是南水北調中線工程的純調水區和核心水源涵養區，地理位置尤為特殊。且隨著中線工程正式通水以來配套“限養禁養”政策的推行，庫區的畜禽養殖業在發展結構、空間分布等方面也正經歷一系列變化，目前關于庫區畜禽養殖污染的認識主要集中在市域尺度或大流域尺度，抑或以整個畜禽養殖源為研究單元進行總體探討，而在縣域層面針對畜禽養殖污染來源、主要污染物分布特征和畜禽養殖環境風險評價的研究仍顯不足，以致影響了庫區畜禽污染防控措施的制定和實施效果?！緮M解決的關鍵問題】基于上述背景，本研究依據十堰市畜禽養殖基本數據，對畜禽糞便總量和耕地負荷進行估算，分析各區縣養殖污染來源及主要污染物負荷特征；同時，參照十堰市主要農作物種植面積，綜合運用畜禽養殖污染環境風險評價模型，評估各地區畜禽糞便耕地污染指數及風險等級；最后，從種養平衡的視角提出各地區養殖污染控制策略。研究結果可為十堰市畜禽養殖結構調整和養殖污染減排提供基礎數據，特別是對于丹江口核心水源涵養區水環境保護以及農業可持續發展提供有益借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

十堰市范圍介于31°97′—33°25′N，109°51′—111°72′E。全市版圖面積2.36×104km2，轄三區四縣一市，分別是茅箭區、張灣區、鄖陽區、鄖西縣、竹溪縣、竹山縣、房縣和丹江口市。全市2020年總人口346.16萬，其中農業人口244.51萬。土壤以黃棕壤居多，地形地貌多樣，以山地和丘陵為主，海拔300— 1 700 m之間。屬北亞熱帶大陸性季風濕潤氣候，年平均氣溫13—16℃，年平均日照時數1 655—1 958 h，無霜期224—255 d。年平均降水量829 mm，徑流深263.4 mm。畜禽養殖業是十堰市農業經濟的重要組成部分，由于南水北調中線工程建設的需要，全市規?；B殖占比較低，畜禽養殖業以農戶分散式經營為主，大多都沒有建立糞污處理設施，污染物直接或間接排放的現象依然存在，給當地農村環境治理工作帶來了現實挑戰。

1.2 分析方法

1.2.1 污染負荷估算方法 本研究采用Johns輸出系數模型[13]對十堰市畜禽養殖業面源污染負荷總量進行估算。計算公式如下：

式中，T為污染物的負荷總量（kg）；E為第種畜禽養殖伴隨的第種污染物單頭或只產生量（kg·a-1），A為研究區中第種畜禽類型的養殖規模（頭或只）。

1.2.2 污染負荷評價方法 引用等標污染負荷法，在同一尺度上對不同污染源和污染物產生的環境負荷強度進行綜合評價，識別主要污染來源和主導污染因子。本研究主要考慮TN、TP和COD 3個污染評價因子。等標污染負荷為單位時間內某污染物的產生量與環境限量標準的比值，計算公式如下[14-15]：

式中，P為第個污染源的第個污染物流失量等標污染負荷（m3）；M為第個污染源的第個污染物流失量（t）；C為基于水環境功能分區的第個污染物限量標準（mg·L-1），根據《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十三五”規劃》目標，丹江口庫區水質管理標準采用《地表水環境質量標準（GB3838—2002）》Ⅱ類水質指標下限值，因此，在核算等標污染負荷時，TN、TP和COD的限量標準分別取0.5、0.1和15 mg·L-1；K為第個污染源的第個污染物等標污染負荷比。

1.2.3 畜禽養殖源環境風險評價方法 本研究引入畜禽糞便耕地負荷量和警報值，用以評價畜禽養殖糞便對環境造成的風險等級。具體數據來源和計算過程如下[16-18]：

=/=(∑XT)（4）

=（5）

式中，為以豬當量計的畜禽糞便耕地負荷量（t·hm-2）；為各類畜禽糞便豬糞當量（t）；為有效耕地面積（hm2）；X為各類畜禽糞便量（t）；T為以豬糞氮含量為基準的各類畜禽糞便豬當量轉換系數；為畜禽糞便耕地負荷警報值；為單位土地有機肥最大理論適宜施用量，由于耕地對畜禽糞便的承載力受土壤質地、自然生態條件、社會經濟條件和農田管理水平等因素的綜合作用影響，因此不同地區間的糞肥施用限量值可能存在一定的差異。目前權威部門和學界關于糞肥土地最大承載量的描述大多介于30—45 t·hm-2之間，研究人員通常會根據研究區域的變化而確定不同的糞肥施用限值[7,19]。張緒美等[20]指出，應以我國南北地理劃分線800 mm等降水量線（秦嶺—淮河—喜馬拉雅山東南端一線）為界，以南以45 t·hm-2為有機肥最大承載量，以北則以30 t·hm-2為最大承載量。根據這一論述，十堰市地處秦巴山余脈，年降雨量超過800 mm，應采用的有機肥最大理論施用量為30 t·hm-2，且這一標準已在河南[21]、湖北[22]、四川[5,19]等地得到廣泛應用。此外，從庫區環境敏感性、山區土壤肥力背景、坡耕地肥力固持能力和研究區復種指數等角度考量，本研究認為將糞肥最大理論施用量確定為30 t·hm-2是合理的。畜禽糞便負荷警報值分級標準參照現有方法[2,5,19,22]，詳見表1。

1.2.4 畜禽養殖環境容量的測度方法 為進一步明確基于環境負荷管理角度的養殖業總量控制水平，以豬當量表示畜禽養殖量，將不同畜禽排泄物N、P產生量換算為豬當量，以農田N、P承載力計算畜禽養殖環境容量，公式如下[10,18]：

N/P=×N/P（6）

表1 畜禽糞便負荷警報值分級

=N/P/（7）

式（6）、（7）、（8）中，N/P為耕地N（P）環境容量（t），為有效耕地面積（hm2），N/P為歐盟地區單位土地糞肥年施N（P）限量標準：N=0.17 t·hm-2，P=0.035 t·hm-2[5,16-18]。為畜禽養殖環境容量（萬頭豬當量），為單頭豬糞便N（P）年產生量（t）。為畜禽養殖實際數量（萬頭豬當量），N(P)i為第種畜禽糞便N（P）年產生量（t）。

1.3 數據來源

本研究中涉及的畜禽養殖信息和耕地面積信息均來源于《十堰市統計年鑒-2020》。由于糧食作物、茶園、蔬菜、中藥材和果園的耕作面積約占全市耕地總面積的90%，因此本文將以上5種土地利用類型作為有效負載面積。養殖類型主要包括豬、牛、羊和家禽四類，根據對研究區實際養殖習慣的調查結果，確定以上4類畜禽的養殖周期分別為豬300 d、牛365 d、羊365 d、家禽365 d。畜禽糞便、羊養殖面源污染輸出系數根據《第一次全國污染源普查——畜禽養殖業源產排污系數手冊》[23]和相關資料[16-18]予以確定，豬、牛和家禽養殖面源污染輸出系數查自2021年發布的《排放源統計調查產排污核算方法和系數手冊》[24]。本文以氮含量為基準對糞肥產生量進行轉換。各類畜禽養殖規模、主要污染物年輸出系數和豬糞當量換算系數取值如表2所示。各縣（區、市）的畜禽養殖規模和耕地面積見表3。

表2 各類畜禽養殖量、污染物輸出系數及豬糞當量換算系數

表3 十堰市各縣（區、市）畜禽養殖結構及耕地面積

2 結果

2.1 畜禽養殖污染物產生量及分布

根據畜禽飼養量、飼養期及污染物輸出系數，計算得到2020年十堰市各類畜禽糞便資源、TN、TP和COD總量及單位耕地負荷如表4所示。全市畜禽糞便豬糞當量產生總量為306.85×104t，其中牛類糞便產生量最多，為89.86×104t，占總量的29.28%，豬的糞便量其次，為77.95×104t，占總量的25.40%，羊的糞便量為71.71×104t，占總量的23.37%，家禽的糞便資源同樣不可忽視，達到67.33×104t，約占總量的21.94%。畜禽糞便中的化學污染物以COD為主，總量達到57.00×104t，且超過90%來源于牛和家禽。全市畜禽糞便TN產生量為2.63×104t，其中牛產生的TN量占全市的41.06%，家禽和羊產生的TN量大致相當，分別占全市的24.33%和23.95%。TP的產生量相對較少，僅為0.65×104t，且其來源結構與TN類似。十堰市單位耕地畜禽糞便豬糞當量負荷強度為10.15 t·hm-2，與單位土地有機肥最大理論適宜施用量（30 t·hm-2）存在較大差距，TN和TP的耕地負荷同樣低于歐盟的限量標準（單位面積耕地TN、TP負荷分別為0.17和0.035 t·hm-2），分別為0.09和0.02 t·hm-2，此外，研究結果還表明，十堰地區單位耕地的畜禽糞便COD負荷強度為1.88 t·hm-2。

表4 十堰市畜禽養殖污染物負荷總量及單位耕地負荷強度

從區域分布來看（圖1—3），由于縣域間畜禽養殖數量和飼養結構的不同，TN、TP和COD三類主要化學污染物的空間分布存在差異。TN和TP的區域分布特征基本一致，其中鄖陽區的污染量最大且主要來源于牛，TN和TP產生量分別為0.673×104和0.170×104t，占全市TN和TP總量的25.59%和26.15%。其次為丹江口市，其TN和TP產生量分別為0.516×104和0.123×104t，且主要來源于牛和家禽。房縣位居第3，TN和TP產生量分別為0.445×104和0.107× 104t，且主要來源于羊，以上3個地區產生的TN和TP之和超出全市總量的60%。鄖西縣、竹山縣、竹溪縣畜禽糞便的TN和TP產生量依次減少，三者貢獻了全市約36.62%的TN和36.92%的TP。畜禽糞便產生COD最多的是鄖陽區和丹江口市，且均來源于牛，其COD產生量分別為16.039×104和13.041×104t，二者占全市COD產生總量的51.02%，竹山縣、鄖西縣、竹溪縣和房縣的COD產生量大致相當，分別為7.547×104、7.068×104、6.746×104和6.050×104t，占全市COD產生總量的13.24%、12.40%、11.83%和10.61%。茅箭區和張灣區受限于養殖規模，其化學污染物的產生量相對較少，兩個地區TN、TP和COD的綜合產生量分別為0.035×104、0.007×104和0.507×104t，僅占全市總量的1.33%、1.08%和0.89%。

圖1 不同縣（區、市）畜禽養殖TN產生量

圖2 不同縣（區、市）畜禽養殖TP產生量

圖3 不同縣（區、市）畜禽養殖COD產生量

2.2 畜禽養殖等標污染負荷特征

分析十堰市畜禽養殖主要污染物及其來源貢獻，結果如表5所示。全市畜禽養殖等標污染負荷總量為15.532×1010m3，其中TP是畜禽養殖業的首要污染物，等標污染負荷為6.474×1010m3，占總負荷的41.68%；其次為TN（5.258×1010m3），占總負荷的33.85%；COD的等標污染負荷最小為3.800×1010m3，占總負荷的24.47%。分析畜禽養殖污染物的來源途徑可知，牛是畜禽養殖業的首要污染源，其等標污染負荷量為7.684×1010m3，占養殖業負荷總量的49.47%。與此同時，牛也是三類污染物的首要來源，對TN、TP和COD負荷總量的貢獻率分別達到40.93%、44.27%和70.15%。家禽是第二大畜禽養殖污染源，其等標污染負荷為3.354×1010m3，約占總負荷的21.60%。羊的養殖污染負荷為2.757×1010m3，等標污染負荷比為17.75%。豬養殖造成的污染等標負荷最小為1.737×1010m3，僅占總負荷的11.19%。

表5 畜禽養殖等標污染負荷總量及分布特征

P為第種污染物的等標污染負荷總量（×1010m3）；K為第種污染物總等標污染負荷比；K為第種污染源的第種污染物占第種污染物等標污染負荷總量的比值；P為第個污染源的等標污染負荷總量（×1010m3）；K為第個污染源的總等標污染負荷比

Pis the total equivalent pollution load of the pollutant(×1010m3);Kis the contribution of the pollutant;Kis the ratio of the pollutant i in pollution sourceto the total isostandard pollution load of the pollutant;Pis the total equivalent pollution load of the source of pollution(×1010m3);Kis the contribution of the source of pollution

進一步分析不同地區畜禽養殖業的等標污染負荷特征，結果如表6所示。十堰市畜禽養殖污染具有一定的空間分異性，其中鄖陽區是等標污染負荷最大的地區，負荷量達到4.110×1010m3，占全市負荷總量的26.46%。從負荷貢獻率來看，牛養殖伴隨的污染是導致該地區等標污染負荷較大的最主要原因。丹江口市的等標污染負荷僅次于鄖陽區為3.130×1010m3，占負荷總量的20.15%，其中超過86%的污染負荷來源于牛和家禽，房縣、鄖西縣、竹山縣和竹溪縣的負荷量依次減少，分別為2.366×1010、2.139×1010、1.947×1010和1.664×1010m3，占負荷總量的比例依次為15.24%、13.77%、12.54%和10.71%，其中羊對房縣等標污染負荷的貢獻率最大，達到39.38%，是該地區的首要污染源，其他幾個地區的污染源依然集中于牛。茅箭區和張灣區的等標污染負荷均不超過0.1×1010m3，對全市的污染負荷貢獻較低且主要集中于家禽和羊。

2.3 畜禽養殖環境風險評價

以有效耕地面積為基準，從種養平衡的角度對十堰市畜禽養殖糞便耕地負荷及環境風險進行評價，結果如表7所示。畜禽糞便耕地負荷具有明顯的空間異質性，其中茅箭區是十堰市畜禽糞便污染最為嚴重的地區，耕地負荷量達到22.071 t·hm-2，警報值為0.736，分級指數處于Ⅲ級，會對環境構成威脅，說明盡管茅箭區的畜禽養殖量不大，但是它的耕地面積相對較少，無法消納畜禽養殖所產生的糞便量，因此它的耕地負荷較大，污染較為嚴重，需格外引起重視。鄖陽區、房縣和丹江口市的畜禽養殖耕地承載負荷警報值在0.4—0.7之間，屬于Ⅱ級，養殖環境風險狀態為“稍有”，也需加以關注。此外，鄖西縣、張灣區、竹山縣和竹溪縣的畜禽糞便耕地負荷依次降低，警報值均低于0.4，處于較為理想的狀態。十堰全市的畜禽糞便耕地負荷警報值為0.338，分級指數為Ⅰ，表明當前整個十堰市的畜禽糞便不會對環境構成污染，縣域畜禽養殖環境風險存在差異是不同地區間養殖規模和耕地面積相互作用的結果。

從保持高產的角度出發，由于50%比例更趨近于實際管理情況，對控制畜禽養殖總量及合理調整養殖布局更具參考價值[16]，因此將實際養殖量與50%環境容量進行比較，得到養殖業環境污染風險指數，結果見表8。參考單位土地年施糞肥N、P限量標準，得出十堰市N、P耕地承載力分別為5.141×104和1.058×104t。以N為衡量標準，十堰市實際畜禽養殖量為625.95萬頭豬當量，超過50%環境容量（612.00萬頭豬當量）13.95萬頭豬當量，環境污染風險指數為1.023。以P為衡量標準，十堰市實際畜禽養殖量為539.51萬頭豬當量，超過50%環境容量（441.00萬頭豬當量）98.51萬頭豬當量，環境污染風險指數為1.223。由于P是十堰地區畜禽養殖業的首要污染物，其風險指數較N更高，且當前十堰市的畜禽養殖規模已超出環境安全承載水平，因此，從環境風險最小化的角度出發，應以P的環境承載力和潛在風險為依據確定合理的養殖規模，即十堰市的養殖總量應縮減98.51萬頭豬當量。具體分析各地區的環境風險可知，茅箭區和鄖陽區是十堰市畜禽養殖數量超載幅度最大的地區，其P污染風險指數都大于2，已經遠遠超過理論環境容量，急需采取養殖總量強制性控制措施。丹江口市、房縣和鄖西縣的畜禽養殖量也處于過飽和狀態，其P污染風險指數均大于1，也會對環境構成較大壓力，表明該地區的畜禽養殖總量管控和養殖污染消減工作也不容忽視。此外，張灣區的環境風險指數已趨近安全限值，也需引起重視。

表6 不同地區畜禽糞便等標污染負荷特征

P為地區的等標污染負荷總量（×1010m3）；K為地區的總等標污染負荷比；P為地區第個污染源的等標污染負荷量（×1010m3）；K為地區第個污染源的等標污染負荷比

Pis the total equivalent pollution load in region(×1010m3);Kis the contribution of region;Pis the equivalent pollution load of the source of pollutionin region(×1010m3);Kis the contribution of the source of pollutionin region

表7 不同地區畜禽糞便負荷警報值及環境風險

表8 不同地區畜禽養殖環境容量及實際總量

3 討論

3.1 畜禽養殖污染總量及其耕地負荷

本文依據2020年統計數據和國家權威部門推薦的畜禽糞便污染物輸出系數，估算十堰市畜禽糞便資源豬糞當量為306.85×104t，且4種畜禽類型的糞便總量差距相對較小，與黃美玲等[22]的測算結果總體相當。全市TN污染負荷量是TP污染負荷量的4.05倍，與現有研究中TN與TP的污染負荷量之比大多介于5—9的研究結論稍有出入[25]，這可能與不同研究區的養殖結構存在差異有關。COD的產生量最大且明顯高于其他污染物，分別達到TN和TP負荷量的21.67倍和87.69倍。有研究指出湖北省畜禽養殖業COD總量是TN和TP總量的12.62倍和85.07倍[22]，從全國范圍來看，畜禽養殖業的COD總量約為TN和TP產生量的16.41倍和93.76倍[18]，可見，十堰市的畜禽養殖污染產生結構與其他地區具有一致性。具體分析可知，養牛過程中的COD輸出系數較高和家禽養殖基數較大是促使十堰市COD總量顯著偏大的主要原因。全市污染物來源構成具有明顯的空間分異性，其中鄖陽區、丹江口市和房縣是污染物產生量最為突出的地區，尤其值得關注。具體而言，以上3個地區貢獻了全市62.13%的TN、61.54%的TP和61.63%的COD，與之相對應的是，以上3個地區容納了全市約58.33%的豬、60.45%的牛、61.94%的羊和66.82%的家禽養殖量，據此可以推斷，不同的畜禽養殖結構和養殖規模是導致地域間污染總量存在顯著差異的決定性因素。

本文以糞便中TN含量為基準，對不同畜禽糞便的產生量進行轉換得到全市單位耕地畜禽糞便負荷強度為10.15 t·hm-2，與劉曉永等[8]以TP含量為依據提出的全國畜禽糞便單位耕地負荷（3.1 t·hm-2）存在較大差距，因此，在今后的研究工作中，很有必要對評價參數進行統一以便積累更多關聯性更強的參考資料。需要指出的是，在以TN含量為轉換因子的前提下，本文的糞便耕地負荷依然低于朱建春等[18]提出的湖北省平均水平（16.07 t·hm-2）和黃美玲等[22]關于湖北省的測算結果（16.2 t·hm-2），這可能與不同地區間的經濟發展水平存在差距有關。十堰市地處鄂西北山區，畜牧養殖業和農業水平較省內其他地區相對滯后，導致該地區的畜禽糞便耕地負荷低于全省平均水平。本文的研究結果顯示，十堰市的單位耕地TN、TP負荷強度分別為0.09和0.02 t·hm-2，與現行的國際推薦標準尚有較大距離，整體負荷強度處于較低水平。通過比較其他研究者在三峽庫區[26]、海南省[7,27]、四川省[19]、湖北省[22]和全國[16,18]等不同尺度的研究結論可知，單位耕地的TN、TP負荷強度會隨著時間的推移和空間的轉換而發生較大幅度的變化，即使在同一研究區內，不同地域間的負荷強度仍然可能存在明顯的差異。

3.2 畜禽養殖污染物及其來源

對十堰市畜禽養殖過程中主要污染物的解析結果表明，TP和TN是當地畜禽養殖環境管理中最需要關注的污染物，二者對全域等標污染負荷貢獻超過75%，COD的產生量最大，但其等標污染負荷率卻相對較小，這一結果與其他多數研究大致吻合。張英等[21]和郭利京等[28]對河南省和淮河生態經濟帶的研究也揭示了畜禽養殖等標污染負荷貢獻最大的是TN，其次是TP，COD占比較小僅為6%左右。在丹江口庫區典型流域的研究也證實，畜禽養殖等標污染物以TN和TP為主，其總負荷率約為95%[10]。然而，時曉瑞等[29]對淮河流域奎濉河典型小流域的研究則指出，COD是畜禽養殖最重要的污染物，負荷貢獻率達到69.91%，其次是TN的23.71%，TP的等標負荷貢獻僅為6.37%，這可能與該地區養殖業發展過程中以產生COD為主的家禽養殖規模明顯高于其他畜禽種類密切相關。分析污染物的來源可知，牛和家禽的綜合污染量超過了十堰市畜禽養殖面源污染負荷總量的70%，是今后開展面源污染消減工作時需要特別關注的畜禽種類。與此同時，從整個漢江流域[30]來看，牛和豬是最主要的畜禽污染來源，其等標污染負荷率分別為35.95%和34.98%，家禽的負荷率緊隨其后為26.28%，羊的負荷率較小，僅為2.79%。而對丹江口庫區典型農業小流域面源污染源解析的結果則證實，生豬TN、TP和COD的等標負荷占畜禽養殖源負荷總量的比例分別高達99.29%、92.73%和93.94%，是流域內畜禽養殖污染乃至整體農業面源污染防控工作的重點[10]，與本文的研究結果存在較大差異，這主要是因為該小流域內建有規?；i養殖企業，其生豬存欄基數大幅超出其他畜禽養殖量，使得生豬成為流域內的主要污染來源?？梢?，畜禽養殖的主要污染物和主要污染來源與特定地域的產業布局息息相關，在制定污染管控策略時，只有結合不同地區的養殖污染特征才能精準施策，以提升污染治理的針對性和時效性。十堰市各地區間污染負荷貢獻率和污染結構存在較大差異，一方面與區域內畜禽養殖總量高度相關，顯而易見的，茅箭區和張灣區因為持有的養殖總量大幅低于其他地區，所以其養殖污染負荷率占比較小。另一方面，也受高污染畜禽養殖量和畜禽養殖結構的共同作用。牛作為污染物輸出系數最高的畜禽種類，在鄖陽區和丹江口市的分布比例明顯高于其他地區，且均貢獻了以上兩個地區超出一半的負荷壓力，是導致鄖陽區和丹江口市成為全市污染負載量最大地區的重要原因。竹溪縣、竹山縣和鄖西縣的牛養殖規模相對接近且依次低于以上兩個地區，三者的主要污染也均來源于牛。而作為十堰市畜禽養殖污染第三高的地區，房縣的主要污染來源于羊，其次為牛，這是因為房縣容納了全市最大體量的羊，而牛的養殖規模僅列第六，固然羊的污染系數低于牛，但養殖規模上的巨大差距依然使得羊的污染負荷占據主動。說明地區間的污染負荷特征差異不僅取決于高污染畜禽養殖量，也可能受特定地區內的養殖結構所左右。此外，不同地區的養殖面源污染特征還受生態環境、社會經濟水平、種養配套能力以及養殖區和水源地之間的距離差異等因素影響，需要在今后的工作中進一步深入研究。

3.3 畜禽養殖環境風險評價

畜禽養殖環境污染風險的評價結果顯示，當前十堰市畜禽養殖糞便帶來的環境風險尚處于較為理想的分級區間之內，但縣域之間存在一定的空間異質性。全市有1/2以上的地區存在畜禽養殖超載現象，其中尤以茅箭區和鄖陽區的超載幅度最為突出，其P污染風險指數分別達到2.429和2.133，說明其養殖規模已達環境安全上限的兩倍以上，處于嚴重超載區間，對養殖規模采取總量減半的措施迫在眉睫。進一步分析，由于茅箭區的耕地面積較小，環境承載量相對有限，較低水平的過飽和養殖量就會導致風險指數偏高，因此其養殖規模絕對消減量并不突出，而鄖陽區在耕地面積相對較大的情況下，其環境風險指數依然超過2，說明該地區的超載現象已十分嚴重，是十堰地區養殖規模管控的重中之重。丹江口市、房縣和鄖西縣的環境風險指數也已超過安全臨界值，說明這些地區的畜禽養殖也會對環境造成不同程度的污染，考慮到這些地區的畜禽養殖基數較大，且相對充足的有效耕地面積理論上能承載更大的養殖量，說明這些地區超載的養殖規模絕對值也已處于很高水平，從全市層面看，十堰市的畜禽糞便環境負荷警報值為0.338，N、P環境風險指數分別為1.023和1.223，基于P平衡視角的十堰市畜禽養殖規模須在當前水平上削減98.51萬頭豬當量。本文的結論與前人的研究不盡一致，有研究得到2010年湖北省畜禽養殖的N、P環境風險指數分別為1.51和1.12[16]，2011年分別為1.7和1.4[22]，其中2011年十堰市的糞便負荷警報值為0.52，N、P環境風險指數分別為1.5和1.3[22]。湖北省三峽庫區的N、P風險指數分別達到3.3和2.5[26]?？梢姡呤械男笄蒺B殖環境風險較全國和省域內其他地區整體較低，但不同學者對不同時段的研究結論也存在差異。本文關于十堰市畜禽養殖環境負荷和環境風險的描述較其他研究者提出的結果更低，這主要與近年來十堰市養殖規模的大幅縮減有關，一方面由于庫區蓄水需要，2009—2011年，十堰市部分農戶移民外地，養殖主體減少促使養殖量下降。另一方面，更重要的是自2014年12月南水北調中線工程正式通水以來，丹江口庫區沿線關于畜禽養殖業的發展規劃和限養政策進一步收緊，致使庫區畜禽養殖規模大幅縮減。查閱資料可知，2012—2020年，十堰市的生豬養殖量降幅達66.77%，牛的養殖量減少了41.76%，羊的養殖規模降低了17.75%，家禽養殖量縮小了34.57%。相對于大幅縮減的畜禽養殖規模，同期的全市有效耕地面積降幅相對較小，約為8.64%。更小的養殖體量意味著更少的畜禽糞便排放，而相對較小的耕地面積降幅則意味著具有相對穩定的環境承載能力，正是以上兩方面原因促使十堰市的養殖環境風險較以往出現下降。

需要指出的是，單位耕地畜禽糞便年養分施用限量標準往往需要根據特定地域的土壤質地、坡度、降雨、氣候等因素來確定，基于此，歐盟將糞肥年施用養分量分別確定為0.17 t·hm-2和0.035 t·hm-2，超過這個限值即認為會造成硝酸鹽和磷污染[31-32]。由于國內外在種植制度、作物類型、生產方式、土壤質地、農業氣候等方面存在明顯差異，因此直接引用國外標準可能會引起一定的誤差。對此，部分國內學者針對北京平谷區[33]、上海[34]、河北[35]、海南[7]等地區的耕地或果園等做了相關研究，并根據研究區域的變化提出了不同的糞肥施用限量標準。可見，我國學者對不同地區和不同土地利用方式下的養分合理需求量也尚未形成共識。本研究在環境容量計算時采用歐盟地區的單位土地糞肥年施氮磷限量標準，主要出于以下幾點考慮。其一，這一歐盟地區限值在我國被廣泛應用[5,10,16,18,22]，具有比較成熟的參考價值；其二，十堰市糧食作物面積占比較低，有效耕地中以茶葉、林果、中藥材等多年生植被覆蓋為主，整體復種指數小，對養分的消耗和需求較低；其三，十堰山區土地破碎，農田以坡耕地為主，水土流失和徑流強度相對較大，過多的養分投入可能會造成大量氮磷流失，從環境風險管理的角度出發，需采取更加安全的養分投入水平。因此，本文認為采取歐盟的氮磷限量標準是比較合理的，縱然如此，如何根據庫區農業特點確定更加準確的氮磷投入安全閾值依然是今后的一項重要工作。

此外，本文所述的耕地負荷警報值和環境風險指數是在假設畜禽糞便全量還田的情況下得出的，然而在實際情況下，一方面由于糞尿的就地揮發和滲漏、糞便制成商品有機肥后跨境流通、零散糞污的隨意拋棄以及運輸損失等因素的影響，畜禽糞污不可能全部被應用于當地耕地。另一方面，是否所有的耕地均具有滿足畜禽糞便還田的現實條件依然需要加以考證。因此，由公式推導出來的理論值可能無法足夠準確地反映出畜禽糞便的實際環境風險，這也是今后相關研究工作中無法回避的科學問題。但從丹江口庫區這一特殊地域水環境保護的角度考量，庫區的環境污染風險評價工作應趨于保守，且本文計算的十堰市污染物產生總量是客觀存在的，文中列出的耕地面積也是在剔除撂荒地的基礎上考慮了復種指數之后的實際耕種面積，具備較高的還田利用行為可及性。因此，本文關于畜禽糞便潛在環境風險的評價結論依然能為有關部門做出謹慎的宏觀決策提供重要參考。

3.4 畜禽養殖環境風險防控策略

為進一步管控和降低水源區畜禽養殖的環境風險，筆者認為應從以下幾個方面考慮采取操作性較強的防控措施。一是要根據環境容量適當調整各地區畜禽養殖規模，建議考慮生產布局并加強區域間協同發展[36]，具體來看，可以將鄖陽區、丹江口市、房縣、鄖西縣和茅箭區的養殖規?？s減75.065、41.941、35.385、10.509和2.136萬頭豬當量，同時要鼓勵環境污染低風險區適當擴大畜禽養殖規模，將竹溪縣和竹山縣的養殖量擴增空間分別設定為35.558和30.718萬頭豬當量，以達到在環境安全閾值內保持全域畜禽養殖總量的相對穩定。二是要提升養殖廢棄物循環利用率。本研究是在50%畜禽糞便還田率的基礎上計算得到十堰市耕地糞便承載力和養殖規模上限的，為達到這一還田比例，應重點從以下三個方面考慮：一方面要綜合作物—畜禽系統的發展[37]，提高種養協同性和可持續性。例如，可以在竹溪縣和竹山縣等茶葉和林果主產區，大力發展“茶園養雞”“林下養雞”模式，將其他地區的家禽養殖份額轉移至這些地區；在張灣區和茅箭區等蔬菜主產區，推廣應用豬場廢水[38]回田技術等。另一方面，要大力推行養分替代利用技術。例如可以在鄖陽區、鄖西縣等玉米-小麥主產區推廣有機肥替代氮肥利用技術[39]，在規?；i養殖區周邊構建“豬-沼-茶/果/菌”生態循環模式等。此外，要更加注重政策引導。可以通過強化農業綠色發展理念，制定有機肥回田利用以獎代補政策等方式，鼓勵種養主體深度融合，實現養殖廢棄物就地就近消納。三是要注重加強對糞便的處理和資源化利用。尤其要加強對規?；B殖的雨污分流和固液分離處理基礎設施建設，減少糞污無序排放。在資源化利用方面，厭氧發酵處理是一種可同時實現畜禽廢棄物減量化、資源化和能源化的高效資源化技術[6]，應引起重視。堆肥手段具有對糞污無害化處理比較徹底、糞便附加值高、經濟效益好等優點，是目前較為主流的畜禽糞便處理模式[40]。此外，畜禽糞便的能源化和飼料化[41]利用潛力巨大，也是可行的生態循環處理方式。四是要進一步完善政府部門對畜禽養殖風險的跟蹤管理[42-43]。加強政府監管是倒逼畜禽養殖廢棄物合規處理的主要手段，也是推動畜禽養殖污染防治與種養結合規劃編制工作的現實需要?？傊?，畜禽養殖環境風險防控是一項系統工程，受特定地域的資源條件、產業結構、利用現狀、糞便處理方式等多種因素的綜合影響。在制定防控策略時，應根據不同地區養殖污染的來源結構及風險特征，因地制宜地從技術、觀念、政策等角度入手進行分類指導，針對性地提出強制管控策略和柔性引導方式，以實現種養平衡、綠色可持續發展的目標。

4 結論

4.1 十堰市畜禽糞便豬糞當量總計為306.85×104t，糞便中主要污染物產生量表現為COD＞TN＞TP，且主要來源于鄖陽區、丹江口市和房縣3個地區。

4.2 十堰市畜禽養殖等標污染負荷總量為15.532×1010m3，且不同地區間的污染負荷結構存在明顯差異。養殖污染等標負荷率表現為TP＞TN＞COD，養牛是庫區首要污染源。

4.3 十堰市畜禽糞便耕地負荷整體較低，不會對環境構成壓力，但存在明顯的空間分異性?？傮w來看，茅箭區和鄖陽區是養殖污染風險較高的地區，其次為丹江口市和房縣，鄖西縣的養殖污染也需引起重視。

4.4 以P為衡量標準，十堰市的大部分地區養殖規模已經超載，需嚴格控制畜禽養殖總量，同時做好廢棄物的循環利用。

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Environmental Risks Assessment of Livestock and Poultry Non- Point Source Pollution in Shiyan City Based on Arable Land Carrying Capacity

GONG ShiFei1, XIAO NengWu1, DING WuHan2, JU XueHai3, WU PingHua1, YU YongSong1, LI Hu2

1Danjiangkou Reservoir of Shiyan Ecological Agriculture Institute, Shiyan 442000, Hubei;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125

【Objective】 Shiyan city was the core water source area of the middle route of the South-to-North Water Transfer Project, a comprehensive understanding of the current situation of livestock and poultry pollution and its potential threat to farmland would provide a basis for strengthening environmental risk control. 【Method】This paper used the livestock manure environmental risk assessment model to quantitatively analyze the source structure of livestock and poultry manure in different areas of Shiyan city in 2020, and the environmental risk from the perspective of the balance between planting and raising was comprehensively evaluated. 【Result】The total amount of livestock and poultry manure reached 306.85×104t in 2020, and it was mainly distributed in Yunyang district, Danjiangkou city and Fangxian county. COD production was the highest (57.00×104t), followed by TN (2.63×104t), and TP production was less (0.65×104t). The total equivalent standard pollution load was 15.532×1010m3, and the source structure was obviously inconsistent in different regions. TP was the primary pollutant in livestock and poultry breeding, and its equivalent standard pollution load accounts for 41.68% of the total load, followed by TN with the pollution load rate of 33.85%, and the lowest equivalent standard pollution load rate of COD was 24.47%. Cattle was the primary source of non-point source pollution in livestock and poultry production in Shiyan city, contributing 49.47% to the total pollution load of the equivalent standard, followed by poultry (21.60%). According to the result of environmental pollution risk assessment, the load of animal excretion per hectare of arable land in Shiyan city was 10.15 t·hm-2, the alarm value was 0.338 and the risk level was Ⅰ, indicating the environmental pollution was “no risk”. The load intensity of TN and TP was 0.09 and 0.02 t·hm-2, respectively, and the environmental risk index was 1.023 and 1.223, respectively, but there were obvious spatial differences among regions. More than half of the whole city had the potential pollution risk of livestock and poultry breeding, among which Maojian district and Yunyang District were the most serious. With phosphorus as the measurement standard, the total amount of breeding in Shiyan city was close to saturation, the total amount of livestock and poultry must be reduced by 98.51×104pigs equivalent on the existing basis.【Conclusion】It was of great significance to maintain a reasonable scale of poultry breeding (≤441.00×104pigs equivalent) and take measures of pollutant abatement, in order to promote the balance of planting and breeding and orderly development of livestock and poultry breeding in Shiyan city.

Shiyan city; arable land carrying capacity; livestock and poultry manure; cropland load; environmental risk

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.009

2022-02-07；

2022-06-17

中國農業科學院科技創新工程協同創新任務（CAAS-XTCX2016015）

龔世飛，E-mail：gongsfsf@163.com。通信作者肖能武，E-mail：413740790@qq.com。通信作者李虎，E-mail：lihu0728@sina.com

（責任編輯 李云霞）