區域畜禽環境承載力核算方法研究與應用

彭紫微，吳根義，黃杰，戴詩琴

（湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128）

我國是世界上最大的畜牧業生產國，近幾十年來，畜牧業迅速發展，養殖規模不斷擴大，畜產品總量持續增加，畜牧業已經成為農業農村經濟的支柱產業[1-3]。然而，隨著養殖規模的擴大，因發展過程中存在的隨意性、布局不合理所帶來的養殖環境污染問題也越來越受到關注。根據《第二次全國污染源普查公報》結果，2017 年全國畜禽養殖業水污染物排放量為：化學需氧量1 000.53 萬t，氨氮11.09 萬t，總氮59.63 萬t，總磷11.97 萬t，分別占水污染物排放量的46.67%、11.51%、19.61%和37.95%[4]，已經成為制約水環境質量提升的重要因素[5]。

基于環境質量目標，結合區域環境容量，準確核定畜禽環境承載力、科學規劃布局，是實現畜禽糞污資源化利用，遏制養殖污染的前提。目前，我國畜禽承載力的研究主要分為兩個思路：一是基于種養平衡，從土地糞污消納能力角度出發，核算區域最大畜禽承載量的養分平衡法[6-10]，該方法是目前應用最廣泛的畜禽承載力核算方法[11]，但該方法未充分考慮環境質量目標和環境容量，核算結果不一定能滿足環境質量的需求；二是從區域系統角度出發，通過建立指標體系，對畜禽養殖進行系統的環境適應性分析，例如層次分析法[12-13]、灰色預測模型法[14]等，該類方法普遍存在計算復雜、參數值確定困難的問題，現有的統計和基礎數據難以滿足參數值的需求，實際應用難度大。探索形成一套與環境質量目標銜接、參數值可獲取的區域畜禽環境承載力核算方法，是科學確定區域養殖規模并合理規劃的現實需求。

1 區域畜禽環境承載力核算方法

水環境容量作為資源環境承載力的重要組成部分，是連接水質目標、污染物控制總量、污染防治措施的關鍵。區域畜禽環境承載力核算方法以保護水環境質量為出發點，根據區域水文條件、水環境質量目標、現有污染物排放量及各污染源水污染物排放比例，并結合經濟社會發展目標，核算畜禽養殖可利用水環境容量；按照區域內畜禽養殖防治措施，確定區域畜禽糞污主要污染物排放系數；根據畜禽養殖可利用水環境容量和糞污氮、磷排放系數核算區域畜禽環境承載力，構建核算模型。該方法核算思路如圖1所示。

1.1 核算模型構建

1.1.1 畜禽養殖可利用水環境容量

按照我國水質監測斷面類別評價法，根據評價時間段內該斷面指標中類別最高的一項確定水質類別，該項指標即為定類因子。根據區域監測斷面定類因子濃度現狀值與水質目標值之間的差值，結合年徑流量，計算區域水環境剩余總容量。由于降雨量年際的不均性，用年徑流量計算水環境剩余容量，可能會導致枯水期水質超標[15]，納入不均勻系數，從而得出確保枯水期水質達標的水環境剩余容量，結合區域畜禽養殖可利用水環境容量比例，獲取區域畜禽養殖可利用水環境容量，核算模型為：

式中：W為區域畜禽養殖可利用水環境容量，t；Co為區域水質定類因子平均目標濃度值，mg·L-1；Ci為區域定類因子平均斷面濃度，mg·L-1；R為區域年徑流量，億m3；ξ為不均勻系數；α為區域畜禽養殖可利用水環境容量比例。

1.1.2 單位當量生豬主要污染物平均排放系數

（1）不同處理方式單位當量生豬主要污染物排放系數

由于不同畜禽糞污產生量不用，為便于核算，以我國主要畜禽生豬為標準，其他畜禽根據產污量折算為當量生豬。我國畜禽養殖固體糞便處理方式主要為資源化利用；液體糞污處理方式主要有資源化利用、處理后資源化利用和達標排放。資源化利用和處理后資源化利用方式在糞污無害化處理過程中一部分污染物被降解去除，處理后的糞污進入土壤后少量經地表水或降雨流失進入水體；場外丟棄部分直接進入水體；達標排放處理的液體糞污外排部分直接排入水體。不同處理方式畜禽糞污進入水體的量不同，即排放系數不同。單位當量生豬主要污染物排放系數計算模型為：

式中：Qp為單位當量生豬主要污染物排放系數，kg·頭-1；Qc為單位當量生豬主要污染物產生系數，kg·頭-1；β為主要污染物去除率，%；γ為主要污染物留存率，%；P為主要污染物流失率，%。

（2）不同糞污處理方式處理量比例

根據區域各畜種養殖量、糞污不同處理方式比例和糞污產生系數計算區域糞污不同處理方式處理量比例，核算模型為：

式中：λj為第j種糞污處理方式處理量比例；Ki為第i類畜種養殖量，頭（羽）；θij為第i類畜種第j種糞污處理模式比例；Qci為第i類畜種糞污主要污染物產生系數，kg·頭（羽）-1。

（3）單位當量生豬主要污染物平均排放系數

結合不同處理方式單位當量生豬主要污染物排放系數和不同糞污處理方式處理量比例計算單位當量生豬主要污染物平均排放系數，核算模型為：

式中：Q為單位當量生豬主要污染物平均排放系數，kg·頭-1。

1.1.3 區域當量生豬養殖量

區域當量生豬養殖量核算模型為：

式中：Kpig為區域當量生豬養殖量，即區域畜禽環境承載力，萬頭。

1.2 核算模型參數取值

1.2.1 畜禽養殖可利用水環境容量核算相關參數

Ci：區域定類因子平均斷面濃度，以當地生態環境或水利相關部門發布的地表水環境質量數據或實際測定確定，按時間段取平均值，存在多個水質監測斷面的情況取各斷面平均值。

Co：區域水質定類因子平均目標濃度值，根據各水質監測斷面所在水功能區應執行的水環境質量標準，即區域水環境質量目標，按照《地表水環境質量標準》所對應的定類因子的目標進行取值，區域內存在不同水質類別的情況按照對應斷面范圍的面積取加權平均值。

R：區域年徑流量，也稱地表水資源量，通過當地水資源公報或統計年鑒等獲取。

ξ：不均勻系數，為近10 年最枯月平均徑流量占近全年月平均徑流量的比例。

α：區域畜禽養殖可利用水環境容量比例，根據當地生態環境各類污染源（工業源、生活源、農業源）主要污染物排放量比例，結合經濟社會發展目標確定。

1.2.2 單位當量生豬主要污染物平均排放系數核算的相關參數

Qc：單位當量生豬產污系數，可通過實際測定方法確定，也可參考國內外文獻和《第二次全國污染源普查農業源系數手冊》中產排污系數的取值。

β、γ、P：主要污染物去除率、留存率、流失率，可直接采用《第二次全國污染源普查農業源系數手冊》中的系數，也可參考國內外研究論文中的相關參數或實測值。

K：畜禽養殖量，可從當地農業農村相關部門、統計部門公布的《統計年鑒》和《農業農村統計年鑒》獲取。

θ：各畜種糞污處理模式比例，可通過當地農業農村相關部門公布的數據或抽樣調查獲取。

2 畜禽環境承載力核算應用驗證——以湖南省為例

2.1 研究區域概況

湖南?。?4°38′～30°08′N，108°47′～114°15′E）位于長江中游，東、南、西三面環山，中部丘崗起伏，北部湖盆平原展開，屬亞熱帶季風氣候，光熱充足，降水豐沛，水資源豐富，水系發達。湖南省是我國畜禽養殖大省，據湖南省農業農村廳統計數據，2020 年生豬出欄量、奶牛存欄量、肉牛出欄量、蛋雞存欄量、肉雞出欄量分別為4 992.13 萬頭、1.93 萬頭、175.25 萬頭、8 370.01 萬羽、31 663.18 萬羽，折算成存欄當量生豬數為4 265.43 萬頭。湖南省各市州主要畜禽養殖量和豬當量數如表1所示。

表1 湖南省各市州主要畜禽養殖量和當量生豬Table 1 Main livestock and poultry breeding volume and pig equivalent in cities of Hunan Province

2.2 核算參數值的確定

湖南省2020年共有國、省、市控水質斷面417個，監測斷面覆蓋湘江、資江、沅江、澧水的干流及一級、二級、三級支流，能有效反映各個市州和湖南省的水環境質量狀況。根據湖南省2020 年監測斷面水質數據，18個未達標斷面中16個是總磷超標，80%以上的達標斷面中總磷為定類因子，說明總磷是影響湖南省水環境質量的首要因子，因此，從改善水環境質量的需求出發，選擇以總磷作為核算的定類因子；按湖南省水質功能分區和各區水質目標，加權平均計算全省總磷平均目標濃度；以2020 年各斷面總磷濃度加權平均計算出全省總磷實際濃度；各市州年徑流量數據來源于2011—2020 年《湖南省水資源公報》；基于2017 年第二次全國污染源普查數據，根據2017—2020 年間工農業發展和人口變化情況，計算2020 年畜禽養殖業水污染物排放量占各市州總水污染物排放量的比例作為各市州畜禽養殖可利用水環境容量比例。2020 年湖南省水質監測斷面分布及達標情況見表2。

表2 2020年湖南省水質監測斷面分布及達標情況Table 2 Water quality monitoring sections in Hunan Province in 2020

畜禽主要污染物產生系數、總磷去除率以及總磷流失率數據均來自于《第二次全國污染源普查農業源系數手冊》。手冊中中南區生豬固體糞便、液體糞污總磷產生系數分別為1.1、0.1 kg·頭-1（出欄），按照常年存欄一頭生豬折算為年出欄2 頭生豬的比例，折算為2.2、0.2 kg·頭-1（存欄）；根據第二次全國污染源普查數據，湖南省畜禽糞污主要采用固液分離-厭氧發酵-好氧處理、固液分離-厭氧發酵-氧化塘、固液分離-厭氧發酵-人工濕地、固液分離-厭氧發酵-膜處理4 種液體糞污處理工藝，以這4 種主要處理工藝的加權平均去除效率的86%作為液體糞污總磷去除率；在流失率分區中，岳陽、常德、益陽三市屬于南方濕潤平原區，總磷流失率平均值為1.584 4%；其他市州為南方山地丘陵區，總磷流失率平均值為0.983 8%；根據抽樣調查，目前堆肥、污水氧化塘貯存或厭氧發酵后農田利用是湖南省畜禽糞污資源化利用的主要方式，對照《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》，采用推薦值72%作為畜禽糞污資源化利用的氮磷留存率；沼氣工程處理是湖南省液體糞污處理后資源化利用的方式，氮磷留存率采用推薦值65%。湖南省糞污不同處理模式單位當量生豬總磷排放系數見表3。

表3 湖南省糞污不同處理模式單位當量生豬總磷排放系數Table 3 Emission factor of TP of pig equivalent in different treatment modes of manure in Hunan Province

2020 年，湖南省各畜禽養殖量來自于湖南省農業農村廳統計數據。糞污不同處理模式比例通過抽樣調查更新獲取，調查以2020 年湖南省畜禽直聯直報系統數據為基礎，在每個州市選取2 個縣進行抽樣調查，抽取不同畜種、不同規模的430 家養殖場（每個市州選取生豬養殖場15 家、肉牛養殖場5 家、蛋雞養殖場5 家、肉雞養殖場5 家，全省所有奶牛場共10 家）進行調查。調查結果如表4所示。

表4 湖南省各市州糞污不同處理模式處理量比例和單位當量生豬總磷平均排放系數Table 4 The ratio of treatment amount in different treatment modes of manure and the average emission factor of TP of pig equivalent in cities of Hunan Province

2.3 核算結果與分析

2.3.1 核算結果

（1）畜禽養殖可利用水環境容量

按照模型核算湖南省各市州畜禽養殖可利用水環境容量，核算結果見表5。

（2）湖南省各市州畜禽環境承載力

利用核算模型核算出湖南省各市州畜禽環境承載力，將其與現狀養殖量比較，計算出各市州畜禽養殖承載力指數，并判斷承載現狀，結果見表6。

表6 湖南省各市州畜禽環境承載力及承載力指數Table 6 Environmental carrying capacity and carrying capacity index of livestock and poultry in cities in Hunan Province

2.3.2 核算結果分析

（1）核算結論

基于2020 年湖南省水環境質量監測數據，在保持現有畜禽養殖方式和污染治理水平的基礎上，不考慮產業結構變化，湖南省畜禽環境承載力是6 113.16萬頭存欄當量生豬，大于2020年4 265.43萬頭存欄當量生豬的養殖現狀，承載力指數為0.70，說明從全省整體來說，湖南省畜禽養殖還有一定的發展空間。從地形地貌特點來看，湖南省畜禽養殖承載與污染防治大致可分為洞庭湖平原河網區、中部丘陵區、西南山區3 種類型。洞庭湖平原河網區包括岳陽、益陽、常德三市，該區域畜禽養殖發達，現狀養殖量超過環境承載力，主要是因為該地區種植業發達、河網密集、耕地與水域交錯，氮磷流失系數高，畜禽養殖糞污更容易進入水體；為確保水環境質量改善，需適當削減養殖量或提高污染治理水平。中部丘陵區包括衡陽、婁底、邵陽、湘潭、長沙、永州等市，該區域現狀畜禽養殖較發達，畜禽環境承載力指數較高，但總體上未超過環境承載力，主要原因是該地區屬于典型丘陵山區，低矮山丘多，種植強度較低，自然消納能力相對較強；該區域應優化畜禽養殖布局、提高養殖污染治理水平、謹慎擴大養殖規模。西南山區包括湘西、張家界、郴州、懷化等地市，該區域現狀畜禽養殖量較少，畜禽環境承載力遠大于現狀養殖量，發展空間大，主要是該區域山林面積廣闊，種植強度低，自然消納能力強；該區域可在合理規劃、規范建設的基礎上，適當增加畜禽養殖規模。

（2）與相關研究報道的比較

按本方法計算出湖南省畜禽承載力指數為0.70，與王奇等[16]基于耕地面積估算出以總磷為基準的承載力指數（0.61）較接近。肖琴等[17]對長江中下游地區畜禽承載力進行評估，其結果表明湖南省畜禽養殖環境以氮、磷為基準的承載力指數均處于0.5～1.0 之間，畜牧業具有發展潛力，這也與本研究結果相似。王洋[18]通過2013 年養殖數據估算永州市糞污排放量，參照歐盟畜禽環境承載力核算方法，計算出永州市承載力指數為0.75，與本研究（0.72）接近；計算出永州市畜禽承載力為674.31萬頭，與本研究的804.84萬頭存在一定差距，其原因主要是由于近年來永州市大力開展畜禽養殖污染治理，養殖污染治理水平提升、去除效率提高，單位畜禽需要配套的消納土地減少，導致相應承載量增大。林毅青[19]采用養分平衡法計算湖南省畜禽承載力為19 188.67 萬頭豬當量，是以出欄量作為承載力單位，折算成存欄當量生豬約為9 500 萬頭，高于本方法核算的6 113.16 萬頭存欄當量生豬，原因主要是養分平衡法核算只考慮土地作物養分需求，沒有綜合考慮水環境質量目標需求，且其核算過程中將林地納入消納土地范疇，而實際生產中畜禽糞污幾乎不用于林地施肥，因此導致核算出的承載力偏高。

3 結論

（1）在畜禽土地承載力核算方法的基礎上，綜合考慮水環境容量、經濟社會發展等因素，構建基于作物養分需求及水土環境多要素的畜禽環境承載力核算模型，形成的畜禽環境承載力核算方法能與水環境質量需求、環境容量相銜接，更切合環境管理需求，有利于畜牧業與環境保護的協調發展。

（2）利用構建的核算方法對湖南省畜禽環境承載力進行核算，湖南省畜禽環境承載力為6 113.16萬頭存欄當量生豬，承載力指數為0.70。從全省整體來看，湖南省畜禽養殖還有一定的發展空間，但存在區域分布不均的情況：臨近洞庭湖的岳陽、益陽、常德現狀畜禽養殖量超過環境承載力，需減少養殖量或提高污染治理水平；中部丘陵地區現狀畜禽養殖產業較發達，環境承載力指數較高，應優化區域畜禽養殖布局、提高養殖污染治理水平、謹慎擴大養殖規模；湘西南山區畜禽環境承載力遠大于現狀養殖量，可在合理規劃、規范建設的基礎上，適當增加畜禽養殖規模。