武汉城市圈畜禽粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响<br/>——以天门市为例

武汉城市圈畜禽粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响
——以天门市为例

2009-11-29沈体忠刘佑林雷代英王业鹏蒋双林陶齐成

长江大学学报(自科版) 2009年8期

关键词：天门市负荷量养殖业

沈体忠，刘佑林，雷代英王业鹏，蒋双林，陶齐成

(湖北省天门市农业环境保护站，湖北天门 431700

甘建军，彭碧银

(湖北省天门市农业局，湖北天门 431700)

武汉城市圈畜禽粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响
——以天门市为例

沈体忠，刘佑林，雷代英王业鹏，蒋双林，陶齐成

(湖北省天门市农业环境保护站，湖北天门 431700

甘建军，彭碧银

(湖北省天门市农业局，湖北天门 431700)

利用统计资料和文献数据，估算了湖北省天门市畜禽粪便排放量与养分资源量，并分析了畜禽养殖业对环境的潜在影响。结果表明，2006年天门市畜禽粪便排放量为1 437.917 kt，是当年工业固体废弃物产生量的27.63倍；粪便中除含有194.082 kt有机质外，还含有10.430 kt N、6.572 kt P2O5和10.046 kt K2O等营养元素；分析发现，除单位耕地面积粪肥N与P2O5平均承载量99.26 kg·hm-2和62.53kg·hm-2对环境暂未构成污染威胁外，畜禽粪便中重金属Zn、Cu、As对农田污染较为突出，平均污染负荷量分别为3.019、1.738、0.223 kg·hm-2；流失于水体的主要有机污染物BOD5、CODcr、NH3-N、TP、TN负荷量分别为11.048、12.121、1.096、0.908 kt和2.580 kt，其中CODcr、NH3-N对水体的污染水平为当年工业和生活污染总水平的70.87%、74.36%；向大气排放的CH4为4.742 Gg，NH3为5.061 kt，其污染负荷比高达30.06%和46.34%，可见畜禽养殖业已对天门市土壤、水体和大气造成了较大的污染。

畜禽养殖；粪便；养分；环境；影响

自20世纪80年代以来，我国畜牧业一直保持着快速增长的发展态势，特别是在“九五”以来国家实施的“菜蓝子”工程的推动下，我国肉类总产量以每年10%的速率增长，奶类和禽蛋产量的增长速率也在10%以上，继1986年禽蛋产量和1991年的肉类总产量首次超过美国之后，连续数年保持世界第一[1]。到2003年底，我国的肉类总产量达到6 932.9万t，禽蛋2 606.7万t，奶类1 848.6万t。畜禽养殖业的快速发展不但满足了我国城乡肉、蛋、奶的供应，同时也成为农民增收的重要来源。但与此同时，畜禽养殖业的快速发展和生产方式的转变所带来的环境问题日益严重，这不仅影响经济发展，而且还危及生态安全，已成为人们普遍关注的社会问题[2，3]。

湖北省天门市属武汉城市圈中的一员，是我国首批“资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验区”之一。本研究在收集国内相关研究资料和确定天门市畜禽粪便排放系数、养分含量系数、有机污染物与重金属含量系数、粪便流失比例以及CH4和NH3排放因子等参数的基础上，估算了天门市2006年度畜禽粪便排放量和养分资源量，并分析了畜禽养殖业对环境的潜在影响，以期为天门市制定畜禽养殖业发展规划和“两型社会”建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源与说明

本研究采用的畜禽养殖数量的数据全部来源于《天门统计年鉴·2006》公布的统计资料。因从农业年鉴中收集到的畜禽养殖数量一般包括出栏(笼)和存栏(笼)2部分，而各类畜禽生长期不一样，且出栏(笼)与存栏(笼)比例存在一定差距，故根据各类畜禽的生长周期分别确定其饲养量。

天门市主要养殖用作畜役的水牛和黄牛，因牛生长期长，一般当年不出栏，其年末存栏数可代表当年的饲养数量；猪的平均饲养周期一般为180 d，因此猪的饲养数量就是当年的出栏数；羊的生长期一般长于1 a，且饲养量少，因此采用年未存栏数作为当年的饲养数量；鸡、鸭以养殖蛋鸡、蛋鸭为主，一般当年不出笼，各自的年末存笼数即可视为当年饲养数量；鹅的生长期一般为210 d[4]，以当年出笼数计为当年的饲养数量。

依据以上基础数据可得出，2006年天门市共饲养牛54 921头，猪573 398头，羊3 406头，鸡525.4万只，鸭113.87万只，鹅5.32万只。

1.2 计算参数

(1)畜禽粪便排泄系数畜禽的粪便排泄系数是指单个动物每天排出粪便的数量，它与动物的种类、品种、性别、生长期、喂养饲料甚至天气条件等诸多因素有关[5]。目前我国尚没有相应的国家标准，本研究各类畜禽粪便的排泄系数采用文献[6]的数据。

(2)畜禽粪便养分含量与污染物含量系数畜禽新鲜粪便养分及污染物含量系数，除羊、鹅粪便的养分含量采用文献[7]的数据外，其余均采用文献[8]的数据。由于文献[8]中没有鹅粪的污染物含量数据，故用鸭粪的污染物含量数据代替。

(3)畜禽粪便重金属含量系数采用文献[9]的平均数据。

(4)畜禽粪便进入水体的比例畜禽粪便一般通过2种途径进入水体：一是在饲养过程中直接排放进入水环境；二是在堆放储存过程中因降雨和其它原因进入水体[5]。据国家环保总局南京环科所(1997)对畜禽养殖场粪便流失情况的研究看，畜禽粪便污染物进入水体的流失率粪量保持在2%～8%的水平上，而液体排泄物则可能达到50%。另据上海市对集约化畜禽养殖场污染情况进行的调查表明，畜禽粪便进入水体的流失率甚至可达到25%～30%[8]。这是在圈养条件下调查的数据，而天门市除生猪采取圈养外，其它畜禽均以散养为主，其流失率可能还要高。目前，我国还没有权威部门发布的不同管理水平下畜禽粪便进入水体的参数，所以综合考虑以上因素，天门市畜禽粪便流失率采用30%。

(5)畜禽养殖业CH4排放因子反刍牲畜与畜禽粪便CH4排放因子采用文献[10]的数据。

(6)畜禽粪便NH3排放因子采用文献[11]的数据。

1.3 计算方法

根据前述基础数据和计算参数，本研究采用下述公式计算以下各指标。

畜禽粪便排放量=饲养量×日排泄系数×饲养周期；

畜禽粪便养分或污染物排放量=畜禽粪便排放量×畜禽粪便养分或污染物含量系数；

畜禽粪便养分耕地承载量=畜禽粪便养分排放量/耕地面积；

畜禽粪便重金属排放量=畜禽粪便排放量×重金属含量系数；

畜禽粪便重金属耕地负荷量=畜禽粪便重金属排放量/耕地面积；

畜禽粪便污染物进入水体负荷量=畜禽粪便污染物排放量×进入水体比例；

CH4或NH3排放量=饲养量×CH4或NH3排放因子。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便年排放量

畜禽粪便污染不仅是畜牧业发达国家和地区面临的严重问题，也是畜牧业发展中地区应重点关注的环境问题[5]。由表1可以看出， 2006年，天门市畜禽养殖业排放的粪便总量为1 437.917 kt，其中粪量为896.857 kt，尿液为541.060 kt。当年天门市工业行业产生的工业固体废弃物为52.034 kt，畜禽粪便排放量则是当年工业固体废弃物产生量的27.63倍，已成为天门市农村面源污染的主要来源之一。从不同畜禽种类年粪便排放量看，牛的排放量最大，占总排放量的41.82%；其次是猪和家禽，分别占38.04%和19.91%；羊最少，仅占0.23%。其中，牛和猪年粪便排放量之和占总排放量的79.86%，表明这2种牲畜既是粪便资源贡献大户，也是环境污染大户。

表1 2006年天门市畜禽粪便排放量Table 1 Emissions of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

表2 2006年天门市畜禽粪便养分资源量Table 2 Nutrition resource amount of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

2.2 畜禽粪便养分资源量

畜禽粪便中除含有大量的有机物外，还含有丰富的N、P、K以及其它植物生长所需的营养元素，是生物重要的养分资源。数千年来，我国一直将畜禽粪便作为培养和提高土壤肥力的重要肥源。2006年，天门市畜禽粪便中有机质、N、P2O5、K2O等养分资源量分别为194.082、10.430、6.572、10.046 kt(表2)，分别相当于22.674 kt尿素、54.767 kt过磷酸钙和20.092 kt硫酸钾中N、P、K的养分含量。可见畜禽粪便是天门市农业生产中的一种重要肥料资源。

2.3 畜禽养殖业对环境的潜在影响

(1)畜禽粪便N、P养分单位耕地面积承载量目前，畜禽粪便处理的主要出路是作为有机肥料还田，国外许多发达国家也将农田作为畜禽粪便的负载场所加以消化。其单位耕地面积上畜禽粪便N、P养分的承载量，可以科学而又客观地反映各地畜禽饲养是否过密、畜禽粪便是否过载以及对环境是否构成污染威胁等问题。朱兆良[12]的研究表明，大面积化肥年施N量应控制在150～180 kg·hm-2，超过这一水平就会引起环境污染。粪肥年施N量与土壤质地、肥力和气候等自然条件有关，综合考虑这些影响因素，欧盟的农业政策规定，粪肥年施N量的限量标准为170 kg·hm-2，研究表明，超过这个极限值将会带来硝酸盐的淋洗[13]。而P在土壤中的移动性较差，易在土壤中累积。因此评价粪肥P养分对环境的潜在影响时，既要考虑粪肥P养分的施用量，也要兼顾土壤的供P水平[4]。一般农田年粪肥P2O5施用量不能超过80 kg/hm2[14]，过量的P会通过土壤的淋洗而进入地表径流造成水体的富营养化[15]。本研究结果表明，2006年，天门市单位耕地面积畜禽粪肥N与P2O5养分承载量分别为99.26 kg/hm2、62.53 kg/hm2，未超过环境污染风险值，对环境暂未构成污染威胁。但考虑到区域内畜禽粪便排放空间上的不均衡性，畜禽粪便在一些乡镇可能存在着N、P的污染问题。

表3 2006天门市畜禽粪便重金属排放量与农田污染负荷量Table 3 Heavy metal emission and field waste loading amount of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

表4 2006年天门市畜禽粪便有机污染物含量Table 4 Organic waste content of domestic animals excreta in Tianmen City in 2006

(2)粪便中重金属农田污染负荷量为了提高饲喂畜禽的生长速率、增强其抗病能力，现在的畜禽饲料中通常都含有一定量的Cu、As、Zn等微量元素和一些药物添加剂。这些添加剂中的重金属随着粪便排出体外，也会对环境产生一定威胁[16]。目前，天门市主要在猪、鸡、鸭饲养上喂食配合饲料，其中又以生猪和鸡喂食较为普遍。按照猪粪和鸡粪中重金属含量系数[9]和当地耕地面积，对天门市农田污染负荷量进行了估算，结果见表3。由表3已知，畜禽粪便中的Zn、Cu、As对农田污染较为突出，其单位耕地面积平均污染负荷量分别为3.019、1.738、0.223 kg·hm-2。从农田重金属外来污染源看，除Zn、Cu外，畜禽粪便中的As已成为天门市农田主要外来污染源。

(3)粪便流失有机污染物进入水体的负荷量畜禽粪便中除含有丰富的营养元素外，还含有极其庞杂的有机污染物(表4)。按畜禽粪便流失率30%计算，2006年，天门市畜禽粪便中主要有机污染物流失污染负荷量BOD5为11.048 kt，CODcr为12.121 kt，NH3-N为1.096 kt，TP为0.908 kt，TN为2.580 kt。天门市环境公报显示，2006年工业废水和生活污水中CODcr、NH3-N排放量分别为17.102 kt和1.474 kt。则畜禽养殖业流失于水体的CODcr和NH3-N对水体的污染水平为工业和生活污染总水平的70.87%和74.36%。由此可见，畜禽粪便流失不仅导致资源浪费，而且还带来环境污染，成为造成许多江河湖泊CODcr、TN、TP等主要污染物指标严重超标和水体富营养化的重要原因[17]。

(4)反刍牲畜及畜禽粪便CH4排放量大气中CH4是仅次于CO2的第二大温室气体，在全球气候变暖中的效应占15%。在这15%的贡献率中，畜禽养殖年释放的CH4约占大气中CH4的1/5[18]。根据张仁健等[10]编制的CH4排放目录清单与排放因子，对天门市畜禽养殖业CH4排放量进行了估算，结果如表5所示。

表5 2006年天门市畜禽养殖业CH4、NH3排放量Table 5 CH4 and NH3 emissions of livestock breeding in Tianmen City in 2006

反刍动物CH4是动物摄入食物中的有机物在瘤胃内厌氧发酵而产生的[19]。由表5已知，2006年全市畜禽养殖业CH4排放总量为4.742 Gg，其中反刍牲畜牛、羊CH4排放量为2.837 Gg，占排放总量的59.83%，畜禽粪便CH4排放量为1.905 Gg，占40.17%。从畜禽养殖结构看，牛的排放量最大，占整个畜禽养殖业CH4排放总量的60.59%，其次为猪，占36.88%，而家禽与羊仅分别占2.17%和0.36%。从区域内大气中不同污染源负荷量看(表6)，畜禽养殖业排放的CH4占大气污染负荷总量的负荷比为30.06%，为天门市温室气体CH4的主要排放源之一。

表6 2006年天门市大气CH4、NH3污染负荷量与负荷比Table 6 Waste loading amount and loading ratio of CH4 and NH3 in atmosphere in Tianmen City in 2006

(5)畜禽粪便NH3排放量畜禽粪便是NH3的重要排放源，当粪便中大量NH3逸散到大气中，使空气NH3量增加，严重时形成酸雨[20]。研究表明，由NH3转化生成的铵盐进入土壤后，在微生物的作用下可氧化生成酸使土壤酸化[11]，而进入地表水体的NH3又会增加水体富营养化[21]。采用孙庆瑞等[11]的畜禽粪便NH3排放因子，估算天门市畜禽粪便NH3的排放量，结果见表5。由表5可知，2006年天门市畜禽粪便向大气排放的NH3为5.061 kt，排放密度为1.97 t/(km2·a)，是福建九龙江流域(2001)的2.01倍[20]。同时，本研究还对氮肥使用、人粪尿等人为源NH3排放量进行了估算。结果表明，畜禽粪便NH3排放量超过氮肥使用和人粪尿污染源，其污染负荷比高达46.34%，比氮肥使用和人粪尿污染源的负荷比分别超过11.98个百分点和27.04个百分点(表6)，已成为天门市大气人为源NH3的主要来源。

3 讨论与结论

(1)改革开放以来，随着人们生活水平的提高，天门市畜牧业生产得到了快速发展，畜禽粪便资源排放量也随之不断增长。2006年天门市畜禽养殖业排放的粪便总量为1 437.917 kt，相当于22.674 kt尿素，54.767 kt过磷酸钙和20.092 kt硫酸钾的养分含量。目前，天门市畜禽粪便的主要出路是作为有机肥料直接还田，2006年单位耕地面积N与P2O5平均承载量分别为99.26 kg/hm2和62.53 kg/hm2，对环境暂未构成污染威胁。但P2O5对环境的胁迫水平已达到0.78，故今后在制定区域畜禽养殖业发展规划时，应以乡镇为单位，按农田对P2O5的消纳容量以土地定养殖规模，防止盲目扩张养殖规模，导致以破坏生态环境为代价换取暂时的经济发展。

(3)畜禽粪便可通过水的作用而流失，畜禽粪便在露天堆放及清粪冲洗过程中极易进入水体，具有较高的环境风险。本研究粪便流失率以30%计，2006年畜禽粪便进入水体的主要有机污染物BOD5、CODcr、NH3-N、TP、TN分别为11.048、12.121、1.096、0.908和2.580 kt。其中CODcr、NH3-N对水体的污染水平为当年工业和生活污染总水平的70.87%和74.36%，畜禽养殖业污染已成为水体污染的重要因素。如对其不加以监管并进行合理处置，将对农村生态环境造成严重影响。因此，从天门市畜禽粪便资源综合管理角度考虑，当前应重点将养殖场水冲式清粪工艺改为干清粪工艺，减少粪污产生量和排放量，并修建与养殖规模相适应的氧化塘进行污水净化。同时，强化畜禽粪便资源化利用，如大力发展猪——沼——果(菜、粮)，生产生物有机肥和再生饲料等，走出一条具有天门特色的环境友好型畜牧业发展道路。

(4)畜禽养殖业向大气排放的CH4和NH3对环境的污染不应忽视。本研究结果表明，2006年畜禽养殖业向大气排放的CH4为4.742 Gg，NH3为5.061 kt，其污染负荷比高达30.06%和46.34%，对大气环境已造成了潜在的影响。按目前天门市畜牧业发展状况分析，未来几年内畜禽养殖业CH4和NH3排放量将呈增长趋。因此，要从实际出发，在源头控制和粪便处理等环节上，建立减缓畜禽养殖业CH4和NH3排放的技术体系，如在反刍动物饲料中补充尿素/糖密舔砖、过瘤蛋白和秸秆氨化、秸秆粉碎及颗粒化[19]；猪、家禽在配合日粮的基础上添加合成氨基酸、酶制剂、丝兰属提取物[1]以及畜禽粪便无害化处理等，并加大实施力度，切实解决畜禽养殖业对大气环境的污染问题。

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