宜兴畜禽粪便污染负荷时空变化研究*

黄 威，聂 耳，李纪华，杨晓英*

(1．复旦大学 环境科学与工程系,上海 200433)

随着生活水平的提高，人们对肉禽类需求量不断增加。与此相应，我国禽畜养殖业发展迅猛。然而，现有的许多畜禽养殖场缺乏足够的废弃物处理能力，常常将粪便倒入河流或随意堆放。据估计我国农村地区每年产生的畜禽粪便量达39.7×108t[1]，由于缺乏足够的处理能力，我国的畜禽粪便的无害化处理利用率不足5%。畜禽养殖业产生的粪尿已成为我国许多地区环境恶化的重要污染源[2-3]。例如，在太湖地区的漕桥河流域，由畜禽养殖排放的化学需氧量(COD)、氨氮、总氮和总磷负荷分别占流域总污染负荷的10%、17%、12%和41%[4]。在同属太湖地区的武进港流域，畜禽养殖排放的COD和氨氮负荷分别占流域总污染负荷的24%和27%[5]。研究我国畜禽养殖的分布状况，掌握畜禽养殖污染负荷的时空变化特征，是合理规划布局畜禽养殖业，有效削减畜禽养殖污染负荷，促进我国环境改善的重要任务。

我国多个地区已经开展了有关畜禽养殖分布和畜禽粪便污染负荷评估的研究[6-12]。这些关于畜禽养殖污染负荷的研究多以省为研究界限，市区为基本研究单元[12-15]，因为这一级的统计数据比较容易获得。然而，这些大尺度的研究不易于发现局部空间变化特征，因此其研究结果在实际应用中存在局限性。与以往研究不同，本文采用了宜兴市各个乡镇1990～2011年的统计数据，以镇级为单位分析了二十年间宜兴市畜禽养殖的时空变化趋势，并进而分析和评估了各镇的耕地畜禽污染负荷量。通过对宜兴镇级高精度空间尺度数据的分析，研究结果可直接为当地应对畜禽粪便污染问题提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

宜兴市地处江苏省南端、沪宁杭三角中心，位于北纬31°07′～31°37′，东经119°31′～120°03′。该市濒临太湖西岸，由于其特殊的地理位置，一直是太湖流域水污染控制的重点区域。宜兴东部为太湖渎区，适宜种植各种蔬菜；北部和西部分别为平原区和低洼圩区，是宜兴粮油的主要产地。全市有耕地5.29×104hm2，林地5.12×104hm2，天然湖荡30个(不含太湖)，水域总面积达375 km2。

1.2 数据来源和计算方法

本文所采用的镇级统计数据主要来源于宜兴市统计局所发布的1991、1996、2002、2006和2012年统计年鉴。1990～2011年间，宜兴市经历了多次乡镇区划调整。1990年的宜兴市区划包含了48个乡镇，而2011年的宜兴区划却仅包含了18个镇级单位。行政区划调整使得无法直接利用历年的镇级统计数据对宜兴畜禽养殖的时空变化特征进行比较分析。针对上述问题，我们采取了以下解决办法：根据宜兴历年的行政区划变化，将1990、1995、2001和2005年的畜禽养殖、耕地等历史统计数据按照2011年的镇级区划进行归纳计算，然后统一在2011年镇级区划的基础上进行时空变化比较和分析。

在畜禽养殖方面，宜兴市统计年鉴主要报道了生猪和家禽的饲养量。为了方便比较不同时间和镇级单位的畜禽养殖规模和估计畜禽养殖污染负荷，依据《畜禽养殖业污染物排放标准》，将年鉴中报道的家禽数量换算成猪的养殖当量，具体换算比例为30只家禽1头猪。

对于畜禽粪便排泄系数及排污系数，我国尚没有相应的国家标准。目前对于不同畜禽的粪便发生总量和氮、磷产生系数都有文献，但是差异很大。畜禽粪便排放量因品种、年龄、体重、饲料、地区、季节等不同而有差异。同时，取样方式和鲜样的含水量等对排泄系数及排污系数也有较大影响[8]。本文采取柳建国[9]的估计值(猪年平均排泄粪便为1 350 kg)，因为其研究区域与本文最为接近。

耕地畜禽粪便处理警报值(r)可以用于评价畜禽粪便造成污染的潜在危害程度,它是畜禽粪便污染负荷与农田粪便污染物最大的适宜施用量之比。r<0.4，对环境不构成威胁；r介于0.4～0.7，对环境稍有威胁；r介于0.7～1.0，对环境构成威胁； r介于1.0～1.5，对环境构成较严重的威胁[16]。本文采用柳建国[8]建议的60 t/hm2的农田粪便污染最大适宜施用量计算警报值[8]。

2 结果与分析

2.1 宜兴市畜禽养殖的历史变化

图1显示了宜兴1990～2011年间畜禽养殖数量、耕地面积和畜禽粪便污染负荷的变化情况。由图1可见，在这二十年间，宜兴的耕地面积呈持续下降趋势，由1990年的7.5×104hm2下降至2011年的5.9×104hm2，降幅比例达21.5%。1995～2011年间，宜兴市生猪和家禽养殖变化趋势大体类似：养殖量在1995～2001年间迅速增加，随后总体缓慢下降。虽然二者变化趋势相近，但生猪和家禽养殖的实际变化量有显著差异。宜兴市生猪的出栏数由1990年的42.3万头下降至2011年的35.4万头，降幅为16.3%。与生猪不同，宜兴市家禽饲养量在1990～2011年得到迅猛的发展，家禽数由1990年的235.7万羽增至2011年的683.4万羽，增幅高达190%。

在耕地面积的减少和家禽业迅猛发展的双重作用下，宜兴市的耕地畜禽粪便污染负荷显著增加，由1990年的9.0 t/hm2增至2001年的14.5 t/hm2，后略降至2011年的13.3 t/hm2。1990～2011年间，宜兴市的耕地畜禽粪便污染负荷增幅比例达到47.8%。2011年宜兴市的畜禽粪便处理警报值为0.22，尚处于不对环境构成威胁的区间。

图1 宜兴市耕地面积、畜禽养殖和粪便污染负荷：1990-2011Fig.1 Arable land, number of livestock and poultry, and pollutant load from manure:1990-2011

2.2 宜兴市镇级畜禽养殖的时空变化

图2显示了按照宜兴市2011年镇级区划所计算的宜兴市历年各镇畜禽养殖量(以猪当量计)。1990～2005年间，宜兴畜禽养殖量的空间分布总体上相对稳定，主要变化集中于官林与和桥二镇。其中官林镇的养殖量由1990年的4.54万头上升至2001年的6.86万头，后跌至2005年的3.38万头。和桥镇的养殖量则由1990年的3.14万头持续上升至2005年的8.83万头，增幅高达181.2%。2005～2011年间，宜兴畜禽养殖量的空间分布集聚之势日益明显，并在宜兴的西北部形成一个由徐舍、高塍、和桥三镇组成的畜禽养殖集聚带。

与1990年相比，在2011年有10个城镇的畜禽养殖量减少，8个城镇的畜禽养殖量增加。其中，减少量超过20 000头猪的城镇包括官林、宜城、环科园和新庄；增加量超过20 000头猪的城镇包括高塍、和桥、徐舍、丁蜀和新建。除丁蜀镇外，畜禽养殖量增加20 000头的城镇主要集中在宜兴的西北部，并处于太湖一级保护区之外。

图2 宜兴各镇畜禽养殖量(猪当量)：1990-2011 (万头)Fig.2 Number of livestock and poultry in each town of Yixing City (pigs equivalent) : 1990-2011 (ten thousand)

畜禽养殖场的空间集聚所引发的直接后果是局部地区耕地畜禽养殖污染负荷的增加。目前，畜禽粪便还田利用是处理粪便的主要出路之一。但是，为了避免畜禽粪便还田利用对环境所可能造成的二次污染，一个地区的耕地畜禽养殖负荷不能超过该地区耕地对粪便的承载能力。

图3显示了按照宜兴市2011年镇级区划所计算的宜兴市各镇历年的耕地畜禽养殖污染负荷。1990和1995年，除湖父镇1990年的耕地畜禽养殖污染负荷为21.8 t/hm2，宜兴各镇的耕地畜禽养殖污染负荷均低于15 t/hm2。2001年，宜城和丁蜀二镇耕地畜禽养殖污染负荷最高均超过20 t/hm2。2005年，除宜城、丁蜀之外，和桥和万石镇的耕地畜禽养殖污染负荷显著增加，并超过了20 t/hm2。2011年，高塍、新建二镇取代了宜城、丁蜀二镇，成为耕地畜禽养殖污染高负荷的镇区。2011年和桥镇和高塍镇的耕地畜禽养殖污染负荷分别达到了28.6 t/hm2和32.3 t/hm2，超过全市平均耕地畜禽养殖污染负荷的2倍。

与1990年相比，在2011年宜兴市各有9个城镇的耕地畜禽养殖污染负荷增加或减少。其中，只有湖父镇的耕地畜禽养殖污染负荷减少量超过10 t/hm2，但有四个镇(万石、新建、和桥和高塍)的耕地畜禽养殖污染负荷量增加超过10 t/hm2。这四个镇也是在2011年耕地畜禽养殖污染负荷位于前四的乡镇。和桥镇和高塍镇畜禽养殖量均超过75 000头，造成较大的耕地畜禽养殖污染负荷。万石镇和新建镇虽然畜禽养殖量不是位于前列(见图2)，但二镇有限的耕地面积使得其耕地畜禽养殖污染负荷较大。

图3 宜兴耕地畜禽养殖污染负荷(猪粪当量)：1990-2011 (t/hm2)Fig.3 Pollutant load from livestock and poultry manure on arable land in each town of Yixing City (pig manure equivalent): 1990-2011 (t/hm2)

尽管宜兴市的畜禽粪便处理警报值尚处于不构成威胁的区间，但各个乡镇间的畜禽粪便处理警报值有显著差异(见图4)。在1990年，除了湖父镇的畜禽粪便处理警报值为0.36以外，其他乡镇的畜禽粪便处理警报值都小于0.25，因此畜禽粪便处理普遍对环境不构成威胁。2011年，和桥镇与高塍镇的畜禽粪便处理警报值都超过了0.4，因而已经对环境构成威胁。此外，万石镇和新建镇的畜禽粪便处理警报值都超过了0.35，非常接近威胁警戒值。和畜禽养殖的空间分布类似，这些具有较高畜禽粪便处理警报值的乡镇主要集中于宜兴市的西北部。

3 讨 论

3.1 宜兴畜禽养殖的时空变化特征

1990～2011年间，宜兴的畜禽养殖经历了一个显著的空间集聚过程。1990年，宜兴市仅徐舍镇的畜禽养殖量超过了60 000头猪。而2011年，四个城镇的畜禽养殖量超过60 000头猪，其中有三个城镇超过了75 000头猪。 每年，畜禽养殖量位列前四位的城镇占宜兴市养殖总量的比例由1990年的39%持续增长至2011年的59%。2011年，在宜兴的西北部形成一个由徐舍、高塍、和桥三镇组成的畜禽养殖集聚带。尽管这些乡镇不处于太湖之滨，但是他们距离太湖都比较近，并且区域内水网密布，畜禽粪便如果没有经过适当处理，易于流失到周边水体，并进而流入太湖。鉴于这些乡镇较高的养殖密度和空间范围上的连续性，除了推行粪便还田以外，还可以在该地区建立区域畜禽粪便收集中心，利用规模效应，显著降低利用粪便发酵产生沼气并进而发电等生物质能的工艺成本，促进畜禽粪便的高值回收利用。

图4 宜兴1990年与2011年的畜禽粪便处理警报值比较Fig. 4 Comparison of the alarm ratios of livestock and poultry manure disposal between 1990 and 2011

3.2 丁蜀镇的畜禽养殖污染控制有待加强

除了宜兴市西北部的高密度养殖区域以外，2011年位于太湖湖滨的丁蜀镇的畜禽粪便处理警报值达到了0.31。与同处于太湖一级保护区的周铁镇和新庄镇不同，尽管近年来丁蜀镇的畜禽养殖量有所降低，但是该镇的实际畜禽养殖量一直在高位徘徊。该镇的高畜禽养殖量和高畜禽粪便污染负荷排放有悖于太湖流域污染控制方案中严格限制太湖一级保护区内污染负荷发生量的总体思路。鉴于该镇特殊的地理位置和太湖流域严峻的水污染现状，有必要采取更加严格的畜禽养殖限制和管理措施，以有效地控制该镇的畜禽养殖规模。

3.3 耕地畜禽粪便污染负荷

耕地畜禽粪便处理警报值是被广泛认可的一个用于评价畜禽粪便污染负荷现状的方法。然而，在使用中不能忽略使用该警报值的一个重要前提，即研究区域农民的化肥施用水平适中。然而，诸多研究表明目前在太湖西岸地区存在着严重的氮肥过度施用现象[16-17]。例如，近期一项针对太湖西岸一级保护区内农户施肥行为的入户调查结果显示当地被访农户种植水稻的氮肥平均施用量为353 kg/hm2，种植小麦的氮肥平均施用量为281 kg/hm2，远高于专家推荐的氮肥适宜施用量。例如，Zhu and Chen (2002) 认为如果氮肥施用量在150～180 kg/hm2之间，谷物作物一般都能够得到较好的收成[18]。同时，当地农户在水稻和小麦种植中施用有机肥的人数比例显著减少，仅有约8%的被访农户施用少量的有机肥[19]。因此，化肥的过度施用和有机肥施用比例的急剧降低使得宜兴目前依靠农田消纳的畜禽粪便量十分有限。可以确定宜兴的实际畜禽养殖污染问题要比图4警报值所反映的情况更为严重。如何减少当地农户的氮肥过度施用行为，提高畜禽粪便等有机肥的使用比例也是当地治理面源污染，促进水环境改善的重要任务之一。

4 结 论

1990～2001年，宜兴市的畜禽养殖污染负荷呈总体上升趋势。其后，随着太湖流域水污染防治工作的开展和对面源污染控制的逐渐重视，该市的畜禽养殖污染负荷的上升趋势得到遏制，并在2011年呈现一定程度的降低。2011年，宜兴市的畜禽粪便处理警报值为0.22，低于对环境构成威胁的警戒值。然而，对于该市镇级畜禽养殖情况的进一步分析显示宜兴市的畜禽养殖在1990～2011年间呈现持续的空间集聚之势。2011年在宜兴市的西北部形成了一个畜禽养殖密集的带状区域，其畜禽粪便处理警报值已经超过临界值，养殖污染风险显著。鉴于宜兴市耕地面积有限和农户施用有机肥热情不高的现状，在教育农户改善化肥施用行为的同时，建议在养殖密集区域建立畜禽粪便收集和处理中心，利用规模效应来显著降低利用粪便进行沼气发电等生产生物质能的工艺成本，以促进该地区对畜禽粪便的高值化利用。

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