河南省畜禽粪便污染及耕地负荷时空变化特征分析

李冬梅，姜翠玲，孙敏华

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

近年来，随着畜禽养殖业的迅猛发展，畜禽粪便排放导致的环境污染问题日趋严重。根据2010年《第一次全国污染源普查报告》，畜禽养殖业排放的化学需氧量、氮、磷分别占全国所有污染物排放的化学需氧量、氮、磷的 41.9%、21.7%和37.9%［1］，畜禽养殖污染已成为最主要的农业污染源。关于畜禽粪便污染物的研究已有很多报道，Provolo［2］等以单位面积氮元素负荷为指标，结合GIS分析评价粪肥管理措施;Basnet等［3］以 Westbrook子流域为研究对象，研究了区域内土地对畜禽粪便的承载力;彭里等［4］通过对重庆市畜禽养殖业的调查，确定了重庆市畜禽粪便年排放量估算方法和估算参数;李帷等［5］通过对东北3省畜禽养猪数量、结构及空间布局的时空分析，评价了畜禽粪便中氮、磷养分对环境的影响和污染风险。另外，相关国家在养殖场规模、养殖场选址以及粪肥的农田施用量和施用时间等提出了各项规定。

河南省是全国畜禽养殖业大省，畜禽养殖业污染已严重影响河南省农业生态环境［6］。因此，本文基于河南省2006年～2012年统计数据，采用畜禽粪便排泄系数法对河南省畜禽粪便的排放量及其主要污染物的产生量进行了量化、系统评估，从不同年限、不同区域、不同畜禽3个方面分析了河南省畜禽粪便排放的时间变化特征;结合GIS分析耕地粪便负荷量;运用畜禽粪便承载预警值对河南省畜禽养殖进行环境风险评价，以期为今后政府明确养殖业的发展方向，因地制宜的从政策管理和技术两方面提出畜禽养殖业污染治理防治措施提供了基础资料。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究中河南省各市的畜禽养殖统计数量、耕地数据来源于2006年～2013年河南省统计年鉴，数据的截至时间为2012年底。搜集的数据包括牛、猪、羊以及家禽的年末存栏量和当年出栏量两部分。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽养殖粪便养分总量计算

畜禽年度粪便养分总量计算公式:

式中:Q—年度粪便养分总量 (万t);N—饲养量 (万头或只);T—饲养期 (d);K—畜禽排便系数［kg/(头或只·d)］;F—畜禽粪便养分含量 (%)。

在进行饲养期估算时，存栏数的饲养期按365d计算。出栏数的饲养期按照国内外资料确定，猪为 199d，牛为 300d，羊为 180d，家禽为 210d［7，8］。畜禽排便系数和粪便养分含量参照廖诗英［9］等人确定的河南省各类畜禽粪便排泄系数和养分含量，详见表1和表2。

表2 河南省畜禽粪便养分含量［9］Tab.2 The nutrient content of PLE (%)

1.2.2 耕地畜禽粪便负荷预警值计算

农田畜禽粪便负荷预警值计算公式为:

式中:r—畜禽粪便负荷警报值，即污染风险指数;q—畜禽粪便负荷量 (t/hm2);p—有机肥最大理论适宜施用量 (45 t/hm2)［10］。畜禽粪便警报值分级标准见表3，可见，随着警报值的不断增大，畜禽粪便对环境造成威胁的可能性就越大。

表3 畜禽粪便警报值分级［11］Tab.3 Alarm value classification of PLE

农田畜禽粪便负荷量的大小可以间接衡量各地区畜禽饲养密度及其养殖业分布的合理性。不同类型的畜禽粪便，其养分差异较大，故其农田消耗量(或施用量)也有较大差异。为此，本研究将各类型畜禽粪便量统一折算成猪粪当量，再叠加成猪粪总量［12］，从而用可比性较强又符合实际的畜禽粪便猪粪当量负荷来统计河南省各市畜禽粪便负荷量。因此，畜禽粪便负荷量q的计算公式为:

式中:Q—年度粪便养分总量 (万t);C—猪粪当量换算系数 (表4);A—耕地面积 (万hm2)。

表4 各类畜禽粪便换算猪粪当量换算系数Tab.4 Conversion factors of PLE

2 结果与分析

2.1 河南省畜禽粪便总量估算

根据公式 (1)计算出，2006年～2012年河南省畜禽养殖排放的粪便量为25910～34416万吨，平均28627万吨。从不同畜禽种类年粪便排放量(图1)来看，猪的排放量最大，占总排放量的44.6% ～55.5%，其次是牛和家禽，羊最少。主要原因是粪便的排放量取决于饲养期、饲养量和粪便排放系数，由河南省统计年鉴可知，家禽的饲养量最大，其次是猪和羊，牛的饲养量最少，但是猪和牛的粪便排放系数要远远大于家禽和羊，且羊的饲养期最短，因此，河南省畜禽粪便排放量为猪＞牛＞家禽＞羊。

目前，我国大部分畜禽养殖粪便是作为肥料直接还田，粪便中的氮、磷、钾等营养物能培肥土壤，有助于作物的生长，但若施入的粪便量过大，超出耕地环境的消化能力，就会引起土壤板结，土壤容重增加等一系列问题［13］。2006年～2012年河南省畜禽养殖粪便中氮、磷、钾的含量分别为116.14 ～160.49万吨、34.10 ～45.18 万吨、84.64～115.64万吨。从2006年～2012年，粪便中氮、磷、钾的含量总体上呈下降趋势 (图2)，至2012年，氮、磷、钾分别下降了 21.8%、15.6% 和21.8%。未来几年，河南省畜禽养殖规模和方式不会发生较大改变，因此，畜禽养殖粪便排放量不会发生较大变化，按2012年河南省有效耕地面积7202.2千hm2来算，河南省耕地畜禽粪便氮负荷量约为174kg/hm2。根据欧盟的农业政策规定，粪肥年施氮量的限量标准为170kg/hm2，超过这个限量标准将极易会对农田和水环境造成污染［14］。因此，在未来几年，若向农田中仍施入目前的粪便量，将会对农田以及河南省的水环境造成污染。

图1 2006年～2012年河南省畜禽粪便排放总量变化Fig.1 Variation amount of PLE in Henan province from 2006 to 2012

图2 2006年～2012年河南省畜禽粪便养分总量变化Fig.2 Total nutrient variation of PLE in Henan province from 2006 to 2012

2.2 河南省各市耕地畜禽粪便负荷预警分析

2.2.1 河南省各市耕地畜禽粪便猪粪当量负荷量估算

图3 2006年～2012年河南省各市耕地畜禽粪便猪粪当量负荷量空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of average PLE equivalent load of cities’farmland in Henan province from 2006 to 2012

河南省经统计，2006年～2012年河南省平均耕地畜禽粪便负荷量有逐年减少的趋势，但不同市单位面积耕地粪便负荷量变化趋势相差较大。鹤壁市单位耕地面积畜禽粪便负荷量表现为增加的趋势，于2012年达到最大值59t/hm2，主要是因为2012年鹤壁市家禽的饲养量增加了34.9%;而南阳市、周口市、洛阳市等市表现为减少的趋势，其中2012年南阳市、周口市、洛阳市单位耕地面积粪便负荷量比2006年分别减少了47%、29%和36%。这种变化主要是与这些城市产业结构调整与优化而导致畜禽养殖量明显减少有关。

由图3可知，河南省耕地畜禽粪便负荷量在区域分布上有较大差异。鹤壁市、平顶山市、漯河市和焦作市耕地畜禽粪便负荷量最大，尤其是鹤壁市，平均负荷量高达51t/hm2，其次是平顶山市，负荷量为43t/hm2，安阳市耕地畜禽粪便负荷量最小，仅22t/hm2，郑州市、信阳市和周口市耕地畜禽粪便负荷量较少，平均为27t/hm2。鹤壁市有效耕地资源数量极少是其耕地畜禽粪便负荷量最高的重要原因。

2.2.2 河南省各市耕地畜禽粪便污染风险评价

畜禽粪便负荷量的大小能反应地区畜禽饲养规模以及养殖业布局是否合理，但是不能较好反映出一个地区畜禽粪便是否过载以及对环境是否构成威胁。因此，为了更全面分析河南省畜禽粪便对环境的污染威胁程度，对河南省2006年～2012年18个市耕地畜禽粪便负荷量承受程度进行了预警分析，耕地畜禽粪便负荷预警值与预警级别见表5。

表5 2006年～2012年河南省各市耕地畜禽粪便负荷预警值与预警级别Tab.5 Warning value and level of PLE load of cities’farmland in Henan province from2006 to 2012

预警分析结果表明，河南省耕地畜禽粪便负荷预警级别在Ⅰ级与Ⅳ级之间，说明河南省耕地受到不同程度的污染威胁。其中鹤壁市畜禽粪便污染风险最大，7年的平均预警级别在Ⅲ级以上。2006年耕地畜禽粪便对环境污染威胁程度最高，其中平顶山、鹤壁、南阳等市畜禽粪便负荷预警级别均达到Ⅳ级;而2010年和2011年威胁程度最低，全省平均负荷预警级别为Ⅱ级。从区域分布来看，污染风险级别较高的地市主要是鹤壁市、漯河市、焦作市、平顶山市等，而郑州、安阳、周口等市多处于稍有污染风险级别。河南省2006年～2012年地表水环境质量报告显示，黑河、八里河、卫河、蟒河等河流水质污染严重，而这些河道正处于畜禽粪便污染风险级别较高的地区。因此，加强该地区畜禽粪便风险监督和管理，同时提高畜禽粪便的处理能力，以缓解并解决因畜禽粪便超负荷所造成水环境污染。

3 结论

3.1 2006年～2012年河南省畜禽粪便平均年产量为28627万吨，主要来源于牛和猪。2种畜禽粪便年产生量之和占畜禽粪便总产生量84.5%以上，其中猪的贡献率最大，约占50.7%，且逐年增加，而牛的贡献率逐年下降。

3.2 2006年～2012年河南省畜禽粪便中氮、磷、钾养分的含量分别为116.14～160.49万吨、34.10～45.18万吨、84.64～115.64万吨，粪便作为肥料还田将对河南省的水环境造成污染。

3.3 各市单位面积耕地粪便负荷量差异较大，其中，鹤壁、平顶山、漯河、焦作等市负荷量较大，尤其是鹤壁市，负荷量最高达59t/hm2，且表现为增加的趋势;安阳、郑州、信阳、周口等市负荷量相对较小。风险评价结果表明，河南省耕地畜禽粪便负荷预警级别在Ⅱ级与Ⅳ级之间，污染风险级别较高的地市主要集中在漯河、平顶山、鹤壁、焦作等市。

［1］ 仇焕广，廖绍攀，井 月，等.我国畜禽粪便污染的区域差异与发展趋势分析［J］.环境科学，2013，34(7):2766-2774.

［2］ Provolo G.Manure management practices in Lombardy(Italy)［J］.Bioresource Technology，2005，96(2):145-152.

［3］ Basnet B，Armando A.Geographic information system based manure application plan［J］.Journal of Environmental Management，2002，64(2):992113.

［4］ 彭 里，王定勇.重庆市畜禽粪便年排放量的估算研究［J］.农业工程学报，2004，20(1):288-292.

［5］ 李 帷，李艳霞，张丰松，等.东北三省畜禽养殖时空分布特征及粪便养分环境影响研究［J］.农业环境科学学报，2007，26(6):2350-2357.

［6］ 苗 蕾，寇渊博，李 有，等.河南省畜禽养殖业污染现状分析及对策［J］.河南科学，2010，28(1):94-97.

［7］ 李建国.畜牧学概论［M］.北京:中国农业出版社，2002.307-313.

［8］ 国家环境保护总局自然生态保护司.全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［9］ 廖诗英，赵书强.河南省畜禽粪便污染状况评估［J］.山东畜牧兽医，2013，34(8):1-2.

［10］ 阎波杰，赵春江，潘瑜春，等.大兴区农用地畜禽粪便氮负荷估算及污染风险评价［J］.环境科学，2010，31(2):437-443.

［11］ 陈康林，李江涛，钟晓兰，等.广东省畜禽粪便时空变化特征及耕地负荷分析［J］.安徽农业科学，2012，40(12):7177-7181.

［12］ 王晓燕，汪清平.北京市密云县耕地畜禽粪便负荷估算及风险评价［J］.农村生态环境，2005，21(1):30-34.

［13］ 张绪美，董元华，王 辉，等.中国畜禽养殖结构及其粪便N污染负荷特征分析［J］.环境科学，2007，28(6):1311-1318.

［14］ 侯彦林，李红英，赵慧明.中国农田氮肥面源污染估算方法及其实证:Ⅳ各类型区污染程度和趋势［J］.农业环境科学学报，2009，28(7):1341-1345.