基于耕地消纳的畜禽粪便环境承载力分析*——以安康市为例

史瑞祥，薛科社，周振亚

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)



·问题研究·

基于耕地消纳的畜禽粪便环境承载力分析*
——以安康市为例

史瑞祥1，薛科社1，周振亚2※

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

[目的]选取陕西省安康市作为实例进行研究。[方法]通过文献调研与相关数据资料收集，理论上量化、分析该区域的畜禽粪便环境承载力，现实中可为优化畜禽养殖结构，推动养殖业绿色发展提供参考。依据我国有关畜禽粪污排泄的标准，运用排污系数法对安康市2014年10个区县的畜禽粪便产生量、主要污染物的产生量与流失量进行核算。科学假设区域内产生的畜禽粪便都通过当年有效耕地方式消纳，并将不同畜种产生的畜禽粪便量统一换算为猪粪当量，计算出单位耕地面积猪粪当量负荷及警报值，在此基础上，参照相关标准得到安康市各区县所对应的预警级别。[结果] 2014年安康市畜禽粪便总产生量为647.79万t，其中牛粪产生量最大，产生量最少的是家禽粪； 主要污染物中，COD的产生量与流失量都最大且成正比关系； 所有区县中，畜禽粪便污染物产生量最多的县为旬阳县。同时，安康市2014年畜禽粪便单位耕地面积猪粪当量负荷均值是30.4957，单位耕地面积猪粪当量负荷警报均值为0.76，总体警报值级别为Ⅲ级，表明在该区现阶段产生的畜禽粪便已对安康市整体环境有了一定影响。不同区县之间的单位面积耕地畜禽粪便猪粪当量负荷有所差异，全市警报值已经达到Ⅱ级的区县有5个，分别是汉滨区、紫阳县、岚皋县、平利县和白河县，对环境稍有影响； 汉阴县、宁陕县和镇坪县警报值达到了Ⅲ级，对环境已有定影响； 石泉县和旬阳县警报值最大，为Ⅳ级，对环境造成较严重威胁。[结论]针对安康市畜禽粪便对环境所产生的不同级别的威胁与压力，笔者最后提出可行地提高畜禽养殖环境承载力的建议，可能为畜禽养殖区域发展战略提供科学依据。

耕地消纳 畜禽粪便 安康市 环境承载力 预警分析

0 引言

随着社会经济发展水平不断提高，中国畜禽养殖业得到迅速发展，规模化养殖带来的畜禽粪便污染物随意产生，直接或间接地对各类水体、土壤和大气环境造成污染，并对人类健康构成威胁。因此，针对当前形势下的不同区域开展畜禽粪便耕地承载力估算和分析显得尤为必要。与此同时，日趋严峻的畜禽粪便污染形势也为学界所广泛热议。第一次全国污染源普查数据表明，畜禽粪便中COD、总氮、总磷的产生量分别为1268万t、106万t和16万t，分别占农业污染源产生量的96%、38%、65%。另外，近年的污染源普查动态更新数据也显示，畜禽粪便污染物产生量在全国污染物总产生量中的占比有所上升。可见，畜禽粪便污染物减排已不容小觑，攸关国家节能减排目标的实现，攸关国家生态环境质量的整体改善[1]。由于畜禽粪尿的特点决定了其无法进行大范围、跨地区的移动，所以在当前经济可行的技术条件下，耕地消纳仍是较为经济可行的畜禽污染物处理手段[2]。然而在一定时期内，单位耕地面积对畜禽粪便的消纳容量有限，区域畜禽养殖业的发展应该符合该地区的土壤环境承载力，其饲养密度应不超过该地区耕地资源的最大承载能力[3]。

目前，国内对于畜禽养殖量较大区域的畜禽粪便环境承载力已有较多研究，但对于相对偏远落后区域的畜禽粪便环境承载力研究较少，而这些区域畜禽养殖业的发展离不开对其理论的研究与创新。基于此，文章以丹江口库区的重要城市安康市为例，依据官方有关数据，对该市2014年所有区县的畜禽粪便产生量、主要污染物产生量与流失量进行核算，分析结论可对畜禽养殖区域发展战略提供科学依据，同时为农业可持续发展研究提供理论参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

安康市位于我国陕西省东南部，地处北纬31°42′～33°49′、东经108°01′～110°01′之间，安康市地缘和区位优势独特，处于川、陕、鄂、渝等4个省(市)的结合部。至2014年，安康市辖汉滨区1区，汉阴、石泉、宁陕、紫阳、岚皋、平利、镇坪、旬阳、白河9县，全市总面积2.353 6万km2，其中耕地面积3 746.56km2，人均耕地0.001209km2，总人口310万。安康市作为我国丹江口库区重要的水源地、主要经济带和人口密集区，该区域承担着我国保障区生猪供给的重要任务，其独特的地理位置与气候资源为当地农业发展，尤其是畜牧业发展提供了天然条件。然而近年来由于畜禽粪便的大量产生，给当地环境带来了巨大的压力，这使得畜禽粪便污染治理成为该区域开展环境保护工作的重难点。

1.2 基础数据

猪、牛、羊和家禽是安康市畜禽粪便的主要类群，由于部分区(县)缺乏对养殖数量较少的其他畜禽种类的相关统计，因此以这4种畜禽种类为研究对象进行计算。2014年安康市及各区县耕地面积、各类畜禽存出栏量如表1所示。

表1 2014年安康市各区县耕地面积及畜禽粪便数量

区县年末常用耕地面积(hm2)猪(万头)牛(万头)羊(万只)家禽(万只)存栏量出栏量存栏量出栏量存栏量出栏量存栏量出栏量安康市197296 1333238 6476320 000425 51988 013097 156296 98270 09320 1222汉滨区42740 266751 458767 24525 27641 950313 732914 46670 01920 0274汉阴县23041 000029 127040 17433 61851 40995 40295 67500 01270 0142石泉县13100 000018 321321 91823 25161 45635 82256 41190 00670 0110宁陕县3392 26674 00844 79830 43070 24792 73922 13910 00220 0033紫阳县24249 333329 634339 69140 69950 162110 568812 59510 00850 0104岚皋县17180 133319 516422 47910 21030 05508 980510 01180 01200 0185平利县18332 333320 469535 39380 79060 153815 138814 04800 00710 0091镇坪县4965 600013 683119 66560 37320 10822 66142 10220 00340 0048旬阳县36409 733339 498252 14969 78972 063622 913920 33670 01500 0167白河县13885 466712 930716 48491 07840 40599 19539 19620 00620 0068 注：数据来源于《安康统计年鉴2015》

1.3 参数及方法

1.3.1 参数确定

将牛和羊的存栏量，猪和家禽的出栏量看作当年中相对稳定的饲养量，采用存、出栏量、饲养周期与日排泄系数计算粪便产生量[4]。该研究所用的各类畜种日排泄系数、污染物平均含量及污染物进入水体的流失率均采用国家环保部公布的数据[5](表2和表3)。

表2 各类畜种日排泄系数及污染物参数

指标牛粪牛尿猪粪猪尿羊粪家禽粪排泄系数(kg/d)20 010 02 03 32 60 125COD(kg/t)31 06 052 09 04 6345 65NH3⁃N(kg/t)1 713 473 081 430 802 79BOD(kg/t)24 534 057 035 04 1038 94TN(kg/t)4 378 05 883 37 510 42TP(kg/t)1 180 403 410 522 605 79

表3 畜禽粪便污染物进入水体的流失率 %

1.3.2 畜禽粪便年产生量估算

依据畜禽数量、饲养周期和饲养周期内不同种类畜禽的排泄系数，采用以下思路计算年畜禽粪便产生量：

各类畜禽粪便年产生量=畜禽存栏量×饲养周期×各类粪便排泄系数/1000

一般情况下，猪、牛、羊和家禽的平均饲养周期分别为199d、365d、365d和210d。

1.3.3 畜禽粪便主要污染物含量及流失量估算

畜禽粪便排泄的主要污染物是COD、NH3-N、BOD、TN和TP，大量研究证实，畜禽粪便中的这些污染物的含量有稳定的参数范围，该文以国家环境保护部总局发布的统计数据确定了畜禽粪便中主要污染物的参数，见表2。估算思路如下：

畜禽粪便污染物含量=年畜禽粪便量×畜禽粪便污染物参数/1000；

畜禽粪便进入水体会对水体产生一定的污染，其污染物流失量估算思路如下：

畜禽粪便污染物流失量=畜禽粪便污染物含量×进入水体的流失率。

1.3.4 畜禽粪便耕地负荷量估算及预警分析

耕地畜禽粪便承载力指特定区域耕地消纳粪便的能力，一般用土壤对畜禽粪便的负荷量来表示[7]。由于畜禽粪便肥效养分差异较大，耕地对不同种类粪便的消纳量有较大差异。依据国家环保部生态司建议，农户对猪粪的耕地施用量较容易掌握，故宜将畜禽粪便换算成猪粪当量。采用国家环保部总局公布的畜禽粪便猪粪当量换算系数推荐值[5]，如表4所示，根据畜禽粪便含氮量差异，将其换算成猪粪当量后叠加求和。该文在计算畜禽粪便负荷量时，以单位耕地面积畜禽粪便负荷量来表征耕地环境承载力大小，其计算公式如下：

(1)

式中，q——单位耕地面积畜禽粪便猪粪当量负荷量(t·hm2/年)；

Q——各类畜禽粪便猪粪当量产生量(t/年)；

S——计算年份有效耕地面积(hm2)；

X——各类畜禽粪便量(t/年)；

T——各类畜禽粪便换算成猪粪当量的换算系数。

安康市各区县畜禽粪便主要以有机肥还田的方式进行处理，耕地是消纳的主要场所，因此对于畜禽粪便耕地承载力预警程度首先采用畜禽粪便猪粪当量负荷警报值来分级，再根据具体区域做出科学分析与合理评价。该文采用以下思路来计算表征耕地畜禽粪便预警：

区域畜禽污染物负荷量警报值=单位耕地面积畜禽粪便猪粪当量负荷/耕地理论最大适宜污染物承载量。

研究表明，区域畜禽污染物负荷量程度警报值与环境承受程度呈反比，即随着数值的增大，环境对畜禽粪便负荷量承受能力逐渐降低，畜禽粪便对环境造成的污染威胁性越大[8](表5)，若高出这一水平就会引起土壤的富营养化，进而对环境产生影响。根据潘丹[2]、陈斌玺[10]以及赵串串[6]等人的相关研究，该文所采用的畜禽粪便耕地理论最大适宜污染物承载量以40t/hm2·年作为有机肥最大承载量，通过对安康市各区县耕地负荷警报值的计算并参照畜禽污染物负荷警报分级方法，来分析安康市各区县畜禽粪便对环境造成的压力及潜在影响。

表4 各类畜禽粪便猪粪当量系数

指标牛粪牛尿猪粪猪尿羊粪家禽粪N%0 450 800 650 330 801 37换算系数0 691 231 000 571 232 10

表5 畜禽污染物负荷警报分级

警报值<0 40 4～0 70 7～1 01 0～1 51 5～2 5>2 5分级级数1ⅡⅢⅣⅤVI对环境的威胁性无稍有有较严重严重很严重 注：数据来源于上海市农业科学研究院1994年《家畜粪便耕地负荷分级标准研究》

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便产生量分析

研究区内共有10个区(县)，包括汉滨区、汉阴县、石泉县、宁陕县、紫阳县、岚皋县、平利县、镇坪县、旬阳县和白河县。如表6所示，安康市2014年年末畜禽粪尿总产生量为647.79万t，其中粪的产生量占总产生量的61.43%； 尿的产生量占总产生量的38.57%。从不同畜禽种类来看，牛产生的粪便量最大，为279.43万t，占总产生量的43.14%； 其次是猪和羊，为251.70万t和92.20万t，分别占总产生量的38.85%和14.23%； 家禽粪最少，为24.46万t，仅占3.78%。由此可知，安康市畜禽粪便产生主要集中在养牛业和养猪业。

表6 2014年安康市各区县畜禽粪便产生量 万t

通过比较各区域的不同养殖情况可得知， 2014年旬阳县的畜禽粪便产生量最大，为174.54万t，占到总产生量的26.94%； 其次是汉滨区和汉阴县的畜禽粪便产生量，分别为130.13万t、78.82万t，分别占到总产生量的20.09%、12.17%。年末产生量最小的是宁陕县，为12.11万t，仅占总量的1.87%。对安康市畜禽粪便现状分析研究，不同区县间粪便产生量有差异的原因主要是各县区之间经济水平及畜牧业发展状况有差异，粪便产生量小的区县，分散畜禽粪便户较多，规模化畜禽粪便户较少，而粪便产生量大的区县呈现出相反状况。

2.2 畜禽粪便污染物产生量及流失量分析

畜禽粪便污染物主要研究COD、NH3-N、BOD、TN和TP这5种污染物，如表7显示，主要污染物总含量按照从大到小的顺序依次是COD>BOD>TN>NH3-N>TP，含量分别为142267.55t、124730.56t、35812.39t、13004.03t、8962.78t，合计324777.30t。若按具体指标来看，牛粪中污染物含量最大，为116971.49t，占到总量的36.02%； 猪粪含量次之，为115305.72t，占到35.50%，这几乎接近牛粪中污染物含量占总含量的比例。另外，猪尿、家禽粪、牛尿和羊粪中的污染物产生量较小，分别为30168.60t、25338.11t、20369.72t、16623.66t，占到总量的9.29%、7.80%、6.27%、5.12%。同期畜禽粪便污染物COD年产生量高达14.23万t，显然安康市畜禽粪便已成为农村水体污染，特别是水体有机污染的重要来源。按污染物种类可以看出，牛粪中COD含量最大，为57749.90t，占到牛粪中总含量的49.37%，这几乎接近牛粪总量的一半，并且占到畜禽粪便污染物总含量的17.78%。

表7 2014年安康市畜禽粪便中主要污染物含量及流失量 t

图1 2014年安康市各区县畜禽粪便污染物流失量

从各区域畜禽粪便污染物产生量情况来看，如图1显示，旬阳县粪便污染物产生量最大，总量为85112.39t，其中TN量9803.36t，这相当于21007.20t纯尿素﹝CO(NH2)2﹞的含氮量； TP量2450.71t，相当于P2O55615.59t。按不同种类畜禽粪便污染物进行估算，可得到同期安康市畜禽粪便污染物流失总量为41246.14t，其中COD、NH3-N、BOD、TN和TP流失量分别为17353.88t、2954.74t、12231.15t、7654.48t、1051.88t，分别占总量的42.07%、7.16%、29.65%、18.56%和2.56%。表7表明，流失量最大的是猪尿，为15084.30t，占到总量的36.57%； 最小的是羊粪，为932.74t，仅占总流失量的2.26%。污染物进入水体会产生一定的流失，流失量越大有机污染物对环境的污染越大，由此可知，在安康市农业面源污染环境治理方面应该重点关注COD和BOD这两种污染物。

如图1显示，不同县域污染物流失量相比较，旬阳县各类畜禽污染物流失量最大，分别为COD 4269.82t、NH3-N 858.93t、BOD 2931.00t、TN 2205.17t、TP 262.04t，分别占各项总量的24.60%、29.07%、23.96%、28.81%、23.22%。造成旬阳县畜禽粪便污染物流失量最大的原因主要在于该县规模化养殖数量较大，导致畜禽粪便产生量较大，进而污染物产生量也大。

2.3 耕地消纳畜禽粪便预警分析

从表8可看出，安康市各区县耕地畜禽粪便猪粪当量负荷平均值为30.4957t/hm2，但不同区县之间差异很大，旬阳县猪粪当量最大，为43.6121t/hm2，高出均值13.1164t/hm2，其次为石泉县和镇坪县，分别为42.4706t/hm2、38.5145 t/hm2，紫阳县的猪粪当量负荷最小，为19.2169t/hm2。最大值负荷量和最小值负荷量之间相差2.26倍，由此可知，安康市畜禽饲养密度最大的区县是旬阳县，石泉县和镇坪县饲养密度较集中。N、P负荷量最大的区县也是旬阳县，这主要与安康市年粪便产生量最大有关，年畜禽粪便量越大，其中所含的污染物的总量也会越大，TN和TP的含量也越大。

表8 耕地消纳畜禽粪便负荷及预警

区域猪粪总量(万t)粪便含N量(t)粪便含P量(kg)耕地面积(hm2)单位耕地面积猪粪当量负荷(t/hm2)畜禽粪便N负荷量(kg/hm2)畜禽粪便P负荷量(kg/hm2)单位耕地猪粪当量负荷警报值单位耕地猪粪当量负荷级数汉滨区116 64377046 87802036 827042740 266727 2913164 876847 65590 68II汉阴县70 28554256 91401186 057023041 000030 5045184 753951 47590 76Ⅲ石泉县55 63653411 8640885 020013100 000042 4706260 447667 55881 06Ⅳ宁陕县11 5853698 0820212 17103392 266734 1520205 786362 54550 85Ⅲ紫阳县46 59962748 3970964 205024249 333319 2169113 339139 76210 48II岚皋县34 15081975 0220756 199017180 133319 8781114 959644 01590 50II平利县44 95092679 7350909 921018332 333324 5200146 175349 63480 61II镇坪县19 12481128 3240388 01904965 600038 5145227 228178 14140 96Ⅲ旬阳县158 79059803 35602450 714036409 733343 6121269 251067 30931 09Ⅳ白河县34 43212067 7470650 325013885 466724 7972148 914546 83490 62II平均值————30 4957183 573255 49350 76Ⅲ

根据计算结果可知，石泉县和旬阳县的单位耕地猪粪当量负荷级数都为Ⅳ级，已经对环境造成较严重的威胁。汉阴县、宁陕县和镇坪县这3个县警报值达到了Ⅲ级，说明对环境已经有了影响。警报值达到Ⅱ级的区县有5个，分别为汉滨区、紫阳县、岚皋县、平利和白河县，这些区县产生的畜禽粪便对环境稍有影响。

3 结论与建议

3.1 结论

通过对安康市2014年畜禽粪便量、污染物产生量、流失量及耕地负荷计算，得到以下结论。

(1)2014年陕西省安康市牛粪和猪粪是畜禽粪便污染物来源的主要因素； 不同区域之间旬阳县的畜禽粪便产生量最大，为174.54万t，占到总产生量的26.94%，主要原因是猪、牛、羊的养殖量都较大，其中猪存栏量仅次于汉滨区的猪存栏量，牛的存栏量占到整个安康市的38.36%，羊的存栏量是数量最小县存栏量的8.61倍。

(2)2014年安康市畜禽粪便污染物中COD产生量最大，TP产生量最小； 流失量COD最大，TP流失量最小，污染物产生量与流失量成正比关系。所有区县中，畜禽粪便污染物产生量最多的县为旬阳县，总量为85112.39t，主要是牛和羊的养殖量较大，羊的存栏量占到全市23.71%，这对全市污染物产生量的贡献较大。

(3)基于耕地的主要消纳途径，安康市畜禽粪便单位面积耕地猪粪当量负荷平均值为30.4957，单位耕地猪粪当量负荷警报均值为0.76，总体级别为Ⅲ级，表明现阶段畜禽粪便的产生已对安康市整体环境构成一定的威胁； 不同区县之间耕地畜禽粪便猪粪当量负荷差别较大，全市警报值已经达到Ⅱ级的区县有5个，分别是汉滨区、紫阳县、岚皋县、平利县和白河县，对环境稍有影响； 汉阴县、宁陕县和镇坪县警报值达到了Ⅲ级，说明对环境已经有了一定影响； 石泉县和旬阳县警报值最大，为Ⅳ级，这2个区县已经对环境造成较严重的威胁。

3.2 建议

针对安康市畜禽粪便对环境所产生的不同级别的威胁与压力，可以从以下思路考虑提高区域畜禽养殖环境承载力。

首先，对不同区域的畜禽规模养殖，应该有针对性的进行科学管理。如对粪便污染物产生量最大的县区，采取减小养殖规模、考虑将部分畜种迁移至有养殖环境容量的区域进行养殖，加大政府对禁止畜禽粪尿随意产生的管理力度，引进畜禽粪便资源化利用的新技术； 或采取对产生量大的区域统筹管理、有组织合理调配、对畜禽粪便进行加工使其成为有机肥产品等措施。

其次，要积极帮助养殖场解决协调吸纳粪污的土地，鼓励农民发展有机农业，鼓励其使用有机肥，积极推广秸秆粪便综合利用技术。政府应加大环保宣传，对养殖场以及养殖户进行培训，加强他们之间的合作与交流。同时加强地区农林牧渔宏观管理，引导养殖场、粮农、果农等合作发展种养结合与循环农业模式，走生态农业、有机农业的道路。

再次，从农业区域布局发展角度出发，按照全市的警报值分区制定畜禽养殖调整政策。如对于警报值达到Ⅳ级的区县，作为限制发展区，主要限制其畜禽养殖规模的发展，采取部分畜种迁移至有承载潜力的区域养殖； 对于警报值达到Ⅱ级和Ⅲ级的区县，要优化其畜禽养殖的产业结构，科学规划养殖规模大小，从而减少畜禽粪污的排放。

最后，应该制定更严格的管理政策和更优惠的鼓励政策。将养猪业和养牛业产生的粪便对环境的压力作为治理环境污染关注的重点，政府应该支持、鼓励畜禽粪污处理厂进行污染治理体系的建立，制定更加优惠的政策。对于建设粪便处理利用设施、购买粪便处理设备的养殖场，给予一定的资金支持； 对于将畜禽粪便用于沼气发酵、有机肥生产等资源化利用方式的养殖场，给予一定的技术支持和优惠政策； 对于畜禽粪便就近还田的养殖场，定期对技术人员进行技术培训与理论实践指导工作，使得畜禽粪便能够符合规范安全还田。

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ANALYSIS ON THE ENVIRONMENTAL BEARING CAPACITY OF LIVESTOCK AND POULTRY BREEDING BASED ON LAND CONSUMPTIVE*——A CASE OF ANKANG CITY

Shi Ruixiang1，Xue Keshe1，Zhou Zhenya2※
(1.Northwest University College of Urban and Environmental Science, Xi′an, Shaanxi 710127, China;2.Institute of Agricultural Resources and Regiongal Planning, CAAS, Beijing 100081, China)

Taking Ankang city of Shaanxi province as an example, this paper used the method of the excretion coefficient of livestock and poultry to calculate the production and loss of main pollutants in 10 districts and counties of Ankang city in 2014, and then established the corresponding warning levels for different counties based on the per unit cultivated area of pig manure equivalent load and warning value. The results showed that the total production of livestock and poultry manure at Ankang city in 2014 was 6 477 thousand t, of which the cow dung was the largest and the poultry manure was the least. The largest production and loss of pollutants was COD. The largest pollutants production was in Xunyang county. In the year 2014, the livestock manure per cultivated area of pig manure equivalent load was 30.495 7 with the warning level 0.76, the overall alarm value was grade III, which showed that the livestock and poultry dung had a certain effect on the overall environment of health in the region. The livestock and poultry manure equivalent loads in different districts were different.The alarm value had reached level II in 5 counties, i.e., Hanbin, Ziyang, Langao, Pingli and Baihe, which had a little effect on the environment; The warning value in Hanyin, Ningshan and Zhenping had reached III and had influence on the environment, which in Shiquan and Xunyang reached a maximum of IV, causing a serious threat to the environment. Finally, according to the different levels of the health threat and pressure of livestock produced on the environment, it put forward some feasible suggestions to improve livestock carrying capacity, so as to provide scientific basis for the regional development strategy of livestock and poultry breeding.

land consumption; livestock manure; Ankang city; environmental carrying capacity; early warning analysis

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170608

2016-11-07

史瑞祥(1990—)，男，甘肃平凉人，硕士。研究方向：农业环境污染。※通讯作者：周振亚(1981—)，男，河北沧州人，博士、国家咨询工程师。研究方向：农业布局与区域发展、农业项目评价。Email：zhouzhenya05@163.com

*资助项目：农业部农业农村资源监测课题“基于耕地环境承载力的我国畜禽粪便业区划”(534-12)；农业部软科学项目“基于环境承载力的农区畜禽养殖业结构优化研究”

X713

A

1005-9121[2017]06055-08