畜禽粪便资源评估及其环境污染风险研究

2017-08-22周晶青平

湖北农业科学 2017年14期

周晶+青平

摘要：结合统计数据和前人研究成果，估算湖北省畜禽粪便资源量，分析粪便资源畜种和区域分布特征，评估粪便环境污染风险。结果表明，湖北省畜禽粪便资源总量丰富，达到1.58亿t；猪粪和牛粪是构成粪便资源的主体，分别占资源总量的50%和30%；湖北省畜禽粪便资源最丰富的地区集中在鄂北、鄂西南和鄂东北，资源相对匮乏的地区分布在江汉平原、鄂东南和鄂西北；湖北省面临较大的畜禽粪便污染风险，可能对环境造成污染的粪便达到0.25亿t，每公顷耕地粪便污染负荷达到6.45 t，且江汉平原以北和以东的半环状区域是耕地粪便污染负荷最重的地区。

关键词：畜禽养殖；粪便资源；评估；环境污染风险

中图分类号：F323.8 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）14-2787-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.047

Abstract： Based on statistical data and previous research， the resource amount of livestock and poultry manure in Hubei province was estimated， and the species， regional distribution characteristics of livestock manure resource were analyzed， to assess the environmental pollution hazard from livestock manure. The results showed that the total amount of livestock and poultry manure in Hubei province was abundant and amounted to 158 million tons. Pig and cattle were the major contributors of manure emission， with 50 and 30 percent of total manure amount respectively. The area with the most abundant livestock and poultry manure resource in Hubei province was concentrated in northern， southwestern and northeastern Hubei， whereas the resource in Jianghan plain， southeastern and northwestern Hubei was relatively scarce. Hubei province was facing a higher pollution hazard from livestock manure： the manure amount that led to environmental pollution may be up to 25 million tons， and the pollution load per hectare of cultivated land was up to 6.45 t， and the half-ring region from the north to east of Jianghan plain was one area suffering the largest load of cultivated land manure pollution.

Key words： livestock and poultry breeding； manure resource； evaluation； environmental pollution hazard

改革開放以来，中国畜禽养殖发展迅猛，满足了城乡居民快速增长的肉类需求，奠定了畜牧业在农业中支柱产业的地位[1]。然而，畜禽养殖中粪便等废弃物引发的环境污染问题日益成为社会广泛关注的焦点[2]。中国畜禽粪便产生量从上世纪80年代的6.9亿t快速增加到2008年的30.0亿t[3]。而且根据Fischer等[4]的预测，2020年中国畜禽粪便排放量将会比2007年增加37%。粪便总量的快速扩张使得粪便环境污染风险不断加剧。《第一次全国污染源普查公报》公布的数据显示，畜禽养殖业的污染排放已成为中国最重要的农业面源污染源之一，畜禽养殖业排放的化学需氧量（COD）达到1 268.26万t，占全国所有污染物排放化学需氧量的41.9%。畜禽粪便污染不仅严重危害农村生态环境，而且制约农业乃至整个社会经济可持续发展。开展畜禽粪便资源化利用，消除粪便环境污染已是当务之急。因此，科学评估畜禽养殖粪便总量、结构特征及其环境污染风险，对于开展畜禽粪便资源化利用，降低畜禽粪便污染风险具有重要指导意义。

畜禽养殖粪便资源总量及污染风险评估受到诸多研究者的关注。国内外已经有大量文献对中国畜禽粪便排放总量、畜禽粪便污染强度、畜禽粪便品种结构特征、畜禽粪便区域分布特征进行了研究[5-11]。然而，全国层面粪便资源评估对于区域层面开展粪便资源化利用和粪便污染防治的指导意义十分有限。故很多研究对东北、西部、北京、广东、重庆、湖南、安徽、江西、河南等区域畜禽粪便资源总量、地区分布及污染强度进行了深入分析[12-22]。尚未有研究关注湖北省畜禽粪便资源潜力及其环境污染风险。湖北省是中国生猪主产省份之一，2013年生猪出栏量居全国第5位，仅次于四川、河南、湖南和山东。本研究旨在测度近10年来湖北省畜禽粪便资源量，分析其结构特征，评估粪便环境污染风险，以期为湖北省畜禽养殖业污染防治和废弃物资源化利用提供决策参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 畜禽粪便资源量测算

根据湖北省主要畜禽种类，本研究主要测算生猪、牛、羊、肉鸡、蛋鸡5类畜禽粪便资源量。粪便资源量具体计算公式如下：

式（1）中，t为年份，r为地区，i=1，2，3，4，5分别为生猪、牛、羊、肉鸡和蛋鸡5种畜禽种类；PMt，r为t时期地区r畜禽粪便排放总量；Qt，r，i为t时期地区r第i种畜禽出栏量和存栏量；Tt，r，i为畜禽饲养周期；Ei为第i种畜禽粪便日排放系数。将各地区粪便排放量加总得到t时期湖北省畜禽粪便排放总量。

式（2）中，PMt表示t时期湖北省畜禽粪便资源总量。同时，为了便于比较县域之间粪便资源丰富程度，本研究还构建了畜禽粪便资源强度，计算公式如下：

式（3）中，PMLt，r表示t时期地区r单位耕地畜禽粪便资源量，LANDt，r表示耕地面积。

1.2 畜禽粪便污染强度测算

已有研究表明，在传统散养模式下，农户畜禽养殖与种植业紧密结合，畜禽粪便利用率较高；相比之下，在专业化和规模化养殖模式下，农牧相互分离，養殖产生的大量粪便没有足够的配套耕地来消化吸收，循环利用率较低[23-25]。近年来，中国畜禽养殖方式逐渐从散养向专业化、规模化养殖转变，而专业化、规模化将加剧农牧分离。仇焕广等[9]将粪便废弃率（即未经处理直接排放到环境中）作为畜禽粪便污染系数，并在吉林、四川、浙江、安徽和河北等5个畜禽主产省份进行了大量实地调查，发现生猪专业化、规模化养殖模式的粪便污染系数显著高于散养，而牛、羊、家禽在规模化养殖模式下粪便污染系数显著低于散养模式。鉴于散养和规模化养殖两种模式粪便污染系数存在显著差异，本研究借鉴前人研究成果，将各种养殖模式粪便排放量乘以各自的污染系数得到粪便污染量，具体计算公式[9]如下：

式（4）中，PMPt，r，i表示t时期地区r第i种畜禽粪便污染量，Rt，r，i，j表示t时期地区r第i种畜禽第j种养殖模式出栏量或存栏量占总量的比重，Pt，r，i，j表示t时期地区r第i种畜禽第j种养殖模式污染系数。将5种畜禽粪便污染量加总得到地区畜禽粪便污染总量：

类似地，将各地区粪便污染量加总得到t时期湖北省畜禽养殖粪便污染总量。为了便于比较不同地区畜禽粪便污染强度，本研究构建了耕地粪便污染负荷指标，计算公式如下：

式（6）中，PMPLt，r表示t时期地区r单位耕地粪便污染负荷，LANDt，r表示耕地面积。

1.3 数据来源

通过计算2004-2014年湖北省畜禽粪便资源总量及其构成，进一步计算2013年湖北省各县畜禽粪便资源总量及耕地粪便污染强度。根据前文的分析，计算粪便资源量和粪便污染强度所需要的指标包括畜禽出栏量或存栏量、畜禽饲养周期、畜禽粪便日排放系数、耕地面积、各类畜禽不同养殖模式出栏量占比、各类畜禽不同养殖模式粪便污染系数。其中，湖北省2004-2014年5类畜禽出栏量和存栏量数据来自《中国统计年鉴》和《湖北统计年鉴》。本研究中的畜种牛包括肉牛、役用牛和奶牛，但为了简化，三类牛各项指标均采用肉牛的相关标准。在计算中，将所有畜禽存栏量和出栏量加总。2013年湖北省各县畜禽存栏量和出栏量数据取自2014年《湖北农村统计年鉴》。由于生猪不同养殖模式饲养天数存在显著差异，将不同模式饲养周期平均作为生猪饲养周期。对于肉鸡也采用类似的办法。生猪和肉鸡散养和规模化养殖饲养天数数据取自2014年《全国农产品成本收益资料汇编》。牛、羊和蛋鸡生命周期超过1年，本研究将其饲养天数定为365 d。当然，存栏生猪和肉鸡饲养周期可能高于对应出栏畜禽，而出栏牛、羊、蛋鸡饲养周期并不一定等于1年，但由于存栏生猪和肉鸡以及出栏牛、羊和蛋鸡各自占畜禽总量的比重较低，将它们纳入考察范围对估算结果不会造成较大影响。出栏畜禽粪便排放系数取自文献[9]。畜禽粪便排放系数、饲养周期数据见表1。

关于湖北各县畜禽散养和规模化养殖出栏量占比目前的统计资料没有直接的数据指标，本研究通过一系列指标计算得到各县畜禽散养和规模化养殖出栏量占比。《湖北农村统计年鉴》公布了各县畜禽规模养殖场个数，《中国畜牧业年鉴》公布了湖北省畜禽规模养殖场个数和规模养殖场出栏量。本研究利用《中国畜牧业年鉴》的指标计算得到湖北省畜禽规模养殖场平均出栏量，然后用平均出栏量乘以各县规模养殖场个数得到各县规模化养殖出栏量，规模化养殖出栏量除以总出栏量得到规模化养殖比重。本研究畜禽粪便污染系数取自文献[9]，各类畜禽粪便污染系数见表2。

2 湖北省畜禽粪便资源量及其畜种构成

根据前文的计算指标和方法，测算近10年来湖北省畜禽粪便资源量，估算结果见表3。从表3可以看出，2004-2014年，湖北省畜禽粪便资源总量从1.29亿t增加到1.58亿t，增长幅度达22.48%。其中，生猪粪便资源量从6 330.76万t增加到8 000.26万t，增长26.37%；牛粪便资源量从4 714.98万t增加到4 767.97万t，增长仅1.12%；羊粪便资源量从576.54万t增加到812.44万t，增长40.92%；肉鸡粪便资源量从224.45万t增加到351.98万t，增长56.82%；蛋鸡粪便资源量从1 095.00万t增加到 1 779.38万t，增长62.50%。另外，单位耕地粪便资源负荷逐渐上升，从41.86 t/hm2增加到46.32 t/hm2，增长10.68%。可见，湖北省作为中国畜禽生产大省，畜禽粪便资源比较丰富，而且近年来随着畜禽产量扩张而不断增长，其中羊和鸡粪便资源量增长速度最快。因此，作为畜禽主产省份，湖北省有着丰富的畜禽粪便资源，如何将粪便变废为宝是湖北省农业发展中亟待解决的问题。

由表4可知，从各类畜禽粪便资源分布来看，生猪和牛是湖北省最主要的畜禽粪便排放源。2014年，生猪粪便资源量占资源总量的50.49%，牛粪便资源占30.09%。另外，蛋鸡粪便资源量占12.06%，羊和肉鸡粪便资源量分别占5.13%和2.23%。从粪便资源量畜种结构变动趋势来看，生猪粪便资源量占比呈微弱上升趋势，而牛粪便资源量占比则持续下降，10年下降了约6个百分点；相比之下，蛋鸡粪便资源量占比不断攀升，10年上升了约4个百分点；羊和肉鸡粪便资源量占比相对稳定（表4）。

3 湖北省畜禽粪便资源区域分布

进一步分析湖北省各县畜禽粪便资源量分布特征。由于已有研究缺乏粪便量丰富程度统一的等级划分以及划分标准，本研究拟将粪便量丰富等级划分为资源匮乏区、资源较匮乏区、资源中等区、资源较丰富区、资源丰富区五个等级，并以0.5倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍县域资源量平均值作为等级划分依据，以便于对湖北省县域畜禽粪便资源相对丰富程度进行比较。以全部县平均资源量为基准，将资源量丰富程度划分为五个等级，其中单位耕地粪便资源量低于25 t/hm2为资源匮乏区，25～50 t/hm2为资源较匮乏区，50～75 t/hm2为资源中等区，75～100 t/hm2为资源较丰富区，高于100 t/hm2为资源丰富区。2013年湖北省各县单位耕地畜禽粪便资源总量分布见图1。从图1可以看出，2013年湖北省8个县为畜禽粪便资源匮乏区，28个县为资源较匮乏区，27个县为资源中等区，12个县为资源较丰富区，9个县为资源丰富区。从空间分布来看，畜禽粪便资源较为丰富的县域主要分布在两大区域：一是宜昌、襄阳两市所在的湖北西部和北部地区；二是黄冈和鄂州两市所在的湖北东部和东北部地区。当然，随州、恩施和荆州也有个别县域畜禽粪便资源较为丰富。相比之下，畜禽粪便资源較为匮乏的区域较为集中，主要集中在江汉平原大部分区域、鄂西北部分地区和鄂东南大部分地区，包括荆州、天门、潜江、仙桃、咸宁、十堰和神农架的大部分县域。总体而言，湖北北部畜禽粪便资源比南部地区丰富。

生猪作为湖北省最主要的畜禽粪便排放源，有必要单独分析生猪粪便资源的区域分布特征。本研究在图2中展示了2013年湖北省各县生猪粪便资源量的分布情况。同样，将资源量丰富程度划分为五个等级，其中耕地粪便资源量低于10 t/hm2为资源匮乏区，10～20 t/hm2为资源较匮乏区，20～30 t/hm2为资源中等区，30～40 t/hm2为资源较丰富区，高于40 t/hm2为资源丰富区。从图2可以看出，2013年湖北省仅2个县为生猪粪便资源匮乏区，23个县为资源较匮乏区，23个县为资源中等区，21个县为资源较丰富区，15个县为资源丰富区。从空间分布来看，湖北省生猪粪便资源分布与生猪调出大县分布并不完全吻合，生猪调出大县主要分布在中部带状区域，而粪便资源丰富县域主要分布在襄阳以西和十堰以南的西部片状地区，包括襄阳、宜昌、恩施三个地级市的多数县域。当然，随州、鄂州、咸宁、黄冈也有个别县域生猪粪便资源较为丰富，武汉市的江夏区和汉南区粪便资源也较为丰富。生猪粪便资源较为匮乏的地区主要分布在江汉平原和湖北西北部两大区域。

本研究在图3中展示了2013年湖北省牛、羊、肉鸡和蛋鸡粪便资源量（以下统称其他畜禽粪便资源）分布情况。同样，将资源量丰富程度划分为五个等级，划分标准与生猪相同。从图3可以看出，2013年湖北省13个县为其他畜禽粪便资源匮乏区，23个县为资源较匮乏区，17个县为资源中等区，12个县为资源较丰富区，19个县为资源丰富区。从空间分布来看，湖北省其他畜禽粪便资源分布特征较为明显，资源比较丰富的县域集中分布在湖北北部条带状区域，包括十堰、襄阳、随州、孝感、黄冈、鄂州等地级市诸多县域；资源较为匮乏的县域占多数，而且集中分布在湖北南部地区，包括鄂西南、鄂中和鄂东南地区，湖北西北的十堰和神农架地区其他畜禽粪便资源也较为缺乏。其他畜禽粪便资源分布与湖北省肉牛分布存在较大关联，北部区域肉牛养殖发达，是湖北省肉牛主产区。

4 湖北省畜禽粪便污染风险

畜禽规模化养殖容易造成农牧分离，使得大量、集中的粪便缺乏配套耕地消化和吸收而产生环境污染风险。随着畜禽规模化养殖的快速发展，规模化养殖产生的粪便污染成为中国畜禽粪便污染的主要来源[26]。规模化养殖潜在的粪便环境污染引起了中央政府的高度重视，国务院于2014年出台《畜禽规模养殖污染防治条例》，加强对规模养殖场畜禽粪便排放和无害化处理的监管。本研究通过测算湖北省畜禽粪便污染量，发现2013年湖北省畜禽粪便污染量达到2 546.69万t，占粪便资源总量的16.55%（以下统称粪便污染发生率）。在总的粪便污染量中，生猪和蛋鸡是畜禽最主要的粪便污染来源，生猪粪便污染量占总污染量的比重高达60.87%，蛋鸡则占19.03%；牛、羊、肉鸡所占比重分别为12.95%、5.26%和1.88%。从单个畜禽来看，蛋鸡和生猪粪便污染发生率最高，分别达到26.74%和19.66%，牛、羊、肉鸡的粪便污染发生率分别为7.21%、17.05%和14.57%（表5）。可见，湖北省畜禽粪便污染量规模较大，开展畜禽粪便污染防治，尤其是治理生猪和蛋鸡粪便污染是当前面临的紧迫问题。

参照前人做法，本研究测度了湖北省各县耕地粪便污染负荷，以此评估畜禽粪便污染风险。结果表明，2013年湖北省耕地畜禽粪便污染负荷为6.45 t/hm2。将粪便污染负荷划分为五个等级，其中污染负荷低于3 t/hm2为轻度污染负荷区，3～6 t/hm2为较轻污染负荷区，6～9 t/hm2为中度污染负荷区，9～12 t/hm2为较严重污染负荷区，高于12 t/hm2则为严重污染负荷区。从图4可以看出，2013年3个县为轻度污染负荷区，24个县为较轻污染负荷区，26个县为中度污染负荷区，13个县为较严重污染负荷区，19个县为严重污染负荷区。从空间分布来看，湖北省耕地畜禽粪便污染负荷比较严重的县域主要分布在江汉平原以西、江汉平原以北半环状区域，包括宜昌、襄阳、随州、孝感和黄冈等地级市的多数区域。这些区域需要加强粪便污染治理和畜禽粪便资源化利用力度。耕地畜禽粪便污染负荷比较轻的区域主要分布在江汉平原、鄂西北和鄂东南的大部分地区。

5 结论与启示

本研究对湖北省畜禽粪便资源潜力进行测算，在此基础上考察畜禽粪便资源结构和地区分布特征，并进一步评估耕地畜禽粪便污染强度和污染风险。研究发现：第一，湖北省畜禽粪便资源不仅总量丰富，而且不断增长。2014年湖北省畜禽粪便资源量达到1.58亿t，相比2004年年增长了22.48%。第二，生猪和牛是湖北省最主要的畜禽粪便排放来源，分别约占畜禽粪便资源总量的50%和30%。第三，包括宜昌、襄阳、随州、黄冈和恩施在内的鄂北、鄂西南、鄂东北是湖北省畜禽粪便资源最丰富的地区，而江汉平原、鄂东南和鄂西北则是畜禽粪便资源相对比较匮乏的地区，生猪和其他畜禽粪便资源地区分布存在细微差别。第四，湖北省畜禽粪便资源丰富，但同时也面临较大的污染风险，2013畜禽粪便污染量超过2 500万t，占粪便资源总量的16.55%，耕地粪便污染负荷达到6.45 t/hm2，其中生猪和蛋鸡粪便污染量占畜禽粪便污染总量的80%左右。第五，湖北省畜禽粪便污染负荷最严重的地区主要分布在宜昌、襄阳、随州、孝感、黄冈等多数县域所成的半环状区域，而江汉平原、鄂西北和鄂东南则是粪便污染负荷最轻的地区。根据以上研究从以下方面进行讨论，并提出优化畜禽粪便资源利用和防治粪便污染的对策建议。

1）湖北省畜禽粪便资源丰富，鼓励通过多样化方式就地开展畜禽粪便资源化利用。畜禽粪便资源丰富且规模化养殖场比较集中的地区可以建设大中规模养殖场建设沼气工程，建立涵盖养殖场、沼气工程、农田、温室大棚、鱼塘和果园在内的多功能生态立体农业，实现立体种养，综合循环利用。畜禽粪便资源相对匮乏且畜禽散养集中的地区，可以积极发展农村户用沼气，将粪便资源转化成清洁能源。同时，鼓励农户开展粪便有机肥还田，实现农业与畜牧业的有机结合。

2）各个地区因地制宜，开展畜禽粪便资源综合利用。鄂西南、鄂北和鄂东北地区生猪粪便丰富，这些地区可就地开展生猪粪便资源化利用，通过还田、沼气等方式化解养殖业废弃物资源。襄阳、随州、孝感、黄冈等地区是牛粪便资源丰富的地区，这些地区应注重肉牛养殖业粪便资源综合利用，探索多样化的资源化利用方式。

3）大力推广粪便有机肥产业化生产和营销。有机肥是发展生态农业、提高农产品质量的重要肥料。利用畜禽粪便制取生物有机肥已在中国华北、华中等畜禽养殖大省中得以推广。湖北省也可以借鉴其他省份的做法，在畜禽粪便资源丰富的地区投资建厂，生产有机肥用于供应江汉平原等种植业发达而畜禽粪便相对匮乏的地区。

4）严格养殖环境监督执法，以环保审批和环境影响评估程序为抓手，确保规模化养殖粪便无害化处理，防范养殖粪便环境污染。规模养殖已经成为生猪粪便污染的排放主体，推动规模化养殖粪便无害化处理无疑成为控制生猪粪便污染的当务之急。《畜禽规模养殖污染防治条例》明确规定规模养殖场粪便开展无害化处理，因此需要对新建和改扩建规模养殖场进行严格的环境审批和环境影响评估，对运营中的规模养殖场定期展开环境影响评估，对于环境影响评估未达标的规模养殖场按照条例规定进行处罚管理。

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