葫芦岛市畜禽粪便排放量与农田负荷量分析

陈丽虹, 李 晔, 程全国, 陈一硕, 张彦杰

(1. 沈阳大学 a. 生命科学与工程学院, b. 环境学院, 辽宁 沈阳 110044;2. 葫芦岛市龙港区环境保护局, 辽宁 葫芦岛 125003)

近20年来,随着我国改革开放以来诸多惠民政策的实施,畜禽业从副产业逐渐发展成为独立的行业,规模化、集约化养殖场急速增加,养殖场规模与产值的年增长速率大于10%[1].畜禽废弃物给环境造成的污染也愈发严重,根据第一次全国污染源普查公报(2010)显示[2],我国畜禽养殖业主要水污染物排放量中化学需氧量(COD)为1 268.26×104t,占污染物总量的41.87%.2012年景栋林等对佛山市的畜禽粪便排放量和农田负荷进行了分析,结果表明,顺德区的农田负荷量(以猪粪当量计)最高,达205.30 kg·hm-2,N、P养分负荷量也都超过了极限值,说明由畜禽粪便带来的环境污染问题必须要得到重视[3];2015年李培培、王建华、张宝珣等对青岛市的畜禽粪便排放量与农田负荷量进行了分析,结果表明,青岛市存在畜禽粪便N、P污染问题,且污染主要集中在猪、牛、鸡3个产业,3者占总排放量的95.78%[4];2016年王平对南通市的畜禽粪便排放量与农田负荷量进行了分析,表明畜禽粪便N、P养分负荷分别达到了180.16 kg·hm-2和56.59 kg·hm-2,远超出极限值,给当地的耕地土壤带来了严重威胁[5];2017年刘实、李伟玮、张永勇等对大庆市的畜禽粪便排放量和环境负荷量进行了分析研究,结果表明农田负荷量与极限值相比较,仍有发展空间[6].辽宁省葫芦岛市近5年肉类产量不断增加(如图1),2015年葫芦岛市全市总产值达到720亿元,肉类总产量为50.60×104t,较2010年的37.20×104t增长了30.02%,表明葫芦岛市的养殖数量不断增大.为了符合生态可持续发展要求,收集葫芦岛市2015年5个县区的畜禽养殖数据,调查分析葫芦岛地区畜禽养殖分布特点和养殖规模,将收集的信息统一整理制定表格,在确定估算方法和参数的基础上计算出畜禽粪便排放量及其主要养分含量, 绘制葫芦岛畜禽养殖空间分布图,根据葫芦岛当地自然环境资源,人口分布情况将空间分布格局优化, 制定合理的集约和分散式结合政策.并且通过计算再对畜禽粪便农田负荷量和警戒值进行分析.论证葫芦岛市的畜禽养殖业是否还有发展的环境空间,并结合各区县养殖情况分布与污染物产生量等相关资料,提出一些合理的防治措施.

图1 2010—2015年葫芦岛市肉类总产量年变化趋势

1 材料与方法

1.1 研究区域

葫芦岛市地处辽宁省西南部,面积10 302×104km2.丘陵地貌,沿海多山、滩,远海地区海拔较高,辽西的最高点就在葫芦岛.本研究范围包括葫芦岛市的建昌县、连山区、龙港区、南票区、兴城市5个地区,绥中县作为省管县未被列入本次研究范围.由于地理环境,区域发展的不平衡性,以及经济人口等因素,使畜禽养殖在各个区域分布数量不尽相同.调查了解葫芦岛畜禽养殖规模和数量等情况,将养殖信息统一绘制成表格,记录各地区养殖数量、养殖种类等,不同区域进行统一分类整理.最新统计连山区养殖单位有105所,兴城市616所,龙港区50所,南票区196所,建昌县209所.通过对收集来的数据进行整理,绘制出葫芦岛市2015年的各地区畜禽养殖统计表(见表1).

表1 葫芦岛市2015年畜禽养殖数据

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽粪便排放量计算参数

(1) 畜禽饲养期.奶牛和肉牛的饲养期按照年(365 d)计算,其余畜禽的饲养期参考其他学者文献材料进行确认,中国猪的平均饲养期为199 d,肉鸡的饲养期一般为55 d,蛋鸡的饲养期为210 d[7-8].

(2) 畜禽粪便的日排泄系数.畜禽粪便的排泄量可由畜禽的日排泄系数及数量估算得出,本文采用第一次全国污染源普查畜禽养殖业污染源排泄系数(见表2).

表2 畜禽粪便排泄系数

(3) 畜禽粪便主要污染物含量.畜禽粪便中有机质及氮、磷含量在长时间内基本保持稳定不变,本文参考文献[9]得到相关计算数据(见表3).

表3 畜禽粪便污染物平均含量及进入水体流失率

注：COD,化学需氧量;BOD,生化需氧量;NH3-N,水中氨氮含量;TP,总磷含量;TN,总氮含量.

1.2.2 畜禽粪便排放量估算方法

(1) 畜禽粪便产生总量的估算[6].畜禽的年度粪便产生量计算公式为

Q=N×T×P.

(1)

式中:Q为年度粪便产生量;N为饲养量;T为饲养期;P为排泄系数.

(2) 畜禽粪便中纯养分量的估算[6].

A=Q×C.

(2)

式中:A为畜禽粪便中养分含量;Q为畜禽年度粪便产生量;C为单位质量畜禽粪便养分含量.

1.2.3 农田畜禽粪便负荷量分析方法

畜禽粪便可以用作农田肥料.当其施入农田时,单位耕地面积上可消纳的畜禽粪便量称为农田畜禽粪便的负荷量[4],这一指标也可反映出当前的畜禽粪便量是否超出当地的耕地承载范围.不同畜禽粪便为农田提供的肥力不同.本文借鉴沈根祥等[10]研究时所用的方法将不同畜禽粪便按换算系数全部换算成猪粪当量,以此为基础计算之后的负荷量(见表4).

表4 畜禽粪便含氮量及换算成猪粪当量的换算系数[3]

1.2.4 农田畜禽粪便负荷量计算方法

农田畜禽粪便负荷量计算公式为[3]

q=M/S.

(3)

式中:q为以猪粪当量计的农田负荷量,t·hm-2·a-1;M为其他各种畜禽粪便按系数折算后的猪粪当量,t·a-1;S为有效耕地面积,hm2.

农田畜禽粪便养分负荷量计算公式为[3]

农田畜禽粪便养分负荷量=畜禽粪便产量×粪便中的纯养分含量÷有效耕地面积.

2 结果与讨论

2.1 畜禽粪便产生量

2.1.1 畜禽粪便产生量分析

结合表1和表2的养殖数据和排泄系数,计算畜禽粪便的产生量(表5).分析表1和表5可知,2015年葫芦岛市养殖量最大的畜禽种类是肉鸡,养殖量为3 568 600只.其余畜禽养殖量由大到小依次为:蛋鸡,673 311只;猪,254 699头;肉牛,2 861头;奶牛,423头.通过计算得出5类畜禽的粪便总排放量为34.23×104t,猪的粪便排放量占总量的76.54%,是所有畜禽里面最高的,年产生量达到了26.21×104t.另外两类排放量分别为:家禽,4.28×104t;牛,3.75×104t.可见,葫芦岛市畜禽粪便污染源主要为养猪业.

表5 2015年葫芦岛市畜禽粪便产生量

2.1.2 空间布局优化分析

污染防治面临着许多难题.很多地方的畜禽养殖在没有污染防治手段或者污染防治方案的时候,直接将畜禽排泄物和污染物直接排到自然环境中,使土壤、河流、大气等自然环境受到污染.一个地区的自然环境容纳量有限,如果当地的畜禽养殖业不加以控制,污染物随意排放,超过了当地环境容纳量的极限就会对当地生态造成极大的破坏.环境污染也会影响当地经济的发展,同时许多空间布局不合理的畜禽养殖企业,也会对自然保护区、居民小区及公共场所造成污染,加大了污染防治的难度.合理规划畜禽养殖的空间分布和控制养殖的数量和规模,对地区发展有着深远的影响,同时合理的畜禽养殖分布也对畜禽养殖业的良好发展有着不可替代的作用.

根据葫芦岛地区畜禽养殖空间分布现状绘制出空间分布图,通过收集来的葫芦岛市各个地区养殖地址坐标,在ArcGis平台支持下,把各个养殖户的位置呈现在图片上,并根据畜禽养殖规模和数量不同所产生的污染物量的大小,在图片上呈现不同颜色,能清晰地观察出各个地区养殖集中地,为畜禽养殖空间分布优化做好准备(见图2).

优化布局应考虑葫芦岛地区的自然环境、地理位置、水资源分布以及居民住宅区等情况,再根据葫芦岛畜禽养殖现状提出合理畜禽养殖污染防治方法和措施.从图2可以看出,畜禽养殖在各个地区的疏密情况不同,兴城市和南票区分布最为密集,其他县区分布较分散.其中兴城市的畜禽养殖分布最不均匀,东南、东北方向分布较为密集,西侧分布较少.2014年1月1日开始实施的《畜禽养殖污染防治条例》[11]和十三五规划中关于大力发展生态友好型农业的规定,要求对种养业废弃物资源化利用、无害化处理[12].针对葫芦岛市养殖业的具体情况分析,对于养殖集中区域,我们可以采用集中式处理,例如在畜禽粪便排放量大的区域建立有机化肥厂,可以将畜禽粪便统一收集起来,回收加工成有机肥料,实现废物利用,这样不仅可以降低畜禽粪便对环境造成的污染,而且也可以带来经济效益,减少环境防治的成本,而其他畜禽养殖分散地区可以采取分散式处理方式,对于规模较小的养殖户,可以建立沼气池,发酵燃料,而底料还可以作为种植肥料.农村个体畜禽养殖户粪便可以直接发酵作为有机肥,投入到农田种植中.

图2 2015年葫芦岛市畜禽养殖空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of livestock and poultry breeding in Huludao City in 2015

2.2 畜禽粪便中主要污染物含量及其流失量

结合表3和表5计算出主要污染物含量及流失量(表6).根据2015年葫芦岛市国民经济和社会发展统计公报显示,2015年葫芦岛市COD年排放量为60 403 t,氨氮排放量为6 055 t[13].同年COD排放达9 876.73 t,占总排放量的16.35%,可见畜禽污染对环境影响较小.

表6 2015年葫芦岛市畜禽粪便中主要污染物含量及流失量

2.3 畜禽粪便农田负荷量

根据表4中的换算系数计算出2015年葫芦岛市各区畜禽粪便猪粪当量,再结合各区的耕地数据(表7)[14],得出各区县农田负荷量(以猪粪当量计)以及N、P负荷量(表8).

农田畜禽粪便负荷量可以反映出各区县养殖的疏密情况及对环境造成的影响.一般认为1 hm2土地能够负荷的畜禽粪便在30～45 t左右,

表7 葫芦岛市耕地分布表Table 7 Distribution of cultivated land in Huludao City 104 hm2

表8 2015年葫芦岛市农田畜禽粪便负荷量

注：以猪粪当量计.

如果高出这一水平就会导致土壤的富营养化,对环境产生影响[5,15].各区县的农田负荷量在0.35～9.93 t·hm-2之间, 平均为1.77 t·hm-2.由于葫芦岛市的耕地面积较小,所以本文选用30 t为理论适宜量.比较可知葫芦岛各县区的畜禽粪便负荷都没有超过这一标准.

单位耕地面积上的N、P养分负荷也反映了畜禽粪便对于耕地土壤的污染风险.由于我国目前还没有关于畜禽粪便氮磷养分施用的规定标准,所以本文选用欧盟的限值标准来进行比较分析.虽然欧盟国家与我们在耕种方法和种类方面有所不同,但也能在一定程度上反映出畜禽粪便对农地的污染程度及可发展空间.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,超过这一限值将会给土壤带来硝酸盐的淋溶.粪肥年施P量不能超过35 kg·hm-2,过量的P会引起水体富营养化[5].葫芦岛市农田畜禽粪便N、P负荷量最高的地区均为南票区,分别为58.45 kg·hm-2和21.82 kg·hm-2,与相关规定中的限定标准相比较都没有超过限值.

警戒值也是对农田负荷量的一种评估,根据警戒值r所处的等级范围,可以判断出其对环境污染的威胁性的严重程度.

警戒值r的计算[10]:

r=q/p

式中:r为畜禽粪便农田负荷警戒值,r值对应的等级及对环境构成污染的威胁性见表9;q为以猪粪量计的各类畜禽粪便的农田负荷量;p为农田以猪粪当量计算的有机肥最大适宜施用量,参考其他学者的文献材料及葫芦岛市的实际情况将p值设置为45t,是1hm2土地能够负荷的最大畜禽粪便量;从表8中可以看出,葫芦岛市各地区警戒值在0.01～0.22之间,结合表9可知目前葫芦岛市的畜禽粪便农田警戒值等级数为Ⅰ级,对环境无威胁.南票区的警戒值最高,但与0.4的边界值相比较还有一定的发展空间,可有限制地进行适当发展.

表9 畜禽粪便负荷警戒值分级[10]

3 结 论

本研究表明2015年葫芦岛市畜禽粪便总排放量约为34.23×104t,其中猪的排放量最高为26.21×104t,占总量的76.54%,这一计算结果表明了2015年葫芦岛市的畜禽污染主要来源于养猪业.根据葫芦岛市畜禽养殖分布绘制ArcGis图,观察各个地区养殖数量,密集程度以及污染物排放量等,依据葫芦岛地区自然资源,人口分布等情况优化葫芦岛畜禽养殖空间分布.根据畜禽养殖空间分布和污染物排放量的不同,对各地区提出合适的污染防治对策, 就不同地区的实际情况,采取最合适的预防手段,从源头杜绝环境污染.同时能够避免一些生态区域受到畜禽养殖的污染,降低污染防治难度,加大畜禽粪便治理和科学利用.对于畜禽养殖集中地区可以建立有机化肥厂对畜禽粪便进行统一处理,其他较分散地区可以建立沼气池或直接发酵作为有机肥,施入农田使用.TN的排放量为1 777.05 t,TP的排放量为718.86 t,可见畜禽粪便也是很好的有机肥料.动物粪便作为肥料、饲料等已普遍被人们所利用,解决能源紧缺问题的同时,还能够有效地减少环境污染[16],但由于畜禽的饲养过程中添加的抗生素吸收率极低,容易在环境中大量残留,给环境带来严重污染[17],所以在畜禽粪便的利用方面还有待研究.葫芦岛市农田畜禽粪便负荷量(以猪粪当量计)平均为1.77 t·hm-2,其中南票区最高,达9.93 t·hm-2;葫芦岛市农田N、P养分负荷量平均为10.42 kg·hm-2和4.22 kg·hm-2,N、P负荷量最高的地区均为南票区,分别为58.45 kg·hm-2和21.82 kg·hm-2,与相关研究中170 kg·hm-2和35 kg·hm-2的N、P施加量上限相比较,葫芦岛市还远没有达到这一边界值.同时通过对畜禽粪便农田负荷警戒值r的估算,得出葫芦岛市各地区的警戒值在0.01～0.22之间,也说明目前的畜禽养殖发展状况对环境没有造成威胁,污染程度较小,仍有发展空间.

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