浙江省2000年—2016年畜禽养殖业时空分布特征及对环境的影响

2019-05-23陈国和赵章金顿雯静方琳姗

绍兴文理学院学报(自然科学版) 2019年1期

陈国和赵章金顿雯静方琳姗

(1.绍兴文理学院生命科学学院，浙江绍兴 312000；2.绍兴市朝露环保公益服务中心，浙江绍兴 312000)

随着我国畜禽养殖业的集约化、规模化发展，畜禽产量已经连续多年占据世界第一位[1].按照我国当前的畜禽总存栏状况计算，我国每年畜牧业产生的粪便总量约为38亿t[2]，而畜禽粪便综合利用率不足60%，无害化率不足50%[3].土地利用是我国畜禽粪便的主要消纳方式，畜禽粪尿的过量施用，不仅造成土壤、地表水和地下水的污染，导致水体富营养化，间接对人体健康产生影响[4]，而且也使区域环境污染类型与渠道发生了很大变化，其中畜禽粪便中的氮、磷是造成水质下降的主要原因.随着养殖规模和总量的增长，畜禽养殖业排放的废弃物污染日趋严重.第一次全国污染源普查公报结果显示，规模化畜禽养殖粪尿产生量2.43亿t，尿液产生量1.63亿t，畜禽粪便污染已居农业源污染之首[5].此外，为了提高饲料的利用率以及预防疾病，通常会在饲料中添加铜、锌元素以及抗生素等，而这些添加剂的利用率都很低，约有30%～90%随粪便直接排出体外，因此，施用畜禽粪便会导致土壤受重金属[6-7]和抗生素[8-9]的污染.

近年来浙江省畜禽养殖业发展迅猛，已经成为农业十大支柱产业之一，年产值约占全省农业总产值的四分之一[10].浙江省处于季风影响区域，年均降雨量较大，水资源丰富，畜禽粪尿很容易直接或通过其他途径进入水体，从而影响河流和湖泊的水质.据2010年浙江省污染源现状统计分析，畜禽养殖业已成为其农业面源的主要污染源，其中化学需氧量(COD)、氨氮(NH4-N)、总氮(TN)和总磷(TP)分别占农业源总量的89.1%、74.5%、54.3%和65.6%[10].

1 材料与方法

1.1 数据来源

浙江省畜禽养殖以及耕地、果园、人口等相关数据来源于浙江各地区2000年—2016年统计年鉴，舟山市因为资料不全，本文不列入统计.

浙江省各类畜禽的产排污系数取自《第一次全国污染源普查·畜禽养殖业源产排污系数手册》[注]组织单位:农业部科技教育司，第一次全国污染源普查领导小组办公室.编写单位:中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，环境保护部南京环境科学研究所.，见表1.

1.2 研究方法

通常是根据主要畜禽即牛、猪、羊、家禽和兔的养殖数量以及氮磷产排污系数，估算各地区畜禽产生和排放的粪尿中氮磷污染物的含量.考虑畜禽存栏和出栏的数量会造成重复计算问题，比如肉猪，其存栏猪又会成为次年的出栏猪，所排粪便应在次年计算，不应列入当年；又如，肉禽的年末圈存肉鸡、肉鸭所产粪应略而不计，因当年部分出栏(过去用上市量)肉禽所产粪，和猪一样为上年的排泄量；因此，利用统计数据进行时空比较时，采用存栏数计算粪尿以及氮磷污染物的排放较为合理.

各地区的统计数据未对畜禽种类加以细分，所以本研究采用的各畜禽养殖结构是按经验值进行的粗分，计算结果可能与实际有出入.

畜禽养殖是环境中氮、磷的重要来源.由于固体粪便和尿液对环境的影响不同，应分别对粪、尿以及所含的氮、磷进行计算.氮、磷的发生量取决于畜禽的种类、养殖规模、养殖周期、养殖结构等[11-12]，而氮、磷向环境的流失量则除了这两种因素外，还受养殖方式、配套农田距离等因素的影响[13].一般认为肉猪、肉鸡和兔的饲养期分别为190 d、55 d及90 d，因此以出栏量作为饲养量；牛、羊以及蛋鸡的饲养期一般长于一年，因此以年底存栏量为饲养量.计算氮、磷发生量的方法主要为系数法，即在已知每头/只畜禽产生的粪尿总量及其养分含量的情况下，根据养殖的总头数或某地区的统计总量进行氮、磷发生总量的估算.

2 浙江省2000年—2016年畜禽养殖业的时空变化特征

2.1 畜禽养殖状况随时间的变化

浙江省2000年—2016年主要畜禽的年末存栏数见表2.

从表2可见，浙江省2000年—2016年家禽类存栏数在1.7～3.2亿羽之间，其中2012年存栏数最高，之后呈逐渐下降趋势；猪的存栏数在1 438～2 410万头之间，其中2012年存栏数最高，之后呈逐渐下降趋势；牛、羊的存栏数呈逐渐上升趋势；兔的存栏数先上升后下降.猪的存栏数在2012年之后逐渐下降，可能与2013年上海松江死猪事件有关.另外，浙江省在2013年启动的“五水共治”规划工作可能也是猪和家禽存栏数下降的原因之一.随着经济的发展，人们对肉、蛋、奶的需求不断增加，这是促进牛、羊等养殖业发展的原因.

表2 浙江省2000年—2016年主要畜禽的年末存栏数万头/万羽

年份猪牛羊兔家禽20001 456.884.56136.07200.6917 124.1920011 804.366.52160.49317.8220 235.3620021 874.817.26182.17366.2722 212.3420031 924.417.59197.72376.2925 888.9020041 974.197.74214.77393.9526 839.0620052 072.528.58223.57429.0828 358.1720062 033.048.81216.33456.7228 654.5720071 993.408.42206.41496.9827 564.3520082 064.009.01196.51510.8128 852.7920092 177.869.07195.27475.5929 481.9720102 277.619.45201.66475.2930 159.5920112 372.149.89195.37546.4130 973.3720122 410.3410.23184.32557.2731 648.8420132 374.0410.79191.62539.2728 346.4320142 157.3210.49197.90510.4923 466.6720151 593.9311.26205.94497.9122 002.9720161 438.1911.71217.19477.7421 257.29

由表2也可以看出，浙江省2000年—2016年牛和羊的年末存栏数呈稳步增加的趋势，其中2016年年末牛的存栏数为2000年的2.5倍，羊为1.5倍.猪、兔和家禽的养殖则呈现先增加后减少的趋势，尤其是猪的养殖，2016年年末存栏数甚至低于2000年.说明肉类产品的消费结构也会随着人民生活水平的提高而发生变化，人们对营养价值更高的牛肉以及牛奶的需求在不断增长.

2.2 畜禽养殖结构随时间的变化

由于猪的养殖在畜禽养殖中占据着很大的比重，因此，本节以猪当量来衡量畜禽养殖的数量和密度，以便不同畜禽种类之间进行比较.即将其他畜禽按一定关系折算成猪的数量.按照1头牛折算成5头猪，3只羊、30只家禽、15只兔分别折算成1头猪计算，则浙江省2000年—2016年年末畜禽存栏数的猪当量数及占比见表3.

由表3可见，从主要畜禽的猪当量看，浙江省畜禽养殖中猪的贡献最大，其次为家禽，说明猪肉、鸡鸭肉等依然是浙江人民餐桌上最主要的肉类产品，这与猪和家禽的饲养周期相对较短、饲养成本较低有关.从畜禽养殖的结构来看，历年来猪所占的比例最大，为62.5%～69.9%；其次为家禽，稳定在26.1%～30.8%之间；牛、羊和兔的比例较小，三者总和不超过7%.

2.3 不同地区畜禽养殖总量及结构随时间的变化

表4反映了浙江省2000年—2016年不同地区主要畜禽养殖总猪当量的时空变化，表5为浙江省2000年—2016年不同地区年末猪存栏数的时空变化.

从表4可以看出，浙江省畜禽总猪当量在2000年—2012年之间呈稳步增长趋势，2012年达到最高，为3 608万头猪当量，之后出现明显下降趋势.这种下降趋势主要是由于嘉兴和衢州两个地区畜禽养殖总猪当量减少造成的.其他8个地区畜禽养殖总猪当量变化不大.

由表4可见，在区域分布上，2014年以前畜禽养殖总猪当量以嘉兴市为最多，2011年总猪当量高达664.6万头；之后快速下降，其中2013年—2014年的下降最为显著，由518.5万头下降为242.8万头，下降率高达53%；到2016年，畜禽养殖总猪当量下降到176.1万头，在全省10个地级市中排名第7位，排在丽水、台州和宁波之前.衢州市的畜禽养殖总猪当量从2006年开始呈现快速增长趋势，2012年达到最高，为597.5万头；之后呈缓慢下降趋势，2008年以后其畜禽养殖总猪当量稳定排名第2位.

从表5可以看出，单纯从猪的养殖总量上来看，嘉兴地区猪的养殖量是最多的，这可能与嘉兴毗邻上海且猪肉部分供应上海市场有关.但是2014年以后，嘉兴地区猪的养殖量迅速下降，排名全省最后一位，2016年年末存栏数仅为52.5万头，这是否与上海更加关注环境质量尤其是水环境质量有关，值得分析.

表4 浙江省2000年—2016年主要畜禽养殖总猪当量的时空变化万头

年份杭州宁波温州绍兴湖州嘉兴金华丽水衢州台州总量2000422.72222.40169.34248.88165.99420.07 0.0087.73215.94156.162 109.242001465.42240.14176.85254.73177.66510.68231.07104.39262.33162.912 586.172002493.61264.92145.77259.65195.39554.08249.77110.13296.21167.152 736.672003506.40274.34191.94263.14231.46603.20262.63114.11296.47172.662 916.352004487.76287.22182.70264.09296.78615.38275.66116.11311.31168.403 005.422005494.39299.74187.74274.52329.61633.33302.43119.53343.92178.633 163.832006467.28341.68182.60264.62346.26612.71304.86117.26333.28164.253 134.812007424.99274.84190.21205.19351.00636.51290.04110.35403.91169.273 056.302008461.50282.78212.56249.23299.81621.94321.83115.49458.64146.573 170.362009479.69282.35210.57264.79323.61628.80330.61114.05515.25153.073 302.792010489.50288.28220.99282.74327.14648.69350.33114.97536.78169.713 429.142011502.67293.69219.95288.10334.34664.64360.00121.11594.73176.373 555.612012524.07295.39212.73286.62332.79640.89380.08125.10604.76212.663 615.082013525.19271.77206.72279.43332.80585.02380.94127.63563.15200.073 472.722014452.62230.49196.56261.11292.66518.50341.01114.30506.61178.173 092.032015418.69197.83197.29229.42234.97242.77293.05106.70417.74147.072 485.532016388.28170.85196.99227.68233.91176.08275.5797.25383.29159.702 309.60

表5 浙江省2000年—2016年年末猪存栏数的时空变化万头

年份杭州宁波温州绍兴湖州嘉兴金华丽水衢州台州总量 2000275.59138.34102.11144.08109.82323.17 0.0075.35175.13113.291 456.882001298.91144.46109.83150.36118.91399.67170.5977.71215.09118.831 804.362002299.43151.00108.94155.34129.02416.73174.5477.37240.92121.521 874.812003305.80149.08105.86153.61142.13444.00182.7779.01244.03118.121 924.412004307.09156.68102.70159.87151.23459.49186.3578.88259.63112.271 974.192005316.89161.44103.88169.30159.95467.33203.2680.60292.08117.792 072.522006300.69172.31101.78164.63167.11455.43207.4977.19281.74104.672 033.042007277.83153.5190.11130.62164.60468.36191.6365.18343.72107.841 993.40 2008293.16157.15107.67163.75120.92465.32217.8264.04388.9685.212 064.002009310.56158.02110.05178.00145.17469.83224.9867.53426.1087.622 177.862010324.91167.85117.42192.76147.25479.94243.9971.83440.1591.512 277.612011342.35172.75120.86198.72153.55483.10254.0677.25474.8494.662 372.142012357.88182.62117.68198.41156.60461.09278.1981.06479.1797.642 410.342013368.67178.64117.18196.75163.70419.81296.3986.66448.4197.832 374.042014333.26165.95112.60193.84137.63374.83265.2281.39400.4592.152 157.32 2015300.58143.53104.31170.5297.2599.68224.4376.04290.0187.581 593.932016280.43121.3598.05166.1094.9052.48207.7281.06243.0793.031 438.19

从牛的养殖量来看，温州和金华地区养殖量最多，其中温州2016年达到3.1万头，而2000年仅为1.2万头.

表6为2000年—2016年浙江省不同区域猪及家禽的年人均消费量和范围数.

表6 浙江省2000年—2016年主要畜禽年人均消费量及范围数

区域猪/头·人-1 家禽/羽·人-1杭州宁波温州绍兴湖州嘉兴金华丽水衢州台州全省0.71±0.06(0.58～0.85)0.33±0.03(0.25～0.39)0.17±0.01(0.14～0.20)0.45±0.04(0.36～0.52)0.69±0.12(0.45～0.84)1.51±0.49(0.20～1.80)0.50±0.06(0.43～0.63)0.41±0.04(0.35～0.46)1.68±0.51(1.18～2.43)0.20±0.03(0.15～0.25)0.54±0.06(0.39～0.64) 9.87±2.27(5.25～12.90)6.10±1.86(2.39～9.43)3.04±0.73(0.91～3.60)6.08±1.43(3.49～7.54)19.10±6.45(7.3～25.29)14.39±2.12(9.47～17.16)5.05±0.97(3.57～6.01)5.85±1.82(1.75～8.53)10.54±4.50(4.92～17.42)3.47±0.99(2.35～6.02)7.04±0.99(5.48～8.37)

由表6可见，浙江省2000年—2016年期间全省每年猪的消费量为人均0.54±0.06头，即半头猪，而家禽的人均消费量为7.04±0.99羽.同时可以看出畜禽消费呈现了一个有趣的现象，即浙西北的杭州、嘉兴、湖州以及衢州地区猪及家禽的消费量高于全省平均值，浙东靠海的温州、台州和宁波三个地区猪及家禽消费量较低，浙中的绍兴、金华和丽水三个地区猪及家禽消费量介于两者之间.沿海地区猪及家禽消费量较低可能与这些地区人们偏好海产品有关.

3 浙江省2000年—2016年畜禽养殖粪尿产排量特征

3.1 浙江省2000年—2016年畜禽养殖粪尿发生量及空间分布特征

畜禽养殖结构的变化直接影响着各类畜禽粪便的产生量，进而影响畜禽粪便污染结构.在第一次全国污染源普查工作的基础上，经广泛调研和深入分析各类畜禽的产排污特点，将畜禽养殖业产排污系数体系合理简化为“一猪(生猪)、二牛(肉牛、奶牛)、二鸡(肉鸡、蛋鸡)”5种畜禽类别，并根据区域的不同，分别给出了粪、尿以及COD、全氮、全磷、锌、铜等的产排污系数(浙江省的部分数据见表1).鉴于浙江省羊和兔的养殖量较小，对粪尿总量的贡献很小，而且部分地区统计年鉴中没有包含羊和兔，因此本文仅考虑猪、牛和家禽的粪便发生量.

2000年—2016年浙江省畜禽养殖的粪尿发生量变化见图1，各地区畜禽粪、尿的发生量见图2.

由图2可见，2000年—2016年杭州和嘉兴两地的粪总量、尿总量较多，其粪总量超过350万t；衢州接近300万t；丽水畜禽养殖的粪尿总量最少，仅为86万t.另外，湖州、嘉兴和衢州的粪总量变异系数较大，说明其畜禽养殖量的变化较大，这从表4可以得到验证.湖州地区尿总量显著低于粪总量，主要是因为湖州地区家禽的饲养量大；而衢州地区尿总量明显较高，是因为其猪与家禽猪当量比明显较高的缘故，达到5.78±0.85，而杭州、嘉兴等地区为1.5～3.6，温州、金华和绍兴等地区为0.5～2.0，而家禽的尿产生量极少.

3.2 浙江省2000年—2016年畜禽养殖粪尿氮和磷的产生量和排放量及空间分布特征

浙江省2000年—2016年畜禽养殖粪尿氮和磷的产生量和排放量见表7.

由表7可见，浙江省2000年—2016年畜禽粪尿氮产生量平均为8.48万t.其中杭州、嘉兴和衢州三个地区是主要的产排源;三个地区的畜禽粪尿氮产生量总和占全省的48.5%，畜禽粪尿氮排放量总和占全省的49.5%；磷的产生量、排放量也有类似情况.

4 浙江省2000年—2016年土地粪便负荷分析

4.1 土地畜禽粪尿负荷量

对畜禽养殖业的废弃物进行堆肥还田，即利用土壤-作物系统对畜禽粪尿进行利用与净化处理是最常用、最经济的方法.农用地消纳粪尿既可为作物生长提供氮、磷等营养元素，又可以减少化肥的施用量.

图2 2000年—2016年浙江省各地区畜禽养殖粪尿发生量情况

浙江省各地区耕地、果园面积及畜禽粪便负荷量见表8.

表8 浙江省各地区耕地、果园面积及畜禽粪便负荷量

地区耕地面积/103hm2果园面积/103hm2耕地粪便负荷量/(t·hm-2)警报值耕地+果园粪便负荷量/(t·hm-2)杭州宁波温州绍兴湖州嘉兴金华丽水衢州台州全省200 215 210 182 146 210 197 131 120 171 1 782 7 61 52 48 50 未统计 57 66 43 79 532 17.10 9.24 6.92 10.30 14.83 17.59 11.50 6.35 23.63 7.53 12.24 0.57 0.31 0.23 0.34 0.49 0.59 0.38 0.21 0.79 0.25 0.41 12.39 7.19 5.55 8.15 11.04 - 8.92 4.22 17.40 5.15 9.43

由表8可见，如果仅以耕地作为畜禽粪便的消纳受体，则浙江全省的畜禽粪便耕地负荷量平均为12.24 t/hm2；衢州地区的畜禽粪便耕地负荷量最高，为23.63 t/hm2；其次为嘉兴和杭州；丽水地区畜禽粪便耕地负荷量最低，为6.35 t/hm2.浙江省各地区的畜禽粪尿耕地负荷量，均低于《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中每公顷耕地能够承载的畜禽粪便为30 t/hm2的标准[14].如果以30 t为最大适宜施用量，则浙江省畜禽粪便负荷量警报值平均为0.41.在合理施用情况下，当粪尿负荷量的警报值小于0.4时，说明该地区畜禽粪尿可完全被耕地所消纳和承受，对环境不构成威胁[15].由表8可以看出，浙江省的畜禽粪尿平均负荷量已超出了农田的消纳能力；其中衢州、嘉兴、杭州和湖州等地的警报值均高于0.49，说明这些地区的畜禽养殖粪尿已对耕地系统构成了威胁；其他6个地区的警报值低于0.4，说明这些地区的畜禽养殖业还有发展空间.杭嘉湖地区为平原地区，河网密集，耕地施用畜禽粪尿容易造成水体污染.

国内学者研究认为，果园对畜禽粪便的消纳能力大于耕地[16-17]，如果将果园也作为畜禽粪便的消纳受体，则浙江省的平均负荷量为9.43 t/hm2，警报值为0.31，属于安全；但是衢州和杭州仍然超过0.4，对土壤环境构成威胁.另外，林地消纳畜禽粪尿的能力也是值得研究的.

传统的粗放式粪污还田方式没有充分考虑畜禽污染物的特性、土壤及作物营养需求量、当地的气候特征、污染物施用农田的风险及污染物还田的经济效益等因素，只是将土壤作为天然的、无限制的污染物处理场所，并没有从根本上解决畜禽污染问题，反而由此引发了农产品质量和土壤生态环境的安全性问题.因此，必须寻求更加有效的深度处理污染物排放或循环利用的方法，如厌氧处理[18]等，或通过资源化利用工程将氮、磷负荷超出自身消纳能力乡镇的粪便转移到邻近乡镇，如果处理妥当则既能避免环境污染，又能提高畜禽粪便的使用效率.

4.2 土地畜禽粪便氮磷负荷量

农用地作为受体用来消纳畜禽粪尿，其中的氮和磷元素在土壤理化性质及微生物的作用下会转化成硝酸盐和磷酸盐，成为农作物生长的重要营养来源.但是，如果畜禽粪尿使用量超出了农田的承载能力，就会引起土壤硝酸盐、磷的淋洗，造成环境污染[19].年施粪尿氮、磷量与土壤质地、肥力和气候等自然条件有关，另外也与土地的耕作制度和种植方式有关.武兰芳等[20]认为，单位耕地氮、磷最大可施用量分别为150 kg/hm2和30 kg/hm2.浙江省各地区的氮磷耕地平均负荷量见表9.