张掖市畜禽粪便污染物估算及农田承载力风险评价

王 磊，张永东，马 斌，胡俊慧，伏中方，陈晓燕

（张掖市畜牧管理站，甘肃 张掖 734000）

近年来，我国畜牧业持续稳定发展，规模化养殖水平明显提高，保障了肉蛋奶的有效供给，但大量养殖废弃物没有得到有效处理和利用，成为农村环境治理的一大难题。党的十八大以来，党中央、国务院统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局，牢固树立和贯彻落实新发展理念，坚持保供给与保环境并重，打响了畜禽废弃物资源化利用攻坚战，并取得了明显成效。张掖市位于甘肃省河西走廊中段，地处甘、青、蒙三省交界处，位居中国第二大内陆河黑河中上游，是古丝绸之路的咽喉要道，也是全国重要的玉米种子、瓜果蔬菜、肉牛肉羊生产基地，更是现代丝路寒旱农业可持续发展的承载区和国家西部重要的生态安全屏障，做好该地区畜禽粪污资源化利用工作，对推动现代农业的发展和生态环境保护具有重要的现实意义。目前，全国各地对畜禽粪便产生量、粪污农田土地承载力及环境效应评价等研究较多，而对甘肃河西走廊现代丝路寒旱农业区畜禽粪便土地承载力等方面的研究尚未见报道。本研究根据2017年张掖市畜禽养殖业发展情况，对畜禽粪便污染物产生量及粪污农田负荷风险进行了分析评价，旨在以张掖市为例对甘肃河西走廊寒旱农业区畜禽养殖污染治理提供思路与对策。

1 材料与方法

1.1 数据来源

张掖市辖甘州区、临泽县、高台县、山丹县、民乐县、肃南县6个县区。本研究以县区为单位，以2017年张掖市统计年鉴［1］公布的数据为基础，测算全市猪、牛、羊、鸡的粪便及其污染物产生量。

1.2 计算方法

1.2.1 畜禽粪便量的计算 由于受饲养品种、养殖环境、饲料配方、气候差异等因素影响，目前国内外对畜禽粪便的日排泄系数和污染物排放系数均无统一标准。国内常采用以下2种方法：一种是根据国家环保总局使用的方法，将存栏量、日排泄系数和饲养周期三者相乘，得出一个周期的粪便产生量，用于估算全年粪便产生量；另一种是将畜禽年内出栏量和年末存栏量之和，日排泄系数和饲养周期三者相乘，估算全年粪便产生量［2］。以上两种方法的差异体现在畜禽数量的确定上，前一种方法由于只考虑一个时间点的畜禽存栏量，中间时期出栏的畜禽数量未考虑，得出的结果可能偏小；后一种方法虽然考虑了年内出栏量和年末存栏量，但由于年末存栏畜禽未经历完整的饲养周期，易高估粪便产生量。本研究结合两种估算方法的优点，参照《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》（HJ 497—2009）相关参数，综合考虑不同畜禽饲养周期选取不同的基础数据，一般生长周期小于1年的，以当年出栏数作为饲养量；生长周期大于1年的，按年末存栏数作为饲养量。本研究中牛羊、生猪、家禽的饲养周期分别按365、160和210 d计，牛羊粪便量采用年末存栏量来计算，猪的年出栏数代表猪当年饲养量，鸡以出栏数代表当年饲养量。计算方法为：存栏量（牛、羊）或出栏量（猪、鸡）×粪便日排泄量（kg）×饲养周期（d）。本研究中畜禽粪便 日排泄量［3］和粪便污染物平均含量［4］见表 1。

表1畜禽粪便日排泄量及其污染物平均含量kg/t

1.2.2 畜禽粪便负荷量的计算 由于不同类型的畜禽，其粪便养分差异较大，农田消纳量也有较大差异。因此，本研究根据各类畜禽粪便含氮量，将各种畜禽粪便统一折算为猪粪当量，用可比性较强的猪粪当量负荷来计算畜禽粪便的实际负荷量。猪粪当量换算系数［5］见表2。

表2畜禽粪便猪粪当量换算系数

畜禽粪便负荷量估算公式［6］：

式（1）中：q为畜禽粪便猪当量负荷值［t（/hm2·a）］；Q为各类畜禽粪便当量总量（t/a）；S为有效耕地面积（hm2）；X为各类畜禽粪便量（t/a）；T为猪粪当量的换算系数。

1.2.3 耕地畜禽粪便负荷预警值 为反映土地畜禽粪便负荷程度，特估算耕地畜禽粪便负荷预警值，估算公式［6］：

式（2）中:r为粪便的负荷承受程度预警值，随着r值逐渐增大，畜禽粪便将逐渐超过农田的可容纳量或承受程度；q为畜禽粪便猪粪当量负荷值［t（/hm2·a）］；p为有机肥最大适宜施用量［t/（hm2·a）］。

2 结果与分析

2.1 张掖市畜禽养殖情况

据2017年度张掖市统计年鉴显示，全市牛出栏量27.84万头，年末存栏量69.11万头；生猪出栏量76.20万头，年末存栏量65.80万头；羊当年出栏量205.07万只，年末存栏量276.23万只；禽（主要为鸡）出栏量642.81万只，年末存栏量412.87万只（见表3）。全市6个县区中甘州区牛存栏量、羊存栏量、猪出栏量和鸡出栏量均最大，分别占全市牛存栏量的45%、羊存栏量的26%、猪出栏量的41%、鸡出栏量的70%。

表3 2017年张掖市畜禽饲养情况及畜禽粪便污染物产生量

2.2 畜禽粪便污染物产生量

根据张掖市全年畜禽饲养数据、畜禽粪尿及其污染物排泄系数，计算得出全市及分县区畜禽粪便年产生量（表4）。结果表明，张掖市畜禽粪尿年排放量1 156.95万t，其中甘州区447.07万t，畜禽粪尿产生量最大，占全市粪尿产生总量的38.60%；其次为临泽县和高台县，畜禽粪尿产生量分别占全市总量的19.40%和17.20%，甘州区、临泽县、高台县3县区畜禽粪尿产生量合计占到全市的75.2%，山丹县、民乐县、肃南县畜禽粪尿产生量相比较小，合计占到全市总量的24.80%。分畜种来看，牛粪便产生量756.7万t（占总量65.40%）＞羊262.13万t（占总量22.65%）＞猪121.28万t（占总量10.50%）＞鸡16.84万t（占总量1.45%）。

大量的畜禽粪便产生 CODcr、BOD5、NH3-N、TN 和TP等大量污染物。张掖市畜禽粪便污染物含量见表3，2017 年张掖市畜禽粪便产生的 CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP 分别为 21.25 万 t、16.19 万 t、2.19 万 t、6.81 万 t、1.58万t，污染物合计总量48.02万t。参考国家环保总局提供的畜禽粪便污染物平均流失率一般为30%～40%，按照30%最低流失率计算，理论上张掖市畜禽粪便污染物年流失 CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP 分别为6.38 万 t、4.86 万 t、0.66 万 t、2.04 万 t、0.47 万 t，流失污染物总量14.41万t。可见畜禽粪便污染物对环境造成的污染威胁是非常大的，如处理不当，将对农村生态环境和水体造成严重影响。

表4 2017年张掖市畜禽饲养情况及畜禽粪便污染物产生量 万t

2.3 张掖市耕地畜禽粪便负荷量计算及风险分析

不同畜禽粪便的养分差异较大，因此本研究将各类畜禽粪便统一换算为猪粪当量值进行分析（表5和表6）。刘培芳等［2］研究发现，在化肥习惯施用量为225 kg/hm2纯氮的基础上，猪粪当量以15～30 t/（hm2·a）为宜。本研究取值45 t/（hm2·a）作为有机肥用于农田的最大适宜施用量，如果高于这一水平就会对环境产生影响。张掖市6个县区中，肃南县主要以草原畜牧业生产为主，其畜禽粪便猪当量负荷量以草原面积为主进行单独核算。结果表明：张掖市5县区（肃南县不计）畜禽粪便猪当量负荷量在10.29～52.15 t/（hm2·a）之间，平均33.28 t/（hm2·a）。根据农田负荷预警值分析，张掖市畜禽粪便负荷量预警值平均0.74，为Ⅲ级，已超出了农田消纳能力，对周围环境构成了一定影响。分县区看，民乐县预警值0.23，为Ⅰ级，对环境无影响；山丹县预警值0.56，为Ⅱ级，对环境稍有影响；甘州区、临泽县、高台县预警等级均为Ⅳ级，对环境构成较严重影响。

肃南县作为张掖市主要的草原畜牧业生产区，拥有各类草原178.5万hm2，而耕地面积仅有1.36万hm2，草原面积中除去落实草原生态补奖政策中重点生态功能区和核心区禁牧的46.8万hm2外，还有131.7万hm2草原可开展畜牧业生产。因此，表6中肃南县的粪污土地可消纳面积以可实际开展畜牧业生产的131.7万hm2草原和1.36万hm2耕地面积之和为准，合计133.06万hm2。农田负荷预警值分析表明：其畜禽粪便当量负荷量为0.76 t/（hm2·a），预警值0.02，远低于对环境构成影响的0.4的预警值，对环境无影响，这也是牧区不同的畜牧业生产方式所致。

表5 2017年张掖市畜禽粪便猪当量负荷量

表6 2017年肃南县畜禽粪便猪当量负荷量

3 讨论

目前，农田是畜禽粪便的主要负载场所，还田是消化粪便养分的主要途径。2017年，张掖市的耕地面积为31.25万hm2，如果畜禽粪便全部作为有机肥还田，张掖市畜禽粪便年负荷量33.28 t/hm2，已超过了巨天珍等［8］报道的张掖市年 30 t/hm2的负荷量［8］，农田负荷预警值达0.74，表明对环境产生了一定影响。但鉴于不同地区畜禽粪便的处理、收集、贮存和运输方式不尽相同，粪便养分的损失率和不同作物当季利用率也不同，实际农田畜禽粪便承载力应相应增加。所以不同地区可通过优化畜牧业产业布局、提高畜禽粪便收贮率和调整种植结构等方式来改变畜禽承载力的大小，使农田能够最大限度地消纳当地畜禽粪便，减少环境污染。

分县区来看，张掖市各县区畜禽粪便负荷量差异与各自主导产业发展、区域布局和耕地面积等因素有关，肃南县主要为草地畜牧业，广阔的草原对草食畜粪便有很好的消纳能力，对环境没有产生影响；民乐县畜禽粪便产生量全市最小，但其耕地面积位居全市第二，因此耕地对畜禽粪便具有很好的消纳利用能力，未对环境产生影响；山丹县畜禽养殖量和耕地面积适中，对环境稍有影响；甘州区、高台县、临泽县养殖体量位居全市前三位，但都由于耕地面积无法匹配消纳畜禽粪便，均对环境产生了较严重的影响，其中临泽县耕地面积全市最少，对畜禽粪污的消纳能力最弱，因而粪污对环境威胁程度最高。由于不同区域畜禽粪便对环境造成的影响具有差异，因此，应立足产业发展实际，因地制宜，采取不同的处理措施和防治对策消除畜禽粪便对环境造成的污染。

由于畜禽养殖量、饲养周期、粪便日排泄量及粪尿中各种污染物是动态数据，不同区域也存在差异，统计年鉴反映的也只是年末的静态数据；同时出于条件限制，本研究没有通过试验得到精确的测定数据和统计结果，只能根据现有的统计资料和相关测算标准进行计算和分析。但是，本测算结果在总体上可反映张掖市各县区畜禽粪尿年排泄量、污染物产生量及对环境产生的潜在影响。