武汉市禽畜养殖时空分布及其耕地污染负荷分析

齐开，赵丽娅，钟韩珊，李元哲

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

随着我国禽畜养殖业的迅速发展和集约化程度的提高，在实现经济效益的同时，对区域环境质量的威胁也日趋严重[1-2].我国每年禽畜粪污产生量约38亿吨，禽畜养殖产生的污染物COD、TN、TP的排放量分别达1 268.6×104t、270.46×104t、28.47×104t，占农业源污染总量的比重依次为96%、56%、38%.禽畜养殖业污染已经成为农业面源污染中排名第一的污染源[3-4].

2013年，武汉市禽畜养殖总量达6 136.43万头，牛、家禽、羊、猪养殖数量分别为21.31万头、5 802.05万头、4.87万头、308.2万头.庞大的养殖数量背后是严峻的环境压力，2013年，武汉市产生109.75×104t禽畜粪便污染物，如果这些禽畜粪污不能很好地资源化利用，势必会给区域的土地、水环境等带来压力.

禽畜养殖污染问题已成为国内外学者关注的热点之一.国内的研究集中在基于耕地面积的对地区禽畜粪便负荷估算和环境影响评价等：刘安平等[5]对三峡库区禽畜养殖场污染的风险评估及治理对策进行了研究；宋大平等[6]评价了禽畜粪便在区域耕地和水环境方面的综合污染；郝守宁等[7]对林芝市的禽畜粪便排放量与耕地污染负荷进行了研究.国外的学者研究集中在分析禽畜养殖产生的环境效应：Mallin等[8]研究表明禽畜粪便是水生生态系统中氮、磷污染的主要来源；Aarnink等[9]研究了禽畜养殖对大气环境的污染，Oenema等[10]针对荷兰的禽畜养殖业研究了如何减轻粪污对环境的影响.

然而，针对禽畜养殖在区域的变化规律及对耕地污染情况的系统性研究较少，鉴于此，本研究利用武汉市2009—2016年的统计数据，分析武汉市禽畜养殖数量的时间变化特征和各区域禽畜养殖空间分布特征，估算禽畜养殖污染物产量和禽畜粪便耕地负荷，并对禽畜粪便耕地污染进行风险评价，以期为武汉市的禽畜养殖的科学布局和禽畜粪污的利用提供一定的借鉴作用.

1 材料与方法

1.1 数据来源武汉市禽畜养殖量(猪、羊、牛、禽)及耕地面积等数据[11-12]来自湖北省统计年鉴(2008—2017年)和武汉市农村统计年鉴(2008—2017年).

禽畜养殖量统计采用禽畜的生长周期来确定养殖量.生长周期大于1年的，按存栏量作为养殖量；生长周期小于1年的，按当年出栏量作为养殖量.生猪饲养周期大约199 d，以出栏量为养殖量；牛、羊周期按全年365 d计，以年底存栏量为养殖量；家禽饲养周期一般为55 d，以出栏量来计算[13].

1.2 数据处理与方法

1.2.1 禽畜粪便产生量估算 采用国家环境保护总局公布的禽畜粪便日排泄系数(表1)估算禽畜粪便产生量[10].

表1 禽畜粪便日排泄系数 kg·d-1

粪便年产生量(t/a)=养殖量×排泄系数×365/1 000.

1.2.2 禽畜粪便污染物产生量估算 采用《全国规模化禽畜养殖业污染情况调查技术报告》中各禽畜粪便污染物平均含量来估算禽畜粪便污染物产生量，见表2.

表2 禽畜粪便中氮、磷、化学需氧量含量 kg/t

污染物产生量(t/a)=禽畜粪便年产生量×禽畜粪便污染参数/1 000.

1.2.3 禽粪便耕地负荷估算 不同的禽畜品种其粪尿中氮磷含量不同，为了便于分析湖北省耕地禽畜粪便负荷，需要选择一个畜种作为当量畜种，将其他的畜种统一折算成当量[14-15].本文中选取猪为标准畜种，将牛、家禽、羊粪便量统一折算成标准猪粪便当量，换算系数见表3.

表3 各类禽畜粪便猪粪当量换算系数

禽畜粪便猪粪当量=禽畜粪便年产生量×换算系数.

耕地禽畜粪便负荷计算公式为：

式中：q为耕地禽畜粪便负荷量(t·hm2·a-1)；Q为各类禽畜粪便折算成猪粪便当量总量(t/a)；S为耕地面积(hm2)；X为各类禽畜粪便量(t/a)；T为各类禽畜粪便猪粪当量换算系数.

1.2.4 禽畜粪便污染风险评价 耕地受禽畜粪便污染的程度可以用禽畜粪便耕地负荷量与单位面积耕地有机肥最大适宜量(30 t)的比值r(警报值)来表示，r分为6级，r越大，禽畜粪便对耕地污染的威胁性越高(表4).

表4 禽畜粪便耕地负荷警报值分级

2 结果分析

2.1 武汉市2009—2016年禽畜养殖数量的变化武汉市2009—2016年禽畜养殖数量整体上呈先增后减的趋势(图1).2009—2013年为增长期，2013年禽畜养殖总量为6 136.43万头，为2009年的1.22倍.其中羊、猪、家禽养殖数量增长较快，与2009年相比，增幅分别为26.82%，23.78%，21.81%，牛的数量相对稳定.2014—2016年为下降期，2016年禽畜养殖总量为4 351.38万头，相比2013年下降了29.90%.其中牛、羊、家禽养殖数量下降较快，与2013年相比，降幅分别为43.83%，18.89%，30.25%，猪的数量降幅较小，为6.41%.

图1 2009—2016年武汉市禽畜养殖量变化趋势

2.2 武汉市禽畜养殖空间分布特征武汉市禽畜养殖空间分异明显(图2)，禽畜养殖主要集中在周边城郊的北部和南部地区.猪养殖数量较高的地区包括黄陂、江夏区，养殖数量均在100万头以上；牛和羊的养殖空间分布较为相似，养殖数量较高的地区包括黄陂、新洲区，养殖数量均在1万头以上；家禽养殖数量较高的地区包括江夏、黄陂、新洲区，养殖数量均在1 000万只以上.可以看出江夏、黄陂和新洲区为武汉市禽畜养殖主要分布区域，3个区域合计禽畜养殖总量为3 728.23万头，占比85.79%，猪、牛、羊、家禽养殖量分别为244.99、4.68、3.9、3 474.66万头，占比分别为84.93%、87.11%、61.81%、85.86%，蔡甸、汉南及中心城区的禽畜养殖量较小.

图2 武汉市2016年禽畜养殖空间分布差值图

2.3 禽畜养殖对环境的影响

2.3.1 禽畜养殖污染物产生量 禽畜养殖产生的3种主要污染物COD、TN、TP年产生量(表5)与禽畜养殖数量变化情况具有相似性，表现出先增后减的趋势，这是由于禽畜污染物产生量与禽畜养殖数量高度的正相关性所导致的.不同的是禽畜养殖污染物产生量在具有较大基数的同时，除2016年外其余年份变化幅度较小，3种污染物年产生量总和在100×104t左右小幅波动.

表5 武汉市2009—2016年禽畜养殖污染物产生量 104t

各类禽畜粪便对COD、TN、TP产生量的贡献排序具有相同的规律：猪粪便>家禽粪便>牛粪便>羊粪便(表6).猪粪便、家禽粪便对污染物产生量贡献较大，两者相加之和在各类污染物所占比重均超过80%，是武汉市主要禽畜粪便的污染来源.

表6 武汉市2016年禽畜粪便污染物产生量与比例

2.3.2 耕地污染负荷 禽畜粪便耕地负荷是指单位耕地面积消纳的禽畜粪便量，不仅能客观反映禽畜养殖对耕地的污染风险，而且也是衡量地区禽畜密度的主要指标[16].从环境风险的角度出发，禽畜粪便作为肥料用于农田的最大适宜施用量为30 t·hm-2·a-1，若高出这一水平则会导致土壤中的养分过剩，对环境产生影响[17].

图3表明，武汉市2009—2016年禽畜粪便耕地负荷一直处于较高水平，超过了耕地最大适宜施用量30 t·hm-2·a-1，2009—2013年耕地负荷逐年上升，2013年耕地负荷达到峰值为40.56 t·hm-2·a-12014—2016年耕地负荷逐年下降，2016年禽畜粪便耕地负荷下降至8年间最低水准，为32.71 t·hm-2·a-1，但仍处于超标水准.

图3 武汉市2009—2016年禽畜粪便耕地负荷变化

武汉市各区域耕地面积、禽畜养殖数量等存在明显差异，不同区域的禽畜粪便耕地负荷也表现出空间分异的特点(图4)，总体上武汉市禽畜粪便耕地负荷呈现出自中心向边界逐渐增大的特点，全市的超标区位于北部的黄陂区和南部的汉南区、江夏区，其中江夏区属于45 t/hm2以上的高污染区，超标最大适宜施用量1.87倍.值得注意的是新洲区有着较大的禽畜养殖数量但禽畜粪便耕地负荷处于较低水平，分析是因为新洲区虽然家禽养殖量较大，但由于其猪、牛养殖量与黄陂区、江夏区相比较少，耕地面积较大，故能消纳更多的禽畜粪便.

图4 武汉市2016年各区域禽畜粪便耕地负荷量差异

2.3.3 禽畜养殖污染风险评价 从表7可以看出，武汉市辖区、蔡甸区、新洲区耕地受污染程度较低，黄陂区、汉南区耕地受到较严重的污染威胁，江夏区耕地受到严重污染，应当重点加以控制.全市平均警报值为1.02(Ⅳ级)，耕地呈现较高污染状态，耕地受到污染风险较高.

表7 2016年武汉市各区域耕地污染风险评价

3 结论与讨论

1)武汉市2009—2016年禽畜养殖大致可分为两个阶段：快速发展期(2009—2013)：武汉市禽畜养殖业发展迅速，2013年末禽畜养殖总和达到6 136.43万头，年平均增幅4.4%；现代化养殖转型期(2014—2016)：各类禽畜养殖数量逐年下降，2016年末禽畜养殖总和为4 351.38万头，年平均降幅为9.7%.先增后减的趋势反映出国家对畜牧业大力扶持的同时，对禽畜养殖所造成的环境污染尤为重视，在环境保护和产业结构政策的影响下，畜牧业向生态型、现代生产体系发展[18-19].

2)武汉市禽畜养殖空间分异明显，禽畜养殖数量整体上呈现由中心向周边城郊逐渐增大的特点，北部黄陂区、新洲区和南部的江夏区作为主要的禽畜养殖分布区域，禽畜养殖量约占全市的90%.中心城区、汉南区、蔡甸区，相对于其他3个城郊区，以发展第二、第三产业为经济主导产业，第一产业发展相对落后，禽畜养殖数量相应较低.

3)禽畜养殖污染物产生量与禽畜养殖数量变化趋势相似，表现为先增后减，且基数较大，3种污染物年产生量排序为 COD>TN>TP.猪、家禽粪便对污染物产生量贡献较大，是主要污染源.目前武汉市乃至国内大多数养殖场对禽畜养殖废弃物的处理和资源化还有所欠缺[20]，针对猪、家禽粪便探究更加高效、清洁的禽畜粪污利用途径[21]，是有效缓解禽畜粪污对环境压力的关键.

4)2016年是武汉市禽畜养殖环境承载压力最小的一年，耕地污染风险评价全市平均警报值为1.02(Ⅳ级)，耕地呈现较高污染状态，表明武汉市耕地受到禽畜粪便污染威胁较严重.从时间尺度上，武汉市从2009—2016年每个年份禽畜粪便耕地负荷均超过耕地最大适宜施用量30 t·hm-2·a-1；从空间尺度上，各区域耕地污染负荷差异明显，表现出较强的空间聚集性，高值主要位于北部和南部地区，汉南、黄陂区作为高污染区禽畜粪便耕地负荷均在39 t/hm2以上，江夏区更是高达56.13 t/hm2.围绕江夏、黄陂、汉南区等高污染区域打造生态化养殖，化解禽畜粪便耕地负荷空间集聚性对环境的压力，是武汉市防范禽畜养殖对耕地污染的重点.