河南省畜禽粪便的耕地污染及其未来风险预测

2021-05-18吴荣康潘芳慧常佳悦张星TIBAMBAMatthew王友保

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2021年2期

吴荣康，潘芳慧，常佳悦，张星，TIBAMBA Matthew，王友保

（安徽师范大学生态与环境学院，皖江流域退化生态系统的恢复与重建省部共建协同创新中心，安徽芜湖241000）

中国是一个农业大国，畜禽养殖业是其重要的经济产业。近年来，随着畜禽养殖业的不断发展，畜禽粪便排放量也不断增加，由此引起的环境污染现象时有发生[1]，因此，控制畜禽粪便污染成为目前急需解决的环境问题之一。整治某个区域内畜禽粪便污染，首先要了解该区域的畜禽粪便产生量，以及其产生的污染负荷和风险，以便全面掌握畜禽养殖污染情况。如ZHENG 等[2]基于我国的畜禽养殖量计算出农田对氮、磷的承载力，论证了1996—2016年中国畜牧业的变化，确定了畜牧业的环境临界区；李丹阳等[3]根据畜禽饲养量估算出2016 年山西省粪便产生量，确定了山西省需要重点管理畜禽粪便的区域；张丽萍等[4]根据畜禽饲养量估算出粪便总量，确定了吉林市畜禽粪便对环境构成威胁的地区；熊娜等[5]运用畜禽粪便资源强度指数和畜禽粪便污染负荷指数，分析了广西畜禽粪便资源现状及其污染风险；郝守宁等[6]利用年平均增长率计算方法，揭示出林芝市畜禽养殖量和氮磷污染的增长率的区域差异和时空变化规律。

河南省是我国畜禽养殖业大省，畜禽养殖业污染已成为该省的重要污染源之一，严重影响着河南省的农业生态环境[7]。本研究基于2008—2017年间对河南省畜禽养殖数量的统计数据，通过日排泄系数法计算畜禽粪便量，继而得出猪粪当量、耕地污染负荷量和单位耕地面积上猪粪当量含总氮（total nitrogen,TN）和总磷（total phosphorus,TP）的理论负荷量；采用年平均增长率计算方法预测未来河南省各类畜禽养殖量，并对未来畜禽粪便耕地负荷污染进行分析，以期为河南省合理安排畜禽养殖业结构和进行畜禽养殖粪便污染整治工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究采用的畜禽养殖数据和耕地面积数据来源于2008—2017年的《河南省统计年鉴》，统计的数据截至2017 年底，包括牛、羊和家禽的年末存栏量以及猪的当年出栏量。

1.2 数据分析

1.2.1 畜禽粪便量及其猪粪当量计算

本研究参考李海山等[8]、彭里等[9]、宋大平等[10]、张羽飞等[11]的研究并结合河南省养殖业的相关参数，对饲养期进行估算时，存栏的饲养期按365 d计算，猪出栏量的饲养周期为199 d。河南省各市的畜禽粪便当量（包括粪和尿）计算公式：畜禽粪便当量=出（存）栏量/（头/只）×日排泄系数/（kg/d）×饲养周期/d。日排泄系数参照宋大平等[10]的研究，如表1所示。不同畜禽类型的粪便肥效有较大差异，其农田消纳量差异也较大，因此，根据各类畜禽粪便的含氮量，通过系数换算法将各类畜禽粪便量统一换算成猪粪当量[12]，其计算公式：猪粪当量=畜禽粪便量×猪粪当量换算系数。猪粪当量换算系数如表2所示。

表1 各类畜禽粪便日排泄系数Table 1 Daily excretion coefficient of livestock and poultry manure kg/d

表2 各类畜禽粪便的猪粪当量换算系数Table 2 Livestock and poultry manure’s pig dung equivalent conversion coefficient

1.2.2 畜禽粪便耕地负荷量计算

畜禽粪便资源化处理是将畜禽粪便转化为饲料或者是有机还田肥料加以利用[13]，国外发达国家把农田作为畜禽粪便的负载场所，可以消化粪便中的养分[14-15]。畜禽粪便耕地负荷量的大小可以间接衡量养殖业分布的合理性。本研究将畜禽粪便量统一换算成猪粪当量（见1.2.1节），再累加成猪粪总量，通过式（1）计算出耕地负荷量[16]，计算如下：

式中：q表示畜禽粪便耕地负荷量，t/（hm2·a）；Q表示各类畜禽粪便对应的猪粪当量总量，t/a；S表示有效耕地面积，hm2。

1.2.3 畜禽粪便污染物耕地负荷量计算

1.2.4 畜禽粪便耕地负荷预警值计算

畜禽粪便耕地负荷预警值，是用畜禽粪便耕地负荷量与当地耕地以猪粪当量计的有机肥理论最大适宜施肥量的比值来计算的，公式如下：

式中：r表示畜禽粪便耕地负荷预警值，即污染风险指数；q表示畜禽粪便耕地负荷量，t/（hm2·a）；p表示有机肥理论最大适宜施肥量，此处为45 t/（hm2·a）[17]。

根据前人的研究和实际情况，河南省畜禽粪便耕地负荷预警分级情况如表4所示。

表3 畜禽粪便中污染物的平均含量[18]Table 3 Concentrations of pollutant in livestock and poultry manure[18] kg/t

表4 畜禽粪便耕地负荷预警值分级[19]Table 4 Grading of load warning value of farmland of livestock and poultry manure[19]

1.2.5 畜禽粪便污染预测计算

根据杨飞等[20]的研究方法，基于河南省2008—2017年的畜禽养殖数量，采用年平均增长率预测方法，预测河南省未来畜禽养殖数量，进而预测未来河南省各市耕地的潜在污染状况，计算公式[21]如下：

式中：ρ表示年平均增长率，%；T1、Tn表示畜禽第1和n年的养殖数量。为了计算出更准确的年平均增长率，T1采用前3年的均值，Tn采用后3年的均值。

第t年畜禽养殖数量预测值（x）计算公式为：

式中：c表示原始数据第1年的数值。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便猪粪当量排放

河南省2008—2017 年畜禽粪便猪粪当量排放量如表5所示。从时间尺度分析，近10年河南省全省畜禽粪便猪粪当量排放量呈下降趋势。在2017年，畜禽粪便猪粪当量总计为16 301.77万t，与2008年相比下降了25.56%；牛粪和牛尿的猪粪当量排放量大幅减少，与2008 年相比，2017 年牛粪和牛尿的排放量分别下降了64.54%、64.54%。羊粪的猪粪当量在2008—2013 年略有减小，在2015 年增加，从2016 年开始又减少；猪粪、猪尿和禽粪的猪粪当量排放量均有所增加。河南省各市牛的出栏量均逐年呈下降趋势，可能是牛粪和牛尿的日排泄系数大，导致河南全省牛粪和牛尿的猪粪当量排放量逐年下降。由此可见，河南省牛的养殖量减少后，全年总计畜禽粪便猪粪当量排放下降。

表5 河南省不同年份的畜禽粪便猪粪当量Table 5 Livestock and poultry manure’s pig dung equivalent in Henan Province in different years 万t

2.2 畜禽粪便中耕地总氮、总磷负荷量分析

2.2.1 畜禽粪便中产生的耕地总氮负荷量

畜禽粪便中的氮、磷等元素有利于植物生长发育，具有肥效价值，利用畜禽粪便中的营养元素，能促进作物的生长[22]。朱兆良[23]的研究表明，耕地土壤化肥施氮量需在150～180 kg/hm2之间，施氮量超过180 kg/hm2会对环境造成污染。粪肥的年施氮量不能超过170 kg/hm2，否则会带来硝酸盐的淋洗[24]。因此，耕地畜禽粪便的总氮负荷量能反映某区域的养殖结构是否合理。由图1可知，2008与2017年河南省耕地畜禽粪便中的总氮负荷量平均值分别为171.91、121.38 kg/hm2，与2008 年相比，2017 年下降了29.39%。在调查的范围内，河南省不同城市耕地总氮负荷差异很大。从时间尺度分析，近10 年洛阳、平顶山、鹤壁、新乡、濮阳、三门峡、南阳、信阳、周口、驻马店以及济源这11个地区的单位耕地面积总氮负荷量逐年下降，其中三门峡、平顶山和信阳的下降最为明显，与2008 年相比分别降低了47.78%、46.74%和40.17%。下降的主要原因是畜禽养殖布局的调整，以致三门峡、平顶山和信阳牛的养殖量显著下降，而猪的饲养量增加不显著。从空间尺度分析，2008年河南省耕地畜禽粪便中的总氮负荷量平均值为171.91 kg/hm2，其中平顶山、鹤壁、三门峡等地区的耕地总氮负荷量较大，分别是全省平均值的1.60 倍、1.47 倍和1.15 倍；2008 年开封、平顶山、鹤壁、焦作、许昌、漯河、三门峡、商丘和驻马店这9 个地区的耕地总氮负荷量均超过170 kg/hm2，说明2008年河南省部分地区的畜禽粪便对当地的耕地土壤构成了威胁，这些地区畜禽养殖结构不合理和相对耕地面积少导致了总氮负荷量的增大。在调查的范围内，近10 年河南省各市牛的饲养量在下降，2017年只有开封、鹤壁以及漯河这3个地区的禽粪便中的总氮负荷量超过150 kg/hm2，鹤壁超过170 kg/hm2，信阳的总氮负荷量最少，仅为68.83 kg/hm2。因此，畜禽养殖业结构的合理性和相对耕地面积的大小，是单位耕地面积畜禽粪便中的总氮负荷量能否降低和不同地区差异性的主要原因。

2.2.2 畜禽粪便中产生的耕地总磷负荷量

磷素在土壤中的移动性差，土壤粪便年施磷量不能超过35 kg/hm2，否则会引起土壤磷的淋洗，污染环境[25]。由图2 可知，2017 年河南全省畜禽粪便中产生的总磷负荷量平均值为47.24 kg/hm2，与2008 年相比有所下降。从时间尺度分析，近10 年濮阳、漯河和周口总磷负荷量逐年增加，平顶山、鹤壁、南阳和驻马店总磷负荷量逐年减少。从空间尺度分析，2008 年河南全省的总磷负荷量均超过35 kg/hm2，说明过量使用磷肥对环境产生了严重的危害，其中鹤壁的总磷负荷量高达117.55 kg/hm2，是全省总磷负荷量平均值的2 倍多。2017 年除郑州、洛阳、三门峡及信阳这4 个市的总磷负荷量低于35 kg/hm2以外，其余14 个市的总磷负荷量均超过35 kg/hm2，说明大部分地区污染依然很严重，尤其是鹤壁的污染最为严重。

图1 河南省各市耕地畜禽粪便中总氮负荷量Fig.1 Total nitrogen load in livestock and poultry manure in each city of Henan Province

图2 河南省各市耕地畜禽粪便中总磷负荷量Fig.2 Total phosphorus load in livestock and poultry manure in each city of Henan Province

从单位耕地面积的畜禽粪便总氮、总磷负荷量分析结果可以看出，以总磷负荷量作为畜禽粪便对耕地污染评价的标准更为严格。本文讨论的是畜禽粪便对河南省各市耕地负荷影响的平均情况，畜禽的养殖方式决定着粪便的处理方式，传统养殖散户的畜禽粪便一般作为有机肥使用，不会对耕地环境产生危害；而当前，畜禽养殖业更加集约化、规模化和现代化，集约化养殖业的畜禽粪便产生量大，粪便集中，处理更困难，导致局部的畜禽粪便量远远超过耕地容纳量，对环境造成很大的威胁[1]。

2.3 畜禽粪便耕地负荷的污染风险指数和预警级别

单位耕地面积上畜禽粪便的总氮、总磷负荷量在一定程度上能反映某区域畜禽粪便对耕地环境可能带来的污染，但污染的风险程度不确定，所以，必须对畜禽粪便耕地负荷污染风险指数（r）和预警级别进行分析。本研究对河南省各市从2008—2017 的污染风险指数和预警级别进行了分析，结果如图3 所示。在调查的范围内，从时间尺度分析，近10 年平顶山、驻马店和南阳的污染风险指数呈逐年下降趋势；与2008 年相比，2017 年河南各市的污染风险指数均降低，说明各市畜禽粪便对耕地的污染风险均降低。郑州、洛阳、安阳以及信阳这4 个地区2008 年畜禽粪便耕地负荷预警级别均为Ⅱ级，到2017 年均下降为Ⅰ级，三门峡由Ⅲ级降为Ⅰ级，说明这5 个地区的畜禽粪便耕地污染风险有所下降。从空间尺度分析，2017 年河南省畜禽粪便负荷预警级别为Ⅱ级的城市占比为72.22%，表明2017 年河南省大部分耕地稍有污染；而河南省畜禽粪便污染风险较高的城市主要为平顶山、鹤壁、许昌和漯河。2009—2015 年平顶山市的预警级别均为Ⅲ级，对周围的环境构成威胁，从2016 年开始预警级别降为Ⅱ级，2017 年的污染风险指数为0.55，对环境表现为稍有污染。鹤壁是河南省畜禽粪便污染风险最高的城市，2008 年的污染风险指数为1.02，预警级别为Ⅳ级，对周围的环境产生较严重的污染；2017 年的污染风险指数为0.71，超出了耕地的消纳能力，因此，鹤壁是畜禽粪便污染重点治理的城市。许昌市从2014 年开始预警级别由Ⅲ级降为Ⅱ级，2017 年的污染风险指数为0.46。漯河市2013—2015 年的预警级别为Ⅲ级，对周围的环境构成威胁；从2016 年开始预警级别由Ⅲ级降为Ⅱ级；2017 年的污染风险指数为0.64，对环境表现为稍有污染。

图3 2008—2017年河南省各市畜禽粪便的污染风险指数与分级Fig.3 Pollution risk index and grading of livestock and poultry manure of different cities in Henan Province from 2008 to 2017

从分析结果可知，鹤壁、漯河的畜禽粪便污染严重，应调整畜禽养殖结构和加强畜禽粪便的处理。首先，调整畜禽养殖产业布局，根据鹤壁和漯河的耕地承载能力，适当缩小猪的养殖规模，协调发展畜禽养殖业；其次，优化鹤壁和漯河的产业结构，遵行“以地定畜、种养结合”原则，淘汰严重影响环境的中小型畜禽养殖场[26]；最后，加强畜禽粪便的处理，其处理方式主要有干燥处理、好氧堆肥、沼气发酵以及饲料利用，其中，好氧堆肥是目前广泛处理畜禽粪便的方式，经过堆积发酵以后，碳氮比能够减少到20以下，使畜禽粪便无害化、资源化[27-28]。

2.4 畜禽粪便未来污染预测与分析

根据计算公式，预测河南省2025 和2030 年各类畜禽养殖数量，结果如表6所示。从中看出：未来河南省的猪养殖量增长较快，家禽的养殖量稳步增长，牛和羊的养殖量将呈减少趋势。2017年牛、羊、家禽的年末存栏量分别为3.726 6×106头、1.682 03×107头、6.501 751×108只，猪的出栏量为6.220 01×107头；在不受政策干扰的条件下，与2017年相比，预计2025、2030 年牛的养殖量将分别减少42.34%、59.12%，羊的养殖量分别减少7.18%、11.40%，猪的养殖量分别增加17.11%、29.26%，家禽的养殖量分别增加3.47%、5.70%。

基于未来河南省的畜禽养殖数量，预测出畜禽粪便产生量、猪粪当量以及污染物的产生量，对未来畜禽粪便污染进行全面分析，以此来调整养殖业的结构。2017年河南省的畜禽粪便产生量为15 203.54万t，猪粪当量为16 301.77万t，粪便中污染物产生量为921.05万t；与此相比，由表7可知，2025年的畜禽粪便产生量将减少4.06%，2030年的畜禽粪便产生量将减少3.33%；2025 年的猪粪当量将减少3.97%，2030 年的猪粪当量将减少3.89%；2025 年的粪便中污染物产生量将减少1.39%，2030年的粪便中污染物产生量将略有增加。假设在河南省耕地面积不变的情况下，以2017年的耕地面积进行计算，2017年河南省畜禽粪便耕地负荷量为20.10 t/（hm2·a），耕地风险负荷值为0.45；2025 年河南省畜禽粪便耕地负荷量为19.30 t/（hm2·a），耕地风险负荷值为0.43，2030 年河南省畜禽粪便耕地负荷量为19.31 t/（hm2·a），耕地风险负荷值为0.43。2025 年河南省畜禽粪便耕地TN、TP 负荷量分别为109.71、44.61 kg/hm2，2030 年河南省畜禽粪便耕地TN、TP负荷量分别为109.42、45.68 kg/hm2，TP 负荷量超过35 kg/hm2。按照此养殖模式，未来河南省猪的养殖数量增加可能是畜禽粪便对耕地产生污染的主要原因，因此，在未来，河南省可以考虑适当减少猪的养殖量。从分析结果可知，河南省2025、2030 年畜禽粪便产生的污染与2017 年相比变化不大，但事实上，未来的耕地面积可能会发生变化，而且不同城市的畜禽养殖数量和耕地面积差异很大，因此，对河南省未来不同城市畜禽粪便负荷进行预警分析非常必要。

表7 2025和2030年河南省各类污染物数量预测值Table 7 Predicted values of various types of pollutants in Henan Province in 2025 and 2030 万t

根据耕地负荷量计算公式，对2008、2017、2025和2030年的耕地负荷污染情况进行分析，结果如图4所示。从中可知：未来开封、濮阳、漯河、周口以及济源的污染风险指数呈增加趋势，郑州、鹤壁、焦作和南阳的污染风险指数呈减少趋势；2025年漯河的预警级别将由Ⅱ级变成Ⅲ级，2030 年开封、濮阳的预警级别将由Ⅱ级变成Ⅲ级。从空间分布来看，未来河南省西部和南部地区污染预警级别相对降低，多表现为稍有污染或无污染，但2030 年开封、濮阳和漯河畜禽粪便负荷预警级别均为Ⅲ级，会对耕地环境产生污染。未来开封、濮阳和漯河畜禽粪便负荷预警级别的增加，主要由猪的养殖数量增加所导致。因此，为了防止畜禽粪便对开封、濮阳和漯河可能带来的污染，应当考虑调整养殖结构，减少猪的养殖量。

3 讨论

从2008—2017 年，河南省牛的饲养量逐年下降，从而使得畜禽粪便产生量、猪粪当量以及耕地总氮、总磷负荷量均有所下降，全省的污染风险指数由0.65下降到0.47，但预警级别保持Ⅱ级不变；2017年全省畜禽粪便中总氮、总磷负荷对耕地造成的威胁不大，表现为稍有污染。这是全省畜禽粪便污染的平均情况，但河南省是畜禽养殖业大省，集约化养殖产生的粪便对局部污染更大，对于畜禽养殖地区的粪便应进行科学地管理。贠超等[29]的研究结果表明，目前，河南省畜禽养殖粪污处理配套率为65%～67%，畜禽粪污综合利用率达到86%，畜禽粪便COD和氨氮排量低于河南省有关环保部门的要求。

从全省畜禽粪便污染的角度分析，畜禽粪便对耕地造成的危害不大。但不同地区畜禽养殖量和耕地面积差异很大，因此，畜禽粪便对耕地造成污染的差异也很大。从畜禽粪便对不同地区耕地污染的平均值分析，近10年平顶山、鹤壁、许昌和漯河等市的畜禽粪便对耕地造成的威胁较大，但2017年平顶山和许昌的污染风险指数已降为Ⅱ级；鹤壁和漯河的污染风险指数很大，且鹤壁的预警级别为Ⅲ级，居调查的城市首位。未来鹤壁和漯河的有效耕地面积呈减少趋势，这2个地区风险指数大，因此得出鹤壁和漯河畜禽粪便对耕地造成的威胁较大的结论。现在大部分畜禽养殖已经规模化，畜禽养殖地区能产生大量的畜禽粪便[30]，未经科学处理的畜禽粪便直接排放至农田，会导致硝酸盐、磷等物质在耕地中不断累积，对局部耕地造成的危害更大[31]，因此，建议鹤壁和漯河要加强畜禽养殖地区粪便的科学管理。

图4 河南省各市2008、2017、2025与2030年畜禽粪便的污染风险指数和分级Fig.4 Pollution risk index and grading of livestock and poultry manure of different cities in Henan Province in 2008, 2017, 2025 and 2030

基于近10年的畜禽养殖数量，预测未来河南省猪的养殖量增长较快，通过计算全省的畜禽粪便产生量、猪粪当量以及污染物产生量，预计到2025 和2030年，河南省的畜禽粪便产生的污染与2017年的差异不显著，但随着城市化进程的加快，未来河南省的耕地面积会在一定程度上减小。因此，预测认为应调整畜禽养殖结构，适当减少猪的养殖量，或者能够从根源上有效防止未来畜禽粪便对耕地造成的威胁。不同地区未来畜禽养殖量的差异很大，预计未来河南省西部和南部地区的耕地污染预警级别相对降低，郑州、鹤壁、焦作和南阳的污染风险指数呈下降趋势，而开封、濮阳、漯河、周口以及济源的污染风险指数呈增加趋势。到2030年，预计开封、濮阳和漯河的畜禽粪便负荷预警等级将达到Ⅲ级，因此，需加强这3个地区畜禽粪便污染的重点防控。猪的养殖量显著增加使得开封、濮阳和漯河的畜禽粪便污染增加较快，因此，在未来，开封、濮阳和漯河猪的养殖规模应当缩小，以防止畜禽粪便对耕地造成污染。