亮子河流域农地对散养密集型畜禽养殖的承载力研究

王 辉, 赵莹莹, 王留锁, 高殊净,王英刚*, 吴 昊, 王晓旭, 罗 庆

(1. 沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;2. 辽宁省生态环境保护科技中心 流域研究所, 辽宁 沈阳 110161)

随着我国经济的发展及人民生活水平的不断提高,人们对畜禽产品的需求也日益增加,特别是对肉类、蛋类的需求已经达到改革开放前的3倍以上,这促进了畜禽养殖业的迅速发展。家庭分散养殖成为农村产业发展的重要支柱之一[1-2],在农村区域形成了散养密集区。散养密集区是指以家庭分散养殖为主要养殖模式、以畜禽养殖设施或者场所与居民生活区混杂为主要特点、在一定范围内从事以销售为目的的畜禽养殖活动的区域,区域内养殖户3家以上、单户养殖数量低于规模化养殖场数量标准、总体养殖规模较大[3-4]。

畜禽养殖场的畜禽粪便废水是一种高浓度有机废水,富含N、P等营养物质的同时,还含有硫化氢、酚类、醇类、抗生素、激素、胺类、酰胺类和吲哚等有机物[5],这些物质会污染地表水和地下水,并对人体的健康产生负面影响[6]。畜禽养殖业使用的饲料含有较多Zn、Cu、Fe、As、Cd、Mn等元素,这些物质随着粪污进入土壤后,会破坏土壤结构,影响作物的正常生长,进而威胁人类的健康[7]。而散养密集区的管理不规范、畜禽散养户较多而且环保意识不强、相应的环境治理措施不完善,极易滋生蚊蝇等害虫,对周围环境造成污染[8-10]。亮子河流域是辽宁省畜禽散养户集中的区域,沿岸散养密集区的畜禽养殖污染已成为流域水环境的重要污染源,其污染排放量占亮子河流域总排放量的90%以上,已导致亮子河污染日益严重,急需开展相关的研究。

本研究以亮子河流域畜禽散养密集区为研究对象,在对畜禽散养密集区畜禽养殖数量进行调查的基础上,开展关于畜禽粪便负荷量、畜禽承载力预警值、畜禽养殖最大承载量的研究,并进行散养密集区土地畜禽养殖承载力评价,为改善流域环境质量、加强环境管理提供依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

亮子河是辽河一级支流,发源于辽宁省铁岭市昌图县泉头镇,流经通江口镇后跨界进入铁岭市开原市境内,并在后施堡汇入辽河。河流全长106 km,流域面积565.8 km2,流域主要涉及8个乡镇:昌图县内泉头镇、昌图镇、老城镇、亮中桥镇、通江口镇、大兴镇和开原市内八宝镇、庆云堡镇等。

畜禽养殖特别是家庭分散养殖在亮子河流域占有重要的地位,已成为该地区农村区域经济的重要增长点和农民增收的主导产业。同时由于家庭分散养殖分布相对分散、管理水平落后、治理难度大,导致亮子河流域成为辽宁省畜禽养殖富营养化物质流失量最大的区域之一[11]。流域内农村畜禽养殖散户化学需氧量和氨氮排放量分别为392.60和21.61 t·a-1。畜禽粪便及污水未经任何处理直接排放到环境中,在降水和灌溉等过程的影响下会随地表径流迁移,严重污染了地表水、地下水和土壤,使河流水质恶化,使生态环境质量降低,成为昌图县和开原市的主要污染源[12-13]。

1.2 现状调查

在2019年7—9月期间,对亮子河流域涉及的8个镇125个村开展畜禽散养密集区畜禽养殖现状调查,对区域内猪、牛、羊、马、骡、鸡、鸭、鹅的饲养情况进行了调研和统计。由于不同地区的畜禽种类和数量之间存在着较大的差异,为便于统计和比较,根据不同种类畜禽粪尿的日排放量和总氮(TN)质量分数[14-17](表1),以猪每日产生的TN量为基础,通过计算其余畜禽种类每日产生的TN量与猪的比值,把各种不同畜禽转化为畜禽猪当量。同时对各个镇农地面积进行统计,八宝镇、大兴镇、庆云堡镇、泉头镇、昌图镇、老城镇、通江口镇和亮中桥镇耕地面积分别为6 667、5 133、7 333、4 000、6 400、7 333、5 840和11 600 hm2。

表1 畜禽粪尿日排放量和畜禽粪尿中TN质量分数Table 1 Daily discharge of animal manure and urine and mass fraction of TN in animal manure and urine

1.3 畜禽承载力研究

畜禽环境承载能力是环境系统对畜禽养殖系统的负荷能力,是区域自然环境在一定时期、条件下畜禽养殖环境系统的承载能力,是该地区可以继续支持的牲畜和家禽养殖的最大数量[18-19]。畜禽环境承载能力的计算主要包括养分平衡法[20]、灰色建模法[21]、系统分析法[22]、系统动力学法[23-25]和大系统理论与层次分析法相结合[26-27]等方法。与后4种方法相比,养分平衡法考虑了农田种植的养分输出和畜禽粪便的养分输入之间的关系,对该地区可以继续支持最大数量的牲畜进行了计算,该方法相对简便,结果客观,便于推广应用,因此,本文选择养分平衡法从土地畜禽粪便负荷量、畜禽承载力预警值、畜禽养殖最大承载量3方面对亮子河流域畜禽散养密集区土地畜禽粪便承载力进行计算和分析。

1.3.1 畜禽粪便负荷量

畜禽粪便负荷量指单位面积农地所负荷的畜禽粪便量,可通过式(1)进行计算[28],

(1)

式中:q为农地畜禽粪便负荷量,t·hm-2;M为畜禽粪便年排泄量,t;S为粪便有效消纳面积,hm2;L为畜禽粪便流失率,通常畜禽粪便流失率为30%～40%[29],本研究取流失率为30%。

在实际畜禽饲养过程中,畜禽存栏量是一个不断变化的值,但为了便于研究,本文中把畜禽存栏量看作一个相对稳定的值,则畜禽粪便年排泄量M的计算公式为

(2)

式中:Q为畜禽养殖量,头或只;C1为畜禽粪尿的日排放量(见表1),kg·d-1。

1.3.2 土地畜禽承载力预警值

土地畜禽粪便承载力预警值的计算公式如下:

式中:r为农地畜禽粪便承载力预警值;P为以猪粪当量计的农地畜禽粪便最大负荷量,t·hm-2。

农地畜禽粪便最大负荷量P可以通过作物所需畜禽粪便最大氮量进行计算,

(3)

式中:Nmax为作物所需畜禽粪便最大供氮质量分数,t·hm-2;K为猪粪含氮质量分数,%;V为粪肥氮的利用率,取60%。亮子河流域水田主要用于种植水稻,而旱田主要以玉米为主,因此选择水稻和玉米作为水田和旱田的种植作物来计算作物所需畜禽粪便最大供氮量,其中单位面积水稻和玉米的全年需氮量为113.8和120.0 kg·hm-2[18,30]。

经实地调查及相关文献整理,以亮子河流域畜禽散养户的畜禽养殖出栏量占畜禽养殖出栏总量的50%计,对文献中畜禽粪便承载力预警值分级标准进行调整[28-29],即:当r<0.20,污染级别为Ⅰ,污染程度为无;当0.20≤r<0.35,污染级别为Ⅱ,污染程度为稍有;当0.35≤r<0.50,污染级别为Ⅲ,污染程度为有;r≥0.5,污染级别为Ⅳ,污染程度为严重。

1.3.3 畜禽养殖环境容量

畜禽养殖环境容量是指在一定区域范围内,在环境允许范围内的最大畜禽养殖数量,是该地区农地畜禽养殖容量的最大值,为便于不同种类畜禽养殖间的相关比较,这里采用畜禽猪当量进行计算。畜禽养殖环境容量,即农地畜禽最大承载量Qmax的计算公式如下[30]:

(4)

式中:Qmax为畜禽养殖环境容量,头;0.4为铁岭市有机粪肥占总施用粪肥的比例;C2为1头猪年粪尿排泄量,kg。

2 结果与讨论

2.1 现状分析

于2019年7—9月期间对亮子河流域畜禽散养密集区猪、牛、羊、马、骡、鸡、鸭、鹅的饲养情况进行了调研,其畜禽饲养情况见图1。从图1中可以看出,亮子河流域畜禽散养密集区畜禽饲养数量为80.83万头,其中饲养数量最多为肉鸡、猪和蛋鸡,马、驴、骡的数量较少,可以忽略不计。不同镇的畜禽饲养情况差异显著,其中庆云堡镇畜禽数量最多(15.27万头),通江口镇和老城镇次之(13.97和11.23万头),而亮中桥镇畜禽数量最少(8.19万头)。不同畜禽养殖种类的分布情况也存在较大的差异,猪养殖主要集中在老城镇、亮中桥和大兴镇,其饲养量占到流域的51.78%;牛养殖主要集中在亮中桥镇和大兴镇,占流域的55.73%;羊养殖主要集中在通江口镇、八宝镇和亮中桥镇,占流域的53.46%;蛋鸡养殖主要集中在老城镇和大兴镇,占流域的55.95%,而肉鸡和鸭养殖主要集中在庆云堡镇和通江口镇,分别占流域的55.39%和63.55%。

图1 亮子河流域畜禽散养密集区养殖情况Fig.1 Livestock and poultry farming in the densely-raised area of Liangzi River Basin

由于不同畜禽种类和数量在各镇间存在显著差异,因此,依据不同种类畜禽每日产生的粪尿TN质量分数,把各种不同畜禽的养殖量转化为统一的猪当量以便于比较研究,转化后的猪当量由高到低排序为亮中桥镇(15.11万头)、大兴镇(11.65万头)、老城镇(9.78万头)、通江口镇(7.08万头)、昌图镇(6.48万头)、八宝镇(3.65万头)、庆云堡镇(3.62万头)、泉头镇(2.92万头)。畜禽散养密集区主要集中在亮子河流域的中游。亮子河流域散养密集区畜禽猪当量为59.99万头,不同镇间猪当量差异显著,亮中桥镇猪当量最大,为猪当量最小的泉头镇的5.18倍。

2.2 畜禽承载力

2.2.1 土地畜禽粪便负荷量

使用式(1)和式(2)对亮子河流域畜禽散养密集区土地畜禽粪便负荷量进行了计算,结果见图2。各镇畜禽粪便年产量差异显著,由高到底依次为亮中桥镇、大兴镇、老城镇、通江口镇、昌图镇、八宝镇、庆云堡镇、泉头镇,其中亮中桥镇最高,为16.17万t,泉头镇最少,为3.12万t,其排列顺序与猪当量排列顺序一致。

图2 亮子河流域畜禽散养密集区年粪尿产量和畜禽粪便负荷量Fig.2 Annual manure and urine output and manure load of livestock and poultry in the densely-raised livestock and poultry areas in Liangzi River Basin

土地畜禽粪便负荷量受年粪尿产量影响的同时还取决于农地面积,因此各镇的畜禽粪便负荷量由大到小依次为大兴镇、老城镇、亮中桥镇、通江口镇、昌图镇、泉头镇、八宝镇、庆云堡镇,其中负荷量最大的大兴镇(17.01 t·hm-2)为最少的庆云堡镇(3.70 t·hm-2)的4.60倍。大兴镇畜禽猪当量较高且农地面积较小有关,而庆云堡镇主要以鸡、鸭养殖为主,折算猪当量的畜禽粪便量相对较少,且其可以承受畜禽粪便量的农田耕地面积较大,所以大兴镇的农地畜禽粪便负荷量较大,土壤压力较大,而庆云堡镇农地畜禽粪便负荷量最小。

2.2.2 农地畜禽粪便承载力的风险评价

使用式(3)对农地畜禽粪便最大负荷量P进行计算,亮子河流域农地畜禽粪便最大负荷量P平均值为3.89 t·hm-2,各镇的差异较小。其中大兴镇、通江口镇、昌图镇和泉头镇农地主要以旱田为主,水田的面积可以忽略不计,而以玉米为代表的旱田的全年需氮量略大于水田[12,28],所以这4个镇的P值相同,均为39.22,且大于其他镇。庆云堡镇的P值最小,为37.84,按照P的大小与农地中水田所占比例成反比,排序如下:P大兴镇=P通江口镇=P昌图镇=P泉头镇>P亮中桥镇>P老城镇>P八宝镇>P庆云堡镇。

土地畜禽粪便承载力预警值计算结果表明,亮子河流域总的土地畜禽粪便承载力预警值0.21,污染级别为Ⅱ级,已对环境产生影响,各镇的情况差异显著,其中庆云堡镇(0.10)、八宝镇(0.11)、昌图镇(0.18)、泉头镇(0.14)的预警值在0.20以下,其污染级别为Ⅰ级,未对环境产生显著的影响;老城镇(0.26)、亮中桥镇(0.25)、通江口镇(0.23)的预警值在0.20～0.35之间,污染级别为Ⅱ级,已对环境产生影响;大兴镇预警值(0.43)在0.35～0.50之间,其污染级别为Ⅲ级,已对环境产生显著的影响。亮子河流域总体上已经超过环境安全的范围,应加强畜禽粪污处理设施的建设,对于老城镇、亮中桥镇、通江口镇应当加强管理,而对于超标严重的大兴镇应该限制其畜禽养殖业的发展,以免对环境造成更加严重的影响,对居民生活造成危害。

2.2.3 畜禽养殖环境容量

畜禽养殖环境容量受到农地种植作物种类、农地面积、有机粪肥施用比例、密集散养区畜禽养殖数量占畜禽养殖总数比例的影响,依据式(4),计算亮子河流域散养密集区畜禽散养环境容量Qmax,如图3。

图3 亮子河流域散养密集区畜禽养殖环境容量Fig.3 Environmental capacity of livestock and poultry breeding in intensive free-range areas in Liangzi River Basin

从图3中可以看出,亮中桥镇畜禽散养环境容量最大,为12.59万头,泉头镇最小,为4.35万头,是亮中桥镇的34.56%。这主要受到各镇农地面积的影响,虽然泉头镇农地畜禽粪便最大负荷量略大于亮中桥镇,但泉头镇农地面积为亮中桥镇的34.48%,因此泉头镇畜禽散养环境容量远远小于亮中桥镇。与亮子河流域散养密集区畜禽散养数量进行比较可以看出,大兴镇、亮中桥镇、老城镇和通江口镇超过畜禽养殖环境容量,大兴镇超标最严重,超标108.68%。因此,需限制畜禽养殖业在大兴镇、亮中桥镇、老城镇和通江口镇的过分发展,加强畜禽粪污处理设施的建设,而八宝镇和庆云堡镇的畜禽养殖业存在一定的发展空间,可以进一步扩大其养殖规模。

3 结 论

1) 亮子河流域畜禽散养密集区畜禽饲养数量为80.83万头,其以肉鸡、猪和蛋鸡养殖为主。不同镇间猪当量数量差异显著,由大到小依次为亮中桥镇、大兴镇、老城镇、通江口镇、昌图镇、八宝镇、庆云堡镇、泉头镇。

2) 各镇畜禽粪便年产量与猪当量成正比,而畜禽粪便负荷量受到消纳面积的影响,由大到小依次为大兴镇、老城镇、亮中桥镇、通江口镇、昌图镇、泉头镇、八宝镇、庆云堡镇。

3) 畜禽粪便承载力的风险评价和畜禽养殖环境容量结果显示,大兴镇、亮中桥镇、老城镇和通江口镇超过畜禽养殖环境容量,对环境已经产生不同程度的污染,特别是大兴镇超标最严重,需对其加强环境管理。