黑龙江省畜牧业粪污的时空分布及集聚特征分析

董依博，张武鑫，林秀蔚，韦春波

（1.黑龙江八一农垦大学动物科技学院/农业农村部东北平原农业绿色低碳重点实验室，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

董依博，张武鑫，林秀蔚，等.黑龙江省畜牧业粪污的时空分布及集聚特征分析［J］.畜牧与饲料科学，2023，44（2）：1-8.

近年来，我国畜牧业发展迅速，黑龙江省作为我国畜牧业大省，在散养户退出、规模化水平提升的影响下，畜禽养殖规模和结构不断扩大和优化［1］。但畜禽养殖业产生的大量粪污和温室气体，对畜禽和周边居民健康造成一定危害。畜禽粪污量越来越大，一旦处置不当，将会超过土地的承载力，给生态环境带来潜在的影响和压力［2］，极易造成土壤、水和空气的污染。因此，2020 年6 月我国农业农村部办公厅、生态环境部办公厅联合印发《关于进一步明确畜禽粪污还田利用要求强化养殖污染监管的通知》［3］。畜牧业作为重要的温室气体排放源之一，如何控制畜牧生产粪污排放量直接影响我国“30·60”双碳目标的实现。为积极响应这一目标，黑龙江省委、省政府2022 年也印发了《中共黑龙江省委 黑龙江省人民政府关于完整准确全面贯彻新发展理念 做好碳达峰碳中和工作的实施意见》。

关于如何减少畜禽粪污对环境的污染，估算和分析畜禽粪污产生量，国内外已开展了诸多研究。荷兰科学家Oenema［4］、Dijkstra 等［5］，我国石晓晓等［6］、郭冬生等［7］针对减少畜禽粪污的排放量以及提升资源化利用水平提出了工农结合、养分还田、健康养殖等方法。此外，我国张建杰等［8］和张靖雨等［9］在畜禽粪污的空间分布上开展了研究。朱丽梅等［10］对黑龙江省2016 年畜禽粪污土地承载力进行了分析；王爽等［11］通过对黑龙江省耕地承载力进行研究分析发现，畜禽饲养量和粪便排泄量的空间分布非常不均衡。由于养殖结构和粪便污染处理系统的不同，不同地区、不同时期畜禽粪便对环境造成的污染也有差异。鉴于此，亟须对黑龙江省全省及各个地区的畜禽粪便、尿液及其污染物的排放量及分布特点进行深入研究，为黑龙江省畜牧业的可持续健康发展提供坚实的理论基础。

1 数据来源

畜禽饲养量直接决定了养殖粪污排放量［12］。该研究数据来自《黑龙江省统计年鉴》，数据截至2020 年末［13］。调查范围包括绥化市、大庆市、哈尔滨市、齐齐哈尔市、牡丹江市、佳木斯市、双鸭山市、鸡西市、鹤岗市、黑河市、伊春市、七台河市、大兴安岭地区共13 个地区，主要调查猪、羊、家禽、奶牛、黄牛和肉牛的饲养量（见表1）。不同畜禽种类养殖周期存在一定差异，为此，该研究选取不同的参数：黑龙江省养殖的牛主要有奶牛、黄牛和肉牛，生长周期为一年以上，因此，以年末的总存栏数为该年度的饲养数量；猪、羊、家禽的生长周期一般不足一年（猪的平均养殖周期为199 d；羊的饲养周期为180 d；黑龙江省家禽养殖以肉蛋兼用型的地方品种为主，家禽饲养周期为80 d），因此，以当年的出栏量为饲养量。

表1 2009—2020 年黑龙江省畜禽饲养量 单位：万头（只）

2 研究分析

2.1 计算参数

该研究应用的畜禽粪污概念与以往的畜禽粪污概念不同，以往的畜禽粪污包括养殖生产过程中畜禽排放的粪便和尿液、废弃垫料、饲料剩余物、污水等［14］。为了便于数据的统计分析，在总结前人研究成果的基础上，该研究将畜禽排放的粪便和尿液单独列出，确定畜禽粪污为养殖过程中主要种类畜禽排放的粪便和尿液以及其中的污染物。该研究估算的畜禽粪尿污染物包括：生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、氨态氮（NH3-N）。猪、羊、家禽、黄牛及肉牛的粪尿排泄系数来源于石晓晓等［6］的研究，奶牛的粪尿排放系数参考王琳 等［15］的 研 究，BOD、COD、NH3-N 来 源 于 王 爽等［11］的研究，同时，参考生态环境部和有关研究机构推荐的估算系数（见表2）。

表2 畜禽养殖中粪污的排放系数

BOD：通过微生物降解有机物所需的溶氧量。它反映了水体中的有机污染物含量的综合指标。当数值较高时，表明水体中有机物含量较高，污染程度较大。

COD：在一定条件下，使用一定的强氧化剂对水样进行处理时所需的氧化剂量。这是一种反映水中还原性物质含量的指标。

NH3-N：是水（粪尿）中氨氮含量指标。

2.2 计算公式

根据基础数据和计算参数的确定，该研究采用的指标计算方法如下：畜禽粪便产生量=畜禽养殖数量 （万头或万只）×日排泄系数 ［kg/（d·头或只）］×畜禽饲养周期（d）；畜禽尿液产生量=畜禽养殖数量（万头或万只）×日排泄系数［kg/（d·头或只）］×畜禽饲养周期（d）；畜禽粪便污染物（BOD、COD、NH3-N）产生量=畜禽养殖数量（万头或万只）×年排泄系数［kg/（年·头或只）］；畜禽粪尿耕地负荷量=畜禽粪尿猪粪当量（万t）/耕地面积（万hm2）。

3 结果与分析

3.1 黑龙江省畜禽粪污产生量的变化

对黑龙江省畜禽粪污排放量计算选取的畜禽种类为黄牛和肉牛、奶牛、猪、羊和家禽。根据不同种类畜禽的饲养量以及相应指标的计算公式，计算得出黑龙江省2009—2020 年畜禽粪污的排放量，结果见表3 及图1、图2。

由表3 可以看出，不同畜禽的粪尿排放量差异较大，黄牛和肉牛的粪尿排放量最多，平均年排放量为4 953.13 万t，占平均总排放量的47.30%；平均年排放量最小的是家禽，仅占平均总排放量的1.43%。不同畜禽粪尿平均年排放量的排序为黄牛及肉牛>奶牛>猪>羊>家禽；粪尿中污染物平均年排放量的大小排序为COD>BOD>NH3-N。

表3 2009—2020 年黑龙江省畜禽粪污产生量 单位：万t

运用Excel 软件中的总体标准偏差函数和均值函数计算变异系数，利用变异系数评价黑龙江省畜禽粪尿总排放量变化幅度，其变异系数为4.20%，表明数据有一定的波动但年际变化幅度不大（见图1）；粪尿总量由2009 年的10 566.65 万t下降到2020 年的10 264.43 万t，下降了2.86%。由于畜禽粪尿污染物排放量与畜禽养殖数量和年产生量有关，与2009 年相比，2020 年的畜牧生产结构及规模出现变动，所以BOD、COD、NH3-N 产生量都有所增加 （见图2），分别增加了3.67%、2.72%、2.31%。

图1 2009—2020 年黑龙江省畜禽粪尿产生量变化情况

图2 2009—2020 年黑龙江省畜禽粪尿污染物产生量变化情况

3.2 黑龙江省主要畜禽养殖区域分布

黑龙江省区域内，绥化市、哈尔滨市和齐齐哈尔市为畜禽养殖主要集中地。以2019 年的数据为例，黑龙江省13 个地区畜禽饲养量差异明显。如表4 所示，在空间上，黑龙江省呈现西南地区（绥化市、哈尔滨市、齐齐哈尔市和大庆市）畜禽饲养量高，东部（佳木斯市、双鸭山市、鸡西市和牡丹江市）、中部（伊春市、鹤岗市和七台河市）及北部（黑河市和大兴安岭地区）地区畜禽养殖量低的特点。黑龙江省不同地区畜牧业发展不均衡，地理位置、产业结构等方面的差异是主要因素。

表4 2019 年黑龙江省不同地区的畜禽饲养量 单位：万头（只）

3.3 黑龙江省不同地区畜禽粪尿产生量及耕地负荷量

由于黑龙江省不同区域养殖结构存在差异，其畜禽粪尿的产生量和粪尿中污染物排放量也随空间分布出现差异性［16］。该研究选取2019 年数据，对黑龙江省13 个地区畜禽粪尿排放量进行估算。为便于对不同地区畜禽粪尿排泄量的密度进行观察和探究，该研究采用猪粪当量耕地负荷量的计算方法，即畜禽粪尿猪粪当量与耕地面积的比值。单位耕地畜禽粪尿负荷量只是畜禽粪尿量与耕地面积的单一比值，但除耕地外，草地和林地还会消纳部分粪便。大兴安岭地区等地以森林草原为主，该地区的牛、羊主要以山区自由放牧和自由采食为主，以舍饲补饲为辅。因此，并非所有排泄物都进入耕地，也有一些畜禽粪尿排入山区和森林，每个地区都有很大一部分畜禽粪尿流失，耕地上种植的作物类型也会影响畜禽粪尿的消耗。该研究仅对单位耕地面积的畜禽粪尿负荷量进行计算，因此，实际畜禽粪尿负荷量小于该研究的估算值。

按照1 头牛=13.55 头当量猪，1 只羊=1.26 头当量猪，1 只家禽=0.06 头当量猪［17］，通过对黑龙江省各地区猪粪当量以及猪粪当量土地负荷量的计算，分析黑龙江省畜禽粪污猪粪当量负荷量的空间分布特征。黑龙江省2019 年各地区的畜禽粪尿排泄量以及猪粪当量负荷量见表5。

由表5 可知，2019 年黑龙江省猪粪当量比实际粪尿排放量多，因为黑龙江省牛的饲养量较多。各地区畜禽粪尿排泄量与畜禽粪尿猪粪当量排列顺序大致相同，从大到小依次为绥化市＞齐齐哈尔市＞哈尔滨市＞大庆市＞黑河市＞佳木斯市＞牡丹江市＞鸡西市＞双鸭山市＞伊春市＞鹤岗市＞七台河市＞大兴安岭地区，主要原因是每个地区饲养的牲畜和家禽数量不同。由于绥化市、齐齐哈尔市、哈尔滨市为肉牛、奶牛以及猪的主要养殖地区，畜禽粪尿排泄量较大；而鹤岗市、七台河市、大兴安岭地区非畜牧发展的重要地区，畜禽粪尿排泄量较小。

表5 2019 年黑龙江省不同地区畜禽粪尿产生量及耕地负荷量

根据计算结果，2019 年黑龙江省猪粪当量耕地负荷量平均值为8.21 t/hm2，远小于我国土地最适宜负荷量30 t/hm2［18］。各地区猪粪当量耕地负荷量的顺序为：大庆市＞绥化市＞牡丹江市＞齐齐哈尔市＞哈尔滨市＞伊春市＞七台河市＞黑河市＞佳木斯市＞大兴安岭地区＞鸡西市＞鹤岗市＞双鸭山市。大庆市的单位耕地面积猪粪当量耕地负荷量最高，为22.58 t/hm2，比最小的双鸭山市高8 倍左右，说明不同区域之间畜禽粪尿排放量差异较大，且分布不均衡。

3.4 黑龙江省畜禽粪污的集聚特征

根据2019 年黑龙江省不同地区猪粪当量耕地负荷量的计算结果，运用ArcGIS 软件，采用空间自相关法对该省畜禽粪污量空间集聚特征进行分析。空间自相关是指同一变量在不同空间位置上的相互关系，通过对属性信息进行分析，确定其与邻近单位的属性间的相似性［19］。该研究首先进行全局空间自相关分析，得到Moran I 指数为0.128 954、z 得分为2.813 897、P 值为0.004 894。由于Moran I 指数大于0、Z 得分大于2.58、P 值小于0.01，故可得出黑龙江省畜禽粪污量分布具有一定的空间集聚性。进一步进行局部自相关分析，将ArcGIS 软件局部自相关分析结果绘制成表，使得结果更加直观。

由于畜禽饲养密度和种类分布不同，各地区的畜禽粪尿及其污染物排泄量也有很大差异。如表6 所示，各地区的猪粪当量耕地负荷量呈现一定的集聚性，其中，大庆市、绥化市和齐齐哈尔市呈现出高高集聚的分布特征。

表6 2019 年黑龙江省各地区畜禽粪污量空间集聚特征分析结果

4 结论与建议

在空间上，黑龙江省的畜牧业发展以绥化市、哈尔滨市和齐齐哈尔市为重点，主要养殖区域集中在该省西南地区，而东部、中部和北部地区的畜禽养殖量较低。黑龙江省城市在地形、温度和降雨量方面存在差异，不同地区适合不同种类的家畜和家禽生长［20］。黑龙江省畜禽粪尿总排放量有一定的波动但年际变化幅度不大；各地区的猪粪当量耕地负荷量呈现一定的集聚性，其中，大庆市、绥化市和齐齐哈尔市呈现出高高集聚的分布特征；2019 年黑龙江省单位耕地面积猪粪当量耕地负荷量平均值为8.21 t/hm2；黑龙江省畜禽生产和粪便排放的空间分布极不平衡，但畜禽粪便的耕地负荷并未对环境产生不利影响。

目前，黑龙江省单位耕地面积畜禽猪粪当量耕地负荷量远低于我国最适宜的土地负荷，对环境没有不良影响。然而，随着黑龙江省畜牧业的快速发展，畜禽污染问题也应引起重视。今后应依靠先进的科学理论、知识和技术，有效降低畜牧业粪污对环境造成的负面影响。同时，应优化生产布局和区域养殖协同管理，控制畜禽粪便污染，降低环境风险，实现畜禽粪便的资源化利用。