贵州畜禽养殖污染负荷预警研究*

田文勇，毛昆，张翊红，吴蔓，陈玉

(1. 铜仁学院经济管理学院,贵州铜仁,554300; 2. 铜仁学院乡村振兴中心,贵州铜仁,554300; 3. 贵州财经大学管理科学与工程学院,贵阳市,550025)

0 引言

近年来,随着我国农业产业结构调整,畜禽养殖业逐渐成了广大农村地区农民创业增收的有效途径,但畜禽养殖数量的增多导致的畜禽污染问题也愈发严重。据《第二次全国污染源普查公报(2020)》,畜禽养殖产生的化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)分别为10 005.3 kt、596.3 kt、119.7 kt,占农业源的比重分别为94%、42%和56%[1],表明畜禽养殖业所带来的污染已经严重威胁到生态环境。

畜禽养殖污染对环境承载力负荷的风险评估是衡量当地畜禽养殖污染是否严重的一种指标。相关学者大多数采用排污系数法来估算畜禽污染物的排放量,如董红敏[2]、周天墨[3]等分析了畜禽养殖业产污系数和排污系数计算方法;龚世飞等[4]则运用污染负荷估算法估算了丹江口库区农业面源污染量,发现畜禽污染仍是该区域主要的污染源;黄鑫等[5]核算了辽河流域畜禽粪便对农田的承载力,发现畜禽粪便已经对部分县域的农田造成了污染;而郭姗姗[6]、郝守宁[7]、于娜[8]、豆志杰[9]、周芳[10]等运用上述方法分别对四川、林芝、山东、吉林、西藏等地的畜禽污染进行估算并分析了污染对环境的影响。除此之外,也有学者运用其他方法对区域养殖污染负荷进行研究,如运用环境库兹列兹曲线[11]、GIS[12]、AnnAGNPS模型[13]等。

上述研究为本研究提供了很好的借鉴,但是这些研究主要集中在畜牧业发达或养殖占比较大的区域,且存在养殖污染负荷预警研究不系统等缺陷。因此,针对现有研究之不足,本文将以贵州省畜禽养殖污染为研究对象,运用排污系数法、土地承载方法对贵州省及各市州畜禽养殖污染负荷预警进行研究,探讨贵州省各市州畜禽养殖对农田环境造成的污染风险,对如何治理畜禽养殖污染提出对策建议。

1 贵州畜禽养殖污染负荷估算数据来源及指标选取

1.1 畜禽饲养量及饲养周期

本研究选取的畜禽养殖饲养量数据来源于2007—2021年《贵州统计年鉴》《贵阳统计年鉴》《遵义统计年鉴》《六盘水统计年鉴》《安顺统计年鉴》《毕节市国民经济与社会发展统计公报》《铜仁统计年鉴》《黔西南州国民经济与社会发展统计公报》《黔东南州统计年鉴》《黔南州国民经济与社会发展统计公报》。

由于大部分学者对畜禽养殖饲养周期、存/出栏量数据选取有较大差异,本研究将根据贵州省实况,参考刘晓永等[14]研究确定贵州省畜禽饲养周期,分别是:(1)贵州省的猪饲养周期一般小于一年,且在养殖期间猪也会产生污染物,因此饲养周期为180天,饲养量为出栏量;(2)牛、羊的饲养周期较长,饲养周期估算为365天,饲养量为当年存栏量;(3)家禽由于贵州省各市州年鉴中基本以出栏量为基准,且家禽包含种类较多,故本研究对于家禽的饲养周期估算为68天,饲养量为出栏量,2007—2020年贵州省各市州畜禽平均饲养量见表1。

表1 2007—2020年贵州省各市州畜禽平均饲养量Tab. 1 Livestock and poultry production of different cities and prefectures in Guizhou Province from 2007 to 2020

1.2 农业土地基本情况

贵州省的地形地貌以山地、丘陵为主,平原地区较少,一直以来被称为“八山一水一分田”,贵州农业土地面积主要由旱地、林地、园地、水田、菜地等组成,其中旱地、水田、菜地在《贵州统计年鉴》中划分为常用耕地面积,且主要种植人们日常食用的粮食作物,种植时会进行粪尿灌溉,这不仅可以减少化肥的使用,降低成本,还可以消纳溶解畜禽所带来的粪尿污染,由此表明畜禽养殖污染对旱地、水田、菜地存在污染风险。而园地、林地基本不用粪尿灌溉,所以园地、林地面积将不予计算,因此本研究所采用的农业土地数据为《贵州统计年鉴》及各市州统计年鉴所公布的农业常用耕地面积。

在对《贵州统计年鉴》数据进行分析时,发现贵州省从2007—2020年各个市州农业常用耕地面积变化基本不大,故本研究涉及的各市州农业常用耕地面积数据取其历年均值,见表2。

表2 贵州各市州农业常用耕地面积平均值Tab. 2 Average area of agricultural commonly used cultivated land in various cities and prefectures of Guizhou Province

1.3 畜禽粪便排泄系数及污染物含量

1) 畜禽粪便排泄系数。畜禽粪便排泄系数主要是根据猪、牛、羊、家禽饲养方式来确定的,由于种类、生理结构、所喂食的饲料、体型的轻重不同,其排泄系数也不同。因此本研究涉及的畜禽养殖日排泄系数采用《全国畜禽养殖业粪便污染监测核算方法与产排污系数手册》[15]及其景栋林等[16]相关文献推荐的估算系数,并基于贵州的实际情况估算,见表3。

表3 畜禽粪便污染排泄系数表Tab. 3 Pollution and excretion coefficients of livestock and poultry feces

2) 畜禽污染物含量。在进行文献梳理时发现畜禽粪便所含有的污染物N、P、K等污染元素含量较稳定,本研究以国家环境保护总局[17]推荐的数据为主,并参考景栋林等[16]推荐的畜禽粪便污染物含量及其流失率百分比,见表4。

表4 畜禽粪便污染物含量及其流失率Tab. 4 Pollutant content and loss rate of livestock and poultry feces

2 贵州畜禽养殖污染估算与负荷预警研究方法

2.1 畜禽粪便量及含量、流失量计算方法

本文参考郭姗姗[6]、陈丽虹[18]等的研究方法对贵州畜禽污染物进行估算,计算公式如式(1)～式(3)所示。

Q=N×T×P×10-3

(1)

Lp=Q×Le×10-3

(2)

Vq=Lp×Vr

(3)

式中:Q——总的畜禽粪便产生量,t;

N——各类畜禽饲养量,头/只;

T——饲养周期数,d;

P——日排泄系数,kg/d;

Lp——畜禽粪便污染物产生量,t;

Le——畜禽粪便污染物含量,kg/t;

Vq——污染物流失量,t;

Vr——污染物流失率,%。

2.2 土地承载计算方法

1) 猪粪当量负荷计算方法。土地承载负荷是反映各市州土地所能承载的畜禽粪便污染负荷的一种基本现象,但本文研究的对象是猪、牛、羊、家禽,其粪便作为有机肥施入土地时,产生的效果存在差异。本文借鉴黄美玲[19]、王忙生[20]等的研究方法,将各类畜禽粪便换算成以猪粪当量进行计算,计算公式如式(4)所示。

q=Q/S=∑X×F/S

(4)

式中:q——土地承载负荷,t/hm2;

S——农业常用耕地面积,hm2;

X——畜禽粪尿量,t;

F——各类畜禽粪便以猪粪当量的换算系数。

各类畜禽粪便以猪粪当量的换算系数见表5。

2) N、P负荷计算方法。N、P负荷主要是计算出猪粪当量在1 hm2农业常用耕地面积的N、P磷负荷量,进而衡量贵州省土地污染情况。本研究将参考郭姗姗等[6]的研究方法,计算氮、磷负荷量,猪粪中N占0.65%、P占0.165%,计算公式如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中:qN——单位耕地面积氮负荷量,kg/hm2;

qP——单位耕地面积为磷负荷量,kg/hm2。

2.3 负荷预警值计算方法

对于畜禽养殖污染的土地承载计算在理论上只是为了表达出一个地方的土地面积污染负荷量,并不能完全反馈出畜禽所产生的污染是否对环境存在威胁性。因此在计算畜禽粪便土地承载负荷时,需要进行

预警值分级,计算公式如式(7)所示。

r=q/p

(7)

式中:r——当地畜禽粪便量承受程度有关的预警值;

p——单位农业常用耕地面积畜禽粪便最大施肥适宜量,t/hm2。

对于单位常用耕地面积畜禽粪便最大施肥适宜量,本文采用的是国家环境保护总局[17]推荐的1 hm2农业土地畜禽粪便负荷为30～50 t,当超过这一范围时,会导致土壤肥沃力下降,农作物产量降低,通过对贵州省各市州统计年鉴数据分析,确定本文选取的单位农业常用耕地面积畜禽最大有机肥适宜量为40 t。

由式(7)可得,当p不变时,随着q的增大,r警戒值越大,表明污染环境风险越高,预警值分级见表6。

表6 畜禽养殖污染预警值分级Tab. 6 Pollution warning levels of livestock and poultry breeding

3 贵州畜禽养殖污染估算与负荷预警结果分析

3.1 畜禽养殖粪便量分析

贵州省各市州畜禽粪便量计算结果见表7,2007—2020年各类畜禽粪尿排放量合计100 248.79 kt,其中粪合计62 569.98 kt、尿合计35 766.40 kt。

表7 2007—2020年贵州省各市州各类畜禽粪便量Tab. 7 Volume of various types of livestock and poultry manure in cities and states in Guizhou Province from 2007 to 2020 kt

通过《贵州统计年鉴》数据发现,2007—2020年贵州省的工业固体废弃物产生总量为8 1 260.75 kt,对比之下贵州省畜禽粪尿污染量是工业固体废弃物的1.23倍,污染问题比较严峻。猪、牛、羊、家禽的粪尿总量分别为16 097.82 kt、79 770.79 kt、2 467.77 kt、1 912.41 kt,分别占比16.06%、79.57%、2.46%、1.91%,从计算结果来看牛产生的粪尿最多,其次为猪、羊、家禽,羊由于饲养量较少,故畜禽粪便排放量较少,而家禽虽然饲养数量最多但是其排污系数较小因此计算出的粪便污染量最少,由此也反映出各类畜禽由于生理结构、饲养方式存在差异,产生的粪便量也会有所差异,造成的环境污染程度也不同。

3.2 畜禽粪便所含污染物产量及流失量分析

畜禽粪便所含污染物产量及流失量见表8,畜禽粪便污染物COD、BOD、NH3-N、TP、TN的排放直接影响着贵州省土地质量和水体污染情况。由表8可知,贵州省各市州畜禽粪便排放的污染物总量为5 184.87 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN排放量分别为2 349.73 kt、1 940.04 kt、225.15 kt、117.81 kt、552.14 kt,分别占比45.32%、37.42%、4.34%、2.27%、10.65%;从计算结果来看,COD、BOD的平均排放总量占比最大,表明其污染负荷量最高,而TP、TN、NH3-N平均排放总量偏小,表明污染负荷量较低。

表8 畜禽粪污所含污染物产量及流失量Tab. 8 Output and loss of pollutants in livestock and poultry manure kt

贵州省畜禽粪便污染物的流失总量为630.41 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN流失量分别为252.44 kt、170.14 kt、54.37 kt、13.96 kt、1 390.50 kt,分别占比40.04%、26.99%、8.62%、2.22%、22.13%。由此可见COD既是该区域的排放主体也是流失主体,贵州省年降水量为850～1 600 mm,属于湿润地区,加之贵州属于喀斯特地貌又地处珠江与长江上游,地下溶洞较多,地表渗透力较强,若污染物得不到有效控制而流入水中,将会对贵州的水质造成巨大破坏甚至造成“跨界污染”。

3.3 土地承载力负荷预警分析

贵州省各市州畜禽粪便土地承载负荷见表9。由表9可知,贵州省各市州猪粪当量土地负荷的均值为53.33 t/hm2,根据式(7)、表6数据估算出贵州省的猪粪当量负荷平均预警值为1.33,预警等级为Ⅳ,属于污染较大。

表9 2007—2020年贵州省各市州畜禽粪便土地承载负荷Tab. 9 Land load bearing capacity of livestock and poultry manure in various cities and prefectures in Guizhou Province from 2007 to 2020

其中贵阳市、六盘水市、遵义市、安顺市、毕节市、铜仁市、黔西南州、黔东南州、黔南州的预警值分别为0.39、1.40、1.10、1.93、1.08、1.54、1.53、1.47、1.56,预警等级分别为:Ⅰ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ,对应的污染情况分别为:无污染、污染较大、污染较大、污染严重、污染较大、污染严重、污染严重、污染较大、污染严重;各市州猪粪当量土地承载负荷位于15.42～77.13 t/hm2之间,污染严重程度依次为安顺市>黔南州>铜仁市>黔西南州>黔东南州>六盘水市>遵义市>毕节市>贵阳市。

欧盟的农业政策规定投入农田的N、P污染指标不得超过170 kg/hm2、40 kg/hm2[21],由表9可知,贵州省N、P负荷的平均值分别为346.66 kg/hm2、88.00 kg/hm2,均已超过欧盟农业政策规定的污染指标。除了贵阳市的N、P负荷量未超过欧盟农业政策规定的污染指标之外,六盘水市、遵义市、安顺市、毕节市、铜仁市、黔西南州、黔东南州、黔南州的N、P负荷量均已超过欧盟农业政策规定的污染指标。假设所有畜禽粪便都排入农业常用耕地,那么从猪粪当量负荷量预警等级以及N、P负荷量来看贵州省畜禽养殖所产生的粪便污染将会对贵州省农用耕地造成较大的污染。

4 结论与建议

4.1 结论

1) 贵州省各市州畜禽平均饲养量所产生的畜禽粪便量分别为粪合计62 569.98 kt、尿合计35 766.40 kt、粪尿合计100 248.79 kt,畜禽粪尿总量是工业固体废弃物的1.23倍,生理结构、饲养方式存在差异,畜禽粪尿产生量也存在差异,其中牛产生的粪尿最多,为79 770.79 kt,其次为猪、羊、家禽,粪尿总量分别为16 097.82 kt、2 467.77 kt、1 912.41 kt。

2) 贵州省各市州畜禽粪便排放的污染物总量为5 184.87 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN的排放总量分别为2 349.73 kt、1 940.04 kt、225.15 kt、117.81 kt、552.14 kt;畜禽粪便排放的污染物流失总量为630.41 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN排放流失总量分别为252.44 kt、170.14 kt、54.37 kt、13.96 kt、1 390.50 kt;COD既是排放主体也是流失主体。

3) 贵州省各市州猪粪当量土地、N、P负荷的均值分别为53.33 t/hm2、346.66 kg/hm2、88.00 kg/hm2,均已超标,畜禽养殖对贵州农业耕地造成较大污染风险;除贵阳市以外各市州畜禽养殖污染严重程度依次为安顺市>黔南州>铜仁市>黔西南州>黔东南州>六盘水市>遵义市>毕节市。

4.2 建议

1) 调整产业结构,合理控制畜禽养殖规模。通过研究结论可知当前贵州省存在较大的畜禽养殖污染风险,其主要原因是由于贵州省畜禽饲养量大而农业常用耕地面积有限,致使各市州常用耕地面积难以消纳畜禽粪便所带来的污染。因此,对于贵州省来说,土地面积是有限的,要想减少畜禽污染风险,最直接的办法就是通过产业结构调整,合理控制畜禽饲养规模,特别是对于像安顺、铜仁、黔西南、黔南这些Ⅴ类污染预警城市,应基于消纳能力探索适度规模养殖,遵义市、六盘水市、毕节市、黔东南州应积极探索种养结合的中小规模养殖模式。

2) 落实补贴政策,促使养殖户参与废弃物资源化利用。畜禽粪便通过发酵既可以做沼气也能够制肥料,属于多功能的物质原料,若能利用好这些废弃物将是治理养殖污染风险的有效手段。但对于养殖户来说,其更多的是关心自身的利益问题,再加上贵州省中小规模养殖户数量较多,难以形成标准化规模养殖,因此零散的养殖户开展的资源化利用带来的效益远远比不上前期的投入,在成本与收益不对等的情况下,养殖户在养殖废弃物资源化方面的积极性并不高,这就需要相关部门落实好养殖废弃物资源化利用补贴政策,解决养殖户的成本担忧,促使养殖户愿意、乐意、自觉地去开展养殖废弃物资源化利用。

3) 加强排污制度监管,严格排查违规养殖场。贵州省中小规模养殖户虽然较多,但是污染物的排放主要来自一些畜禽养殖场、企业单位,而这些企业单位有些在排污设施不健全或者是没有办理排污许可证的情况下就排放污染物,导致排放的污染物种量和数量过多,超过许可要求,致使环境污染严重。因此,相关部门必须加强排污巡查力度,对于无证或违规排放的畜禽养殖场,应及时向有关部门报告,给予整改警告或者停止养殖。

4) 推行畜禽清洁养殖,减少废弃物源头排放。畜禽养殖污染除了畜禽粪便污染之外还会产生一些固体废弃物、污水、臭气等污染,这些污染并不是不能减少的,目前我国已经推出一些关于处理畜禽养殖污染的先进清洁技术,例如机械性消毒法、化学消毒法(消毒药)、生物热消毒法等,建议主管部门一方面推广先进清洁技术,另一方面引导养殖主体在处理畜禽养殖污染时应该优先考虑先进的清洁技术,从而减少废弃物源头排放。

5) 提高饲料转化比,降低畜禽污染排放。在对畜禽养殖污染进行治理的过程中,应意识到畜禽所产生的排泄物污染与畜禽饲料存在相关性,因为一些饲料中含有较多的蛋白质,会使畜禽排泄物产生较多的氮污染,如果能在满足氨基酸的基础上,降低蛋白质的使用,合理配置氨基酸的均衡日粮,可减少氮污染。另外对饲料采用膨化和颗粒化加工处理技术,可抑制饲料中有害物质的产生,从而降低畜禽粪便中污染物的排放。