环梵净山区域畜禽养殖污染量估算及负荷预警研究

田文勇,毛 昆,张翊红

(1.铜仁学院 经济管理学院,贵州 铜仁 554300;2.贵州财经大学 管理科学与工程学院,贵州 贵阳 550025;3.铜仁学院 乡村振兴中心,贵州 铜仁 554300;4.铜仁学院 马克思主义学院,贵州 铜仁 554300)

近年来随着产业结构调整,畜禽养殖业得到了快速发展,但随之而来的畜禽养殖污染问题也愈发严重,逐渐成为制约中国农业可持续发展的重要因素。由于畜禽养殖污染治理复杂且繁琐,因此计算出区域养殖污染承载量及负荷预警显得格外重要,对此相关学者展开了广泛研究,如龚世飞等[1]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[2]核算了辽河流域农田的畜禽粪尿承载力,发现畜禽粪尿已经对部分县域的农田造成了污染;吴荣康等[3]、于娜等[4]、车晓翠等[5]、李丹阳等[6]、郭珊珊等[7]、周芳等[8]运用排污系数法分别估算了河南、山东、吉林、山西、四川及西藏的部分区域畜禽粪尿与主要污染物的排放量,并分析了污染对环境的影响。

以上研究为本文提供了较好的借鉴与参考,但仍存在研究细化不足且缺少对特殊地理区域如自然保护区的研究。梵净山作为中国佛教5大名山之一、国家5A级旅游景区、世界自然遗产保护区,其环周边共计12个乡镇区域,各乡镇有自己的特殊地理背景,在发展过程中面临着畜禽发展与环境保护的矛盾。根据《畜禽养殖禁养区划定技术指南》[9]和《畜禽养殖污染条例》[10]要求,在与生态保护红线格局相协调前提下,自然保护区的核心区和缓冲区、风景名胜区应科学合理划定禁养区范围,切实加强环境监管,促进环境保护和畜牧业协调发展,即在不破坏生态环境的前提下,合理发展畜禽养殖成为环梵净山区域可持续发展的难题之一。本文基于环梵净山区域可持续发展的现实问题,估算该区域畜禽养殖污染总量,预估污染负荷值,以期为该区域畜禽适度规模养殖和可持续发展提供理论指导与参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

猪、牛、羊、家禽的饲养量和耕地面积数据由2015-2022《铜仁统计年鉴》[11]整理而成,环梵净山区域包含3县12个乡镇,分别为缠溪镇、德旺乡、罗场乡、闵孝镇、木黄镇、怒溪镇、太平镇、乌罗镇、杨柳镇、洋溪镇、寨英镇、紫薇镇。

1.2 研究方法

1.2.1 排污系数法 本文主要参考郭姗姗[7]、陈丽虹等[12]的研究方法估算环梵净山区域畜禽养殖粪尿量及畜禽养殖污染物,具体计算方法为:

Q=A×T×H×10-3

(1)

Lq=Q×Lt×10-4

(2)

式中Q为总的畜禽粪尿产生量(t);A为各类畜禽饲养量(头或只);T为饲养周期数(d);H为日排泄系数(kg/d);Lq为畜禽粪尿污染物产生量(104t);Lt为畜禽粪尿污染物含量(kg/t)。

1.2.2 土地承载法

1.2.2.1 猪粪当量土地承载负荷计算方法 借鉴黄美玲等[13]、王忙生等[14]的研究方法计算猪粪当量土地承载负荷。由于畜禽种类、饲喂饲料、饲养环境、体型大小等方面存在差异,因此当畜禽粪尿作为有机肥施入土地时,污染程度也有所不同。根据环梵净山区域畜禽情况和各类畜禽粪尿用作肥料效果的差异情况,为方便统计,根据表1换算系数[6-7,15]以猪粪当量进行计算,计算方法如下:

表1 畜禽粪尿换算系数Table 1 The conversion coefficient of livestock and poultry manure

F=K/S=∑G×C/S

(3)

式中F为以猪当量进行计算的畜禽粪尿土地承载负荷(t/hm2);K为猪粪当量计算的各类畜禽粪尿产生量(t);S为环梵净山区域农业常用耕地播种面积(hm2);G为选取的畜禽粪尿量(t);C为各类畜禽粪尿以猪粪换算的猪粪当量的换算系数。

1.2.2.2 N、P负荷计算方法 N、P是畜禽粪尿的主要成分,过量的N、P如不加以资源化利用或土地不能自行消纳则会导致严重的面源污染。为进一步估算环梵净山区域畜禽污染中N、P情况,本文参考郭姗姗等[7]的研究方法计算出每公顷农业常用耕地播种面积能承载的猪粪当量N、P负荷,进而衡量环梵净山区域土地污染情况。参照王方浩等[16]研究,猪粪中N含量为0.65%、P含量为0.169%(以N和P2O5计),计算方式如下:

(4)

(5)

式中qN为单位耕地播种面积氮负荷量(kg/hm2);qP为单位耕地播种面积为磷负荷量(kg/hm2);S为农业常用耕地播种面积(hm2)。

1.2.3 负荷预警值计算方法 土地承载法计算土地承载负荷只能反映出畜禽粪尿在耕地面积上的污染负荷,并不能表现出畜禽所产生的粪尿是否对区域环境造成威胁。要表现出粪尿是否对区域环境存在威胁,在计算畜禽粪尿土地承载负荷时,需要进行预警值分级,计算公式如下:

(6)

式中r为各地畜禽粪尿量承载程度有关的预警值;q为畜禽粪尿以猪粪当量的土地承载负荷(t/hm2);p为单位农业常用耕地播种面积畜禽粪尿最大施肥适宜量(t/hm2)。单位耕地面积最大施肥量的选取参考国家环保总局推荐的数据[17]。国家环保总局规定每公顷农业土地畜禽粪尿最大负荷为30～50 t,当超过规定负荷范围时,土壤肥力就会下降,农作物将减产。根据《铜仁统计年鉴》[11]数据及对环梵净山区域的数据统计分析,确定本文选取的单位农业常用耕地播种面积最大有机肥适宜量为40 t。由公式(6)可知,当p不变时,随着q的增大,r警戒值越大,表明污染对土地的威胁等级就越高,各等级对应的预警值见表2[18]。

表2 畜禽粪尿污染耕地承载力预警值R分区[18]Table 2 The warning value R zone of cultivated land carrying capacity polluted by livestock feces and urine[18]

1.3 指标选取

1.3.1 畜禽饲养量及饲养周期 根据郭姗姗等[7]、陈丽虹等[12]对畜禽污染量估算的方法,同时参考国家环保总局推荐的数据及环梵净山区域的实际情况,选取确定生猪的饲养周期为199 d,饲养量为当年出栏量;牛羊的饲养周期为365 d,饲养量为当年存栏量;由于梵净山区域内的家禽多以农户自养,饲养周期较长,因此这里的饲养周期采用国家环保总局推荐的蛋鸡饲养周期为参考依据,饲养周期为210 d,饲养量为当年出栏量。2014-2021年环梵净山区域畜禽饲养量见表3。

表3 2014-2021年环梵净山区域畜禽饲养量Table 3 The number of livestock and poultry breeding from 2014 to 2021 in surrounding Fanjing Mountain area 头

1.3.2 排污系数选取

1.3.2.1 畜禽粪尿排泄系数 主要根据猪、牛、羊、家禽的饲养方式来确定粪尿排泄系数,由于畜禽在品类、饲养环境、生理结构、体型大小等方面存在差异,故排泄系数也存在差异。为确保计算数据准确可靠,本文选取的畜禽粪尿排泄系数来自2019年《畜禽养殖业粪便污染监测核算方法与产排污系数手册》[15],见表4。

表4 畜禽粪尿日排污系数[15]Table 4 The daily discharge coefficient of livestock feces and urine[15] kg/d

1.3.2.2 污染物含量 本文根据国家环保总局推荐的畜禽粪尿污染物含量数据[17]确定畜禽粪尿中所含污染物含量,见表5。

表5 畜禽粪尿污染物含量Table 5 The pollutant content of feces and urine for livestock and poultry kg/t

1.3.3 耕地面积选取 2017年11月发布实施的《土地利用现状分类》[19]中把耕地归类为种植农作物的土地,包括水田、水浇地、旱地,在畜禽养殖过程中产生的粪便、尿液做肥料时主要由这3类土地消纳。由于环梵净山区域属于国家自然保护区,农业用地除常用耕地播种面积外,其余几类土地皆被划为保护区域,限制开垦,因此本文选取的耕地面积小于环梵净山区域12个乡镇的实际农业耕地面积,农业常用耕地基本上分布于梵净山自然保护区核心区外的乡镇区域。由表6可知环梵净山区域耕地播种面积总体处于上升趋势,2021为30 130 hm2,比2014年增加了2 674 hm2,同比增长8.87%。

表6 2014-2021年环梵净山区域农业常用耕地播种面积Table 6 The sown area of commonly used agricultural cropland between 2014 and 2021 in surrounding Fanjing Mountain area hm2

2 结果与分析

2.1 畜禽粪尿量分析

2.1.1 环梵净山区域畜禽粪尿总量分析 由公式1计算2014-2021年环梵净山区域畜禽粪尿污染量,见图1。由图1可知,近年来环梵净山区域畜禽粪尿污染量总体上处于上升趋势,但上升的变化幅度不大。其中牛一直是粪尿排放量最多的畜禽,且存在继续增加趋势,牛粪尿年排放均值分别为38.08×104t、22.64×104t,其次是生猪,粪尿年排放均值分别是6.16×104t、9.94×104t;最少的是羊,粪尿年排放均值分别是2.11×104t、0.70×104t。

2.1.2 各乡镇畜禽粪尿量分析 由公式1计算得出2014-2021年环梵净山区域12个乡镇畜禽粪尿量,见图2。由图2可知12个乡镇畜禽粪尿产生量存在较大的差异,并且大部分乡镇的粪尿产量还存在继续上升的趋势。其中德旺乡的畜禽粪尿产生量最多,分别为77.97×104t、38.87×104t,该乡从2015年开始,每年逐步增多,2018年达到最高值,分别为17.11×104t、8.34×104t,随后开始下降;太平镇是畜禽粪尿产生量最少的乡镇,8年的粪尿总产量分别为10.70×104t、6.25×104t,与最多的德望乡相比差值分别为67.27×104t、32.25×104t。可见德旺乡的粪污治理压力十分严峻。

图2 2014-2021年各乡镇畜禽粪尿产量Fig.2 The fecal and urine output of livestock and poultry from 2014 to 2021 in each township

2.2 畜禽粪尿污染物分析

2.2.1 环梵净山区域畜禽粪尿污染物总量分析 由公式2计算出2014-2021年环梵净山区域畜禽养殖粪尿污染物TP、TN的排放量,见图3。由图3可知该区域TP、TN的排放量总体上处于上升趋势,其中TP排放量变化平稳,而TN的排放量变化趋势较大,该变化趋势与TN排放量较大的牛的饲养量变化趋势一致。

图3 2014-2021年畜禽粪尿TP、TN排放量Fig.3 The TP and TN emissions of livestock manure and urine from 2014 to 2021

2.2.2 各乡镇畜禽粪尿污染物排放量分析 由公式2分别计算出2014-2021年环梵净山区域各乡镇畜禽粪尿污染物TN、TP排放量,见图4。由图4可知各乡镇的TP、TN排放量变化不均,整体变化较大,其中德旺乡是畜禽粪尿污染物TN、TP排放量最多的乡镇,分别为639.42 t、140.36 t。太平镇是最少的乡镇,分别为90.17 t、25.07 t。除了德旺乡、木黄镇年度TN、TP排放量变化较大外,其他乡镇TP、TN排放量年度变化相对平稳,各乡镇的TP、TN排放量主要与各乡镇自身的畜禽饲养规模变化有关,但同时也会受到梵净山自然保护区环境规制变化的影响。

图4 2014-2021年各乡镇畜禽粪尿TN、TP排放量Fig.4 The TN and TP emissions of livestock manure and urine from 2014 to 2021 in each township

2.3 耕地负荷预警

2.3.1 环梵净山区域畜禽负荷分析 由公式(3)、公式(4)、公式(5)计算出2014-2021年环梵净山区域畜禽粪尿土地承载负荷量,见图5。由图5可知环梵净山区域各类负荷物中猪粪当量的负荷是最严峻的,其次是N负荷,最小的是P负荷,但总体上各类负荷量值都存在上升趋势,其中2020-2021年的负荷量增加趋势特别明显。根据欧盟农业政策规定耕地中N、P的污染负荷承载标准分别要小于或等于170 kg/hm2、40 kg/hm2,超过此标准则会对耕地造成污染[20]。由图5可知2014-2021环梵净山区域畜禽粪尿污染物N、P最大负荷量虽然存在上升趋势但均未超过欧盟农业政策规定值,表明环梵净山区域耕地能自行消纳畜禽粪尿污染物N、P。

图5 2014-2021年畜禽粪尿土地承载负荷Fig.5 The land carrying load of livestock manure and urine from 2014 to 2021

2.3.2 各乡镇污染负荷状况分析 由公式(3)、公式(4)、公式(5)分别计算出环梵净山区域12个乡镇畜禽粪尿猪当量、N、P负荷,见图6。由图6可知各乡镇间的猪当量、N、P负荷变化趋势较大,其中木黄镇2015年猪当量、N、P负荷为12个乡镇8年来最大值,分别达到84.18 kg/hm2、54.72 kg/hm2、14.13 kg/hm2,紫薇镇2014年N、P负荷及2016年的猪当量负荷为12个乡镇8年来的最小值,负荷量分别为4.26 kg/hm2、1.11 kg/hm2、6.56 kg/hm2,猪当量、N、P负荷最大与最小值之间分别相差77.62 kg/hm2、50.46 kg/hm2、13.02 kg/hm2。环梵净山区域猪当量、N、P负荷的均值分别为33.81 kg/hm2、21.98 kg/hm2、5.71 kg/hm2,由此可见部分乡镇的负荷值已经超过环梵净山区域的平均值,污染负荷问题较为严重。

2.3.3 负荷预警等级分析 运用公式(6)以及结合表2的预警分级标准,计算出2014-2021年环梵净山区域及各乡镇负荷预警值,见表7、表8。由表7可知,环梵净山区域畜禽污染预警等级存在上升趋势,其中2014-2016年污染等级为Ⅱ级,对应的污染情况为稍有污染;2017-2019年的污染等级为Ⅲ级,对应的污染情况为有污染;2020-2021年的污染等级为Ⅳ级,对应的污染情况为污染较大。由表8可知,各乡镇的畜禽污染负荷预警存在较大差异,除太平镇无污染外其余乡镇在不同时间段均存在污染情况,其中8年内有一半年限大于等于Ⅳ级(污染较大)的乡镇分别是德望乡、木黄镇、乌罗镇、杨柳镇、洋溪镇。但值得注意的是以往污染预警值较大的乡镇从2020年开始都普遍有所下降,而以往污染预警值较小的乡镇从2020年开始普遍存在上升趋势,可见环梵净山区域的畜禽污染土地负荷预警问题仍然严峻,各乡镇之间的治理思路仍需协调统一。

表8 2014-2021环梵净山区域各乡镇畜禽污染预警值及分级Table 8 The warning value and level of livestock pollution from 2014 to 2021 in townships surrounding Fanjing Mountain area

3 讨 论

梵净山作为中国佛教5大名山之一、国家5A级旅游景区、世界自然遗产保护区,生态环境的重要性格外突出,但同时该区域又地处武陵山区连片贫困带,虽然该区域在2020年全面脱贫,但是区域内的脱贫人口返贫风险仍然较大,在生态环境保护与生计发展过程中,难免会产生矛盾。本文基于2014-2021年梵净山区域畜禽养殖情况,估算了该区域的畜禽污染量以及耕地负荷预警情况。

从整体来看,环梵净山区域无论是畜禽污染排放量还是耕地负荷预警情况总体上均存在上升趋势,污染治理刻不容缓。从不同乡镇来看,各乡镇之间的污染排放量和耕地负荷预警差异性较大,其中德望乡是12个乡镇中污染问题最严峻的乡镇,太平镇是12个乡镇中污染问题最轻的乡镇。具体而言有以下表现:

一是在粪尿排放量方面,环梵净山区域畜禽粪尿年均排放量为84.79×104t,其中牛的排放量最大,年均粪尿排放量为60.72×104t,占总排放量的71.61%,其次是生猪(19.00%)、家禽(6.07%),最少的是羊(3.31%)。牛由于自身的生理特征,日排放的粪尿比较多,日排污系数较大,且梵净山区域的农户一直有养牛的传统,因此牛的污染排放量是该区域最大的,相关学者在计算不同区域畜禽粪污排放量时,也出现了类似的结果,如贾玉川和黄大鹏[21]、郜兴亮等[22]、刘刚等[23]。

二是在污染物方面,2014-2021年区域内TP、TN污染物排放量总体呈上升趋势,其中TP排放量除2016年稍有下降外,其余年份均呈上升趋势,但上升幅度不大,而TN污染物排放量呈波动势上升,其中2015-2018年处于缓慢上升期,2018-2019稍有下降,2019-2021又逐步上升。出现上述结果的可能原因是2015-2018年是该区域脱贫攻坚的关键期,当地大部分农户有养牛的经验与传统且有思南黄牛等优良品种,农户从事养殖活动能有效带动自身脱贫,牛的饲养量增加,进而TN的排放量增加;2018-2019年TN排放量下降是由于2018年梵净山升级为世界自然遗产地,环境规制力度加大,进而影响到了畜禽饲养量和TN排放量;2019-2021年排放量上升是由非洲猪瘟带来的畜禽市场价格波动及新冠疫情带来的外出务工困难造成,该期间区域农户没有合适的工作来维持正常的经济开支,只能从事传统的种养殖业,从而导致畜禽饲养量快速增加,造成TN排放量增加。

三是在耕地负荷方面,畜禽粪尿中主要含有作物生长所需的氮(N)、磷(N)、钾(K)等有机物[24],中国主要采用沼气工程、堆肥、还田等方式治理畜禽粪便污染物,但还田仍然是当前主要的治理方式[25-26],适当的还田对作物生长有促进作用,但过量的还田容易损坏土壤结构,造成土壤富营养化,从而抑制作物的生长[27-28]。目前畜禽粪尿排放农田是否超标主要是以猪粪当量计算氮(N)、磷(N)负荷是否超出土壤的最大承受范围[21-23]。通过上面的计算可知,环梵净山区域内猪粪当量、N、P负荷值总体上处于上升趋势,其中猪粪当量负荷上升幅度>N负荷>P负荷。N、P负荷年排放均值分别为21.98 kg/hm2、5.71 kg/hm2,同时各乡镇猪粪当量、N、P负荷变化趋势较大,部分乡镇的负荷值已经超过区域均值。欧盟农业标准规定耕地中N、P的污染负荷承载标准分别要小于或等于170 kg/hm2、40 kg/hm2[20],可见该区域的N、P负荷远低于欧盟的农业政策标准,表明该区域粪污还田压力不大。而通过对耕地负荷预警计算,区域内耕地负荷预警值总体呈上升趋势,且污染越来越严重,各乡镇之间除太平镇全年无污染外,其余乡镇在不同时间段均存在污染,负荷预警问题严峻。当然,梵净山区域负荷预警严重除了因近年来畜禽养殖量不断增加外,还与本文选取的耕地范围有关,考虑到梵净山生态环境的独特性,大部分土地被限制开发,本文在研究的过程中仅选取了当地常用的耕地面积作为研究对象,数据小于当地的实际耕地面积,因此计算出来的负荷预警值比较大,如果以实际耕地面积计算,负荷问题肯定要小很多,但是随着梵净山区域的环境规制强度的不断增强,选取常用耕地面积更能代表当地的实际情况,对指导梵净山区域畜禽养殖业发展更有借鉴意义。

基于梵净山的实际情况及研究结果,对梵净山区域畜禽养殖提出以下建议:一是调整畜禽养殖结构,合理控制畜禽饲养规模。由研究结果可知牛和生猪是环梵净山区域粪尿及污染物排放量较大的畜禽,因此建议该区域的主管部门采用科学的手段评估区域土地承载能力,在耕地承载负荷范围内合理调整畜禽养殖结构,并根据当前的饲养结构适当缩减牛和生猪饲养规模,稳定家禽和羊的饲养规模,减少畜禽养殖污染物排放量。二是严格落实保护区规定,精准实施污染治理政策。通过对各乡镇之间的污染情况分析可知德旺乡、木黄镇、乌罗镇、杨柳镇、洋溪镇是畜禽粪尿及污染物TN、TP排放量较多及土地负荷等级较高的乡镇,因此建议德旺乡、木黄镇、乌罗镇、杨柳镇、洋溪镇严格控制畜禽养殖规模,减少各类污染物排放量;太平镇应保持现有畜禽养殖规模,其余乡镇应严格执行国家自然保护区各种畜禽养殖规定,合理确定养殖规模,精准实施污染治理政策,督促和鼓励畜禽养殖主体因地制宜开展畜禽粪便资源化利用。三是加大养殖主体技能培训,拓宽养殖主体就业渠道。根据研究结果可知环梵净山区域内畜禽污染预警等级呈上升趋势,污染风险逐渐增大,而梵净山属于国家级自然保护区,该区域目前存在畜禽养殖污染与环境保护之间的现实矛盾,因此建议主管部门加大政策补贴力度,对各类养殖主体开展多方面的技能培训,提高养殖主体的生存技能,拓宽养殖主体的就业渠道与途径,积极引导其从事其他低污染或无污染行业,破解当前现实矛盾。

4 结 论

(1)环梵净山区域畜禽粪尿、TP、TN污染物排放量总体上呈上升趋势,其中牛的粪尿排放量>猪>家禽>羊,TP排放量趋于平稳,而TN变化趋势较大;各乡镇畜禽粪尿、TP、TN排放量差异较大,其中德旺乡的畜禽粪尿、TN、TP排放量最多,太平镇的最少,其余乡镇变化不大。

(2)环梵净山区域猪粪当量、N、P负荷总体上处于上升态势,其中猪粪当量负荷上升幅度>N>P,N、P最大负荷量均未超过欧盟标准,该区域耕地能自行消纳N、P污染物;各乡镇猪粪当量、N、P负荷变化趋势较大,部分乡镇的负荷值已经超过区域均值,污染负荷问题较为严重;区域内畜禽污染预警等级存在上升趋势,污染风险逐渐增大,各乡镇差异较大,除太平镇无污染外,其余乡镇在不同时间段均存在污染,负荷预警问题严峻。