山東規模化豬場污染物產生量和環境承載力研究

王誠+張印+王彥平+藺海朝+王繼英+武英

摘要：為合理規劃區域內的養殖規模、降低養殖場糞污對環境的污染，本研究選擇山東省典型的規模化生豬生產場，采用全糞尿法測定3個飼養階段的豬（保育豬、育肥豬和妊娠2個月的母豬）在春、夏、秋、冬4個季節的糞尿產生量，對部分代表性糞、尿樣品進行氮、磷、銅和鋅含量檢測，估算出山東省規模化豬場的產污系數。根據2015年山東省統計年鑒公布的農作物每公頃產量及單位產量消耗的養分量，基于氮平衡，計算出山東省不同區域內不同種植結構對氮的需求量進而估算出豬承載量。結果表明：⑴不同生產階段豬的產污系數不同，母豬產生量最高，總氮為52.69 g/d，總磷為32.02 g/d；育肥豬次之，總氮為32.98 g/d，總磷為17.66 g/d；仔豬的產生量最小，總氮為18.15 g/d，總磷為7.8 g/d。⑵ 山東農田需氮量及豬承載量最大的為蔬菜地，每公頃需氮為2 208.11 kg，可承載122頭仔豬、67頭育成豬和53頭繁殖母豬，每公頃需氮量和豬承載力最小的為薯類，每公頃需氮32.93 kg，可承載5頭仔豬、3頭育成豬和2頭繁殖母豬。本研究可為降低養殖場糞污對環境的污染及合理安排養殖規模提供科學依據。

關鍵詞：豬；產污系數；作物需氮量；承載力

中圖分類號：S815.9∶X26文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）12-0114-05

Abstract It is important to plan farm scale reasonably and reduce farm waste pollution to the environment.This study was performed to research the environment bearing capacity of different planting structure based on pig N excretion of Shandong Province. The pollutant output at three different feeding stages （nursery pigs， fattening pigs and two-month pregnant sows） were determined in spring， summer， autumn and winter respectively in one typical scale pig production farm， and the content of nitrogen， phosphorus， copper and zinc in some pollutant samples were also determined. Then we estimated the pollutant output index. According to the published crop yield per hectare and nutrient consumption in the Shandong Province Agricultural Information Network， we calculated the nitrogen demand per hectare， and then estimated the bearing capacity of different crop planting structure based on nitrogen balance. The results showed that sow had the largest N excretion with 52.69 g/d of total nitrogen and 32.02 g/d of total phosphorus.The next was growing pig with 32.98 g/d of total nitrogen and 17.66 g/d of total phosphorus.Nursery pig had the least N excretion with 18.15 g/d of total nitrogen and 7.8 g/d of total phosphorus. We also estimated the nitrogen demand of different crops and the pig bearing capacity.Vegetables had the largest nitrogen demand and pig bearing capacity， which demanded 2208.11 kg of nitrogen per hectare， and could bear 122 piglets， 67 growing pigs and 53 pregnant sows. Tuber crops had the smallest nitrogen demand and pig bearing capcity， which demanded 32.93 kg nitrogen per hectare and could bear only 5 piglets， 3 growing pigs and 2 pregnant sows.In this study， we determined the pollutant output at different pig feeding stages and estimated the pig bearing capacity under different planting structures in particular region， which could provide basic scientific references for reducing livestock farm pollution to the environment and reasonably arranging animal feeding number.endprint

Keywords Pig； Pollutant output index； Nitrogen demand for crops； Bearing capacity

隨著我國畜牧業集約化和規模化的快速發展，畜禽糞便的產生量不斷增加。畜牧業的迅速發展在帶來經濟效益的同時，其產生的大量畜禽糞尿廢棄物也給環境造成了巨大壓力，已成為我國農村面源污染的主要來源之一[1]。豬場廢棄物的危害主要有：對大氣環境的污染；傳染病和寄生蟲的傳播；傳播人畜共患病，直接危害人類健康；溫室效應[2]。國外對養豬業污染的危害性和嚴重性認識較早，20世紀60年代就提出了“畜產公害的問題”[3]；為了降低畜牧業帶來的環境污染，目前許多發達國家采用還田模式，規定畜牧場周圍必須有與之配套的農田來消納畜禽糞便，從而在農場范圍內形成農牧種養的良性循環。國內絕大多數畜牧場都沒有與之配套的農田，周圍的農田又分散在農戶手中，而且種植類型隨機性很大，這對農田消納畜禽糞便造成了障礙。糞污資源沒有得到一定種植業規模的利用和消納，區域內養殖業與種植業不相匹配是造成畜禽污染的主要原因之一[4]。畜禽糞污還田作肥料是一種傳統的、經濟有效的處理方法，可將糞尿中的有機質分解轉化成穩定的腐殖質以及植物生產因子，供植物生長利用，減少化肥使用量，達到種養結合和諧發展的目的。為此，關聯養殖業和種植業、研究作物種植面積和畜禽養殖數量相匹配、根據環境承載力合理安排養殖規模是當前山東畜牧業可持續發展的迫切任務。

畜禽養殖資源環境承載力定義為，在特定時空條件下，在維持畜禽養殖資源環境系統的平衡和健康不受影響的情況下，畜禽養殖資源環境系統所能支撐畜禽養殖行為的能力[5]。在保障生態環境安全的前提下充分利用糞肥，國外已經有很多針對其自身條件的畜禽承載力研究[6，7]，而且通常是針對某一具體畜牧場和某一具體畜種來計算單位農田所能承載的動物單位數。但是山東省一定區域內養殖畜禽種類較多，其排泄糞便養分含量差異明顯；并且養殖的數量和方式均有所不同，致使不同區域內污染物的排泄量不同。另外，山東省不同區域內的可耕種農田面積、土壤類型、種植作物的種類和產量也不相同，所以不同區域內的土地消納量也不同。為此針對特定區域的種植結構估算一定區域內農用地消納的糞污量，進而估算出區域內的畜禽養殖量，對于合理規劃和布局本區域內的養殖體量更有參考價值。

與其他畜禽養殖不同，養豬場水的使用量較大，污水產生量較大，養豬是畜禽污染物的主要來源。為合理規劃區域內的養殖規模，降低養殖場糞污對環境的污染，本研究通過測定山東省內某標準化豬場生豬污染產生量，估算山東省規模化豬場的產污系數，并根據山東省內不同地區的養殖量估算本區域內主要污染物的產生量。另外，在氮平衡基礎之上估算山東省內不同區域內不同種植結構對氮的需求量，進而估算豬的承載量，以期根據當前的種植結構對養殖規模合理與否進行判斷，并對區域內合理安排養殖規模以及制定相關政策提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 不同生產階段產污系數測定

1.1.1 試驗場、試驗動物 山東八戒食品有限公司養殖場是山東省級標準化養殖場，為采取自繁自養生產模式的商品豬生產場，在養殖規模、飼養模式和糞污處理方式等方面代表了山東省規模豬場的狀況。

選取保育豬（平均體重20 kg）、育肥豬（平均體重60 kg）和繁殖母豬（妊娠2個月的初產母豬）各5頭進行相關產污參數的測定。為保證糞尿收集完全，采用全糞尿法在代謝籠中試驗，豬只產生的糞便和尿液分開收集。考慮豬的排泄物受季節、環境條件和飼料等因素的影響，本研究在春、夏、秋、冬4 個季節分別進行，試驗豬與同批次的豬在同一圈舍飼養。每個季節的試驗期12 d，其中前7 d 為預飼期，然后連續采樣5 d，確保3 d樣品有效。試驗豬的飼養管理與防疫與豬場其他豬同步進行。

1.1.2 樣品的收集和采集 在正式采樣期，每天上、下午分別收集每頭試驗豬產生的糞便和尿液，稱重和記錄后混合均勻取3個樣品（其中固體糞便2個，尿液1個），每個糞樣約0.5 kg、尿樣0.5 L。糞樣按每100 g糞便加入4.5 mol/L H2SO4 20 mL固氮，放在自封袋中做好標記，一個于-20℃凍存用于各種指標的測定，另一個測定水分。尿樣按每100 mL加入4.5 mol/L H2SO4 2 mL和甲苯4滴固氮，攪拌均勻后裝入樣品瓶，-20℃凍存用于各種指標測定。樣品及時送山東省分析測試中心測定。

1.1.3 測定方法 糞便樣品中的全氮、全磷含量參照農業行業標準NY 525-2002進行測定；尿液中的氮、總磷含量分別按照GB 11891-1989和GB 11893-89進行測定；糞便和尿液中的銅和鋅含量分別按照GB/T 17138-1997和GB 7475-87進行測定。

1.1.4 產污系數計算 畜禽養殖業產污系數是指在典型的養殖場正常的生產和管理條件下，一定時間內單個畜禽所產生的原始污染物量，包括糞尿量以及糞尿中各種污染物的產生量[8]。本研究采用董紅敏等[8]的方法計算3個飼養階段4個季節的產污系數。

式中： FPi，j，k為每頭動物的產污系數，單位為g/（頭·d）；QF i，j為第i種動物第j生產階段糞產量，單位為kg/（ 頭·d）；CFi， j ，k為第i種動物第j生產階段糞便中第k種污染物的濃度，單位為mg/kg；QUij為第i種動物第j生產階段尿液產量，單位為L/（頭· d） ；CUi，j，k為第i種動物第j生產階段尿液中第k種污染物的濃度，單位為mg/L。

1.2 土地承載力的估算

1.2.1 區域內農作物年消耗養分的確定 采用邱樂豐等（2016）[9]的方法計算單位面積內農作物年消耗養分量。

T=∑ni=1Yimi（2）

式中：T為區域內農作物生產農產品年消耗氮養分的總量；Yi為研究區域i 類農產品年產量（kg）；mi為i 類農產品100 kg 經濟產量所需的氮養分量（kg）。每公頃作物產量采用《山東省統計年鑒-2015》提供的數據，mi使用相關文獻的研究結果（表1），農作物種植方式根據山東農作物種植的實際情況確定。endprint

1.2.2 基于氮元素需求量的載豬量估算 采用陳微等（2009）[12]的方法，設定土壤中氮處于穩定狀態，并且作物達到目標產量所需氮完全由豬提供，根據作物氮需求量和豬氮排泄量確定單位農用地（有效耕地面積）載豬量。

單位農用地載豬量=K×Z×AM 。 （3）

式中，Z為每公頃作物每季的需氮總量kg/（hm2·S）；A為各地區的復種指數；M為每頭豬的年產氮量（kg）；K為有機肥利用率（%）。

2 結果與分析

2.1 豬不同飼養階段污染物的產生量

如表2所示，不同生產階段豬的產污系數不同，繁殖母豬產生量最高，總氮為52.69 g/d，總磷為32.02 g/d，育肥豬次之，仔豬的產生量最小。

本試驗結果與董紅敏（2011）[8]、汪開英（2009）[13]等的結果有所不同，產污系數的差異可能與飼料種類、豬群具體狀況有關。因此計算污染物的產生量需要根據不同畜種，合理劃分不同階段，分別測算，結合各階段飼養的動物頭數，獲得較為準確的污染物產生量。

2.2 山東主要農作物養分消耗總量及載豬量

由表3可知，蔬菜的需氮量最大，每公頃需氮為2 208.11 kg，甘薯需求量較小，每公頃為32.93 kg，這與其他學者的研究結果相一致。山東大田主要輪作種植模式小麥+水稻、小麥+玉米、小麥+大豆、小麥+甘薯，每年每公頃的需氮量分別為312.97、299.08、314.37、202.77 kg；山東每年單季種植花生需氮量每公頃為293.35 kg，棉花需氮量較少，每公頃為128.48 kg。

如表4所示，每公頃蔬菜的載豬量最大，可承載122頭仔豬、67頭育肥豬和53頭繁殖母豬，而蘋果的載豬量最小，可承載5頭仔豬、3頭育肥豬和2頭繁殖母豬。山東輪作主要種植模式小麥+水稻、小麥+玉米、小麥+甘薯、小麥+大豆每公頃承載仔豬分別為47、45、31、47 頭，承載育肥豬分別為26、25、17頭和26頭，承載繁殖母豬分別為16、16、11頭和16頭。

3 討論

單位耕地面積承載量是衡量一個地區畜禽飼養密度大小的重要依據，可以在一定程度上反映畜禽糞尿對環境的污染風險[14]。過量氮及其衍生物可以引起水體富營養化、土壤酸化以及森林退化[15，16]。國外已將畜禽糞尿的養分資源管理作為管理重點，而且還制定出環境污染的標準。本研究所提出的豬環境承載力是基于山東省農作物種植結構和產量，在設定土壤氮保持穩定，并且作物需氮量全部由豬排泄氮提供的情況下，區域耕地所能持續支撐豬的養殖數量。

3.1 豬的產氮量對承載力的影響

本研究選用3個飼養階段的豬，分別在春、夏、秋、冬4個季節采用全糞尿法測算出其產污系數，然后估算出年產氮量，所得值比較接近真實值。但在實際生產中受多種因素影響，估算畜禽污染物的產生量與實際情況會存在一定誤差。首先，養殖企業的生產周期不同，污染物排泄量也與飼料成分、環境（如季節、氣候）等因素有關。其次，養殖場實際飼養量與估算量有偏差，如統計數據中未給出死亡淘汰數量，導致估算值可能偏小。再有估算中雖考慮到豬的生產階段，但生產中一些養殖場育肥豬的出欄體重、出欄時間以及繁殖種豬的使用年限等都有所不同，導致估算結果較實際存在差異。再次，由于各養殖場污染物的貯存方式不同，致使產污量和排污量之間的損失率很難估算。陳微等（2009）[12]研究表明，由于糞尿收集、儲存、處理和運輸過程的方式不同，會造成一定損失，其中糞便中氮的損失率在5%～15%，尿氮的損失率在15%～25%。本研究在農牧配套的前提下進行，計算時忽略氮在處理、運輸等中間過程的損失，因此如果不考慮環境因素，僅從承載豬的角度來講，實際豬的承載力結果應比計算值大。

3.2 化肥施用量和有機肥利用率對承載力的影響

由于作物對糞氮的當季利用率比較低，在實際生產中仍需要施用一定量的化肥來滿足作物生長。在作物需氮量一定的情況下，化肥與糞肥的施用量彼漲此消。為減少豬場糞污對環境污染，本研究以豬生產氮作為作物生產的氮源，并代替化肥的施用。豬承載力大小與有機肥利用率有直接關系，通常氮的施用量是理論需求量的3倍[13]，所以養分利用率越低，豬承載力越高。由于用農作物為載體消納糞污時，其中的營養成分特別是氮磷元素在土壤理化性質及微生物作用下會轉化為硝酸鹽和磷酸鹽，若超出了農田負載力，會造成土壤硝酸鹽、磷酸鹽的淋洗等不良影響[14]。因此， 2016年農業部養殖面源污染治理方法指出提高有機肥利用率，變廢為肥，降低化肥施用量。豬糞容易處理，如室外發酵床處理技術可使豬糞快速腐熟轉化為有機肥，而且運輸方便，可以在較遠的地域內使用。但污水是養豬面源污染的處理難題，達標排放，增加企業運行成本，在實際生產中很難利用；污水厭氧發酵后變廢水為肥水就近還田是優先考慮的方法。為此，研究不同貯存方式下污水的利用率以及土壤最大承載量是避免二次污染所需要解決的問題。

3.3 作物種植結構與復種指數對豬承載力的影響

山東各地市養殖體量不同，而且區域耕種面積和種植結構及復種指數也不同，導致區域內糞肥的消納量不同。為此應根據不同區域的土地類型、種植結構和復種指數確定一定范圍的土地載畜量，同時需要對糞污氮的流失風險進行評估，使農田最大程度地消納糞污，讓豬場生產與環境安全得到和諧統一。

4 結論

本研究以作物對氮的需求量為基準，在諸多條件假設的前提下對區域內豬的承載力進行估算。山東農田豬承載力最大的為蔬菜地，其次為輪作種植的糧食作物以及果園，承載力最小的為薯類。農田豬承載力的大小不僅與有機肥利用率有關，而且與作物種類和種植模式有關。本研究結果可以指導養殖生產，使養豬規模與農田耕種面積相匹配，最大程度降低養殖業面源污染，同時需要對糞污氮流失風險進行研究評估。endprint

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