我國養豬業糞便排泄物污染時空測度及處理技術的選擇

鄔蘭婭， 齊振宏， 黃煒虹， 左志平

(1.三峽大學經濟與管理學院，湖北宜昌 443002； 2.華中農業大學經濟管理學院，湖北武漢 430070； 3.中南財經政法大學武漢學院經貿系，湖北武漢 430079)

我國是一個傳統的生豬養殖大國和消費大國，養豬業的迅速發展不僅滿足了人們對豬肉產品的需求，還有力推動了農村經濟改革和相關產業的發展，養豬業已經成為我國農業和農村經濟發展的支柱產業。然而，養豬業由傳統散養戶向規模化養殖小區方向發展的同時，也出現了糞便還田率低、糞便處理不當及環境污染等問題。據測算，一個萬頭豬場日排污水量80～100 t，日排糞量約8 t，豬廢棄物中含有的氮、磷等有機污染物造成水體富營養化、惡臭、土壤板結；廢棄物中含有的致病菌如大腸桿菌、沙門氏菌等是人類的10～100倍[1]。如果對生豬糞便排泄物缺乏妥善的處理，必將破壞生態平衡、影響豬肉產品質量和人體健康狀況。因此，本研究以我國1998—2014年的生豬飼養量數據為依據，測算出全國及各地區的生豬糞便及主要污染物的排泄量，以過剩氮、磷量為測量指標來測度我國及各地區的生豬糞便排泄物污染情況，并進一步探討我國生豬糞便氮、磷素污染的時空特征及原因，以期從宏觀上把握我國生豬糞便排泄物污染的現狀與特征，最后根據養殖規模和地區差異比較分析我國養豬戶對生豬糞便排泄物處理技術的選擇，從糞污處理技術采納方面提出減少糞便排泄物污染的相關建議，以期實現我國養豬業的可持續發展。

1 生豬糞便排泄量計算

1.1 生豬飼養量數據

本研究選取的生豬飼養量數據來源于1999—2014年《中國畜牧業統計年鑒》所公布的統計數據。已有的研究在測算生豬的糞便產量時，以生豬的年末存欄量為年飼養量，由此所得數據是生豬飼養1個周期的糞便量，而生豬的平均飼養期為199 d[2]，生豬養殖的全年產量應遠遠大于其年末存欄量，以年末存欄量為年飼養量所得結果可能會偏小[3]。因此，本研究根據生豬的生長周期來確定其飼養量，以每年生豬的出欄量作為年飼養量。

從圖1可知，我國生豬產業發展迅速，1998—2006年生豬年出欄量持續走高，而在2007年生豬出欄量有所回落，接近于2002年的出欄量，這可能與2007年禽流感導致的“豬肉荒”和豬肉價格周期性波動有關；之后幾年，生豬年出欄量逐年增長，到2014年我國生豬出欄量已達到73 510.4萬頭。近年來，隨著我國經濟不斷發展和生活水平不斷提高，居民對豬肉的消費和需求也不斷上升，加上國家政策對養豬業規模化發展的鼓勵和扶持，使得生豬產業迎來發展的高潮。2014年我國各地區生豬出欄量見圖2，四川、河南、湖南、山東和湖北5省的生豬年出欄量都大于4 000萬頭，為我國的生豬養殖大省。

1.2 生豬糞便排泄量計算

目前，關于生豬糞便的排泄系數，沒有統一的國家標準，引用較多的則是王方浩收集比較了國內1994—2004年公開發表的文章，取平均值確定的各種畜禽糞便排泄系數[4]。生豬糞便排放量計算公式為：

Q=N×T×P。

式中：Q為生豬糞便年產生量，萬t；N為生豬出欄量，頭；T為生豬飼養期，為199 d；P為生豬糞便排泄系數，為 5.3 kg/d。

根據表1中生豬糞便排泄系數及主要污染物的平均含量，本研究計算出了2014年我國各地區生豬糞尿及污染物的排放量，2014年我國豬糞和豬尿的排放量分別為29 257.14萬、48 274.28萬t，比1998年分別增長了9 271.49萬、15 297.96萬t；化學需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)的數量比1998年分別增長了619.8萬、605.25萬t；氨態氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)的排放量比1998分別年增長了50.43萬、105.00萬、39.57萬t(表2)。從各個地區污染物排放量來看，生豬飼養量越多，其糞尿及主要污染物的排放量也越大。

表1 生豬糞便排泄系數及污染物平均含量

注：數據來源于《全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策》。

表2 2014年我國各地區生豬糞尿排放量

2 生豬糞便污染的測量指標——過剩氮、磷的測度

農業生產系統中氮、磷平衡狀態，是決定作物產量、土壤肥力以及對農業環境影響的重要因素[5]。農業生產系統中氮、磷養分缺失會使土壤肥力不足，造成農作物減產；氮、磷養分盈余則會導致土壤養分流失，造成環境污染，養分盈余問題就會顯現[6]。而生豬糞便排泄物中，氮、磷元素是含量最多的元素，因此本研究以農業生產中的過剩氮、磷量作為生豬污染的測量指標。根據曲勞(Truog)的養分平衡法理論，作物與土壤之間養分供求平衡，才能保持農業生態系統的良好循環，即過剩氮/磷量=氮/磷量供給-氮/磷量需求[7]。本研究過剩氮/磷量的測算公式為：

Ysurplus=Ymanure+Yfertilizer-Ycrop；

Ymanure=∑N×P×r；

Ycrop=∑Ci×Ti；

Ysurplus為過剩氮/磷量；Ymanure為生豬糞便氮/磷總量；Yfertilizer為化肥中氮/磷養分折存量；Ycrop為農業生產所需的氮/磷總量；N為生豬出欄量；P表示生豬的糞便排泄系數；r表示生豬糞便中氮/磷養分含量；Ci表示第i種農作物的年產量；Ti表示第i類農作物100 kg產量所需的氮、磷養分量[8]。而各地區化肥氮、磷養分折存量和主要農作物年產量數據來源于1999—2015年的《中國畜牧業統計年鑒》和《中國農村統計年鑒》公布的統計數據。

從表3可知，我國自1998年以來一直存在“過剩氮、磷”的現象，環境污染形勢嚴峻。且本研究只考慮了生豬糞便排泄物的氮、磷養分量，沒有考慮牛、家禽等其他畜禽的有機肥供氮、磷量以及土壤的基礎肥力，如果把這些都考慮其中，則我國的過剩氮、磷量會更多。另外，由于我國各地區生豬飼養量、耕地面積、種植種類及方式的不同，各地區過剩氮、磷的數量也有很大差異。2014年我國過剩氮、磷量排在前6位的地區是河南、湖北、新疆、廣東、云南、江蘇，排在最后6位的地區是山西、青海、西藏、江西、吉林、黑龍江。根據前文數據分析，四川、河南、湖南、山東和湖北為我國的生豬養殖大省，而湖南和山東兩地區的過剩氮、磷量則明顯偏少；江西、黑龍江兩地區的生豬養殖量相對較多，但過剩氮、磷量為負值，因此無法直觀地判斷出過剩氮、磷量與生豬飼養量之間的關系，須對生豬糞便氮、磷素污染進行時空特征分析。

表3 1998—2014年我國過剩氮、磷總量

3 生豬糞便氮、磷素污染時空特征及原因分析

3.1 生豬糞便氮、磷素污染時空特征分析

為分析我國生豬養殖氮、磷元素污染特征及時空差異，本研究根據2014年各地區人均GDP差異選取典型地區，從較高人均GDP地區和較低人均GDP地區來考察過剩氮、磷量的特征及變化。2014年人均GDP前5位的省份是天津、北京、上海、江蘇、浙江；人均GDP末5位的省份是廣西、西藏、云南、甘肅、貴州。

由圖3可知，在1998—2014年期間，隨著時間的延長，我國人均GDP前5位的省份的過剩氮、磷總量呈現出先增長后下降的趨勢，北京市、天津市和上海市的過剩氮、磷總量一直偏低，且隨著時間的延長呈下降趨勢，江蘇省雖然過剩氮、磷總量偏高，但近年來下降的幅度也較大，浙江省也呈下降趨勢。從圖4可知，在1998—2014年期間，隨著時間的延長，我國人均GDP末5位的省份中的廣西、云南、貴州的過剩氮、磷總量呈現出不斷增長的趨勢，西藏地區雖然過剩氮、磷量一直是負值，但也越來越趨近0。近年來，對于經濟發達地區，北京、天津、上海和浙江四地區的生豬飼養量持續下降且化肥施用量也逐漸減少，江蘇地區的生豬飼養量雖波動幅度不大，但化肥施用量持續降低，再加上對糞污處理技術的實施和完善，致使經濟發達地區的過剩氮、磷量呈現出下降趨勢，污染有所降低。而經濟欠發達地區生豬飼養量和化肥施用量則持續增長，從而導致過剩氮、磷量的不斷增加，一方面，養豬業規模化發展，規模養殖戶的生豬糞便排放量大，在缺乏處理技術的情況下，無法簡單通過有機肥還田來提供農作物所需要的養分，致使有機肥料的養分資源量必然增多；另一方面，農業生產的化肥肥料投入大幅增加，且肥料利用效率十分低下，致使肥料養分殘留在土壤或隨地表徑流進入水體， 成為農業生產污染的源頭[9]。

3.2 原因分析

根據Copeland and Taylor于1994年提出的“污染避難所”(pollution haven hypothesis)假說，在差異化環境規制水平的推拉作用下，專業養殖大戶或規模化養殖場更易于聚集在經濟欠發達的資源豐裕地區[10]。胡浩等研究表明，上海、北京及一些大城市的生豬飼養已經向周邊地區或偏遠地區轉移，這種轉移既發生在省份之間，也發生在省內地區之間[11]。在市場競爭中，成本提升往往意味著利潤減少，對于養豬業這種環境污染型產業，當地政府勢必會制定相應的環境規制標準，而對于經濟發達地區，人們一般具有較高的環境意識，他們在注重經濟發展的同時更加注重生活質量，因而經濟發達地區通常會制定較嚴格的環境管理制度和環境管制的執行力度，環境規制的存在促使養豬戶必須投入更多的治污費用，這無疑增加了養豬戶的生產成本。如上海市早在1995年就制定了《上海市畜禽污染防治暫行條例》，隨后在2004年又發布了《上海市畜禽養殖管理辦法》，這是我國首部對畜禽養殖行為進行規范的地方性法規。2008 年，為了治理太湖流域水污染，江蘇省制定了《江蘇省太湖流域水污染綜合治理實施方案》(簡稱“方案”)，方案規定，對流域內畜牧生產進行科學規劃、合理布局、分區管理，劃定畜禽禁止養殖區、限制養殖區和適度養殖區。環太湖1 km及主要入湖河流上溯10 km兩側1 km范圍為禽畜禁養區；環太湖1～5 km地區為限養區；環太湖5 km外地區為適度養殖區；對新建的規模養殖企業，必須經過環境影響評價后方可建設等。這些地方性法規是在國家發布的相關條例的基礎上根據當地實際情況增加制定的，體現了經濟發達地區治理畜禽養殖污染的強度和決心，這在一定程度上促使經濟發達地區的養豬戶更加注重生豬糞便的治理和利用，畜禽糞便經過有效處理成為有機肥料，減少了化學肥料的使用。另外，生豬養殖成本的增加，也逼退了部分養豬戶的繼續養殖，生豬飼養量逐年下降，從而減少了過剩氮、磷量的產生，改善了養豬業環境污染。

但是，隨著我國經濟的發展和人們生活水平的提高，對于豬肉的消費需求卻不斷增加，這給其他地區養豬業的發展帶來了機遇。對于經濟欠發達地區，當地政府和居民的關注點更多的是在經濟發展上，在養豬業的發展上持有鼓勵和支持的態度，環境規制相對較弱，具有一定的成本優勢，且經濟欠發達地區的資源相對豐富，更加促進專業養豬戶或規模養豬戶的轉移和發展。長此以往，經濟欠發達地區成為了經濟發達地區的污染避難所。因此，簡單的產業轉移并不能從根本上解決污染的產生，在養豬業規模化、集約化發展的前提下，如何科學有效地處理生豬糞便排泄物，從而使廢棄物轉化為養分源才是控制養豬業糞便排泄物污染的關鍵所在。

4 豬糞便排泄物處理技術的選擇

生豬養殖的末端治理仍是養豬業環境污染的主要環節，養豬戶對生豬糞便排泄物的科學處理，能有效減少過剩氮、磷量的排放，緩解養豬業環境污染。長久以來，我國養豬戶對生豬糞便排泄物的主要處理方式包括糞便還田、沼氣生產和廢棄。隨著養豬業的不斷發展和對養豬業污染的日益重視，生豬糞便排泄物的處理技術得到不斷完善和廣泛推廣，如糞便還田前進行自然堆肥、糞便飼料化、氧化塘養魚、銷售和綜合化利用等。然而，不同地區、不同規模的養豬場飼養方式、管理經營、經濟能力、自然資源條件等差別很大，某一種糞便處理技術很難對排泄物進行有效處理，一般都是幾種糞便處理技術的優化組合。因此，本研究以養殖規模和地區為劃分依據，對生豬糞便排泄物處理技術的選擇進行歸納分析。

4.1 按養殖規模劃分

4.1.1 小規模養豬戶糞便排泄物處理技術 小規模養豬戶飼養規模小，產生的糞便排泄物較少，處理技術主要采用自然堆肥、小規模沼氣池等方法。養豬戶對糞便排泄物進行自然堆肥處理后主要用于糞便還田，增加土壤肥力；還可以建設小規模的沼氣池，通過厭氧發酵，產生的沼氣可用來照明、做飯等日常使用，沼渣可作飼料肥料等。

4.1.2 中大規模養豬戶糞便排泄物處理技術 與小規模養豬戶相比，中大規模養豬場糞便排泄量大，比較典型的是采用“固液分離+厭氧堆肥+氧化塘處理”綜合處理技術。首先，通過自然沉降的方式對生豬排泄物進行固液分離，對固體部分，可以通過厭氧堆肥，成為肥料還田；而液體部分，多采用氧化塘的方式，氧化塘維修簡單、便于操作且運轉費用低，在我國，特別是在缺水干旱的地區，生物氧化塘是實施污水的資源化利用的有效方法。

4.2 按地區差異劃分

4.2.1 北方“四位一體”生態模式 “四位一體”生態農業模式是我國北方生態農業發展中最為典型的模式，該模式以沼氣為紐帶，種植、養殖相結合，通過生物轉換技術，將沼氣池、畜(禽)舍、廁所、日光溫室聯結在一起，組成綜合利用體系[12]。如圖5所示，人畜糞便進入沼氣池，沼氣可供民用，沼渣作為肥料種菜瓜果，而日光溫室為沼氣池和豬舍提供適宜的環境。

4.2.2 南方“豬-沼-果(菜、林)”生態模式 該模式的具體流程如圖6可見，先對豬糞便排泄物進行固液分離，把豬糞堆肥發酵形成有機肥，作為菜地、林地、果地的肥料；液體則排入沼氣池厭氧發酵，沼液通過專門管道或車輛運輸至果園、草地或樹林等用于基肥、追肥。該模式將生豬糞便排泄物中的污染元素處理到最低，作為有機肥被農作物完全吸收利用，不會對環境造成污染[13]。

綜合以上分析，肥料化和能源化是不同養殖規模和地區養豬戶處理糞便排泄物的主要方式，而沼氣技術是糞污處理的首選技術。關于沼氣技術的特點、運用及效益等方面我國學者已經進行了大量研究[14-15]，沼氣工程的運用價值比較顯著，它的推廣與實施有利于減少養豬業糞便排泄物污染。

5 結語

本研究基于我國1999—2015年的統計年鑒數據，對我國養豬業糞便排泄物污染進行測度，研究結果表明，第一，我國生豬產業發展迅速，到2014年我國生豬總出欄量已達到 73 510.4 萬頭，其中，四川、河南、湖南、山東和湖北5省的生豬年出欄量都大于4 000萬頭，為我國的生豬養殖大省。第二，隨著我國生豬飼養量的增加，生豬糞尿及主要污染物的排放量也越來越大，2014年我國豬糞尿的總排放量為 77 531.42萬t，比1998年增長了24 569.45萬t；COD、BOD、NH3-N、TP和TN的數量比1998年分別增長了619.8萬、605.25萬、50.43萬、105萬、39.57萬t。第三，通過對我國及各地區過剩氮、磷量的測量發現，我國自1998年以來一直存在“過剩氮、磷”的現象，全國每年有900萬t以上的過剩氮、磷元素進入到環境中，環境污染嚴重；2014年，我國過剩氮、磷量排在前6位的地區是河南、湖北、新疆、廣東、云南、江蘇。第四，根據2014年各地區人均GDP差異，分析典型地區的生豬養殖氮、磷元素污染時空差異發現，經濟發達地區生豬飼養量和化肥施用量持續下降，過剩氮/磷量呈現出下降趨勢，而經濟欠發達地區生豬飼養量和化肥施用量持續增長，過剩氮/磷量也不斷增加，“污染避難所”假說在一定程度上解釋了這種現象，但不能從根本上解決養豬業污染。第五，根據養殖規模和地區差異比較分析了養豬戶選擇的糞便處理技術，沼氣技術是糞污處理的首選，因此以沼氣工程為核心優化組合其他處理技術，能有效促進生豬糞便的資源化利用，從根本上解決養豬業環境污染。

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