海南島1988—2018年畜禽糞尿氮磷負荷量及環境效應

丁尚，付陽，郭浩浩，宋晨陽，李博玲，趙洪偉

（1海南大學生態與環境學院/海南省農林環境過程與生態調控重點實驗室/海南省熱帶生態環境修復工程研究中心，海口570228；2海南大學動物科技學院，海口570228；3海南省畜牧技術推廣站，海口570100）

0 引言

【研究意義】近年來，隨著經濟的發展和農業集約化水平的提高，畜禽養殖業迅猛發展，在供給人們肉類產品的同時，畜禽廢棄物的管理不當也帶來了嚴重的環境問題[1]，造成耕地氮磷負荷過高[2]，水生生態系統富營養化[3-4]，病原微生物污染[5]等一系列問題，聯合國糧農組織已將畜禽養殖列為世界三大環境污染源之一[6]。因此對畜禽糞污的養分流動進行研究，從資源和環境角度進行優化，對在國家和區域尺度上制定合理布局和方案至關重要。【前人研究進展】目前，就畜禽糞尿資源化利用和環境問題的研究，國內外相關學者做了大量工作。如MISHIMA等[7-8]通過明確家畜排泄物的去向估算了糞肥的施用量，提出了合理的施肥水平，并就畜禽糞污的資源化利用做了進一步研究；而BASSANINO等[9]則從環境角度出發，基于氣候、土壤類型、作物生產力等數據，開發了一種對不同的農業環境進行空間描述的方法，據此分析了畜禽糞尿的環境效應。也有學者[10]引入了畜禽糞尿耕地負荷預警值來評判畜禽糞尿對土地的環境風險。在國家尺度上，王方浩等[11]通過確定估算方法和參數，估算了2003年我國養殖業糞尿產生量以及平均耕地負荷。在此基礎上，近年來研究人員就我國畜禽糞尿的能源潛力、還田總量和污染風險進行了系統研究[12-14]。在區域尺度上，易秀等[15]以陜西省為研究對象，估算了2006—2010年的畜禽糞尿排放量及負荷量，并評價了其對環境的污染壓力；李丹陽等[16]則從空間變化出發，研究了2016年山西省區域畜禽糞污產生量、養分負荷量、能源潛力及環境風險。【本研究切入點】有研究指出，海南單位耕地面積養分污染負荷較高，污染情況較嚴重[12,17-18]。而《國家生態文明試驗區（海南）實施方案》[19]中對農業的生態發展和土壤生態環境提出了高標準要求，因此，明確畜禽糞污耕地負荷及其環境效應對促進海南島生態建設意義重大。而對于海南省，大多數學者[17,20-21]僅從某一年出發，研究中多探討養殖數量、耕地負荷情況，鮮有在時空尺度上針對該區域畜禽糞尿養分流動、耕地負荷及其環境風險的具體研究。【擬解決的關鍵問題】以海南島為研究對象，核算1988—2018年海南島畜禽糞尿養分產生量以及單位耕地面積氮磷負荷，并通過畜禽糞尿耕地負荷預警值與環境風險指數來綜合評價其對環境產生的影響，以期為區域畜禽養殖布局和環境治理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海南島是我國第二大島，位于東經 108°37′—111°03′，北緯 18°10′—20°10′，面積約 3.39 萬平方千米。島內年平均氣溫24—27℃，全年無霜凍期，畜禽飼養周期短，出欄率較高，全島適宜放牧的地區達30%，對發展畜牧業具有較好的潛力。2018年本地有效耕地面積為43.90萬公頃，主要集中在沿海平原地區，而中部為山地丘陵地區，耕地面積較小，林地面積相對較大。1988—2018年，海南島畜牧業快速發展，截至2018年底，畜牧業總產值達245.32億元，牲畜年出欄量666萬頭，家禽年出欄量16 011萬只，其中肉蛋奶類總產量達84.71萬噸[22]。

1.2 數據及參數

本研究所需歷年海南島畜禽養殖數量、耕地面積等數據來自1989—2019年《海南省統計年鑒》（通過第三次全國農業普查，統計年鑒數據有所修正，根據2019年海南省統計年鑒，畜禽養殖部分 2013—2018年為最新修正數據）。考慮到不同時期及不同地區畜禽飼養周期的差異，選用豬年末出欄量、牛年末存欄量、羊年末存欄量、肉雞及鴨鵝年末出欄量、蛋雞年末存欄量作為養殖量進行計算。

對于不同地區，畜禽糞尿的排泄系數和養分含量有所差異，不同文獻給出的數據也不盡相同，本文采用農業農村部科教司與第一次全國污染普查領導小組辦公室于2009年聯合發布《第一次全國污染普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》[23]中南區域（含海南省）的參數，并借鑒張建杰等[24]對參數的修訂原則：豬產排污系數=1/3保育期產排污系數+2/3育肥期產排污系數；奶牛產排污系數即為產奶階段；役用牛產排污系數按育成牛階段算；肉牛產排污系數按育肥期算；蛋雞產排污系數按產蛋期算；肉禽產排污系數按肉雞的產排污系數計算。其他數據，如羊的產排污系數來自耿維等[12]的研究，畜禽鮮重、飼養周期結合調研和文獻[24]獲得（表1）。

1.3 計算公式

1.3.1 畜禽糞尿養分產生量

式中，Q為畜禽糞尿養分產生總量；Qi為某一種畜禽糞尿產生量；Fi為飼養總量；Ri為該畜禽飼養周期；Wi為個體鮮重；Ni,N(P)為糞尿中氮或磷養分含量。

1.3.2 單位耕地面積氮磷負荷量LN(P)=QN(P)/A

式中，LN(P)為單位耕地面積氮磷負荷；QN(P)為糞尿氮磷產生量；A為有效耕地面積。

1.3.3 畜禽糞尿耕地負荷預警值 單位耕地面積氮磷負荷僅反映區域畜禽糞污是否超標，為判定糞尿排放對環境產生的威脅程度，還需要進一步劃分污染等級，參考沈根詳等[10]提出的方法對海南島畜禽糞尿單位耕地面積環境效應進行預警和分級。

表1 畜禽糞尿排泄系數及養分含量Table 1 Animal manure parameters and their nutrient contents

式中，R為預警值，q為畜禽糞尿負荷量。其中，M各類畜禽糞尿量；T為各類畜禽糞尿換算成豬糞當量的換算系數[10]；p為以豬糞當量計的有機肥最大適宜施用量，根據沈根祥、刁曉平等[10,25]的研究，此處取45 t·hm-2。

本文的分級參考沈根祥等[10]的研究，將R值分為＜0.4、0.4—0.7、0.7—1.0、1.0—1.5、1.5—2.5和＞2.5共6個級別，預警級別分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，對應的污染程度分別為無、稍有、有、較嚴重、嚴重和很嚴重。R值越大，說明畜禽糞污對生態環境的潛在危害越大。

1.3.4 畜禽糞尿氮磷環境風險評估 利用耕地對氮磷的承載力和單位豬的總氮磷排放量，將其他畜禽折算成豬當量，得出畜禽養殖的環境容量與實際養殖總量。

式中，EN/P為耕地總氮磷環境容量；A為有效耕地面積；SN/P為糞肥年施氮磷限量標準，SN=170 kg·hm-2，SP=35 kg·hm-2[26-27]；LE為畜禽養殖環境容量；r為單位豬年糞尿總氮磷排放量；CQ為畜禽養殖實際數量；DN(P)i為第i種畜禽糞尿年總氮磷排放量。

根據耿維、朱建春等[12,28]的研究，將實際畜禽養殖總量與50%環境容量比值作為風險指數，對海南島氮磷污染進行風險評估。

2 結果

2.1 海南島畜禽糞尿氮磷養分流動情況

由圖1-A可以看出，1988—2018年海南島畜禽糞尿產生總量大致分為3個階段，1988—2005年呈現持續增長趨勢，總量由12.05×106t增至17.95×106t，在2006年后出現較大規模下降，降低至11.32×106t，而2008年后緩慢增長并趨于穩定。這與海南省畜禽飼養量變化情況一致，此外，畜禽糞尿的總量也受畜禽排泄系數和飼養周期等因素影響，由于牛類飼養周期長，排泄系數大，雖然近30多年牛的養殖不占優勢，但其糞尿產生量始終較高，同樣地，受養殖周期和排污系數影響，禽類排污總量較低，隨著豬的養殖總量增加，其排污占比逐漸升高。

就養分產生量來看（圖 1-B），糞尿氮磷年際間變化趨勢相似，1988—2005年糞尿氮由 5.82×104t增至10.10×104t，到2006年降至6.78×104t，此后緩慢增長，2013年以后，由于系數修正，養殖總量較2012年以前差距較大，但從總量變化來看，近年趨于穩定，保持在 7.00×104t。1988—2005年糞尿磷由0.98×104t增至 1.56×104t，2006 年降至 1.01×104t，2007—2012年保持增長的趨勢，近年來維持在1.00×104t。

2.2 海南島畜禽糞尿單位耕地面積氮磷負荷量

畜禽糞尿單位耕地面積氮磷負荷在一定程度上反映畜禽糞污潛在的環境風險[29]，即假定所有糞尿無損失的進入耕地，將土地作為載體從而衡量整個區域水平上的畜禽污染。本文選取歐盟給出的數據（SN=170 kg·hm-2，SP=35 kg·hm-2[26-27]）作為糞肥施用限值，研究表明，超過此值即帶來氮磷的淋洗損失[27,30]。

1993—2005年、2008—2014年間單位耕地面積總氮負荷超標，2005年最高，為 242.60 kg·hm-2。近年來，氮負荷有所下降，但也接近限量值，總體反映出較嚴重的氮素污染。就單位耕地面積磷元素負荷來看，除2002—2005年超過標準限值，其余年份均未超標，近幾年更是呈現較低的水平，維持在22.00 kg·hm-2左右（圖2）。

從區域分布來看，2018年單位耕地面積氮磷負荷量區域差異較大，就氮負荷而言，定安、萬寧和澄邁數值較大，分別為288.50、277.28和269.52 kg·hm-2。而東方和臨高數值均低于100 kg·hm-2，分別為61.66和78.30 kg·hm-2，與氮元素相比，大部分市（縣）磷負荷在土壤限值以下，僅萬寧、定安、屯昌、澄邁數值超標，其中定安磷元素負荷最高，為40.35 kg·hm-2，最低的為東方，僅為8.83 kg·hm-2（圖3）。

2.3 海南島畜禽糞尿耕地負荷預警值

q和R受糞尿產生量的影響，故總體趨勢與畜禽養殖糞尿產生趨勢一致。但從具體數值來看（圖4），1988—2018年海南島畜禽糞尿耕地負荷預警值始終處于較高水平，大多數年份在 1.0—1.5，分級標準中達到Ⅳ級，對環境有較嚴重的影響。可以看出海南30多年來畜禽糞尿帶來的污染超過了耕地可承受負荷，對環境已經有較嚴重的威脅。其中 2005年預警值最高，為1.58，嚴重影響環境，1990年數值最低，為0.75，對環境有一定影響，近年數值在1.23左右，對環境有較嚴重的威脅。

圖1 1988—2018年海南島畜禽糞尿排放變化及養分產生量Fig. 1 Changes of manure emissions and nutrient production in Hainan Island from 1988 to 2018

圖2 1988—2018年海南島單位耕地面積總氮和總磷負荷Fig. 2 Loads of total nitrogen and phosphorus in unit cultivated land of Hainan Island from 1988 to 2018

圖3 2018年海南各區域單位耕地面積總氮和總磷負荷Fig. 3 Loads of total nitrogen and phosphorus in unit cultivated land area in Hainan Island in 2018

圖4 1988—2018年海南島豬糞當量負荷及耕地負荷預警值Fig. 4 Pig manure equivalent load and alarm value in Hainan Island from 1988 to 2018

空間分布上（表2），通過對各地區2018年預警值的計算，僅東方畜禽糞尿耕地負荷量對環境無威脅，R=0.36，此外，大部分市（縣）畜禽糞污均對環境帶來不同程度的影響，海口、三亞、儋州等地對環境有影響，文昌、保亭影響較嚴重，而瓊海、萬寧、屯昌預警值已達到Ⅴ級，對環境產生嚴重威脅，所有地區中最嚴重的是定安（2.66）和澄邁（4.59），達到Ⅵ級水平。這在一定程度上反映了海南區域尺度上畜禽糞污總量超過有效耕地可承受范圍，多余的養分或通過徑流、淋溶損失，或不斷積累使土壤板結肥力下降，引發較嚴重的環境問題[2]，并且部分地區（如澄邁）潛在環境問題已達到十分嚴峻的地步。

2.4 海南島畜禽糞尿氮磷環境風險

由 1.3.4中公式核算出海南島畜禽養殖的環境容量和實際養殖總量，為保持種植業和養殖業的合理發展，實際養殖量應達到或接近50%養殖容量[12]。過高即超過土壤環境實際容納量，其畜禽糞污有污染環境的風險，利用實際畜禽養殖總量與50%環境容量比值作為風險指數，對區域環境風險進行評估。

以氮為基準（圖 5-A），受耕地面積限制，海南島1988—2018年耕地總氮的養殖容量保持在0.055億頭豬當量，實際養殖總量在0.044—0.076億頭豬當量之間；以磷為基準（圖5-B），畜禽養殖容量在0.085億頭豬當量左右，實際養殖總量在0.055—0.096億頭豬當量之間，與耿維、朱建春等[12,28]在全國范圍研究上估算海南的數值差距較大，原因是在全國尺度上，前人基于《中國統計年鑒》，在核算耕地面積時使用

總耕地面積，而本文作者認為使用有效耕地面積作為畜禽糞污承載場所更符合實際情況。由圖5可以看出，1988—2018年環境風險指數均高于1.00，即海南島30多年來畜禽養殖均超過農地合理的環境容量，存在環境風險。其中數值較高的年份為2005年，環境風險指數為2.85（以氮計）和2.14（以磷計）。近年隨著養殖總量的控制，2018年環境風險指數下降到1.99（以氮計）和1.32（以磷計）。

表2 2018年海南各地區豬糞當量負荷及對環境的威脅分級Table 2 Pig manure equivalent load and the classification of threat to the environment of Hainan in 2018

圖5 1988—2018年海南島畜禽養殖的養殖容量、實際養殖總量及環境風險指數Fig. 5 Feeding capacity, actual amounts and environmental risk index of livestock and poultry in Hainan Island from 1988 to 2018

在空間分布上（表3），以氮為基準，2018年各地區僅有東方和臨高畜禽養殖未超過當地50%的養殖容量（即環境風險指數在1.00以下），海口、文昌等7個地區環境污染指數介于1.00—2.00，有較高的環境風險，三亞、五指山、定安等9個地區環境風險指數高于2.00，有嚴重的環境風險，其中定安在區域范圍內風險值最高，為3.39。以磷為基準，2018年東方、臨高和昌江環境風險指數在1.00以下，可認為畜禽糞污對環境影響較小。海口、三亞、文昌等11個地區環境風險指數介于 1.00—2.00，有較高的環境風險，萬寧、定安等4個地區環境風險指數高于2.00，有嚴重的環境風險，定安數值最高，為2.31。

表3 2018年各地區畜禽養殖的環境容量、實際養殖總量及污染風險指數Table 3 Feeding capacity, actual amounts and environmental risk index of livestock and poultry of different areas in 2018

3 討論

3.1 海南島畜禽糞尿氮磷產生變化分析

畜禽養殖規模和養殖結構在一定程度上影響了畜禽糞污總量。在不同歷史時期，畜牧業發展規模不同，人們對蛋白質的需求成為刺激畜牧業發展最重要的因素[31]，近年來畜牧業集約化水平的提高也促進了養殖規模的進一步擴大。而在2007年后，畜牧業發展被賦予資源高效性和環境友好型等要求，單純追求量的突破已經不適應新的發展需求[32]。且在 2006年后，受疫病和臺風等自然條件的影響，畜禽產量出現了較大幅度下降[18]，畜禽糞污含量隨之減少。此外由于養殖結構的不同，區域污染物排放也會有所差異，牛和豬的產排污系數較高，家禽的產排污系數較低，盡管近年家禽的養殖總量有較大增長，但氮磷排放量較前期未有明顯變化。正如YUAN等[33]研究表明，針對動物飲食結構的調整可較好地控制畜禽糞污總量。

3.2 海南畜禽養殖的耕地負荷分析

研究表明，海南島30多年來耕地畜禽糞便氮負荷較高，有潛在的環境風險，而磷負荷在合理范圍內，這與武淑霞等[34]基于2015年全國尺度的研究相近（海南單位耕地面積氮負荷超過150 kg·hm-2，磷負荷低于30 kg·hm-2），而與劉越等[20]基于2011年對海南研究中的磷負荷有一定差異，原因是基于不同標準，劉越等采用的磷排污系數相對較高，這也反映出在不同的標準下研究結果會有所差異。就耕地負荷的風險來講，耿維、朱建春等[12,28]研究也表明海南在全國范圍處于較嚴重水平。由于海南地區耕地面積較小，30多年來有效耕地面積維持在40萬公頃左右，而畜禽養殖過程中氮排污系數較高，隨著養殖總量的增加，其對耕地的壓力越來越大。就磷元素來講，則主要由于動物糞便中磷的排放系數較低使得耕地磷負荷量較小。在空間上，為優化資源配置，海南劃分“西部優勢畜牧業產區，中部生態畜牧區，東部畜牧適度發展區”[35]，因而澄邁（西部）畜牧業規模較大，畜禽糞污耕地負荷較高，而定安、萬寧等地雖在中東部，但由于耕地面積較小，氮磷負荷也保持在較高水平，故仍需進一步控制當地畜禽養殖規模，東方、臨高等地（西部）由于耕地面積較大，對畜禽糞污有較好的承載能力，氮磷負荷較低，為滿足生產需求，可進一步擴大養殖規模。

3.3 海南畜禽養殖的環境效應分析

值得指出的是，為得出畜禽糞尿耕地負荷預警值和環境風險指數，在計算過程中，使用的是畜禽糞污產生的總量，但在實際情況下，由于揮發、淋溶以及在運輸過程中的損失，畜禽糞尿無法全部進入耕地中，則基于公式得出的數值無法真正反映出其對環境的實際污染，但區域內污染物總量保持不變，故以耕地作為載體，據此可以反映區域內畜禽糞污總體的負荷量，進而判斷對環境是否具有威脅。關于海南畜禽養殖的耕地負荷預警值，周祖光、劉越等[17,20]曾進行相關研究，由于選擇的排污系數不同，結果與本文在對應的年份數值不完全一致，但差異不大。在全國尺度上，前人就海南耕地負荷預警值和環境風險指數也有研究[12,28,36]，不同年份的研究結果均顯示海南有較高的環境威脅，而本文研究結果顯示污染風險更高。原因是基于不同年鑒，所得到的耕地面積不同（前人統計了總耕地面積，本文采用有效耕地面積），前人研究時，針對海南有較多的土地去承受畜禽糞污，故預警值和風險值均較小。但從結果上，所有研究均指出海南地區耕地氮磷負荷量較高，環境威脅嚴重，因而有必要采取總量控制、污染預防和資源化利用等手段。在區域研究中，東部市（縣）的環境威脅要高于西部市（縣），這主要與區域耕地面積和養殖規模有關，而海南省現代農業“十三五”發展規劃（2016—2020）中對東部地區作出了適度發展畜牧業的要求[35]，故在今后發展中應進一步通過總量控制和污染防治減輕其對環境的威脅。其中定安、澄邁等地數值更是處于較高水平，環境風險較大，今后應加強針對這兩個區域的污染預防。

3.4 關于海南島畜禽糞污控制的對策

由畜禽業快速發展產生的大量畜禽糞污已經成為大多數區域生態環境污染的直接或間接因素[37]，針對畜禽糞污帶來的問題，GARRETT等[38]認為應綜合作物-畜禽系統的發展，提高農業的可持續性；馬林等[39]建議考慮生產布局并加強區域間協同發展。本文綜合前人研究和本地發展實際，認為應從管理和技術兩大方面出發，具體如下：（1）管理上首先統籌區域布局，不僅僅按照西部、中部和東部這種較寬泛的養殖區劃分，而是充分考慮耕地面積，以及中部林地面積對發展林下畜牧業的可能性，同時因地制宜推廣種養結合模式；其次是從立法和管理條例角度[40]，政府對集約化養殖場進行結構調整、管理和排污限度劃分；此外，推進畜禽糞污資源化、能源化途徑，如沼氣工程和有機肥廠建設。（2）針對一定規模的畜禽養殖場可以考慮精細畜牧養殖模式（PLF），即采用相關電子設備監控場內環境（包括微環境和氣體排放）以達到及時處理的效果[41]，另外，按照“廢棄物+清潔能源+有機肥”三位一體技術路線，改造完善規模畜禽場基礎條件，對糞污進行固液分離、厭氧消化和好氧生物處理[42]，同時推廣多原料全混式發酵、全自動高溫好氧發酵等技術。與此同時，基于循環利用的原則，開發畜禽糞污作為水產養殖飼料的利用方式和處理技術，以及大力開發和推廣蚯蚓轉化畜禽糞便和秸稈等農業廢棄物的蚯蚓糞肥技術。

4 結論

受養殖規模、飼養周期和排污系數等影響，1988—2018年海南島畜禽糞尿總量和氮磷養分產生量大致經歷了上升、下降和穩定3個發展階段。當前海南島單位耕地面積氮負荷較嚴重，接近施用限值，區域間差異較大，呈現東高西低的特點，大多數市（縣）氮負荷超標，而磷負荷總體在合理范圍內。就環境風險來看，畜禽糞尿耕地負荷預警值和環境風險指數均反映出30多年來海南畜禽糞污潛在環境影響嚴重，東部地區對環境的威脅要高于中西部地區。

產生這一系列變化的原因與當前畜禽養殖規模、有效耕地面積和區域養殖布局有關，當前較為粗放式的畜禽養殖和管理方式已難以適用于海南島農業綠色發展要求，為減少畜禽糞污帶來的環境問題，應著力于提升技術和管理水平，通過集中處置、循環利用等手段降低畜禽糞污向環境的排放量，推廣種養結合模式加快對糞肥的處理，以及針對區域發展合理布局養殖規模，保證土地對畜禽糞污的有效消納。