武漢市高密度畜禽養(yǎng)殖區(qū)識(shí)別分析及糞污管控

陶利文，阮 征，代長(zhǎng)云，劉志偉，鄧 兵，彭 霞，邵中保，濮振宇

（1.武漢市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，武漢430014；2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，武漢430208）

畜牧業(yè)綠色發(fā)展是生態(tài)文明建設(shè)的重點(diǎn)工作，畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展是助推鄉(xiāng)村振興的重要抓手。武漢市堅(jiān)持保供給與保環(huán)境并重，堅(jiān)持源頭減量、過程控制、末端利用的治理路徑，以綠色生態(tài)為導(dǎo)向，把農(nóng)村能源建設(shè)與畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用結(jié)合起來，積極開展畜禽糞污綜合治理，推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理及資源化利用。目前，武漢市在農(nóng)村面源污染綜合治理方面取得了很大的進(jìn)步，在畜禽糞污治理方面，全市畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化綜合利用率達(dá)到了96.82%，規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施裝備配套率達(dá)到了98.28%。但與此同時(shí)，在糞污資源化利用（還田利用）的過程中，糞肥超負(fù)荷施用問題不容忽視。齊開等［1］研究表明武漢市禽畜糞便耕地負(fù)荷呈現(xiàn)出自中心向邊界逐漸增大的特點(diǎn)，北部的黃陂區(qū)和南部的漢南區(qū)、江夏區(qū)畜禽糞便耕地負(fù)荷較高，其中江夏區(qū)的畜禽糞便耕地負(fù)荷達(dá)到56.13 t/hm2。

糞肥過量輸入農(nóng)田，可能導(dǎo)致土壤氮、磷超標(biāo)，造成農(nóng)作物生長(zhǎng)異常，產(chǎn)量降低。而且長(zhǎng)期氮、磷積累，將會(huì)縮短耕地利用年限，降低氮磷的利用效率，使得土壤中氮、磷元素?fù)]發(fā)和淋失，污染大氣和水源［2，3］。為提高武漢市畜禽糞污資源化利用的安全性，有必要對(duì)武漢市養(yǎng)殖高密度區(qū)的糞肥還田進(jìn)行合理管控。但目前有關(guān)武漢高密度養(yǎng)殖區(qū)的數(shù)據(jù)有待完善和更新，如養(yǎng)殖集中區(qū)的精確分布、畜禽糞污的土地承載量以及糞肥還田的作物選取等，在一定程度上影響了政府主管部門的科學(xué)決策。因此，本研究結(jié)合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部直聯(lián)直報(bào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、2020年武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒以及國家最新政策文件要求，對(duì)武漢市各養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，篩選出當(dāng)前武漢市高密度養(yǎng)殖區(qū)，并為其糞污還田過程提供科學(xué)建議。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來自于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部直聯(lián)直報(bào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、2020年武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒和2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》［4］（以下簡(jiǎn)稱《指南》）。其中，統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)為武漢市各行政區(qū)國土面積和耕地面積、農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量、畜禽存欄量和出欄量。來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部直聯(lián)直報(bào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)包括各遠(yuǎn)城區(qū)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量、畜禽存欄量和出欄量。引用《指南》中的數(shù)據(jù)包括單位豬當(dāng)量的氮和磷供給量、不同畜種對(duì)應(yīng)豬當(dāng)量的換算關(guān)系、糞肥中氮（磷）的當(dāng)季利用率、土壤不同氮（磷）養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比和主要作物100 kg收獲物需氮、磷數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 畜禽糞污氮（磷）供給量的測(cè)算畜禽糞污氮（磷）供給量的計(jì)算公式如下。

其中，Q為糞污中氮（磷）的供給量（t）；Ni為第i種畜種的飼養(yǎng)量（只）；CN和CP為常數(shù)，分別為單位豬當(dāng)量氮和磷的供給量（kg/豬當(dāng)量），其中CN為7 kg/豬當(dāng)量，CP為1.2 kg/豬當(dāng)量；Pi為不同畜種的豬當(dāng)量換算常數(shù)，豬為1，肉牛、奶牛、羊和家禽分別按照6.7、3.3、0.4、0.04計(jì)算。

1.2.2 養(yǎng)殖場(chǎng)需配套的作物種植面積測(cè)算規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)需配套的作物種植面積的計(jì)算公式如下。

其中，S為對(duì)應(yīng)種植作物所需的配套面積（hm2）；Q為養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的氮（磷）供給量（kg）；MR為糞肥當(dāng)季利用率（%），糞肥氮素當(dāng)季利用率取值范圍為25%~30%，取值30%，糞肥磷素當(dāng)季利用率取值范圍為30%~35%，取值35%；Y0為對(duì)應(yīng)種植作物的預(yù)期單產(chǎn)（kg/hm2）；M為該農(nóng)作物每形成100 kg產(chǎn)量所需氮量（kg），W為該農(nóng)作物每形成100 kg產(chǎn)量所需磷量（kg）；FP為農(nóng)作物總氮（磷）需求量中施肥供給占比（%），與土壤中氮磷養(yǎng)分水平有關(guān)，占比35%、45%、55%分別對(duì)應(yīng)土壤氮磷養(yǎng)分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，本研究參照任文海等［5］關(guān)于湖北省耕地地力等級(jí)的研究結(jié)果，F(xiàn)P取值45%。

1.2.3 氮、磷負(fù)荷測(cè)算區(qū)域耕地氮（磷）負(fù)荷=區(qū)域內(nèi)糞便氮（磷）養(yǎng)分供應(yīng)量/耕地面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢市畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量分布特征

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部直聯(lián)直報(bào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，對(duì)武漢市1 117個(gè)規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)比例分布如圖1所示，養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量最多的為蛋禽養(yǎng)殖場(chǎng)，占所有養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量的40.22%，肉禽養(yǎng)殖場(chǎng)占比31.12%，生豬養(yǎng)殖場(chǎng)占比23.73%，羊養(yǎng)殖場(chǎng)占比2.78%，牛養(yǎng)殖場(chǎng)占比2.06%，其他養(yǎng)殖場(chǎng)僅占0.09%。

圖1 武漢市不同畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)比例

武漢市共有7個(gè)中心城區(qū)和6個(gè)新城區(qū)，7個(gè)中心城區(qū)已全面退出養(yǎng)殖，6個(gè)新城區(qū)按照市生態(tài)環(huán)境局聯(lián)合市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局印發(fā)的《關(guān)于開展畜禽禁止養(yǎng)殖區(qū)劃定情況排查及超范圍劃定禁養(yǎng)區(qū)整改工作的通知》（武環(huán)〔2019〕102號(hào)）調(diào)整了養(yǎng)殖區(qū)域。對(duì)各行政區(qū)的養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行了分析（圖2），新洲區(qū)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量占全市養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量的40.56%，主要為蛋雞養(yǎng)殖場(chǎng)；其次是江夏區(qū)，占37.78%，養(yǎng)殖場(chǎng)種類最多的是肉雞養(yǎng)殖場(chǎng)；黃陂區(qū)的養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量占全市數(shù)量的19.96%，主要以蛋雞和生豬為主，這3個(gè)區(qū)占了全市養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量的98.3%。

圖2 不同行政區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)比例分布

就養(yǎng)殖場(chǎng)分布密度而言，新洲區(qū)、江夏區(qū)和黃陂區(qū)位居前3，養(yǎng)殖場(chǎng)密度分別為0.310、0.209和0.099個(gè)/km2，是武漢市規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)密度最高的區(qū)域（表1）。

表1 武漢市新城區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)分布密度

2.2 武漢市畜禽養(yǎng)殖當(dāng)量分布特征

采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》方法，結(jié)合武漢市2020年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，對(duì)武漢市不同種類畜禽的養(yǎng)殖量以豬當(dāng)量為單位進(jìn)行換算。

2019年底，全市生豬存欄86.28萬頭、年末家禽存籠1 776.95萬只（71.08萬頭豬當(dāng)量）、奶牛存欄3 145頭（2.10萬頭豬當(dāng)量）、肉牛存欄60 703頭（20.23萬頭豬當(dāng)量）、羊存欄32 171頭（1.29萬頭豬當(dāng)量），全市合計(jì)約180.98萬豬當(dāng)量。

分區(qū)域進(jìn)行分析，3個(gè)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)較為集中區(qū)域中新洲區(qū)和江夏區(qū)的畜禽養(yǎng)殖當(dāng)量較為接近，總量都在63萬頭豬當(dāng)量左右，明顯高于黃陂區(qū)（表2）。漢南區(qū)、蔡甸區(qū)和東西湖區(qū)的養(yǎng)殖當(dāng)量明顯小于新洲區(qū)、江夏區(qū)和黃陂區(qū)。就不同畜種而言，新洲區(qū)的蛋雞養(yǎng)殖當(dāng)量占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而江夏區(qū)和黃陂區(qū)則主要以生豬養(yǎng)殖當(dāng)量為主，這也在一定程度上反映出3個(gè)養(yǎng)殖集中區(qū)域的畜禽產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

表2 武漢各遠(yuǎn)城區(qū)畜禽養(yǎng)殖總量及單位土地面積豬當(dāng)量情況

就單位國土面積豬當(dāng)量而言，新洲區(qū)、江夏區(qū)和黃陂區(qū)仍然位列前3，但是值得注意的是，盡管漢南區(qū)養(yǎng)殖總量較小，由于轄區(qū)國土面積較小，導(dǎo)致單位土地面積的養(yǎng)殖量偏大，需要對(duì)該區(qū)域內(nèi)的畜禽糞污資源利用活動(dòng)加強(qiáng)指導(dǎo)與管控。

2.3 武漢各區(qū)耕地的畜禽糞肥氮負(fù)荷分布情況

依據(jù)全市備案的養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)計(jì)存欄與出欄量計(jì)算滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)養(yǎng)殖場(chǎng)的飼養(yǎng)量，利用式（1）計(jì)算每個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)氮肥養(yǎng)分供給量，然后得到各個(gè)行政區(qū)養(yǎng)殖糞污的總氮養(yǎng)分供給量，再計(jì)算出2019年各行政區(qū)耕地的畜禽糞污氮負(fù)荷（kg/hm2）。利用ArcMap軟件將各個(gè)區(qū)的畜禽糞污承載量劃為5個(gè)等級(jí)，得到各區(qū)畜禽糞污氮負(fù)荷分布圖（圖3）。由圖3可知，江夏區(qū)的耕地糞肥氮負(fù)荷最高，為121.96 kg/hm2，其次是新洲區(qū)的88.90 kg/hm2、黃陂區(qū)的52.22 kg/hm2，漢南區(qū)、東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)依次遞減。

圖3 武漢市各區(qū)耕地畜禽糞污氮負(fù)荷分布

當(dāng)各養(yǎng)殖場(chǎng)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，江夏區(qū)、新洲區(qū)和黃陂區(qū)是武漢市內(nèi)畜禽糞污氮負(fù)荷較大區(qū)域，某些街道可能面臨糞肥還田壓力較大的情況，需要進(jìn)一步精細(xì)化分析。

2.4 武漢市畜禽養(yǎng)殖集中區(qū)域氮排放情況分析

為了更加精細(xì)評(píng)估養(yǎng)殖集中區(qū)域內(nèi)糞污的氮排放情況，以街道為單位，統(tǒng)計(jì)江夏區(qū)、新洲區(qū)以及黃陂區(qū)內(nèi)各街道畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)的糞污氮排放情況。江夏區(qū)9個(gè)街道中氮排放較大的街道是烏龍泉街道、山坡街道以及鄭店街道，氮排放量占江夏區(qū)畜禽糞污氮總排放量的63.68%，養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量占全區(qū)總量的83.41%，排放分布非常集中。而戶均氮排放量最大的為湖泗街，其次為舒安街和法泗街，其主要原因在于該街道養(yǎng)殖戶數(shù)較少，且以豬場(chǎng)為主。鄭店街道養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量最多，戶均氮排放量最低2.75 t，主要以小而密集分布的肉雞養(yǎng)殖場(chǎng)為主（表3）。

表3 江夏區(qū)各街道畜禽養(yǎng)殖糞污氮排放量

對(duì)新洲區(qū)的氮排放情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)新洲區(qū)13個(gè)街道中氮排放量較大的街道包括李集、三店、汪集和鳳凰，4個(gè)街道的氮排放總量占全區(qū)氮排放總量的67.39%，養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量占全區(qū)總量的63.80%，是新洲區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)分布和氮排放的集中區(qū)域。就戶均氮排泄量而言，辛沖街道和徐古街道較高，而漲渡湖林場(chǎng)區(qū)域較小（表4）。

表4 新洲區(qū)各街道畜禽養(yǎng)殖糞污氮排放量

對(duì)黃陂區(qū)的氮排放情況進(jìn)行了分析，黃陂區(qū)氮排放量較大的街道主要集中在李集街、木蘭鄉(xiāng)和六指街道，氮排泄量均超過350 t。對(duì)戶均氮排放量分析發(fā)現(xiàn)，戶均氮排放量較大的地方為木蘭鄉(xiāng)、蔡榨街，主要原因是其養(yǎng)殖場(chǎng)單體的規(guī)模較大（表5）。小區(qū)域內(nèi)大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)集中產(chǎn)生的糞污需要配套科學(xué)的處置方法、足夠的糞污消納土地。

表5 黃陂區(qū)各街道畜禽養(yǎng)殖糞污氮排放量

2.5 武漢市養(yǎng)殖集中區(qū)糞污還田適宜的農(nóng)作物及配套土地面積

以年出欄1萬頭的豬場(chǎng)、存欄量500頭的奶牛場(chǎng)、存欄量1萬羽的蛋雞場(chǎng)、年出欄量5萬羽肉雞場(chǎng)以及存欄量5 000頭的羊場(chǎng)作為規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)參考對(duì)象，將2019年武漢市相應(yīng)的農(nóng)作物實(shí)際產(chǎn)量作為糞肥返田種植作物的預(yù)期產(chǎn)量（表6），利用式（3）計(jì)算出不同畜種糞污還田所需配套土地面積（表7、表8）。由表6可知，2019年武漢市單產(chǎn)最高的農(nóng)作物是甘蔗，產(chǎn)量達(dá)到47 154 kg/hm2，其次是水稻和玉米。產(chǎn)量最低的農(nóng)作物是茶葉，產(chǎn)量為442 kg/hm2。

表6 2019年武漢市主要農(nóng)作物的產(chǎn)量及所需氮磷量

由表7可知，以當(dāng)前武漢市內(nèi)主要農(nóng)作物的平均生產(chǎn)水平為基準(zhǔn)，如果以農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求和糞肥氮養(yǎng)分供給平衡為基礎(chǔ)估算，僅使用糞肥作為種植肥料，選擇油料作物（花生、油菜、芝麻）作為種植品種，所需要的配套農(nóng)田面積最小，其次是水稻和大豆。選擇種植茶葉需要的配套土地面積最大。

表7 武漢市規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田所需匹配的土地面積推薦值（以N為基礎(chǔ)）

由表8可知，以農(nóng)作物磷養(yǎng)分需求和糞肥磷養(yǎng)分供給平衡為基礎(chǔ)估算，僅使用糞肥作為肥料，水稻是武漢市主要農(nóng)作物品種中最適宜選取的返田作物，其次是小麥、棉花以及油料作物。因此，綜合糞肥還田的土壤氮、磷養(yǎng)分平衡要求，武漢市畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)最適宜選擇的糞污還田農(nóng)作物為水稻。以保證糞肥氮、磷不過量為標(biāo)準(zhǔn)，在配套面積方面，年出欄量10 000頭的豬場(chǎng)所需的水稻種植面積至少在139.88 hm2以上，磷肥不足的部分可以化肥等形式補(bǔ)充。

表8 武漢市規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污還田所需配套土地面積推薦值（以P為基礎(chǔ)）

在湖北省主要的農(nóng)作物中，以磷平衡為基礎(chǔ)計(jì)算的配套面積和以氮平衡為基礎(chǔ)計(jì)算的面積都存在較大差異，對(duì)大多數(shù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求而言，糞肥中的氮磷比都不適宜。在實(shí)際進(jìn)行糞肥還田時(shí)，都必須根據(jù)土壤氮（磷）本底值和作物的實(shí)際生長(zhǎng)狀況配合施用其他肥料。

3 小結(jié)與討論

武漢市畜禽養(yǎng)殖主要以家禽為主，家禽養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)量占養(yǎng)殖場(chǎng)總數(shù)的71.34%，生豬養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量?jī)H占養(yǎng)殖場(chǎng)總量的23.73%。但是在考慮到畜種差異，將畜禽養(yǎng)殖量統(tǒng)一以豬當(dāng)量為單位進(jìn)行估算時(shí)，武漢市養(yǎng)殖當(dāng)量最大的是生豬，其次是家禽和肉牛，而奶牛、羊在武漢市的養(yǎng)殖量相對(duì)較低。由此可知，生豬和家禽是武漢市畜禽養(yǎng)殖中主要構(gòu)成板塊。

在養(yǎng)殖密度方面，對(duì)武漢市各區(qū)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量、養(yǎng)殖量以及對(duì)應(yīng)糞污還田耕地氮負(fù)荷等數(shù)據(jù)的綜合評(píng)估發(fā)現(xiàn)，江夏區(qū)、新洲區(qū)和黃陂區(qū)是武漢市養(yǎng)殖高密度區(qū)和糞污還田壓力較大的區(qū)域，但這些區(qū)域的耕地氮負(fù)荷整體都尚在歐盟的限量標(biāo)準(zhǔn)［6］（單位面積耕地總氮負(fù)荷為170 kg/hm2）以下。在這3個(gè)區(qū)域內(nèi)的糞污管控中，需要重點(diǎn)關(guān)注江夏區(qū)的烏龍泉街道、山坡街道以及鄭店街道，新洲區(qū)的李集、三店、汪集和鳳凰街道，以及黃陂區(qū)的李集街、木蘭鄉(xiāng)和六指街道。此外，在大型養(yǎng)殖場(chǎng)分布的街道需要防范小范圍的糞污過量還田，如江夏的湖泗街道、舒安街道，這些街道的養(yǎng)殖場(chǎng)戶均氮排放量較高。

目前，武漢市家禽養(yǎng)殖場(chǎng)的糞便處理通常是以集中收集轉(zhuǎn)運(yùn)生產(chǎn)有機(jī)肥為主，而生豬養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污則多數(shù)通過厭氧發(fā)酵處理，產(chǎn)生的沼渣、沼液用來作為種植肥料。因此，科學(xué)選擇種植作物以最大程度消納養(yǎng)殖糞污尤為關(guān)鍵。本研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)殖糞污還田的作物選擇方面，從糞肥的高效利用角度來說，武漢市最適宜的還田農(nóng)作物是水稻。以一個(gè)萬頭豬場(chǎng)為例，至少需要配套140 hm2的水稻種植土地。但糞肥在還田過程中由于不同作物對(duì)于氮、磷的需求量各異，往往單純的糞肥無法滿足農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)需要，需要額外補(bǔ)充其他形式肥料。

武漢市內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖整體呈現(xiàn)區(qū)域性集中分布特點(diǎn)，因此應(yīng)針對(duì)糞污排泄集中區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)指導(dǎo)及管控。在養(yǎng)殖糞污的還田利用方面要選擇適宜的農(nóng)作物和適當(dāng)?shù)呐涮淄恋孛娣e，在武漢市推薦選擇種植水稻作為消納糞肥的作物品種。