貴州畜禽養殖污染負荷預警研究*

田文勇，毛昆，張翊紅，吳蔓，陳玉

(1. 銅仁學院經濟管理學院,貴州銅仁,554300; 2. 銅仁學院鄉村振興中心,貴州銅仁,554300; 3. 貴州財經大學管理科學與工程學院,貴陽市,550025)

0 引言

近年來,隨著我國農業產業結構調整,畜禽養殖業逐漸成了廣大農村地區農民創業增收的有效途徑,但畜禽養殖數量的增多導致的畜禽污染問題也愈發嚴重。據《第二次全國污染源普查公報(2020)》,畜禽養殖產生的化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)分別為10 005.3 kt、596.3 kt、119.7 kt,占農業源的比重分別為94%、42%和56%[1],表明畜禽養殖業所帶來的污染已經嚴重威脅到生態環境。

畜禽養殖污染對環境承載力負荷的風險評估是衡量當地畜禽養殖污染是否嚴重的一種指標。相關學者大多數采用排污系數法來估算畜禽污染物的排放量,如董紅敏[2]、周天墨[3]等分析了畜禽養殖業產污系數和排污系數計算方法;龔世飛等[4]則運用污染負荷估算法估算了丹江口庫區農業面源污染量,發現畜禽污染仍是該區域主要的污染源;黃鑫等[5]核算了遼河流域畜禽糞便對農田的承載力,發現畜禽糞便已經對部分縣域的農田造成了污染;而郭姍姍[6]、郝守寧[7]、于娜[8]、豆志杰[9]、周芳[10]等運用上述方法分別對四川、林芝、山東、吉林、西藏等地的畜禽污染進行估算并分析了污染對環境的影響。除此之外,也有學者運用其他方法對區域養殖污染負荷進行研究,如運用環境庫茲列茲曲線[11]、GIS[12]、AnnAGNPS模型[13]等。

上述研究為本研究提供了很好的借鑒,但是這些研究主要集中在畜牧業發達或養殖占比較大的區域,且存在養殖污染負荷預警研究不系統等缺陷。因此,針對現有研究之不足,本文將以貴州省畜禽養殖污染為研究對象,運用排污系數法、土地承載方法對貴州省及各市州畜禽養殖污染負荷預警進行研究,探討貴州省各市州畜禽養殖對農田環境造成的污染風險,對如何治理畜禽養殖污染提出對策建議。

1 貴州畜禽養殖污染負荷估算數據來源及指標選取

1.1 畜禽飼養量及飼養周期

本研究選取的畜禽養殖飼養量數據來源于2007—2021年《貴州統計年鑒》《貴陽統計年鑒》《遵義統計年鑒》《六盤水統計年鑒》《安順統計年鑒》《畢節市國民經濟與社會發展統計公報》《銅仁統計年鑒》《黔西南州國民經濟與社會發展統計公報》《黔東南州統計年鑒》《黔南州國民經濟與社會發展統計公報》。

由于大部分學者對畜禽養殖飼養周期、存/出欄量數據選取有較大差異,本研究將根據貴州省實況,參考劉曉永等[14]研究確定貴州省畜禽飼養周期,分別是:(1)貴州省的豬飼養周期一般小于一年,且在養殖期間豬也會產生污染物,因此飼養周期為180天,飼養量為出欄量;(2)牛、羊的飼養周期較長,飼養周期估算為365天,飼養量為當年存欄量;(3)家禽由于貴州省各市州年鑒中基本以出欄量為基準,且家禽包含種類較多,故本研究對于家禽的飼養周期估算為68天,飼養量為出欄量,2007—2020年貴州省各市州畜禽平均飼養量見表1。

表1 2007—2020年貴州省各市州畜禽平均飼養量Tab. 1 Livestock and poultry production of different cities and prefectures in Guizhou Province from 2007 to 2020

1.2 農業土地基本情況

貴州省的地形地貌以山地、丘陵為主,平原地區較少,一直以來被稱為“八山一水一分田”,貴州農業土地面積主要由旱地、林地、園地、水田、菜地等組成,其中旱地、水田、菜地在《貴州統計年鑒》中劃分為常用耕地面積,且主要種植人們日常食用的糧食作物,種植時會進行糞尿灌溉,這不僅可以減少化肥的使用,降低成本,還可以消納溶解畜禽所帶來的糞尿污染,由此表明畜禽養殖污染對旱地、水田、菜地存在污染風險。而園地、林地基本不用糞尿灌溉,所以園地、林地面積將不予計算,因此本研究所采用的農業土地數據為《貴州統計年鑒》及各市州統計年鑒所公布的農業常用耕地面積。

在對《貴州統計年鑒》數據進行分析時,發現貴州省從2007—2020年各個市州農業常用耕地面積變化基本不大,故本研究涉及的各市州農業常用耕地面積數據取其歷年均值,見表2。

表2 貴州各市州農業常用耕地面積平均值Tab. 2 Average area of agricultural commonly used cultivated land in various cities and prefectures of Guizhou Province

1.3 畜禽糞便排泄系數及污染物含量

1) 畜禽糞便排泄系數。畜禽糞便排泄系數主要是根據豬、牛、羊、家禽飼養方式來確定的,由于種類、生理結構、所喂食的飼料、體型的輕重不同,其排泄系數也不同。因此本研究涉及的畜禽養殖日排泄系數采用《全國畜禽養殖業糞便污染監測核算方法與產排污系數手冊》[15]及其景棟林等[16]相關文獻推薦的估算系數,并基于貴州的實際情況估算,見表3。

表3 畜禽糞便污染排泄系數表Tab. 3 Pollution and excretion coefficients of livestock and poultry feces

2) 畜禽污染物含量。在進行文獻梳理時發現畜禽糞便所含有的污染物N、P、K等污染元素含量較穩定,本研究以國家環境保護總局[17]推薦的數據為主,并參考景棟林等[16]推薦的畜禽糞便污染物含量及其流失率百分比,見表4。

表4 畜禽糞便污染物含量及其流失率Tab. 4 Pollutant content and loss rate of livestock and poultry feces

2 貴州畜禽養殖污染估算與負荷預警研究方法

2.1 畜禽糞便量及含量、流失量計算方法

本文參考郭姍姍[6]、陳麗虹[18]等的研究方法對貴州畜禽污染物進行估算,計算公式如式(1)～式(3)所示。

Q=N×T×P×10-3

(1)

Lp=Q×Le×10-3

(2)

Vq=Lp×Vr

(3)

式中:Q——總的畜禽糞便產生量,t;

N——各類畜禽飼養量,頭/只;

T——飼養周期數,d;

P——日排泄系數,kg/d;

Lp——畜禽糞便污染物產生量,t;

Le——畜禽糞便污染物含量,kg/t;

Vq——污染物流失量,t;

Vr——污染物流失率,%。

2.2 土地承載計算方法

1) 豬糞當量負荷計算方法。土地承載負荷是反映各市州土地所能承載的畜禽糞便污染負荷的一種基本現象,但本文研究的對象是豬、牛、羊、家禽,其糞便作為有機肥施入土地時,產生的效果存在差異。本文借鑒黃美玲[19]、王忙生[20]等的研究方法,將各類畜禽糞便換算成以豬糞當量進行計算,計算公式如式(4)所示。

q=Q/S=∑X×F/S

(4)

式中:q——土地承載負荷,t/hm2;

S——農業常用耕地面積,hm2;

X——畜禽糞尿量,t;

F——各類畜禽糞便以豬糞當量的換算系數。

各類畜禽糞便以豬糞當量的換算系數見表5。

2) N、P負荷計算方法。N、P負荷主要是計算出豬糞當量在1 hm2農業常用耕地面積的N、P磷負荷量,進而衡量貴州省土地污染情況。本研究將參考郭姍姍等[6]的研究方法,計算氮、磷負荷量,豬糞中N占0.65%、P占0.165%,計算公式如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

式中:qN——單位耕地面積氮負荷量,kg/hm2;

qP——單位耕地面積為磷負荷量,kg/hm2。

2.3 負荷預警值計算方法

對于畜禽養殖污染的土地承載計算在理論上只是為了表達出一個地方的土地面積污染負荷量,并不能完全反饋出畜禽所產生的污染是否對環境存在威脅性。因此在計算畜禽糞便土地承載負荷時,需要進行

預警值分級,計算公式如式(7)所示。

r=q/p

(7)

式中:r——當地畜禽糞便量承受程度有關的預警值;

p——單位農業常用耕地面積畜禽糞便最大施肥適宜量,t/hm2。

對于單位常用耕地面積畜禽糞便最大施肥適宜量,本文采用的是國家環境保護總局[17]推薦的1 hm2農業土地畜禽糞便負荷為30～50 t,當超過這一范圍時,會導致土壤肥沃力下降,農作物產量降低,通過對貴州省各市州統計年鑒數據分析,確定本文選取的單位農業常用耕地面積畜禽最大有機肥適宜量為40 t。

由式(7)可得,當p不變時,隨著q的增大,r警戒值越大,表明污染環境風險越高,預警值分級見表6。

表6 畜禽養殖污染預警值分級Tab. 6 Pollution warning levels of livestock and poultry breeding

3 貴州畜禽養殖污染估算與負荷預警結果分析

3.1 畜禽養殖糞便量分析

貴州省各市州畜禽糞便量計算結果見表7,2007—2020年各類畜禽糞尿排放量合計100 248.79 kt,其中糞合計62 569.98 kt、尿合計35 766.40 kt。

表7 2007—2020年貴州省各市州各類畜禽糞便量Tab. 7 Volume of various types of livestock and poultry manure in cities and states in Guizhou Province from 2007 to 2020 kt

通過《貴州統計年鑒》數據發現,2007—2020年貴州省的工業固體廢棄物產生總量為8 1 260.75 kt,對比之下貴州省畜禽糞尿污染量是工業固體廢棄物的1.23倍,污染問題比較嚴峻。豬、牛、羊、家禽的糞尿總量分別為16 097.82 kt、79 770.79 kt、2 467.77 kt、1 912.41 kt,分別占比16.06%、79.57%、2.46%、1.91%,從計算結果來看牛產生的糞尿最多,其次為豬、羊、家禽,羊由于飼養量較少,故畜禽糞便排放量較少,而家禽雖然飼養數量最多但是其排污系數較小因此計算出的糞便污染量最少,由此也反映出各類畜禽由于生理結構、飼養方式存在差異,產生的糞便量也會有所差異,造成的環境污染程度也不同。

3.2 畜禽糞便所含污染物產量及流失量分析

畜禽糞便所含污染物產量及流失量見表8,畜禽糞便污染物COD、BOD、NH3-N、TP、TN的排放直接影響著貴州省土地質量和水體污染情況。由表8可知,貴州省各市州畜禽糞便排放的污染物總量為5 184.87 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN排放量分別為2 349.73 kt、1 940.04 kt、225.15 kt、117.81 kt、552.14 kt,分別占比45.32%、37.42%、4.34%、2.27%、10.65%;從計算結果來看,COD、BOD的平均排放總量占比最大,表明其污染負荷量最高,而TP、TN、NH3-N平均排放總量偏小,表明污染負荷量較低。

表8 畜禽糞污所含污染物產量及流失量Tab. 8 Output and loss of pollutants in livestock and poultry manure kt

貴州省畜禽糞便污染物的流失總量為630.41 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN流失量分別為252.44 kt、170.14 kt、54.37 kt、13.96 kt、1 390.50 kt,分別占比40.04%、26.99%、8.62%、2.22%、22.13%。由此可見COD既是該區域的排放主體也是流失主體,貴州省年降水量為850～1 600 mm,屬于濕潤地區,加之貴州屬于喀斯特地貌又地處珠江與長江上游,地下溶洞較多,地表滲透力較強,若污染物得不到有效控制而流入水中,將會對貴州的水質造成巨大破壞甚至造成“跨界污染”。

3.3 土地承載力負荷預警分析

貴州省各市州畜禽糞便土地承載負荷見表9。由表9可知,貴州省各市州豬糞當量土地負荷的均值為53.33 t/hm2,根據式(7)、表6數據估算出貴州省的豬糞當量負荷平均預警值為1.33,預警等級為Ⅳ,屬于污染較大。

表9 2007—2020年貴州省各市州畜禽糞便土地承載負荷Tab. 9 Land load bearing capacity of livestock and poultry manure in various cities and prefectures in Guizhou Province from 2007 to 2020

其中貴陽市、六盤水市、遵義市、安順市、畢節市、銅仁市、黔西南州、黔東南州、黔南州的預警值分別為0.39、1.40、1.10、1.93、1.08、1.54、1.53、1.47、1.56,預警等級分別為:Ⅰ、Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅴ,對應的污染情況分別為:無污染、污染較大、污染較大、污染嚴重、污染較大、污染嚴重、污染嚴重、污染較大、污染嚴重;各市州豬糞當量土地承載負荷位于15.42～77.13 t/hm2之間,污染嚴重程度依次為安順市>黔南州>銅仁市>黔西南州>黔東南州>六盤水市>遵義市>畢節市>貴陽市。

歐盟的農業政策規定投入農田的N、P污染指標不得超過170 kg/hm2、40 kg/hm2[21],由表9可知,貴州省N、P負荷的平均值分別為346.66 kg/hm2、88.00 kg/hm2,均已超過歐盟農業政策規定的污染指標。除了貴陽市的N、P負荷量未超過歐盟農業政策規定的污染指標之外,六盤水市、遵義市、安順市、畢節市、銅仁市、黔西南州、黔東南州、黔南州的N、P負荷量均已超過歐盟農業政策規定的污染指標。假設所有畜禽糞便都排入農業常用耕地,那么從豬糞當量負荷量預警等級以及N、P負荷量來看貴州省畜禽養殖所產生的糞便污染將會對貴州省農用耕地造成較大的污染。

4 結論與建議

4.1 結論

1) 貴州省各市州畜禽平均飼養量所產生的畜禽糞便量分別為糞合計62 569.98 kt、尿合計35 766.40 kt、糞尿合計100 248.79 kt,畜禽糞尿總量是工業固體廢棄物的1.23倍,生理結構、飼養方式存在差異,畜禽糞尿產生量也存在差異,其中牛產生的糞尿最多,為79 770.79 kt,其次為豬、羊、家禽,糞尿總量分別為16 097.82 kt、2 467.77 kt、1 912.41 kt。

2) 貴州省各市州畜禽糞便排放的污染物總量為5 184.87 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN的排放總量分別為2 349.73 kt、1 940.04 kt、225.15 kt、117.81 kt、552.14 kt;畜禽糞便排放的污染物流失總量為630.41 kt,其中COD、BOD、NH3-N、TP、TN排放流失總量分別為252.44 kt、170.14 kt、54.37 kt、13.96 kt、1 390.50 kt;COD既是排放主體也是流失主體。

3) 貴州省各市州豬糞當量土地、N、P負荷的均值分別為53.33 t/hm2、346.66 kg/hm2、88.00 kg/hm2,均已超標,畜禽養殖對貴州農業耕地造成較大污染風險;除貴陽市以外各市州畜禽養殖污染嚴重程度依次為安順市>黔南州>銅仁市>黔西南州>黔東南州>六盤水市>遵義市>畢節市。

4.2 建議

1) 調整產業結構,合理控制畜禽養殖規模。通過研究結論可知當前貴州省存在較大的畜禽養殖污染風險,其主要原因是由于貴州省畜禽飼養量大而農業常用耕地面積有限,致使各市州常用耕地面積難以消納畜禽糞便所帶來的污染。因此,對于貴州省來說,土地面積是有限的,要想減少畜禽污染風險,最直接的辦法就是通過產業結構調整,合理控制畜禽飼養規模,特別是對于像安順、銅仁、黔西南、黔南這些Ⅴ類污染預警城市,應基于消納能力探索適度規模養殖,遵義市、六盤水市、畢節市、黔東南州應積極探索種養結合的中小規模養殖模式。

2) 落實補貼政策,促使養殖戶參與廢棄物資源化利用。畜禽糞便通過發酵既可以做沼氣也能夠制肥料,屬于多功能的物質原料,若能利用好這些廢棄物將是治理養殖污染風險的有效手段。但對于養殖戶來說,其更多的是關心自身的利益問題,再加上貴州省中小規模養殖戶數量較多,難以形成標準化規模養殖,因此零散的養殖戶開展的資源化利用帶來的效益遠遠比不上前期的投入,在成本與收益不對等的情況下,養殖戶在養殖廢棄物資源化方面的積極性并不高,這就需要相關部門落實好養殖廢棄物資源化利用補貼政策,解決養殖戶的成本擔憂,促使養殖戶愿意、樂意、自覺地去開展養殖廢棄物資源化利用。

3) 加強排污制度監管,嚴格排查違規養殖場。貴州省中小規模養殖戶雖然較多,但是污染物的排放主要來自一些畜禽養殖場、企業單位,而這些企業單位有些在排污設施不健全或者是沒有辦理排污許可證的情況下就排放污染物,導致排放的污染物種量和數量過多,超過許可要求,致使環境污染嚴重。因此,相關部門必須加強排污巡查力度,對于無證或違規排放的畜禽養殖場,應及時向有關部門報告,給予整改警告或者停止養殖。

4) 推行畜禽清潔養殖,減少廢棄物源頭排放。畜禽養殖污染除了畜禽糞便污染之外還會產生一些固體廢棄物、污水、臭氣等污染,這些污染并不是不能減少的,目前我國已經推出一些關于處理畜禽養殖污染的先進清潔技術,例如機械性消毒法、化學消毒法(消毒藥)、生物熱消毒法等,建議主管部門一方面推廣先進清潔技術,另一方面引導養殖主體在處理畜禽養殖污染時應該優先考慮先進的清潔技術,從而減少廢棄物源頭排放。

5) 提高飼料轉化比,降低畜禽污染排放。在對畜禽養殖污染進行治理的過程中,應意識到畜禽所產生的排泄物污染與畜禽飼料存在相關性,因為一些飼料中含有較多的蛋白質,會使畜禽排泄物產生較多的氮污染,如果能在滿足氨基酸的基礎上,降低蛋白質的使用,合理配置氨基酸的均衡日糧,可減少氮污染。另外對飼料采用膨化和顆粒化加工處理技術,可抑制飼料中有害物質的產生,從而降低畜禽糞便中污染物的排放。