南阳市规模化养殖场畜禽粪便排放量估算与环境效应评价

石建州，周 索，赵金兵，董冰雪

（南阳师范学院，河南南阳473061）

我国是畜牧业大国，畜牧业在繁荣农村经济、建设新型现代化农业进程中发挥着重要的作用，畜牧业生产力水平是农业现代化的重要标志。当前我国畜牧业正处在向现代畜牧业转型的关键时期，推进粗放型畜牧业生产方式向集约型生产方式转变，全力推进畜禽标准化规模养殖加快发展，促进我国现代畜牧业持续健康平稳地发展。2012年，李宁［1］在《中国养殖业可持续发展战略研究综合报告》中指出，中国养殖业（畜牧业和渔业）战略地位将持续提升，预计到2015年，中国养殖业总产值比重和种植业总产值比重分别达到48.6%和47.4%，养殖业将成为农业中第一大产业。建设现代畜牧业的重要内容之一就是加快转变生产方式，深入发展畜禽标准化规模养殖，增强畜牧业综合生产能力。与此同时，随着畜禽养殖规模不断扩大，低水平规模化畜禽养殖过程产生的粪便、污水、垫料等废弃物给环境的污染也日益加重，粪污中携带的病原微生物、重金属元素、甲烷等温室气体，造成了畜牧养殖与生态环境的不协调发展，成为制约我国现代畜牧业循环可持续发展的瓶颈，畜禽养殖污染减排现已成为我国农业面源污染的主要来源，农业源减排是整个污染减排工作的重要组成部分，而畜禽养殖业污染减排是农业源减排的决定环节，畜禽养殖污染减排势在必行［2－3］。为了切实防治畜禽养殖业造成生态破坏和环境污染，推进畜禽养殖废弃物资源的综合利用和无害化处理，保护和改善环境，保障公共安全卫生和公众身体健康，促进畜牧业持续健康发展，李克强签署国务院令发布《畜禽规模养殖污染防治条例》，条例共6章44条，自2014年1月1日起施行。

南阳市位于河南省西南部，与陕西省、湖北省接壤，总面积约26 509km2，平原、山区、丘陵约各占1／3，现辖两个行政区、4个开发区、10个县和1个县级市，在河南省所属的18个省辖市中面积最大、人口最多。南阳市良好的自然禀赋和区位优势孕育了多种资源，南阳拥有多种畜禽种质资源，比如南阳黄牛、南阳黑猪、伏牛白山羊和淅川乌骨鸡等珍贵的优质畜禽遗传资源。根据2014年3月南阳市统计局发布的《2013年南阳市国民经济和社会发展统计公报》，2013年农林牧渔业投资额95.95 亿元，比2012年增长36.4%；肉类总产量74.26×104，增长3.0%；禽蛋产量34.1×104t，增长1.6%；牛奶产量25.72×104t，增长0.1%。南阳市作为传统的畜牧业大市已成为河南省乃至全国重要的畜产品生产和加工基地。本文旨在通过预测估算南阳市规模化养殖场畜禽粪便排泄量，畜禽COD、BOD、NH3－N、总磷、总氮排泄量，重金属排泄量，粪便资源发酵沼气产量潜力，温室气体减排量潜力等环境效应的评价，为南阳市畜禽规模养殖粪便防治管理制定决策提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

根据2013年4月1日南阳市统计局公布的《南阳市规模化畜禽生产简介》，研究对象包括南阳市主要规模化养殖的生猪、奶牛、肉牛、山羊、绵羊、蛋鸡、肉鸡，统计资料中的规模养殖标准是指：猪存栏≥100头；肉牛或奶牛存栏≥50头；绵羊或山羊存栏≥30只；肉鸡（鸭）或蛋鸡（鸭）存栏≥2000 只。2012年南阳市规模养殖生猪、牛、羊、家禽的存、出栏量见表1，由于在《南阳市规模化畜禽生产简介》中对生猪只统计了2011年的存、出栏量，所以本文用2011年的数据代替2012年生猪的存、出栏量。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽粪便量 畜禽粪便是指畜禽排泄的粪、尿，是粮食、牧草、农作物等饲粮生物质的转化形式［4］。南阳市畜禽规模养殖以生猪、山羊、绵羊、肉牛、奶牛、蛋鸡、肉鸡为主，所以，本研究估算畜禽粪便量时只考虑了猪、牛、羊和鸡这4 种畜禽粪便的排泄量。依据畜禽饲养数量、饲养周期和饲养周期内粪、尿日排放系数，按下式计算畜禽粪便量：畜禽粪便量＝饲养数量（出栏量或存栏量）×粪便日排泄系数（kg·d－1）×饲喂周期（d）。畜禽粪便量的估算通常以排泄系数进行计算，畜禽粪便排泄系数是指单体畜禽每一天所排泄出的粪便物的重量，排泄系数受到动物品种、生长阶段、个体生理、饲粮组合、采食方式、季节气候等内外因素的影响存在不同的差异，因此当前关于畜禽粪便排放系数没有统一的标准，本论文所采用的畜禽粪便日排放系数参照了多篇国内近几年的研究文献，见表2。畜禽饲养数量取决于不同种类畜禽的饲养周期。肉鸡和蛋鸡在粪便日排泄量上差异显著，而且饲养周期也大不相同，因而肉鸡和蛋鸡要求各自计算粪便的排泄量。一般情况下各类畜禽的饲养周期的基础数据如下：牛、羊和蛋鸡的饲喂养殖周期比较长，其中牛羊饲养周期大于1年，蛋鸡的饲养周期通常是210d，而且当年出栏数相对存栏数较少，所以按照年末存栏数量作为饲养数量计算，饲养周期为全年365d；肉鸡的饲养周期通常是55d，生猪平均饲养周期通常是199d，生猪和肉鸡饲养周期均不足一年，小于365d，所以将其出栏数量作为稳定的饲养数量［5－11］。

表1 南阳市畜禽年存栏、出栏情况Table 1 Basic data of livestock and poultry in Nanyang／a

表2 畜禽粪便日排泄系数［12－21］Table 2 Daily discharge rate of livestock manure

1.2.2 畜禽粪便污染物（COD、BOD、NH3－N、TP、TN）含量 畜禽粪便排泄的主要污染物（COD、BOD、NH3－N、TP、TN）含量经大量研究证实有稳定的范围，本文主要研究了畜禽粪便污染物中COD（化学需氧量）、BOD（五日生化需氧量）、NH3－N（氨氮含量指标）、TP（总磷）、TN（总氮）5 种指标的含量，以国家环境保护总局环发［2004］43号文件发布的统计数据为主并参照相关文献资料［7，9，13，18，22－30］，见表3。畜禽粪便污染物含量估算均以直接排泄的新鲜粪便量为基础进行计算。畜禽粪便污染物含量的计算公式为：粪便污染物（COD、BOD、NH3－N、TP、TN）重量＝粪（尿）重量×污染物平均含量。

1.2.3 畜禽粪便中重金属含量 在规模畜禽养殖过程中，为了促进畜禽动物的生长发育、预防疾病、提高生产效率、追求经济效益等目的，生产者在畜禽养殖过程中会超标添加多种重金属元素，从而导致了畜禽排泄的粪便中重金属含量水平较高。畜禽粪便中所含重金属排泄量在集约化规模养殖模式通常高于散养模式，重金属元素易富集、难迁移、危害大，畜禽排泄物可导致土壤、水源和农作物的重金属含量水平超标，将会威胁到生态环境和公众健康。目前，畜禽粪便中所含重金属种类多达十几种，各类畜禽粪便中所含重金属排泄量差异较大，因为受到畜禽个体生长发育水平、采食饲料的种类以及养殖方式等多种因素影响。本文计算南阳市各类畜禽粪便中重金属含量，主要参考郭冬生等［13］、刘荣乐等［31］、单英杰等［32］多篇文献资料［33－39］，见表4。畜禽粪便中重金属含量计算公式如下：某重金属含量（Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、As和Hg）＝鲜粪重量×粪便干物质含量×重金属元素含量，其中猪粪、牛粪、鸡粪和羊粪干物质含量（%）分别为18，17，30，30。

表3 各类畜禽粪便中污染物的平均含量Table 3 Pollutant concentrations of livestock and poultry manure excretion kg／t

1.2.4 畜禽粪便沼气生产潜力 畜禽粪便是一种生物质能源，沼气发酵技术是有效地对畜禽粪便资源化利用的有效方式，不仅可以减少畜禽粪便对环境的污染，而且还可以使畜禽粪便废弃物转化成为绿色能源资源，促进农业可持续发展。厌氧环境、温度、pH、匀浆程度、C／N、有机物含量等都会影响畜禽粪便产沼气量，各类畜禽粪便生产沼气效率存在差异。一般使用表5中的畜禽粪便转换沼气参数，20 ℃转换参数是根据35 ℃时畜禽粪便产沼气量的60%折算而来［4，11，13，40－43］。因为南阳市年平均气温14.4～15.7 ℃，所以本文计算沼气生产潜力依据20℃的转换沼气参数，保守地评价畜禽粪便沼气生产潜力。计算公式如下：各类畜禽粪便的年沼气潜力＝新鲜粪便总量×干物质含量×转换沼气参数，其中鸡粪、猪粪、牛粪和羊粪的转换沼气参数（m3／kg）分别为0.29，0.25，0.18和0.20。

表4 规模化养殖各类畜禽粪便中重金属元素的含量（mg／kg，干重）Table 4 Contents of heavy metals in different types of animal manures excretion in scale farming（mg／kg，DW）

表5 各类畜禽粪便每千克干物质转换沼气参数Table 5 Parameters of animal manures excretion converted to biogasm3／kg

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便年排泄量以及污染物COD、BOD、NH3－N、TP、TN 含量

生猪、蛋鸡、肉鸡、牛、羊的粪、尿年排泄量和粪便中污染物COD、BOD、NH3－N、TP、TN 的含量见表6。南阳市各类畜禽的粪年排放总量分别为4.71×109kg，尿年排放总量为4.44×109kg，粪尿年排放总量到达9.15×109kg，猪粪尿2012年排放量分别为2.38×109kg和3.93×109kg，分别占到当年各类畜禽粪、尿排放总量的50.53%和88.51%。牛粪与蛋鸡粪的排泄量仅次于生猪，分别占总粪便量的21.66%和21.23%。粪便中污染物COD、BOD、NH3－N、TP 和TN，猪粪分别占到65.43%，69.33%，65.99%，55.43%和55.79%。在本文中，只统计了规模养殖的生猪、鸡、牛、羊四种畜禽动物，在实际生产中还存在着大量的散养以及其它多种畜禽动物，在养殖过程中的粪便排泄物也占据了不小的比例，所以南阳市畜禽养殖粪便处理问题在促进农业可持续发展道路上是重要的一个环节。

2.2 畜禽粪便排泄物中重金属元素的量

南阳市鸡、猪、牛羊年粪便排泄物中各种重金属元素的含量见表7。重金属元素中锌和铜含量最高，分别达到9.09×105kg和5.51×105kg；砷、镍、铬、铅、镉次之，粪便排泄物中含有汞58.1kg。粪便中重金属元素含量随着动物采食的饲料中添加的重金属元素量增加而增加。锌和铜的适量添加可以增进动物机体健康，超标添加就会造成浪费与污染，砷、镍、铬、铅、镉和汞会对水体和土壤造成极大的破坏和污染，严重影响人类的生存环境。

2.3 畜禽粪便沼气生产潜力

南阳市年规模养殖畜禽粪便排泄量如果厌氧发酵生产沼气，保守地估计年生产沼气总量为2.45×108m3，其中鸡粪9.22×107m3，猪粪1.07×108m3，牛粪3.11×107m3，羊粪1.46×107m3。一般生产沼气选用35 ℃厌氧发酵，本文中考虑到南阳市年平均气温14.4～15.7 ℃，估算时选取了20 ℃的转换沼气参数，而20 ℃转换参数是根据35 ℃时畜禽粪便产沼气量的60%折算而来，同时仅仅估算了规模养殖模式下的猪、鸡、牛羊4种动物的粪便沼气生产潜力。由此可见，南阳市畜禽粪便资源能更好地发展循环农业经济。

表6 各类畜禽年粪便排泄量和污染物含量Table 6 Output of livestock and poultry manure excretion and pollutant concentrations kg／a

表7 畜禽年粪便排泄物中重金属元素含量Table 7 Content of heavy metal in animal manures excretion kg／a

3 讨论

南阳市是畜牧业大市。南阳是淮河的源头，也是南水北调中线工程水源地和渠首所在地，南阳市人民政府为确保出境水质安全，确保一泓清水送津京，各相关部门高度重视，切实做好南水北调水污染防治工作，其中把畜禽规模化养殖污染防治作为实现农业源污染减排目标的突破口和重要着力点，按照“农牧结合、科学布局、因地制宜、循环利用、控量减排”的要求，做好畜禽养殖污染整治工作。2014年6月11日发布的豫环文［2014］111号《2014年河南省畜禽养殖主要污染物总量减排实施方案》确定2014年总量减排目标：2014年，河南省COD、NH3－N 两项主要污染物排放总量分别控制在133.39×104t、13.94×104t 以内，分别比2013年削减1.50%、3.30%。其中，农业源COD、NH3－N 排放量应分别控制在76.90×104t和5.92×104t以内，分别比2013年（2013年河南省农业源COD、NH3－N排放量分别是78.15×104t、6.11×104t）削减1.60%和3.10%以上。此方案还明确指出，在种植业平移基数和水产养殖业减排贡献极其有限的情况下，实现河南省农业源减排目标的主要途径就是在于畜禽养殖业的减排。2014年，畜禽养殖业COD和NH3－N 排放量应分别控制在76.05×104t和5.39×104t以内，分别比2013年（2013年河南省畜禽养殖业COD 和NH3－N 排放量分别为77.30×104t、5.57×104t）削减1.62%和3.40%以上，COD 和NH3－N 分别实现净减排1.25×104t和0.19×104t以上。《2014年河南省畜禽养殖减排工程项目表》中具体规定了1792家畜禽规模养殖企业的治污设施提标改造任务与治理措施，其中包括南阳市的79家畜禽规模养殖企业。南阳市人民政府办公室2014年6月18日印发《南阳市2014年度畜禽养殖减排计划实施方案》，规定了2014年南阳市畜禽规模养殖污染物总量控制目标及减排任务。主要污染物总量控制目标：COD 排放总量控制在42 834t以内，相对2013年削减3.15%；NH3－N 排放总量控制在4 000t以内，相对2013年削减5.01%。主要污染物减排任务量：COD 排放量1 400t，NH3－N 排放量220t。并在此实施方案中针对南阳市79家中大型畜禽规模养殖场每一家的具体情况进行了量化规定，详细明确地制定了每一家养殖场2014年的COD 减排量、NH3－N 减排量、减排措施、项目要求等任务要求，确保实现农业源污染减排目标，促进畜牧业与生态环境健康和谐发展。

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