清江流域畜禽养殖污染负荷研究*

陈绍华 李 哲 吴逸雪 杜冬云

(中南民族大学资源与环境学院，湖北省重金属废水处理与回用工程技术研究中心，湖北 武汉 430074)

随着畜禽养殖业的迅猛发展，畜禽养殖带来的污染已成为中国农村面源污染的主要来源[1]。在一些地区，畜禽粪尿污染已超过居民生活、农用化肥、乡镇工业和餐饮业对环境的影响。目前，中国畜禽粪尿年排放量超过40亿t，是工业有机污染物的4.1倍[2]。畜禽粪尿最有效、最主要的处理处置方式是作为有机肥还田，但是过量施用畜禽粪尿会引起水体、土壤污染等一系列环境问题[3-4]。中央政府高度重视，提出要全面推进畜禽养殖污染防治，并将开展规模化畜禽养殖污染减排纳入国家“十二五”重点规划[5]。畜禽养殖污染是造成许多重要水源地、江、河、湖严重污染的主要原因之一，已成为中国水源的主要污染威胁[6]。

关于区域畜禽粪尿排放量估算和环境效应的研究，国内外已有了相关报道。张玉珍等[7]对九龙江流域畜禽粪尿年排放量做了估算，并提出了相应的防治对策。谢飞等[8]对江苏省太湖地区畜禽业产排污进行了测算，分析了污染物对水体的影响。朱梅等[9]建立畜禽养殖输出系数模型，对海河流域畜禽养殖污染负荷进行了研究。王方浩等[10]等通过对畜禽粪尿年排放量的估算方法和畜禽粪尿排泄参数的确定，估算了中国畜禽养殖业粪尿排放量，并对由此产生的环境效应进行了评价。目前，还没有关于畜禽养殖业对清江流域耕地和水环境污染负荷的系统研究。为此，本研究以保护清江流域水环境、维系清江水资源为主要目的，分析和评价清江流域畜禽养殖业对耕地和水环境的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为清江流域。清江是湖北省境内第二大长江支流，发源于湖北省利川市之齐岳山，流经利川市、咸丰县、恩施市、宣恩县、建始县、巴东县、鹤峰县、五峰县、长阳县、宜都市等10个县市。清江流域是经济欠发达地区，2013年流域人口308万人，其中82%的居民主要从事农业生产，是一个典型的农业地区和畜禽养殖业大区，养殖业在农业经济中占有重要的地位。近年来，清江流域各县市积极推进标准化适度规模养殖，2012年恩施市家庭农(牧)场达20 000个，有部、省、县标准化规模养殖示范场近5 000个，其中恩施市、利川市、建始县、巴东县、咸丰县、长阳县和宜都市已成为国家生猪调出大县市。

清江流域的畜禽养殖业大多都没有建立粪污处理设施，多数污染物均直接或间接地冲刷进入地表水环境，使得清江流域的水环境遭到了破坏，局部水体富营养化和主要污染物指标超标现象严重，对人们的生产生活造成了越来越大的影响，畜禽养殖污染已成为清江流域最突出的环境问题。

1.2 基础数据

畜禽养殖数据来源于《湖北统计年鉴》。清江流域范围内畜禽养殖主要是生猪、牛、羊和家禽4种，本研究也主要考虑这4种畜禽养殖粪尿对环境的影响。

1.3 计算方法

1.3.1 畜禽饲养周期

根据国家环保总局公布的畜禽饲养周期数据[11]以及文献[12、13]，并结合在清江流域大量的实地调研，确定各种畜禽饲养周期。生猪饲养周期为199 d；牛和羊饲养周期较长，一般饲养周期按全年365 d计；家禽中蛋禽与肉禽的生长周期有较大差异，因此两者需要分开计算，一般肉禽占2/3，蛋禽占1/3，肉、蛋禽饲养周期一般分别为55、365 d。

1.3.2 畜禽粪尿排泄系数

畜禽粪尿排泄系数与动物种类、品种、性别、生长期、饲料、天气状况等有关，中国目前尚无相应的国家标准，本研究主要通过国内同类研究[14]和对清江流域内各类养殖场实地调查，得出各类畜禽粪尿排泄系数，结果如表1所示。

表1 各类畜禽粪尿排泄系数

1.3.3 畜禽粪尿排放量

畜禽粪尿排放量的计算目前主要有两种[15]：一种是把各种畜禽的年末存栏量视为一个相对稳定的饲养量，采用式(1)计算；另一种是将各种畜禽的年出栏量视为饲养总量，采用式(2)计算。本研究主要采用式(2)计算清江流域畜禽粪尿排放量。

y=x1×x2×365

(1)

y=x3×x2×x4

(2)

式中：y为畜禽粪尿排放量，kg/a；x1为年末存栏量；x2为畜禽粪尿排泄系数，kg/d；x3为年出栏量，a-1；x4为饲养周期，d。

1.3.4 耕地畜禽粪尿负荷量

目前，国外许多发达国家将农田耕地作为畜禽粪尿养分消化场所，清江流域畜禽粪尿处理处置的出路也主要作有机肥还田。不同类型粪尿，其肥效养分差异较大，根据各类畜禽粪尿的含氮量，将各种畜禽粪尿统一换算成猪粪当量。因此，以当年有效农田耕地面积作为实际的负载面积来计算耕地畜禽粪尿负荷量，公式为：

(3)

式中：q为耕地畜禽粪尿负荷量，t/hm2；Q为各类畜禽粪尿相当的猪粪当量，t；S为有效耕地面积，hm2；X为某类畜禽粪尿排放量，t；T为某类畜禽粪尿换算成猪粪当量的换算系数。

畜禽粪尿作为农业生产的肥料还田使用，如果粪肥供给的养分超出当地农作物达到目标产量所需会使周边水体受到污染。一般认为，每公顷土地能够负荷的畜禽粪尿在30～45 t左右[16]，如果高出这一水平，就会带来土壤的富营养化，对环境产生影响。预警值的计算公式为：

(4)

式中：R为预警值；P为最大理论适用量，t/hm2，本研究取P=37.5 t/hm2。

1.3.5 污染物排放量

污染物排放量以式(5)计算。

A=y×D×10-3

(5)

式中：A为粪尿中污染物排放量，kg/a；D为粪尿中污染物平均质量浓度，kg/t，粪尿换算成鲜粪尿计。

1.3.6 污染物对水体污染的评价

畜禽粪尿堆放及清粪冲洗极易使其中的污染物流失进入水体中，为了弄清畜禽养殖污染物对水体的影响，引入等标排放量的评价方法，它主要反映污染源本身潜在的污染水平。采用等标排放量法对污染物进行评价，不仅可反映污染物在量上对环境的影响，也反映了污染物在质上对环境的影响。统一转化后，可使同一污染源所排放污染物、不同污染源对环境的潜在影响进行定量比较。本研究选用COD、BOD5、氨氮、TN和TP作为评价因子，计算公式[17]如下：

(6)

式中：Pi为等标排放量，即将一定数量污染物i稀释至评价标准的浓度所需纯净水的量，m3/a；ci为污染物i流失量，t/a；c0为流域环境质量标准中污染物i的阀质量浓度，mg/L，本研究采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类标准限值，即BOD5、COD、氨氮、TP、TN分别为3、15、0.5、0.1、0.5 mg/L。

2 结果与分析

2.1 清江流域畜禽粪尿排放量

清江流域畜禽粪尿排放量在2008—2014年随畜禽养殖总量的增长而不断增长，各县市的年增长率在3.10%～4.21%。为了分析最近畜禽养殖业对流域环境的影响，本研究主要利用2014年统计数据来计算其畜禽粪尿排放量，结果见表2。

从表2可以看出，畜禽粪尿排放量最大的是恩施市，为1 945 306 t/a，紧随其后的是宜都市和长阳县，分别为1 799 059、1 722 368 t/a。这3个县市粪尿排放量分别占清江流域粪尿排放总量的14.68%、13.58%、13.00%。畜禽粪尿排放量最小的3个县市分别为五峰县、鹤峰县和宣恩县，这3个县市粪尿排放量总和仅占清江流域粪尿排放总量的16.70%。清江流域各类畜禽中粪尿排放量最大的是猪，其粪尿排放量占清江流域粪尿排放总量的61.97%，其次是羊和牛，粪尿排放量最小的是家禽，仅占清江流域粪尿排放总量的3.22%。

2.2 清江流域耕地畜禽粪尿负荷量

各类畜禽粪尿猪粪当量换算系数如表3[13]所示。农田对畜禽粪尿承受程度的预警值见表4。

表2 2014年清江流域畜禽粪尿排放量

表3 各类畜禽粪尿猪粪当量换算系数

表4 农田对畜禽粪尿承受程度的预警值

表5 清江流域耕地畜禽粪尿负荷的预警值及级别

表6 畜禽粪尿中污染物平均质量浓度及进入水体的流失率

经计算，得到清江流域畜禽粪尿负荷的预警值，同时结合表4，得到相对应的级别，结果见表5。

由表5可知，清江流域猪粪当量高达1 314.03×104t，耕地畜禽粪尿负荷量为29.37 t/hm2，预警值为0.78，说明清江流域畜禽养殖对整个流域的环境已有一定的影响。在各县市中对当地环境“无影响”的是利川市(q=14.20 t/hm2，R=0.38)，主要是利川市的耕地面积较大导致耕地畜禽粪尿负荷量相对较小，目前对环境的威胁不大，但是由于其畜禽粪尿排放量仍旧较大(见表2)，因此环境预防工作不能忽视。对当地环境“稍有影响”的是咸丰县(q=21.12 t/hm2，R=0.56)、宣恩县(q=21.71 t/hm2，R=0.58)和恩施市(q=23.50 t/hm2，R=0.63)。对当地环境“有影响”的是五峰县(q=30.22 t/hm2，R=0.81)、鹤峰县(q=32.79 t/hm2，R=0.87)、建始县(q=36.13 t/hm2，R=0.96)和巴东县(q=37.08 t/hm2，R=0.99)，其中建始县和巴东县畜禽养殖对环境已接近“较严重影响”的状态，因此在今后环境控制中应该特别引起重视。对当地环境影响“较严重”的是长阳县(q=39.28 t/hm2，R=1.05)。对当地环境影响“很严重”的是宜都市，其猪粪当量高达203.05×104t，再加上宜都市的耕地面积相对较小，使得其耕地畜禽粪尿负荷量高达128.51 t/hm2，是全国耕地平均负荷(24.00 t/hm2)[18]的5.35倍，预警值为3.43，因此宜都市的畜禽养殖在今后必须引起足够的重视，要加强对畜禽粪尿的合理处置，防止环境的进一步恶化。

2.3 污染物对水体的污染

根据相关研究确定畜禽粪尿排放量(见表2)和畜禽粪尿中污染物平均质量浓度(见表6[19])，可计算得出2014年清江流域各种污染物排放量(见表7)。由表7可知，2014年清江流域因畜禽养殖排放BOD5277 274.11 t、COD 294 173.10 t、氨氮25 432.30 t、TP 24 287.07 t和TN 77 380.69 t。在10个县市中，恩施市污染物排放总量最大，为110 384.90 t，占清江流域污染物排放总量的15.80%；五峰县污染物排放总量最小，为29 606.85 t，仅占清江流域污染物排放总量的4.24%。

表7 2014年清江流域各污染物排放量

表8 2014年清江流域畜禽粪尿污染物进入水体的流失量

畜禽粪尿随地表径流流失，会对水体环境造成严重污染，国内对不同畜禽各种污染物流失率做过相关研究(见表6)。由2014年清江流域各污染物排放量和各污染物流失率，可计算得出2014年清江流域畜禽粪尿污染物进入水体的流失量，结果如表8所示。

由表8可知，2014年清江流域畜禽粪尿污染物进入水体的流失量从大到小依次为COD(40 505.03 t/a)、BOD5(30 322.11 t/a)、TN(19 541.30 t/a)、氨氮(5 644.17 t/a)、TP(3 373.90 t/a)。5种污染物进入水体的流失总量最大的是恩施市，为15 385.75 t/a，占清江流域流失总量的15.48%，紧随其后的是宜都市(12 938.48 t/a，占13.02%)和利川市(12 743.14 t/a，占12.82%)，流失总量最小的是五峰县，为4 349.55 t/a，仅占全流域流失总量的4.38%。巨大的污染物流失量势必对清江流域水源造成严重威胁，因此必须合理处置畜禽养殖粪尿以减少污染物的流失量，降低对水体污染的潜在威胁。

不同畜禽粪尿进入清江流域的等标排放量以及等标排放率如表9所示。

由表9可以看出，对BOD5、COD和氨氮贡献最大的是恩施市，而对TP、TN贡献最大的是长阳县。各县市等标排放量最大的是长阳县，为14 489.21 m3/a，等标排放率是14.95%，说明长阳县对畜禽污染物的排放贡献最大。之后依次为宜都市、恩施市、利川市、巴东县、建始县、咸丰县、宣恩县、鹤峰县和五峰县，等标排放率分别为14.24%、13.96%、11.65%、10.94%、10.40%、7.40%、6.97%、5.01%和4.48%。

各种污染物中对水体污染贡献最大的是TN，等标排放率为40.33%，之后依次为TP、氨氮、BOD5和COD，等标排放率分别为34.81%、11.65%、10.43%、2.79%。因此，清江流域畜禽粪尿中TN和TP是水体污染的主要因子，由此必然会造成清江流域水体富营养化程度的加深。

清江流域各类畜禽养殖中对水体污染最大的是生猪，生猪养殖对水体污染的贡献为56.19%；其次是牛和羊；家禽养殖对水体污染最小，其贡献仅为3.68%。而TN和TP是清江流域水体污染的主要因子，而生猪养殖对TN和TP污染的贡献分别为55.28%和46.47%。各类畜禽粪尿排放量的大小顺序为猪>羊>牛>家禽(见表2)，而各类畜禽养殖对水体污染贡献的大小顺序是猪>牛>羊>家禽。

表9 不同畜禽粪尿进入清江流域的等标排放量和等标排放率

3 结 论

(1) 清江流域猪粪当量高达1 314.03×104t，耕地畜禽粪尿负荷量为29.37 t/hm2，预警值为0.78，清江流域畜禽养殖对整个流域的环境已有一定的影响。宜都市预警值高达3.43，呈现“很严重”的影响；长阳县、建始县和巴东县的畜禽粪尿对当地环境已经或接近呈现“较严重”影响状态。在整个清江流域，仅有利川市呈现“无影响”的状态。

(2) 2014年清江流域畜禽粪尿污染物进入水体的流失量从大到小依次为COD(40 505.03 t/a)、BOD5(30 322.11 t/a)、TN(19 541.30 t/a)、氨氮(5 644.17 t/a)、TP(3 373.90 t/a)。5种污染物进入水体的流失总量最大的是恩施市，为15 385.75 t/a，占清江流域流失总量的15.48%，紧随其后的是宜都市(12 938.48 t/a，占13.02%)和利川市(12 743.14 t/a，占12.82%)，流失总量最小的是五峰县，为4 349.55 t/a，仅占全流域流失总量的4.38%。

(3) 各县市等标排放量最大的是长阳县，为14 489.21 m3/a，等标排放率是14.95%，之后依次为宜都市、恩施市、利川市、巴东县、建始县、咸丰县、宣恩县、鹤峰县和五峰县，等标排放率分别为14.24%、13.96%、11.65%、10.94%、10.40%、7.40%、6.97%、5.01%和4.48%。

(4) 各种污染物中对水体污染贡献最大的是TN，等标排放率为40.33%，之后依次为TP、氨氮、BOD5和COD，等标排放率分别为34.81%、11.65%、10.43%、2.79%。

(5) 清江流域各类畜禽养殖中对水体污染最大的是生猪，生猪养殖对水体污染的贡献为56.19%；家禽养殖对水体污染最小，其贡献仅为3.68%。而TN和TP是清江流域水体污染的主要因子，而生猪养殖对TN和TP污染的贡献分别为55.28%和46.47%。

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