山东规模化猪场污染物产生量和环境承载力研究

王诚+张印+王彦平+蔺海朝+王继英+武英

摘要：為合理规划区域内的养殖规模、降低养殖场粪污对环境的污染，本研究选择山东省典型的规模化生猪生产场，采用全粪尿法测定3个饲养阶段的猪（保育猪、育肥猪和妊娠2个月的母猪）在春、夏、秋、冬4个季节的粪尿产生量，对部分代表性粪、尿样品进行氮、磷、铜和锌含量检测，估算出山东省规模化猪场的产污系数。根据2015年山东省统计年鉴公布的农作物每公顷产量及单位产量消耗的养分量，基于氮平衡，计算出山东省不同区域内不同种植结构对氮的需求量进而估算出猪承载量。结果表明：⑴不同生产阶段猪的产污系数不同，母猪产生量最高，总氮为52.69 g/d，总磷为32.02 g/d；育肥猪次之，总氮为32.98 g/d，总磷为17.66 g/d；仔猪的产生量最小，总氮为18.15 g/d，总磷为7.8 g/d。⑵ 山东农田需氮量及猪承载量最大的为蔬菜地，每公顷需氮为2 208.11 kg，可承载122头仔猪、67头育成猪和53头繁殖母猪，每公顷需氮量和猪承载力最小的为薯类，每公顷需氮32.93 kg，可承载5头仔猪、3头育成猪和2头繁殖母猪。本研究可为降低养殖场粪污对环境的污染及合理安排养殖规模提供科学依据。

关键词：猪；产污系数；作物需氮量；承载力

中图分类号：S815.9∶X26文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）12-0114-05

Abstract It is important to plan farm scale reasonably and reduce farm waste pollution to the environment.This study was performed to research the environment bearing capacity of different planting structure based on pig N excretion of Shandong Province. The pollutant output at three different feeding stages （nursery pigs， fattening pigs and two-month pregnant sows） were determined in spring， summer， autumn and winter respectively in one typical scale pig production farm， and the content of nitrogen， phosphorus， copper and zinc in some pollutant samples were also determined. Then we estimated the pollutant output index. According to the published crop yield per hectare and nutrient consumption in the Shandong Province Agricultural Information Network， we calculated the nitrogen demand per hectare， and then estimated the bearing capacity of different crop planting structure based on nitrogen balance. The results showed that sow had the largest N excretion with 52.69 g/d of total nitrogen and 32.02 g/d of total phosphorus.The next was growing pig with 32.98 g/d of total nitrogen and 17.66 g/d of total phosphorus.Nursery pig had the least N excretion with 18.15 g/d of total nitrogen and 7.8 g/d of total phosphorus. We also estimated the nitrogen demand of different crops and the pig bearing capacity.Vegetables had the largest nitrogen demand and pig bearing capacity， which demanded 2208.11 kg of nitrogen per hectare， and could bear 122 piglets， 67 growing pigs and 53 pregnant sows. Tuber crops had the smallest nitrogen demand and pig bearing capcity， which demanded 32.93 kg nitrogen per hectare and could bear only 5 piglets， 3 growing pigs and 2 pregnant sows.In this study， we determined the pollutant output at different pig feeding stages and estimated the pig bearing capacity under different planting structures in particular region， which could provide basic scientific references for reducing livestock farm pollution to the environment and reasonably arranging animal feeding number.endprint

Keywords Pig； Pollutant output index； Nitrogen demand for crops； Bearing capacity

随着我国畜牧业集约化和规模化的快速发展，畜禽粪便的产生量不断增加。畜牧业的迅速发展在带来经济效益的同时，其产生的大量畜禽粪尿废弃物也给环境造成了巨大压力，已成为我国农村面源污染的主要来源之一[1]。猪场废弃物的危害主要有：对大气环境的污染；传染病和寄生虫的传播；传播人畜共患病，直接危害人类健康；温室效应[2]。国外对养猪业污染的危害性和严重性认识较早，20世纪60年代就提出了“畜产公害的问题”[3]；为了降低畜牧业带来的环境污染，目前许多发达国家采用还田模式，规定畜牧场周围必须有与之配套的农田来消纳畜禽粪便，从而在农场范围内形成农牧种养的良性循环。国内绝大多数畜牧场都没有与之配套的农田，周围的农田又分散在农户手中，而且种植类型随机性很大，这对农田消纳畜禽粪便造成了障碍。粪污资源没有得到一定种植业规模的利用和消纳，区域内养殖业与种植业不相匹配是造成畜禽污染的主要原因之一[4]。畜禽粪污还田作肥料是一种传统的、经济有效的处理方法，可将粪尿中的有机质分解转化成稳定的腐殖质以及植物生产因子，供植物生长利用，减少化肥使用量，达到种养结合和谐发展的目的。为此，关联养殖业和种植业、研究作物种植面积和畜禽养殖数量相匹配、根据环境承载力合理安排养殖规模是当前山东畜牧业可持续发展的迫切任务。

畜禽养殖资源环境承载力定义为，在特定时空条件下，在维持畜禽养殖资源环境系统的平衡和健康不受影响的情况下，畜禽养殖资源环境系统所能支撑畜禽养殖行为的能力[5]。在保障生态环境安全的前提下充分利用粪肥，国外已经有很多针对其自身条件的畜禽承载力研究[6，7]，而且通常是针对某一具体畜牧场和某一具体畜种来计算单位农田所能承载的动物单位数。但是山东省一定区域内养殖畜禽种类较多，其排泄粪便养分含量差异明显；并且养殖的数量和方式均有所不同，致使不同区域内污染物的排泄量不同。另外，山东省不同区域内的可耕种农田面积、土壤类型、种植作物的种类和产量也不相同，所以不同区域内的土地消纳量也不同。为此针对特定区域的种植结构估算一定区域内农用地消纳的粪污量，进而估算出区域内的畜禽养殖量，对于合理规划和布局本区域内的养殖体量更有参考价值。

与其他畜禽养殖不同，养猪场水的使用量较大，污水产生量较大，养猪是畜禽污染物的主要来源。为合理规划区域内的养殖规模，降低养殖场粪污对环境的污染，本研究通过测定山东省内某标准化猪场生猪污染产生量，估算山东省规模化猪场的产污系数，并根据山东省内不同地区的养殖量估算本区域内主要污染物的产生量。另外，在氮平衡基础之上估算山东省内不同区域内不同种植结构对氮的需求量，进而估算猪的承载量，以期根据当前的种植结构对养殖规模合理与否进行判断，并对区域内合理安排养殖规模以及制定相关政策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 不同生产阶段产污系数测定

1.1.1 试验场、试验动物 山东八戒食品有限公司养殖场是山东省级标准化养殖场，为采取自繁自养生产模式的商品猪生产场，在养殖规模、饲养模式和粪污处理方式等方面代表了山东省规模猪场的状况。

选取保育猪（平均体重20 kg）、育肥猪（平均体重60 kg）和繁殖母猪（妊娠2个月的初产母猪）各5头进行相关产污参数的测定。为保证粪尿收集完全，采用全粪尿法在代谢笼中试验，猪只产生的粪便和尿液分开收集。考虑猪的排泄物受季节、环境条件和饲料等因素的影响，本研究在春、夏、秋、冬4 个季节分别进行，试验猪与同批次的猪在同一圈舍饲养。每个季节的试验期12 d，其中前7 d 为预饲期，然后连续采样5 d，确保3 d样品有效。试验猪的饲养管理与防疫与猪场其他猪同步进行。

1.1.2 样品的收集和采集 在正式采样期，每天上、下午分别收集每头试验猪产生的粪便和尿液，称重和记录后混合均匀取3个样品（其中固体粪便2个，尿液1个），每个粪样约0.5 kg、尿样0.5 L。粪样按每100 g粪便加入4.5 mol/L H2SO4 20 mL固氮，放在自封袋中做好标记，一个于-20℃冻存用于各种指标的测定，另一个测定水分。尿样按每100 mL加入4.5 mol/L H2SO4 2 mL和甲苯4滴固氮，搅拌均匀后装入样品瓶，-20℃冻存用于各种指标测定。样品及时送山东省分析测试中心测定。

1.1.3 测定方法 粪便样品中的全氮、全磷含量参照农业行业标准NY 525-2002进行测定；尿液中的氮、总磷含量分别按照GB 11891-1989和GB 11893-89进行测定；粪便和尿液中的铜和锌含量分别按照GB/T 17138-1997和GB 7475-87进行测定。

1.1.4 产污系数计算 畜禽养殖业产污系数是指在典型的养殖场正常的生产和管理条件下，一定时间内单个畜禽所产生的原始污染物量，包括粪尿量以及粪尿中各种污染物的产生量[8]。本研究采用董红敏等[8]的方法计算3个饲养阶段4个季节的产污系数。

式中： FPi，j，k为每头动物的产污系数，单位为g/（头·d）；QF i，j为第i种动物第j生产阶段粪产量，单位为kg/（ 头·d）；CFi， j ，k为第i种动物第j生产阶段粪便中第k种污染物的浓度，单位为mg/kg；QUij为第i种动物第j生产阶段尿液产量，单位为L/（头· d） ；CUi，j，k为第i种动物第j生产阶段尿液中第k种污染物的浓度，单位为mg/L。

1.2 土地承载力的估算

1.2.1 区域内农作物年消耗养分的确定 采用邱乐丰等（2016）[9]的方法計算单位面积内农作物年消耗养分量。

T=∑ni=1Yimi（2）

式中：T为区域内农作物生产农产品年消耗氮养分的总量；Yi为研究区域i 类农产品年产量（kg）；mi为i 类农产品100 kg 经济产量所需的氮养分量（kg）。每公顷作物产量采用《山东省统计年鉴-2015》提供的数据，mi使用相关文献的研究结果（表1），农作物种植方式根据山东农作物种植的实际情况确定。endprint

1.2.2 基于氮元素需求量的载猪量估算 采用陈微等（2009）[12]的方法，设定土壤中氮处于稳定状态，并且作物达到目标产量所需氮完全由猪提供，根据作物氮需求量和猪氮排泄量确定单位农用地（有效耕地面积）载猪量。

单位农用地载猪量=K×Z×AM 。 （3）

式中，Z为每公顷作物每季的需氮总量kg/（hm2·S）；A为各地区的复种指数；M为每头猪的年产氮量（kg）；K为有机肥利用率（%）。

2 结果与分析

2.1 猪不同饲养阶段污染物的产生量

如表2所示，不同生产阶段猪的产污系数不同，繁殖母猪产生量最高，總氮为52.69 g/d，总磷为32.02 g/d，育肥猪次之，仔猪的产生量最小。

本试验结果与董红敏（2011）[8]、汪开英（2009）[13]等的结果有所不同，产污系数的差异可能与饲料种类、猪群具体状况有关。因此计算污染物的产生量需要根据不同畜种，合理划分不同阶段，分别测算，结合各阶段饲养的动物头数，获得较为准确的污染物产生量。

2.2 山东主要农作物养分消耗总量及载猪量

由表3可知，蔬菜的需氮量最大，每公顷需氮为2 208.11 kg，甘薯需求量较小，每公顷为32.93 kg，这与其他学者的研究结果相一致。山东大田主要轮作种植模式小麦+水稻、小麦+玉米、小麦+大豆、小麦+甘薯，每年每公顷的需氮量分别为312.97、299.08、314.37、202.77 kg；山东每年单季种植花生需氮量每公顷为293.35 kg，棉花需氮量较少，每公顷为128.48 kg。

如表4所示，每公顷蔬菜的载猪量最大，可承载122头仔猪、67头育肥猪和53头繁殖母猪，而苹果的载猪量最小，可承载5头仔猪、3头育肥猪和2头繁殖母猪。山东轮作主要种植模式小麦+水稻、小麦+玉米、小麦+甘薯、小麦+大豆每公顷承载仔猪分别为47、45、31、47 头，承载育肥猪分别为26、25、17头和26头，承载繁殖母猪分别为16、16、11头和16头。

3 讨论

单位耕地面积承载量是衡量一个地区畜禽饲养密度大小的重要依据，可以在一定程度上反映畜禽粪尿对环境的污染风险[14]。过量氮及其衍生物可以引起水体富营养化、土壤酸化以及森林退化[15，16]。国外已将畜禽粪尿的养分资源管理作为管理重点，而且还制定出环境污染的标准。本研究所提出的猪环境承载力是基于山东省农作物种植结构和产量，在设定土壤氮保持稳定，并且作物需氮量全部由猪排泄氮提供的情况下，区域耕地所能持续支撑猪的养殖数量。

3.1 猪的产氮量对承载力的影响

本研究选用3个饲养阶段的猪，分别在春、夏、秋、冬4个季节采用全粪尿法测算出其产污系数，然后估算出年产氮量，所得值比较接近真实值。但在实际生产中受多种因素影响，估算畜禽污染物的产生量与实际情况会存在一定误差。首先，养殖企业的生产周期不同，污染物排泄量也与饲料成分、环境（如季节、气候）等因素有关。其次，养殖场实际饲养量与估算量有偏差，如统计数据中未给出死亡淘汰数量，导致估算值可能偏小。再有估算中虽考虑到猪的生产阶段，但生产中一些养殖场育肥猪的出栏体重、出栏时间以及繁殖种猪的使用年限等都有所不同，导致估算结果较实际存在差异。再次，由于各养殖场污染物的贮存方式不同，致使产污量和排污量之间的损失率很难估算。陈微等（2009）[12]研究表明，由于粪尿收集、储存、处理和运输过程的方式不同，会造成一定损失，其中粪便中氮的损失率在5%～15%，尿氮的损失率在15%～25%。本研究在农牧配套的前提下进行，计算时忽略氮在处理、运输等中间过程的损失，因此如果不考虑环境因素，仅从承载猪的角度来讲，实际猪的承载力结果应比计算值大。

3.2 化肥施用量和有机肥利用率对承载力的影响

由于作物对粪氮的当季利用率比较低，在实际生产中仍需要施用一定量的化肥来满足作物生长。在作物需氮量一定的情况下，化肥与粪肥的施用量彼涨此消。为减少猪场粪污对环境污染，本研究以猪生产氮作为作物生产的氮源，并代替化肥的施用。猪承载力大小与有机肥利用率有直接关系，通常氮的施用量是理论需求量的3倍[13]，所以养分利用率越低，猪承载力越高。由于用农作物为载体消纳粪污时，其中的营养成分特别是氮磷元素在土壤理化性质及微生物作用下会转化为硝酸盐和磷酸盐，若超出了农田负载力，会造成土壤硝酸盐、磷酸盐的淋洗等不良影响[14]。因此， 2016年农业部养殖面源污染治理方法指出提高有机肥利用率，变废为肥，降低化肥施用量。猪粪容易处理，如室外发酵床处理技术可使猪粪快速腐熟转化为有机肥，而且运输方便，可以在较远的地域内使用。但污水是养猪面源污染的处理难题，达标排放，增加企业运行成本，在实际生产中很难利用；污水厌氧发酵后变废水为肥水就近还田是优先考虑的方法。为此，研究不同贮存方式下污水的利用率以及土壤最大承载量是避免二次污染所需要解决的问题。

3.3 作物种植结构与复种指数对猪承载力的影响

山东各地市养殖体量不同，而且区域耕种面积和种植结构及复种指数也不同，导致区域内粪肥的消纳量不同。为此应根据不同区域的土地类型、种植结构和复种指数确定一定范围的土地载畜量，同时需要对粪污氮的流失风险进行评估，使农田最大程度地消纳粪污，让猪场生产与环境安全得到和谐统一。

4 结论

本研究以作物对氮的需求量为基准，在诸多条件假设的前提下对区域内猪的承载力进行估算。山东农田猪承载力最大的为蔬菜地，其次为轮作种植的粮食作物以及果园，承载力最小的为薯类。农田猪承载力的大小不仅与有机肥利用率有关，而且与作物种类和种植模式有关。本研究结果可以指导养殖生产，使养猪规模与农田耕种面积相匹配，最大程度降低养殖业面源污染，同时需要对粪污氮流失风险进行研究评估。endprint

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