基于种养平衡的河南省畜禽养殖分析及其环境污染风险研究

张 英，武淑霞，刘宏斌，雷秋良，王洪媛，翟丽梅

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081）

我国是畜禽养殖大国，尤其近年来养殖业发展迅速，在提供肉蛋奶的同时不可避免地产生大量的养殖粪污，产生一系列的生态环境问题。关于畜禽污染已有较多的研究，张绪美等［1-2］研究表明过量的畜禽粪污会改变大气的正常组分，污染水体从而引起水体富营养化，破坏土壤结构等，并通过对江苏省畜禽养殖现状调查分析得出全省畜禽粪便污染严重地区大多靠近水体，对江苏省水环境质量产生威胁。刘晓永等［3］研究得出近30年来全国畜禽粪尿及其氮磷养分资源持续增加，东北地区、河南、天津、山东、河北增幅明显。刘然然［4］研究表明2006～2015年10年间山东省畜禽粪便耕地和水体污染风险等级均处于Ⅲ级及以上水平，受到较为严重的污染威胁。河南省是我国的养殖大省，2016年河南省猪、牛、羊出栏量分别占全国的8.77%、10.77% 和 7.06%［5］。高定等［6］在 2005年指出河南省粪便负荷为36.6 t·hm-2。耿维等［7］研究表明2010年河南省年粪便总量达1.87亿t，占全国粪便总量的8.37%，居全国第二。

近年来，畜禽养殖方式发生了较大变化，以前的农户散养逐渐被养殖专业户和大、中型畜禽养殖场所替代，难以保证周边有充足的土地来消纳养殖废弃物，加大了对环境的潜在污染，以地定畜、种养结合等方法成为畜禽养殖污染研究的热点之一。种养结合模式不仅可以减少畜禽粪便污染，还能提高土壤肥力［8］。已有研究表明，河南省畜禽养殖对周围地下水体形成的潜在威胁远大于工业、生活污染［9-11］，但缺乏对各地差异以及对环境影响的定量研究。本文基于等标污染负荷法计算了河南省各地区的畜禽养殖水体负荷污染指数，并利用排污系数法分析了河南省各地区畜禽养殖粪污提供的氮素，同时与种植农作物氮需求做了平衡分析［12］，对各地区畜禽粪尿耕地污染负荷情况进行衡量与评估，为河南省畜禽养殖与生态环境的协调发展提供理论指导。

1 数据与方法

1.1 数据来源

我国农区的畜禽粪尿主要来源于牛、猪、羊和家禽。本文选取河南省各地区的猪、牛、羊、家禽产生的畜禽粪尿作为研究对象。河南省各地区的畜禽出栏量和存栏量，农作物产量均来自于《2017年河南统计年鉴》［5］。农作物包括小麦、水稻、玉米、大豆、棉花、蔬菜、瓜果、花生、各类水果、油菜和烟叶等。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽粪尿产生量

生猪的饲养周期确定为199 d，用出栏量作为饲养量，奶牛、肉牛、羊的饲养周期为365 d，取年末存栏量作为饲养量，家禽的饲养周期为210 d，取年末存栏量作为饲养量［13］。目前对于畜禽的排污系数有不同的意见，本文采用的猪、牛、羊、家禽的排污系数均参考《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》［14］及朱建春等［13］的研究相结合进行确定，具体数据见表1。畜禽粪尿量的计算公式为:畜禽粪尿量=∑饲养量×日排污系数×饲养周期。

表1 畜禽粪污日排污系数

1.2.2 畜禽粪尿耕地负荷及风险评价方法

畜禽粪尿耕地负荷指区域单位面积承载的畜禽粪尿量，用来衡量区域养殖规模是否合理。由于不同类型的畜禽粪便，其肥效养分差异很大，故其农田消纳量差异也很大，因此将各种粪尿统一成猪粪当量，然后叠加成猪粪总量。各畜禽换算成猪粪当量的换算系数为猪粪1.00，猪尿0.50，牛粪0.69，牛尿1.23，羊粪1.23，家禽粪2.51［15］。将畜禽粪尿猪粪当量的耕地负荷除以农田有机肥理论最大适宜施肥量，其比值即为区域畜禽粪尿负荷量承受程度的警报值r，它间接反映各地区畜禽粪尿耕地负荷承受程度。r值越大，畜禽粪尿对环境造成的污染威胁性越大，环境对畜禽粪尿负荷量的承载能力越小。从环境风险的角度考虑，一般以30 t·hm-2为最大理论适宜量［16］。计算公式为:

①畜禽粪尿耕地负荷量:q=Q/S=∑X·T/S式中，Q—年度粪尿养分总量（万t）；S—耕地面积（万hm2）；

X—各类畜禽粪尿量（万t）；T—猪粪当量换算系数。

②警报值计算公式为:r=q/p

式中，q—畜禽粪便负荷量（t·hm-2）；p—有机肥最大理论适宜施用量（t·hm-2）。

1.2.3 基于种养平衡的畜禽养殖量分析方法

通过科学估算区域畜禽养殖环境可承载猪当量与实际饲养量比较，评价各地区畜禽养殖量是否超量及其程度，并依此指导各地优化调整畜牧业区域布局，促进农牧结合、种养循环发展，加快推进畜禽粪污资源化利用，引导畜牧业绿色发展。猪当量是指用于衡量畜禽氮排泄物的度量单位，1头猪为1个猪当量。2018年《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》［12］指出按存栏量折算，100头猪相当于15头奶牛，30头肉牛，250只羊，2 500只家禽。计算公式为:

①土地可承载猪当量总量（以氮量计算）=区域作物粪肥氮素需求量/单位猪当量粪肥氮素供给量

②区域作物养分需求量=∑（每种作物总产量×单位产量氮素需求量）

③区域作物粪肥养分需求量=（区域作物氮素需求量×施肥供给氮素占比×粪肥占施肥比例）/粪肥氮素当季利用率

式中，单位猪当量粪肥氮素供给量为7.0kg，施肥供给养分占比推荐值为45%。不同植物单位产量适宜氮养分需求量见表2。粪肥中氮素当季利用率推荐值为25%。

表2 主要作物形成100kg产量需要吸收氮量推荐值

1.2.4 水体等标污染负荷

等标污染负荷指把i污染物的排放量稀释到相应排放标准时所需的介质量，用以评价各污染源和各污染物的相对危害程度，是污染评价的常用指标，可以表达污染源本身潜在的污染水平。本文所研究的污染物包括全氮（TN）、全磷（TP）、化学需氧量（COD），其产生量根据畜禽粪尿总量和畜禽粪尿中污染物含量参数来确定。对于畜禽粪尿的流失率，陈斌玺等［17］，宋大平等［18］都是根据当地现实情况将各种畜禽粪尿流失率均按30%考虑，大多研究是把不同种类畜禽的粪尿流失率分开来考虑，本文参考史瑞祥等［19］和张国印等［20］的研究来确定的畜禽污染物参数及流失率，具体数据见表3。水资源总量为区域内降水形成的地表水和地下水总量。计算公式如下:

表3 畜禽污染物参数及流失率

①i污染物的等标排放量计算公式为:Pi= ci/c0

式中，Pi—i污染物的等标排放量（m3）；

ci—i污染物流失量（t·年-1）；

c0—污染物按GB 3838-2002Ⅲ类标准系列的阀浓度（COD 为 20 mg·L-1，TN 为 1 mg·L-1，TP为 0.2 mg·L-1）。

②畜禽粪便污染物产生量=年畜禽粪便量×畜禽粪便污染物参数。

③畜禽粪便污染物流失量=畜禽粪便污染物产生量×进入水体的流失率。

④某地区污染物的等标污染负荷指数=该地区污染物的等标排放量（Pi）/该地区水资源总量。

⑤某地区污染物的等标污染负荷比=某地区污染物的等标排放量（Pi）/某地区污染物的总等标排放量。当某种污染物的等标污染负荷比越大时，则说明该污染物的贡献率越大。

⑥某地区污染物的扩散浓度=该地区污染物的产生量/该地区水资源总量。

2 结果与分析

2.1 河南省各地区畜禽粪尿耕地污染现状

2.1.1 河南省各地区畜禽粪尿总量

近年来，河南省畜禽养殖规模逐渐增大，畜禽粪尿产生量增加，部分地区粪尿基数大且缺乏足够的耕地来容纳，不可避免地增加了这些地区氮磷从耕地流失到环境的风险。河南省各地区畜禽粪尿排放量如表4所示，由表4可知河南省畜禽粪尿排放总量为13 101.5万t，其中粪便6 257.0万t，尿5 799.4万t。猪的粪尿产生量最高，为5 290.6万t，占畜禽粪污排放总量的40.4%。从空间分布来看，南阳市的畜禽粪尿排放量最大，为1 970.5万t，占河南省的15.0%。济源市畜禽粪污排放量最小，为86.9万t。畜禽粪尿产生量前五名的地区为南阳市、驻马店市、周口市、商丘市和开封市，该5个地区畜禽粪尿产生量总和占河南省总量的54.0%，与周凯等［11］的研究一致。

表4 河南省各地区畜禽粪尿产生总量 （万t）

2.1.2 畜禽粪尿污染耕地负荷及预警分析

河南省各地区的耕地负荷量及警报值级别如表5所示，粪尿耕地负荷量最大的地区为开封市，为23.0 t·hm-2。根据畜禽粪尿耕地负荷量的大小，把畜禽粪便负荷量分为6个等级［15］如表6，河南省平均负荷量为16.2 t·hm-2，警报值级别处于Ⅱ级，对环境稍构成污染威胁。全省畜禽粪尿污染程度在空间分布上呈现不均匀分布，警报值级别达到Ⅲ级的为开封市、平顶山市、漯河市，对环境构成污染威胁。警报值级别达到Ⅱ级的有洛阳市、鹤壁市、濮阳市、许昌市、三门峡市、南阳市、商丘市、周口市、驻马店市、济源市，对环境稍构成污染威胁。警报值级别达到Ⅰ级的为郑州市、安阳市、新乡市、焦作市、信阳市，对环境没有威胁。

表5 畜禽粪尿耕地负荷量及预警分析

表6 畜禽粪便负荷预警级别

2.1.3 河南省各地区畜禽养殖现状分析（以猪当量计）

本文依照《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》［12］，利用猪当量对河南省畜禽养殖现状进行分析，通过作物需要的氮养分计算出各地区种植业可承载的猪当量总量，与其实际畜禽养殖猪当量总量相比较，用于评价各地区畜禽养殖量是否超量及其程度。河南省畜禽养殖现状如表7所示，全省可承载的猪当量为7 402.4万头猪当量，实际养殖9 449.7万头猪当量，已超出2 047.3万头猪当量。从空间分布上看河南省大部分地区畜禽养殖猪当量均已超载，只有安阳和商丘两市还有发展空间，其中驻马店超载最严重，已超出298.7万头猪当量。驻马店市、平顶山市、洛阳市、信阳市4个市超载严重，占超载总量的50.1%。对于上述超载地区应该合理消减畜禽养殖数量。

表7 河南省畜禽养殖量（以猪当量计算，万头）

2.2 河南省各地区畜禽养殖水体潜在污染现状

2.2.1 畜禽粪便水体污染负荷

河南省位于黄河中下游，横跨黄河、淮河、海河、长江四大水系，境内1 500多条河流纵横交织，黄河横贯中部，境内干流711 km，流域面积3.62万km2，约占全省面积的1/5［21］。多年平均降水量为784 mm［22］，水资源相对较匮乏。河南省水资源量自北向南逐渐增加，信阳水资源量较丰富，鹤壁和三门峡水资源较匮乏［23］。近年来随着畜禽养殖的增加，大量畜禽粪尿的不合理排放，造成了部分水体的污染。

经计算，2016年河南省畜禽养殖粪尿中主要污染物的流失量、等标排放量、等标污染负荷比、扩散浓度如表8所示。河南省TN、TP和COD流失量总计达78.14万t，其中COD流失量较多，占总量的68.0%；其次是TN流失量，占27.7%；TP流失量最少，仅占4.3%。TN、TP、COD 3种污染物的等标排放量总计为41.1×1010m3，TN的等标排放量最高，占52.8%，其次是TP占40.7%，COD的等标排放量最低仅占6.5%。说明河南省水体的主要污染物是TN和TP，而COD相对较少。由于河南省水资源较匮乏，加上污染物排放量较大，故河南省水体平均污染物扩散浓度达到了128.0 mg·L-1，扩散浓度最高的为开封市达343.8 mg·L-1，最低的是信阳市为25.2 mg·L-1。信阳市地处河南省的南部，平均年降水量相对较高，水资源较充沛，故污染物扩散浓度较低。驻马店市和南阳市的污染物对全省的影响最大，二者的等标污染负荷比分别为13.5%和13.4%。对全省影响最小的是济源市，等标污染负荷比仅为0.8%。

表8 河南省畜禽粪便水体污染情况

2.2.2 畜禽粪便污染水体等标污染负荷指数

等标污染负荷指数是以数值的形式直接反映一个地区水体污染的严重程度。参考宋大平等［18］的研究，按照数值大小把畜禽粪便等标污染指数分级如表9。河南省各市的等标污染指数如图1，河南省平均等标污染负荷指数为12.2 mg·L-1，表现为对水环境有污染。对环境污染最严重的是开封市，等标污染负荷指数达31.9 mg·L-1。对环境无污染的是信阳市，等标污染负荷为2.3 mg·L-1。其中开封市、濮阳市、许昌市、漯河市的等标污染负荷指数大于20 mg·L-1，对环境造成了严重的污染。安阳市、焦作市、济源市的等标污染负荷指数均小于10 mg·L-1，对环境稍有影响。据统计资料显示［19］，濮阳市、漯河市、许昌市、开封市的水资源总量均处在全省水资源总量较少的地区，由于这些地区畜禽粪尿产生量大而水资源总量少，导致等标污染负荷指数较大，耕地和水体双重污染严重。而南阳市、三门峡市、信阳市虽然畜禽粪污污染物流失量较多，但水资源总量丰富，其等标污染负荷指数较低。尤其信阳市年降水量1 300 mm左右，水资源总量占河南省总量的22%，水资源较丰富，其畜禽粪污等标污染负荷指数较小，对环境影响也较小。

表9 水体负荷等标污染指数级别

图1 河南省畜禽粪便等标污染指数

3 结论

（1）河南省2016年畜禽粪尿产生总量为13 101.5万t，其中，南阳市的畜禽粪尿产生量最大，占河南省的15.0%。其次为驻马店市、周口市、商丘市和开封市，这5个地区的畜禽粪尿产生量占河南省的54.0%。济源市畜禽粪污排放量最小，为86.9万t。

（2）河南省耕地平均负荷量为16.2 t·hm-2，警报值级别处于Ⅱ级，对环境稍构成污染威胁。最高的警报值级别达到Ⅲ级为开封市、平顶山市、漯河市，对环境构成污染威胁。河南省畜禽养殖量超出其可环境承载量达2 047.3万头猪当量。其中驻马店市、平顶山市、洛阳市和信阳市超载最严重，占超载总量的50.1%。

（3）河南省水体的主要污染物为TN和TP，COD的等标排放量相对较少。全省平均扩散浓度达128.0 mg·L-1，已属于严重污染。河南省平均等标污染指数为12.2 mg·L-1，表现为对水环境有污染。全省环境污染最严重的地区是开封市，污染指数达31.9 mg·L-1，对环境污染较小的是信阳市，污染指数为 2.3 mg·L-1。

（4）从污染负荷来看，开封市、平顶山市、漯河市的耕地承载负荷大，水体潜在污染严重，安阳市和信阳市的污染负荷较低。