成都麻羊产排污系数的测定研究

刘瀚扬，陈亚迎，朱佳文，徐麒麟，杨 雪，许祯莹，邱时秀，李 娟，吴永胜

(成都市农林科学院畜牧研究所，四川 成都611130)

近年来, 四川省的规模化肉羊养殖业发展迅速，在带来经济利益的同时，对生态环境的压力逐年增大，成为亟待解决的问题。开展农业面源污染监测有利于全面掌握我国农业污染现状，具有一定的迫切性和必要性。产排污系数作为环境领域重要的基础数据，不仅能帮助判断环境形势，还能为制定防控策略和设计环境控制设备提供重要的参考依据[1-2]。

国内外关于肉羊产污系数测定的研究报道不多，美国农业工程师协会编制了动物粪便产生和特性参数标准，给出了山羊及绵羊的粪尿产生量及污染物含量。我国畜禽养殖业污染物排放核算研究起步较晚，2009年发布的《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》给出了以地域为单位的畜禽养殖业产排污系数，是近年来我国养殖业污染物排放核算的重要参考依据，但该手册没有提供肉羊的产排污系数[3]。同时，由于养殖水平、气候条件和畜禽品种等限制性因素，跨时间跨地域套用别的国家和地区的畜禽产排污系数会造成核算结果与实际情况出入较大[4]。因此，形成我国的肉羊产排污系数具有重要的现实意义。本研究基于成都麻羊养殖的实际饲养与管理条件，对肉羊的产排污系数进行了测定，形成了符合四川省实际的肉羊产排污系数体系，为帮助了解四川省肉羊养殖污染现状，制定四川肉羊规模养殖环境控制策略提供了科学的依据。

1 材料与方法

1.1 试验肉羊及试验设计

试验肉羊为成都麻羊，试验地点为成都市大邑县某成都麻羊国家级保种场，常年存栏成都麻羊500只。粪污通过收集堆肥出售用作果树有机肥，生产污水及尿液通过沼气池无害化处理后还田。监测时间为2018年6月至2019年4月，分春、夏、秋、冬4个季节进行，每个季节进行有效数据为连续5天的采样监测。试验肉羊选用3个生长阶段，分别为妊娠期母羊、空怀母羊、以及6月龄育肥羊，每个阶段随机选择5只，体重分别为(45±2) kg、(40±2)kg和(20±2)kg。

1.2 饲养管理

采用常规饲养管理，冬季和早春以玉米青贮为主，其余季节以收刈牧草和饲用玉米为主，每日补饲精料。不同季节基础日粮营养成分见表1。空怀羊饲喂基础日粮，妊娠羊和育肥羊在此基础上增加适量精料。

表1 不同季节基础日粮营养成分Table 1 Index values of base diet samples in different seasons

1.3 采样方法及测定指标

试验采用本单位自行研究设计的肉羊代谢笼(实用新型专利号：201821707925.X)进行单笼饲养，粪便及尿液经代谢笼分离后每日定时收集及测量，本研究共采集肉羊产污系数测定用样本192个(每季每个阶段粪尿样本各8个)，其中送检样本96个，留样96个；采集肉羊基础日粮样本24个(每季饲草和精料样本各3个)。

1.3.1 粪便采样 每次收集的粪便称重后按组充分混合，采用四分法分取3个样品，每份0.5 kg。对其中两个样品加4.5 mol/L硫酸200 mL进行预处理， 1个样品留作测定含水率，样品袋密封-20 ℃保存，实验室测定粪便水分含量；有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TN)采用有机肥料测定方法(NY 525-2002)；铜(Cu)、锌(Zn)采用火焰院子吸收分光光度法(GB/T 17138-1997)；铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、镉(Cd)采用电感耦合等离子体质谱法(GB/T 24875-2010)；砷(As)采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法(GB/T 17134-1997)；镍(Ni)采用王水回流消解原子吸收法(NY/T 1613-2008)。

1.3.2 尿液采样 尿液称量后按组混匀倒入预处理桶中，按每100 mL加入4.5 mol/L 硫酸 2mL和4滴甲苯，将混合均匀的样品装入经过润洗的500 mL聚乙烯样品瓶内于4 ℃保存，每次采集2个样品，进行实验室测定。化学需氧量(COD)采用重铬酸盐法(HJ 828-2017)测定；氨氮(NH3-N)采用蒸馏-中和滴定法(HJ 537-2009)测定；TN采用凯氏定氮法(GB 11891-89)测定；TP测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)；Pb、Hg、As、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni的测定采用原子吸收分光光度法(GB 7475-87)进行测定。

1.4 统计分析及产排污系数计算

对试验数据采用SPSS 19.0进行单因素方差分析。本研究的肉羊产污系数是指在成都地区的饲养和管理条件下，某生产阶段1只肉羊1天内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产生量。根据董红敏[5]、史鹏飞等[6]对畜禽养殖业产污系数提出的计算方法，成都麻羊产污系数的计算公式如下:

FPj,k=QFj×CFj,k×QUj×CUj,k

式中:j，k分别为生产阶段、污染物种类。FPj,k为每只羊产污系数，[g/(h·d)]或[mg/(h·d)；QFj为第j生产阶段每只羊粪便产量，[g/(h·d)]；CFj,k为第j生产阶段粪便中含有第k种污染物的浓度，[g/(h·d)]或[mg/(h·d)]；QUi,j为每只羊尿液产量，[L/(h·d)]；CUj,k为第j生产阶段尿液中含有第k种污染物的浓度，[g/(h·d)]或[mg/(h·d)]。

本研究的肉羊排污系数是指在成都地区的饲养和管理条件下，某生产阶段1只肉羊1天内所产生的前述污染物排放到外部环境的量，根据相关研究[7-9]，我们测定了该养殖场单个圈舍(10只羊)的粪便及尿液收集量，成都麻羊粪便(尿液)利用率=单个圈舍的粪便(尿液)收集量/[产污系数中每只羊粪便(尿液)收集量×相应只数]×100%。成都麻羊排污系数的计算公式如下:

FWDj,k=(QFj×CFj,k)×(1-ηU)×(QUj×CUj,k)×(1-ηT)

式中:FWDi,j=肉羊第j生产阶段第k中污染物的排污系数[g/(h·d)]或[mg/(h·d)]；ηU为粪便的利用率；ηT为尿液的利用率。

2 结果与分析

2.1 产污系数

2.1.1 粪便样本各项指标测定值 从表2可知，在总氮方面，妊娠羊春季和冬季高于夏季(P<0.05)，空怀羊冬季高于秋季(P<0.05)，其他季节差异不显著(P>0.05)，育肥羊春季和冬季高于夏季和秋季(P<0.05)；总磷方面，三种阶段的羊最高值均出现在夏季，其中妊娠羊和空怀羊显著高于其他季节(P<0.05)；在锌和铜方面，妊娠羊和空怀羊春、夏两季均高于夏、秋两季(P<0.05)，且最高值都在春季，育肥羊夏季最高且显著高于秋季(P<0.05)；三种阶段的羊有机质含量最高值都在冬季，且均显著高于秋季(P<0.05)；重金属方面，除镉以外，三种阶段的羊铅、汞、铬、砷、镍均低于检出限，其中妊娠羊及育肥羊分别在春、冬检出，空怀羊春、冬两季均有检出，检出的镉含量符合生物有机肥国家标准(≤3 mg/kg，NY 884-2012)；产粪量方面，三种阶段的羊四季无显著差异(P>0.05)，妊娠羊最高值出现在夏季，空怀羊和育肥羊最高值出现在秋季。

表2 粪便样本各项指标测定值Table 2 The estimated value of each index of manure samples

2.1.2 尿液样本各项指标测定值 从表3可以看出，在总氮方面，三种阶段的羊冬季均显著高于其他季节(P<0.05)，妊娠羊及空怀羊夏季显著低于其他季节(P<0.05)，育肥羊春季显著低于其他季节(P<0.05)；总磷方面，妊娠羊秋、冬季显著高于春、秋两季(P<0.05)，空怀羊和育肥羊各季节之间无显著差异(P>0.05)；COD方面，妊娠羊和育肥羊的最高值分别出现在春季及冬季(P<0.05)，空怀羊最低值出现在夏季，其余各季节无显著差异(P>0.05)；氨氮方面，三种阶段的羊夏季均显著高于其他季节(P<0.05)，冬季均低于其他季节；产尿量方面，妊娠羊和空怀羊夏季均显著高于其他季节(P<0.05)，育肥羊春季显著高于冬季(P<0.05)，三种阶段的羊最低值均在冬季；三种阶段的羊尿液中铜、锌、铅、汞、铬、砷、镍均低于检出限。

表3 尿液样本各项指标测定值Table 3 The estimated value of each index of urine samples

2.1.3 产污系数 由表4可知，总氮方面，妊娠羊和育肥羊4个季节的产污系数无显著差异(P>0.05)，空怀羊冬季总氮高于夏季(P<0.05),其余季节间无显著差异；总磷方面，妊娠羊和育肥羊夏季均显著高于冬季(P<0.05)，空怀羊各个季节间差异不显著(P>0.05)；锌和铜方面，妊娠羊和空怀羊春季及夏季均高于秋、冬两季(P<0.05)，育肥羊夏季显著高于秋季(P<0.05)；重金属方面，妊娠羊及育肥羊分别在春、冬检出，空怀羊春、冬两季均有检出；COD方面，妊娠羊春季及夏季均高于秋、冬两季(P<0.05)，空怀羊夏季显著高于秋季(P<0.05)，育肥羊各个季节间差异不显著(P>0.05)；氨氮方面，三种阶段的羊最高值均出现在夏季，最低值均出现在冬季，且夏季显著高于冬季(P<0.05)；有机质方面，妊娠羊夏季显著高于春季，其余季节间差异不显著(P>0.05)，空怀羊和育肥羊各个季节间均无显著差异(P>0.05)。

表4 成都麻羊的产污系数Table 4 Pollutants discharging coefficients of Chengdu Grey Goat

2.2 排污系数

目前，关于肉羊粪便收集率的研究未见报道，本研究参考了栾冬梅对于育肥牛粪尿收集率的研究方法[10]。成都麻羊白天在运动场活动，夜间在舍内休息，场内有较为完善的粪便及污水无害化处理设施。根据现场测算，该饲养条件下的粪污利用率见表5。由表5可知，粪尿利用率冬季最高，夏季最低。

通过各个季度的粪污利用率，根据排污系数的计算公式可以得到成都麻羊的排污系数，由表6可知，三种阶段的羊夏季的总氮、总磷、锌、铜、COD、氨氮、有机质都显著高于其他三个季节(P<0.05)。

表5 规模化羊场4个季度的粪污利用率Table 5 Efficiency of fecal collection in 4 seasons of large-scale dairy farm

表6 成都麻羊的排污系数Table 6 Pollutants producing coefficients of Chengdu Grey Goat

3 讨 论

3.1 产污系数

四川盆地气候属于亚热带季风性湿润气候，夏季平均温度在24～28 ℃之间，冬季平均温度4～8 ℃之间。肉羊的粗饲料来源受气候条件影响较大，夏季和秋季以人工牧草和饲用玉米为主，春季和冬季则以农作物秸秆、青贮为主，适口性较新鲜草料差。

三个阶段的肉羊各个季节间产粪量差异不显著，说明气候变化及饲草的适口性并未对成都麻羊的产粪量造成较大影响。由于不同季节基础日粮样本中粗蛋白含量差异不大，总氮方面，除空怀羊夏季略低于冬季，三种阶段羊各季节间总氮产污系数无显著差异。总磷方面，由于夏季精料总磷高于其他季节，因此妊娠羊和育肥羊的总磷产物系数夏季显著高于其他季节，其余各季节间差异不显著。锌和铜方面，妊娠羊和空怀羊春、夏两季均高于夏、秋两季(P<0.05)，这与精料来源中锌、铜的含量变化完全一致，说明肉羊摄入的锌、铜如果不能被消化道吸收，大部分会随粪便排出体外，王国利在对肉牛产物系数的测定中也有类似发现[7]。重金属的含量，成都麻羊粪便中仅在部分季节检出少量镉，且符合生物有机肥国家标准，说明成都麻羊的粪便在经过无害化处理后，可以安全还田。

肉羊的产尿量，妊娠羊和空怀羊夏季均显著高于其他季节，这与四川盆地夏季气候有关。四川省全年湿度较大，成都市年平均相对湿度为79%，在相同的温度下，相对湿度越大，体感温度的增幅就越明显，妊娠羊和空怀羊体型较大，体脂率较高，因此与育肥羊相比，夏季饮水量显著增加，产尿量也随之增加。COD、氨氮产污系数均来自于尿液，系数的大小取决于尿液量及其浓度。因此COD方面，虽然妊娠羊和空怀羊夏季的尿液样本中COD浓度最低，但由于产尿量高，COD产污系数最高值均出现在夏季。同理，氨氮含量，三种阶段的羊夏季的尿液样本中氨氮浓度均高于其他季节，因此三种阶段的羊氨氮产污系数最高值均出现在夏季。

3.2 排污系数

四川省的肉羊养殖场普遍采用干清粪方式收集粪便，收集的粪便集中贮存堆沤后主要用于果树肥料，尿液通过沼气池无害化处理后得以还田，因此粪便及尿液具有较高的收集率。根据现场测算结果，三种阶段的羊夏季粪便及尿液收集率均低于冬季，原因可能是夏季天气较热，尿液蒸发量大，冬季则相反。同时夏季雨水较多，运动场的粪便及尿液被雨水冲刷流失，因此利用率较低。育肥羊运动量较大，夏季粪尿利用率降低明显，妊娠羊运动量小，因此各个季节利用率高于空怀羊和育肥羊。

各指标排污系数呈现显著的季节性，表现为夏季高，冬季低。根据排污系数的计算公式可以得知，粪便及尿液利用率直接影响产污系数的大小，因此各指标排污系数最高值均出现在夏季，且显著高于其他季节。需要指出的是该方法测得的粪污利用率只代表了试验组的粪污利用率，实际上被雨水冲刷流失而未被收集测得的那部分粪污可以通过养殖场内的排污设施集中进入沼气池处理，并未直接排放，因此实际的排污系数会更低。

4 结 论

本研究结果表明，成都麻羊妊娠期、空怀期和育肥期产污系数以妊娠羊最高，空怀羊次之，育肥羊最低；总氮、总磷、锌、铜、镉、有机质、COD、氨氮排出量随季节变化有不同变化；排污系数呈现显著的季节性，表现为夏季高，冬季低。