海南岛1988—2018年畜禽粪尿氮磷负荷量及环境效应

丁尚，付阳，郭浩浩，宋晨阳，李博玲，赵洪伟

（1海南大学生态与环境学院/海南省农林环境过程与生态调控重点实验室/海南省热带生态环境修复工程研究中心，海口570228；2海南大学动物科技学院，海口570228；3海南省畜牧技术推广站，海口570100）

0 引言

【研究意义】近年来，随着经济的发展和农业集约化水平的提高，畜禽养殖业迅猛发展，在供给人们肉类产品的同时，畜禽废弃物的管理不当也带来了严重的环境问题[1]，造成耕地氮磷负荷过高[2]，水生生态系统富营养化[3-4]，病原微生物污染[5]等一系列问题，联合国粮农组织已将畜禽养殖列为世界三大环境污染源之一[6]。因此对畜禽粪污的养分流动进行研究，从资源和环境角度进行优化，对在国家和区域尺度上制定合理布局和方案至关重要。【前人研究进展】目前，就畜禽粪尿资源化利用和环境问题的研究，国内外相关学者做了大量工作。如MISHIMA等[7-8]通过明确家畜排泄物的去向估算了粪肥的施用量，提出了合理的施肥水平，并就畜禽粪污的资源化利用做了进一步研究；而BASSANINO等[9]则从环境角度出发，基于气候、土壤类型、作物生产力等数据，开发了一种对不同的农业环境进行空间描述的方法，据此分析了畜禽粪尿的环境效应。也有学者[10]引入了畜禽粪尿耕地负荷预警值来评判畜禽粪尿对土地的环境风险。在国家尺度上，王方浩等[11]通过确定估算方法和参数，估算了2003年我国养殖业粪尿产生量以及平均耕地负荷。在此基础上，近年来研究人员就我国畜禽粪尿的能源潜力、还田总量和污染风险进行了系统研究[12-14]。在区域尺度上，易秀等[15]以陕西省为研究对象，估算了2006—2010年的畜禽粪尿排放量及负荷量，并评价了其对环境的污染压力；李丹阳等[16]则从空间变化出发，研究了2016年山西省区域畜禽粪污产生量、养分负荷量、能源潜力及环境风险。【本研究切入点】有研究指出，海南单位耕地面积养分污染负荷较高，污染情况较严重[12,17-18]。而《国家生态文明试验区（海南）实施方案》[19]中对农业的生态发展和土壤生态环境提出了高标准要求，因此，明确畜禽粪污耕地负荷及其环境效应对促进海南岛生态建设意义重大。而对于海南省，大多数学者[17,20-21]仅从某一年出发，研究中多探讨养殖数量、耕地负荷情况，鲜有在时空尺度上针对该区域畜禽粪尿养分流动、耕地负荷及其环境风险的具体研究。【拟解决的关键问题】以海南岛为研究对象，核算1988—2018年海南岛畜禽粪尿养分产生量以及单位耕地面积氮磷负荷，并通过畜禽粪尿耕地负荷预警值与环境风险指数来综合评价其对环境产生的影响，以期为区域畜禽养殖布局和环境治理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛是我国第二大岛，位于东经 108°37′—111°03′，北纬 18°10′—20°10′，面积约 3.39 万平方千米。岛内年平均气温24—27℃，全年无霜冻期，畜禽饲养周期短，出栏率较高，全岛适宜放牧的地区达30%，对发展畜牧业具有较好的潜力。2018年本地有效耕地面积为43.90万公顷，主要集中在沿海平原地区，而中部为山地丘陵地区，耕地面积较小，林地面积相对较大。1988—2018年，海南岛畜牧业快速发展，截至2018年底，畜牧业总产值达245.32亿元，牲畜年出栏量666万头，家禽年出栏量16 011万只，其中肉蛋奶类总产量达84.71万吨[22]。

1.2 数据及参数

本研究所需历年海南岛畜禽养殖数量、耕地面积等数据来自1989—2019年《海南省统计年鉴》（通过第三次全国农业普查，统计年鉴数据有所修正，根据2019年海南省统计年鉴，畜禽养殖部分 2013—2018年为最新修正数据）。考虑到不同时期及不同地区畜禽饲养周期的差异，选用猪年末出栏量、牛年末存栏量、羊年末存栏量、肉鸡及鸭鹅年末出栏量、蛋鸡年末存栏量作为养殖量进行计算。

对于不同地区，畜禽粪尿的排泄系数和养分含量有所差异，不同文献给出的数据也不尽相同，本文采用农业农村部科教司与第一次全国污染普查领导小组办公室于2009年联合发布《第一次全国污染普查畜禽养殖业源产排污系数手册》[23]中南区域（含海南省）的参数，并借鉴张建杰等[24]对参数的修订原则：猪产排污系数=1/3保育期产排污系数+2/3育肥期产排污系数；奶牛产排污系数即为产奶阶段；役用牛产排污系数按育成牛阶段算；肉牛产排污系数按育肥期算；蛋鸡产排污系数按产蛋期算；肉禽产排污系数按肉鸡的产排污系数计算。其他数据，如羊的产排污系数来自耿维等[12]的研究，畜禽鲜重、饲养周期结合调研和文献[24]获得（表1）。

1.3 计算公式

1.3.1 畜禽粪尿养分产生量

式中，Q为畜禽粪尿养分产生总量；Qi为某一种畜禽粪尿产生量；Fi为饲养总量；Ri为该畜禽饲养周期；Wi为个体鲜重；Ni,N(P)为粪尿中氮或磷养分含量。

1.3.2 单位耕地面积氮磷负荷量LN(P)=QN(P)/A

式中，LN(P)为单位耕地面积氮磷负荷；QN(P)为粪尿氮磷产生量；A为有效耕地面积。

1.3.3 畜禽粪尿耕地负荷预警值 单位耕地面积氮磷负荷仅反映区域畜禽粪污是否超标，为判定粪尿排放对环境产生的威胁程度，还需要进一步划分污染等级，参考沈根详等[10]提出的方法对海南岛畜禽粪尿单位耕地面积环境效应进行预警和分级。

表1 畜禽粪尿排泄系数及养分含量Table 1 Animal manure parameters and their nutrient contents

式中，R为预警值，q为畜禽粪尿负荷量。其中，M各类畜禽粪尿量；T为各类畜禽粪尿换算成猪粪当量的换算系数[10]；p为以猪粪当量计的有机肥最大适宜施用量，根据沈根祥、刁晓平等[10,25]的研究，此处取45 t·hm-2。

本文的分级参考沈根祥等[10]的研究，将R值分为＜0.4、0.4—0.7、0.7—1.0、1.0—1.5、1.5—2.5和＞2.5共6个级别，预警级别分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，对应的污染程度分别为无、稍有、有、较严重、严重和很严重。R值越大，说明畜禽粪污对生态环境的潜在危害越大。

1.3.4 畜禽粪尿氮磷环境风险评估 利用耕地对氮磷的承载力和单位猪的总氮磷排放量，将其他畜禽折算成猪当量，得出畜禽养殖的环境容量与实际养殖总量。

式中，EN/P为耕地总氮磷环境容量；A为有效耕地面积；SN/P为粪肥年施氮磷限量标准，SN=170 kg·hm-2，SP=35 kg·hm-2[26-27]；LE为畜禽养殖环境容量；r为单位猪年粪尿总氮磷排放量；CQ为畜禽养殖实际数量；DN(P)i为第i种畜禽粪尿年总氮磷排放量。

根据耿维、朱建春等[12,28]的研究，将实际畜禽养殖总量与50%环境容量比值作为风险指数，对海南岛氮磷污染进行风险评估。

2 结果

2.1 海南岛畜禽粪尿氮磷养分流动情况

由图1-A可以看出，1988—2018年海南岛畜禽粪尿产生总量大致分为3个阶段，1988—2005年呈现持续增长趋势，总量由12.05×106t增至17.95×106t，在2006年后出现较大规模下降，降低至11.32×106t，而2008年后缓慢增长并趋于稳定。这与海南省畜禽饲养量变化情况一致，此外，畜禽粪尿的总量也受畜禽排泄系数和饲养周期等因素影响，由于牛类饲养周期长，排泄系数大，虽然近30多年牛的养殖不占优势，但其粪尿产生量始终较高，同样地，受养殖周期和排污系数影响，禽类排污总量较低，随着猪的养殖总量增加，其排污占比逐渐升高。

就养分产生量来看（图 1-B），粪尿氮磷年际间变化趋势相似，1988—2005年粪尿氮由 5.82×104t增至10.10×104t，到2006年降至6.78×104t，此后缓慢增长，2013年以后，由于系数修正，养殖总量较2012年以前差距较大，但从总量变化来看，近年趋于稳定，保持在 7.00×104t。1988—2005年粪尿磷由0.98×104t增至 1.56×104t，2006 年降至 1.01×104t，2007—2012年保持增长的趋势，近年来维持在1.00×104t。

2.2 海南岛畜禽粪尿单位耕地面积氮磷负荷量

畜禽粪尿单位耕地面积氮磷负荷在一定程度上反映畜禽粪污潜在的环境风险[29]，即假定所有粪尿无损失的进入耕地，将土地作为载体从而衡量整个区域水平上的畜禽污染。本文选取欧盟给出的数据（SN=170 kg·hm-2，SP=35 kg·hm-2[26-27]）作为粪肥施用限值，研究表明，超过此值即带来氮磷的淋洗损失[27,30]。

1993—2005年、2008—2014年间单位耕地面积总氮负荷超标，2005年最高，为 242.60 kg·hm-2。近年来，氮负荷有所下降，但也接近限量值，总体反映出较严重的氮素污染。就单位耕地面积磷元素负荷来看，除2002—2005年超过标准限值，其余年份均未超标，近几年更是呈现较低的水平，维持在22.00 kg·hm-2左右（图2）。

从区域分布来看，2018年单位耕地面积氮磷负荷量区域差异较大，就氮负荷而言，定安、万宁和澄迈数值较大，分别为288.50、277.28和269.52 kg·hm-2。而东方和临高数值均低于100 kg·hm-2，分别为61.66和78.30 kg·hm-2，与氮元素相比，大部分市（县）磷负荷在土壤限值以下，仅万宁、定安、屯昌、澄迈数值超标，其中定安磷元素负荷最高，为40.35 kg·hm-2，最低的为东方，仅为8.83 kg·hm-2（图3）。

2.3 海南岛畜禽粪尿耕地负荷预警值

q和R受粪尿产生量的影响，故总体趋势与畜禽养殖粪尿产生趋势一致。但从具体数值来看（图4），1988—2018年海南岛畜禽粪尿耕地负荷预警值始终处于较高水平，大多数年份在 1.0—1.5，分级标准中达到Ⅳ级，对环境有较严重的影响。可以看出海南30多年来畜禽粪尿带来的污染超过了耕地可承受负荷，对环境已经有较严重的威胁。其中 2005年预警值最高，为1.58，严重影响环境，1990年数值最低，为0.75，对环境有一定影响，近年数值在1.23左右，对环境有较严重的威胁。

图1 1988—2018年海南岛畜禽粪尿排放变化及养分产生量Fig. 1 Changes of manure emissions and nutrient production in Hainan Island from 1988 to 2018

图2 1988—2018年海南岛单位耕地面积总氮和总磷负荷Fig. 2 Loads of total nitrogen and phosphorus in unit cultivated land of Hainan Island from 1988 to 2018

图3 2018年海南各区域单位耕地面积总氮和总磷负荷Fig. 3 Loads of total nitrogen and phosphorus in unit cultivated land area in Hainan Island in 2018

图4 1988—2018年海南岛猪粪当量负荷及耕地负荷预警值Fig. 4 Pig manure equivalent load and alarm value in Hainan Island from 1988 to 2018

空间分布上（表2），通过对各地区2018年预警值的计算，仅东方畜禽粪尿耕地负荷量对环境无威胁，R=0.36，此外，大部分市（县）畜禽粪污均对环境带来不同程度的影响，海口、三亚、儋州等地对环境有影响，文昌、保亭影响较严重，而琼海、万宁、屯昌预警值已达到Ⅴ级，对环境产生严重威胁，所有地区中最严重的是定安（2.66）和澄迈（4.59），达到Ⅵ级水平。这在一定程度上反映了海南区域尺度上畜禽粪污总量超过有效耕地可承受范围，多余的养分或通过径流、淋溶损失，或不断积累使土壤板结肥力下降，引发较严重的环境问题[2]，并且部分地区（如澄迈）潜在环境问题已达到十分严峻的地步。

2.4 海南岛畜禽粪尿氮磷环境风险

由 1.3.4中公式核算出海南岛畜禽养殖的环境容量和实际养殖总量，为保持种植业和养殖业的合理发展，实际养殖量应达到或接近50%养殖容量[12]。过高即超过土壤环境实际容纳量，其畜禽粪污有污染环境的风险，利用实际畜禽养殖总量与50%环境容量比值作为风险指数，对区域环境风险进行评估。

以氮为基准（图 5-A），受耕地面积限制，海南岛1988—2018年耕地总氮的养殖容量保持在0.055亿头猪当量，实际养殖总量在0.044—0.076亿头猪当量之间；以磷为基准（图5-B），畜禽养殖容量在0.085亿头猪当量左右，实际养殖总量在0.055—0.096亿头猪当量之间，与耿维、朱建春等[12,28]在全国范围研究上估算海南的数值差距较大，原因是在全国尺度上，前人基于《中国统计年鉴》，在核算耕地面积时使用

总耕地面积，而本文作者认为使用有效耕地面积作为畜禽粪污承载场所更符合实际情况。由图5可以看出，1988—2018年环境风险指数均高于1.00，即海南岛30多年来畜禽养殖均超过农地合理的环境容量，存在环境风险。其中数值较高的年份为2005年，环境风险指数为2.85（以氮计）和2.14（以磷计）。近年随着养殖总量的控制，2018年环境风险指数下降到1.99（以氮计）和1.32（以磷计）。

表2 2018年海南各地区猪粪当量负荷及对环境的威胁分级Table 2 Pig manure equivalent load and the classification of threat to the environment of Hainan in 2018

图5 1988—2018年海南岛畜禽养殖的养殖容量、实际养殖总量及环境风险指数Fig. 5 Feeding capacity, actual amounts and environmental risk index of livestock and poultry in Hainan Island from 1988 to 2018

在空间分布上（表3），以氮为基准，2018年各地区仅有东方和临高畜禽养殖未超过当地50%的养殖容量（即环境风险指数在1.00以下），海口、文昌等7个地区环境污染指数介于1.00—2.00，有较高的环境风险，三亚、五指山、定安等9个地区环境风险指数高于2.00，有严重的环境风险，其中定安在区域范围内风险值最高，为3.39。以磷为基准，2018年东方、临高和昌江环境风险指数在1.00以下，可认为畜禽粪污对环境影响较小。海口、三亚、文昌等11个地区环境风险指数介于 1.00—2.00，有较高的环境风险，万宁、定安等4个地区环境风险指数高于2.00，有严重的环境风险，定安数值最高，为2.31。

表3 2018年各地区畜禽养殖的环境容量、实际养殖总量及污染风险指数Table 3 Feeding capacity, actual amounts and environmental risk index of livestock and poultry of different areas in 2018

3 讨论

3.1 海南岛畜禽粪尿氮磷产生变化分析

畜禽养殖规模和养殖结构在一定程度上影响了畜禽粪污总量。在不同历史时期，畜牧业发展规模不同，人们对蛋白质的需求成为刺激畜牧业发展最重要的因素[31]，近年来畜牧业集约化水平的提高也促进了养殖规模的进一步扩大。而在2007年后，畜牧业发展被赋予资源高效性和环境友好型等要求，单纯追求量的突破已经不适应新的发展需求[32]。且在 2006年后，受疫病和台风等自然条件的影响，畜禽产量出现了较大幅度下降[18]，畜禽粪污含量随之减少。此外由于养殖结构的不同，区域污染物排放也会有所差异，牛和猪的产排污系数较高，家禽的产排污系数较低，尽管近年家禽的养殖总量有较大增长，但氮磷排放量较前期未有明显变化。正如YUAN等[33]研究表明，针对动物饮食结构的调整可较好地控制畜禽粪污总量。

3.2 海南畜禽养殖的耕地负荷分析

研究表明，海南岛30多年来耕地畜禽粪便氮负荷较高，有潜在的环境风险，而磷负荷在合理范围内，这与武淑霞等[34]基于2015年全国尺度的研究相近（海南单位耕地面积氮负荷超过150 kg·hm-2，磷负荷低于30 kg·hm-2），而与刘越等[20]基于2011年对海南研究中的磷负荷有一定差异，原因是基于不同标准，刘越等采用的磷排污系数相对较高，这也反映出在不同的标准下研究结果会有所差异。就耕地负荷的风险来讲，耿维、朱建春等[12,28]研究也表明海南在全国范围处于较严重水平。由于海南地区耕地面积较小，30多年来有效耕地面积维持在40万公顷左右，而畜禽养殖过程中氮排污系数较高，随着养殖总量的增加，其对耕地的压力越来越大。就磷元素来讲，则主要由于动物粪便中磷的排放系数较低使得耕地磷负荷量较小。在空间上，为优化资源配置，海南划分“西部优势畜牧业产区，中部生态畜牧区，东部畜牧适度发展区”[35]，因而澄迈（西部）畜牧业规模较大，畜禽粪污耕地负荷较高，而定安、万宁等地虽在中东部，但由于耕地面积较小，氮磷负荷也保持在较高水平，故仍需进一步控制当地畜禽养殖规模，东方、临高等地（西部）由于耕地面积较大，对畜禽粪污有较好的承载能力，氮磷负荷较低，为满足生产需求，可进一步扩大养殖规模。

3.3 海南畜禽养殖的环境效应分析

值得指出的是，为得出畜禽粪尿耕地负荷预警值和环境风险指数，在计算过程中，使用的是畜禽粪污产生的总量，但在实际情况下，由于挥发、淋溶以及在运输过程中的损失，畜禽粪尿无法全部进入耕地中，则基于公式得出的数值无法真正反映出其对环境的实际污染，但区域内污染物总量保持不变，故以耕地作为载体，据此可以反映区域内畜禽粪污总体的负荷量，进而判断对环境是否具有威胁。关于海南畜禽养殖的耕地负荷预警值，周祖光、刘越等[17,20]曾进行相关研究，由于选择的排污系数不同，结果与本文在对应的年份数值不完全一致，但差异不大。在全国尺度上，前人就海南耕地负荷预警值和环境风险指数也有研究[12,28,36]，不同年份的研究结果均显示海南有较高的环境威胁，而本文研究结果显示污染风险更高。原因是基于不同年鉴，所得到的耕地面积不同（前人统计了总耕地面积，本文采用有效耕地面积），前人研究时，针对海南有较多的土地去承受畜禽粪污，故预警值和风险值均较小。但从结果上，所有研究均指出海南地区耕地氮磷负荷量较高，环境威胁严重，因而有必要采取总量控制、污染预防和资源化利用等手段。在区域研究中，东部市（县）的环境威胁要高于西部市（县），这主要与区域耕地面积和养殖规模有关，而海南省现代农业“十三五”发展规划（2016—2020）中对东部地区作出了适度发展畜牧业的要求[35]，故在今后发展中应进一步通过总量控制和污染防治减轻其对环境的威胁。其中定安、澄迈等地数值更是处于较高水平，环境风险较大，今后应加强针对这两个区域的污染预防。

3.4 关于海南岛畜禽粪污控制的对策

由畜禽业快速发展产生的大量畜禽粪污已经成为大多数区域生态环境污染的直接或间接因素[37]，针对畜禽粪污带来的问题，GARRETT等[38]认为应综合作物-畜禽系统的发展，提高农业的可持续性；马林等[39]建议考虑生产布局并加强区域间协同发展。本文综合前人研究和本地发展实际，认为应从管理和技术两大方面出发，具体如下：（1）管理上首先统筹区域布局，不仅仅按照西部、中部和东部这种较宽泛的养殖区划分，而是充分考虑耕地面积，以及中部林地面积对发展林下畜牧业的可能性，同时因地制宜推广种养结合模式；其次是从立法和管理条例角度[40]，政府对集约化养殖场进行结构调整、管理和排污限度划分；此外，推进畜禽粪污资源化、能源化途径，如沼气工程和有机肥厂建设。（2）针对一定规模的畜禽养殖场可以考虑精细畜牧养殖模式（PLF），即采用相关电子设备监控场内环境（包括微环境和气体排放）以达到及时处理的效果[41]，另外，按照“废弃物+清洁能源+有机肥”三位一体技术路线，改造完善规模畜禽场基础条件，对粪污进行固液分离、厌氧消化和好氧生物处理[42]，同时推广多原料全混式发酵、全自动高温好氧发酵等技术。与此同时，基于循环利用的原则，开发畜禽粪污作为水产养殖饲料的利用方式和处理技术，以及大力开发和推广蚯蚓转化畜禽粪便和秸秆等农业废弃物的蚯蚓粪肥技术。

4 结论

受养殖规模、饲养周期和排污系数等影响，1988—2018年海南岛畜禽粪尿总量和氮磷养分产生量大致经历了上升、下降和稳定3个发展阶段。当前海南岛单位耕地面积氮负荷较严重，接近施用限值，区域间差异较大，呈现东高西低的特点，大多数市（县）氮负荷超标，而磷负荷总体在合理范围内。就环境风险来看，畜禽粪尿耕地负荷预警值和环境风险指数均反映出30多年来海南畜禽粪污潜在环境影响严重，东部地区对环境的威胁要高于中西部地区。

产生这一系列变化的原因与当前畜禽养殖规模、有效耕地面积和区域养殖布局有关，当前较为粗放式的畜禽养殖和管理方式已难以适用于海南岛农业绿色发展要求，为减少畜禽粪污带来的环境问题，应着力于提升技术和管理水平，通过集中处置、循环利用等手段降低畜禽粪污向环境的排放量，推广种养结合模式加快对粪肥的处理，以及针对区域发展合理布局养殖规模，保证土地对畜禽粪污的有效消纳。