我国畜禽养殖环境污染评价研究进展

王英刚, 高殊净, 王 辉, 吴 昊

(沈阳大学 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)

自20世纪50年代以来,中国农业发展迅速,对畜禽产品的需求也日益增加,肉类和蛋类产量已达改革开放前产量的3倍以上,畜禽养殖业发展迅速[1].由于当时人们的环境意识比较薄弱,肆意排放畜禽废物,而且畜禽养殖业相关规章制度也不完善,导致畜禽养殖环境问题成为了畜牧业迅猛发展的代价[2].

1 畜禽养殖污染现状及危害

1.1 我国畜禽养殖污染现状

改革开放以来,随着我国惠民政策的增多,规模化养殖场数量急速增加,养殖场年产值的增长率大于10%[3-4].根据《全国环境统计公报》(2015年)显示,中国2015年总废水排放量中化学需氧量(COD)排放量为2 223.5万t,其中农业源废水中化学需氧量(COD)排放量高达1 068.6万t,占总废水化学需氧量(COD)排放量的50%;总废水排放量中氨氮排放量为229.9万t,其中,农业源废水中氨氮排放量为72.6万t,占总废水氨氮排放量的1/3,由此可见废水中化学需氧量、氨氮等污染源很大部分来自于农业源废水[5].根据《中国环境年鉴》(2016年)数据显示2011—2015 年间,我国畜禽养殖废物中化学需氧量( COD) 高达农业源总排放量的95%,氨氮、总磷、总氮的排放量分别占农业源总排放量的75%、75%、60%以上,由此可见我国农业面源污染主要来自于畜禽养殖污染[6].受到畜禽养殖模式以及成本等因素的影响,人们将畜禽养殖过程中产生的废物肆意堆积,导致畜禽养殖污染对环境造成难以修复的破坏.所以我国亟需将畜禽养殖过程产生的废物进行科学的减量处理、无害处理及再利用处理[5].

1.2 畜禽养殖污染对环境的危害

由于人们对畜禽养殖产生的废物不能及时妥善处理,所以对环境造成了多方面污染,主要有土壤污染、大气污染、水污染和病原微生物污染等.

1.2.1 土壤污染

土壤污染主要有2方面,一方面是畜禽粪便中的N、P等有害物质过度施用于土壤当中,有害物质不断蓄积,破坏土壤生态环境,从而破坏土壤结构.有些养殖厂肆意排放的大量畜禽粪便远超出了土壤的承载力时,畜禽废物无法被完全消纳,也会破坏土壤结构,从而对农作物的生长产生阻碍[6].另一方面畜禽粪便中的重金属会严重污染农田.据调查,猪粪中的Zn、Cu、Cd等重金属质量分数高达947、197、1.35 mg·kg-1[7].因为畜禽养殖经常使用含有Zn,Cu,Fe,As,Cd和Mn等元素的饲料,导致牲畜和家禽粪便中的重金属元素增多.这些粪便中的重金属元素等会慢慢渗入土壤当中,严重影响土壤中有机物的代谢,使土壤平衡受到破坏,同时,农作物不断积累重金属,最后将影响农作物的正常生长,从而危害人类的健康[8].

1.2.2 大气污染

畜禽养殖产生的气态污染物主要有CO2、CH4、NH3、H2S、硫醇、吲哚、有机酸、粪臭素等有害物质.它们对大气污染主要有2个方面:一是畜禽粪便产生的恶臭等有毒有害物质会经粪便腐败分解而进入大气环境中,为动物疫病的传播提供了有利条件;二是畜禽养殖产生的有害气体中,一部分是温室气体会导致气候变暖,另一部分增加了大气中的氨含量,成为形成酸雨的重要推手.这些都直接或间接的危害人类健康[5].

1.2.3 水污染

畜禽养殖场排放高浓度的有机废水,其营养成分很多,如氮和磷.畜禽养殖场的废水不仅污染地表水资源,使其富营养化,而且还渗透到土壤中,慢慢污染地下水,增加水体中的氨氮浓度,长期饮用这种受到污染的水会严重危害人体健康[5].

1.2.4 病原微生物污染

在畜禽养殖过程中畜禽养殖场的管理不规范,不对养殖场进行定期消毒,不对牲畜和家禽饮用后的污水、洗涤用具、羽毛和孵化残留物等进行妥善处理,很容易滋生蚊蝇等病虫甚至感染病原微生物,严重威胁畜禽的安全,且禽流感病毒、结核杆菌、布氏杆菌等还可感染人类,给公共卫生安全产生巨大威胁[9].另外一些兽药在运输和用药的过程中不合理,也会对环境造成污染.

2 畜禽养殖环境污染评价

随着人们逐渐认识到畜禽养殖污染的严重性,对畜禽养殖环境污染的研究也越来越深入.目前针对畜禽养殖环境污染问题,主要从畜禽养殖环境承载力及畜禽养殖环境污染风险评价这2个方面开展相关研究.

2.1 畜禽养殖环境承载力研究方法

畜禽养殖的环境承载能力由环境承载能力和储存能力的概念引发.到目前为止,在中国出版的研究文献中,畜禽养殖环境承载力的概念大多基于“能力”. 王延吉等[10]认为,以养殖的环境承载力为基础,在一定的时期内,在研究区域环境结构体系不发生变化,且研究区域环境功能不发生恶化的情况下,该研究区域的环境支持畜禽养殖的能力.颜志辉等[11]认为,畜禽的环境承载力是指在一定范围的农业区内农业生态环境中养分的平衡.该地区可以继续支持最大数量的牲畜和家禽养殖.宋福忠[12]认为,畜禽养殖环境系统的承载能力是环境系统对畜禽养殖系统的负荷能力,是区域自然环境在一定时期、条件下畜禽养殖环境系统的承载能力.可以看出,畜禽环境承载力是环境在一段时间内抵御畜禽养殖污染的能力.

评价环境承载力的方法包括养分平衡法、灰色建模法、系统分析法、系统动力学法、大系统理论与层次分析法相结合等.本文主要介绍以上5种畜禽养殖环境承载力研究方法.

2.1.1 养分平衡原理

畜禽粪便中含有多种营养素,包括N,P,K等.畜禽粪便堆肥后主要用于耕地消纳或土地修复处理,基于农田种植的养分输出和畜禽粪便的养分输入之间的关系,可以通过分析氮平衡来评估区域环境承载能力[13].王筱娇[14]根据吉林省松辽流域畜禽养殖现状、农作物种植结构、土地耕作方式,对吉林省松辽流域进行了研究.从土壤氮磷平衡的角度计算吉林省松辽流域各地畜禽养殖环境的承载力,将畜禽养殖厂承载力分为不同警戒等级,并判断和评估畜禽养殖对环境的影响程度.陈天宝等[15]研究了农牧业生产系统中氮肥的流动和循环以及耕地、农作物和畜禽养分平衡的关系.并运用畜牧业生产理论和线性规划,利用猪饲料蛋白质当量和粪便氮排泄当量等相关参数,建立了农牧交错带农田承载力的数学模型.计算和比较了四川省农业区畜禽养殖规模.潘瑜春等[16]将其他牲畜和家禽转换成猪当量,以评估研究区域内畜禽的环境承载能力.

随着研究的不断深入,人们发现,对氨循环的研究更能体现畜禽环境污染情况.在中国,人为来源的畜禽养殖氨排放比例为40%～50%.因此,从氮循环的角度,研究者研究了氮排放量与氨排放量之间的关系,并计算了单个或某个牲畜单位质量的平均氨排放因子.将不同牲畜的平均氨排放因子乘以区域一级畜禽养殖数量(即活动水平),以计算区域一级畜禽养殖的总氨排放量.并根据不同的侧重点建立多个相关氨循环模型,同时对其进行核算比较[17].该研究思路是现在的热点,还需进一步探讨.

2.1.2 灰色建模理论

20世纪80年代,中国著名学者邓聚龙[18]首次提出了灰色系统理论模型.灰色系统意味着“小样本,信息差”“部分信息已知,部分信息未知”.通过了解“小样本”中的信息来预测和理解现实世界的不确定性,系统正确地掌握和描述系统运行和演化的规律.可以看出,灰色系统理论模型主要研究信息不足和透明度不完全的问题,可广泛应用于各领域,如农业、工业、经济、社会等众多领域,解决大量生产、生活及科学研究当中的实际性问题.同时,一些学者将灰色系统理论模型应用于畜禽养殖承载力的研究和比较当中.王延吉等[10]对延边区域开展了畜禽养殖环境承载力的研究,构建了研究区域畜禽养殖承载力的评价指标体系,并对延边地区畜禽养殖环境承载力进行了量化,然后运用灰色数列预测模型,预测了研究区域2015—2025年的畜禽养殖环境承载力,发现延边地区畜禽养殖环境承载力预测值均超过适宜值,发展前景不容乐观.王晓燕等[19]也对乡镇畜禽养殖数据进行了分类和分析,对未来畜禽养殖负荷进行了分析和预测.

2.1.3 系统分析模型

系统分析模型是由灰色建模理论延伸,根据系统分析原理对环境承载力进行研究的分析方法.由于着眼点及采用的数学工具不尽相同,从而衍生出许多不同的分析方法[10].潘雪莲等[20]选取7个指标,将畜禽养殖与社会经济发展指标相结合,通过对深圳市畜禽养殖环境承载力数据的计算分析和系统分析方法,预测研究区畜禽养殖环境承载力.根据分析和预测结果,为畜禽养殖业进行规划.董法秀等[21]应用系统分析方法,开展了对长沙市的畜禽养殖环境承载力的研究,应用系统动力学法对研究区域进行量化,对研究区域进行畜禽养殖环境承载力分析,发现研究区域畜禽养殖环境承载力介于适宜值与警戒值之间,需加强研究区域畜禽养殖污染物的合理利用.

2.1.4 系统动力学法

系统动力学是一种基于反馈控制和使用计算机模拟技术作为研究复杂社会经济系统的定量方法.它通过建立一定的数学模型及数学关系计算得出系统各个变量间的相互作用,通过对所建模型的预测得出研究现状与趋势,通过不断调整对系统影响较大的参数使所建模型最优化,并比较和分析仿真结果,以获得最佳的优化方案[22].黄成[23]从自然资源供给,社会条件支持和环境污染承载力3类中选择了相关指标.通过多重共线性分析方法,构建了适合研究区畜禽养殖环境承载力的评价指标体系,通过层次分析法确定了指标的权重.并利用极值法,对指标进行无量纲处理,通过加权求和对畜禽养殖环境承载力进行量化.通过建立适合研究区域的系统动力学模型对畜禽养殖环境承载能力进行预测.他注重社会支持条件及自然资源类指标,建立了更加完善的指标体系,并进行了权重分析,运用系统动力学法划分子系统进行因果分析,使研究区畜禽养殖环境承载力计算更加全面系统.安晶潭[24]从资源环境,社会环境和畜禽养殖环境中选择了19个指标构建指标体系.采用系统动力学方法和多层次模糊评价方法,对研究区畜禽养殖资源环境承载力进行了模拟预测、预警和情景分析.并针对云南大理白族自治州中规模化养殖业的发展现状及污染物产生量进行了分析和预警.他增加了环境状况评价类指标,可以了解 GDP与废污排放量之间的关系、与工业废污排放量之间的关系,并利用系统动力学方法建立指标体系分析权重,对子系统进行因果分析,可以更全面系统地计算研究区畜禽养殖环境承载力.

2.1.5 大系统理论与层次分析法(AHP)相结合

大系统理论可以处理具有大规模,不同目标,复杂结构和多影响因素的复杂系统.一般将大系统分解成几个相互关联的小系统并对其进行多种方法的平衡与协调[25-26].在承载力研究方面应用大系统理论构建成水平、垂直的三维空间模型,空间曲面上的点则代表着不同的承载力状态.与大系统理论类似,分析层次过程是一种目标决策方法,它结合了美国运营研究员Satty提出的定性和定量分析.其研究思路是在明确研究目标、弄清问题边界后将决策问题层次化,并根据相邻上下两层元素间的相对重要性构建判断矩阵,通过矩阵运算获得每个级别的每个元素的相对重要性,然后通过组合级别将权重给予目标层.最后通过加权运算得出环境承载力[27].宋福忠[12]建立了基于大系统理论的空间三维模型来计算畜禽养殖环境承载系统量化力的数值,并通过层次分析法分析指标的权重,对重庆市畜禽养殖环境承载力进行计算.

2.2 畜禽养殖环境承载力不同研究方法的比较

以上几种畜禽养殖环境承载力研究方法各有利弊.①养分平衡原理方法,通过氮素排放与土地吸收养分的平衡来研究畜禽养殖环境承载力.该方法的优点是主要考虑土地、作物、畜禽粪便之中N、P等的转移,以小见大.不足是这种方法针对性较强,忽略畜禽养殖废污中重金属等其他污染物等对于环境的污染,不能全面具体地体现畜禽养殖环境承载力.②灰色建模理论方法,通过“小样本”数据对环境承载力进行分析,优点是突破传统思想,同时处理数据时计算简便,且对数据没有较强的限制.但此方法的不足在于预测精度不高,对实际情况仅可做参考,在仅有条件下预测的结论会令人无法接受,甚至导致结果失真[28].③系统分析方法是将灰色建模法与不同数学工具相结合衍生出的方法,对复杂问题的本质、影响因素和内部关系进行分析.此方法的优点也是通过较少量的已知信息对环境承载力进行分析,同时为复杂的决策问题提供了简单的解决方法,但由于该评价方法与数学工具相结合针对性较强,因此应用有局限性.④系统动力学方法具有容易分析、模型构造简单的优点,并且可通过数据计算对研究区域进行科学的畜禽养殖规划,对后期改进起到支撑作用.但此方法的不足是预测过程分别将每个指标进行预测,数据量较大可能会造成一定误差.⑤大系统理论与层次分析法相结合方法将大规模复杂的系统拆分成几个小系统,优点是将复杂的问题简单化,并将复杂问题层次三维化,利用数学思维解决实际问题.但不足是系统层次三维化比较抽象,小系统多时不利于快速有效分析.这5种方法各有优缺点,可依据现有数据及条件选择合理方法对畜禽养殖环境承载力进行研究.

2.3畜禽养殖污染风险评价研究方法

畜禽养殖污染风险评价是指研究畜禽养殖过程中产生的废物对环境的影响程度.目前专门针对畜禽养殖污染风险评价的研究还比较少,且多基于畜禽养殖污染相关的某些过程、影响因子和模型开展评价,缺乏系统性.本文对应用较多的排污系数法、较有创新的遥感分布式面源污染计算法及多因子加权综合评分法进行介绍.

2.3.1 基于排污系数法

该方法主要通过污水系数法计算畜禽负荷,然后对当地畜禽粪便负荷预警值进行计算和分级.沈根祥等[29]等通过计算畜禽粪肥当量负荷(q)和当地农田的有机肥负荷最大适宜施用量(p)的比例,得出牲畜粪便负荷的预警值(r),并对预警值进行分级评价.他对上海市郊农田畜禽负荷进行预警值计算与分级,得出了研究地区畜禽企业布局不合理,近郊城乡及远郊局部地区负荷量过高,一些城区郊区畜禽粪便负荷超过了土地承载力,该地区科学规划和管理迫在眉睫等结论.王晓燕等[19]在其基础上加以改进,利用氮循环的原理,计算每单位耕地面积的实际畜禽产生粪便中的氮负荷量(LR)以及每单位耕地最大的畜禽氮负荷量(Lmax)的比值,即畜禽预警值(A),并对预警值进行分级评价.王成贤等[30]在王晓燕的基础上又对土壤次生盐渍化和重金属累计进行了风险评价,依据当地重金属污染,着重对重金属进行了评价.

2.3.2 遥感分布式面源污染计算法

该方法主要是依据遥感模型得到研究区域相关畜禽粪污排放负荷,通过数据整理及预警值的计算对畜禽污染进行评价[31].王雪蕾等[32]在安徽省巢湖地区畜禽养殖面源污染研究的过程中应用DPERS(diffuse pollution estimation with remote semsing)模型对负荷进行研究分析.结果表明,2010年巢湖流域COD和NH3-N的污染较重,大部分污染物未经相关处理直接排放于河中,当地水资源受到严重污染,畜禽养殖的粪便负荷处于警戒状态.冯爱萍等[33]在2016年应用MODIS遥感数据为驱动,然后将遥感像元做为基本单元进行模拟,采用DPERS面源污染估算模型进行了分析,对海河附近流域的氮磷面源污染进行了分布特征分析,并对“十三五”《重点流域水污染防治规划》中划定的海河流域172个控制单元进行面源污染优先控制单元分析,在空间分布上得出,研究区域的中部及南部区域氮磷面源污染相对较重,其中河北省氮磷面源污染物入河量最大.

2.2.3 多因子加权综合评分法

多因子加权综合评分法是根据研究内容筛选出一些影响因子设立指标,并对这些指标进行权重分析,依据指标权重来进行指标整合计算的方法[13].张勇[34]在分析畜禽污染的整个过程中,借鉴了环境风险评价系统理论,提出从畜禽养殖污染中“源强-途径-受体”这3个方面进行分析,通过3S技术的支持,获取和筛选出13个评价指标,用SWAT模型对子流域划分及模拟污染负荷,构建评价指标体系.利用专家评估方法,层次分析法和熵权法确定指标权重,从而对研究区域环境畜禽污染进行风险评价.王浩程等[35]在研究过程中参考生态敏感性的相关理论,选取了5个敏感方面参数,分别为坡度、高程、水域、道路交通及用地类型,通过采用与张勇相似的方法,构建了风险评价指标体系.并应用层次分析法为各个敏感方面参数赋予权重,通过GIS软件进行多因子加权叠加分析,对研究区域开展了生态敏感性的综合评价.

2.4 畜禽养殖污染风险评价不同方法的比较

以上几种畜禽污染风险评价方法各有利弊.①基于排污系数法有方法简单、数据处理方便、省时省力等优点.不足是此方法有些片面,很多其他影响因素没有考虑进去,不能完全根据当地情况评价畜禽的污染情况.②遥感分布式面源污染计算法在利用排污系数法的基础上应用遥感系统获得相关数据并进行研究.这种方法的优点在于获得的数据较新且可靠,但由于研究方向不同,评价指标较多,数据获取有局限性.③多因子加权综合评分法优点在于可以科学筛选评价指标,区域划分细致,有利于后续提出空间优化建议,可使畜禽养殖污染风险评价向前推进一大步.不足为评价指标筛选和格栅筛选绘图复杂,评价指标多,计算相对复杂.这3种方法各有优缺点,可依据现有数据及条件选择合理方法进行畜禽养殖污染风险评价.

3 结 论

本文分析并总结了畜禽养殖环境承载力的5种方法和畜禽养殖污染风险评价的3种方法,并比较了各种方法的优缺点,主要得出以下2点结论.

1) 在畜禽养殖环境承载力5种研究方法中,应用较多的是灰色建模法、系统分析法和系统动力学法.灰色建模法方法较简单,可利用小样本数据计算对承载力进行把握.系统分析法是将灰色建模法与不同数学工具相结合衍生出的方法,可为复杂的决策提供简单的解决方法.系统动力学法考虑较多影响因素,使承载力的计算更系统,且能预测并提供科学治理措施.畜禽养殖环境承载力粗略计算应用最广泛的是养分平衡法,它应用元素的转换与循环,对畜禽养殖环境承载力进行评价,原理简单.5种方法中比较有创新性的方法是大系统理论与层次分析法相结合法,它将复杂问题层次三维化,利用数学思维解决实际问题.这些方法各有优缺点,可根据实际情况筛选合适的方法对畜禽养殖环境承载力进行研究.

2) 在畜禽养殖环境风险评价的3种方法中,排污系数法有方法简单、数据处理方便等优点.遥感分布式面源污染计算法在排污系数法的基础上获得的数据较新且可靠.比较有创新性的方法是多因子加权综合评分法,这种方法科学筛选评价指标,区域划分细致,有利于后续提出空间优化建议.这些方法各有优缺点,可根据实际情况筛选合适的方法对畜禽养殖进行环境风险评价.