安徽省畜禽养殖粪污土地承载力的时空分布特征

张靖雨, 汪邦稳, 夏小林, 龙昶宇

(1.安徽省·水利部 淮河水利委员会 水利科学研究院,安徽 合肥 230088; 2.水利水资源安徽省重点实验室, 安徽 蚌埠 233000)

随着农业产业结构的逐步调整，畜禽养殖业已成为农村经济的主导产业之一，规模化、集约化和产业化转变趋势愈加显著[1-2]。畜禽粪污循环有效利用是农业可持续发展的重要组成部分，其粪便中含有丰富的有机物、水分和营养物质，能够为农作物生产提供大量的有机肥[3]。但未经处理或处理不当的畜禽粪便在其收集、储存、运输、还田的过程中对环境产生较大污染，进而引起生态环境的严重破坏[4-5]。据《第二次全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖业总氮(TN)达5.96×105t，总磷(TP)1.20×105t，分别占全国主要污染物排放总量的19.6%和37.9%。

安徽省农业生产在全国有着较高地位，拥有44个畜禽品种资源，2019年肉蛋奶总产6.03×106t，较2015年增长3.2%。常年农作物种植面积超8.70×104km2，其中粮食作物面积占75%以上，总产量3.50×107t，粮食作物主要有小麦、稻谷、玉米、大豆、薯类和其他旱粮作物，大宗经济作物主要有油菜、棉花、蔬菜等。全推行的“千区万场规模化推进工程”取得较好的成绩，但畜禽污染防治与周边省份相比仍有较大差距。

关于畜禽污染排放量估算、风险评价以及资源化利用等方面的问题已经引起了国内外学者的广泛关注。董红敏等[6]首次提出了畜禽养殖业产污系数和定义、计算方法，刘亚琼等[7]基于输出系数模型估算了北京市的畜禽养殖、土地利用等多种面源负荷。耿维等[8]分析了2010年中国畜禽粪便的能源潜力。Keener等[9]基于氮平衡原理研究畜禽粪便中的氨氮的排放。Coelho等[10]则以磷负荷为对象研究了畜禽粪便对环境的影响程度。农田是畜禽粪便作为肥料还田处理的主要负载场所[11-12]，因此研究畜禽粪污的农田土地承载力问题对畜禽粪污还田具有重要的科学指导意义。畜禽粪污土地承载力是指在土地生态系统可持续运行的条件下，一定区域内耕地、林地和草地等所能承载的最大畜禽存栏量。李艳霞等[13]基于GIS技术分析了东北农田对畜禽养殖粪便的适宜性，Mishima等[14]估算了日本用于农田肥料的畜禽粪便含量。冯倩等[15]估算了江西的畜禽排污量并进行了土地承载力分析。张建杰等[16]从时空维度估算了山西耕地畜禽粪污养分资源承载量并评价了其环境风险。

目前安徽省关于畜禽粪污资源在区域尺度及历史时间上变化规律方面尚缺乏系统研究，而对区域畜禽粪污土地承载力的测算也多是采用单位面积耕地粪便最大承载量和氮磷养分施用限量的经验值或理论值。宋大平等[17]在畜禽粪便量估算基础上计算安徽省各地畜禽粪便耕地及水体污染负荷指数，并对各地区污染现状进行了风险评价。王雪蕾等[18]基于遥感分布式面源污染模型(DPeRS)估算了巢湖流域各区域面源污染入河总量，并通过特征解析得出CODCr与畜禽养殖密度之间有显著的空间关联性。阎波杰等[19]利用GIS对安徽省耕地畜禽养殖废弃物氮养分污染潜势进行了评价分析，并利用德尔菲法和层次分析法确定了影响因素及权重。多数研究未考虑区域内农作物对粪肥的养分需求，难以充分反映畜禽粪污承载能力的空间差异，对基于种养结合的畜禽养殖区域布局优化的指导作用也就存在着一定的局限性。2018年原农业部制定了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，为定量评估畜禽粪污土地承载力提供了计算标准。

本文利用统计年鉴数据分析安徽省2009—2018年的畜禽养殖情况及时空分布特征，采用土地承载力指数核算各地畜禽粪污养分供给量、养分需求量及土地承载能力，旨在为合理规划化肥施用、优化畜禽养殖结构、推动农业可持续发展提供科学的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 农作物养分需求量估算

区域作物养分需求量=

∑(每种农作物年产量×单位产量养分需求)

(1)

(2)

其中，安徽省农作物种类、播种面积、产量等数据来源于2010—2019年《安徽省统计年鉴》[20]公布的安徽省及各地市农作物种植统计资料；每100 kg作物产量N，P养分的需求量参考《土地承载力测算技术指南》[21]中推荐数值。根据2019年安徽省耕地土壤养分特征(数据来源于2019年安徽省耕地质量监测报告)，确定土壤氮素养分分级为I级、施肥供给所占比例为35%；土壤磷素养分分级蚌埠、阜阳市为Ⅱ级，施肥供给所占比例为45%；其他各市均为Ⅲ级，施肥供给所占比例为55%。粪污氮素磷素当季利用率参考《土地承载力测算技术指南》分别取30%，35%。安徽省2009—2018年主要农作物种植面积见表1。

表1 安徽省2009-2018年主要农作物种植面积 hm2

1.2 畜禽粪污养分供给量估算

安徽省畜禽养殖量数据来源于《安徽省统计年鉴》公布的安徽省及各地市畜牧业统计资料，具体包括全省猪、牛、家禽等每年末的存栏数和出栏数。所用数据截止时间为2018年底。畜禽粪污区域养分收集量计算公式为：

区域养分收集量=区域内各种畜禽养分产生量×

各种畜禽在不同清粪方式所所占比例例×

各种清粪方式养分收集率

(3)

畜禽粪、尿产生量由畜禽养殖量、饲养周期、排泄系数、平均含量等参数计算得到[22-24]。畜禽养殖粪便排泄系数指单个动物每天排出的粪便量，因品种、个体体重、饲养方式、饲料组成等因素的影响，不同种类之间差异较大。排泄系数、饲养周期等数据主要参考《畜禽养殖业污染治理工程技术规范(HJ497-2009)》，并结合安徽省内实际养殖情况。畜禽粪便、尿液中主要污染物平均含量通过参考国家生态环境部提供数据[25]，并查阅了近年来国内外多位学者的研究成果[26-28]，结合安徽省内畜牧业现状，最终整理得出。各项计算参数详细见表2。结合目前安徽省各地推行的畜禽养殖废弃物资源化利用3 a行动计划，并参考其他学者的研究成果[29]，清粪比例采用干清粪80%，水冲清粪20%计算。此外，根据《土地承载力测算技术指南》分析数据，干清粪中氮磷收集率分别为88%和95%，水冲粪工艺中氮磷收集率分别为87%和95%。

表2 安徽省不同畜禽养殖粪污排泄系数及平均含量

区域畜禽粪污养分总供给量=各种畜禽粪污养分收集量×

各种畜禽在不同处理方式所所占比例例×

(4)

不同处理方式养分留存率

安徽省不同畜禽粪污处理方式所所占比例例依据省内已有文献资料成果统计[30-31]确定，N，P养分留存率参考《土地承载力测算技术指南》(详见表3)确定。

表3 不同畜禽粪污的处理方式比例及N，P养分留存率 %

1.3 区域畜禽粪污土地承载力测算

为便于对畜禽粪便耕地污染的控制，国家环保部生态司建议，由于农户对猪粪的农田施用量较容易掌握，宜将畜禽粪便换算成猪粪当量。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。此外，需将计算得到的畜禽粪污总养分供给量折算成单位猪当量养分供给量，计算公式为：

单位猪当量粪污养分供给量=

(5)

区域畜禽粪污土地承载力=

(6)

将安徽省各种畜禽实际存栏量(以猪当量计)除以区域最大养殖量(以猪当量计)得到区域畜禽粪污土地承载力指数Ⅰ，其值分别为<0.4，0.4～0.7，0.7～1.0，1.0～1.5，1.5～2.5和>2.5时，认为畜禽粪便对环境的影响程度分别为“无”、“稍有”、“有”、“较严重”、“严重”和“很严重”[32]，R值越大，说明环境对畜禽粪便负荷量承受能力越低，畜禽粪便对环境造成的污染威胁性越大。计算公式为：

区域畜禽粪污土地承载力指数I=

(7)

2 结果与分析

2.1 畜禽养殖粪污排放量时间变化特征

安徽省不同畜禽在2009—2018年期间粪便、尿液排放量变化情况如图1所示。

图1 安徽省2009-2018年畜禽粪、尿排放量变化

2009—2018年安徽省畜禽养殖粪、尿总排放量6.57×108t，粪便、尿液排放量在2015年分别达到4.24×107，7.09×107t，较2009年增长13.5%和12.9%，2017年后逐渐减少。其中牛尿排放量最低，猪尿排放量最大，平均年排放量2.11×107t，比例为35.8%；牛粪排放量与猪粪较为接近，家禽类养殖量虽显著高于猪、牛，但粪便排放量平均仅占猪粪的62.3%及牛粪的70.8%。2018年经污染防治、禁养区划分等管控措施和非洲猪瘟等影响，总排放量较2015年减少21.2%，其中牛粪、牛尿降幅最大为50.9%，而猪粪、猪尿降幅最小仅16.2%，一方面说明管控措施成效显著，另一方面应侧重加强对生猪养殖粪污控制的防治措施。

2.2 畜禽粪污氮磷养分供给量时间变化特征

2009—2018年安徽省畜禽粪污氮磷养分供给量随时间呈先增大后降低的规律(图2)。2015年氮、磷分别达到最大值2.24×105，1.00×105t，2018年末各类畜禽粪污氮磷供给量较2015年分别降低34.0%，30.0%，牛粪、牛尿降幅最显著。2009—2017年家禽粪便、猪粪、牛粪、猪尿的氮素平均供给量均占全省20%以上，但2018年牛粪牛尿的氮素所占比例降至10%左右。不同类别粪污磷素供给量差异较大，其中猪粪、家禽粪便所占比例最高，平均分别达34.3%和36.2%；羊粪所占比例最低。总的来说，全省畜禽粪污氮磷供给量在2017年前差别不大，2018年后降幅明显，实施的畜禽污染防治措施成效显著。氮素养分供给较为均衡，但磷素差异显著，家禽粪污、猪场尿液的处理利用工作应是首要环节，且应依据粪便种类合理确定施肥用量，避免过量投入造成养分失衡。

图2 安徽省2009-2018年畜禽氮磷养分供给量变化

2.3 畜禽养殖氮磷养分供给量、需求量时空分布特征

以2011，2013，2016，2018年4个不同年份为例，分析了安徽省粪污氮磷养分供给量的空间分布特征，结果如图3—4所示。总的来看，安徽全省粪污排放量与氮磷养分供给量在空间分布上均呈现自北向南递减的规律。2011，2013，2016年全省氮磷养分供给量分别为2.03×105，8.90×104，2.17×105，9.70×104t，2.21×105，9.90×104t，2018年降低至1.48×105，7.00×104t。阜阳市和宿州市的氮磷养分供给量最高，年平均氮磷养分供给量分别达3.30×104，1.30×104t和2.70×104，1.20×104t；淮北、淮南以及皖南地区的铜陵、黄山等8市的氮磷养分供给总量较低，2011—2018年分别占全省的17.8%，19.0%，24.3%和16.9%。粪肥资源分布的时空特征差异，与各地区畜禽养殖规模和养殖结构和耕地面积等诸多因素有关。

图3 安徽省畜禽氮磷养分供给量时空分布

图4 安徽省作物氮磷养分需求量时空分布

2009—2018年全省农作物氮磷需求量分别为1.48×106，3.45×105t，不同年份间差异仅在±4.6%和±4.1%之间。结合安徽耕地土壤养分特征及施肥习惯，估算得到全省农作物经畜禽粪肥方式利用的氮磷养分平均需求量分别为5.19×105t和1.56×105t，2015年全省需求量最大，2018年最低。氮磷需求量在空间分布上也具有一致性，铜陵、黄山、马鞍山、池州4市的需求量平均仅占全省总量的7.0%，6.4%；阜阳市氮素需求量依然最高，亳州市磷素需求量最高。比较可知，畜禽粪污的氮磷养分供给量未超过农作物种植的养分需求量，说明在施用农田粪肥的同时也需要补充一部分化肥以保证作物的养分利用。

2.4 畜禽养殖土地承载力指数空间分布及变化特征

全省畜禽养殖规模较大区域主要集中在安徽北部和中部(图5)，阜阳市、宿州市最高，4个年份猪当量养殖量年平均分别为8.61×106，7.54×106头，分别占全省的15.3%和13.4%；铜陵市养殖规模最小，年平均仅占全省的1.0%。2011—2018年以氮为基准时的全省畜禽粪污土地承载力指数(I值)分别为0.38，0.42，0.42，0.30，以磷为基准时的I值分别为0.56，0.61，0.62，0.46，不同年份的氮磷基准I值均小于1，认为安徽省内土地消纳畜禽粪污量均不超载。

2011，2013，2016年3个年份中各市土地承载力指数分布较为一致(图5)，以N为基准的I值在0.4以下的城市均为9个，仅黄山市I值达到0.81，属于“存在污染风险”地区；以P为基准的I值在0.4以下的城市均有4个，合肥、铜陵、宣城3市I值均在0.7～1之间，属于“存在污染风险”地区，另外黄山市I值达1.37，属于“较严重污染风险”地区。2018年由于全省畜禽养殖量和养分供给量的减少，全省除黄山、宣城外，以N为基准的I值均在0.4以下、以P为基准的I值均在0.7以下，全省农田畜禽污染风险明显降低。与养殖规模以及畜禽粪尿排放量的分布趋势不同，土地承载力指数I值较高的区域主要集中在安徽南部、中部地区，皖北地区畜禽污染风险反而较低，与当地耕地面积、播种面积以及农作物种植量较大有关；磷素的土地承载力指数总体高于氮素，可以认为磷素是限制安徽省畜禽养殖粪便农田施用的主要因素。

图5 安徽省畜禽粪污土地承载力指数时空分布特征

3 讨 论

自2013年国务院发布《畜禽规模养殖污染防治条例》以来，2017—2018年逐步实施的养区划分、搬迁或关闭工作，安徽省对畜禽养殖污染防治的管控力度不断加大。政策措施不断强化与该时间段内全省畜禽粪、尿排放量先增高后降低的变化规律吻合。2018年畜禽粪污氮磷供给量较2009年分别下降25%，19%，其中牛粪、牛尿降幅最显著。TN供给量在不同类别粪尿中分布较均衡，而TP供给量主要来源于猪粪和家禽粪便。

安徽省内畜禽粪便供给的主要来源是生猪饲养，畜禽污染防治措施对牛粪、牛尿中氮磷等养分负荷影响效果最明显，在推进产业结构调整时应侧重生猪和家禽养殖的粪污控制工作。虽然家禽粪便排放量不高，但氮磷养分含量突出，究其原因在于家禽食道短、干湿混合，养分停留时间短，尚未完全吸收利用就已排出体外[33]。

全省粪污排放量及氮磷养分供给量自北向南递减，阜阳市、宿州市最高，铜陵最低。安徽省着力推进阜阳、宿州、合肥、宣城等生猪优势区域发展，力争2020年实现生猪出栏总量占全省的80%以上。结合安徽耕地土壤养分特征及施肥习惯，铜陵、黄山、马鞍山、池州4市的需求量平均仅占全省总量的7.0%，6.4%；阜阳市氮素需求量依然最高，亳州市磷素需求量最高。皖北平原区地势平坦、耕地面积广阔，阜阳市、亳州市一直是全省粮食主产区，根据统计数据，两市小麦、玉米、大豆年产量平均占全省总量的40.4%，49.8%和45.9%，而这3类作物每100 kg氮需求量分别达到3.0，2.3，7.2 kg，远高于蔬菜、水果。此外，据历年环境质量公报数据显示，阜阳、宿州等地所处的淮河流域中，主要支流涡河和奎河的Ⅳ类及以下水质断面比例平均在60%～70%左右，因此，更需要对这些区域产业优化布局，推动肥料化、饲料化和能源化利用进程，重点防治污染物渗流进入河湖。

整体来看，安徽省内土地消纳畜禽粪污量未超过环境容量，畜禽养殖仍有一定的发展潜力。根据土地承载力指数分析结果，全省农田畜禽污染风险主要集中在皖南山区，这与阎波杰等[34]、肖琴等[35]的结果一致，但与王奇等[36]的又有所差异。皖南地区的黄山等市耕地面积少、地形复杂，应对养殖场进行合理选址和设计，合理配置养殖规模与周边农田，保障足够的畜禽粪污消纳空间；同时减少化肥投入，科学粪肥施用。此外，同一年份畜禽粪污养分及土地承载力的测算与其他资料对比仍然有一定差异，主要原因在于采用的估算方法、计算参数(如日排泄系数、养分含量、收集率)等各不相同[37-39]，且不同统计年鉴或资料之间的数据也存在差异。因此迫切需要提出科学统一的估算标准，以便在不同类别养殖情况和不同土壤类型等复杂场景下得出更精准的统计测算数据。

4 结 论

安徽省畜禽养殖粪尿排放在2011—2015年持续上升，2017年后逐渐减少。猪尿排放量最大，平均年排放量2.11×107t，占总量比例为35.8%，羊粪排放量最低。2018年后牛粪、牛尿降幅最大，而猪粪尿排放量降幅最小。

除羊粪外，各类粪、尿对氮素养分供给较为均衡，平均在全省比例20%以上，但磷素供给量差异显著。氮磷养分供给量与畜禽粪污排放的空间分布都呈现北高南低的特点，阜阳市和宿州市的年平均氮磷养分供给量占全省总量的28.4%和26.4%，淮北、淮南以及皖南地区普遍较低。

2011—2016年，以N为基准的土地承载力指数在0.4以下的城市均为9个，以P为基准的土地承载力指数在0.4以下的城市均为4个；2018年除黄山、宣城外，以N为基准的I值均在0.4以下，以P为基准的I值均在0.7以下。全省农田畜禽污染风险主要集中在安徽中部和南部地区，如合肥、宣城、黄山等，其中黄山市以N，P为基准的土地承载力指数均最高，应加强对畜禽粪污的综合利用处理。总体来看安徽省土地消纳畜禽粪污量未超过环境容量，畜禽养殖粪污处理仍有一定的发展潜力。