山西省畜禽养殖粪尿及养分含量时空分布特征

胡雪纯，解文艳，马晓楠，周怀平，杨振兴，刘志平

（山西农业大学 资源环境学院/省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），山西 太原 030031）

山西省的自然地理环境具有畜牧业发展的天然优势，通过多年持续的建设，全省畜牧业取得了长足发展，畜产品从百姓节日才可以吃到变为餐桌的日常食物[1]。经过多年发展，山西省涌现出一批先进市县，一批畜牧龙头企业，创造了“怀仁羔羊肉”、“吕粮山猪”等驰名品牌[2-3]。随着农业规模化和集约化程度的不断提高，不规范的畜禽养殖过程中产生的粪尿对环境造成一定程度的影响，若缺乏有效处理，会给生态环境带来极大的危害[4-5]。因此，系统分析山西省畜禽养殖污染变化时空分布规律，对畜禽养殖业及农业可持续发展意义重大。

目前关于畜禽粪尿污染负荷估算、时空分布及预测等方面的研究已有诸多报道。侯世忠等[6]根据山东省各市2010年初、年末畜禽存栏平均数，估算了各市和全省畜禽养殖业粪便产生量，并对由此产生的环境效应进行了评价；郑莉等[7]量化分析了山东省作物粪污养分需求量、畜禽粪污养分供应量，将不同畜种产生的畜禽粪便量统一换算为猪粪当量，计算各市畜禽粪污土地承载力指数，分析山东省畜禽粪污土地承载力的时空变化特征；陈国和等[8]分析了2000—2016 年浙江省10 个地区畜禽养殖业的时空变化特征、粪尿产生量、氮磷产生量以及对土地环境的影响，评估各地区农用地对畜禽养殖粪尿的承载情况；张靖雨等[9]研究了安徽省2009—2018年畜禽养殖数据，估算畜禽粪尿产生量及其主要污染物含量的变化，分析了安徽省不同种类畜禽养殖粪尿养分时空格局及演化特征。

目前，针对近年来山西省内畜禽粪尿资源已有如下研究。张建杰等[10]分析了1978—2012年山西省畜禽养殖量的变化特征，从时空维度评价了山西省畜禽粪尿资源量及其环境风险；李向阳等[11]简述了2010—2016 年山西省畜禽养殖业发展现状，针对畜禽养殖业对生态环境的影响进行了分析；李丹阳等[12]估算了2016 年山西省畜禽粪污的产生量和负荷量；郭彩霞等[13]研究基于农牧生产系统养分平衡的方法，测算了山西省县域尺度的畜禽粪污土地承载力。但对于山西省1987年后有确切数据依据的畜禽养殖粪尿及养分含量时空分布特征还未研究。

本研究利用山西省畜牧业统计年鉴数据分析山西省1987—2019 年的畜禽养殖情况及时空分布特征，采用生态环境部推荐的排泄系数法估算粪尿排放量，同时对山西省畜禽养殖污染时空演变规律进行分析，旨在为山西省畜禽粪尿养分资源利用和畜禽养殖业科学发展提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

山西省位于黄河中游，黄土高原东部。辖区地理坐标为北纬 34°34′～40°44′，东经 110°14′～114°33′。总面积15.67万km2，东有太行山，西有吕梁山，山区面积约占全省总面积的80%以上，冬无严寒，夏无酷暑，是国际上公认的优良畜牧业生产地区。下辖11个地级市，119个县级行政单位（23个市辖区、11 个县级市、85 个县）。畜牧业是山西省现代农业的重要组成部分。

1.2 试验方法

数据来自1987—2019 年《山西统计年鉴》公布的山西省及各地市畜牧业生产情况统计资料，具体包括全省及各地市牛、猪、家禽每年末的存栏数和出栏数，所用数据截止时间为2019 年底。所用到的参数来自国内外的文献资料并结合实际情况，包括畜禽的饲养期、畜禽粪便日排泄系数、畜禽粪尿中污染物平均含量系数、畜禽粪便产气系数和畜禽粪便猪粪当量系数等[14-15]。

1.3 数据分析

粪便产生量计算公式[16]如下。

式中，Q为畜禽粪便产生量（kg）；N为饲养量（万只（头））；T为饲养周期（d）；P为畜禽粪便日排泄系数（kg/d）（表1）。

表1 山西省不同畜禽养殖粪污排泄系数Tab.1 The excretion coefficient of manure from different livestock and poultry breeding in Shanxi province

山西省各类畜禽的生长周期：猪的平均饲养期为199 d，以出栏量作为饲养量；牛的饲养期大于365 d（按365 d 计），以年底存栏量为饲养量；家禽的平均饲养期为210 d，以年末存栏只数计算。

式中，A为畜禽粪便中污染物量（kg）；m为畜禽粪便产生量（t）；c为单位质量畜禽粪便污染物含量（kg/t）。

通过查阅近年来多位学者的研究成果[17-20]，本研究筛选的新鲜畜禽粪尿中污染物的平均含量系数如表2所示。

表2 畜禽粪尿中主要污染物平均含量Tab.2 Average content of main pollutants in manure and urine of livestock and poultry kg/t

2 结果与分析

2.1 山西省1987—2019年畜禽养殖业变化特征

从图1可以看出，2019年山西省猪全年出栏量939.9 万头，达到历史新高，与1987 年相比增加了271.9%；家禽年末存栏量12 128.95万羽，达到历史新高，与1987年相比增加了262.3%；牛年末存栏量为103.89万头，与1987年相比减少了33.9%。由图1可知，1987—1996年是山西畜牧业全面快速发展的时期，这一阶段主要是贯彻党的十一届三中全会的路线，执行改革开放的方针，在畜牧业所有制方面推行了联产承包责任制，鼓励和支持农民发展家庭畜牧业，山西省各畜禽养殖量增长趋势稳定，增长趋势较快的是猪和家禽，在此期间，牛的养殖开始有了一定的发展；1997—2006 年，随着生产规模的不断扩大，山西畜牧业从以数量增长为主逐步转向以提高质量、优化结构和增加效益的结构调整发展阶段，这一时期猪和家禽的养殖有了进一步的发展，牛的养殖量保持稳中有增的趋势；2007—2014 年，进入发展方式转变期，由传统畜牧业进一步向商品畜牧业发展，随着农业机械化的快速发展，用于役用的牛大幅减少，受市场的影响，牛的养殖数量开始减少，而同时在肉、蛋、奶等畜牧产品消费需求的拉动下，猪和家禽的养殖在此阶段得到了快速发展[21]。2015—2018 年期间由于受环保政策（山西省汾河流域生态修复与保护条例[22]、“煤改气”、“煤改电”工程）、非洲猪瘟、禽流感和鸡饲料价格不断上涨的影响，猪和家禽养殖规模水平稍有降低，到2019年恢复增长[23-24]。

由于猪的养殖在畜禽养殖中占据着很大的比例，因此，本研究中将牛、家禽的养殖数量换算为猪当量数来衡量畜禽养殖的数量和密度，以便不同畜禽种类之间进行比较。即将其他畜禽按一定关系折算成猪的数量，按照100 头猪相当于30 头牛、2 500 只家禽计算[16]，则山西省不同时间段畜禽养殖占比如图2所示。

由图2 可知，从主要畜禽的猪当量看，2007—2014、2015—2019年中山西省畜禽养殖中猪的贡献最大，均超过了50.0%，其次为牛，最后为家禽，说明猪肉是现代山西人民餐桌上最主要的肉类产品，这与猪饲养周期相对较短、饲养成本较低有关。而近30 a 来牛的占比呈下降趋势，从52.9%降至21.8%。猪、家禽占比呈上升趋势，这可能与农业机械化水平提高、饲养牛的难度大、成本高、周期长有关。

在空间上，从图3、4可以看出，在2007—2019年，山西省北部地区一直是牛的主要养殖区域，西南部和南部区域牛养殖规模缩小，晋西北地区（吕梁市）逐渐发展牛养殖业；猪和家禽的养殖在2007—2019 年均主要集中在晋南、晋东南地区；2007年运城市畜禽养殖量居全省末尾，但2019 年运城市的猪全年出栏量和家禽年末存栏量分别为137万头、2 833.6 万羽，位居全省首位，这可能与之前运城市重点发展种植业，不发展养殖业有关。

2.2 山西省1987—2019 年畜禽养殖粪尿产生量时空变化特征

由图5可知，1987—1996年粪尿产生总量增长迅速，在 1996 年达到 3 922.6 万 t；1997 年突然下降至3 000.5万t，比1996年减少了23.5%，之后又恢复增长，在 2005 年达到了 3 709.5 万 t，与 1996 年基本持平；2006—2007 年由于养殖结构的调整，畜禽粪便、尿液产生总量出现急剧下滑，在2007年下降至1 951.7 万t；之后保持平稳增长状态，在2019 年达2 383.0 万 t，较 2007 年增长 22.1%。由表 1 可知，不同粪尿类别产生量差异较大。牛粪产生量最大，在1987—2006 年这 20 a 间平均年产生量 1 553.7 万 t，占比为51.8%；在2007—2019年牛粪年平均产生量为715.0 万t，占比为35.2%，养殖量平均为97.9 万头，按猪当量计为490.0 万头，而猪养殖量平均为740.7万头，虽然牛养殖量占猪养殖量的66.1%，但牛粪年平均产生量是猪粪的242.5%；家禽类养殖量虽高于猪、牛，但粪便平均产生量仅为牛粪的24.8%、猪粪的60.1%，因此，应侧重加强对牛养殖粪污控制的防治措施。

由于多数城市没有2007年以前的畜牧业生产情况记载，所以，本研究将对比2007年与2019年各市畜禽养殖粪尿产生量的空间变化。由图6、7 可知，2007 年，山西省畜禽粪尿产生量大体呈现南北多、中部少的特点；2019 年，除了太原市、阳泉市畜禽粪尿产生量由于分别受环保政策和人口规模的影响较少外，全省其他地市畜禽粪尿产生量分布均匀，在 192.7 万～319.9 万 t；在 2007—2019 年间，大多数城市畜禽粪尿产生量是在下降的，其中临汾市畜禽粪尿产生量下降的最多，由2007年的595.2万t下降至 2019 年的 201.1 万 t，下降了 66.2%；而忻州市、吕梁市、晋中市，尤其是运城市的畜禽粪尿产生量增加最多，2019 年的畜禽养殖粪尿产生量达248.9万t，约是2007年的24倍。

2.3 山西省1987—2019 年畜禽养殖粪尿养分产生量时空变化特征

从图8 可以看出，全省畜禽粪尿中COD、BOD、NH3-N、TN、TP 含量年际变化趋势相似，在1987—1996年快速增长的过程中，5种主要污染物产生之和 由 107.2 万 t 增长至 207.3 万 t，在 1997 年下降至158.4万t，之后又开始上升，2005年达到199.2万t，之后在2007年突降至108.6万t，随后一直到2019年，保持整体上升的趋势。1987—2019年间，COD和BOD产生量最高，占5 种主要污染物之和的83.1%。在2018 年后，COD、BOD 和 TN 的增幅要明显高于NH3-N和TP。30多年间，全省畜禽粪尿中COD产生量均保持最高，年平均产生量为64.3万t，占污染物产生总量的45.3%；TP产生量最低，仅占总量的2.5%。

从图9、10 可以看出，畜禽粪尿中主要污染物产生分布与畜禽粪尿一致，2007 年排除运城市在外，呈现南北高、中部地区少的特点。2007 年全省畜禽粪尿中COD、BOD、NH3-N、TN 及TP 含量分别为62.3万、52.8万、5.6万、13.8万、3.7万t，污染物产生总量最靠前的地市分别为临汾市、大同市、长治市、晋城市，主要集中在山西省的南、北两端地区，4 个市之和占全省总量的63.3%；2019年全省COD、BOD、NH3-N、TN 含量较2007 年分别下降了5.3%、3.2%、9.7%、8.0%，而TP 含量增加了7.0%。其中，5 种污染物含量之和降低最多的是临汾市，分别降低了62.5%、60.3%、66.4%、65.3%和50.6%，降低均达到了1/2以上；5种污染物含量之和增加最多的是运城市，增加倍数在23～31 倍之间。运城市的家禽粪便中的污染物含量增加最多，达到了42 倍之多，这与运城市近10 多年家禽养殖的扶持政策有关，但这也提醒相关部门要重视畜牧业产业结构的优化、畜禽粪污处理和资源化利用，同时落实畜禽养殖的环境评价和污染监管制度。

3 结论与讨论

本研究结果表明，1987—2019 年，山西省畜禽养殖规模整体呈现阶段性上升趋势，分为1987—1996 年全面发展期、1997—2006 年结构调整期、2007—2014年发展方式转变期和2015年之后恢复增长期这4个时期。2007—2019年间，空间上由原来的南北高中间少变化为各地市分布均匀，区域生产格局基本形成。太原市主要发展高新技术，而阳泉市主要以资源开采为主，畜牧业不发达，畜禽养殖规模整体较小。

折算为猪当量后，山西省近30 a来牛的占比呈下降趋势，从63.8%降至31.4%。猪、家禽占比呈缓慢上升趋势，这可能与农业机械化水平提高、饲养牛的难度大、成本高、周期长有关。面对猪、家禽养殖逐渐占据主导的情况，各地要加强对猪、家禽粪尿的综合管理，调整养殖规模，合理布局，开展有机肥代替化肥，种养结合，就地建设粪污处理厂。

目前山西省畜禽粪尿产生形势虽比2006年之前低接近1/2，但仍较为严峻，2007—2019年粪尿产生总量达26 400.2万t。牛粪产生量最大，平均年产生量715.0 万t，占比为35.2%；家禽粪便产生量最低，年平均产生量177.0 万t，占比为8.7%。在畜禽粪尿处理方面，可以将畜禽粪尿无害化处理后还田利用，为农田提供了大量的氮磷钾养分，实现循环经济，也可建设沼气工程解决燃料匮乏问题。

1987—2019 年，全省畜禽粪尿中COD、BOD、NH3-N、TN、TP含量年际变化趋势同畜禽养殖规模相似，全省畜禽粪尿中TP产生量最低，平均仅占总量的2.5%，COD产生量均保持最高，年平均产生量64.3万t，占污染物产生总量的45.3%。与养殖规模类似，畜禽粪尿中养分产生量最低是太原市和阳泉市。相关部门应根据污染状况划定禁养区、限养区和适养区。