基于耕地消纳能力和水环境容量的畜禽粪便环境承载力分析——以宜春市为例

袁定波，王红利，廖 兵，熊 鹏*，张秋根，唐 豪，张 颖

（1.江西省生态环境科学研究与规划院，江西 南昌 330039；2.河海大学 环境学院，江苏 南京 210098；3.南昌航空大学 环境与化学工程学院，江西 南昌 330063；4.江西水利职业学院，江西 南昌 330013）

随着畜牧业朝集约化与规模化方向快速发展［1］，规模畜禽养殖废弃物所带来的环境问题也越来越严重［2］。第一次全国污染源普查数据表明：畜禽养殖业粪便产生量达2.43亿t，尿液产生量达1.63亿t；主要水污染物排放量COD 1268.26万t、总氮102.48万t、总磷16.04万t、铜2397.23 t、锌4756.94 t，COD、总氮、总磷排放量分别占全国总排放量的41.9%、21.7%、37.7%，分别占农业源排放量的96%、38%、65%［3］。畜牧业统计数据和污染源普查动态更新数据表明，全国畜禽养殖污染物排放量在污染物总排放量中的占比呈上升趋势［4］。由于畜禽粪尿具有收集难度大、转运要求高等难点，决定了其不适于大范围跨地区移动处理，耕地消纳仍是较为经济可行的畜禽污染物处理方式［5］。当畜禽污染物超过自然消纳能力时，经过物质循环的污染物最终将进入土壤，造成土壤及水体污染，导致农作物减产，进而威胁人类健康［6］。

我国关于畜禽粪便对环境影响的研究从粪污处理模式、资源化利用方式、政策与法律法规制定方面逐渐聚焦于畜禽粪污空间特征和环境承载力分析等方面［7］。例如：仇焕广等［8］测算了各省区不同畜禽粪污的排放量与污染量，并采用农业空间均衡模型对中国畜禽污染的空间特征进行了分析；邱乐丰等［10］根据农作物生长对氮磷养分需求量与畜禽养殖氮磷养分供给量之间的差额，使用养分平衡法对杭州市农用地畜禽养殖环境承载力进行了估算；潘瑜春等［11］参考欧洲标准和相关文献设定耕地和果园的氮（磷）限量标准，分析了北京市平谷区及其各乡镇耕地和果园对畜禽养殖的承载潜力；史瑞祥等［12］通过文献调研与相关数据资料收集，量化分析了陕西省安康市的畜禽粪便环境承载力；韩成吉等［13］在分析社会经济、畜禽养殖和种植业各子系统及其要素特征的基础上，建立了畜禽粪污土地承载力系统动力学模型，并在石家庄市对模型的有效性进行了检验。定量分析畜禽粪便的环境承载力，对于编制省、市、县级“十四五”畜禽养殖污染防治规划，科学布局区域养殖产业，具有十分重要的意义。笔者选择赣江流域重要城市宜春市为研究区，基于耕地消纳能力和水环境容量对全市畜禽粪便的环境承载力进行了分析，以期为编制宜春市畜禽养殖污染防治规划提供依据，保障全市畜禽养殖业可持续发展。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

宜春市位于江西省西北部，地处东经113° 54′～116°27′、北纬27°33′～29°06′之间。其东境与南昌市接界，东南与抚州市为邻，南陲与吉安市及新余市毗连，西南与萍乡市接壤，西北与湖南省的长沙市及岳阳市交界，北域与九江市相邻，总面积1.87万km2，下辖1个区（袁州）、6个县（万载、宜丰、铜鼓、上高、奉新、靖安），代管3个县级市（丰城、樟树、高安）。

1.2 数据来源

宜春市畜禽养殖数据由2020年全市规模化畜禽养殖场摸底调查数据统计分析而来；土地利用类型数据来源于2020年中国科学院30 m地表覆盖精细分类产品数据［14］。水环境容量计算以县级行政区为单元开展，根据《水环境承载力评价方法》（试行）要求：参与评价的断面至少每季度监测1次，包括国控、省控、市控和县控断面；涉及上下游县（区）的出入境断面，均纳入上游县（区）进行评价；存在往返流的断面按照年度主流方向，确定上游县（区）；涉及2个或多个县（区）界河的断面，同时参与所有涉及县（区）的水环境承载力评价。经比选，确定选取30个控制断面进行宜春市水环境容量计算，各断面的分布情况详见图1。

图1 宜春市控制断面的分布

2 研究方法与参数选取

2.1 存、出栏量换算

2020年宜春市规模化畜禽养殖场摸底调查统计了年度畜禽存栏量和出栏量。根据畜禽种类和存出栏时间的差异，本文选取生态环境部、农业农村部2021年7月制定的《畜禽养殖污染防治规划编制指南（试行）》推荐的存出栏换算系数（表1），将不同畜禽种类出栏量折算为存栏量，并在此基础上综合考虑畜禽养殖对环境的影响。

表1 畜禽存出栏量换算系数

2.2 畜禽粪尿产生量、污染物含量及流失量估算

根据畜禽种类、饲养周期以及粪尿排泄系数的不同，畜禽粪尿年产生量计算公式为：

畜禽粪尿年产生量=畜禽年存栏量×饲养周期×畜禽粪尿排泄系数/1000 （1）

式（1）中：畜禽粪尿年产生量的计量单位为t；粪尿排泄系数的计量单位为kg/d。畜禽的平均饲养周期：猪199 d［15］、牛365 d［16］、羊365 d［17］、家禽210 d［18］。

畜禽粪尿中的COD、NH3-N、BOD、TN、TP等污染物年产生量计算公式为：

式（2）中：污染物年产生量的计量单位为t；产污系数的计量单位为kg/t。

畜禽粪尿污染物进入水体后的年流失量计算公式为：

各类畜禽粪尿的排泄系数、产污系数以及污染物进入水体的流失率均采用原国家环保部公布的数据［15］，详见表2和表3。

表2 各类畜禽粪污的排泄系数和产污系数

表3 各类畜禽粪尿污染物的流失率 %

2.3 畜禽粪尿耕地负荷量估算及预警分析

畜禽粪尿耕地负荷量是指特定区域耕地消纳粪尿的能力。由于不同畜禽粪尿的肥效养分差异较大，所以原国家环保部生态司建议将畜禽粪尿换算成更容易掌握的猪粪当量，从而计算粪便施用量，并以此计算耕地负荷量。畜禽粪尿换算成猪粪当量的系数采用原国家环保总局公布的猪粪当量换算系数推荐值（表4）；猪粪当量耕地负荷量的计算公式为：

表4 各类畜禽粪便的猪粪当量系数

式（4）中：q表示单位耕地面积猪粪当量负荷量［t/（hm2·a）］；Q表示各类畜禽粪尿的猪粪当量产生量（t/a）；S表示耕地面积（hm2）；X表示各类畜禽粪尿产生量（t/a）；T表示对应畜禽粪尿换算成猪粪当量的换算系数。

单位耕地面积畜禽粪尿的猪粪当量负荷与耕地理论最大适宜污染物承载量的比值表示区域畜禽污染负荷量警报值，污染负荷警报值越高，则畜禽粪尿污染物对环境的影响越大［19］，耕地消纳多余污染物的能力越低。由于本研究区主要种植水稻、时令蔬菜等短周期季节性作物，因此耕地理论适宜污染物承载量低于北方等长周期农耕地区。在借鉴相关研究成果［20］的基础上，本文选择每年每公顷耕地消纳30 t畜禽粪便作为宜春市耕地理论最大适宜污染物承载量。畜禽污染负荷警报分级标准见表5。

表5 畜禽污染负荷警报分级标准

2.4 水环境容量评价

水环境容量（承载力）评价指标包括水质时间达标率和水质空间达标率。其中水质时间达标率（A1）反映评价区域内水质在时间尺度上的达标情况，是所有断面（点位）水质时间达标率的算术平均值；断面（点位）水质时间达标率指在1年内不同时期水质达标次数占总监测次数的百分比，计算公式为：

式（5）和式（6）中：n为区域内断面（点位）个数；Ci是指第i个断面（点位）水质时间达标率。

水质空间达标率（A2）反映评价区域内水质在空间尺度上的达标情况，指区域内年度达标断面（点位）个数占断面（点位）总个数的百分比，计算公式为：

式（7）中，达标断面（点位）指1年内不同时期水质监测数据的算术平均值不超过目标值的断面（点位），否则为不达标断面（点位）。

水环境容量（承载力）指数（Rc）可定量反映水环境容量的大小，该指数值越高，水环境容量越大，表明区域水环境系统对社会经济系统的支撑能力越强。其计算公式为：

根据水环境容量（承载力）指数的大小，可将水环境容量评价结果划分为超载、临界超载、未超载3种类型。当Rc＜70%时，判定该区域为超载状态；当70%≤Rc＜90%时，判定该区域为临界超载状态；当Rc≥90%时，判定该区域为未超载状态。

3 结果与分析

3.1 畜禽养殖量与粪便产生量分析

由表6可知，根据2020年30 m土地利用类型数据，丰城和高安的耕地面积远多于其他县（区），分别达到了93869.62和92064.63 hm2，分别占全市耕地总面积的21.28%和20.87%；仅靖安和铜鼓的耕地面积少于25000.00 hm2，分别为10813.43和8590.91 hm2，分别占全市耕地总面积的2.45%和1.95%。各县（区）耕地面积及畜禽养殖情况见表6。从畜禽养殖结构来看，生猪和鸡是宜春市最主要的规模化养殖畜（禽）种，全市生猪的出栏总量和存栏总量分别达到了271.01万头和303.84万头，其中，樟树、万载、高安、上高、丰城的生猪年存栏量与出栏量之和均在57万头以上，而靖安和铜鼓的生猪养殖规模均在4万头以下。全市各县（区）畜禽养殖规模与耕地面积呈正相关，可消纳粪污的耕地越多的县（区），养殖规模越大，这表明全市畜禽养殖产业的布局总体合理。

表6 2020年宜春市各县（区）耕地面积及畜禽养殖数量

宜春市2020年畜禽粪尿总产生量为364.32万t，其中猪粪、猪尿的产生量最高，分别达到了120.93万t和199.53万t，分别占全市畜禽粪尿总产生量的33.19%和54.77%（表7）。从全市养殖粪污排放的空间分布情况（图2）来看，仅奉新、靖安和铜鼓的猪粪尿总量低于10.00万t，而其余7个县（区）的猪粪尿总量均高于25.00万t；全市各县（区）畜禽养殖粪尿排放量不均衡，呈现出由北往南逐渐增加的趋势，这与北部位于幕连九山脉生态屏障的生态保护格局一致。

图2 2020年宜春市各县（区）猪粪尿排放量的空间分布

表7 2020年宜春市各县（区）畜禽粪便产生量 万t

3.2 粪污产生量及流失量分析

根据表1中的存出栏换算系数，计算全市各畜禽种类的理论存栏量，并基于表2、表3中的粪污排泄系数、产污系数和流失率计算宜春市各类畜禽粪污的产生量和流失量。全市畜禽粪尿污染物总含量表现为COD＞BOD＞TN＞NH3-N＞TP，分别为93428.24、89237.91、16869.21、7609.09、6288.56 t （表8和图3），其中，樟树、高安、上高、万载、袁州的COD、NH3-N、BOD、TN和TP等污染物流失量高于其他县（区）。根据各县（区）的河流走向和汇水范围，万载、上高和高安的畜禽养殖污染物主要对锦江水环境安全产生影响，而袁州、樟树和丰城的畜禽养殖污染物则主要对袁河及赣江的水环境安全产生影响。

图3 2020年宜春市各县（区）畜禽粪便污染物的流失量

表8 2020年宜春市畜禽粪便主要污染物的产生量及流失量 t

3.3 耕地消纳畜禽粪便预警分析

根据表4中畜禽粪便猪粪当量换算参数，将不同畜禽种类污染物折算为猪粪当量；考虑全市60%的耕地使用畜禽粪污作为肥料，折算得到的各县（区）耕地消纳猪粪当量详见表9。宜春市耕地猪粪当量负荷平均值为11.38 t/hm2，在各县市区之间的差异较大，其中上高县猪粪当量负荷最高，达到22.71 t/hm2，负荷级数达到Ⅲ级；樟树、万载、宜丰、铜鼓的单位耕地猪粪当量负荷级数均为Ⅱ级；奉新、靖安的耕地猪粪当量负荷分别仅为2.32和3.23 t/hm2；铜鼓由于耕地面积少，单位耕地面积的猪粪当量负荷达到11.97 t/hm2，接近全市的平均值。

表9 耕地消纳畜禽粪便负荷预警分析结果

3.4 水环境容量评价

2020年，丰城市共有4个评价断面、48次月值水质数据出现过5次水质超标；高安市共有3个评价断面、36次月值水质数据出现过4次水质超标；樟树市共有8个评价断面、96次月值水质数据出现过4次水质超标情况；丰城、高安、樟树的水质时间达标率分别为90%、89%和96%。30个评价断面的2020年年均水质数据均未超标，各县（区）的水质空间达标率均为100%。10个县（区）的水环境容量都超过90%，表明宜春市各县（区）水环境容量均处于未超载状态。各县（区）水质时间达标率、空间达标率和水环境容量详见表10。

表10 宜春市各县（区）水环境容量（承载力）

4 小结与讨论

2020年宜春市最主要的规模化养殖畜禽种为猪和鸡，各县（区）的养殖规模不均衡，其中樟树、万载、高安、上高的生猪年存出栏总量均在57万头以上。在畜禽粪污产生量方面，猪粪和猪尿的产生量分别占全市畜禽粪尿总产生量的33.19%和54.77%，仅奉新、靖安和铜鼓的猪粪尿总量低于10万t。根据各县市区河流汇水特征以及畜禽粪污污染物流失情况，樟树、高安、上高、万载、袁州排放的COD、NH3-N、BOD、TN等污染物对锦江、袁河及赣江水环境的影响较大。就耕地猪粪当量负荷而言，以上高县最高，达到22.71 t/hm2，负荷级数为Ⅲ级；而奉新、靖安分别仅为2.32和3.23 t/hm2。宜春市各县（区）的水环境容量均未超载，说明区域水环境系统对畜禽养殖仍有较强的支撑能力。

本研究结果可以用来指导各县（区）畜禽养殖的合理布局，为科学编制宜春市畜禽养殖污染防治规划提供参考。但本研究也存在不足之处，如畜禽养殖周期、排泄系数等参数的选取主要来源于相关文献资料，不一定符合江西的情况；另外本文单独分析了耕地消纳能力与水环境容量对畜禽养殖情况的影响，并未将两者进行耦合，未来将在耕地消纳能力与水环境容量耦合模型方面开展深入研究，以期为区域畜禽养殖污染防治提供更加科学的依据。