区域畜禽环境承载力核算方法研究与应用

彭紫微，吴根义，黄杰，戴诗琴

（湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128）

我国是世界上最大的畜牧业生产国，近几十年来，畜牧业迅速发展，养殖规模不断扩大，畜产品总量持续增加，畜牧业已经成为农业农村经济的支柱产业[1-3]。然而，随着养殖规模的扩大，因发展过程中存在的随意性、布局不合理所带来的养殖环境污染问题也越来越受到关注。根据《第二次全国污染源普查公报》结果，2017 年全国畜禽养殖业水污染物排放量为：化学需氧量1 000.53 万t，氨氮11.09 万t，总氮59.63 万t，总磷11.97 万t，分别占水污染物排放量的46.67%、11.51%、19.61%和37.95%[4]，已经成为制约水环境质量提升的重要因素[5]。

基于环境质量目标，结合区域环境容量，准确核定畜禽环境承载力、科学规划布局，是实现畜禽粪污资源化利用，遏制养殖污染的前提。目前，我国畜禽承载力的研究主要分为两个思路：一是基于种养平衡，从土地粪污消纳能力角度出发，核算区域最大畜禽承载量的养分平衡法[6-10]，该方法是目前应用最广泛的畜禽承载力核算方法[11]，但该方法未充分考虑环境质量目标和环境容量，核算结果不一定能满足环境质量的需求；二是从区域系统角度出发，通过建立指标体系，对畜禽养殖进行系统的环境适应性分析，例如层次分析法[12-13]、灰色预测模型法[14]等，该类方法普遍存在计算复杂、参数值确定困难的问题，现有的统计和基础数据难以满足参数值的需求，实际应用难度大。探索形成一套与环境质量目标衔接、参数值可获取的区域畜禽环境承载力核算方法，是科学确定区域养殖规模并合理规划的现实需求。

1 区域畜禽环境承载力核算方法

水环境容量作为资源环境承载力的重要组成部分，是连接水质目标、污染物控制总量、污染防治措施的关键。区域畜禽环境承载力核算方法以保护水环境质量为出发点，根据区域水文条件、水环境质量目标、现有污染物排放量及各污染源水污染物排放比例，并结合经济社会发展目标，核算畜禽养殖可利用水环境容量；按照区域内畜禽养殖防治措施，确定区域畜禽粪污主要污染物排放系数；根据畜禽养殖可利用水环境容量和粪污氮、磷排放系数核算区域畜禽环境承载力，构建核算模型。该方法核算思路如图1所示。

1.1 核算模型构建

1.1.1 畜禽养殖可利用水环境容量

按照我国水质监测断面类别评价法，根据评价时间段内该断面指标中类别最高的一项确定水质类别，该项指标即为定类因子。根据区域监测断面定类因子浓度现状值与水质目标值之间的差值，结合年径流量，计算区域水环境剩余总容量。由于降雨量年际的不均性，用年径流量计算水环境剩余容量，可能会导致枯水期水质超标[15]，纳入不均匀系数，从而得出确保枯水期水质达标的水环境剩余容量，结合区域畜禽养殖可利用水环境容量比例，获取区域畜禽养殖可利用水环境容量，核算模型为：

式中：W为区域畜禽养殖可利用水环境容量，t；Co为区域水质定类因子平均目标浓度值，mg·L-1；Ci为区域定类因子平均断面浓度，mg·L-1；R为区域年径流量，亿m3；ξ为不均匀系数；α为区域畜禽养殖可利用水环境容量比例。

1.1.2 单位当量生猪主要污染物平均排放系数

（1）不同处理方式单位当量生猪主要污染物排放系数

由于不同畜禽粪污产生量不用，为便于核算，以我国主要畜禽生猪为标准，其他畜禽根据产污量折算为当量生猪。我国畜禽养殖固体粪便处理方式主要为资源化利用；液体粪污处理方式主要有资源化利用、处理后资源化利用和达标排放。资源化利用和处理后资源化利用方式在粪污无害化处理过程中一部分污染物被降解去除，处理后的粪污进入土壤后少量经地表水或降雨流失进入水体；场外丢弃部分直接进入水体；达标排放处理的液体粪污外排部分直接排入水体。不同处理方式畜禽粪污进入水体的量不同，即排放系数不同。单位当量生猪主要污染物排放系数计算模型为：

式中：Qp为单位当量生猪主要污染物排放系数，kg·头-1；Qc为单位当量生猪主要污染物产生系数，kg·头-1；β为主要污染物去除率，%；γ为主要污染物留存率，%；P为主要污染物流失率，%。

（2）不同粪污处理方式处理量比例

根据区域各畜种养殖量、粪污不同处理方式比例和粪污产生系数计算区域粪污不同处理方式处理量比例，核算模型为：

式中：λj为第j种粪污处理方式处理量比例；Ki为第i类畜种养殖量，头（羽）；θij为第i类畜种第j种粪污处理模式比例；Qci为第i类畜种粪污主要污染物产生系数，kg·头（羽）-1。

（3）单位当量生猪主要污染物平均排放系数

结合不同处理方式单位当量生猪主要污染物排放系数和不同粪污处理方式处理量比例计算单位当量生猪主要污染物平均排放系数，核算模型为：

式中：Q为单位当量生猪主要污染物平均排放系数，kg·头-1。

1.1.3 区域当量生猪养殖量

区域当量生猪养殖量核算模型为：

式中：Kpig为区域当量生猪养殖量，即区域畜禽环境承载力，万头。

1.2 核算模型参数取值

1.2.1 畜禽养殖可利用水环境容量核算相关参数

Ci：区域定类因子平均断面浓度，以当地生态环境或水利相关部门发布的地表水环境质量数据或实际测定确定，按时间段取平均值，存在多个水质监测断面的情况取各断面平均值。

Co：区域水质定类因子平均目标浓度值，根据各水质监测断面所在水功能区应执行的水环境质量标准，即区域水环境质量目标，按照《地表水环境质量标准》所对应的定类因子的目标进行取值，区域内存在不同水质类别的情况按照对应断面范围的面积取加权平均值。

R：区域年径流量，也称地表水资源量，通过当地水资源公报或统计年鉴等获取。

ξ：不均匀系数，为近10 年最枯月平均径流量占近全年月平均径流量的比例。

α：区域畜禽养殖可利用水环境容量比例，根据当地生态环境各类污染源（工业源、生活源、农业源）主要污染物排放量比例，结合经济社会发展目标确定。

1.2.2 单位当量生猪主要污染物平均排放系数核算的相关参数

Qc：单位当量生猪产污系数，可通过实际测定方法确定，也可参考国内外文献和《第二次全国污染源普查农业源系数手册》中产排污系数的取值。

β、γ、P：主要污染物去除率、留存率、流失率，可直接采用《第二次全国污染源普查农业源系数手册》中的系数，也可参考国内外研究论文中的相关参数或实测值。

K：畜禽养殖量，可从当地农业农村相关部门、统计部门公布的《统计年鉴》和《农业农村统计年鉴》获取。

θ：各畜种粪污处理模式比例，可通过当地农业农村相关部门公布的数据或抽样调查获取。

2 畜禽环境承载力核算应用验证——以湖南省为例

2.1 研究区域概况

湖南省（24°38′～30°08′N，108°47′～114°15′E）位于长江中游，东、南、西三面环山，中部丘岗起伏，北部湖盆平原展开，属亚热带季风气候，光热充足，降水丰沛，水资源丰富，水系发达。湖南省是我国畜禽养殖大省，据湖南省农业农村厅统计数据，2020 年生猪出栏量、奶牛存栏量、肉牛出栏量、蛋鸡存栏量、肉鸡出栏量分别为4 992.13 万头、1.93 万头、175.25 万头、8 370.01 万羽、31 663.18 万羽，折算成存栏当量生猪数为4 265.43 万头。湖南省各市州主要畜禽养殖量和猪当量数如表1所示。

表1 湖南省各市州主要畜禽养殖量和当量生猪Table 1 Main livestock and poultry breeding volume and pig equivalent in cities of Hunan Province

2.2 核算参数值的确定

湖南省2020年共有国、省、市控水质断面417个，监测断面覆盖湘江、资江、沅江、澧水的干流及一级、二级、三级支流，能有效反映各个市州和湖南省的水环境质量状况。根据湖南省2020 年监测断面水质数据，18个未达标断面中16个是总磷超标，80%以上的达标断面中总磷为定类因子，说明总磷是影响湖南省水环境质量的首要因子，因此，从改善水环境质量的需求出发，选择以总磷作为核算的定类因子；按湖南省水质功能分区和各区水质目标，加权平均计算全省总磷平均目标浓度；以2020 年各断面总磷浓度加权平均计算出全省总磷实际浓度；各市州年径流量数据来源于2011—2020 年《湖南省水资源公报》；基于2017 年第二次全国污染源普查数据，根据2017—2020 年间工农业发展和人口变化情况，计算2020 年畜禽养殖业水污染物排放量占各市州总水污染物排放量的比例作为各市州畜禽养殖可利用水环境容量比例。2020 年湖南省水质监测断面分布及达标情况见表2。

表2 2020年湖南省水质监测断面分布及达标情况Table 2 Water quality monitoring sections in Hunan Province in 2020

畜禽主要污染物产生系数、总磷去除率以及总磷流失率数据均来自于《第二次全国污染源普查农业源系数手册》。手册中中南区生猪固体粪便、液体粪污总磷产生系数分别为1.1、0.1 kg·头-1（出栏），按照常年存栏一头生猪折算为年出栏2 头生猪的比例，折算为2.2、0.2 kg·头-1（存栏）；根据第二次全国污染源普查数据，湖南省畜禽粪污主要采用固液分离-厌氧发酵-好氧处理、固液分离-厌氧发酵-氧化塘、固液分离-厌氧发酵-人工湿地、固液分离-厌氧发酵-膜处理4 种液体粪污处理工艺，以这4 种主要处理工艺的加权平均去除效率的86%作为液体粪污总磷去除率；在流失率分区中，岳阳、常德、益阳三市属于南方湿润平原区，总磷流失率平均值为1.584 4%；其他市州为南方山地丘陵区，总磷流失率平均值为0.983 8%；根据抽样调查，目前堆肥、污水氧化塘贮存或厌氧发酵后农田利用是湖南省畜禽粪污资源化利用的主要方式，对照《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，采用推荐值72%作为畜禽粪污资源化利用的氮磷留存率；沼气工程处理是湖南省液体粪污处理后资源化利用的方式，氮磷留存率采用推荐值65%。湖南省粪污不同处理模式单位当量生猪总磷排放系数见表3。

表3 湖南省粪污不同处理模式单位当量生猪总磷排放系数Table 3 Emission factor of TP of pig equivalent in different treatment modes of manure in Hunan Province

2020 年，湖南省各畜禽养殖量来自于湖南省农业农村厅统计数据。粪污不同处理模式比例通过抽样调查更新获取，调查以2020 年湖南省畜禽直联直报系统数据为基础，在每个州市选取2 个县进行抽样调查，抽取不同畜种、不同规模的430 家养殖场（每个市州选取生猪养殖场15 家、肉牛养殖场5 家、蛋鸡养殖场5 家、肉鸡养殖场5 家，全省所有奶牛场共10 家）进行调查。调查结果如表4所示。

表4 湖南省各市州粪污不同处理模式处理量比例和单位当量生猪总磷平均排放系数Table 4 The ratio of treatment amount in different treatment modes of manure and the average emission factor of TP of pig equivalent in cities of Hunan Province

2.3 核算结果与分析

2.3.1 核算结果

（1）畜禽养殖可利用水环境容量

按照模型核算湖南省各市州畜禽养殖可利用水环境容量，核算结果见表5。

（2）湖南省各市州畜禽环境承载力

利用核算模型核算出湖南省各市州畜禽环境承载力，将其与现状养殖量比较，计算出各市州畜禽养殖承载力指数，并判断承载现状，结果见表6。

表6 湖南省各市州畜禽环境承载力及承载力指数Table 6 Environmental carrying capacity and carrying capacity index of livestock and poultry in cities in Hunan Province

2.3.2 核算结果分析

（1）核算结论

基于2020 年湖南省水环境质量监测数据，在保持现有畜禽养殖方式和污染治理水平的基础上，不考虑产业结构变化，湖南省畜禽环境承载力是6 113.16万头存栏当量生猪，大于2020年4 265.43万头存栏当量生猪的养殖现状，承载力指数为0.70，说明从全省整体来说，湖南省畜禽养殖还有一定的发展空间。从地形地貌特点来看，湖南省畜禽养殖承载与污染防治大致可分为洞庭湖平原河网区、中部丘陵区、西南山区3 种类型。洞庭湖平原河网区包括岳阳、益阳、常德三市，该区域畜禽养殖发达，现状养殖量超过环境承载力，主要是因为该地区种植业发达、河网密集、耕地与水域交错，氮磷流失系数高，畜禽养殖粪污更容易进入水体；为确保水环境质量改善，需适当削减养殖量或提高污染治理水平。中部丘陵区包括衡阳、娄底、邵阳、湘潭、长沙、永州等市，该区域现状畜禽养殖较发达，畜禽环境承载力指数较高，但总体上未超过环境承载力，主要原因是该地区属于典型丘陵山区，低矮山丘多，种植强度较低，自然消纳能力相对较强；该区域应优化畜禽养殖布局、提高养殖污染治理水平、谨慎扩大养殖规模。西南山区包括湘西、张家界、郴州、怀化等地市，该区域现状畜禽养殖量较少，畜禽环境承载力远大于现状养殖量，发展空间大，主要是该区域山林面积广阔，种植强度低，自然消纳能力强；该区域可在合理规划、规范建设的基础上，适当增加畜禽养殖规模。

（2）与相关研究报道的比较

按本方法计算出湖南省畜禽承载力指数为0.70，与王奇等[16]基于耕地面积估算出以总磷为基准的承载力指数（0.61）较接近。肖琴等[17]对长江中下游地区畜禽承载力进行评估，其结果表明湖南省畜禽养殖环境以氮、磷为基准的承载力指数均处于0.5～1.0 之间，畜牧业具有发展潜力，这也与本研究结果相似。王洋[18]通过2013 年养殖数据估算永州市粪污排放量，参照欧盟畜禽环境承载力核算方法，计算出永州市承载力指数为0.75，与本研究（0.72）接近；计算出永州市畜禽承载力为674.31万头，与本研究的804.84万头存在一定差距，其原因主要是由于近年来永州市大力开展畜禽养殖污染治理，养殖污染治理水平提升、去除效率提高，单位畜禽需要配套的消纳土地减少，导致相应承载量增大。林毅青[19]采用养分平衡法计算湖南省畜禽承载力为19 188.67 万头猪当量，是以出栏量作为承载力单位，折算成存栏当量生猪约为9 500 万头，高于本方法核算的6 113.16 万头存栏当量生猪，原因主要是养分平衡法核算只考虑土地作物养分需求，没有综合考虑水环境质量目标需求，且其核算过程中将林地纳入消纳土地范畴，而实际生产中畜禽粪污几乎不用于林地施肥，因此导致核算出的承载力偏高。

3 结论

（1）在畜禽土地承载力核算方法的基础上，综合考虑水环境容量、经济社会发展等因素，构建基于作物养分需求及水土环境多要素的畜禽环境承载力核算模型，形成的畜禽环境承载力核算方法能与水环境质量需求、环境容量相衔接，更切合环境管理需求，有利于畜牧业与环境保护的协调发展。

（2）利用构建的核算方法对湖南省畜禽环境承载力进行核算，湖南省畜禽环境承载力为6 113.16万头存栏当量生猪，承载力指数为0.70。从全省整体来看，湖南省畜禽养殖还有一定的发展空间，但存在区域分布不均的情况：临近洞庭湖的岳阳、益阳、常德现状畜禽养殖量超过环境承载力，需减少养殖量或提高污染治理水平；中部丘陵地区现状畜禽养殖产业较发达，环境承载力指数较高，应优化区域畜禽养殖布局、提高养殖污染治理水平、谨慎扩大养殖规模；湘西南山区畜禽环境承载力远大于现状养殖量，可在合理规划、规范建设的基础上，适当增加畜禽养殖规模。