王忙生, 張雙奇, 楊繼元, 楊 雷

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丹江上游商洛市畜禽糞便排放量與耕地污染負(fù)荷分析*

王忙生1, 張雙奇1, 楊繼元2, 楊 雷3

(1. 商洛學(xué)院 商洛 726000; 2. 商洛市農(nóng)業(yè)局 商洛 726000; 3. 商洛市畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心 商洛 726000)

南水北調(diào)中線上游水源地保護(hù)與水質(zhì)持續(xù)安全一直是研究的重點(diǎn)之一。商洛市轄商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣被規(guī)劃為丹江流域上游“水源地安全保護(hù)區(qū)”。掌握該地區(qū)畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展情況、估算畜禽糞便的排放量、分析該地區(qū)常用耕地對(duì)畜禽糞便及其污染物的消納能力、評(píng)估畜禽糞便可能造成的污染風(fēng)險(xiǎn)等是科學(xué)管控畜牧養(yǎng)殖業(yè)和有效實(shí)施水源地保護(hù)的基礎(chǔ)性研究。目前, 該地區(qū)尚無(wú)這些方面具體的成果和資料。本研究采用畜禽糞便排泄系數(shù)方法, 估算了丹江上游流域自上游至下游的商洛市轄商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣2014—2016年各類(lèi)畜禽糞便排放量, 依據(jù)3區(qū)縣的常年耕地面積分析了畜禽糞便豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷, 確定了當(dāng)前商洛地區(qū)畜禽糞便豬糞當(dāng)量最大適宜耕地負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn), 并評(píng)估了3區(qū)縣畜禽糞便耕地負(fù)荷的污染風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明: 1)商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣年度平均畜禽糞便排放量豬糞當(dāng)量分別為5.732×105t?a-1、9.321×105t?a-1和1.274×106t?a-1; 其中豬與禽的糞便占到總糞便排放量的68.06%。2)3區(qū)縣畜禽糞便排放量豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷依次為27.04 t?hm-2?a-1、76.72 t?hm-2?a-1和90.10 t?hm-2?a-1。3)商洛市畜禽糞便排放量豬糞當(dāng)量最大適宜耕地負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)為61.22 t?hm-2?a-1。4)3區(qū)縣畜禽糞便耕地負(fù)荷的污染風(fēng)險(xiǎn)警報(bào)級(jí)別分別是: 商州區(qū)為Ⅱ級(jí), 稍有污染風(fēng)險(xiǎn); 丹鳳縣和商南縣均為Ⅳ級(jí), 有較嚴(yán)重的污染風(fēng)險(xiǎn)。5)商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣的總氮平均耕地負(fù)荷分別為159 kg?hm-2?a-1、450 kg?hm-2?a-1和530 kg?hm-2?a-1, 總磷平均耕地負(fù)荷分別是51 kg?hm-2?a-1、179 kg?hm-2?a-1和199 kg?hm-2?a-1, 生化需氧量平均耕地負(fù)荷分別為716 kg?hm-2?a-1、2 275 kg?hm-2?a-1和2 595 kg?hm-2?a-1, 化學(xué)需氧量平均耕地負(fù)荷分別為 768 kg?hm-2?a-1、2 345 kg?hm-2?a-1和2 667 kg?hm-2?a-1, NH3-N平均耕地負(fù)荷分別為 65 kg?hm-2?a-1、201 kg?hm-2?a-1和232 kg?hm-2?a-1?？傊? 商洛市商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣的畜禽養(yǎng)殖總量大, 養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不合理; 商洛市常用耕地面積相對(duì)較少, 畜禽糞便的耕地負(fù)荷及其污染物負(fù)荷均較大, 且形成自上游到下游急劇增加的態(tài)勢(shì); 商洛市超量污染物排放會(huì)造成氮素和磷素等成分的淋溶和流失, 對(duì)于南水北調(diào)水源地的水質(zhì)安全構(gòu)成較大的潛在威脅。

丹江; 畜禽糞便; 耕地負(fù)荷; 排泄系數(shù); 養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)

南水北調(diào)工程對(duì)于緩解北方水資源嚴(yán)重短缺, 改善生態(tài)環(huán)境, 提高人民生活水平具有重大意義。中線工程自2014年12月12日正式通水以來(lái), 已經(jīng)惠及京津冀豫沿線5 300多萬(wàn)居民, 已成為京津兩市主要的飲用水水源[1]。但中線工程水源地(包括庫(kù)內(nèi))水質(zhì)安全卻是自工程建設(shè)至今研究的核心問(wèn)題之一。許多研究表明, 農(nóng)業(yè)面源污染是中線庫(kù)區(qū)的主要污染物來(lái)源, 而畜禽養(yǎng)殖業(yè)是排在第1位的污染源[2-3]。

近年來(lái), 陜西省商洛市養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模一直處于上升趨勢(shì)[4]。僅2016年, 商洛市出欄生豬就達(dá)233.9萬(wàn)頭, 全市生豬、肉雞、蛋雞集約化規(guī)模養(yǎng)殖比例分別達(dá)42%、90%、95%, 但超過(guò)50%的規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)缺乏必要的污水處理設(shè)備; 配套建設(shè)沉淀池、進(jìn)行干濕分離、有機(jī)肥生產(chǎn)并達(dá)到污水處理的養(yǎng)殖場(chǎng)只占調(diào)查總量的7.41%[5]。在《陜西省‘十三五’畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(下簡(jiǎn)稱《畜牧發(fā)展規(guī)劃》)中, 商洛市(包括漢中市和安康市)又被規(guī)劃為陜西省生豬養(yǎng)殖的主要分布區(qū), 其中洛南縣、丹鳳縣、商南縣和山陽(yáng)縣被規(guī)劃為重點(diǎn)養(yǎng)豬基地[6]。隨著畜禽養(yǎng)殖量的增加, 如何處理大量的畜禽糞便, 提高畜禽糞便資源化開(kāi)發(fā)利用率就成了亟待解決的重要問(wèn)題。

商洛市地處秦嶺東南部, 屬于南北氣候的過(guò)渡帶, 山大溝深, 坡地多平地少, 土壤類(lèi)型復(fù)雜(有8個(gè)土類(lèi))[7]。常用耕地面積占全市總面積不到10%, 川道灘地土壤較為肥沃, 但坡地土壤較為瘠簿, 且容易發(fā)生有機(jī)質(zhì)等成分的流失。據(jù)瞿曉蒼等[8]統(tǒng)計(jì), 自20世紀(jì)90年代以來(lái), 商洛市有機(jī)肥施用面積和數(shù)量銳減, 到2014年全市有機(jī)肥施用面積和數(shù)量分別占播種面積和需用量的19.8%和7.1%, 不合理施肥和過(guò)量化肥施用造成土壤肥力嚴(yán)重下降。利用現(xiàn)有耕地實(shí)行種養(yǎng)結(jié)合, 擴(kuò)大有機(jī)肥生產(chǎn)與施用, 是消納畜禽糞便最有效和最持久的途徑。探討當(dāng)?shù)爻Ｓ酶貙?duì)畜禽糞便的消納與負(fù)荷能力, 是進(jìn)行畜禽糞便有效處理及資源化利用的基礎(chǔ)研究。

發(fā)源于商洛市商州區(qū)西部秦嶺南麓的丹江, 流經(jīng)商洛市轄商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣大約250 km; 丹江從商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣流出境, 至丹江口水庫(kù)中線陶岔渠首的直線距離也只有150 km左右(圖1)。區(qū)域地理位置的特殊性, 使得商洛市畜禽養(yǎng)殖業(yè)肩負(fù)著更重要的環(huán)保責(zé)任。在《丹江口庫(kù)區(qū)及上游水污染防治和水土保持‘十三五’規(guī)劃》(下簡(jiǎn)稱《丹江水規(guī)劃》)中, 商洛市商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣被明確列在“水源地安全保護(hù)區(qū)”之內(nèi)?！兜そ?guī)劃》同時(shí)要求全面削減各類(lèi)污染負(fù)荷, 治理不達(dá)標(biāo)入庫(kù)河流, 強(qiáng)化水污染風(fēng)險(xiǎn)管控[9]。

基于上述背景, 本研究根據(jù)商洛市轄商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣2014—2016年度的畜禽養(yǎng)殖基本數(shù)據(jù), 采用畜禽糞便排泄系數(shù)法, 估算3區(qū)縣畜禽糞便的排放量; 同時(shí), 參照當(dāng)?shù)馗赝寥琅c種植業(yè)特點(diǎn), 重點(diǎn)分析并確定當(dāng)?shù)馗匦笄菁S便最大適宜負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn); 通過(guò)評(píng)估各區(qū)縣常用耕地畜禽糞便負(fù)荷及其污染物負(fù)荷分布, 進(jìn)而判斷畜牧養(yǎng)殖業(yè)對(duì)丹江流域水質(zhì)潛在的影響; 最后, 對(duì)3區(qū)縣的畜禽糞便耕地負(fù)荷進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷。研究結(jié)果可為商洛市畜牧養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、畜禽糞便資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 特別是對(duì)于南水北調(diào)中線水源地保護(hù)和建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

依據(jù)“農(nóng)業(yè)部畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的商洛市2014—2016年度的養(yǎng)殖業(yè)基本數(shù)據(jù), 選擇與丹江上游直接相關(guān)的商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣養(yǎng)殖業(yè)數(shù)據(jù)(表1)估算畜禽糞便排放量, 再依據(jù)《陜西省區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒》, 以各區(qū)縣2013—2015年末的常用耕地面積為基準(zhǔn)估算污染負(fù)荷。因?yàn)楫?dāng)?shù)啬膛ｐB(yǎng)殖數(shù)量極少(僅個(gè)別區(qū)縣有數(shù)十頭或幾百頭), 列表時(shí)歸入黃牛數(shù)量; 兼用型雞的養(yǎng)殖時(shí)間或多半年或超過(guò)1年, 在估算時(shí)用當(dāng)年出欄數(shù)與年末存欄數(shù)的平均值, 且同蛋雞合并估算; 另外, 區(qū)域面積來(lái)自各地方政府網(wǎng)站。

表1 2014—2016年度商洛市轄商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣畜禽養(yǎng)殖基本數(shù)據(jù)與常用耕地面積

1.2 畜禽糞便排泄量估算

1.2.1 估算公式

關(guān)于估算畜禽糞便排泄量的方法, 國(guó)家生態(tài)環(huán)境部提出了畜禽糞便排泄量計(jì)算方法: 飼養(yǎng)存欄量×日排泄系數(shù)(單個(gè)動(dòng)物每天排出的糞便的數(shù)量)×飼養(yǎng)周期[10]; 也有人提出新的算法: (當(dāng)年出欄量+年末存欄量)×日排泄系數(shù)×飼養(yǎng)周期[11]。前者是以畜禽飼養(yǎng)周期為標(biāo)準(zhǔn), 但有些畜禽養(yǎng)殖不足1年, 只估算存欄數(shù), 就會(huì)使結(jié)果偏小; 后者則會(huì)對(duì)超過(guò)1年飼養(yǎng)期的畜禽造成重復(fù)計(jì)算, 估計(jì)量就會(huì)偏大。在目前我國(guó)養(yǎng)殖水平下, 關(guān)于畜禽養(yǎng)殖周期研究有許多探討[12-13]。結(jié)合商洛地區(qū)養(yǎng)殖實(shí)踐, 大牲畜(主要指黃牛)和羊(實(shí)際只有山羊)的養(yǎng)殖周期均超過(guò)了1年, 蛋雞多實(shí)行全進(jìn)全出養(yǎng)殖方式, 一般超過(guò)72周齡, 所以牛、羊、蛋雞都以年末存欄量為估算基準(zhǔn), 并以365 d為周期比較合適。肉雞實(shí)行全進(jìn)全出養(yǎng)殖方式, 養(yǎng)殖周期為55 d, 故以當(dāng)年出欄數(shù)為基準(zhǔn)。商洛地區(qū)目前育肥豬養(yǎng)殖周期為180 d。需要說(shuō)明的是, 母豬的存欄數(shù)是保持養(yǎng)豬數(shù)量穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。母豬一般養(yǎng)殖時(shí)間都在兩年左右, 應(yīng)選365 d作為估算基準(zhǔn), 而母豬存欄數(shù)量可以按照我國(guó)目前每頭母豬能夠育肥出欄14頭仔豬的標(biāo)準(zhǔn)折算[14]。這樣, 育肥豬按照出欄數(shù)計(jì)算, 而母豬則按照存欄數(shù)計(jì)算。本研究所選用的不同畜禽糞便排泄量估算公式詳見(jiàn)表2。

1.2.2 畜禽糞便排泄系數(shù)的確定依據(jù)

畜禽糞便排泄系數(shù)與畜禽種類(lèi)、養(yǎng)殖方式、生長(zhǎng)發(fā)育階段以及環(huán)境因素等有較大關(guān)系。董紅敏等[15]分析了豬的保育、育肥、妊娠等不同階段排污系數(shù), 發(fā)現(xiàn)不同生理?xiàng)l件下排污系數(shù)差異明顯, 宏觀分析中不易參照。莊犁等[16]分析了國(guó)內(nèi)外研究概況, 比照了國(guó)內(nèi)不同地域畜禽排污系數(shù), 認(rèn)為養(yǎng)殖地區(qū)不同, 研究方法不同, 則畜禽排污系數(shù)具有較大差異。其實(shí), 排泄系數(shù)更符合畜禽的消化代謝生理以及飼養(yǎng)階段和水平, 而排污系數(shù)更符合養(yǎng)殖條件和管理水平, 目前在排泄系數(shù)和排污系數(shù)的使用上互相借用, 并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。白明剛[17]綜合多人的研究結(jié)果, 提出的畜禽糞便排泄系數(shù)具有一定的普適性。商洛地區(qū)養(yǎng)豬場(chǎng)規(guī)模適中, 另有許多養(yǎng)豬專(zhuān)業(yè)戶, 而且大多數(shù)以干出糞(即直接清掃或刮板清除糞便)與漏縫地板相結(jié)合的飼養(yǎng)方式。由于封山育林政策, 傳統(tǒng)的放牧養(yǎng)牛、養(yǎng)羊也已大多轉(zhuǎn)為舍飼形式。蛋雞和肉雞養(yǎng)殖多采用干出糞的籠養(yǎng)或平養(yǎng)形式。參考周媛媛等[18]對(duì)重慶畜禽糞便排污研究, 經(jīng)過(guò)調(diào)整的畜禽排泄系數(shù)如表2所述。

表2 畜禽糞便排泄量計(jì)算公式與糞尿排泄系數(shù)

1.2.3 畜禽糞便污染物含量(系數(shù))的選擇

畜禽糞便污染物的多少取決于糞便排泄總數(shù)量。而重點(diǎn)是糞便中總氮(TN)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD)、重鉻酸鉀法化學(xué)需氧量(CODcr)以及氨氮(NH3-N)排放量對(duì)養(yǎng)殖所在區(qū)縣土壤及地表水質(zhì)的影響。之所以將糞便中含有的各種物質(zhì)定義為污染物質(zhì), 是基于環(huán)境及水質(zhì)資源保護(hù)的理念, 以便于比較和分析。綜合前人[9-13,15-18]的研究, 選擇經(jīng)調(diào)整歸納的畜禽糞尿污染物平均含量(表3)作為污染物排放量和耕地負(fù)荷研究的基礎(chǔ)參數(shù)。

表3 畜禽糞尿污染物平均含量

1.3 耕地畜禽糞便污染負(fù)荷計(jì)算

依據(jù)《全國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及其防治對(duì)策》的規(guī)定, 畜禽糞便負(fù)荷也稱為畜禽糞便耕地負(fù)荷。該指標(biāo)主要是比較當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)與可用于消納畜禽糞便的有效耕地之間的關(guān)系, 依此分析畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田耕地的承載力及其影響。

1.3.1 畜禽糞便負(fù)荷計(jì)算方法

式中:為以豬糞便為當(dāng)量的農(nóng)田負(fù)荷, t?a-1?hm-2;為各類(lèi)畜禽糞便的豬糞當(dāng)量, t?a-1;為有效耕地面積, hm2;為各類(lèi)畜禽糞便量, t?a-1;為各類(lèi)畜禽糞便換算成豬糞當(dāng)量的系數(shù);是畜禽糞便負(fù)荷警報(bào)值[12](表4), 用于分析耕地負(fù)荷對(duì)環(huán)境造成的威脅等級(jí);是當(dāng)?shù)匦笄菁S便排放量豬糞當(dāng)量的最大適宜耕地負(fù)荷, t?a-1?hm-2。本研究依據(jù)表3中畜禽糞便的氮含量進(jìn)行豬糞當(dāng)量系數(shù)折算, 結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 畜禽糞便耕地負(fù)荷警報(bào)值分級(jí)

表5 畜禽糞便含氮量及換算成豬糞當(dāng)量的換算系數(shù)

1.3.2 畜禽糞便各類(lèi)污染物質(zhì)的負(fù)荷計(jì)算方法

該計(jì)算方法與上述畜禽糞便負(fù)荷計(jì)算方法相同, 即衡量糞便中各種污染物質(zhì)的負(fù)荷情況。要分析某地畜禽糞便污染物的耕地負(fù)荷, 就要分別計(jì)算各類(lèi)畜禽產(chǎn)生的各種污染物數(shù)量, 然后合并后估算出本地區(qū)的污染物負(fù)荷量。所用計(jì)算公式如下:

式中:Q是區(qū)域年產(chǎn)生污染物耕地負(fù)荷, kg?hm-2?a-1;W是區(qū)域畜禽產(chǎn)生糞便量, 104t?a-1;T是畜禽糞便產(chǎn)生污染物的平均含量, kg?t-1;A是區(qū)域有效耕地(本研究使用年鑒中的常用耕地)面積, hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 丹江上游商洛市轄3區(qū)縣畜禽糞便排泄量豬糞當(dāng)量與耕地負(fù)荷的區(qū)域分布

根據(jù)上述基本數(shù)據(jù)和研究方法, 利用公式(1), 估算丹江上游商洛市轄商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣2014—2016年度的畜禽糞便排泄量豬糞當(dāng)量, 以及各年度畜禽糞便豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷等(表6)。

表6 2014—2016年商洛市轄3區(qū)縣畜禽糞便豬糞當(dāng)量與耕地負(fù)荷

由表6數(shù)據(jù)可以得出, 商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣年度平均畜禽糞便排放量豬糞當(dāng)量分別為5.732′105t?a-1、9.321×105t?a-1和1.274×106t?a-1。盡管3個(gè)區(qū)縣的養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不同, 但各區(qū)縣年度間的畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)變化不大(丹鳳縣2016年養(yǎng)殖總量調(diào)整較大)。從連續(xù)養(yǎng)殖和耕地連續(xù)消納畜禽糞便的角度, 對(duì)各區(qū)縣3年畜禽糞便耕地負(fù)荷進(jìn)行簡(jiǎn)單平均(有效耕地年度變化<1%), 以此代表各區(qū)縣畜禽糞便耕地負(fù)荷的基本情況。由表6可知, 商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣畜禽糞便豬糞當(dāng)量平均耕地負(fù)荷分別為: 27.04t?hm-2?a-1、76.72t?hm-2?a-1和90.10 t?hm-2?a-1(3區(qū)縣年度間耕地負(fù)荷變異系數(shù)分別為: 3.3%、23.4%和6.9%)?？梢?jiàn), 沿著丹江上游到下游的3個(gè)區(qū)縣, 其畜禽糞便的耕地負(fù)荷越來(lái)越大(圖1)。從畜禽種類(lèi)看, 丹鳳縣和商南縣禽類(lèi)(蛋雞+肉雞)的豬糞當(dāng)量都占有較大份額(分別為25.03%和21.03%), 而各區(qū)縣的生豬糞便當(dāng)量又占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(商州區(qū)3年平均占42.01%、丹鳳縣占39.55%、商南縣占49.94%)。如果把生豬、蛋雞和肉雞的糞便豬糞當(dāng)量按年度合并考慮, 其平均值將分別占到各區(qū)縣畜禽糞便豬糞當(dāng)量的59.70%、73.24%和70.40%, 3區(qū)縣豬禽糞便平均比例也占到總畜禽糞便豬糞當(dāng)量的68.06%。因此, 對(duì)于非主產(chǎn)糧區(qū)的商洛市而言, 這種非節(jié)糧型的畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)需要盡快給予調(diào)整。

從各區(qū)縣年度耕地負(fù)荷來(lái)看, 盡管年度間的養(yǎng)殖數(shù)量有所變化, 但并沒(méi)有影響各區(qū)縣的養(yǎng)殖結(jié)構(gòu), 各區(qū)縣的耕地負(fù)荷也呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異性。從整體上看, 商州區(qū)耕地負(fù)荷占13.96%的比重, 而丹鳳縣和商南縣分別占有39.53%和46.51%的比重。其原因除了是丹鳳縣和商南縣的有效耕地面積較少外, 主要還是兩個(gè)縣養(yǎng)殖總量較大造成的。

圖1 丹江上游商洛市轄3區(qū)縣位置圖及其畜禽糞便豬糞當(dāng)量負(fù)荷分布(t?hm-2?a-1)

2.2 丹江上游商洛市轄3縣區(qū)畜禽糞便污染物耕地負(fù)荷分布

基于不同畜禽糞便實(shí)際產(chǎn)生的污染物質(zhì)不同, 利用各區(qū)縣實(shí)際產(chǎn)生的各種畜禽糞便排泄量, 參照表3和公式(3)估算出畜禽糞便污染物質(zhì)數(shù)量及其耕地負(fù)荷(表7)。

表7顯示, 畜禽糞便污染物排放量在丹江上游3區(qū)縣呈依次增加的趨勢(shì), 即商州區(qū)<丹鳳縣<商南縣, 這與畜禽糞便分布是一致的。由于3區(qū)縣的養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)中豬禽的比例較大, 而豬禽糞便的TN、TP以及BOD和CODcr含量又較高(表3), 造成各區(qū)縣這些污染物質(zhì)數(shù)量劇增。例如, 商州區(qū)TN平均耕地負(fù)荷為159 kg?hm-2?a-1, 但丹鳳縣、商南縣則分別達(dá)450 kg?hm-2?a-1和530 kg?hm-2?a-1。同樣, 3區(qū)縣的TP平均耕地負(fù)荷分別為51 kg?hm-2?a-1、179 kg?hm-2?a-1和199 kg?hm-2?a-1, BOD平均耕地負(fù)荷分別為716 kg?hm-2?a-1、2 275 kg?hm-2?a-1和2 595 kg?hm-2?a-1, CODcr平均耕地負(fù)荷分別為768 kg?hm-2?a-1、2 345 kg?hm-2?a-1和2 667 kg?hm-2?a-1, NH3-N平均耕地負(fù)荷分別為65 kg?hm-2?a-1、201 kg?hm-2?a-1和232 kg?hm-2?a-1。經(jīng)過(guò)比較, 3區(qū)縣畜禽糞便氮磷耕地負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了陳生婧[19]總結(jié)的陜西2006—2010畜禽糞便排泄TN(54.1~103.6 kg?hm-2?a-1)和TP(19.3~55.1 kg?hm-2?a-1)負(fù)荷量, 也超過(guò)了全國(guó)平均單位耕地面積的畜禽氮污染負(fù)荷(138.13 kg?hm-2)[20]。這種畜禽糞便污染物耕地負(fù)荷劇增趨勢(shì)有養(yǎng)殖業(yè)總量增加因素, 也受計(jì)算方法、排泄系數(shù)選擇和樣品大小等因素影響。盡管商州區(qū)和丹鳳縣年度間養(yǎng)殖數(shù)量有一些波動(dòng), 但其污染物負(fù)荷量仍在較高的水平, 僅商南縣2014—2016年, TN和TP負(fù)荷就分別增加13.6%和15.5%。TN、COD和NH3-N是《丹江水規(guī)劃》中主要控制目標(biāo), 而表7顯示這些指標(biāo)是偏高的。過(guò)量的氮素和磷素進(jìn)入土壤, 都會(huì)通過(guò)雨水等淋洗作用造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化; NH3-N排放不僅影響空氣質(zhì)量, 進(jìn)入水體也會(huì)增加富營(yíng)養(yǎng)化作用; CODcr、BOD含量越大說(shuō)明有機(jī)污染物質(zhì)含量越高, 對(duì)水質(zhì)污染的威脅越大[21]。3區(qū)縣的養(yǎng)殖總量較大和養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的不合理是造成污染物增加的最主要原因。

表7 2014—2016年商洛市轄3區(qū)縣畜禽糞便污染物排放量分布及其耕地負(fù)荷

2.3 丹江上游商洛市轄3區(qū)縣畜禽糞便污染風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于畜禽糞便的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估, 首先是要確定區(qū)域耕地的最大適宜畜禽糞便施用量, 其次是明確畜禽糞便耕地負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。目前, 因?yàn)楦鞯赝寥罈l件、種植種類(lèi)和方法的差異較大, 我國(guó)尚沒(méi)有耕地面積畜禽糞便施用量統(tǒng)一規(guī)定, 也沒(méi)有畜禽糞便中TN、TP養(yǎng)分施用量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。蘭勇等[22]利用養(yǎng)分平衡原理, 確定了湖南單位耕地畜禽糞便豬糞當(dāng)量的環(huán)境適宜負(fù)荷量為21 515 kg?hm-2?a-1, 但這是在設(shè)定每年一定氮肥(化肥)施用量情況下估算的, 沒(méi)能反映最大畜禽糞便施用量。國(guó)家生態(tài)環(huán)境部[10]推薦的適宜畜禽糞便施用量是35~45 t?hm-2?a-1, 但時(shí)間背景過(guò)早。歐盟[23]規(guī)定糞肥年施用氮標(biāo)準(zhǔn)限量為170 kg?hm-2?a-1, 如果折合豬糞當(dāng)量應(yīng)不超過(guò)28.91 t?hm-2?a-1(按表5中豬糞當(dāng)量的含氮量折算: 170/0.588%), 但歐盟的土壤較為肥沃, 與我國(guó)各地普遍缺少氮肥實(shí)際有較大差距。侯彥林等[24]綜合全國(guó)不同地域農(nóng)田氮的面源污染研究, 指出我國(guó)大田作物無(wú)污染的施氮量標(biāo)準(zhǔn)為150~225 kg?hm-2?season-1(其平均數(shù)為180 kg?hm-2?season-1, 在此范圍的施氮量不會(huì)引起氮素的明顯淋失)。陜西被區(qū)劃為中南部地區(qū), 認(rèn)為當(dāng)施肥量超過(guò)“平均適宜施氮量”后, 污染很容易發(fā)生(陜西省1997年平均施氮量達(dá)182 kg?hm-2?season-1, 到2002年已經(jīng)達(dá)213 kg?hm-2?season-1)。如果按照這個(gè)氮素施用范圍分析, 商洛市一般是一年兩季種植, 對(duì)應(yīng)年度施氮量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為300~450 kg?hm-2?a-1。那么, 假設(shè)商洛市轄3區(qū)縣的畜禽糞便全部施用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田, 只有商州區(qū)的氮量負(fù)荷較為安全(159 kg?hm-2?a-1); 丹鳳縣已達(dá)到上限(負(fù)荷為450 kg?hm-2?a-1), 而商南縣則明顯地超過(guò)了安全負(fù)荷上限(負(fù)荷為530 kg?hm-2?a-1)。還需要說(shuō)明的是, 商洛市處于秦嶺山區(qū), 常年降雨量平均為710~930 mm, 山坡地較多,肥瘠不等, 土壤中的氮素淋失更為容易(特別是硝酸鹽的淋失), 加之較為平坦的川道耕地又多以河水灌溉為主, 進(jìn)一步增加了氮素淋失的外部動(dòng)力[25]。再考慮到畜禽糞便有機(jī)質(zhì)更容易淋溶流失等因素, 商洛市大田作物無(wú)污染氮素上限應(yīng)以360 kg?hm-2?a-1為宜, 并以此指標(biāo)作為畜禽糞便氮量施用的限量標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)上述分析, 用單位豬糞當(dāng)量的總氮含量(表5), 即可估算商洛地區(qū)畜禽糞便豬糞當(dāng)量的最大適宜耕地負(fù)荷, 估算結(jié)果為61.22 t?hm-2?a-1。當(dāng)然, 該耕地負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)是以土壤氮素最大承載力為標(biāo)準(zhǔn)估算的，具有顯著代表性, 但也只是一維參數(shù)分析, 理論上應(yīng)當(dāng)建立土壤和畜禽糞便有效成分等多維參數(shù)模型, 甚至還應(yīng)考慮畜禽糞便不同處理后成分變化特點(diǎn)[26]。此方面有待進(jìn)一步研究。按照表4劃定的畜禽糞便耕地負(fù)荷警報(bào)值分級(jí), 丹江上游商洛市轄3區(qū)縣的畜禽糞便耕地負(fù)荷警報(bào)值()分別是: 商州區(qū)為0.44(Ⅱ級(jí)), 有一定環(huán)境污染威脅; 丹鳳縣為1.24(Ⅳ級(jí)), 環(huán)境污染威脅較為嚴(yán)重; 商南縣為1.47(Ⅳ級(jí)), 環(huán)境污染威脅更為嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查, 商洛市2014年化肥施用量為355.5 kg?hm-2, 有機(jī)肥施用面積只占總需要面積的19.8%[8]。如果不加大畜禽糞便的綜合治理, 擴(kuò)大有機(jī)肥的施用量(實(shí)際增加土壤有機(jī)質(zhì)), 減少化肥施用量, 大量畜禽糞便將有可能對(duì)丹江河流水質(zhì)安全造成較大的威脅。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

商洛市畜禽養(yǎng)殖業(yè)在陜西省畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)布局中占有特殊的地位。商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣養(yǎng)殖量較大,其畜禽糞便排放量豬糞當(dāng)量年度平均分布為5.732′105t?a-1、9.321×105t?a-1和1.274×106t?a-1。3區(qū)縣豬禽糞便當(dāng)量平均比例占到總畜禽糞便當(dāng)量的68.06%, 養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不夠合理。

雖然3區(qū)縣畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)不盡相同, 但各區(qū)縣年度間結(jié)構(gòu)變化不大, 因?yàn)楦鲄^(qū)縣耕地面積相對(duì)穩(wěn)定, 商州區(qū)、丹鳳縣和商南縣平均畜禽糞便豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷分別為27.04 t?hm-2?a-1、76.72 t?hm-2?a-1和90.10 t?hm-2?a-1。由于不同畜禽糞便污染物質(zhì)含量不同, 而生豬和禽類(lèi)養(yǎng)殖比例較大, 所以造成了3區(qū)縣畜禽糞便排泄物中TN、TP、BOD、CODcr、NH3-N等總數(shù)量都偏大。

商洛市大田作物無(wú)污染氮素施用上限設(shè)定為 360 kg?hm-2?a-1, 依此確定商洛市畜禽糞便豬糞當(dāng)量耕地負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)為61.22 kg?hm-2?a-1。商州區(qū)畜禽糞便耕地負(fù)荷是相對(duì)安全(Ⅱ級(jí))的, 丹鳳縣和商南縣都處于較高危險(xiǎn)水平(Ⅳ級(jí)), 污染風(fēng)險(xiǎn)是明顯的。該結(jié)果印證了《丹江水規(guī)劃》中提出的在丹江商南縣界做到“總氮控制、風(fēng)險(xiǎn)防范、水土流失治理”的目標(biāo)和要求。

本研究結(jié)果主要源于當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖大數(shù)據(jù)及其評(píng)估方法。在沒(méi)有區(qū)分具體養(yǎng)殖方式以及糞便是否進(jìn)行了適當(dāng)處理的背景下, 粗略估算的數(shù)據(jù)主要是為了分析畜禽養(yǎng)殖業(yè)對(duì)丹江上游水質(zhì)潛在影響。但從當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)看, 畜禽糞便的污染負(fù)荷估算結(jié)果基本說(shuō)明了商洛市丹江上游流域養(yǎng)殖業(yè)問(wèn)題的嚴(yán)重性。這種較高的畜禽糞便耕地負(fù)荷存在, 勢(shì)必對(duì)丹江上游水質(zhì)安全構(gòu)成較大的潛在威脅。

3.2 建議

商洛市耕地不足區(qū)域面積的1/10, 如此少的耕地是難于消納養(yǎng)殖業(yè)所造成的龐大糞便污染的。特別是在優(yōu)質(zhì)耕地日益減少, 山坡地又無(wú)種植積極性, 以及退耕還林、禁止放牧等政策影響下, 應(yīng)尋求綜合性措施, 以防范和減少畜禽養(yǎng)殖所帶來(lái)的丹江上游水源地的污染風(fēng)險(xiǎn)。為此, 筆者建議:

第一, 調(diào)整養(yǎng)殖規(guī)模和結(jié)構(gòu), 減少畜禽糞便的產(chǎn)生量。研究表明, 商洛市轄3區(qū)縣的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)不合理, 是造成畜禽糞便耕地負(fù)荷較大的根本原因。所以, 首先要減少養(yǎng)殖的總規(guī)模, 特別是要減少丹鳳縣和商南縣的養(yǎng)殖總量。積極落實(shí)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2015年11月27日頒布的《關(guān)于促進(jìn)南方水網(wǎng)地區(qū)生豬養(yǎng)殖布局調(diào)整優(yōu)化的指導(dǎo)意見(jiàn)》(下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見(jiàn)》)[27]。商洛市雖不是南方水網(wǎng)地區(qū), 但卻屬于《指導(dǎo)意見(jiàn)》劃定的丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)的上游, 在有效耕地少、地形條件復(fù)雜的商洛山區(qū)并不適合大型或特大型養(yǎng)豬場(chǎng), 應(yīng)以年出欄500~1 000頭生豬的中小型豬場(chǎng)為好。其次是調(diào)整和完善《畜牧發(fā)展規(guī)劃》, 減少生豬和家禽數(shù)量, 適當(dāng)增加節(jié)糧型草食家畜的數(shù)量。以便促進(jìn)當(dāng)?shù)夭萆讲萜?、作物秸稈的資源利用, 同時(shí)減少畜禽糞便的排泄總量。

第二, 積極推進(jìn)畜禽糞便資源化利用, 變廢為寶。加快實(shí)施《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》(下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》)[28], 該《意見(jiàn)》是對(duì)目前養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)的畜禽糞便污染進(jìn)行資源化利用的綱領(lǐng)性文件。商洛市轄3區(qū)縣的畜禽養(yǎng)殖糞便負(fù)荷較大, 種養(yǎng)矛盾突出, 必須加大畜禽糞污的綜合處理, 大力發(fā)展畜禽糞便有機(jī)肥生產(chǎn), 促使大量糞肥施入農(nóng)田。同時(shí), 要積極推行畜禽糞便干濕分離和沼氣技術(shù)。這樣, 既可以減少糞便污染物質(zhì)的直接排放, 又可以增加養(yǎng)殖綜合效益。

第三, 大力推行畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)和生態(tài)養(yǎng)殖理念。畜牧業(yè)清潔生產(chǎn)是基于養(yǎng)殖業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的資源節(jié)約、減少污染物排放、降低對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的危害等技術(shù)原理, 應(yīng)當(dāng)積極推行。另外, 在丹江水源地上游發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè), 還應(yīng)推廣生態(tài)養(yǎng)殖理念, 養(yǎng)殖場(chǎng)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離丹江及有關(guān)支流水域, 杜絕糞便及污染物的直接排放,樹(shù)立環(huán)境友好型生產(chǎn)意識(shí)。要以清潔生產(chǎn)為基礎(chǔ), 探討?zhàn)B殖業(yè)—種植業(yè)—能源(沼氣)利用—環(huán)境綜合治理的區(qū)域發(fā)展機(jī)制, 從養(yǎng)殖業(yè)細(xì)節(jié)和源頭上做好南水北調(diào)的水質(zhì)安全保障工作。

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Livestock manure emission and cultivated land pollution load in the midst upstream of Danjiang River in Shangluo City*

WANG Mangsheng1, ZHANG Shuangqi1, YANG Jiyuan2, YANG Lei3

(1. Shangluo University, Shangluo 726000, China; 2. Shangluo Agricultural Bureau, Shangluo 726000, China; 3. Center of Shangluo Animal Husbandry Industry Development, Shangluo 726000, China)

Persistent water quality safety and protection have been a hot research in the upstream region of the middle route of China’s South-to-North Water Diversion Project. Shangzhou District, Danfeng County and Shangnan County, which are governed by Shangluo City, have already delineated the zone for water source protection in the upstream reach of Danjiang River. There is a need of basic research on scientific management of livestock and efficient implementation of research on water source protection area. It is also necessary to understand development status of livestock, estimate livestock manure emission, analyze absorption capacity of cultivated lands, and evaluate pollution risk caused by the emission. Until now, less data or literature has existed on this field of research. In this study, the emission of livestock manure was estimated using the livestock manure emission coefficient method from 2014 to 2016 in the upstream region of Danjiang River in Shangluo City, including Shangzhou District, Danfeng County and Shangnan County along the river direction. Then the maximum cultivated land load of pig-waste equivalent was confirmed according to cultivated area and pollution risk of cultivated land due to livestock manure in the three districts was evaluated. The results showed that annual pig-waste equivalents of livestock manure in Shangzhou, Danfeng and Shangnan were respectively 5.732×105t·a-1, 9.321×105t·a-1and 1.274×106t·a-1, with livestock manure emissions from pig and poultry accounting for up to 68.06% of the total. The cultivated land load of pig-waste equivalents for livestock manure were respectively 27.04 t·hm-2?a-1, 76.72 t·hm-2?a-1and 90.10 t·hm-2?a-1in Shangzhou, Danfeng and Shangnan. The maximum standard of cultivated land load of pig-waste equivalent of livestock manure was 61.22 t·hm- 2·a- 1for Shangluo City. Pollution risks were level Ⅱ for Shangzhou (moderate risk), and level Ⅳ for both Danfeng and Shangnan (severe risk). The average cultivated land loads for total nitrogen were respectively 159 kg·hm-2·a-1, 450 kg·hm-2·a-1and 530 kg·hm-2·a-1in the three districts; for total phosphorus were 51 kg·hm-2·a-1, 179 kg·hm-2·a-1and 199 kg·hm-2·a-1; for biochemical oxygen demand (BOD) were 716 kg·hm-2·a-1, 2 275 kg·hm-2·a-1and 2 595 kg·hm-2·a-1; for chemical oxygen demand (COD) were 768 kg·hm-2·a-1, 2 345 kg·hm-2·a-1and 2 667 kg·hm-2·a-1; and for NH3-N were 65 kg·hm-2·a-1, 201 kg·hm-2·a-1and 232 kg·hm-2·a-1. It was concluded that the number of livestock bred was large and the husbandry structure unreasonable in the three districts of Shangluo City. Because of the limited cultivated land, cultivated land loads and livestock manure pollution were pretty heavy, with increasing risks from upstream to downstream reaches. Excessive pollutants caused loss of nitrogen and phosphorus, which severely threatened water source safety of the South-to-North Water Diversion Project.

Danjiang River; Livestock manure; Cultivated land load; Emission coefficient; Husbandry structure

WANG Mangsheng, E-mail: wangjiang6005@163.com

Feb. 22, 2018;

Jun. 30, 2018

X713; X522

A

1671-3990(2018)12-1898-10

10.13930/j.cnki.cjea.180174

2018-02-22

2018-06-30

* 陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012K02-05)和商洛學(xué)院根植地方行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(GZ16046)資助

* This study was supported by the Shaanxi Sci-tec Research Development Program Project (2012K02-05)and the Project of Regional Act Program of Shangluo University (GZ16046).

王忙生, 主要研究方向?yàn)樾竽琉B(yǎng)殖與環(huán)境資源關(guān)系。E-mail: wangjiang6005@163.com

王忙生, 張雙奇, 楊繼元, 楊雷. 丹江上游商洛市畜禽糞便排放量與耕地污染負(fù)荷分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1898-1907

WANG M S, ZHANG S Q, YANG J Y, YANG L. Livestock manure emission and cultivated land pollution load in the midst upstream of Danjiang River in Shangluo City[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1898-1907