陳麗虹, 李 曄, 程全國, 陳一碩, 張彥杰

(1. 沈陽大學(xué) a. 生命科學(xué)與工程學(xué)院, b. 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044;2. 葫蘆島市龍港區(qū)環(huán)境保護局, 遼寧 葫蘆島 125003)

近20年來,隨著我國改革開放以來諸多惠民政策的實施,畜禽業(yè)從副產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展成為獨立的行業(yè),規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖場急速增加,養(yǎng)殖場規(guī)模與產(chǎn)值的年增長速率大于10%[1].畜禽廢棄物給環(huán)境造成的污染也愈發(fā)嚴重,根據(jù)第一次全國污染源普查公報(2010)顯示[2],我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要水污染物排放量中化學(xué)需氧量(COD)為1 268.26×104t,占污染物總量的41.87%.2012年景棟林等對佛山市的畜禽糞便排放量和農(nóng)田負荷進行了分析,結(jié)果表明,順德區(qū)的農(nóng)田負荷量(以豬糞當量計)最高,達205.30 kg·hm-2,N、P養(yǎng)分負荷量也都超過了極限值,說明由畜禽糞便帶來的環(huán)境污染問題必須要得到重視[3];2015年李培培、王建華、張寶珣等對青島市的畜禽糞便排放量與農(nóng)田負荷量進行了分析,結(jié)果表明,青島市存在畜禽糞便N、P污染問題,且污染主要集中在豬、牛、雞3個產(chǎn)業(yè),3者占總排放量的95.78%[4];2016年王平對南通市的畜禽糞便排放量與農(nóng)田負荷量進行了分析,表明畜禽糞便N、P養(yǎng)分負荷分別達到了180.16 kg·hm-2和56.59 kg·hm-2,遠超出極限值,給當?shù)氐母赝寥缼砹藝乐赝{[5];2017年劉實、李偉瑋、張永勇等對大慶市的畜禽糞便排放量和環(huán)境負荷量進行了分析研究,結(jié)果表明農(nóng)田負荷量與極限值相比較,仍有發(fā)展空間[6].遼寧省葫蘆島市近5年肉類產(chǎn)量不斷增加(如圖1),2015年葫蘆島市全市總產(chǎn)值達到720億元,肉類總產(chǎn)量為50.60×104t,較2010年的37.20×104t增長了30.02%,表明葫蘆島市的養(yǎng)殖數(shù)量不斷增大.為了符合生態(tài)可持續(xù)發(fā)展要求,收集葫蘆島市2015年5個縣區(qū)的畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù),調(diào)查分析葫蘆島地區(qū)畜禽養(yǎng)殖分布特點和養(yǎng)殖規(guī)模,將收集的信息統(tǒng)一整理制定表格,在確定估算方法和參數(shù)的基礎(chǔ)上計算出畜禽糞便排放量及其主要養(yǎng)分含量, 繪制葫蘆島畜禽養(yǎng)殖空間分布圖,根據(jù)葫蘆島當?shù)刈匀画h(huán)境資源,人口分布情況將空間分布格局優(yōu)化, 制定合理的集約和分散式結(jié)合政策.并且通過計算再對畜禽糞便農(nóng)田負荷量和警戒值進行分析.論證葫蘆島市的畜禽養(yǎng)殖業(yè)是否還有發(fā)展的環(huán)境空間,并結(jié)合各區(qū)縣養(yǎng)殖情況分布與污染物產(chǎn)生量等相關(guān)資料,提出一些合理的防治措施.

圖1 2010—2015年葫蘆島市肉類總產(chǎn)量年變化趨勢

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

葫蘆島市地處遼寧省西南部,面積10 302×104km2.丘陵地貌,沿海多山、灘,遠海地區(qū)海拔較高,遼西的最高點就在葫蘆島.本研究范圍包括葫蘆島市的建昌縣、連山區(qū)、龍港區(qū)、南票區(qū)、興城市5個地區(qū),綏中縣作為省管縣未被列入本次研究范圍.由于地理環(huán)境,區(qū)域發(fā)展的不平衡性,以及經(jīng)濟人口等因素,使畜禽養(yǎng)殖在各個區(qū)域分布數(shù)量不盡相同.調(diào)查了解葫蘆島畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和數(shù)量等情況,將養(yǎng)殖信息統(tǒng)一繪制成表格,記錄各地區(qū)養(yǎng)殖數(shù)量、養(yǎng)殖種類等,不同區(qū)域進行統(tǒng)一分類整理.最新統(tǒng)計連山區(qū)養(yǎng)殖單位有105所,興城市616所,龍港區(qū)50所,南票區(qū)196所,建昌縣209所.通過對收集來的數(shù)據(jù)進行整理,繪制出葫蘆島市2015年的各地區(qū)畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計表(見表1).

表1 葫蘆島市2015年畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽糞便排放量計算參數(shù)

(1) 畜禽飼養(yǎng)期.奶牛和肉牛的飼養(yǎng)期按照年(365 d)計算,其余畜禽的飼養(yǎng)期參考其他學(xué)者文獻材料進行確認,中國豬的平均飼養(yǎng)期為199 d,肉雞的飼養(yǎng)期一般為55 d,蛋雞的飼養(yǎng)期為210 d[7-8].

(2) 畜禽糞便的日排泄系數(shù).畜禽糞便的排泄量可由畜禽的日排泄系數(shù)及數(shù)量估算得出,本文采用第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染源排泄系數(shù)(見表2).

表2 畜禽糞便排泄系數(shù)

(3) 畜禽糞便主要污染物含量.畜禽糞便中有機質(zhì)及氮、磷含量在長時間內(nèi)基本保持穩(wěn)定不變,本文參考文獻[9]得到相關(guān)計算數(shù)據(jù)(見表3).

表3 畜禽糞便污染物平均含量及進入水體流失率

注：COD,化學(xué)需氧量;BOD,生化需氧量;NH3-N,水中氨氮含量;TP,總磷含量;TN,總氮含量.

1.2.2 畜禽糞便排放量估算方法

(1) 畜禽糞便產(chǎn)生總量的估算[6].畜禽的年度糞便產(chǎn)生量計算公式為

Q=N×T×P.

(1)

式中:Q為年度糞便產(chǎn)生量;N為飼養(yǎng)量;T為飼養(yǎng)期;P為排泄系數(shù).

(2) 畜禽糞便中純養(yǎng)分量的估算[6].

A=Q×C.

(2)

式中:A為畜禽糞便中養(yǎng)分含量;Q為畜禽年度糞便產(chǎn)生量;C為單位質(zhì)量畜禽糞便養(yǎng)分含量.

1.2.3 農(nóng)田畜禽糞便負荷量分析方法

畜禽糞便可以用作農(nóng)田肥料.當其施入農(nóng)田時,單位耕地面積上可消納的畜禽糞便量稱為農(nóng)田畜禽糞便的負荷量[4],這一指標也可反映出當前的畜禽糞便量是否超出當?shù)氐母爻休d范圍.不同畜禽糞便為農(nóng)田提供的肥力不同.本文借鑒沈根祥等[10]研究時所用的方法將不同畜禽糞便按換算系數(shù)全部換算成豬糞當量,以此為基礎(chǔ)計算之后的負荷量(見表4).

表4 畜禽糞便含氮量及換算成豬糞當量的換算系數(shù)[3]

1.2.4 農(nóng)田畜禽糞便負荷量計算方法

農(nóng)田畜禽糞便負荷量計算公式為[3]

q=M/S.

(3)

式中:q為以豬糞當量計的農(nóng)田負荷量,t·hm-2·a-1;M為其他各種畜禽糞便按系數(shù)折算后的豬糞當量,t·a-1;S為有效耕地面積,hm2.

農(nóng)田畜禽糞便養(yǎng)分負荷量計算公式為[3]

農(nóng)田畜禽糞便養(yǎng)分負荷量=畜禽糞便產(chǎn)量×糞便中的純養(yǎng)分含量÷有效耕地面積.

2 結(jié)果與討論

2.1 畜禽糞便產(chǎn)生量

2.1.1 畜禽糞便產(chǎn)生量分析

結(jié)合表1和表2的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)和排泄系數(shù),計算畜禽糞便的產(chǎn)生量(表5).分析表1和表5可知,2015年葫蘆島市養(yǎng)殖量最大的畜禽種類是肉雞,養(yǎng)殖量為3 568 600只.其余畜禽養(yǎng)殖量由大到小依次為:蛋雞,673 311只;豬,254 699頭;肉牛,2 861頭;奶牛,423頭.通過計算得出5類畜禽的糞便總排放量為34.23×104t,豬的糞便排放量占總量的76.54%,是所有畜禽里面最高的,年產(chǎn)生量達到了26.21×104t.另外兩類排放量分別為:家禽,4.28×104t;牛,3.75×104t.可見,葫蘆島市畜禽糞便污染源主要為養(yǎng)豬業(yè).

表5 2015年葫蘆島市畜禽糞便產(chǎn)生量

2.1.2 空間布局優(yōu)化分析

污染防治面臨著許多難題.很多地方的畜禽養(yǎng)殖在沒有污染防治手段或者污染防治方案的時候,直接將畜禽排泄物和污染物直接排到自然環(huán)境中,使土壤、河流、大氣等自然環(huán)境受到污染.一個地區(qū)的自然環(huán)境容納量有限,如果當?shù)氐男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)不加以控制,污染物隨意排放,超過了當?shù)丨h(huán)境容納量的極限就會對當?shù)厣鷳B(tài)造成極大的破壞.環(huán)境污染也會影響當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展,同時許多空間布局不合理的畜禽養(yǎng)殖企業(yè),也會對自然保護區(qū)、居民小區(qū)及公共場所造成污染,加大了污染防治的難度.合理規(guī)劃畜禽養(yǎng)殖的空間分布和控制養(yǎng)殖的數(shù)量和規(guī)模,對地區(qū)發(fā)展有著深遠的影響,同時合理的畜禽養(yǎng)殖分布也對畜禽養(yǎng)殖業(yè)的良好發(fā)展有著不可替代的作用.

根據(jù)葫蘆島地區(qū)畜禽養(yǎng)殖空間分布現(xiàn)狀繪制出空間分布圖,通過收集來的葫蘆島市各個地區(qū)養(yǎng)殖地址坐標,在ArcGis平臺支持下,把各個養(yǎng)殖戶的位置呈現(xiàn)在圖片上,并根據(jù)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和數(shù)量不同所產(chǎn)生的污染物量的大小,在圖片上呈現(xiàn)不同顏色,能清晰地觀察出各個地區(qū)養(yǎng)殖集中地,為畜禽養(yǎng)殖空間分布優(yōu)化做好準備(見圖2).

優(yōu)化布局應(yīng)考慮葫蘆島地區(qū)的自然環(huán)境、地理位置、水資源分布以及居民住宅區(qū)等情況,再根據(jù)葫蘆島畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀提出合理畜禽養(yǎng)殖污染防治方法和措施.從圖2可以看出,畜禽養(yǎng)殖在各個地區(qū)的疏密情況不同,興城市和南票區(qū)分布最為密集,其他縣區(qū)分布較分散.其中興城市的畜禽養(yǎng)殖分布最不均勻,東南、東北方向分布較為密集,西側(cè)分布較少.2014年1月1日開始實施的《畜禽養(yǎng)殖污染防治條例》[11]和十三五規(guī)劃中關(guān)于大力發(fā)展生態(tài)友好型農(nóng)業(yè)的規(guī)定,要求對種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源化利用、無害化處理[12].針對葫蘆島市養(yǎng)殖業(yè)的具體情況分析,對于養(yǎng)殖集中區(qū)域,我們可以采用集中式處理,例如在畜禽糞便排放量大的區(qū)域建立有機化肥廠,可以將畜禽糞便統(tǒng)一收集起來,回收加工成有機肥料,實現(xiàn)廢物利用,這樣不僅可以降低畜禽糞便對環(huán)境造成的污染,而且也可以帶來經(jīng)濟效益,減少環(huán)境防治的成本,而其他畜禽養(yǎng)殖分散地區(qū)可以采取分散式處理方式,對于規(guī)模較小的養(yǎng)殖戶,可以建立沼氣池,發(fā)酵燃料,而底料還可以作為種植肥料.農(nóng)村個體畜禽養(yǎng)殖戶糞便可以直接發(fā)酵作為有機肥,投入到農(nóng)田種植中.

圖2 2015年葫蘆島市畜禽養(yǎng)殖空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of livestock and poultry breeding in Huludao City in 2015

2.2 畜禽糞便中主要污染物含量及其流失量

結(jié)合表3和表5計算出主要污染物含量及流失量(表6).根據(jù)2015年葫蘆島市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報顯示,2015年葫蘆島市COD年排放量為60 403 t,氨氮排放量為6 055 t[13].同年COD排放達9 876.73 t,占總排放量的16.35%,可見畜禽污染對環(huán)境影響較小.

表6 2015年葫蘆島市畜禽糞便中主要污染物含量及流失量

2.3 畜禽糞便農(nóng)田負荷量

根據(jù)表4中的換算系數(shù)計算出2015年葫蘆島市各區(qū)畜禽糞便豬糞當量,再結(jié)合各區(qū)的耕地數(shù)據(jù)(表7)[14],得出各區(qū)縣農(nóng)田負荷量(以豬糞當量計)以及N、P負荷量(表8).

農(nóng)田畜禽糞便負荷量可以反映出各區(qū)縣養(yǎng)殖的疏密情況及對環(huán)境造成的影響.一般認為1 hm2土地能夠負荷的畜禽糞便在30～45 t左右,

表7 葫蘆島市耕地分布表Table 7 Distribution of cultivated land in Huludao City 104 hm2

表8 2015年葫蘆島市農(nóng)田畜禽糞便負荷量

注：以豬糞當量計.

如果高出這一水平就會導(dǎo)致土壤的富營養(yǎng)化,對環(huán)境產(chǎn)生影響[5,15].各區(qū)縣的農(nóng)田負荷量在0.35～9.93 t·hm-2之間, 平均為1.77 t·hm-2.由于葫蘆島市的耕地面積較小,所以本文選用30 t為理論適宜量.比較可知葫蘆島各縣區(qū)的畜禽糞便負荷都沒有超過這一標準.

單位耕地面積上的N、P養(yǎng)分負荷也反映了畜禽糞便對于耕地土壤的污染風險.由于我國目前還沒有關(guān)于畜禽糞便氮磷養(yǎng)分施用的規(guī)定標準,所以本文選用歐盟的限值標準來進行比較分析.雖然歐盟國家與我們在耕種方法和種類方面有所不同,但也能在一定程度上反映出畜禽糞便對農(nóng)地的污染程度及可發(fā)展空間.歐盟的農(nóng)業(yè)政策規(guī)定,糞肥年施N量的限量標準為170 kg·hm-2,超過這一限值將會給土壤帶來硝酸鹽的淋溶.糞肥年施P量不能超過35 kg·hm-2,過量的P會引起水體富營養(yǎng)化[5].葫蘆島市農(nóng)田畜禽糞便N、P負荷量最高的地區(qū)均為南票區(qū),分別為58.45 kg·hm-2和21.82 kg·hm-2,與相關(guān)規(guī)定中的限定標準相比較都沒有超過限值.

警戒值也是對農(nóng)田負荷量的一種評估,根據(jù)警戒值r所處的等級范圍,可以判斷出其對環(huán)境污染的威脅性的嚴重程度.

警戒值r的計算[10]:

r=q/p

式中:r為畜禽糞便農(nóng)田負荷警戒值,r值對應(yīng)的等級及對環(huán)境構(gòu)成污染的威脅性見表9;q為以豬糞量計的各類畜禽糞便的農(nóng)田負荷量;p為農(nóng)田以豬糞當量計算的有機肥最大適宜施用量,參考其他學(xué)者的文獻材料及葫蘆島市的實際情況將p值設(shè)置為45t,是1hm2土地能夠負荷的最大畜禽糞便量;從表8中可以看出,葫蘆島市各地區(qū)警戒值在0.01～0.22之間,結(jié)合表9可知目前葫蘆島市的畜禽糞便農(nóng)田警戒值等級數(shù)為Ⅰ級,對環(huán)境無威脅.南票區(qū)的警戒值最高,但與0.4的邊界值相比較還有一定的發(fā)展空間,可有限制地進行適當發(fā)展.

表9 畜禽糞便負荷警戒值分級[10]

3 結(jié) 論

本研究表明2015年葫蘆島市畜禽糞便總排放量約為34.23×104t,其中豬的排放量最高為26.21×104t,占總量的76.54%,這一計算結(jié)果表明了2015年葫蘆島市的畜禽污染主要來源于養(yǎng)豬業(yè).根據(jù)葫蘆島市畜禽養(yǎng)殖分布繪制ArcGis圖,觀察各個地區(qū)養(yǎng)殖數(shù)量,密集程度以及污染物排放量等,依據(jù)葫蘆島地區(qū)自然資源,人口分布等情況優(yōu)化葫蘆島畜禽養(yǎng)殖空間分布.根據(jù)畜禽養(yǎng)殖空間分布和污染物排放量的不同,對各地區(qū)提出合適的污染防治對策, 就不同地區(qū)的實際情況,采取最合適的預(yù)防手段,從源頭杜絕環(huán)境污染.同時能夠避免一些生態(tài)區(qū)域受到畜禽養(yǎng)殖的污染,降低污染防治難度,加大畜禽糞便治理和科學(xué)利用.對于畜禽養(yǎng)殖集中地區(qū)可以建立有機化肥廠對畜禽糞便進行統(tǒng)一處理,其他較分散地區(qū)可以建立沼氣池或直接發(fā)酵作為有機肥,施入農(nóng)田使用.TN的排放量為1 777.05 t,TP的排放量為718.86 t,可見畜禽糞便也是很好的有機肥料.動物糞便作為肥料、飼料等已普遍被人們所利用,解決能源緊缺問題的同時,還能夠有效地減少環(huán)境污染[16],但由于畜禽的飼養(yǎng)過程中添加的抗生素吸收率極低,容易在環(huán)境中大量殘留,給環(huán)境帶來嚴重污染[17],所以在畜禽糞便的利用方面還有待研究.葫蘆島市農(nóng)田畜禽糞便負荷量(以豬糞當量計)平均為1.77 t·hm-2,其中南票區(qū)最高,達9.93 t·hm-2;葫蘆島市農(nóng)田N、P養(yǎng)分負荷量平均為10.42 kg·hm-2和4.22 kg·hm-2,N、P負荷量最高的地區(qū)均為南票區(qū),分別為58.45 kg·hm-2和21.82 kg·hm-2,與相關(guān)研究中170 kg·hm-2和35 kg·hm-2的N、P施加量上限相比較,葫蘆島市還遠沒有達到這一邊界值.同時通過對畜禽糞便農(nóng)田負荷警戒值r的估算,得出葫蘆島市各地區(qū)的警戒值在0.01～0.22之間,也說明目前的畜禽養(yǎng)殖發(fā)展狀況對環(huán)境沒有造成威脅,污染程度較小,仍有發(fā)展空間.

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