糧食主產區畜禽糞便對耕地的污染風險與預測

張?，?， 劉夢亭， 花俊國

（河南農業大學 經濟與管理學院，河南 鄭州 450046）

隨著我國經濟規模的迅速擴大和人民生活水平的顯著提高，人們的飲食結構發生了翻天覆地的變化，肉蛋奶需求量越來越大，畜禽養殖蓬勃發展并逐漸規?；?、集約化。與此同時畜禽糞便帶來的環境污染問題也愈發嚴重，如果畜禽糞便未經妥善處理或排入土壤、水體中的量超過土壤、水體的自凈能力，畜禽糞便中的氮、磷等有機污染物將不完全降解或厭氧分解，釋放出臭氧、亞硝酸鹽等有害物質，導致土壤和水的結構和性質發生變化，破壞其基本功能，造成水土污染[1]。根據第2次全國污染源普查公報，畜禽養殖源氮排放總量59.63 萬t、磷總量11.97萬t，是目前農業面源污染的主要污染源之一。

治理和減少畜禽糞便對農田的污染，首先要了解該地區畜禽糞便的產生量，以及農田污染物的負荷和風險[2]。目前，關于區域畜禽糞便產生量以及耕地污染物負荷量的研究已經積累了較為豐富的研究成果，主要集中在3 個方面：國家層面[3-4]、省域層面[5-7]、市域層面[8-9]。在已有研究的基礎上，本文基于2011—2020年糧食主產區畜禽養殖數據，采用日排泄系數法計算畜禽糞便量和耕地污染負荷，通過對未來糧食主產區各類畜禽養殖量的預測，分析耕地畜禽糞便負荷污染情況，以期為科學整治畜禽糞便污染和合理調整糧食主產區畜禽養殖結構提供數據支持和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

我國糧食主產區有黑龍江、山東、河南、江蘇、四川、吉林、河北、湖北、湖南、安徽、內蒙古、江西、遼寧13 個?。ㄗ灾螀^）。糧食主產區貢獻了全國75%的糧食、66.3%的肉產品、69%的奶產品和84%的禽蛋產品，對確保糧食和肉蛋奶等重要農產品的有效供給發揮著決定性作用[10]。

1.2 數據來源

本文研究的畜禽品種主要是豬、牛、羊和家禽。數據來源：①基礎數據，豬的當年出欄量和牛、羊、家禽的年末存欄量以及耕地面積均來自2011—2020 年《中國統計年鑒》；②計算數據，畜禽糞便量、豬糞當量、污染物負荷量通過基礎數據計算得出；③引用數據，耕地理論最大適宜污染物承載量，參考已有文獻確定[5]；④替代數據，部分年份耕地面積數據缺失，采用線性插值法補齊，即假設現象的變化發展是線性的，進而利用兩點式直線方程式進行線性插值。

1.3 研究方法

1.3.1畜禽糞便量與豬糞當量 畜禽糞便量是指各種畜禽糞尿排放物的總量[11]。根據日排泄系數法，計算糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）的畜禽糞便量（單位：t），計算公式[12]：畜禽糞便量=出（存）欄量（頭/只）×日排泄系數（kg·頭-1·d-1）×飼養周期（d）。日排泄系數與畜禽品種、生理狀況、飼料成分、飼養方式、季節等因素有關。本文采用生態環境部公布的日排泄系數[13]，見表1。畜禽飼養周期是指畜禽飼養的平均時間，不同種類畜禽的飼養周期根據《中國獸醫年鑒》確定，牛、羊的飼養周期為365 d，家禽的飼養周期為210 d，豬的飼養周期為199 d。

表1 各類畜禽糞便日排泄系數kg/（頭·d）

由于不同種類畜禽糞便的肥效和農地消耗量差異較大，根據各類畜禽糞便的含氮量，采用系數換算法對各類畜禽糞便進行換算。將糞便量統計數據轉換為豬糞當量（單位：t），計算公式[14]：豬糞當量=畜禽糞便量×豬糞當量換算系數。豬糞當量換算系數[3，13]見表2。

表2 各類畜禽糞便豬糞當量換算系數

1.3.2耕地污染物負荷量 耕地畜禽糞便負荷量是指單位耕地面積所承載的畜禽糞便量[15-16]，該指標可以反映一個地區耕地消納糞便的能力。計算公式：

式中：q表示耕地畜禽糞便負荷量（t/hm2）；Q表示各類畜禽糞便對應的豬糞當量總量（t）；S表示耕地面積（hm2）。

畜禽糞便中含有各種有機污染物，如化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH+4-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等[17]，單位耕地面積污染物負荷反映了畜禽糞便中各種污染物對耕地的污染量和風險[18]。本文考察了畜禽糞便中總氮、總磷污染物的耕地負荷，計算公式[19]：

式中：畜禽糞便總氮、總磷產生量（kg）=畜禽糞便豬糞當量總量（t）×畜禽糞便中氮、磷的平均質量比（kg/t），新鮮糞便樣品中各類污染物的平均質量比[5]見表3。

表3 畜禽糞便中各類污染物的平均質量比kg/t

1.3.3耕地負荷污染風險指數 單位面積耕地總氮、總磷負荷量在一定程度上可以反映某一地區耕地環境中潛在的畜禽糞便污染情況，然而污染風險的程度尚不清楚。因此要對耕地負荷污染風險指數進行更詳細的分析[20]。耕地負荷污染風險指數以農田污染負荷總量與耕地理論最大適宜承載力之比計算，反映地區畜禽糞便對耕地環境產生的威脅程度[21]。公式如下：

式中：q表示耕地污染物負荷總量（t/hm2），本文指耕地總氮、總磷負荷總量；p表示耕地理論最大適宜污染物承載量（t/hm2），根據張緒美等[3]的研究，以800 mm 等降水線為南北分界線，確定南方污染物最大承載量為45 t/hm2，北方污染物最大承載量為30 t/hm2；r代表耕地畜禽糞便負荷污染風險指數，r值越高，耕地污染負荷越大，畜禽糞便對環境的污染威脅越大，反之則畜禽糞便對環境的污染威脅越小。結合已有文獻[5]，確定耕地負荷污染風險分級情況，見表4。

表4 耕地負荷污染風險分級

1.3.4糧食主產區畜禽糞便污染預測計算 以糧食主產區2011—2020年畜禽養殖數量為基礎，采用年均增長預測法，預測未來牛、羊、豬、家禽的數量，進而預測糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）耕地潛在的污染情況，計算公式如下：

式中：ρ代表年平均增長率（%）；T1、Tn分別表示第1年和第n年的畜禽養殖數量，其中T1采用前3 年的平均值，Tn采用后3 年的平均值。第t年畜禽養殖數量預測值x（t）計算公式：

式中：c表示原始數據第1年的數值；t=1，2，3，…，n。

2 結果與分析

2.1 畜禽糞便豬糞當量分析

2011年、2020年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）畜禽糞便豬糞當量總量見圖1。2020年糧食主產區豬糞當量總計為142 228.36 萬t，較2011年下降4%，其中豬糞、豬尿、牛糞、牛尿的排放量分別下降了19.6%、19.7%、20.7%、21.0%；羊糞略有增加，2020年較2011年上升了2.1%；家禽糞的漲幅較大，2020 年較2011年上升了30%。2011 年、2020 年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）畜禽糞便豬糞當量見圖2，其中2011 年豬糞當量排放最多的是河南，為20 101.95萬t；2020年豬糞當量排放最多的是山東，為20 787.86萬t。

圖1 2011年、2020年糧食主產區畜禽糞便豬糞當量總量

圖2 2011年、2020年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）的畜禽糞便豬糞當量

2.2 耕地污染物負荷量分析

2.2.1單位面積耕地總氮負荷量分析 畜禽糞便中含有豐富的有機質和氮、磷、鉀元素，具有可觀的肥料價值，將畜禽糞便還田，利用畜禽糞便中的養分可以促進作物健康生長。如果合理利用畜禽糞便豐富的營養資源，既可以減少化肥的使用，又可以解決糧食主產區部分省份鉀肥短缺的問題[5]。但如果畜禽糞便處理不當或施用過量，糞便中的氮、磷元素會對土壤、水體等產生較大影響。朱兆良[18]研究表明，施氮量在180 kg/hm2以上會污染環境，年糞肥施氮量170 kg/hm2以上會造成硝酸鹽淋失；年糞肥施磷量超過35 kg/hm2，會使磷元素從土壤中淋溶，對環境造成破壞。

2011 年糧食主產區耕地總氮負荷量平均值為136.08 kg/hm2，見圖3。其中山東、湖北、四川的耕地總氮負荷量超過了180 kg/hm2，山東的總氮負荷量最高，達211.16 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負荷量為32.79 kg/hm2。

圖3 2011年、2020年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）耕地總氮負荷量

2020 年糧食主產區耕地總氮負荷量平均值為134.84 kg/hm2，較2011 年下降了0.9%。河南、吉林、湖北、內蒙古、安徽、黑龍江和遼寧的耕地總氮負荷量均有所下降，其中湖北、內蒙古、河南的下降最為明顯，分別降低了51.0%、38.5%、21.1%。2020年，山東、四川、江蘇、湖南、江西的耕地總氮負荷量超過了180 kg/hm2，山東的總氮負荷量最高，是269.7 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負荷量是22.55 kg/hm2。

2.2.2單位面積耕地總磷負荷量分析 2011 年糧食主產區耕地總磷負荷量平均值為49.78 kg/hm2，見圖4。其中山東、江蘇、江西、湖南、四川、河南、湖北、河北、遼寧的耕地總磷負荷量超過了35 kg/hm2，山東的總磷負荷量最高，達94.57 kg/hm2，最低的是黑龍江，總磷負荷量為8.78 kg/hm2。

圖4 2011年、2020年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）耕地總磷負荷量

2020 年糧食主產區耕地總磷負荷量平均值為62.44 kg/hm2，較2011年上升了25%。河南、山東、四川、江蘇、河北、湖南、江西的耕地總磷負荷量逐年增加，吉林、內蒙古、黑龍江的耕地總磷負荷量在減少。2020 年，山東、江蘇、江西、四川、湖南、河南、湖北、河北、遼寧的總磷負荷量依然超過了35 kg/hm2，吉林、安徽、內蒙古、黑龍江的耕地總磷負荷量低于35 kg/hm2。這說明糧食主產區大部分地區畜禽糞便的污染仍較為嚴重，其中山東的污染情況最重。

2.3 耕地負荷污染風險分析

2011 年和2020 年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）耕地負荷污染風險等級見表5。2011年耕地負荷污染風險處于Ⅲ級的有山東、河南，污染風險指數分別為0.87、0.82，說明有污染；處于Ⅱ級的有四川、湖南、遼寧、河北、江西、內蒙古、江蘇，污染風險指數分別為0.64、0.59、0.57、0.54、0.51、0.48、0.46，說明稍有污染；處于Ⅰ級的有湖北、吉林、安徽、黑龍江，污染風險指數分別為0.37、0.30、0.20、0.17，說明無污染。

2020 年耕地負荷污染風險處于Ⅳ級的是山東，污染風險指數高達1.07，說明污染較嚴重；處于Ⅲ級的有四川、湖南，污染風險指數分別為0.79、0.70，說明有污染；處于Ⅱ級有河南、江西、河北、江蘇、遼寧、內蒙古，污染風險指數分別為0.67、0.60、0.57、0.52、0.49，0.42，說明稍有污染；處于Ⅰ級的有湖北、吉林、安徽、黑龍江，污染風險指數分別為0.38、0.23、0.20、0.16，說明無污染。

2.4 畜禽糞便污染預測分析

2030 年、2035 年糧食主產區各類畜禽養殖量預測值如表6 所示。2030 年、2035 年豬、牛、羊的養殖量大部分呈下降趨勢，家禽養殖量呈上升趨勢。分地區看，四川養殖豬的數量最多，2030 年為4 470 千頭；2035 年為3 939 千頭。內蒙古養殖牛、羊的數量最多，2030年牛養殖量為686千頭，羊養殖量為7 007千只；2035 年牛養殖量為694 千頭，羊養殖量為7 586 千只。山東養殖家禽的數量最多，2030 年為323 961 千只；2035 年為371 929 千只。與2020 年相比，2030 年、2035 年四川養殖豬的數量將分別減少20.4%、29.8%；內蒙古養殖牛的數量將分別增加2.2%、3.4%，養殖羊的數量將分別增加15.4%、25.0%；山東養殖家禽的數量將分別增加28.2%、47.2%。

表6 2030年、2035年糧食主產區各類畜禽養殖量預測值千頭（千只）

基于糧食主產區畜禽養殖數量預測值，可以進一步預測畜禽糞便產生總量、豬糞當量總量以及污染物產生總量，見表7。2020 年糧食主產區的畜禽糞便產生總量為129 908.4 萬t，豬糞當量總量為142 228.36萬t，糞便中污染物產生總量為1 391 390萬t。在不受政策影響的情況下，預測2030年糧食主產區的畜禽糞便產生總量將減少5.0%，2035 年的畜禽糞便產生總量將減少6.7%；2030年的豬糞當量總量將增加0.3%，2035 年的豬糞當量總量將增加1.7%；2030 年的糞便污染物產生總量將增加15.0%，2035年的糞便污染物產生總量將增加28.0%。

表7 2030年、2035年糧食主產區各類污染物數量預測值萬t

以2020 年的耕地面積計算，糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）2030年、2035年的畜禽糞便耕地總氮負荷量見圖5。2030 年、2035 年糧食主產區耕地總氮負荷量平均值分別為155.45、161.19 kg/hm2。2030 年超過180 kg/hm2的依次是山東、四川、湖南、江西、江蘇。其中山東的總氮負荷量最高，是353.85 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負荷量為30.60 kg/hm2。2035年超過180 kg/hm2的依次是山東、湖南、江西、四川、江蘇。其中山東總氮負荷量最高，是393.29 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負荷量是30.40 kg/hm2。

圖5 2030年、2035年糧食主產區耕地總氮負荷量預測值

糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）2030年、2035年的畜禽糞便耕地總磷負荷量見圖6。2030 年、2035 年糧食主產區耕地總磷負荷量平均值分別為68.21 kg/hm2、91.39 kg/hm2。2030 年超過35 kg/hm2的依次是山東、江蘇、江西、湖南、四川、河南、河北、遼寧、湖北。其中山東的總磷負荷量最高，是177.37 kg/hm2，最低的是黑龍江，總磷負荷量為8.91 kg/hm2。2035年超過35 kg/hm2的依次是山東、江蘇、江西、湖南、四川、河南、湖北、遼寧、河北。其中山東的總磷負荷量最高，是277.43 kg/hm2，最低的是內蒙古，總磷負荷量為9.05 kg/hm2。

圖6 2030年、2035年糧食主產區耕地總磷負荷量預測值

2030年、2035年糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）耕地負荷污染風險等級見表8。2030年畜禽糞便耕地負荷污染風險處于Ⅳ級的是山東，污染風險指數高達1.29，污染較嚴重；處于Ⅲ級的有四川、湖南，污染風險指數分別為0.74、0.72，有污染；處于Ⅱ級的有江西、河南、河北、江蘇、遼寧、內蒙古，污染風險指數分別為0.64、0.60、0.53、0.52、0.48、0.46，稍有污染；處于Ⅰ級的有湖北、吉林、安徽、黑龍江，污染風險指數分別為0.36、0.20、0.17、0.15，無污染。

2035 年畜禽糞便耕地負荷污染風險處于Ⅳ級的依然是山東，污染風險指數高達1.41，污染較嚴重；處于Ⅲ級的有湖南、四川，污染風險指數分別為0.74、0.72，有污染；處于Ⅱ級有江西、河南、江蘇、河北、內蒙古、遼寧，污染風險指數分別為0.67、0.59、0.53、0.52、0.48、0.47，稍有污染；處于Ⅰ級的有湖北、黑龍江、吉林、安徽，污染風險指數分別為0.36、0.35、0.19、0.15，無污染。

3 結論與建議

1）2020年，糧食主產區各?。ㄗ灾螀^）的豬糞當量總計142 228.36萬t，較2011年下降4%。分地區看，畜禽糞便耕地負荷污染風險處于Ⅳ級的是山東，污染較嚴重；處于Ⅲ級的是四川、湖南，有污染；處于Ⅱ級的是河南、江西、河北、江蘇、遼寧、內蒙古，稍有污染；處于Ⅰ級的是湖北、吉林、安徽、黑龍江，無污染。

2）2030年各類畜禽糞便豬糞當量將增加0.3%，2035 年豬糞當量將增加1.7%。山東的風險等級仍為Ⅳ級，污染較嚴重；四川、湖南的污染等級仍為Ⅲ級，有污染。未來山東、四川、湖南的畜禽糞便污染須重點防控。

3）因地制宜制定畜禽管理方法和措施。對于山東、四川、湖南畜禽糞便污染較嚴重的情況，建議合理限制畜禽養殖規模；對于河南、江西、河北、江蘇、遼寧、內蒙古，畜禽糞便稍有污染地區，建議優化調整養殖結構，科學規劃養殖規模。此外，建議環保行政部門進一步加強環境治理和保護，實施種養結合、循環發展的生態發展模式。