張?，?， 劉夢亭， 花俊國

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，河南 鄭州 450046）

隨著我國經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和人民生活水平的顯著提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化，肉蛋奶需求量越來越大，畜禽養(yǎng)殖蓬勃發(fā)展并逐漸規(guī)模化、集約化。與此同時(shí)畜禽糞便帶來的環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴(yán)重，如果畜禽糞便未經(jīng)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(jī)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(zhì)，導(dǎo)致土壤和水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，破壞其基本功能，造成水土污染[1]。根據(jù)第2次全國污染源普查公報(bào)，畜禽養(yǎng)殖源氮排放總量59.63 萬t、磷總量11.97萬t，是目前農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染源之一。

治理和減少畜禽糞便對農(nóng)田的污染，首先要了解該地區(qū)畜禽糞便的產(chǎn)生量，以及農(nóng)田污染物的負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)[2]。目前，關(guān)于區(qū)域畜禽糞便產(chǎn)生量以及耕地污染物負(fù)荷量的研究已經(jīng)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?qū)用鎇5-7]、市域?qū)用鎇8-9]。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文基于2011—2020年糧食主產(chǎn)區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，采用日排泄系數(shù)法計(jì)算畜禽糞便量和耕地污染負(fù)荷，通過對未來糧食主產(chǎn)區(qū)各類畜禽養(yǎng)殖量的預(yù)測，分析耕地畜禽糞便負(fù)荷污染情況，以期為科學(xué)整治畜禽糞便污染和合理調(diào)整糧食主產(chǎn)區(qū)畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

我國糧食主產(chǎn)區(qū)有黑龍江、山東、河南、江蘇、四川、吉林、河北、湖北、湖南、安徽、內(nèi)蒙古、江西、遼寧13 個?。ㄗ灾螀^(qū)）。糧食主產(chǎn)區(qū)貢獻(xiàn)了全國75%的糧食、66.3%的肉產(chǎn)品、69%的奶產(chǎn)品和84%的禽蛋產(chǎn)品，對確保糧食和肉蛋奶等重要農(nóng)產(chǎn)品的有效供給發(fā)揮著決定性作用[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究的畜禽品種主要是豬、牛、羊和家禽。數(shù)據(jù)來源：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，豬的當(dāng)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(tǒng)計(jì)年鑒》；②計(jì)算數(shù)據(jù)，畜禽糞便量、豬糞當(dāng)量、污染物負(fù)荷量通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算得出；③引用數(shù)據(jù)，耕地理論最大適宜污染物承載量，參考已有文獻(xiàn)確定[5]；④替代數(shù)據(jù)，部分年份耕地面積數(shù)據(jù)缺失，采用線性插值法補(bǔ)齊，即假設(shè)現(xiàn)象的變化發(fā)展是線性的，進(jìn)而利用兩點(diǎn)式直線方程式進(jìn)行線性插值。

1.3 研究方法

1.3.1畜禽糞便量與豬糞當(dāng)量 畜禽糞便量是指各種畜禽糞尿排放物的總量[11]。根據(jù)日排泄系數(shù)法，計(jì)算糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）的畜禽糞便量（單位：t），計(jì)算公式[12]：畜禽糞便量=出（存）欄量（頭/只）×日排泄系數(shù)（kg·頭-1·d-1）×飼養(yǎng)周期（d）。日排泄系數(shù)與畜禽品種、生理狀況、飼料成分、飼養(yǎng)方式、季節(jié)等因素有關(guān)。本文采用生態(tài)環(huán)境部公布的日排泄系數(shù)[13]，見表1。畜禽飼養(yǎng)周期是指畜禽飼養(yǎng)的平均時(shí)間，不同種類畜禽的飼養(yǎng)周期根據(jù)《中國獸醫(yī)年鑒》確定，牛、羊的飼養(yǎng)周期為365 d，家禽的飼養(yǎng)周期為210 d，豬的飼養(yǎng)周期為199 d。

表1 各類畜禽糞便日排泄系數(shù)kg/（頭·d）

由于不同種類畜禽糞便的肥效和農(nóng)地消耗量差異較大，根據(jù)各類畜禽糞便的含氮量，采用系數(shù)換算法對各類畜禽糞便進(jìn)行換算。將糞便量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為豬糞當(dāng)量（單位：t），計(jì)算公式[14]：豬糞當(dāng)量=畜禽糞便量×豬糞當(dāng)量換算系數(shù)。豬糞當(dāng)量換算系數(shù)[3，13]見表2。

表2 各類畜禽糞便豬糞當(dāng)量換算系數(shù)

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

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

畜禽糞便中含有各種有機(jī)污染物，如化學(xué)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(fù)荷反映了畜禽糞便中各種污染物對耕地的污染量和風(fēng)險(xiǎn)[18]。本文考察了畜禽糞便中總氮、總磷污染物的耕地負(fù)荷，計(jì)算公式[19]：

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

表3 畜禽糞便中各類污染物的平均質(zhì)量比kg/t

1.3.3耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) 單位面積耕地總氮、總磷負(fù)荷量在一定程度上可以反映某一地區(qū)耕地環(huán)境中潛在的畜禽糞便污染情況，然而污染風(fēng)險(xiǎn)的程度尚不清楚。因此要對耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析[20]。耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)以農(nóng)田污染負(fù)荷總量與耕地理論最大適宜承載力之比計(jì)算，反映地區(qū)畜禽糞便對耕地環(huán)境產(chǎn)生的威脅程度[21]。公式如下：

式中：q表示耕地污染物負(fù)荷總量（t/hm2），本文指耕地總氮、總磷負(fù)荷總量；p表示耕地理論最大適宜污染物承載量（t/hm2），根據(jù)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(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，r值越高，耕地污染負(fù)荷越大，畜禽糞便對環(huán)境的污染威脅越大，反之則畜禽糞便對環(huán)境的污染威脅越小。結(jié)合已有文獻(xiàn)[5]，確定耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)分級情況，見表4。

表4 耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)分級

1.3.4糧食主產(chǎn)區(qū)畜禽糞便污染預(yù)測計(jì)算 以糧食主產(chǎn)區(qū)2011—2020年畜禽養(yǎng)殖數(shù)量為基礎(chǔ)，采用年均增長預(yù)測法，預(yù)測未來牛、羊、豬、家禽的數(shù)量，進(jìn)而預(yù)測糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）耕地潛在的污染情況，計(jì)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(yǎng)殖數(shù)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(yǎng)殖數(shù)量預(yù)測值x（t）計(jì)算公式：

式中：c表示原始數(shù)據(jù)第1年的數(shù)值；t=1，2，3，…，n。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞便豬糞當(dāng)量分析

2011年、2020年糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）畜禽糞便豬糞當(dāng)量總量見圖1。2020年糧食主產(chǎn)區(qū)豬糞當(dāng)量總計(jì)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(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）畜禽糞便豬糞當(dāng)量見圖2，其中2011 年豬糞當(dāng)量排放最多的是河南，為20 101.95萬t；2020年豬糞當(dāng)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(chǎn)區(qū)畜禽糞便豬糞當(dāng)量總量

圖2 2011年、2020年糧食主產(chǎn)區(qū)各省（自治區(qū)）的畜禽糞便豬糞當(dāng)量

2.2 耕地污染物負(fù)荷量分析

2.2.1單位面積耕地總氮負(fù)荷量分析 畜禽糞便中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀元素，具有可觀的肥料價(jià)值，將畜禽糞便還田，利用畜禽糞便中的養(yǎng)分可以促進(jìn)作物健康生長。如果合理利用畜禽糞便豐富的營養(yǎng)資源，既可以減少化肥的使用，又可以解決糧食主產(chǎn)區(qū)部分省份鉀肥短缺的問題[5]。但如果畜禽糞便處理不當(dāng)或施用過量，糞便中的氮、磷元素會對土壤、水體等產(chǎn)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(huán)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(huán)境造成破壞。

2011 年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總氮負(fù)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(fù)荷量超過了180 kg/hm2，山東的總氮負(fù)荷量最高，達(dá)211.16 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負(fù)荷量為32.79 kg/hm2。

圖3 2011年、2020年糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）耕地總氮負(fù)荷量

2020 年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總氮負(fù)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(nèi)蒙古、安徽、黑龍江和遼寧的耕地總氮負(fù)荷量均有所下降，其中湖北、內(nèi)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(fù)荷量超過了180 kg/hm2，山東的總氮負(fù)荷量最高，是269.7 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負(fù)荷量是22.55 kg/hm2。

2.2.2單位面積耕地總磷負(fù)荷量分析 2011 年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總磷負(fù)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(fù)荷量超過了35 kg/hm2，山東的總磷負(fù)荷量最高，達(dá)94.57 kg/hm2，最低的是黑龍江，總磷負(fù)荷量為8.78 kg/hm2。

圖4 2011年、2020年糧食主產(chǎn)區(qū)各省（自治區(qū)）耕地總磷負(fù)荷量

2020 年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總磷負(fù)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(fù)荷量逐年增加，吉林、內(nèi)蒙古、黑龍江的耕地總磷負(fù)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(fù)荷量依然超過了35 kg/hm2，吉林、安徽、內(nèi)蒙古、黑龍江的耕地總磷負(fù)荷量低于35 kg/hm2。這說明糧食主產(chǎn)區(qū)大部分地區(qū)畜禽糞便的污染仍較為嚴(yán)重，其中山東的污染情況最重。

2.3 耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)分析

2011 年和2020 年糧食主產(chǎn)區(qū)各省（自治區(qū)）耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)等級見表5。2011年耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅲ級的有山東、河南，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(nèi)蒙古、江蘇，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.37、0.30、0.20、0.17，說明無污染。

2020 年耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅳ級的是山東，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高達(dá)1.07，說明污染較嚴(yán)重；處于Ⅲ級的有四川、湖南，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(nèi)蒙古，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(yù)測分析

2030 年、2035 年糧食主產(chǎn)區(qū)各類畜禽養(yǎng)殖量預(yù)測值如表6 所示。2030 年、2035 年豬、牛、羊的養(yǎng)殖量大部分呈下降趨勢，家禽養(yǎng)殖量呈上升趨勢。分地區(qū)看，四川養(yǎng)殖豬的數(shù)量最多，2030 年為4 470 千頭；2035 年為3 939 千頭。內(nèi)蒙古養(yǎng)殖牛、羊的數(shù)量最多，2030年牛養(yǎng)殖量為686千頭，羊養(yǎng)殖量為7 007千只；2035 年牛養(yǎng)殖量為694 千頭，羊養(yǎng)殖量為7 586 千只。山東養(yǎng)殖家禽的數(shù)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(yǎng)殖豬的數(shù)量將分別減少20.4%、29.8%；內(nèi)蒙古養(yǎng)殖牛的數(shù)量將分別增加2.2%、3.4%，養(yǎng)殖羊的數(shù)量將分別增加15.4%、25.0%；山東養(yǎng)殖家禽的數(shù)量將分別增加28.2%、47.2%。

表6 2030年、2035年糧食主產(chǎn)區(qū)各類畜禽養(yǎng)殖量預(yù)測值千頭（千只）

基于糧食主產(chǎn)區(qū)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量預(yù)測值，可以進(jìn)一步預(yù)測畜禽糞便產(chǎn)生總量、豬糞當(dāng)量總量以及污染物產(chǎn)生總量，見表7。2020 年糧食主產(chǎn)區(qū)的畜禽糞便產(chǎn)生總量為129 908.4 萬t，豬糞當(dāng)量總量為142 228.36萬t，糞便中污染物產(chǎn)生總量為1 391 390萬t。在不受政策影響的情況下，預(yù)測2030年糧食主產(chǎn)區(qū)的畜禽糞便產(chǎn)生總量將減少5.0%，2035 年的畜禽糞便產(chǎn)生總量將減少6.7%；2030年的豬糞當(dāng)量總量將增加0.3%，2035 年的豬糞當(dāng)量總量將增加1.7%；2030 年的糞便污染物產(chǎn)生總量將增加15.0%，2035年的糞便污染物產(chǎn)生總量將增加28.0%。

表7 2030年、2035年糧食主產(chǎn)區(qū)各類污染物數(shù)量預(yù)測值萬t

以2020 年的耕地面積計(jì)算，糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）2030年、2035年的畜禽糞便耕地總氮負(fù)荷量見圖5。2030 年、2035 年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總氮負(fù)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(fù)荷量最高，是353.85 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負(fù)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(fù)荷量最高，是393.29 kg/hm2，最低的是黑龍江，總氮負(fù)荷量是30.40 kg/hm2。

圖5 2030年、2035年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總氮負(fù)荷量預(yù)測值

糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）2030年、2035年的畜禽糞便耕地總磷負(fù)荷量見圖6。2030 年、2035 年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總磷負(fù)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(fù)荷量最高，是177.37 kg/hm2，最低的是黑龍江，總磷負(fù)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(fù)荷量最高，是277.43 kg/hm2，最低的是內(nèi)蒙古，總磷負(fù)荷量為9.05 kg/hm2。

圖6 2030年、2035年糧食主產(chǎn)區(qū)耕地總磷負(fù)荷量預(yù)測值

2030年、2035年糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)等級見表8。2030年畜禽糞便耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅳ級的是山東，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高達(dá)1.29，污染較嚴(yán)重；處于Ⅲ級的有四川、湖南，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(nèi)蒙古，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.36、0.20、0.17、0.15，無污染。

2035 年畜禽糞便耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅳ級的依然是山東，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高達(dá)1.41，污染較嚴(yán)重；處于Ⅲ級的有湖南、四川，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.74、0.72，有污染；處于Ⅱ級有江西、河南、江蘇、河北、內(nèi)蒙古、遼寧，污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.36、0.35、0.19、0.15，無污染。

3 結(jié)論與建議

1）2020年，糧食主產(chǎn)區(qū)各?。ㄗ灾螀^(qū)）的豬糞當(dāng)量總計(jì)142 228.36萬t，較2011年下降4%。分地區(qū)看，畜禽糞便耕地負(fù)荷污染風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅳ級的是山東，污染較嚴(yán)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(nèi)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(dāng)量將增加0.3%，2035 年豬糞當(dāng)量將增加1.7%。山東的風(fēng)險(xiǎn)等級仍為Ⅳ級，污染較嚴(yán)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(diǎn)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(yán)重的情況，建議合理限制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模；對于河南、江西、河北、江蘇、遼寧、內(nèi)蒙古，畜禽糞便稍有污染地區(qū)，建議優(yōu)化調(diào)整養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模。此外，建議環(huán)保行政部門進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境治理和保護(hù)，實(shí)施種養(yǎng)結(jié)合、循環(huán)發(fā)展的生態(tài)發(fā)展模式。