上海市规模化畜禽场粪污的污染负荷及其环境风险评价

裘亦书 詹起林

上海市规模化畜禽场粪污的污染负荷及其环境风险评价

裘亦书 詹起林

从上海市畜禽养殖业现状分析入手，依据土壤-植物营养学原理为指导，根据作物所需畜禽粪尿肥的最大量,估算流域各县市的畜禽污染物产生量和农田畜禽粪便负荷量，对各县市畜禽养殖进行潜在的环境风险评价，结果表明：上海市畜禽粪便污染已对环境产生风险，其中以青浦区、浦东新区尤为突出。

上海市；畜禽粪便负荷；环境风险评价

畜禽粪便是一种宝贵的肥料资源，除含有丰富的有机物质外，还含有作物所需的大量元素如氮、磷、钾等，施用到农田后，对于提高土壤肥力，改善土壤结构，增强土壤持续生产能力具有重要的作用。但畜禽粪便管理和处理不当，就会成为重要的环境污染源，研究表明，畜禽粪便的运输距离是有限的，粪便基本施用在养殖场附近，因此局部区域施用的畜禽粪便量如果超出农田消纳容量，将会引发严重的环境问题，比如疫情、居民生活和生产、水体、土壤污染等。随着农业产业结构的调整和农村经济的发展，规模化畜禽养殖业也在快速发展，由于养殖场的不合理布局或者缺少自有土地等因素造成种植业与养殖业脱离，大量粪尿流失，产生的污染也日益严重，成为城市和农村水环境的主要污染源[1]。

在农业生态系统中，氮磷等养分一般按土壤 植物动物 土壤的途径流动，构成农业生态系统养分循环的最简单形式。其中动物排泄物于放牧条件下直接返回土壤，或于集约化条件下经农业施肥进入土壤。如果进入农田的动物排泄物超出了作物对养分的需求，便存在向环境流失的危险。因此，可用农田对畜禽粪养分的消纳能力来评价畜禽养殖的环境风险程度[2]。

我国畜牧业快速发展始于20世纪80年代，但畜禽粪便污染的学术研究和防治工作却严重滞后。20世纪90年代初，杭州湾的污染引起了各级政府的高度重视。研究表明，杭州湾的污染的主要来自农业的生产污染。其中，畜禽粪便污染尤为突出，已成为杭州湾无机氮、总磷、BODs等主要指标严重超标的重要原因。同时，研究预测认为，畜禽粪便的污染比重将呈现加重的发展态势，并超过农业化肥、工业污染、生活污染的污染负荷[3]。这项研究成果第一次向人们敲响了畜禽粪便污染的警钟。目前各界人士逐渐认识到畜禽养殖造成的环境污染已经成为我国非常严重的环境问题之一。

因为养殖场的地理分布影响到区域粪肥资源产生量,经济运输距离范围内资源可获取能力等，导致畜禽粪便分布具有明显的地理特征。本研究以上海市农委提供的基础数据，在GIS 支持下，采用排泄系数估算法来分析集约化猪场养殖污染负荷的空间分布规律，运用养分收支平衡法来评价其养分流失的环境风险，为流域畜禽养殖业污染控制和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

上海市濒江临海，境内江、河、湖、塘相间，水网交织,相互连通，流向不定，水流缓慢，自净能力较差，可谓 先天不足”，为典型的感潮河网地区。地处亚热带，属于季风气候区，气候温和，雨量充沛,但受台风、雨涝和寒潮影响较大。

1.2 基础数据库建立

本研究的范围为整个上海市18个区县的主要规模化猪场，依据2003年、2009年、2010年上海市农委采集的基础数据，同时收集2009年土地利用现状数据，及以区县为单位的行政区划、水系、养殖场分布图，利用ArcGIS软件建立规模化畜禽场基础地理信息数据库。

1.3 研究方法

受不同畜禽种类、生长期、饲料、天气等得诸多因素影响，不同地区的家畜的粪尿排泄系数有差异。本研究采用上海市农业科学院环境科学研究所提供的参数，基于猪粪固体和液体当量，再用单位面积负荷来评价的方法，同时，还考虑了不同类型农地对粪便成分的消纳量，确定区域猪场排粪、排尿系数及氮、磷含量，采用排泄系数估算法来分析各各地区集约化养殖粪便流失污染负荷（R）以及农田猪场粪便负荷量（q），结合ArcGIS 软件技术分析其污染空间分布规律。

1.3.1 畜禽粪便量的计算

在计算粪污总量时，采用国内普遍使用的根据畜禽饲养量、饲养周期和饲养内日均粪污排泄量的算法进行计算[4-5]。其公式为：

式中：R为地区养殖粪便流失污染负荷量（万t/a），K为流失率（%），Mi为各类畜禽养殖头数（万头），αi为各类畜禽年排泄系数（kg/（头·a））。

1.3.2 畜禽粪便负荷量的计算

根据实地调查，综合其他参考文献，利用不同农用地对粪便成分的消纳量参数，基于2009年土地利用现状图形数据计算农用地畜禽粪便负荷量[1,6]。

式中：q为畜禽粪便以猪当量计的负荷量（t/（hm2·a）），Q为各类畜禽粪尿相当猪粪总量（t/a），S为有效耕地面积（hm2），X为各区域畜禽粪尿量（t/a）。

1.3.3 环境风险评估

运用养分收支平衡法来评价其养分流失的环境风险，依据排泄系数估算法得出的畜禽养分排放量，结合上海市农委采集的基础数据，估算出粪肥的可利用养分量。然后依地区作物年产量估算出作物养分需求量。从而最后得到氮、磷养分收支平衡率和养分失衡率（未考虑化肥的影响），其公式为：

式中：W为养分平衡率（%），B1为畜禽粪尿提供给作物的可利用养分量(万t)，B2为作物养分需求量(万t)，η为自然损失因子（%），δ为管理因子（%），Mi为畜禽养殖头数（万头），αi为畜禽年排泄系数（kg/（头·a）），γi为养分含量（g/kg），βi为单位作物产量所需的养分量（kg），Zi为各类作物的年产量（万t）。

2 畜禽饲养和畜禽粪便的污染负荷分析

2.1 畜禽饲养情况

根据上海市农委畜牧业GIS系统采集的规模化畜禽场数据统计，2010年全市共有猪存栏数85.42万头，牛2.87万头，禽1 329.69万羽。其分布情况如表1所示，依据下表可以清楚地看到，上海各区县畜禽养殖业总体数量有所下降，这与政府对农业结构调整有关，畜禽养殖向集约化、规模化发展。利用2003年和2010年畜禽场统计数据，结合ArcGIS软件聚类处理分析可以看出，2010年畜禽总体规模较2003年有所下降，但不同区县规模变化情况不同。其中青浦区总体规模最大，奉贤区总体规模有所增加，其中生猪存栏量2003年是20.95万头，到2010年增加到33.24万头，增加了近60%，这是由于2001年以来政府逐步关闭污染重、管理差、布局不合理的畜禽场，特别市苏州河上游和黄浦江上游的区域，影响各区县居民主要饮用水河道两侧。这个时期，新建和搬迁的畜禽场，向奉贤区、南汇区、嘉定区和宝山区转移。

表1 上海市畜禽饲养情况 单位：头

2.2 畜禽粪便污染物的排泄系数和污染物产生量估算

畜禽的粪便排泄系数是指单个动物每天排出粪便的数量,它与动物的种类、品种、性别、生长期、喂养饲料甚至天气条件等诸多因素有关。根据上海市环境保护局推荐的估算系数,参照日本农业公害手册和上海市农业科学院畜牧研究所根据试验得出畜禽粪便污染物排泄系数，将畜禽粪便污染物的泄系数修正为表2所示数据。上海地区猪的生长期一般为180 d，肉禽为55 d，畜禽粪便日排泄系数 和年排泄系数如表2、表3所示。

表2 畜禽污染物日排泄系数

表3 畜禽污染物年排泄系数

畜禽粪便污染不仅是畜牧业发达国家和地区面临的严重问题，也是畜牧业发展中国家和地区应重点关注的环境问题。为估算方便，将不同生长期、不同种类的禽畜，转换为已知排泄系数动物的相应量，并由此进行畜禽粪尿产生量的推算。根据上海市2010年全年畜禽饲养总量、畜禽粪尿及其污染物排泄系数得出本区畜禽粪便污染物的年产生量，结果如表4所示。由表4可知，上海市2010年畜禽全年产生的粪量为483.01万t，尿液69.87万t，污染物BOD54.83万t，CODCr5.60万t，NH3-N 0.39万t。

表4 上海市2010年畜禽粪便污染产量 单位：万t

3 畜禽粪便污染物负荷

3.1 畜禽粪便流失污染负荷估算

畜禽粪便一般通过两种途径进入水体：一是在饲养过程中直接排放进入水环境；二是在堆放储存过程中因降雨和其他原因进入水体。研究表明，畜禽粪便的流失率为30%～40%。根据养殖粪便流失污染负荷R公式（1）计算，系数K按流失率30%计算，2010年本区畜禽粪便污染物的流失污染负荷量为（见表5）：污染物BOD51.45万t，CODCr1.68万t，NH3-N 0.12万t，粪尿量165.86 万t。

3.2 农田畜禽粪便负荷量分析

目前，流域畜禽粪便处理的主要出路是作为有机肥料直接还田，因此，统计流域畜禽粪便负荷量应以农田面积作为实际的负载面积。采用农田畜禽粪便负荷量这一量化指标可以间接衡量当地畜禽饲养密度及畜禽养殖业布局的合理性。鉴于各类畜禽粪便的肥效养分差异很大，统一换算成猪粪当量值加以分析（见表6）。依据公式（2）计算可得2010年各区县的畜禽粪便负荷量（见表7）。

表5 上海市2010年畜禽粪便污染物的流失污染负荷量 单位：万t

表6 畜禽排泄物含氮量及猪粪当量换算系数

表7 上海市2010年畜禽粪便当量负荷量

根据上海市农科院经实验与理论测算，划分出5级r警报值：1级，当r∈(0，0.4]时，对环境无威胁；2级，当r∈(0.4，0.7]时，对环境稍有威胁；3级，当r∈(0.7，1.0]时，对环境构成很明显的威胁；4级，当r∈(1.0，2.5)时，对环境构成严重威胁，5级，当r∈[2.5，+∞)时，对环境构成很严重的威胁。警报值反映了农田对畜禽粪尿的承受程度，随着警报值的增大，畜禽粪尿将逐渐超过农田承载能力，环境对畜禽粪尿的承受能力逐渐降低，对环境造成污染的威胁也随之越来越大。警报值及其分级级数越高表明畜禽粪尿对环境构成的污染威胁越大[7]。过高的畜禽粪尿耕地承载量不仅无益于作物，而且会导致污染物从地表流入河水中，引起环境污染。

从目前全市畜禽粪尿承载量的实际情况分析(见表7），全市平均环境承载量警报值为0. 96，达到环境明显威胁值，其中浦东新区（主要是行政区划合并前南汇区）属于4级，青浦区尤为严重，大大超出了环境承受界限，畜禽粪尿承载量已较大程度地超过了农田环境的消化能力，对环境已构成严重的污染威胁。

4 结论

(1) 上海市畜禽养殖业总体规模仍然很大，是上海市农业的重要组成部分。特别是猪和家禽大多数集约化养殖场集中分布于郊县，近年来，向奉贤区、南汇区转移的趋势。由于养殖业的地理分布过于集中，造成局部区域养殖污染负荷过高，环境风险较大。

(2) 通过计算得到2010年研究区集约化养殖产生的粪便污染物的流失污染负荷量为：污染物BOD51.45万t，CODCr1.68万t，NH3-N 0.12万t，粪尿量165.86万t。其中青浦区污染负荷最高。因此，应适度发展流域的畜禽养殖业，并要解决畜禽粪便的出路问题。

(3) 从目前全市畜禽粪尿承载量的实际情况分析，全市平均环境承载量警报值为0. 96，达到环境明显威胁值。部分区县畜禽粪尿承载量严重超值，应适度发展流域的畜禽养殖业，并要解决畜禽粪便的出路问题。

目前，上海市在畜禽粪肥还田再利用和处理实践上还存在一些问题，最大的问题是管理不够，种植与畜禽部门配合脱节。为使畜禽粪便和污水得到充分利用，还可以进一步进行粪肥资源利用分配和生物工程等方面的研究。

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X820.4

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2095-6444(2014)05-0058-04

2014-07-02

裘亦书，上海商学院旅游与食品学院；詹起林，上海杰狮信息技术有限公司。