黃 威，聶 耳，李紀華，楊曉英*

(1．復旦大學 環(huán)境科學與工程系,上海 200433)

隨著生活水平的提高，人們對肉禽類需求量不斷增加。與此相應，我國禽畜養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛。然而，現(xiàn)有的許多畜禽養(yǎng)殖場缺乏足夠的廢棄物處理能力，常常將糞便倒入河流或隨意堆放。據(jù)估計我國農村地區(qū)每年產(chǎn)生的畜禽糞便量達39.7×108t[1]，由于缺乏足夠的處理能力，我國的畜禽糞便的無害化處理利用率不足5%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的糞尿已成為我國許多地區(qū)環(huán)境惡化的重要污染源[2-3]。例如，在太湖地區(qū)的漕橋河流域，由畜禽養(yǎng)殖排放的化學需氧量(COD)、氨氮、總氮和總磷負荷分別占流域總污染負荷的10%、17%、12%和41%[4]。在同屬太湖地區(qū)的武進港流域，畜禽養(yǎng)殖排放的COD和氨氮負荷分別占流域總污染負荷的24%和27%[5]。研究我國畜禽養(yǎng)殖的分布狀況，掌握畜禽養(yǎng)殖污染負荷的時空變化特征，是合理規(guī)劃布局畜禽養(yǎng)殖業(yè)，有效削減畜禽養(yǎng)殖污染負荷，促進我國環(huán)境改善的重要任務。

我國多個地區(qū)已經(jīng)開展了有關畜禽養(yǎng)殖分布和畜禽糞便污染負荷評估的研究[6-12]。這些關于畜禽養(yǎng)殖污染負荷的研究多以省為研究界限，市區(qū)為基本研究單元[12-15]，因為這一級的統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較容易獲得。然而，這些大尺度的研究不易于發(fā)現(xiàn)局部空間變化特征，因此其研究結果在實際應用中存在局限性。與以往研究不同，本文采用了宜興市各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)1990～2011年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以鎮(zhèn)級為單位分析了二十年間宜興市畜禽養(yǎng)殖的時空變化趨勢，并進而分析和評估了各鎮(zhèn)的耕地畜禽污染負荷量。通過對宜興鎮(zhèn)級高精度空間尺度數(shù)據(jù)的分析，研究結果可直接為當?shù)貞獙π笄菁S便污染問題提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

宜興市地處江蘇省南端、滬寧杭三角中心，位于北緯31°07′～31°37′，東經(jīng)119°31′～120°03′。該市瀕臨太湖西岸，由于其特殊的地理位置，一直是太湖流域水污染控制的重點區(qū)域。宜興東部為太湖瀆區(qū)，適宜種植各種蔬菜；北部和西部分別為平原區(qū)和低洼圩區(qū)，是宜興糧油的主要產(chǎn)地。全市有耕地5.29×104hm2，林地5.12×104hm2，天然湖蕩30個(不含太湖)，水域總面積達375 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源和計算方法

本文所采用的鎮(zhèn)級統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于宜興市統(tǒng)計局所發(fā)布的1991、1996、2002、2006和2012年統(tǒng)計年鑒。1990～2011年間，宜興市經(jīng)歷了多次鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃調整。1990年的宜興市區(qū)劃包含了48個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而2011年的宜興區(qū)劃卻僅包含了18個鎮(zhèn)級單位。行政區(qū)劃調整使得無法直接利用歷年的鎮(zhèn)級統(tǒng)計數(shù)據(jù)對宜興畜禽養(yǎng)殖的時空變化特征進行比較分析。針對上述問題，我們采取了以下解決辦法：根據(jù)宜興歷年的行政區(qū)劃變化，將1990、1995、2001和2005年的畜禽養(yǎng)殖、耕地等歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照2011年的鎮(zhèn)級區(qū)劃進行歸納計算，然后統(tǒng)一在2011年鎮(zhèn)級區(qū)劃的基礎上進行時空變化比較和分析。

在畜禽養(yǎng)殖方面，宜興市統(tǒng)計年鑒主要報道了生豬和家禽的飼養(yǎng)量。為了方便比較不同時間和鎮(zhèn)級單位的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和估計畜禽養(yǎng)殖污染負荷，依據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》，將年鑒中報道的家禽數(shù)量換算成豬的養(yǎng)殖當量，具體換算比例為30只家禽1頭豬。

對于畜禽糞便排泄系數(shù)及排污系數(shù)，我國尚沒有相應的國家標準。目前對于不同畜禽的糞便發(fā)生總量和氮、磷產(chǎn)生系數(shù)都有文獻，但是差異很大。畜禽糞便排放量因品種、年齡、體重、飼料、地區(qū)、季節(jié)等不同而有差異。同時，取樣方式和鮮樣的含水量等對排泄系數(shù)及排污系數(shù)也有較大影響[8]。本文采取柳建國[9]的估計值(豬年平均排泄糞便為1 350 kg)，因為其研究區(qū)域與本文最為接近。

耕地畜禽糞便處理警報值(r)可以用于評價畜禽糞便造成污染的潛在危害程度,它是畜禽糞便污染負荷與農田糞便污染物最大的適宜施用量之比。r<0.4，對環(huán)境不構成威脅；r介于0.4～0.7，對環(huán)境稍有威脅；r介于0.7～1.0，對環(huán)境構成威脅； r介于1.0～1.5，對環(huán)境構成較嚴重的威脅[16]。本文采用柳建國[8]建議的60 t/hm2的農田糞便污染最大適宜施用量計算警報值[8]。

2 結果與分析

2.1 宜興市畜禽養(yǎng)殖的歷史變化

圖1顯示了宜興1990～2011年間畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、耕地面積和畜禽糞便污染負荷的變化情況。由圖1可見，在這二十年間，宜興的耕地面積呈持續(xù)下降趨勢，由1990年的7.5×104hm2下降至2011年的5.9×104hm2，降幅比例達21.5%。1995～2011年間，宜興市生豬和家禽養(yǎng)殖變化趨勢大體類似：養(yǎng)殖量在1995～2001年間迅速增加，隨后總體緩慢下降。雖然二者變化趨勢相近，但生豬和家禽養(yǎng)殖的實際變化量有顯著差異。宜興市生豬的出欄數(shù)由1990年的42.3萬頭下降至2011年的35.4萬頭，降幅為16.3%。與生豬不同，宜興市家禽飼養(yǎng)量在1990～2011年得到迅猛的發(fā)展，家禽數(shù)由1990年的235.7萬羽增至2011年的683.4萬羽，增幅高達190%。

在耕地面積的減少和家禽業(yè)迅猛發(fā)展的雙重作用下，宜興市的耕地畜禽糞便污染負荷顯著增加，由1990年的9.0 t/hm2增至2001年的14.5 t/hm2，后略降至2011年的13.3 t/hm2。1990～2011年間，宜興市的耕地畜禽糞便污染負荷增幅比例達到47.8%。2011年宜興市的畜禽糞便處理警報值為0.22，尚處于不對環(huán)境構成威脅的區(qū)間。

圖1 宜興市耕地面積、畜禽養(yǎng)殖和糞便污染負荷：1990-2011Fig.1 Arable land, number of livestock and poultry, and pollutant load from manure:1990-2011

2.2 宜興市鎮(zhèn)級畜禽養(yǎng)殖的時空變化

圖2顯示了按照宜興市2011年鎮(zhèn)級區(qū)劃所計算的宜興市歷年各鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖量(以豬當量計)。1990～2005年間，宜興畜禽養(yǎng)殖量的空間分布總體上相對穩(wěn)定，主要變化集中于官林與和橋二鎮(zhèn)。其中官林鎮(zhèn)的養(yǎng)殖量由1990年的4.54萬頭上升至2001年的6.86萬頭，后跌至2005年的3.38萬頭。和橋鎮(zhèn)的養(yǎng)殖量則由1990年的3.14萬頭持續(xù)上升至2005年的8.83萬頭，增幅高達181.2%。2005～2011年間，宜興畜禽養(yǎng)殖量的空間分布集聚之勢日益明顯，并在宜興的西北部形成一個由徐舍、高塍、和橋三鎮(zhèn)組成的畜禽養(yǎng)殖集聚帶。

與1990年相比，在2011年有10個城鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量減少，8個城鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量增加。其中，減少量超過20 000頭豬的城鎮(zhèn)包括官林、宜城、環(huán)科園和新莊；增加量超過20 000頭豬的城鎮(zhèn)包括高塍、和橋、徐舍、丁蜀和新建。除丁蜀鎮(zhèn)外，畜禽養(yǎng)殖量增加20 000頭的城鎮(zhèn)主要集中在宜興的西北部，并處于太湖一級保護區(qū)之外。

圖2 宜興各鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖量(豬當量)：1990-2011 (萬頭)Fig.2 Number of livestock and poultry in each town of Yixing City (pigs equivalent) : 1990-2011 (ten thousand)

畜禽養(yǎng)殖場的空間集聚所引發(fā)的直接后果是局部地區(qū)耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷的增加。目前，畜禽糞便還田利用是處理糞便的主要出路之一。但是，為了避免畜禽糞便還田利用對環(huán)境所可能造成的二次污染，一個地區(qū)的耕地畜禽養(yǎng)殖負荷不能超過該地區(qū)耕地對糞便的承載能力。

圖3顯示了按照宜興市2011年鎮(zhèn)級區(qū)劃所計算的宜興市各鎮(zhèn)歷年的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷。1990和1995年，除湖父鎮(zhèn)1990年的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷為21.8 t/hm2，宜興各鎮(zhèn)的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷均低于15 t/hm2。2001年，宜城和丁蜀二鎮(zhèn)耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷最高均超過20 t/hm2。2005年，除宜城、丁蜀之外，和橋和萬石鎮(zhèn)的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷顯著增加，并超過了20 t/hm2。2011年，高塍、新建二鎮(zhèn)取代了宜城、丁蜀二鎮(zhèn)，成為耕地畜禽養(yǎng)殖污染高負荷的鎮(zhèn)區(qū)。2011年和橋鎮(zhèn)和高塍鎮(zhèn)的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷分別達到了28.6 t/hm2和32.3 t/hm2，超過全市平均耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷的2倍。

與1990年相比，在2011年宜興市各有9個城鎮(zhèn)的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷增加或減少。其中，只有湖父鎮(zhèn)的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷減少量超過10 t/hm2，但有四個鎮(zhèn)(萬石、新建、和橋和高塍)的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷量增加超過10 t/hm2。這四個鎮(zhèn)也是在2011年耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷位于前四的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。和橋鎮(zhèn)和高塍鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖量均超過75 000頭，造成較大的耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷。萬石鎮(zhèn)和新建鎮(zhèn)雖然畜禽養(yǎng)殖量不是位于前列(見圖2)，但二鎮(zhèn)有限的耕地面積使得其耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷較大。

圖3 宜興耕地畜禽養(yǎng)殖污染負荷(豬糞當量)：1990-2011 (t/hm2)Fig.3 Pollutant load from livestock and poultry manure on arable land in each town of Yixing City (pig manure equivalent): 1990-2011 (t/hm2)

盡管宜興市的畜禽糞便處理警報值尚處于不構成威脅的區(qū)間，但各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的畜禽糞便處理警報值有顯著差異(見圖4)。在1990年，除了湖父鎮(zhèn)的畜禽糞便處理警報值為0.36以外，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的畜禽糞便處理警報值都小于0.25，因此畜禽糞便處理普遍對環(huán)境不構成威脅。2011年，和橋鎮(zhèn)與高塍鎮(zhèn)的畜禽糞便處理警報值都超過了0.4，因而已經(jīng)對環(huán)境構成威脅。此外，萬石鎮(zhèn)和新建鎮(zhèn)的畜禽糞便處理警報值都超過了0.35，非常接近威脅警戒值。和畜禽養(yǎng)殖的空間分布類似，這些具有較高畜禽糞便處理警報值的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要集中于宜興市的西北部。

3 討 論

3.1 宜興畜禽養(yǎng)殖的時空變化特征

1990～2011年間，宜興的畜禽養(yǎng)殖經(jīng)歷了一個顯著的空間集聚過程。1990年，宜興市僅徐舍鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量超過了60 000頭豬。而2011年，四個城鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量超過60 000頭豬，其中有三個城鎮(zhèn)超過了75 000頭豬。 每年，畜禽養(yǎng)殖量位列前四位的城鎮(zhèn)占宜興市養(yǎng)殖總量的比例由1990年的39%持續(xù)增長至2011年的59%。2011年，在宜興的西北部形成一個由徐舍、高塍、和橋三鎮(zhèn)組成的畜禽養(yǎng)殖集聚帶。盡管這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)不處于太湖之濱，但是他們距離太湖都比較近，并且區(qū)域內水網(wǎng)密布，畜禽糞便如果沒有經(jīng)過適當處理，易于流失到周邊水體，并進而流入太湖。鑒于這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)較高的養(yǎng)殖密度和空間范圍上的連續(xù)性，除了推行糞便還田以外，還可以在該地區(qū)建立區(qū)域畜禽糞便收集中心，利用規(guī)模效應，顯著降低利用糞便發(fā)酵產(chǎn)生沼氣并進而發(fā)電等生物質能的工藝成本，促進畜禽糞便的高值回收利用。

圖4 宜興1990年與2011年的畜禽糞便處理警報值比較Fig. 4 Comparison of the alarm ratios of livestock and poultry manure disposal between 1990 and 2011

3.2 丁蜀鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖污染控制有待加強

除了宜興市西北部的高密度養(yǎng)殖區(qū)域以外，2011年位于太湖湖濱的丁蜀鎮(zhèn)的畜禽糞便處理警報值達到了0.31。與同處于太湖一級保護區(qū)的周鐵鎮(zhèn)和新莊鎮(zhèn)不同，盡管近年來丁蜀鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖量有所降低，但是該鎮(zhèn)的實際畜禽養(yǎng)殖量一直在高位徘徊。該鎮(zhèn)的高畜禽養(yǎng)殖量和高畜禽糞便污染負荷排放有悖于太湖流域污染控制方案中嚴格限制太湖一級保護區(qū)內污染負荷發(fā)生量的總體思路。鑒于該鎮(zhèn)特殊的地理位置和太湖流域嚴峻的水污染現(xiàn)狀，有必要采取更加嚴格的畜禽養(yǎng)殖限制和管理措施，以有效地控制該鎮(zhèn)的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模。

3.3 耕地畜禽糞便污染負荷

耕地畜禽糞便處理警報值是被廣泛認可的一個用于評價畜禽糞便污染負荷現(xiàn)狀的方法。然而，在使用中不能忽略使用該警報值的一個重要前提，即研究區(qū)域農民的化肥施用水平適中。然而，諸多研究表明目前在太湖西岸地區(qū)存在著嚴重的氮肥過度施用現(xiàn)象[16-17]。例如，近期一項針對太湖西岸一級保護區(qū)內農戶施肥行為的入戶調查結果顯示當?shù)乇辉L農戶種植水稻的氮肥平均施用量為353 kg/hm2，種植小麥的氮肥平均施用量為281 kg/hm2，遠高于專家推薦的氮肥適宜施用量。例如，Zhu and Chen (2002) 認為如果氮肥施用量在150～180 kg/hm2之間，谷物作物一般都能夠得到較好的收成[18]。同時，當?shù)剞r戶在水稻和小麥種植中施用有機肥的人數(shù)比例顯著減少，僅有約8%的被訪農戶施用少量的有機肥[19]。因此，化肥的過度施用和有機肥施用比例的急劇降低使得宜興目前依靠農田消納的畜禽糞便量十分有限?？梢源_定宜興的實際畜禽養(yǎng)殖污染問題要比圖4警報值所反映的情況更為嚴重。如何減少當?shù)剞r戶的氮肥過度施用行為，提高畜禽糞便等有機肥的使用比例也是當?shù)刂卫砻嬖次廴荆龠M水環(huán)境改善的重要任務之一。

4 結 論

1990～2001年，宜興市的畜禽養(yǎng)殖污染負荷呈總體上升趨勢。其后，隨著太湖流域水污染防治工作的開展和對面源污染控制的逐漸重視，該市的畜禽養(yǎng)殖污染負荷的上升趨勢得到遏制，并在2011年呈現(xiàn)一定程度的降低。2011年，宜興市的畜禽糞便處理警報值為0.22，低于對環(huán)境構成威脅的警戒值。然而，對于該市鎮(zhèn)級畜禽養(yǎng)殖情況的進一步分析顯示宜興市的畜禽養(yǎng)殖在1990～2011年間呈現(xiàn)持續(xù)的空間集聚之勢。2011年在宜興市的西北部形成了一個畜禽養(yǎng)殖密集的帶狀區(qū)域，其畜禽糞便處理警報值已經(jīng)超過臨界值，養(yǎng)殖污染風險顯著。鑒于宜興市耕地面積有限和農戶施用有機肥熱情不高的現(xiàn)狀，在教育農戶改善化肥施用行為的同時，建議在養(yǎng)殖密集區(qū)域建立畜禽糞便收集和處理中心，利用規(guī)模效應來顯著降低利用糞便進行沼氣發(fā)電等生產(chǎn)生物質能的工藝成本，以促進該地區(qū)對畜禽糞便的高值化利用。

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