裘亦書 詹起林

上海市規(guī)?；笄輬?chǎng)糞污的污染負(fù)荷及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

裘亦書 詹起林

從上海市畜禽養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)狀分析入手，依據(jù)土壤-植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)原理為指導(dǎo)，根據(jù)作物所需畜禽糞尿肥的最大量,估算流域各縣市的畜禽污染物產(chǎn)生量和農(nóng)田畜禽糞便負(fù)荷量，對(duì)各縣市畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：上海市畜禽糞便污染已對(duì)環(huán)境產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，其中以青浦區(qū)、浦東新區(qū)尤為突出。

上海市；畜禽糞便負(fù)荷；環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

畜禽糞便是一種寶貴的肥料資源，除含有豐富的有機(jī)物質(zhì)外，還含有作物所需的大量元素如氮、磷、鉀等，施用到農(nóng)田后，對(duì)于提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤持續(xù)生產(chǎn)能力具有重要的作用。但畜禽糞便管理和處理不當(dāng)，就會(huì)成為重要的環(huán)境污染源，研究表明，畜禽糞便的運(yùn)輸距離是有限的，糞便基本施用在養(yǎng)殖場(chǎng)附近，因此局部區(qū)域施用的畜禽糞便量如果超出農(nóng)田消納容量，將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題，比如疫情、居民生活和生產(chǎn)、水體、土壤污染等。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)也在快速發(fā)展，由于養(yǎng)殖場(chǎng)的不合理布局或者缺少自有土地等因素造成種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)脫離，大量糞尿流失，產(chǎn)生的污染也日益嚴(yán)重，成為城市和農(nóng)村水環(huán)境的主要污染源[1]。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，氮磷等養(yǎng)分一般按土壤 植物動(dòng)物 土壤的途徑流動(dòng)，構(gòu)成農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的最簡(jiǎn)單形式。其中動(dòng)物排泄物于放牧條件下直接返回土壤，或于集約化條件下經(jīng)農(nóng)業(yè)施肥進(jìn)入土壤。如果進(jìn)入農(nóng)田的動(dòng)物排泄物超出了作物對(duì)養(yǎng)分的需求，便存在向環(huán)境流失的危險(xiǎn)。因此，可用農(nóng)田對(duì)畜禽糞養(yǎng)分的消納能力來評(píng)價(jià)畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度[2]。

我國(guó)畜牧業(yè)快速發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，但畜禽糞便污染的學(xué)術(shù)研究和防治工作卻嚴(yán)重滯后。20世紀(jì)90年代初，杭州灣的污染引起了各級(jí)政府的高度重視。研究表明，杭州灣的污染的主要來自農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)污染。其中，畜禽糞便污染尤為突出，已成為杭州灣無機(jī)氮、總磷、BODs等主要指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)的重要原因。同時(shí)，研究預(yù)測(cè)認(rèn)為，畜禽糞便的污染比重將呈現(xiàn)加重的發(fā)展態(tài)勢(shì)，并超過農(nóng)業(yè)化肥、工業(yè)污染、生活污染的污染負(fù)荷[3]。這項(xiàng)研究成果第一次向人們敲響了畜禽糞便污染的警鐘。目前各界人士逐漸認(rèn)識(shí)到畜禽養(yǎng)殖造成的環(huán)境污染已經(jīng)成為我國(guó)非常嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。

因?yàn)轲B(yǎng)殖場(chǎng)的地理分布影響到區(qū)域糞肥資源產(chǎn)生量,經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸距離范圍內(nèi)資源可獲取能力等，導(dǎo)致畜禽糞便分布具有明顯的地理特征。本研究以上海市農(nóng)委提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GIS 支持下，采用排泄系數(shù)估算法來分析集約化豬場(chǎng)養(yǎng)殖污染負(fù)荷的空間分布規(guī)律，運(yùn)用養(yǎng)分收支平衡法來評(píng)價(jià)其養(yǎng)分流失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，為流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染控制和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

上海市瀕江臨海，境內(nèi)江、河、湖、塘相間，水網(wǎng)交織,相互連通，流向不定，水流緩慢，自凈能力較差，可謂 先天不足”，為典型的感潮河網(wǎng)地區(qū)。地處亞熱帶，屬于季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛,但受臺(tái)風(fēng)、雨澇和寒潮影響較大。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立

本研究的范圍為整個(gè)上海市18個(gè)區(qū)縣的主要規(guī)?；i場(chǎng)，依據(jù)2003年、2009年、2010年上海市農(nóng)委采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)收集2009年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，及以區(qū)縣為單位的行政區(qū)劃、水系、養(yǎng)殖場(chǎng)分布圖，利用ArcGIS軟件建立規(guī)?；笄輬?chǎng)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

受不同畜禽種類、生長(zhǎng)期、飼料、天氣等得諸多因素影響，不同地區(qū)的家畜的糞尿排泄系數(shù)有差異。本研究采用上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境科學(xué)研究所提供的參數(shù)，基于豬糞固體和液體當(dāng)量，再用單位面積負(fù)荷來評(píng)價(jià)的方法，同時(shí)，還考慮了不同類型農(nóng)地對(duì)糞便成分的消納量，確定區(qū)域豬場(chǎng)排糞、排尿系數(shù)及氮、磷含量，采用排泄系數(shù)估算法來分析各各地區(qū)集約化養(yǎng)殖糞便流失污染負(fù)荷（R）以及農(nóng)田豬場(chǎng)糞便負(fù)荷量（q），結(jié)合ArcGIS 軟件技術(shù)分析其污染空間分布規(guī)律。

1.3.1 畜禽糞便量的計(jì)算

在計(jì)算糞污總量時(shí)，采用國(guó)內(nèi)普遍使用的根據(jù)畜禽飼養(yǎng)量、飼養(yǎng)周期和飼養(yǎng)內(nèi)日均糞污排泄量的算法進(jìn)行計(jì)算[4-5]。其公式為：

式中：R為地區(qū)養(yǎng)殖糞便流失污染負(fù)荷量（萬t/a），K為流失率（%），Mi為各類畜禽養(yǎng)殖頭數(shù)（萬頭），αi為各類畜禽年排泄系數(shù)（kg/（頭·a））。

1.3.2 畜禽糞便負(fù)荷量的計(jì)算

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，綜合其他參考文獻(xiàn)，利用不同農(nóng)用地對(duì)糞便成分的消納量參數(shù)，基于2009年土地利用現(xiàn)狀圖形數(shù)據(jù)計(jì)算農(nóng)用地畜禽糞便負(fù)荷量[1,6]。

式中：q為畜禽糞便以豬當(dāng)量計(jì)的負(fù)荷量（t/（hm2·a）），Q為各類畜禽糞尿相當(dāng)豬糞總量（t/a），S為有效耕地面積（hm2），X為各區(qū)域畜禽糞尿量（t/a）。

1.3.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

運(yùn)用養(yǎng)分收支平衡法來評(píng)價(jià)其養(yǎng)分流失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)排泄系數(shù)估算法得出的畜禽養(yǎng)分排放量，結(jié)合上海市農(nóng)委采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，估算出糞肥的可利用養(yǎng)分量。然后依地區(qū)作物年產(chǎn)量估算出作物養(yǎng)分需求量。從而最后得到氮、磷養(yǎng)分收支平衡率和養(yǎng)分失衡率（未考慮化肥的影響），其公式為：

式中：W為養(yǎng)分平衡率（%），B1為畜禽糞尿提供給作物的可利用養(yǎng)分量(萬t)，B2為作物養(yǎng)分需求量(萬t)，η為自然損失因子（%），δ為管理因子（%），Mi為畜禽養(yǎng)殖頭數(shù)（萬頭），αi為畜禽年排泄系數(shù)（kg/（頭·a）），γi為養(yǎng)分含量（g/kg），βi為單位作物產(chǎn)量所需的養(yǎng)分量（kg），Zi為各類作物的年產(chǎn)量（萬t）。

2 畜禽飼養(yǎng)和畜禽糞便的污染負(fù)荷分析

2.1 畜禽飼養(yǎng)情況

根據(jù)上海市農(nóng)委畜牧業(yè)GIS系統(tǒng)采集的規(guī)?；笄輬?chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年全市共有豬存欄數(shù)85.42萬頭，牛2.87萬頭，禽1 329.69萬羽。其分布情況如表1所示，依據(jù)下表可以清楚地看到，上海各區(qū)縣畜禽養(yǎng)殖業(yè)總體數(shù)量有所下降，這與政府對(duì)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)，畜禽養(yǎng)殖向集約化、規(guī)?；l(fā)展。利用2003年和2010年畜禽場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS軟件聚類處理分析可以看出，2010年畜禽總體規(guī)模較2003年有所下降，但不同區(qū)縣規(guī)模變化情況不同。其中青浦區(qū)總體規(guī)模最大，奉賢區(qū)總體規(guī)模有所增加，其中生豬存欄量2003年是20.95萬頭，到2010年增加到33.24萬頭，增加了近60%，這是由于2001年以來政府逐步關(guān)閉污染重、管理差、布局不合理的畜禽場(chǎng)，特別市蘇州河上游和黃浦江上游的區(qū)域，影響各區(qū)縣居民主要飲用水河道兩側(cè)。這個(gè)時(shí)期，新建和搬遷的畜禽場(chǎng)，向奉賢區(qū)、南匯區(qū)、嘉定區(qū)和寶山區(qū)轉(zhuǎn)移。

表1 上海市畜禽飼養(yǎng)情況 單位：頭

2.2 畜禽糞便污染物的排泄系數(shù)和污染物產(chǎn)生量估算

畜禽的糞便排泄系數(shù)是指單個(gè)動(dòng)物每天排出糞便的數(shù)量,它與動(dòng)物的種類、品種、性別、生長(zhǎng)期、喂養(yǎng)飼料甚至天氣條件等諸多因素有關(guān)。根據(jù)上海市環(huán)境保護(hù)局推薦的估算系數(shù),參照日本農(nóng)業(yè)公害手冊(cè)和上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所根據(jù)試驗(yàn)得出畜禽糞便污染物排泄系數(shù)，將畜禽糞便污染物的泄系數(shù)修正為表2所示數(shù)據(jù)。上海地區(qū)豬的生長(zhǎng)期一般為180 d，肉禽為55 d，畜禽糞便日排泄系數(shù) 和年排泄系數(shù)如表2、表3所示。

表2 畜禽污染物日排泄系數(shù)

表3 畜禽污染物年排泄系數(shù)

畜禽糞便污染不僅是畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)面臨的嚴(yán)重問題，也是畜牧業(yè)發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題。為估算方便，將不同生長(zhǎng)期、不同種類的禽畜，轉(zhuǎn)換為已知排泄系數(shù)動(dòng)物的相應(yīng)量，并由此進(jìn)行畜禽糞尿產(chǎn)生量的推算。根據(jù)上海市2010年全年畜禽飼養(yǎng)總量、畜禽糞尿及其污染物排泄系數(shù)得出本區(qū)畜禽糞便污染物的年產(chǎn)生量，結(jié)果如表4所示。由表4可知，上海市2010年畜禽全年產(chǎn)生的糞量為483.01萬t，尿液69.87萬t，污染物BOD54.83萬t，CODCr5.60萬t，NH3-N 0.39萬t。

表4 上海市2010年畜禽糞便污染產(chǎn)量 單位：萬t

3 畜禽糞便污染物負(fù)荷

3.1 畜禽糞便流失污染負(fù)荷估算

畜禽糞便一般通過兩種途徑進(jìn)入水體：一是在飼養(yǎng)過程中直接排放進(jìn)入水環(huán)境；二是在堆放儲(chǔ)存過程中因降雨和其他原因進(jìn)入水體。研究表明，畜禽糞便的流失率為30%～40%。根據(jù)養(yǎng)殖糞便流失污染負(fù)荷R公式（1）計(jì)算，系數(shù)K按流失率30%計(jì)算，2010年本區(qū)畜禽糞便污染物的流失污染負(fù)荷量為（見表5）：污染物BOD51.45萬t，CODCr1.68萬t，NH3-N 0.12萬t，糞尿量165.86 萬t。

3.2 農(nóng)田畜禽糞便負(fù)荷量分析

目前，流域畜禽糞便處理的主要出路是作為有機(jī)肥料直接還田，因此，統(tǒng)計(jì)流域畜禽糞便負(fù)荷量應(yīng)以農(nóng)田面積作為實(shí)際的負(fù)載面積。采用農(nóng)田畜禽糞便負(fù)荷量這一量化指標(biāo)可以間接衡量當(dāng)?shù)匦笄蒿曫B(yǎng)密度及畜禽養(yǎng)殖業(yè)布局的合理性。鑒于各類畜禽糞便的肥效養(yǎng)分差異很大，統(tǒng)一換算成豬糞當(dāng)量值加以分析（見表6）。依據(jù)公式（2）計(jì)算可得2010年各區(qū)縣的畜禽糞便負(fù)荷量（見表7）。

表5 上海市2010年畜禽糞便污染物的流失污染負(fù)荷量 單位：萬t

表6 畜禽排泄物含氮量及豬糞當(dāng)量換算系數(shù)

表7 上海市2010年畜禽糞便當(dāng)量負(fù)荷量

根據(jù)上海市農(nóng)科院經(jīng)實(shí)驗(yàn)與理論測(cè)算，劃分出5級(jí)r警報(bào)值：1級(jí)，當(dāng)r∈(0，0.4]時(shí)，對(duì)環(huán)境無威脅；2級(jí)，當(dāng)r∈(0.4，0.7]時(shí)，對(duì)環(huán)境稍有威脅；3級(jí)，當(dāng)r∈(0.7，1.0]時(shí)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成很明顯的威脅；4級(jí)，當(dāng)r∈(1.0，2.5)時(shí)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，5級(jí)，當(dāng)r∈[2.5，+∞)時(shí)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成很嚴(yán)重的威脅。警報(bào)值反映了農(nóng)田對(duì)畜禽糞尿的承受程度，隨著警報(bào)值的增大，畜禽糞尿?qū)⒅饾u超過農(nóng)田承載能力，環(huán)境對(duì)畜禽糞尿的承受能力逐漸降低，對(duì)環(huán)境造成污染的威脅也隨之越來越大。警報(bào)值及其分級(jí)級(jí)數(shù)越高表明畜禽糞尿?qū)Νh(huán)境構(gòu)成的污染威脅越大[7]。過高的畜禽糞尿耕地承載量不僅無益于作物，而且會(huì)導(dǎo)致污染物從地表流入河水中，引起環(huán)境污染。

從目前全市畜禽糞尿承載量的實(shí)際情況分析(見表7），全市平均環(huán)境承載量警報(bào)值為0. 96，達(dá)到環(huán)境明顯威脅值，其中浦東新區(qū)（主要是行政區(qū)劃合并前南匯區(qū)）屬于4級(jí)，青浦區(qū)尤為嚴(yán)重，大大超出了環(huán)境承受界限，畜禽糞尿承載量已較大程度地超過了農(nóng)田環(huán)境的消化能力，對(duì)環(huán)境已構(gòu)成嚴(yán)重的污染威脅。

4 結(jié)論

(1) 上海市畜禽養(yǎng)殖業(yè)總體規(guī)模仍然很大，是上海市農(nóng)業(yè)的重要組成部分。特別是豬和家禽大多數(shù)集約化養(yǎng)殖場(chǎng)集中分布于郊縣，近年來，向奉賢區(qū)、南匯區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。由于養(yǎng)殖業(yè)的地理分布過于集中，造成局部區(qū)域養(yǎng)殖污染負(fù)荷過高，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。

(2) 通過計(jì)算得到2010年研究區(qū)集約化養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便污染物的流失污染負(fù)荷量為：污染物BOD51.45萬t，CODCr1.68萬t，NH3-N 0.12萬t，糞尿量165.86萬t。其中青浦區(qū)污染負(fù)荷最高。因此，應(yīng)適度發(fā)展流域的畜禽養(yǎng)殖業(yè)，并要解決畜禽糞便的出路問題。

(3) 從目前全市畜禽糞尿承載量的實(shí)際情況分析，全市平均環(huán)境承載量警報(bào)值為0. 96，達(dá)到環(huán)境明顯威脅值。部分區(qū)縣畜禽糞尿承載量嚴(yán)重超值，應(yīng)適度發(fā)展流域的畜禽養(yǎng)殖業(yè)，并要解決畜禽糞便的出路問題。

目前，上海市在畜禽糞肥還田再利用和處理實(shí)踐上還存在一些問題，最大的問題是管理不夠，種植與畜禽部門配合脫節(jié)。為使畜禽糞便和污水得到充分利用，還可以進(jìn)一步進(jìn)行糞肥資源利用分配和生物工程等方面的研究。

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2095-6444(2014)05-0058-04

2014-07-02

裘亦書，上海商學(xué)院旅游與食品學(xué)院；詹起林，上海杰獅信息技術(shù)有限公司。