王夢竹，趙 越，童銀棟，續(xù)衍雪*，李佳祺，齊 淼，林 巖

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；3.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430100）

自改革開放以來，隨著我國人民生活水平的提高和對動物蛋白攝入的需求加大，居民對肉類的消費量大幅增加，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)也因此得到迅速發(fā)展[1-3]。自1991年以來，我國肉、禽、蛋總產(chǎn)量已連續(xù)多年保持世界第一[4]，并在2016年達到13 523萬t，其中肉、禽和蛋類總產(chǎn)量分別為8540萬、1888萬、3095萬t[5]。與此同時，未經(jīng)有效處理的畜禽排泄物進入到環(huán)境中帶來的水體污染問題也越來越嚴(yán)重[6-10]。畜禽糞便、尿液中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)元素，不恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞綍?dǎo)致相當(dāng)一部分營養(yǎng)元素進入水體，造成水環(huán)境污染[11]。據(jù)陳瑤等[12]統(tǒng)計，在2007年，全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便和尿液產(chǎn)生量分別達到2.43億t和1.63億t，由此帶來的化學(xué)需氧量、氮元素和磷元素年排放量分別占全國污染物排放總量的42%、22%和38%；Gu等[13]估算，在2010年，全國由畜禽養(yǎng)殖排放到水體中的氮元素通量達到300萬t，是所有農(nóng)業(yè)源排放的重要組成；孫良媛等[3]估算出2011年畜禽養(yǎng)殖的磷元素入水通量約為40萬t。由此可以看出，龐大的畜禽養(yǎng)殖已經(jīng)給我國水環(huán)境帶來了巨大的壓力[14-15]。

近十年來，我國畜禽養(yǎng)殖在數(shù)量上稍有增加，如2006年我國生豬年末出欄量為68 050萬頭，在2012年增加到69 790萬頭[16]。同時，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的改變，我國畜禽養(yǎng)殖模式也逐步由家庭散養(yǎng)向規(guī)?；B(yǎng)殖過渡[3，17-19]。2010年我國生豬出欄量500頭以上的小型養(yǎng)殖戶的數(shù)量占全國總生豬養(yǎng)殖戶的0.4%，而其生豬出欄量卻占到了34.5%[16]。根據(jù)畜禽養(yǎng)殖統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在2006—2010年間，全國畜禽養(yǎng)殖中豬、肉牛、奶牛、羊、蛋雞和肉雞的規(guī)?；B(yǎng)殖數(shù)量分別提高了28%、10%、26%、6%、17%和23%，其中豬和肉雞的規(guī)?；B(yǎng)殖比例已經(jīng)超過了50%。但是需要指出的是，畜禽養(yǎng)殖模式的轉(zhuǎn)變在我國不同區(qū)域內(nèi)的進展程度仍然存在較大差異。比如在2010年，北京和上海地區(qū)的蛋雞規(guī)?；B(yǎng)殖比例已經(jīng)分別達到67%和65%；而西部地區(qū)規(guī)模化進程則較慢，如內(nèi)蒙古自治區(qū)蛋雞規(guī)模化養(yǎng)殖比例僅為14%[16]。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)于畜禽養(yǎng)殖環(huán)境影響問題的研究成果頗豐，國外學(xué)者多運用自然環(huán)境物理模型模擬和預(yù)測污染物的產(chǎn)生、遷移和危害等[3，9]。而當(dāng)前國內(nèi)對于畜禽養(yǎng)殖污染物排污量計算的方法主要采用排放因子法，現(xiàn)有研究對污染物排放因子多著重于定性描述[3-5，13]，通過選取不同畜禽產(chǎn)排污系數(shù)和糞便污染物含量參數(shù)，估算不同畜禽類別的污染物產(chǎn)生總量，再通過污染物的水體流失率估算畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染物入水通量，從而對畜禽糞便產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)進行分析。從已有研究來看，對畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素污水通量的計算方法差別不大，但大部分研究只集中于個別年份，對全國各個省份的氮排放通量進行計算[3-5，13]，沒有在時間和空間尺度上分析我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量的變化特征，也沒有將畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖和散養(yǎng)排污分別進行分析。因此，為了評估近十年來我國畜禽養(yǎng)殖氮元素排放通量的變化以及養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變帶來的影響，本文利用2006—2016年中國畜牧業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、畜禽糞便含氮量、水體流失率等統(tǒng)計資料或文獻數(shù)據(jù)，以畜禽養(yǎng)殖業(yè)中最主要的豬、羊、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞為調(diào)查對象，估算了分別由散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖向水環(huán)境中排放的氮元素通量，著重比較了不同地區(qū)的空間分布特征和不同畜禽間的差異。本研究的開展可以為評估畜禽養(yǎng)殖對我國水環(huán)境的影響和今后相應(yīng)環(huán)境管理政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文涉及的主要數(shù)據(jù)包括：各類畜禽產(chǎn)排污系數(shù)、排泄物水體流失率、2006—2016年間我國31個省份和不同類型畜禽（包括羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞）出欄量、存欄量、規(guī)?；B(yǎng)殖比例等[3，20-22]，養(yǎng)殖規(guī)模較小的畜禽不予以考慮。規(guī)模化養(yǎng)殖的畜禽糞便和尿液中氮元素水體流失率采用國家環(huán)?？偩帜暇┉h(huán)科所測定出的數(shù)據(jù)，如表1所示，各類規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便的氮元素水體流失率大約在5%～9%，而尿液氮元素流失率則達到50%，由于現(xiàn)有研究主要集中于規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的污染物流失率，散養(yǎng)畜禽排泄物的氮元素流失率統(tǒng)一采用30%[13，21]。利用《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊》，將主要畜禽的產(chǎn)污系數(shù)劃分為五個區(qū)域取值，這五個地區(qū)具體包括華北地區(qū)（北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江）、華東地區(qū)（上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東）、中南地區(qū)（河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南）、西南地區(qū)（重慶、四川、貴州、云南、西藏）和西北地區(qū)（山西、甘肅、青海、寧夏、新疆）。

表1 畜禽糞便含氮量以及規(guī)?；B(yǎng)殖水體流失率（%）Table 1 Nitrogen contents in animal manure and loss rate into water（%）

1.2 畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖界定以及氮元素入水通量計算

對于規(guī)?；B(yǎng)殖的具體標(biāo)準(zhǔn)，不同統(tǒng)計資料或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)間存在一定差異，綜合《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》、《中國畜牧業(yè)統(tǒng)計年鑒》信息[16，23-24]，本文采用的規(guī)模化標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

畜禽排泄物產(chǎn)生的氮元素入水排放總量計算公式為：

式中，Q1i、Q2i和Q分別為第i種畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖、散養(yǎng)以及所有畜禽總的氮元素入水通量（kg·a-1）；Ni存、Ni出為第i種畜禽的年存欄量和出欄量；Pi為規(guī)?；B(yǎng)殖比例；Ei、NEi、LEi分別為畜禽的單位糞便量（kg·只-1·d-1）、糞便含氮量（表1）、糞便水體流失率；Ui、NUi、LUi分別為畜禽的單位尿液量（kg·只-1·d-1）、尿液含氮量、尿液水體流失率；LN為散養(yǎng)的糞便水體流失率。由于2011年以后畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖數(shù)據(jù)缺失，本文利用2006—2010年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用線性回歸方法來估算不同畜禽在各地區(qū)的規(guī)模化養(yǎng)殖比例。為了糾正出欄動物不再產(chǎn)生糞污這一事實，我們用因子0.542校正了一年中被殺死動物的數(shù)量，表示出欄動物是年飼養(yǎng)活畜的一部分，以此來估算出欄畜禽年實際排污量[25-26]。

2 結(jié)果與討論

2.1 2006—2016年全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量

如圖1所示，在2006—2016年間，全國由畜禽養(yǎng)殖排入水體中的氮元素平均通量為4384 Gg，這11年中氮元素入水通量的最大和最小值分別為4832 Gg（2006年）和4010 Gg（2008年），而2006至2008年也是畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量下降最為顯著的時期。2016年全國畜禽養(yǎng)殖氮元素排放通量達到4426 Gg，相比于2006年下降了8%，但在2012年以后的氮元素入水通量幾乎保持不變。Gu等[13]和孫良媛等[3]分別估算出的2010年和2011年畜禽養(yǎng)殖氮元素入水通量為3000 Gg和2140 Gg，本文的估算結(jié)果明顯高于前兩者，由于本文將畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖和散養(yǎng)的糞便排污量分別進行計算，規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便的氮元素水體流失率遠低于散養(yǎng)畜禽糞便氮元素水體流失率，而在這11年中，我國有相當(dāng)一部分地區(qū)的某些畜禽仍然以散養(yǎng)為主，因此，畜禽散養(yǎng)和規(guī)模化的糞便水體流失率差異是造成本文結(jié)果明顯高于前者計算結(jié)果的主要原因，但本文估算結(jié)果與《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查技術(shù)報告》[5]的估算結(jié)果（4071 Gg）相近。總體來看，盡管近十年中我國畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖比例提升顯著，但是入水氮元素通量下降并不顯著。分析原因可能有兩點：一是隨著人口增加以及生活水平提高，國內(nèi)肉類消費量逐年上升，同時活畜禽和鮮凍肉類的出口量也較大[16，27]，因此畜禽養(yǎng)殖量仍處于較高規(guī)模；二是規(guī)?；B(yǎng)殖也可能造成污染物的集中排放[28]。規(guī)?；B(yǎng)殖對糞便集中收集處理效率較高，但是對畜禽尿液的處理并不理想[29]。規(guī)模化養(yǎng)殖場的清糞方式主要有三種：水沖清糞、干清糞和墊草墊料清糞，其中水沖清糞的排污系數(shù)約為干清糞的3倍[20]，墊草墊料清糞最為清潔，但水沖清糞造價低，操作方便，因此國內(nèi)很多地方仍采用該方法來清理畜禽糞便[19，29]，如祝其麗等[29]調(diào)查了 2011 年全國 144 處不同規(guī)模豬場的清糞方式，結(jié)果表明小型養(yǎng)豬場（500～2999頭）水沖清糞的比例高達87%；劉永豐等[19]對2014年海南省各地區(qū)畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖場的調(diào)查結(jié)果顯示全省各地區(qū)至少有60%的養(yǎng)豬場還在使用水沖清糞工藝。綜合各省份畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量，各省份間排放通量差異顯著。2006年畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量最多和最少的省市分別是河南（516 Gg）和上海（148 Gg），分別占該年氮元素總?cè)胨康?1%和0.3%，到2016年，畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量最多和最少的仍是河南（435 Gg）和上海（118 Gg），氮元素入水通量與10年前相比均有所下降，各自占比分別為10%和0.3%。除了河南省之外，山東省、四川省對于畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素入水通量的貢獻也較大，2016年的氮元素入水通量分別是359 Gg和298 Gg，占比分別為8%和7%。

表2 本文對養(yǎng)殖動物規(guī)?；诸悩?biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification criteria on the large-scale farming in this article

圖1 2006—2016年全國畜禽養(yǎng)殖排入水體的氮元素通量Figure 1 Nitrogen discharge of livestock farming into water in China from 2006 to 2016

在2006—2016年間，不同畜禽養(yǎng)殖類型的氮元素入水通量變化不大（圖2a）：在2006年和2016年，羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞、肉雞養(yǎng)殖的氮元素入水通量分別為31、163、177、41、28、42 Gg和22、164、138、59、22、36 Gg；從比例上看（圖2b），2006年和2016年上述各種畜禽的氮元素入水通量分別為7%、34%、36%、8%、6%、9%和5%、37%、31%、13%、5%、8%。總體來看，氮元素入水通量按豬＞肉牛＞奶牛＞肉雞＞羊＞蛋雞的順序依次降低。因此可以看出，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)中豬和肉牛是導(dǎo)致氮元素進入水體的主要排放源。有研究表明[28]，在我國當(dāng)前的畜禽養(yǎng)殖模式下，育肥豬貢獻了約有一半的糞便污染物（包括氮元素、磷元素以及COD等）；另外，肉牛的單位產(chǎn)污量最大，約為豬肉的2～3倍，雞肉的5～20倍[28]。本文的結(jié)果也表明，若要有效控制我國氮元素入水通量，應(yīng)密切關(guān)注畜禽養(yǎng)殖過程中的氮排放，而在畜禽養(yǎng)殖中豬和牛則是首要的控制因素[28，30]。

圖2 2006—2016年全國不同養(yǎng)殖類型氮元素流失通量（a）及其比例（b）Figure 2 The nitrogen fluxes（a）of various farmed animals and their proportions（b）in China from 2006 to 2016

2.2 不同養(yǎng)殖方式的氮元素入水通量變化估算

由圖3所示，在2006—2016年間，全國由畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖排入水中的氮元素通量呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。在2006年，規(guī)?；B(yǎng)殖氮元素入水通量的比例占總?cè)胨康?3%，在2016年，該比例上升到53%，而這種增加也可以顯著反映我國規(guī)?；B(yǎng)殖比例的迅速增加。在我國不同的地理區(qū)域，畜禽散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖的氮元素入水通量的分布存在較大差異。如圖4所示，我們選擇了2006、2010年和2016年為代表，比較了畜禽散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖的氮元素入水通量在我國空間分布上的差異。總體來看，中南和華北地區(qū)是我國的畜禽養(yǎng)殖氮元素排放的主要地區(qū)，華東和西南次之，西北地區(qū)最少。2016年華北、中南、華東、西南和西北地區(qū)的畜禽氮元素流失通量比例分別為27%、26%、20%、17%、10%。在所有主要區(qū)域中，在中南地區(qū)，我國畜禽散養(yǎng)氮元素入水通量下降趨勢最為明顯，由2006年的930 Gg下降至2016年的430 Gg，華北和華東地區(qū)次之，下降量分別為437 Gg和426 Gg。對于西南和西北地區(qū)，其畜禽散養(yǎng)帶來的氮元素入水通量下降趨勢并不明顯，到2016年仍占相當(dāng)高的比例，西南地區(qū)超過55%，西北地區(qū)超過70%。11年來，我國畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖氮元素入水通量上升趨勢都較為明顯，中南地區(qū)最多，由2006年的340 Gg上升到2016年的744 Gg，華北、華東、西南、西北地區(qū)的增長量分別為234、326、154、111 Gg，到2016年，華東、中南地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)氮元素排放主要由規(guī)?；B(yǎng)殖引起，分別占各自地區(qū)氮元素入水通量的68%、63%，而華北地區(qū)的規(guī)?；B(yǎng)殖氮元素入水通量占50%，并有繼續(xù)上升的趨勢（圖3b）。出現(xiàn)這種差異的原因可能是我國西南和西北地區(qū)地廣人稀，傳統(tǒng)畜禽散養(yǎng)模式向規(guī)?；B(yǎng)殖的轉(zhuǎn)換要遠遠慢于經(jīng)濟發(fā)展快、人口密度大的東南部地區(qū)。

2.3 畜禽類型和區(qū)域差異對氮元素入水通量的估算

圖3 2006—2016年全國各地區(qū)畜禽散養(yǎng)和規(guī)模化養(yǎng)殖排入水體的氮元素通量Figure 3 The nitrogen fluxes of livestock farming into water in scattered-scale and large-scale in China from 2006 to 2016

圖4 2006、2010年和2016年全國畜禽散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖排入水體的氮元素通量Figure 4 The nitrogen fluxes of livestock farming into water in scattered-scale and large-scale livestock farming in 2006，2010 and 2016

不同畜禽類型（包括羊、豬、肉牛、奶牛、蛋雞和肉雞）通過散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖的氮元素入水通量變化如圖5所示。不同畜禽類型通過散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖帶來的氮元素排放通量差異顯著。具體來說，羊、肉牛和蛋雞由散養(yǎng)向水中排放的氮元素量較大，在2006年和2016年的排放量分別為302、1499、270 Gg和201、930、172 Gg。在 2016年，其排放在總排放中的比例分別高達91%、76%、67%。顯著不同的是，豬和肉雞由散養(yǎng)排放氮元素通量的比例下降明顯，豬散養(yǎng)的氮元素入水通量在2006年和2016年分別為1042 Gg和347 Gg，占其總通量的64%和21%；肉雞散養(yǎng)的氮元素入水通量在2006年和2016年分別為311 Gg和136 Gg，占其總通量的74%和38%。奶牛散養(yǎng)的氮元素入水通量在過去11年內(nèi)幾乎保持不變（均在295～297 Gg范圍內(nèi)），但是該部分的排放比例下降卻較為顯著，由2006的72%降至2016年的50%。這種差異也體現(xiàn)了不同畜禽養(yǎng)殖類型在規(guī)?；B(yǎng)殖比例中的差異。

不同區(qū)域的不同畜禽類型通過散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖的氮元素入水通量也有差異，如2016年（圖6），華北、華東、中南地區(qū)氮素入水量主要由豬規(guī)?；B(yǎng)殖排放，2016年豬規(guī)?；B(yǎng)殖排放的比例分別為36%、36%、47%，這些區(qū)域應(yīng)該加強規(guī)模化豬養(yǎng)殖糞便污染配套設(shè)施建設(shè)。西南和西北地區(qū)氮素入水量主要由肉牛散養(yǎng)排放，2016年兩區(qū)域的肉牛散養(yǎng)排放比例分別為39%和27%，因此應(yīng)該加強散養(yǎng)肉牛的糞便污染控制?？傮w來看，豬規(guī)?；B(yǎng)殖和肉牛散養(yǎng)排放的氮元素在各個地區(qū)均占有較大比例。另外，由羊散養(yǎng)進入水體中的氮元素在西北地區(qū)的比例較其他地區(qū)高，該地區(qū)也應(yīng)該加強散養(yǎng)羊的糞便污染控制。

圖5 2006—2016年不同動物散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖氮元素入水通量Figure 5 The nitrogen fluxes of all kinds of animals in scattered-scale and large-scale livestock farming from 2006 to 2016

3 結(jié)論

（1）2006—2016年，全國由畜禽養(yǎng)殖排入水體中的氮元素平均通量為4384 Gg，相比于2006年，2016年氮元素入水通量略有下降。規(guī)模化養(yǎng)殖氮元素入水通量所占的比例由2006年的23%上升到2016年的53%，因此，規(guī)模化養(yǎng)殖帶來的污染物排放在未來水環(huán)境管理中需要優(yōu)先考慮。

（2）過去11年內(nèi)，我國中南、華北、華東、西南、西北地區(qū)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖的氮元素入水通量分別增長了404、234、326、154、111 Gg；在2016年，羊、肉牛、蛋雞、奶牛、肉雞和豬散養(yǎng)的氮元素入水通量分別占比91%、76%、67%、50%、38%、21%。

（3）對于不同畜禽養(yǎng)殖類型，氮元素入水通量按豬＞肉牛＞奶牛＞肉雞＞羊＞蛋雞的順序依次降低。2016年，華北、華東、中南地區(qū)氮素入水量主要由豬規(guī)?；B(yǎng)殖排放，排放比例分別為36%、36%、47%，西南和西北地區(qū)氮素入水量主要由肉牛散養(yǎng)排放，排放比例分別為39%和27%，總體來看，肉牛和豬成為我國畜禽養(yǎng)殖氮元素入水通量的主要排放源。

圖6 2016年各地區(qū)不同養(yǎng)殖類型和方式的氮元素排放比例Figure 6 Proportional distributions of nitrogen released from different types and methods of livestock farming in different regions in 2016