彭紫微，吳根義，黃杰，戴詩琴

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128）

我國是世界上最大的畜牧業(yè)生產(chǎn)國，近幾十年來，畜牧業(yè)迅速發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，畜產(chǎn)品總量持續(xù)增加，畜牧業(yè)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)[1-3]。然而，隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，因發(fā)展過程中存在的隨意性、布局不合理所帶來的養(yǎng)殖環(huán)境污染問題也越來越受到關(guān)注。根據(jù)《第二次全國污染源普查公報》結(jié)果，2017 年全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放量為：化學(xué)需氧量1 000.53 萬t，氨氮11.09 萬t，總氮59.63 萬t，總磷11.97 萬t，分別占水污染物排放量的46.67%、11.51%、19.61%和37.95%[4]，已經(jīng)成為制約水環(huán)境質(zhì)量提升的重要因素[5]。

基于環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)，結(jié)合區(qū)域環(huán)境容量，準(zhǔn)確核定畜禽環(huán)境承載力、科學(xué)規(guī)劃布局，是實現(xiàn)畜禽糞污資源化利用，遏制養(yǎng)殖污染的前提。目前，我國畜禽承載力的研究主要分為兩個思路：一是基于種養(yǎng)平衡，從土地糞污消納能力角度出發(fā)，核算區(qū)域最大畜禽承載量的養(yǎng)分平衡法[6-10]，該方法是目前應(yīng)用最廣泛的畜禽承載力核算方法[11]，但該方法未充分考慮環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)和環(huán)境容量，核算結(jié)果不一定能滿足環(huán)境質(zhì)量的需求；二是從區(qū)域系統(tǒng)角度出發(fā)，通過建立指標(biāo)體系，對畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性分析，例如層次分析法[12-13]、灰色預(yù)測模型法[14]等，該類方法普遍存在計算復(fù)雜、參數(shù)值確定困難的問題，現(xiàn)有的統(tǒng)計和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難以滿足參數(shù)值的需求，實際應(yīng)用難度大。探索形成一套與環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)銜接、參數(shù)值可獲取的區(qū)域畜禽環(huán)境承載力核算方法，是科學(xué)確定區(qū)域養(yǎng)殖規(guī)模并合理規(guī)劃的現(xiàn)實需求。

1 區(qū)域畜禽環(huán)境承載力核算方法

水環(huán)境容量作為資源環(huán)境承載力的重要組成部分，是連接水質(zhì)目標(biāo)、污染物控制總量、污染防治措施的關(guān)鍵。區(qū)域畜禽環(huán)境承載力核算方法以保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量為出發(fā)點，根據(jù)區(qū)域水文條件、水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)、現(xiàn)有污染物排放量及各污染源水污染物排放比例，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展目標(biāo)，核算畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量；按照區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖防治措施，確定區(qū)域畜禽糞污主要污染物排放系數(shù)；根據(jù)畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量和糞污氮、磷排放系數(shù)核算區(qū)域畜禽環(huán)境承載力，構(gòu)建核算模型。該方法核算思路如圖1所示。

1.1 核算模型構(gòu)建

1.1.1 畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量

按照我國水質(zhì)監(jiān)測斷面類別評價法，根據(jù)評價時間段內(nèi)該斷面指標(biāo)中類別最高的一項確定水質(zhì)類別，該項指標(biāo)即為定類因子。根據(jù)區(qū)域監(jiān)測斷面定類因子濃度現(xiàn)狀值與水質(zhì)目標(biāo)值之間的差值，結(jié)合年徑流量，計算區(qū)域水環(huán)境剩余總?cè)萘俊Ｓ捎诮涤炅磕觌H的不均性，用年徑流量計算水環(huán)境剩余容量，可能會導(dǎo)致枯水期水質(zhì)超標(biāo)[15]，納入不均勻系數(shù)，從而得出確保枯水期水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境剩余容量，結(jié)合區(qū)域畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量比例，獲取區(qū)域畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量，核算模型為：

式中：W為區(qū)域畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量，t；Co為區(qū)域水質(zhì)定類因子平均目標(biāo)濃度值，mg·L-1；Ci為區(qū)域定類因子平均斷面濃度，mg·L-1；R為區(qū)域年徑流量，億m3；ξ為不均勻系數(shù)；α為區(qū)域畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量比例。

1.1.2 單位當(dāng)量生豬主要污染物平均排放系數(shù)

（1）不同處理方式單位當(dāng)量生豬主要污染物排放系數(shù)

由于不同畜禽糞污產(chǎn)生量不用，為便于核算，以我國主要畜禽生豬為標(biāo)準(zhǔn)，其他畜禽根據(jù)產(chǎn)污量折算為當(dāng)量生豬。我國畜禽養(yǎng)殖固體糞便處理方式主要為資源化利用；液體糞污處理方式主要有資源化利用、處理后資源化利用和達(dá)標(biāo)排放。資源化利用和處理后資源化利用方式在糞污無害化處理過程中一部分污染物被降解去除，處理后的糞污進(jìn)入土壤后少量經(jīng)地表水或降雨流失進(jìn)入水體；場外丟棄部分直接進(jìn)入水體；達(dá)標(biāo)排放處理的液體糞污外排部分直接排入水體。不同處理方式畜禽糞污進(jìn)入水體的量不同，即排放系數(shù)不同。單位當(dāng)量生豬主要污染物排放系數(shù)計算模型為：

式中：Qp為單位當(dāng)量生豬主要污染物排放系數(shù)，kg·頭-1；Qc為單位當(dāng)量生豬主要污染物產(chǎn)生系數(shù)，kg·頭-1；β為主要污染物去除率，%；γ為主要污染物留存率，%；P為主要污染物流失率，%。

（2）不同糞污處理方式處理量比例

根據(jù)區(qū)域各畜種養(yǎng)殖量、糞污不同處理方式比例和糞污產(chǎn)生系數(shù)計算區(qū)域糞污不同處理方式處理量比例，核算模型為：

式中：λj為第j種糞污處理方式處理量比例；Ki為第i類畜種養(yǎng)殖量，頭（羽）；θij為第i類畜種第j種糞污處理模式比例；Qci為第i類畜種糞污主要污染物產(chǎn)生系數(shù)，kg·頭（羽）-1。

（3）單位當(dāng)量生豬主要污染物平均排放系數(shù)

結(jié)合不同處理方式單位當(dāng)量生豬主要污染物排放系數(shù)和不同糞污處理方式處理量比例計算單位當(dāng)量生豬主要污染物平均排放系數(shù)，核算模型為：

式中：Q為單位當(dāng)量生豬主要污染物平均排放系數(shù)，kg·頭-1。

1.1.3 區(qū)域當(dāng)量生豬養(yǎng)殖量

區(qū)域當(dāng)量生豬養(yǎng)殖量核算模型為：

式中：Kpig為區(qū)域當(dāng)量生豬養(yǎng)殖量，即區(qū)域畜禽環(huán)境承載力，萬頭。

1.2 核算模型參數(shù)取值

1.2.1 畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量核算相關(guān)參數(shù)

Ci：區(qū)域定類因子平均斷面濃度，以當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境或水利相關(guān)部門發(fā)布的地表水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)或?qū)嶋H測定確定，按時間段取平均值，存在多個水質(zhì)監(jiān)測斷面的情況取各斷面平均值。

Co：區(qū)域水質(zhì)定類因子平均目標(biāo)濃度值，根據(jù)各水質(zhì)監(jiān)測斷面所在水功能區(qū)應(yīng)執(zhí)行的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，即區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》所對應(yīng)的定類因子的目標(biāo)進(jìn)行取值，區(qū)域內(nèi)存在不同水質(zhì)類別的情況按照對應(yīng)斷面范圍的面積取加權(quán)平均值。

R：區(qū)域年徑流量，也稱地表水資源量，通過當(dāng)?shù)厮Y源公報或統(tǒng)計年鑒等獲取。

ξ：不均勻系數(shù)，為近10 年最枯月平均徑流量占近全年月平均徑流量的比例。

α：區(qū)域畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量比例，根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境各類污染源（工業(yè)源、生活源、農(nóng)業(yè)源）主要污染物排放量比例，結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展目標(biāo)確定。

1.2.2 單位當(dāng)量生豬主要污染物平均排放系數(shù)核算的相關(guān)參數(shù)

Qc：單位當(dāng)量生豬產(chǎn)污系數(shù)，可通過實際測定方法確定，也可參考國內(nèi)外文獻(xiàn)和《第二次全國污染源普查農(nóng)業(yè)源系數(shù)手冊》中產(chǎn)排污系數(shù)的取值。

β、γ、P：主要污染物去除率、留存率、流失率，可直接采用《第二次全國污染源普查農(nóng)業(yè)源系數(shù)手冊》中的系數(shù)，也可參考國內(nèi)外研究論文中的相關(guān)參數(shù)或?qū)崪y值。

K：畜禽養(yǎng)殖量，可從當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)村相關(guān)部門、統(tǒng)計部門公布的《統(tǒng)計年鑒》和《農(nóng)業(yè)農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》獲取。

θ：各畜種糞污處理模式比例，可通過當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)村相關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)或抽樣調(diào)查獲取。

2 畜禽環(huán)境承載力核算應(yīng)用驗證——以湖南省為例

2.1 研究區(qū)域概況

湖南?。?4°38′～30°08′N，108°47′～114°15′E）位于長江中游，東、南、西三面環(huán)山，中部丘崗起伏，北部湖盆平原展開，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足，降水豐沛，水資源豐富，水系發(fā)達(dá)。湖南省是我國畜禽養(yǎng)殖大省，據(jù)湖南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020 年生豬出欄量、奶牛存欄量、肉牛出欄量、蛋雞存欄量、肉雞出欄量分別為4 992.13 萬頭、1.93 萬頭、175.25 萬頭、8 370.01 萬羽、31 663.18 萬羽，折算成存欄當(dāng)量生豬數(shù)為4 265.43 萬頭。湖南省各市州主要畜禽養(yǎng)殖量和豬當(dāng)量數(shù)如表1所示。

表1 湖南省各市州主要畜禽養(yǎng)殖量和當(dāng)量生豬Table 1 Main livestock and poultry breeding volume and pig equivalent in cities of Hunan Province

2.2 核算參數(shù)值的確定

湖南省2020年共有國、省、市控水質(zhì)斷面417個，監(jiān)測斷面覆蓋湘江、資江、沅江、澧水的干流及一級、二級、三級支流，能有效反映各個市州和湖南省的水環(huán)境質(zhì)量狀況。根據(jù)湖南省2020 年監(jiān)測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)，18個未達(dá)標(biāo)斷面中16個是總磷超標(biāo)，80%以上的達(dá)標(biāo)斷面中總磷為定類因子，說明總磷是影響湖南省水環(huán)境質(zhì)量的首要因子，因此，從改善水環(huán)境質(zhì)量的需求出發(fā)，選擇以總磷作為核算的定類因子；按湖南省水質(zhì)功能分區(qū)和各區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，加權(quán)平均計算全省總磷平均目標(biāo)濃度；以2020 年各斷面總磷濃度加權(quán)平均計算出全省總磷實際濃度；各市州年徑流量數(shù)據(jù)來源于2011—2020 年《湖南省水資源公報》；基于2017 年第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)，根據(jù)2017—2020 年間工農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口變化情況，計算2020 年畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放量占各市州總水污染物排放量的比例作為各市州畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量比例。2020 年湖南省水質(zhì)監(jiān)測斷面分布及達(dá)標(biāo)情況見表2。

表2 2020年湖南省水質(zhì)監(jiān)測斷面分布及達(dá)標(biāo)情況Table 2 Water quality monitoring sections in Hunan Province in 2020

畜禽主要污染物產(chǎn)生系數(shù)、總磷去除率以及總磷流失率數(shù)據(jù)均來自于《第二次全國污染源普查農(nóng)業(yè)源系數(shù)手冊》。手冊中中南區(qū)生豬固體糞便、液體糞污總磷產(chǎn)生系數(shù)分別為1.1、0.1 kg·頭-1（出欄），按照常年存欄一頭生豬折算為年出欄2 頭生豬的比例，折算為2.2、0.2 kg·頭-1（存欄）；根據(jù)第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)，湖南省畜禽糞污主要采用固液分離-厭氧發(fā)酵-好氧處理、固液分離-厭氧發(fā)酵-氧化塘、固液分離-厭氧發(fā)酵-人工濕地、固液分離-厭氧發(fā)酵-膜處理4 種液體糞污處理工藝，以這4 種主要處理工藝的加權(quán)平均去除效率的86%作為液體糞污總磷去除率；在流失率分區(qū)中，岳陽、常德、益陽三市屬于南方濕潤平原區(qū)，總磷流失率平均值為1.584 4%；其他市州為南方山地丘陵區(qū)，總磷流失率平均值為0.983 8%；根據(jù)抽樣調(diào)查，目前堆肥、污水氧化塘貯存或厭氧發(fā)酵后農(nóng)田利用是湖南省畜禽糞污資源化利用的主要方式，對照《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》，采用推薦值72%作為畜禽糞污資源化利用的氮磷留存率；沼氣工程處理是湖南省液體糞污處理后資源化利用的方式，氮磷留存率采用推薦值65%。湖南省糞污不同處理模式單位當(dāng)量生豬總磷排放系數(shù)見表3。

表3 湖南省糞污不同處理模式單位當(dāng)量生豬總磷排放系數(shù)Table 3 Emission factor of TP of pig equivalent in different treatment modes of manure in Hunan Province

2020 年，湖南省各畜禽養(yǎng)殖量來自于湖南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳統(tǒng)計數(shù)據(jù)。糞污不同處理模式比例通過抽樣調(diào)查更新獲取，調(diào)查以2020 年湖南省畜禽直聯(lián)直報系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在每個州市選取2 個縣進(jìn)行抽樣調(diào)查，抽取不同畜種、不同規(guī)模的430 家養(yǎng)殖場（每個市州選取生豬養(yǎng)殖場15 家、肉牛養(yǎng)殖場5 家、蛋雞養(yǎng)殖場5 家、肉雞養(yǎng)殖場5 家，全省所有奶牛場共10 家）進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如表4所示。

表4 湖南省各市州糞污不同處理模式處理量比例和單位當(dāng)量生豬總磷平均排放系數(shù)Table 4 The ratio of treatment amount in different treatment modes of manure and the average emission factor of TP of pig equivalent in cities of Hunan Province

2.3 核算結(jié)果與分析

2.3.1 核算結(jié)果

（1）畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量

按照模型核算湖南省各市州畜禽養(yǎng)殖可利用水環(huán)境容量，核算結(jié)果見表5。

（2）湖南省各市州畜禽環(huán)境承載力

利用核算模型核算出湖南省各市州畜禽環(huán)境承載力，將其與現(xiàn)狀養(yǎng)殖量比較，計算出各市州畜禽養(yǎng)殖承載力指數(shù)，并判斷承載現(xiàn)狀，結(jié)果見表6。

表6 湖南省各市州畜禽環(huán)境承載力及承載力指數(shù)Table 6 Environmental carrying capacity and carrying capacity index of livestock and poultry in cities in Hunan Province

2.3.2 核算結(jié)果分析

（1）核算結(jié)論

基于2020 年湖南省水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，在保持現(xiàn)有畜禽養(yǎng)殖方式和污染治理水平的基礎(chǔ)上，不考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，湖南省畜禽環(huán)境承載力是6 113.16萬頭存欄當(dāng)量生豬，大于2020年4 265.43萬頭存欄當(dāng)量生豬的養(yǎng)殖現(xiàn)狀，承載力指數(shù)為0.70，說明從全省整體來說，湖南省畜禽養(yǎng)殖還有一定的發(fā)展空間。從地形地貌特點來看，湖南省畜禽養(yǎng)殖承載與污染防治大致可分為洞庭湖平原河網(wǎng)區(qū)、中部丘陵區(qū)、西南山區(qū)3 種類型。洞庭湖平原河網(wǎng)區(qū)包括岳陽、益陽、常德三市，該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖發(fā)達(dá)，現(xiàn)狀養(yǎng)殖量超過環(huán)境承載力，主要是因為該地區(qū)種植業(yè)發(fā)達(dá)、河網(wǎng)密集、耕地與水域交錯，氮磷流失系數(shù)高，畜禽養(yǎng)殖糞污更容易進(jìn)入水體；為確保水環(huán)境質(zhì)量改善，需適當(dāng)削減養(yǎng)殖量或提高污染治理水平。中部丘陵區(qū)包括衡陽、婁底、邵陽、湘潭、長沙、永州等市，該區(qū)域現(xiàn)狀畜禽養(yǎng)殖較發(fā)達(dá)，畜禽環(huán)境承載力指數(shù)較高，但總體上未超過環(huán)境承載力，主要原因是該地區(qū)屬于典型丘陵山區(qū)，低矮山丘多，種植強(qiáng)度較低，自然消納能力相對較強(qiáng)；該區(qū)域應(yīng)優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖布局、提高養(yǎng)殖污染治理水平、謹(jǐn)慎擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模。西南山區(qū)包括湘西、張家界、郴州、懷化等地市，該區(qū)域現(xiàn)狀畜禽養(yǎng)殖量較少，畜禽環(huán)境承載力遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀養(yǎng)殖量，發(fā)展空間大，主要是該區(qū)域山林面積廣闊，種植強(qiáng)度低，自然消納能力強(qiáng)；該區(qū)域可在合理規(guī)劃、規(guī)范建設(shè)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加畜禽養(yǎng)殖規(guī)模。

（2）與相關(guān)研究報道的比較

按本方法計算出湖南省畜禽承載力指數(shù)為0.70，與王奇等[16]基于耕地面積估算出以總磷為基準(zhǔn)的承載力指數(shù)（0.61）較接近。肖琴等[17]對長江中下游地區(qū)畜禽承載力進(jìn)行評估，其結(jié)果表明湖南省畜禽養(yǎng)殖環(huán)境以氮、磷為基準(zhǔn)的承載力指數(shù)均處于0.5～1.0 之間，畜牧業(yè)具有發(fā)展?jié)摿?，這也與本研究結(jié)果相似。王洋[18]通過2013 年養(yǎng)殖數(shù)據(jù)估算永州市糞污排放量，參照歐盟畜禽環(huán)境承載力核算方法，計算出永州市承載力指數(shù)為0.75，與本研究（0.72）接近；計算出永州市畜禽承載力為674.31萬頭，與本研究的804.84萬頭存在一定差距，其原因主要是由于近年來永州市大力開展畜禽養(yǎng)殖污染治理，養(yǎng)殖污染治理水平提升、去除效率提高，單位畜禽需要配套的消納土地減少，導(dǎo)致相應(yīng)承載量增大。林毅青[19]采用養(yǎng)分平衡法計算湖南省畜禽承載力為19 188.67 萬頭豬當(dāng)量，是以出欄量作為承載力單位，折算成存欄當(dāng)量生豬約為9 500 萬頭，高于本方法核算的6 113.16 萬頭存欄當(dāng)量生豬，原因主要是養(yǎng)分平衡法核算只考慮土地作物養(yǎng)分需求，沒有綜合考慮水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)需求，且其核算過程中將林地納入消納土地范疇，而實際生產(chǎn)中畜禽糞污幾乎不用于林地施肥，因此導(dǎo)致核算出的承載力偏高。

3 結(jié)論

（1）在畜禽土地承載力核算方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮水環(huán)境容量、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等因素，構(gòu)建基于作物養(yǎng)分需求及水土環(huán)境多要素的畜禽環(huán)境承載力核算模型，形成的畜禽環(huán)境承載力核算方法能與水環(huán)境質(zhì)量需求、環(huán)境容量相銜接，更切合環(huán)境管理需求，有利于畜牧業(yè)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

（2）利用構(gòu)建的核算方法對湖南省畜禽環(huán)境承載力進(jìn)行核算，湖南省畜禽環(huán)境承載力為6 113.16萬頭存欄當(dāng)量生豬，承載力指數(shù)為0.70。從全省整體來看，湖南省畜禽養(yǎng)殖還有一定的發(fā)展空間，但存在區(qū)域分布不均的情況：臨近洞庭湖的岳陽、益陽、常德現(xiàn)狀畜禽養(yǎng)殖量超過環(huán)境承載力，需減少養(yǎng)殖量或提高污染治理水平；中部丘陵地區(qū)現(xiàn)狀畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)較發(fā)達(dá)，環(huán)境承載力指數(shù)較高，應(yīng)優(yōu)化區(qū)域畜禽養(yǎng)殖布局、提高養(yǎng)殖污染治理水平、謹(jǐn)慎擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模；湘西南山區(qū)畜禽環(huán)境承載力遠(yuǎn)大于現(xiàn)狀養(yǎng)殖量，可在合理規(guī)劃、規(guī)范建設(shè)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加畜禽養(yǎng)殖規(guī)模。