粮食主产区畜禽粪便对耕地的污染风险与预测

张海莹， 刘梦亭， 花俊国

（河南农业大学 经济与管理学院，河南 郑州 450046）

随着我国经济规模的迅速扩大和人民生活水平的显著提高，人们的饮食结构发生了翻天覆地的变化，肉蛋奶需求量越来越大，畜禽养殖蓬勃发展并逐渐规模化、集约化。与此同时畜禽粪便带来的环境污染问题也愈发严重，如果畜禽粪便未经妥善处理或排入土壤、水体中的量超过土壤、水体的自净能力，畜禽粪便中的氮、磷等有机污染物将不完全降解或厌氧分解，释放出臭氧、亚硝酸盐等有害物质，导致土壤和水的结构和性质发生变化，破坏其基本功能，造成水土污染[1]。根据第2次全国污染源普查公报，畜禽养殖源氮排放总量59.63 万t、磷总量11.97万t，是目前农业面源污染的主要污染源之一。

治理和减少畜禽粪便对农田的污染，首先要了解该地区畜禽粪便的产生量，以及农田污染物的负荷和风险[2]。目前，关于区域畜禽粪便产生量以及耕地污染物负荷量的研究已经积累了较为丰富的研究成果，主要集中在3 个方面：国家层面[3-4]、省域层面[5-7]、市域层面[8-9]。在已有研究的基础上，本文基于2011—2020年粮食主产区畜禽养殖数据，采用日排泄系数法计算畜禽粪便量和耕地污染负荷，通过对未来粮食主产区各类畜禽养殖量的预测，分析耕地畜禽粪便负荷污染情况，以期为科学整治畜禽粪便污染和合理调整粮食主产区畜禽养殖结构提供数据支持和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

我国粮食主产区有黑龙江、山东、河南、江苏、四川、吉林、河北、湖北、湖南、安徽、内蒙古、江西、辽宁13 个省（自治区）。粮食主产区贡献了全国75%的粮食、66.3%的肉产品、69%的奶产品和84%的禽蛋产品，对确保粮食和肉蛋奶等重要农产品的有效供给发挥着决定性作用[10]。

1.2 数据来源

本文研究的畜禽品种主要是猪、牛、羊和家禽。数据来源：①基础数据，猪的当年出栏量和牛、羊、家禽的年末存栏量以及耕地面积均来自2011—2020 年《中国统计年鉴》；②计算数据，畜禽粪便量、猪粪当量、污染物负荷量通过基础数据计算得出；③引用数据，耕地理论最大适宜污染物承载量，参考已有文献确定[5]；④替代数据，部分年份耕地面积数据缺失，采用线性插值法补齐，即假设现象的变化发展是线性的，进而利用两点式直线方程式进行线性插值。

1.3 研究方法

1.3.1畜禽粪便量与猪粪当量 畜禽粪便量是指各种畜禽粪尿排放物的总量[11]。根据日排泄系数法，计算粮食主产区各省（自治区）的畜禽粪便量（单位：t），计算公式[12]：畜禽粪便量=出（存）栏量（头/只）×日排泄系数（kg·头-1·d-1）×饲养周期（d）。日排泄系数与畜禽品种、生理状况、饲料成分、饲养方式、季节等因素有关。本文采用生态环境部公布的日排泄系数[13]，见表1。畜禽饲养周期是指畜禽饲养的平均时间，不同种类畜禽的饲养周期根据《中国兽医年鉴》确定，牛、羊的饲养周期为365 d，家禽的饲养周期为210 d，猪的饲养周期为199 d。

表1 各类畜禽粪便日排泄系数kg/（头·d）

由于不同种类畜禽粪便的肥效和农地消耗量差异较大，根据各类畜禽粪便的含氮量，采用系数换算法对各类畜禽粪便进行换算。将粪便量统计数据转换为猪粪当量（单位：t），计算公式[14]：猪粪当量=畜禽粪便量×猪粪当量换算系数。猪粪当量换算系数[3，13]见表2。

表2 各类畜禽粪便猪粪当量换算系数

1.3.2耕地污染物负荷量 耕地畜禽粪便负荷量是指单位耕地面积所承载的畜禽粪便量[15-16]，该指标可以反映一个地区耕地消纳粪便的能力。计算公式：

式中：q表示耕地畜禽粪便负荷量（t/hm2）；Q表示各类畜禽粪便对应的猪粪当量总量（t）；S表示耕地面积（hm2）。

畜禽粪便中含有各种有机污染物，如化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮（NH+4-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等[17]，单位耕地面积污染物负荷反映了畜禽粪便中各种污染物对耕地的污染量和风险[18]。本文考察了畜禽粪便中总氮、总磷污染物的耕地负荷，计算公式[19]：

式中：畜禽粪便总氮、总磷产生量（kg）=畜禽粪便猪粪当量总量（t）×畜禽粪便中氮、磷的平均质量比（kg/t），新鲜粪便样品中各类污染物的平均质量比[5]见表3。

表3 畜禽粪便中各类污染物的平均质量比kg/t

1.3.3耕地负荷污染风险指数 单位面积耕地总氮、总磷负荷量在一定程度上可以反映某一地区耕地环境中潜在的畜禽粪便污染情况，然而污染风险的程度尚不清楚。因此要对耕地负荷污染风险指数进行更详细的分析[20]。耕地负荷污染风险指数以农田污染负荷总量与耕地理论最大适宜承载力之比计算，反映地区畜禽粪便对耕地环境产生的威胁程度[21]。公式如下：

式中：q表示耕地污染物负荷总量（t/hm2），本文指耕地总氮、总磷负荷总量；p表示耕地理论最大适宜污染物承载量（t/hm2），根据张绪美等[3]的研究，以800 mm 等降水线为南北分界线，确定南方污染物最大承载量为45 t/hm2，北方污染物最大承载量为30 t/hm2；r代表耕地畜禽粪便负荷污染风险指数，r值越高，耕地污染负荷越大，畜禽粪便对环境的污染威胁越大，反之则畜禽粪便对环境的污染威胁越小。结合已有文献[5]，确定耕地负荷污染风险分级情况，见表4。

表4 耕地负荷污染风险分级

1.3.4粮食主产区畜禽粪便污染预测计算 以粮食主产区2011—2020年畜禽养殖数量为基础，采用年均增长预测法，预测未来牛、羊、猪、家禽的数量，进而预测粮食主产区各省（自治区）耕地潜在的污染情况，计算公式如下：

式中：ρ代表年平均增长率（%）；T1、Tn分别表示第1年和第n年的畜禽养殖数量，其中T1采用前3 年的平均值，Tn采用后3 年的平均值。第t年畜禽养殖数量预测值x（t）计算公式：

式中：c表示原始数据第1年的数值；t=1，2，3，…，n。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便猪粪当量分析

2011年、2020年粮食主产区各省（自治区）畜禽粪便猪粪当量总量见图1。2020年粮食主产区猪粪当量总计为142 228.36 万t，较2011年下降4%，其中猪粪、猪尿、牛粪、牛尿的排放量分别下降了19.6%、19.7%、20.7%、21.0%；羊粪略有增加，2020年较2011年上升了2.1%；家禽粪的涨幅较大，2020 年较2011年上升了30%。2011 年、2020 年粮食主产区各省（自治区）畜禽粪便猪粪当量见图2，其中2011 年猪粪当量排放最多的是河南，为20 101.95万t；2020年猪粪当量排放最多的是山东，为20 787.86万t。

图1 2011年、2020年粮食主产区畜禽粪便猪粪当量总量

图2 2011年、2020年粮食主产区各省（自治区）的畜禽粪便猪粪当量

2.2 耕地污染物负荷量分析

2.2.1单位面积耕地总氮负荷量分析 畜禽粪便中含有丰富的有机质和氮、磷、钾元素，具有可观的肥料价值，将畜禽粪便还田，利用畜禽粪便中的养分可以促进作物健康生长。如果合理利用畜禽粪便丰富的营养资源，既可以减少化肥的使用，又可以解决粮食主产区部分省份钾肥短缺的问题[5]。但如果畜禽粪便处理不当或施用过量，粪便中的氮、磷元素会对土壤、水体等产生较大影响。朱兆良[18]研究表明，施氮量在180 kg/hm2以上会污染环境，年粪肥施氮量170 kg/hm2以上会造成硝酸盐淋失；年粪肥施磷量超过35 kg/hm2，会使磷元素从土壤中淋溶，对环境造成破坏。

2011 年粮食主产区耕地总氮负荷量平均值为136.08 kg/hm2，见图3。其中山东、湖北、四川的耕地总氮负荷量超过了180 kg/hm2，山东的总氮负荷量最高，达211.16 kg/hm2，最低的是黑龙江，总氮负荷量为32.79 kg/hm2。

图3 2011年、2020年粮食主产区各省（自治区）耕地总氮负荷量

2020 年粮食主产区耕地总氮负荷量平均值为134.84 kg/hm2，较2011 年下降了0.9%。河南、吉林、湖北、内蒙古、安徽、黑龙江和辽宁的耕地总氮负荷量均有所下降，其中湖北、内蒙古、河南的下降最为明显，分别降低了51.0%、38.5%、21.1%。2020年，山东、四川、江苏、湖南、江西的耕地总氮负荷量超过了180 kg/hm2，山东的总氮负荷量最高，是269.7 kg/hm2，最低的是黑龙江，总氮负荷量是22.55 kg/hm2。

2.2.2单位面积耕地总磷负荷量分析 2011 年粮食主产区耕地总磷负荷量平均值为49.78 kg/hm2，见图4。其中山东、江苏、江西、湖南、四川、河南、湖北、河北、辽宁的耕地总磷负荷量超过了35 kg/hm2，山东的总磷负荷量最高，达94.57 kg/hm2，最低的是黑龙江，总磷负荷量为8.78 kg/hm2。

图4 2011年、2020年粮食主产区各省（自治区）耕地总磷负荷量

2020 年粮食主产区耕地总磷负荷量平均值为62.44 kg/hm2，较2011年上升了25%。河南、山东、四川、江苏、河北、湖南、江西的耕地总磷负荷量逐年增加，吉林、内蒙古、黑龙江的耕地总磷负荷量在减少。2020 年，山东、江苏、江西、四川、湖南、河南、湖北、河北、辽宁的总磷负荷量依然超过了35 kg/hm2，吉林、安徽、内蒙古、黑龙江的耕地总磷负荷量低于35 kg/hm2。这说明粮食主产区大部分地区畜禽粪便的污染仍较为严重，其中山东的污染情况最重。

2.3 耕地负荷污染风险分析

2011 年和2020 年粮食主产区各省（自治区）耕地负荷污染风险等级见表5。2011年耕地负荷污染风险处于Ⅲ级的有山东、河南，污染风险指数分别为0.87、0.82，说明有污染；处于Ⅱ级的有四川、湖南、辽宁、河北、江西、内蒙古、江苏，污染风险指数分别为0.64、0.59、0.57、0.54、0.51、0.48、0.46，说明稍有污染；处于Ⅰ级的有湖北、吉林、安徽、黑龙江，污染风险指数分别为0.37、0.30、0.20、0.17，说明无污染。

2020 年耕地负荷污染风险处于Ⅳ级的是山东，污染风险指数高达1.07，说明污染较严重；处于Ⅲ级的有四川、湖南，污染风险指数分别为0.79、0.70，说明有污染；处于Ⅱ级有河南、江西、河北、江苏、辽宁、内蒙古，污染风险指数分别为0.67、0.60、0.57、0.52、0.49，0.42，说明稍有污染；处于Ⅰ级的有湖北、吉林、安徽、黑龙江，污染风险指数分别为0.38、0.23、0.20、0.16，说明无污染。

2.4 畜禽粪便污染预测分析

2030 年、2035 年粮食主产区各类畜禽养殖量预测值如表6 所示。2030 年、2035 年猪、牛、羊的养殖量大部分呈下降趋势，家禽养殖量呈上升趋势。分地区看，四川养殖猪的数量最多，2030 年为4 470 千头；2035 年为3 939 千头。内蒙古养殖牛、羊的数量最多，2030年牛养殖量为686千头，羊养殖量为7 007千只；2035 年牛养殖量为694 千头，羊养殖量为7 586 千只。山东养殖家禽的数量最多，2030 年为323 961 千只；2035 年为371 929 千只。与2020 年相比，2030 年、2035 年四川养殖猪的数量将分别减少20.4%、29.8%；内蒙古养殖牛的数量将分别增加2.2%、3.4%，养殖羊的数量将分别增加15.4%、25.0%；山东养殖家禽的数量将分别增加28.2%、47.2%。

表6 2030年、2035年粮食主产区各类畜禽养殖量预测值千头（千只）

基于粮食主产区畜禽养殖数量预测值，可以进一步预测畜禽粪便产生总量、猪粪当量总量以及污染物产生总量，见表7。2020 年粮食主产区的畜禽粪便产生总量为129 908.4 万t，猪粪当量总量为142 228.36万t，粪便中污染物产生总量为1 391 390万t。在不受政策影响的情况下，预测2030年粮食主产区的畜禽粪便产生总量将减少5.0%，2035 年的畜禽粪便产生总量将减少6.7%；2030年的猪粪当量总量将增加0.3%，2035 年的猪粪当量总量将增加1.7%；2030 年的粪便污染物产生总量将增加15.0%，2035年的粪便污染物产生总量将增加28.0%。

表7 2030年、2035年粮食主产区各类污染物数量预测值万t

以2020 年的耕地面积计算，粮食主产区各省（自治区）2030年、2035年的畜禽粪便耕地总氮负荷量见图5。2030 年、2035 年粮食主产区耕地总氮负荷量平均值分别为155.45、161.19 kg/hm2。2030 年超过180 kg/hm2的依次是山东、四川、湖南、江西、江苏。其中山东的总氮负荷量最高，是353.85 kg/hm2，最低的是黑龙江，总氮负荷量为30.60 kg/hm2。2035年超过180 kg/hm2的依次是山东、湖南、江西、四川、江苏。其中山东总氮负荷量最高，是393.29 kg/hm2，最低的是黑龙江，总氮负荷量是30.40 kg/hm2。

图5 2030年、2035年粮食主产区耕地总氮负荷量预测值

粮食主产区各省（自治区）2030年、2035年的畜禽粪便耕地总磷负荷量见图6。2030 年、2035 年粮食主产区耕地总磷负荷量平均值分别为68.21 kg/hm2、91.39 kg/hm2。2030 年超过35 kg/hm2的依次是山东、江苏、江西、湖南、四川、河南、河北、辽宁、湖北。其中山东的总磷负荷量最高，是177.37 kg/hm2，最低的是黑龙江，总磷负荷量为8.91 kg/hm2。2035年超过35 kg/hm2的依次是山东、江苏、江西、湖南、四川、河南、湖北、辽宁、河北。其中山东的总磷负荷量最高，是277.43 kg/hm2，最低的是内蒙古，总磷负荷量为9.05 kg/hm2。

图6 2030年、2035年粮食主产区耕地总磷负荷量预测值

2030年、2035年粮食主产区各省（自治区）耕地负荷污染风险等级见表8。2030年畜禽粪便耕地负荷污染风险处于Ⅳ级的是山东，污染风险指数高达1.29，污染较严重；处于Ⅲ级的有四川、湖南，污染风险指数分别为0.74、0.72，有污染；处于Ⅱ级的有江西、河南、河北、江苏、辽宁、内蒙古，污染风险指数分别为0.64、0.60、0.53、0.52、0.48、0.46，稍有污染；处于Ⅰ级的有湖北、吉林、安徽、黑龙江，污染风险指数分别为0.36、0.20、0.17、0.15，无污染。

2035 年畜禽粪便耕地负荷污染风险处于Ⅳ级的依然是山东，污染风险指数高达1.41，污染较严重；处于Ⅲ级的有湖南、四川，污染风险指数分别为0.74、0.72，有污染；处于Ⅱ级有江西、河南、江苏、河北、内蒙古、辽宁，污染风险指数分别为0.67、0.59、0.53、0.52、0.48、0.47，稍有污染；处于Ⅰ级的有湖北、黑龙江、吉林、安徽，污染风险指数分别为0.36、0.35、0.19、0.15，无污染。

3 结论与建议

1）2020年，粮食主产区各省（自治区）的猪粪当量总计142 228.36万t，较2011年下降4%。分地区看，畜禽粪便耕地负荷污染风险处于Ⅳ级的是山东，污染较严重；处于Ⅲ级的是四川、湖南，有污染；处于Ⅱ级的是河南、江西、河北、江苏、辽宁、内蒙古，稍有污染；处于Ⅰ级的是湖北、吉林、安徽、黑龙江，无污染。

2）2030年各类畜禽粪便猪粪当量将增加0.3%，2035 年猪粪当量将增加1.7%。山东的风险等级仍为Ⅳ级，污染较严重；四川、湖南的污染等级仍为Ⅲ级，有污染。未来山东、四川、湖南的畜禽粪便污染须重点防控。

3）因地制宜制定畜禽管理方法和措施。对于山东、四川、湖南畜禽粪便污染较严重的情况，建议合理限制畜禽养殖规模；对于河南、江西、河北、江苏、辽宁、内蒙古，畜禽粪便稍有污染地区，建议优化调整养殖结构，科学规划养殖规模。此外，建议环保行政部门进一步加强环境治理和保护，实施种养结合、循环发展的生态发展模式。