武汉城市圈畜禽粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响(精)

1、收稿日期2 0 0 9 0 6 1 6第一作者简介沈体忠（1 9 5 0 ），男，湖北天门市人，高级农艺师， 主要从事农业环境保护工作.doi: 10 畅 3969/j.issn.16731409 （S）.2009 畅 0 3畅 0 2 1武汉城市圈畜禽粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响- 以天门市为例沈体忠，刘佑林，雷代英王业鹏，蒋双林，陶齐成湖北省天门市农业环境保护站，湖北天门 4 3 1 7 0 0甘建军，彭碧银（湖北省天门市农业局，湖北天门 4 3 1 7 0 0 ）摘要利用统计资料和文献数据，估算了湖北省天门市畜禽粪便排放量与养分资源量，并分析了畜禽养殖业对环境的潜在影响。结果表明，

2、2 0 0 6 年天门市畜禽粪便排放量为 143 7.917kt，是当年工业固体废弃物产生量的 2 7.6 3 倍；粪便中除含有 1 9 4.0 8 2 kt有机质外，还含有 10.430ktN、6.572ktP2O5 和 10 .046ktK2O等营养元素； 分析发现， 除单位耕地面积粪肥N与P2O5平均承载量9 9.26kg? hm2和 62.53kg? hm2 对环境暂未构成污染威胁外，畜禽粪便中重金属 Zn、Cu、As对农田污染较 为突出，平均污染负荷量分别为3畅 019、1.738、0.223kg? hm2 ;流失于水体的主要有机污染物 EOD5、CODcr、NH3N、TP、TN负荷

3、量分别为 11 .048、12.121、1.096、0.908kt和 2.580kt,其中 CODcr、NH3 N 对水体的污染水平为当年工业和生活污染总水平的 7 0.8 7 %、74.36% ;向大气排放的 CH4 为 4.74 2Gg,NH3 为 5.061kt，其污染负荷比高达3 0 畅 0 6%和 4 6.3 4 %，可见畜禽养殖业已对天门市土壤、水体和大气 造成了较大的污染。关键词畜禽养殖；粪便；养分；环境；影响中图分类号X 3 2 2;X 5 0 8 文献标识码A文章编号16731409 (2009) 03S07005自 2 0 世纪 8 0 年代以来， 我国畜牧业一直保持着快速

4、增长的发展态势， 特别 是在 九五”以来国家实施的 菜蓝子”工程的推动下，我国肉类总产量以每年 10% 的速率增长，奶类和禽蛋产量的增长速率也在 10%以上，继 1 9 8 6 年禽蛋产量 和 19 9 1年的肉类总产量首次超过美国之后，连续数年保持世界第一 1。到 2 0 0 3 年底，我国的肉类总产量达到 6 9 3 2. 9 万 t,禽蛋 2 6 0 6.7万 t，奶类 1 8 4 8.6万 t。畜禽养殖业的快速发展不但满足了我国城乡肉、蛋、 奶的供应，同时也成为农民增收的重要来源。但与此同时，畜禽养殖业的快速发展 和生产方式的转变所带来的环境问题日益严重，这不仅影响经济发展，而且还危及

5、 生态安全，已成为人们普遍关注的社会问题2,3。湖北省天门市属武汉城市圈中的一员，是我国首批资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验区”之一。本研究在收集国内相关研究资料和确定天门 市畜禽粪便排放系数、 养分含量系数、 有机污染物与重金属含量系数、 粪便流失比 例以及 CH4和 NH3 排放因子等参数的基础上，估算了天门市 2 0 0 6 年度畜禽 粪便排放量和养分资源量，并分析了畜禽养殖业对环境的潜在影响，以期为天门市 制定畜禽养殖业发展规划和两型社会”建设提供科学依据。1材料与方法1.1 数据来源与说明本研究采用的畜禽养殖数量的数据全部来源于枟天门统计年鉴？2006枠公 布的统计资料

6、。因从农业年鉴中收集到的畜禽养殖数量一般包括出栏（笼）和存栏（笼）2 部分，而各类畜禽生长期不一样，且出栏（笼）与存栏（笼）比例存在一 定差距，故根据各类畜禽的生长周期分别确定其饲养量。? 0 7 ?长江大学学报（自然科学版）2 0 0 9 年 9月第 6卷第 3 期：农学JournalofYangtzeUniversity（NatSciEdi t） Sep 畅 2009，Vo l 畅 6No畅 3:AgriSci天门市主要养殖用作畜役的水牛和黄牛，因牛生长期长，一般当年不出栏，其 年末存栏数可代表当年的饲养数量；猪的平均饲养周期一般为 18 0d，因此猪的 饲养数量就是当年的出栏数；羊的生长

7、期一般长于 1a,且饲养量少，因此采用年 未存栏数作为当年的饲养数量；鸡、鸭以养殖蛋鸡、蛋鸭为主，一般当年不出笼，各自的年末存笼数即可视为当年饲养数量；鹅的生长期一般为 2 10d4，以当年出笼数计为当年的饲养数量。依据以上基础数据可得出，2 0 0 6 年天门市共饲养牛 5 4 92 1 头，猪 57 3398头，羊3 4 0 6 头，鸡 5 2 5.4万只，鸭 1 13.87 万只，鹅 5.3 2万只。1.2 计算参数（1）畜禽粪便排泄系数 畜禽的粪便排泄系数是指单个动物每天排出粪便的 数量，它与动物的种类、品种、性别、生长期、喂养饲料甚至天气条件等诸多因素有关5。目前我 国尚没有相应的国

8、家标准，本研究各类畜禽粪便的排泄系数采用文献6的数据。(2)畜禽粪便养分含量与污染物含量系数畜禽新鲜粪便养分及污染物含量系数，除羊、鹅粪便的养分含量采用文献7的数据外，其余均采用文献8的数据。由于文献8中没有鹅粪的污染 物含量数据，故用鸭粪的污染物含量数据代替。(3)畜禽粪便重金属含量系数采用文献9的平均数据。(4)畜禽粪便进入水体的比例畜禽粪便一般通过 2种途径进入水体：一是在饲养过程中直接排放进入水环境；二是在堆放储存过程中因降雨和其它原因进入水体5。据国家环保总局南京环科所(1 9 9 7 )对畜禽养殖场粪便流失情况的研究看，畜禽粪便污染物进入水体的流失率粪量 保持在 2%8%的水平上，

9、而液体排泄物则可能达到 5 0%。另据上海市对集约 化畜禽养殖场污染情况进行的调查表明，畜禽粪便进入水体的流失率甚至可达到 2 5%30%8。这是在圈养条件下调 查的数据，而天门市除生猪采取圈养外，其它畜禽均以散养为主，其流失率可能还要高。目前，我国还没有权威 部门发布的不同管理水平下畜禽粪便进入水体的参数，所以综合考虑以上因素，天 门市畜禽粪便流失率采用 3 0%。(5)畜禽养殖业 CH4 排放因子 反刍牲畜与畜禽粪便 CH4 排放因子采用 文献10的数据(6)畜禽粪便 NH3 排放因子采用文献11的数据1.3 计算方法根据前述基础数据和计算参数，本研究采用下述公式计算以下各指标。畜禽粪便排

10、放量二饲养量 X日排泄系数 饲养周期；畜禽粪便养分或污染物排放量=畜禽粪便排放量 X 畜禽粪便养分或污染物含量 系数；畜禽粪便养分耕地承载量=畜禽粪便养分排放量/耕地面积；畜禽粪便重金属排放量二畜禽粪便排放量 沌金属含量系数；畜禽粪便重金属耕地负荷量二畜禽粪便重金属排放量/耕地面积；畜禽粪便污染物进入水体负荷量二畜禽粪便污染物排放量泌入水体比例；CH4 或 NH3 排放量=饲养量 XCH4 或 NH3 排放因子。2结果与分析2.1 畜禽粪便年排放量畜禽粪便污染不仅是畜牧业发达国家和地区面临的严重问题，也是畜牧业发展 中地区应重点关注的环境问题5。由表 1 可以看出，2 0 0 6 年，天门市畜

11、禽养殖业排放的粪便总量为 1 4 3 7.9 1 7 kt，其中粪量为896.857kt， 尿液为 541.060kt。 当年天门市工业行业产生 的工业固体废弃物为 52.03 4 kt，畜禽粪便排放量则是当年工业固体废弃物 产生量的 2 7.63 倍，已成为天门市农村面源污染的主要来源之一。从不同畜禽 种类年粪便排放量看，牛的排放量最大，占总排放量的 41.82%;其次是猪和 家禽， 分别占 38.0 4%和 19.91% ;羊最少， 仅占 0.23%。其中，牛和猪年粪便排放量之和占总排放量的 7 9.86 %， 表明这 2种牲畜既是粪便资源 贡献大户，也是环境污染大户17?第 6 卷第 3

12、 期：农学沈体忠等：武汉城市圈畜禽粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响-以天门市为例表 12006 年天门市畜禽粪便排放量Tablel Emissionsofdomesticanimalse xcretainTianmenCityin2006 畜禽种类排放量/(kt ?a1)粪尿粪尿合计比例/%牛 400.923200.462601.385 4 1.8 2 猪 206.423340.598547.02138.04 羊3.2323.2320.23 鸡 230.125230.12516.00鸭 5 4.0 3 1 54.0313.76鹅 2.123 2.1230.15 合计 896.857541.0

13、60143 7.9 1 7 1 0 0 .00 表 22 0 0 6 年天门市畜禽粪便养分资源量 Table2 Nutritionresourceamountofdomestic animalsexcretainTianmenCityin2006 畜禽种 类粪便养分资源量/(kt ? a1)有机物 NP2O5K2O 牛 78.380 3.4481.0423.488 猪41.5432.6011.2024.232羊 0 .8240.0240.0170.015家禽 73.3354.3574.3112.31 1 合计 1 9 4.0 8 2 10.4306.57210.0462.2畜禽粪便养分资源量畜

14、禽粪便中除含有大量的有机物外，还含有丰富的 N、P、K 以及其它植物生长所需的营养元素，是生物重要的养分资源。数千年来，我国一直将畜禽粪便作为培养和提高土壤肥力 的重要肥源。2 0 0 6年，天门市畜禽粪便中有机质、 N、 P2O5、 K2O 等养分资源量分别为 1 94.082、 10.430、 6.572、10.046kt(表 2),分别相当于 2 2.67 4 kt 尿素、54.7 6 7kt 过磷酸钙和 20.09 2 kt硫酸钾中 N、P、K 的养分含量。可见畜禽粪便是天门市农业生产中的一种重要肥料资源。 2.3 畜禽养殖业对环境的潜在影响(1)畜禽粪便 N、P 养分单位耕地面积承载

15、量目前，畜禽粪便处理的主要出路是作为有机肥料还田，国外许多发达国家也将农 田作为畜禽粪便的负载场所加以消化。其单位耕地面积上畜禽粪便 N、P 养分的承载量，可以科学而又客观地反映各地畜禽饲养是否过密、畜禽粪便是否过载以 及对环境是否构成污染威胁等问题。朱兆良12的研究表明，大面积化肥年施 N量应控制在 150180kg? hm-2，超过这一水平就会引起环境污染。粪肥年施 N 量与土壤质地、肥力和气候等自然条件有关，综合考虑这些影响因素，欧盟的农业政策规定，粪肥年施 N 量的限量标准为 170kg? hm-2，研究表明，超 过这个极限值将会带来硝酸盐的淋洗13。而 P在土壤中的移动性较差，易在土

16、壤中累积。因此评价粪肥 P 养分对环境的潜在影响时，既要考虑粪肥 P养分的施用量，也要兼顾土壤的供 P水平4。一般农田年粪肥 P2O5施用量不能超过80kg/hm214,过量的 P会通过土壤的淋洗而进入地表径流造成 水体的富营养化15。本研究结果表明，20 0 6年， 天门市单位耕地面积畜禽粪肥 N与 P2O5养分承载量分别为 9 9.26kg/hm2、62.53kg/hm2，未超过环境污染风险值，对环境暂未构成污染威胁。但考虑到区域内畜禽粪便排放空间上的不均衡性，畜禽粪便在一些乡镇可能存在着 N、P 的污染问题。表 32006天门市畜禽粪便重金属排放量与农田污染负荷量 Table3Heavy

17、metalemissionandfieldwasteloadingamou ntofdomesticanimalsexcretainTianmenC ityin 2 0 0 6 重金属元素重金属排放量/(t? a-1)猪粪鸡粪合计农田负荷量/(kg ? hm-2 ? a1)Pb0.8260.7361.5620.015Cd0.1030.0690.1720.00 2Cu157.93424.738182.6721.738Zn232.84584.364317.2093.019Cr0.7430.9211.664 0.016As18.4344.97123.4050.223 表 42 0 0 6年天门市畜禽

18、粪便有机污染物含量 Table4OrganicwastecontentofdomesticanimalsexcretainTianm enCityin2006 畜禽种类有机污染物含量/(kt?a1)BOD5CODcrNH3NTPTN 牛 10.63713.6321.3820.55 3 3.3 5 6猪 13.47513.7991.1230.8812.338 羊 0. 013 0.0150.0030.0080.024 家禽 12.70112.9561.1451.5842.881 合计 36.82640.4023.653 3.0268.599(2)粪便中重金属农田污染负荷量为了提高饲喂畜禽的生长速

19、率、增强其抗病能力，现在的畜禽饲料中通常都含有一定量的 Cu、As、Zn 等微量元素和 一些药物添加剂。这些添加剂中的重金属随着粪便排出体外，也会对环境产生一定 威胁16。目前，天门市主要在猪、鸡、鸭饲养上喂食配合饲料，其中又以生猪和鸡喂食较为普遍。按照猪粪和鸡粪中重金属含量系数9和当地耕地面积， 对天门市农田污染负荷量进行了估算，结果见表 3。由表 3 已知，畜禽粪便中的 Zn、Cu、As 对农田污染较为突出，其单位耕地面积平均污染负荷量分别为 3.019、1.738、0.223kg?hm2。从农田重金属外来污染源看，除 Zn、Cu 外，畜禽粪便中的 As已成为天门市农田主要外来污染源。(3

20、)粪便流失有机污染物进入水体的负荷量畜禽粪便中除含有丰富的营养元素外，还含有极其庞杂的有机污染物(表 4)。按畜禽粪? 2 7 ? 长江大学学报(自然科学版)2 0 0 9年 9月便流失率 3 0%计算，2 0 0 6年，天门市畜禽粪便中主要有机污染物流失污染负荷量 BOD5 为 11 .048kt，CODcr 为 12.121kt，NH3N为 1. 096kt，TP为 0. 908kt，TN为 2.5 8 0 kt。天门市 环境公报显示，2 0 0 6年工业废水和生活污水中 CODcr、NH3 N 排放量 分别为 17.102kt 和 1 .474kt。则畜禽养殖业流失于水体的 CODc r

21、 和 NH3 N对水体的污染水平为工业和生活污染总水平的 7 0.8 7 %和 7 4.36%。由此可见，畜禽粪便流失不仅导致资源浪费，而且还带来环境污染， 成为造成许多江河湖泊 CODcr、TN、TP等主要污染物指标严重超标和水体 富营养化的重要原因17。(4)反刍牲畜及畜禽粪便 CH4 排放量大气中 CH4 是仅次于 CO2的第二大温室气体，在全球气候变暖中的效应占 15%。在这 15%的贡献率中，畜禽 养殖年释放的 CH4 约占大气中 CH4 的 1/518。根据张仁健等10编制的 CH4 排放目录清单与排放因子，对 天门市畜禽养殖业 CH4 排放量进行了估算，结果如表 5 所示。表 5

22、 2 0 0 6年天门市畜禽养殖业 CH4、NH3 排放量 Table5CH4andNH3emissionsoflivestockbreeding inTianmenCityin2006 畜禽种类 CH4 排放量反刍牲畜/(G g ? a1)畜禽粪便 /(Gg ? a1)合计 /(Gg ? a1)比例/%NH3排放量畜禽粪便/(kt ? a1)比例/%牛 2.8210.0522.87360.591.32426.16 猪 1.7491.74936.882.17943.06 羊 0. 0160.0010.0170.360.0110.22 家禽 一0.1030.1032.171.54730.57 合

23、计 2.8 3 7 1.9 054.7421005.0611 00 畅 00反刍动物 CH4是动物摄入食物中 的有机物在瘤胃内厌氧发酵而产生的19。由表 5 已知，2 0 0 6 年全市畜禽养殖业 CH4 排放总量为4.7 4 2 Gg，其中反刍牲畜牛、羊 CH4 排放量为 2.8 3 7 Gg，占排放总量的 5 9.8 3 %，畜禽粪 便 CH4 排放量为1畅 9 05Gg，占 40 畅 17%。从畜禽养殖结构看，牛的排放量最大，占整个畜禽养殖业 CH4 排放总量的 6 0.59%，其次为猪，占 36.88 %，而家禽与羊仅分别占 2.17%和 0.36%。从区域内大气中不同污染源负荷量看（

24、表 6），畜禽养殖业排放的 C H4 占大气污染负荷总量的负荷比为 3 0.0 6 %，为天门市温室气体 CH4 的主 要排放源之一。表 62006年天门市大气 CH4、NH3 污染负荷量与负荷比Table6 WasteloadingamountandloadingratioofCH4andNH3inatmosphereinTianmenCityin2006项目CH4 污染负荷与负荷比畜禽养殖稻田秸杆燃烧垃圾填埋合计 NH3 污染负荷量与负荷比畜禽粪便氮肥使用人粪尿合计负荷量/(Gg ? a1)或(kt ? a-1)4.7427.0212.6111.40215.7765.0603.7 512.

25、10710.918 负荷比/% 30.0644.5016.558.8 9 10046.3434.3619.301 00 畅 000(5)畜禽粪便 NH3排放量 畜禽粪便是 NH3 的重要排放源，当粪便中大量 NH3 逸散到大气中，使 空气 NH3量增加，严重时形成酸雨20。研究表明，由 NH3 转化生成的铵 盐进入土壤后，在微生物的作用下可氧化生成酸使土壤酸化11,而进入地表 水体的 NH3 又会增加水体富营养化2 1 。采用孙庆瑞等11的畜禽粪便 NH3 排放因子，估算天门市畜 禽粪便NH3 的排放量，结果见表 5。由表 5 可知，2 0 0 6年天门市畜禽粪便向 大气排放的 NH3为 5.

26、061kt，排放密度为 1. 97t/(km2? a)，是福建九龙江流域(2 0 0 1 )的 2畅 0 1倍20。同时，本研究还对氮肥使用、人粪尿等人为源 NH3 排放量进行 了估算。结果表明，畜禽粪便 NH3 排放量超过氮肥使用和人粪尿污染源，其污染 负荷比高达 46.34%， 比氮肥使用和人粪尿污染源的负荷比分别超过 11.9 8个百分点和 27.0 4个百分点(表6),已成为天门市大气人为源 NH3 的主 要来源。3 讨论与结论(1)- 改革开放以来，随着人们生活水平的提高，天门市畜牧业生产得到了快 速发展，畜禽粪便资源排放量也随之不断增长。2 0 0 6年天门市畜禽养殖业排放 的粪便

27、总量为 1 4 37.91 7kt，相当于 22.67 4kt 尿素，54.767kt过磷酸钙和 2 0.0 9 2 kt 硫酸钾的养分含量。目前，天门市畜禽粪便的 主要出路是作为有机肥料？3 7 ?第 6 卷第 3 期：农学沈体忠等：武汉城市圈畜禽 粪便资源量及养殖业对环境的潜在影响-以天门市为例直接还田，2 0 0 6 年单位耕地面积 N与 P2O5 平均承载量分别为 99 畅 2 6kg/hm2和62.53kg/hm2，对环境暂未构成污染威胁。但 P2O 5对环境的胁迫水平已达到 0 .78，故今后在制定区域畜禽养殖业发展规划时， 应以乡镇为单位，按农田对 P2O5 的消纳容量以土地定养

28、殖规模，防止盲目扩张 养殖规模，导致以破坏生态环境为代价换取暂时的经济发展。(2)重金属是现代畜禽养殖业的主要污染源之一。本研究结果表明，200 6 年天门市畜禽粪便中的Zn、 Cu、 As对农田污染较为严重， 单位耕地面积平均污染负荷量分别为 3.019、 1.738和 0 .223kg/hm2，其中畜禽粪便中的 As 已成为农田主要外来污染源，这与天门市畜禽养殖业普遍 滥用含 Zn、Cu、As 的添加剂有关。目前，人们对重金属元素通过饲料添加畜 禽吸收畜禽排泄施入土壤作物吸收这种途径进入人类食物链而影响人类健康的危害性，尚未给予应有的重视8。因此，在畜禽养殖上，应大力推广使用绿色添加剂，通

29、过调整饲料配方降低畜禽排泄物中的 Zn、Cu、As 含量，减轻其对环境的影响17，确保农产品质量安全和消费者身心健 康。(3)畜禽粪便可通过水的作用而流失，畜禽粪便在露天堆放及清粪冲洗过程 中极易进入水体，具有较高的环境风险。本研究粪便流失率以 3 0%计，2 0 0 6 年畜禽粪便进入水体的主要有机污染物 EOD5、CODcr、NH3N、T P、TN 分别为 11 .048、12.121、1.096、0.908 和 2.5 8 0kt。其中 CODcr、NH3 N 对水体的污染水平为当年工业和生活污染 总水平的 7 0.8 7 %和 74.36%，畜禽养殖业污染已成为水体污染的重要因 素。如

30、对其不加以监管并进行合理处置，将对农村生态环境造成严重影响。因此， 从天门市畜禽粪便资源综合管理角度考虑，当前应重点将养殖场水冲式清粪工艺改为干清粪工艺，减少粪污产生量和排放量，并修建与养殖规模相适应的氧化塘进行 污水净化。同时，强化畜禽粪便资源化利用，如大力发展猪 - 沼-果(菜、粮)，生产生物有机肥和再生饲料等，走出一条具有天门特色的环境友好型 畜牧业发展道路。(4)畜禽养殖业向大气排放的 CH4 和 NH3 对环境的污染不应忽视。本研 究结果表明，2 0 0 6年畜禽养殖业向大气排放的 CH4 为 4.7 4 2 Gg，NH 3 为 5.061kt，其污染负荷比高达 3 0.0 6 %和

31、 4 6.3 4 %，对大气环 境已造成了潜在的影响。按目前天门市畜牧业发展状况分析，未来几年内畜禽养殖 业 CH4 和 NH3 排放量将呈增长趋。因此，要从实际出发，在源头控制和粪便处 理等环节上，建立减缓畜禽养殖业 CH4 和 NH3 排放的技术体系，如在反刍动物 饲料中补充尿素/糖密舔砖、过瘤蛋白和秸秆氨化、秸秆粉碎及颗粒化19; 猪、家禽在配合日粮的基础上添加合成氨基酸、酶制剂、丝兰属提取物1以及 畜禽粪便无害化处理等，并加大实施力度，切实解决畜禽养殖业对大气环境的污染 问题。参考文献1 单计光，谭支良，汤少勋.养殖业排泄物对环境的潜在影响与生态管理 J.重庆环境科学，2003，25 (12): 9092，98.2 李 帷，李艳霞，张丰松，等.东北三省畜禽养殖时空分布特征及粪便 养分环境影响研究J.农业环境科