吉林省畜禽养殖量区域差异及环境风险评价

自1991年以来，我国肉、禽、蛋总产量已连续多年保持世界第一，与此同时，未经有效处理的畜禽排泄物进入环境中带来的水体污染问题也越来越严重，畜禽养殖污染已成为农村污染的重要原因之一[1]。农业种植与畜禽养殖业分离，导致粪便的还田率仅为20%～30%，散置的粪便得不到利用和及时处理，同时畜禽粪便、尿液中含有大量的氮、磷等营养元素，会造成大气、地表水和地下水严重污染。孙良媛等[2]估算了2011年畜禽养殖的磷元素入水通量约为40万t;张晓华等[3]分析了四川省畜禽粪便排放特征，发现其以猪、牛、家禽为主要排放源，且占近50%环境容量，耕地面临氮、磷污染风险；龙雯琪等[4]利用平均增长率以及养分平衡计算方法，揭示了畜禽养殖量及磷污染的时序变化规律，结果发现,近10年内湘潭县畜禽养殖量的增加以生猪养殖为主，且农田土壤磷素盈余量上升；易秀等[5]以陕西省为例，探讨了2006—2010年其养殖业畜禽粪便氮(磷)耕地负荷的变化特征，其氮(磷)负荷空间分布变化较大。尽管针对畜禽养殖耕地负荷的研究较多，但吉林省为我国主要粮食主产区，相应的研究较少，因此本研究通过对吉林省典型区域畜禽养殖数量、养殖结构及污染物产生、排放进行分析，科学评估污染空间分布特征及不同区域畜禽养殖的环境承载能力，重点研究和评价区域畜禽粪便中氮、磷养分对水环境的影响和污染风险，以期为有关部门制定畜禽养殖和污染物治理规划提供参考，促进畜禽养殖业可持续发展。

1 研究区概况

吉林省位于40°52′—46°18′N，121°38′—131°18′E，地处中国东北中部，东部为山地，中部为丘陵，西部为松辽平原与西部平原，属温带湿润-干旱季风气候，夏季短而凉爽，冬季长而寒冷。境内河流主要为松花江、辽河、鸭绿江、图门江、绥芬河，全年降水量从东南向西北递减，平均为400～900 mm，主要行政区划包括长春市、吉林市、白城市、白山市、通化市、四平市、松原市、辽源市、延边市共9个地级市。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文中涉及的畜禽养殖量主要来自于吉林省统计年鉴，采用GB 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》猪当量指标及畜禽单元对其总量进行标准化处理，单位肉牛、奶牛、蛋鸡、肉鸡分别等于5头、10头、1/30头和1/60头当量猪[6]，1个畜禽单元(animal unit，AU)等于454 kg畜禽活体质量，即1个畜禽单元等于1.14头肉牛、0.74头奶牛、9.09头猪和250只禽[7,8]；其他指标从国家生态环境部公布[9,10]及以往公开发表的文献[11,12]中获取，具体取值见表1。

2.2 计算方法

2.2.1 畜禽单元及其密度计算和分级

农用地畜禽养殖密度用单位农用地面积的畜禽单元数量表示，见式(1)：

式中：N密度为农用地畜禽养殖密度，AU/hm2；Ai为某畜禽种类养殖数量，头/只；xi为单元畜禽系数；n为畜禽种类数量；S为农用地面积，hm2，主要来自研究区2012年土地利用数据。

2.2.2 农用地畜禽粪便氮(磷)负荷

农用地畜禽粪便氮(磷)负荷是指单位农用地面积的畜禽粪便氮(磷)负荷量，具体计算见式(2)：

式中：Q氮(磷)负荷为农用地畜禽粪便氮(磷)负荷，kg/hm2；Di为饲养周期，d；ki为粪尿产污系数，kg/d；fi为畜禽粪便氮(磷)含量系数，%，研究中统一换算成猪粪当量进行叠加统计畜禽粪便猪粪当量氮(磷)换算系数，具体取值见表1。

2.2.3 耕地畜禽粪便氮(磷)环境容量计算

目前对畜禽粪便处理的主要方式仍然是作为有机肥还田，农田是畜禽粪便的负载场所，可用以消化其中的养分，根据研究区2012年土地利用现状调查结果，研究区耕地面积共计714.58万hm2，耕地总氮(磷)环境容量计算见式(3)：

式中：TN(P)为研究区的耕地地总氮(磷)环境容量，t；Aa为研究区耕地面积，hm2；CN(P)为耕地的粪肥年施用氮(磷)限量标准，kg/hm2，具体取值见表2。

2.2.4 耕地畜禽粪便污染风险指数

畜禽粪便污染风险指数反映评价单元内当前畜禽粪便承载量相对于环境承载容量的饱和程度，见式(4)：

根据计算得到的风险值进行风险评价：PI>2.0为高污染风险；1.0

2.3 数据处理

所有数据均采用SPSS 11.5、Microsoft Excel 2010、ArcGIS 10.2进行处理。

3 结果与讨论

3.1 畜禽密度分布

根据吉林省“十二五”环境统计数据得到各地区畜禽养殖数量(表3)，利用GB 18596—2001不同畜禽种类猪当量值得到各地区畜禽养殖猪当量，见图1，其中，长春市养殖数量最大，而白山市养殖数量最小，全省呈现出中部地区较多，西部地区次之，而东部及东南部地区最少的养殖分布特点。长春市地处松花江、辽河腹地，经济发展程度较高，对畜禽等需求量较大，故而养殖量亦随之增加；而东部和东南部主要土地利用类型为林地，其畜禽养殖业发展受到限制，其养殖量较低。

吉林省各地区畜禽养殖单元数量如图1所示。可知:吉林省耕地畜禽单元数量为10.38～290.05 AU/km2，均值为80.19 AU/km2，其中数量最小为松原市区，数量最大为吉林市区。

3.2 耕地总氮(磷)负荷

根据畜禽养殖量、饲养周期、排污系数等数据，利用式(2)估算出吉林省各区域耕地畜禽总氮(磷)产生量，具体见图2。

由图2可知:吉林省畜禽养殖TN、TP产生量分别为23.18万，26.07万t。从区域分布看，图门TN、TP产生量最低，长春TN产生量最高，农安TP产生量最高。而从TN密度分布看，全省总氮密度分布为3.93～114.05 kg/hm2，其中松原市区最低，而吉林市区最高；全省TP密度分布为3.93～190.66 kg/hm2，龙井最低，辽源市区最高。该结果与冯爱萍等[18]研究的吉林省中南部地区畜禽TN和TP耕地负荷较重相似，为了便于比较，利用表1中猪当量氮(磷)系数，将各种畜禽养殖氮(磷)排放量统一为猪氮(磷)当量，同时根据各地区面积，计算其密度，具体见图3。

由图3可知:猪氮当量密度最小值位于松原市区，最大值位于吉林市区，为最小值的30倍；猪磷当量密度最小值位于龙井，最大值为辽源市区，而吉林市区次之。

3.3 耕地总氮(磷)污染风险

目前，我国大量畜禽粪便未经过处理直接用于农田[18]，而我国耕地原本就呈现出氮肥和磷肥过剩的现象，从而造成不同程度的耕地氮(磷)污染和水体富营养化等现象。为了评估耕地氮(磷)污染风险，利用式(3)计算得到研究区耕地氮(磷)容量，见图4。

由图4可知：吉林省中部地区耕地总氮(磷)容量较高，最高值位于农安、榆树地区；而图门和长白地区耕地总氮(磷)容量最低，利用式(4)进一步计算得到各地区的耕地氮(磷)污染风险，详见图5。

由图5可知：吉林省各地区耕地TN污染总体上较轻，只存在无污染、低污染和中污染现象，其中，无污染耕地面积占80.72%，低污染、中污染风险耕地分别占13.39%和5.89%。从地域上看，长春市和吉林市耕地氮污染风险较高，这与其较高的人口密度和养殖规模等相关。相比于总氮污染来说，各地区耕地总磷污染较严重，无、低、中、较高和高污染地区耕地面积分别占20.24%、19.98%、20.94%、32.82%和6.02%，其中东丰、通化、舒兰、蛟河、吉林市、辽源市的耕地磷污染风险高(图6)，该结果与耿维等[19]的研究结果相似，吉林省畜禽养殖属于较高环境风险等级。耕地土壤中磷养分盈余能导致土壤中速效磷浓度的提升，但土壤中磷素长期积累，在雨水、灌溉水淋溶作用下，势必导致磷素大量流失，渗滤到地下水或江河湖泊中造成环境危害[20]，因此合理调整养殖结构，控制磷输入量，维持区域土壤磷平衡，是吉林省养殖业环保工作的首要任务。

4 结论

本文利用收集的吉林省“十二五”环境统计数据中的畜禽养殖数据，计算得到吉林省各地区畜禽养殖量、畜禽单元密度、耕地总氮(磷)负荷、耕地总氮(磷)密度、耕地总氮(磷)容量、耕地总氮(磷)污染风险等，综合分析得到结论如下：

1)吉林省各地区畜禽养殖量呈中部地区较多，西部地区次之，而东部及东南部地区最少的分布特点，畜禽单元数量分布范围为10.38～290.05 AU/km2，均值为80.19 AU/km2，其中最小数值出现在松原市区，最大数值出现在吉林市区。

2)研究区畜禽养殖TN、TP产生量分别为23.18万，26.07万t，其中，图门地区总氮(磷)产生量均最低，而位于中部的长春、农安地区总磷产生量最高。

3)通过耕地总氮(磷)风险评价可知，各地区耕地总氮污染总体上较轻，只存在无污染、低污染和中污染现象，而总磷污染较严重。在以后的畜禽养殖过程中，应采取科学饲养方式、干清粪技术、雨污分流、种养结合和有机肥生产等技术措施控制氮、磷污染。

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[2] 孙良媛，刘涛，张乐. 中国规模化畜禽养殖的现状及其对生态环境的影响[J]. 华南农业大学学报，2016,15(2)：23-30.

[3] 张晓华，王芳，郑晓书,等. 四川省畜禽粪便排放时空分布及污染防控[J]. 长江流域资源与环境，2018,27(2)：433-442.

[4] 龙雯琪，吴根义，林毅青. 湘潭县近十年畜禽养殖量及其耕地磷污染负荷分析[J]. 中国种业，2014,15(7)：66-69.

[5] 易秀，陈生婧，田浩. 陕西省养殖业畜禽粪便氮耕地负荷的时空分布[J]. 水土保持通报，2016,36(5)：235-240.

[6] 付强，诸云强，杨红新,等. 2002—2009年中国规模化畜禽养殖量区域差异及政策建议[J]. 农业工程学报，2012,28(18)：185-191.

[7] KELLOGG R L， LANDER C H, MOFFITT D C, et al. Manure nutrients relative to the capacity of cropland and pastureland to assimilate nutrients: spatial and temporal trends for the United States [R]. United States Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service and Economic Research Service.

[8] 孟岑，李裕元，许晓光，等. 亚热带流域氮磷排放与养殖业环境承载力实例研究[J]. 环境科学学报，2013,33(2)：635-643.

[9] 国家环境保护总局自然生态保护司. 全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策[M]. 北京：中国环境科学出版社, 2002: 14-103.

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[20] 韩晓飞.三峡库区农田土壤无机磷动态变化及其迁移特征[D].重庆：西南大学，2016.

吉林省畜禽养殖量区域差异及环境风险评价

0 引言

1 研究区概况

2 材料与方法

2.1 数据来源

2.2 计算方法

2.3 数据处理

3 结果与讨论

3.1 畜禽密度分布

3.2 耕地总氮(磷)负荷

3.3 耕地总氮(磷)污染风险

4 结论

RIGIONAL DISPARITY AND ENVIRONMENTAL RISK ASSESSMENT OF LIVESTOCK AND POULTRY BREEDING INDUSTRY IN JILIN PROVINCE

吉林省畜禽养殖量区域差异及环境风险评价

0 引 言

1 研究区概况

2 材料与方法

2.1 数据来源

2.2 计算方法

2.3 数据处理

3 结果与讨论

3.1 畜禽密度分布

3.2 耕地总氮(磷)负荷

3.3 耕地总氮(磷)污染风险

4 结 论

RIGIONAL DISPARITY AND ENVIRONMENTAL RISK ASSESSMENT OF LIVESTOCK AND POULTRY BREEDING INDUSTRY IN JILIN PROVINCE

0 引言

4 结论