江苏省太湖地区畜禽业产排污测算

谢 飞，曹 磊，王 震，闵兴华，赵言文

（南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京210095）

近年来，我国非点源污染的负荷比重逐步上升。以水体污染为例，非点源污染已成为巢湖、太湖、滇池等重要湖泊水质恶化的主要原因之一［1］。据第一次全国污染源普查公报显示，农业源是中国水环境污染物化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）的主要来源，一些地区河流、湖泊、地下水氮浓度超标严重［2－3］。江苏太湖地区主要包括苏州市、无锡市和常州市，人口密集、生态环境负荷重。畜禽养殖业在该地区经济发展中具有一定地位，且逐渐呈现规模化趋势。畜禽业排放的废弃物如果在一定时空范围内没有足够的土地将其消纳，很容易对水体产生污染，导致富营养化［4］。因此，有效评估和控制畜禽粪便污染势在必行。

关于区域畜禽粪便产生量估算和环境效应的研究，国内外已经有了相关报道。Mallin等［5］认为畜禽粪便是水生生态系统中氮和磷污染的主要来源；畜禽粪便对水、土壤和空气的环境影响也有过相关研究［6］。张玉珍等［7］对九龙江流域畜禽粪便年产生量做了估算，并提出了相应的防治对策；阎波杰等［8］对北京大兴区畜禽粪便量进行了估算，并进行了风险评价；高新昊等［9］通过分析山东省畜禽粪便污染情况，指出畜禽粪便是农业污染的3种主要污染源之一；宋大平等［10］针对安徽省畜禽粪便污染耕地、水体的现状做了风险评价。这些研究所采用的数据大多来自统计年鉴或文献中有关畜禽粪便的产污系数进行畜禽粪便产生量的估算，而基于典型规模化养殖场不同饲养时间不同饲养阶段的产污测算，以及水体的等标排放量和等标污染指数的研究鲜有报道。因此，本研究在对太湖地区典型规模化养殖场及其污染物进行定点监测的基础上，测算了江苏省太湖地区2011年的畜禽业粪污产排量，并分析了污染物对水体的影响，以期为太湖流域农业面源污染的防治和畜禽业可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 监测对象

本研究选取位于常州市的新乐农牧有限公司养殖场设置典型监测点。该生猪养殖场存栏生猪3 000头，出栏量6 000头以上。清粪方式为干清，60%用于销售，部分施用于养殖场的农田种植；污水采用沼气工程处理，沼液用于农田浇灌，沼渣作为农田底肥施用。在饲养模式和粪污处理方式等方面，代表了苏南地区规模化养猪场的养殖水平。因此，监测所得数据总体上可反映江苏省太湖地区规模化养猪场的产排污基本情况。

1.2 样品采集方法

（1）粪尿样品采集。选取妊娠母猪（怀孕2个月左右）、育肥猪（约60kg）和保育猪（约25kg）这3个饲养阶段的生猪作为试验对象。在每个阶段，随机抽取1栏（10～15头）进行粪尿收集采样。采样期间内，每日上午和下午分别收集猪只产生的粪便和尿液，分别称量和记录。粪便混合均匀后采用四分法取3个样品，每个样品约1kg，装入自封样品袋中。尿样500ml装于聚乙烯瓶。采集的粪尿样品需进行加酸预处理，添加比例为每100g鲜粪添加20ml浓度为4.5mol／L H2SO4，每100ml尿样添加2ml浓度为4.5mol／L H2SO4和4滴甲苯。预处理后送至分析检测室分析。

（2）采样频率和时间。监测点为周年监测。从2011年2—12月，分不同季节，在2，4，8和12月对监测点进行连续3～5d的采样监测，根据天气状况、养殖条件等实际状况安排具体监测时间，并保证3d有效数据。

（3）测定指标和方法。粪便监测指标包括粪便量、含水率、有机质、全氮、全磷。

尿液监测指标包括尿液量、pH值、化学需氧量（CODCr）、全氮（TN）、全磷（TP）。各监测指标的测定方法详见表1。

表1 监测指标、测定方法和标准

1.3 产污系数测算

产污系数的计算公式为：

式中：FPi，j，k——每头动物的产污系数〔g／（头·d）〕；QFi，j——第i种动物第j生产阶段的粪产量〔kg／（头·d）〕；CFi，j，k——第i种动物第j生产阶段粪便中含第k种污染物的浓度（mg／kg）；QUi，j——第i种动物第j生产阶段尿液产量〔L／（头·d）〕；CUi，j，k——第i种动物第j生产阶段尿中含第k种污染物的浓度（mg／L）。

采用Excel和SPASS软件进行数据的统计与分析。

2 结果与分析

2.1 养殖场粪尿主要污染指标

经过周年监测，获得的3种不同生长阶段生猪粪尿主要污染指标（表2）。从表2可以看出，保育猪粪便含氮量最高为1.18%，与妊娠母猪和育肥猪差异显著（p＜0.05）；妊娠母猪总磷含量最高为1.26%，育肥猪次之达1.18%，二者与保育猪间差异显著（p＜0.05）；保育猪有机质含量最高，达17.78%，与育肥猪差异不显著（p＞0.05），但是二者都与妊娠母猪间差异显著（p＜0.05）。

尿液中总氮含量由大到小顺序为：保育猪＞育肥猪＞妊娠母猪，保育猪与育肥猪和妊娠母猪间差异显著（p＜0.05）；总磷含量保育猪最高为124.37mg／L，与育肥猪和妊娠母猪差异显著（p＜0.05）；生猪尿液中的COD含量均在20 000mg／L以上，妊娠母猪与育肥猪间差异不显著（p＞0.05）。

表2 生猪粪尿主要污染指标

2.2 养殖场的产污系数

依据产污系数公式，对周年数据进行统计分析，确定了养殖场粪尿污染物产污系数（表3）。产污系数与其它研究相比［11－12］略有不同，这是因为各个地区养殖的畜禽种类、品种、气候、生长期、喂养饲料等存在差异［13］。

从表3可以看出，生猪不同生长阶段粪尿污染物产生量不同，产污系数由高到低排序依次为：妊娠母猪＞育肥猪＞保育猪。虽然妊娠母猪粪尿污染物浓度低，但是粪尿产生量大，因此产生的污染物总量也多。从方差分析结果看，生猪各个阶段之间的粪尿污染物产生量存在显著性差异（p＜0.05）。因此，在选取产污系数时，不能以一个生长阶段的粪尿污染物产生量来代替该种动物的产污系数，而是应该分阶段测算以后，再根据饲养动物数量，计算获得较为准确的畜禽污染物产生量。

表3 不同饲养阶段猪的产污系数

2.3 畜禽粪尿对水体的污染分析

2.3.1 江苏太湖地区畜禽粪便排放量 采用的数据来源于2011年的《常州市统计年鉴》、《苏州市统计年鉴》以及《无锡市统计年鉴》中的畜禽养殖量和水资源总量等数据。根据《畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596—2001）》，同时参考汪开英等［14］的研究结果，对不同畜禽种类折算为生猪当量。即2011年江苏省太湖地区畜禽年末存、出栏量折算生猪当量为584.36万头（表4）。

由于牛和羊的生长期较长，将牛和羊的年末存栏量作为一年中稳定的饲养量；猪、家禽的饲养周期不足1a，所以将年末出栏量作为稳定的饲养量。在未考虑饲养周期的前提下，采用该计算方法：存／出栏量（头／只）×日产污系数（kg／d）×365d。根据所得的产污系数估算2011年江苏省太湖地区畜禽养殖业粪尿产量为1.93×107t。其中，TN为4.81×104t，TP为3.40×104t，COD为1.47×105t，有机质为5.01×105t。

表4 江苏省太湖地区2011年各类畜禽年末饲养量

畜禽粪尿在清粪冲洗和堆置贮存过程中极易流失进入水体，但在不同区域、不同管理水平下畜禽粪尿的流失率有很大差异。张维理等［15］研究表明畜禽粪便污染物进入水体的流失率在2%～8%的范围内，液体排泄物则可能会达到50%。太湖流域水系发达，降水充沛，同时参考孔源、段勇等［16－17］的研究结果，将畜禽粪尿进入水体流失率定为30%。据此计算，2011年江苏省太湖地区畜禽养殖业共水体排放污染物TN，TP和COD共2.19×105t（表5），其中，COD最高，占到了总量的88.75%，TN和TP分别占总量的6.59%和4.66%。从区域角度看，各地区的畜禽粪污染物排放量也存在差异，常州市污染物排放量最高，达到9.88×104t，占江苏省太湖地区污染物排放总量的45.14%。原因是常州地区畜禽养殖业较为发达，规模化畜禽养殖场较多，畜禽养殖数量大，畜禽污染物排放量自然也较多。苏州市的畜禽污染物排放量最少，为5.32×104t，占总量的24.32%，这是因为苏州市经济较为发达，农业人口较少，畜禽养殖数量少，污染物排放量也相对较低。利用污染物扩散浓度可以表征农业面源污染对水环境的影响程度。2011年江苏省太湖地区因畜禽养殖业向水体排放的TN，TP和COD浓度分别为1.46，1.03，19.62mg／L，其中常州市的3种污染物扩散浓度均超过地表水环境质量Ⅲ级标准（COD为20mg／L，TN为1mg／L，TP为0.2mg／L），TP的排放浓度更是远高于0.2 mg／L。苏州市和无锡市的TN和TP均超过地表水环境质量Ⅲ级标准。TN，TP，COD的扩散浓度均以常州市最高。

表5 畜禽粪便污染物排放量和扩散浓度

2.3.2 畜禽养殖业等标排放量与等标污染指数 等标污染负荷是污染评价中经常使用的评价指标，它主要反映污染源本身潜在的污染水平，采用等标污染负荷法对污染物进行评价，用污染物的排放量除以环境中污染物的限量标准，把污染物的排放量转化为“把污染物全部稀释到评价标准所需的介质量”。计算结果不但反映了污染物在量上对环境的影响，也反映了污染物在质上对环境的影响。统一转化之后，使同一污染源所排放污染物之间、不同污染源之间在对环境的潜在影响上进行比较成为可能［18－19］。本研究采用此方法对畜禽养殖业污染负荷进行评价，评价因子选择TN，TP和COD。

式中：Pi——i污染物的等标排放量（m3）；Ci——i污染物流失量（t／a）；C0——污染物按 GB3838—2002的Ⅲ类标准系列的阈浓度（COD为20mg／L，TN为1mg／L，TP为0.2mg／L）。

根据上述结果以及计算公式，计算得出各地区畜禽养殖业污染物等标排放量（表6）和等标污染指数（图1）。2011年江苏省太湖地区畜禽养殖业污染物等标排放总量达7.51×1010m3，TN，TP和COD分别占等标排放总量的19.20%，67.87%和12.93%，说明江苏省太湖地区畜禽粪便对水环境的污染主要是TP，其次是TN和COD的污染。常州市的等标排放总量最高，达3.39×1010m3，说明常州市对畜禽污染物的排放贡献最大。

2011年江苏省太湖地区常州市、苏州市、无锡市的等标污染指数分别为11.54，5.70和6.10，各地区等标污染指数存在差异。常州市等标污染指数最高，远高于平均值7.78，这与常州市等标排放量最多，而水资源量最少也有关系。从图1可以看出常州、苏州、无锡3种污染物的等标污染指数最高为TP，其次为TN和COD，说明TP对水体的污染负荷最大，COD污染负荷最小。

参照《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》中相应水质分级标准，本研究中将等标污染指数划分为5个等级：等标污染指数在0～5范围为Ⅰ级，对水体无污染风险；5～10范围为Ⅱ级，对环境稍有污染；10～15范围为Ⅲ级，对环境有污染；15～20范围为Ⅳ级，对环境污染较严重；20以上为Ⅴ级，对环境污染严重。由上述结果可知，2011年江苏省太湖地区畜禽污染物对水体的污染程度在Ⅱ级的为苏州市和无锡市；对水体的污染程度在Ⅲ级的为常州市。

表6 畜禽粪便污染物等标排放量

图1 研究区畜禽粪便污染物等标污染指数

2.3.3 畜禽养殖业主要污染源 采用区域内污染源或污染物的等标污染负荷比可确定主要污染源和污染物。根据畜禽养殖业不同粪污排放源和污染物的等标污染负荷比（表7）可以看出，2011年江苏太湖地区畜禽养殖业主要污染源依次是家禽、猪、牛和羊，其等标污染负荷比分别达到了49.52%，44.47%，5.01%和1.00%。虽然家禽的个体产污量不高，但是养殖数量却是最高的，说明畜禽养殖业的污染物排放量不仅与养殖种类有关，还与饲养数量有关。畜禽养殖业最主要的污染物是TP，其等标污染负荷比达到了67.87%。

表7 畜禽养殖业等标污染负荷比

3 结论

（1）通过选取典型规模化养猪场进行定点监测，测算得出该养殖场的产污系数，以此测算畜禽养殖业粪污排放量，该方法有利于更准确的评估畜禽养殖业对水体污染的贡献。试验结果得出：妊娠母猪、育肥和保育3个饲养阶段的全氮产污系数分别为每头32.48，20.04 和 15.09g／（头 ·d），全 磷 分 别 为24.64，15.25，7.91g／（头·d），COD分别为119.26，54.08，33.22g／（头·d），有机质分别为327.13，223.40，153.67g／（头·d），产粪量分别为1.93，1.28，0.88kg／（头·d），产尿量分别为5.60，2.43，1.45L／（头·d）。

（2）2011年江苏省太湖地区畜禽养殖业TN，TP，COD的排放量分别为1.44×104t，1.02×104t，1.94×105t，相应的等标排放量分别为1.44×1010m3，5.10×1010m3，9.71×109m3。因畜禽养殖业引起的TN，TP，COD扩散浓度分别为1.09～2.22mg／L，0.77～1.57mg／L，14.74～29.85mg／L，常州市的TN，TP，COD以及苏州市和无锡市的TN和TP扩散浓度均超过地表水环境质量Ⅲ级标准。

（3）2011年江苏省太湖地区畜禽养殖业污染物等标污染指数常州市、苏州市、无锡市分别为11.54，5.70和6.10。因此造成的水体污染程度，苏州市和无锡市为Ⅱ级，常州市为Ⅲ级。叶飞等［20］利用统计年鉴和相关数据估算了2002年江苏省各地区畜禽粪便污染源等标污染指数，相比本研究结果，2011年常州市和无锡市等标污染指数分别升高155.31%和14.45%，苏州市等标污染指数降低19.31%。说明常州市和无锡市的畜禽污染程度是增加的，尤其是常州市对水体污染程度较高；苏州市虽有降低，但对水体仍然存在污染。

（4）2011年江苏省太湖地区畜禽养殖业最主要的污染物来源是家禽和猪，其贡献率分别为49.52%和44.47%，因此，应加强对家禽和猪的粪尿污染物控制。主要污染物是TP，其贡献率为67.87%。宋大平等［10］研究表明安徽省畜禽粪便对水体的主要污染物为TP，与本研究结果一致，说明P素对水环境的污染应该引起重视。

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