中国畜禽粪便产生量估算及环境效应

中国环境科学2006,26(5)：614~617ChinaEnvironmentalScience中国畜禽粪便产生量估算及环境效应王方浩1,马文奇2,窦争霞3,马林2,刘小利2,许俊香2,张福锁1*(1.中国农业大学植物营养系,北京100094；2.河北农业大学资源与环境学院,河北保定071001；3.宾西法尼亚大学动物健康和生产力研究中心,美国费城19384)摘要：通过对畜禽粪便年排放量的估算方法和畜禽粪便排泄参数的确定,估算了我国畜禽养殖业粪便产生量并对由此产生的环境效应进行了评价.结果表明,2003年我国畜禽养殖业共产生31.90亿t粪便,是当年工业产生固体废物的3.2倍;畜禽粪便及其中的氮、磷纯养分平均耕地负荷分别为24t/hm2,N107kg/hm2和P29kg/hm2.部分地区的畜禽养殖业已经对当地环境构成了污染.关键词：畜禽粪便；排泄参数；氮磷耕地负荷中图分类号：X713,X825文献标识码：A文章编号：1000-6923(2006)05-0614-04TheestimationoftheproductionamountofanimalmanureanditsenvironmentaleffectinChina.WANGFang-hao1,MAWen-qi2,DOUZheng-xia3,MALin2,LIUXiao-li2,XUJun-xiang2,ZHANGFu-suo1*(1.DepartmentofPlantNutrition,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094,China；2.CollegeofResourcesandEnvironment,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071001,China；3.ResearchCenterforAnimalHealthandProductivity,UniversityofPennsylvania,Philadelphia19348,U.S.A.).ChinaEnvironmentalScience,2006,26(5)：614~617Abstract：TheproductionamountofanimalmanureofcultivationindustryinChinawasestimatedthroughtheestimationmethodsofyearlydischargeamountofanimalmanureandthedeterminationofexcretionparameterofanimalmanure,andtheenvironmentaleffectproducedfromthiswasevaluated.Theproductionofanimalmanureofthisindustryintheyear2003inChinatotaled31.9billiontons,whichwas3.2timesofindustrialsolidwasteinthisyear.TheaveragecroplandloadofanimalmanureanditsN,Ppurenutrientwere24.2t/hm2,N107.3kg/hm2andP29kg/hm2.Theanimalcultivationindustryofparticialregionhadformedthepollutionoftheregion.Keywords：animalmanure；excretionparameter；N,Pcroplandload对于区域畜禽粪便产生量估算和环境效应已有很多报道[1-5],但对全国畜禽粪便产生量估算与环境影响的报道较少,一些研究中往往在畜禽养殖数量上未区分各种畜禽出栏与存栏数或漏算了存栏数;在估算时对排泄系数选取上差别很大;多数研究仅以猪、牛、家禽的粪便排放量作为畜禽粪便总排放量,忽略了其他畜禽,因此研究结果相差甚远,如农业部估计2000年中国畜禽粪便产生量为36.40亿t[6];而国家环境保护总局通过对规模化畜禽养殖场调查而估计的1999年中国畜禽粪便产生量为19亿t[7].本研究通过比较和筛选畜禽排泄系数和粪便养分参数,并选择合理的畜禽数量,对中国目前主要的畜禽类别的粪便产生总量进行估算,并通过计算耕地畜禽粪便和养分负荷量,对畜禽粪便产生的环境效应进行分析.1材料与方法1.1基础数据畜禽养殖数量来源于《中国畜牧业年鉴2004》[8]公布的统计资料,数据的截至时间是2003年底.本研究在确定2003年度畜禽饲养量时,根据各类畜禽的生长周期分别确定其饲养量.猪:平均饲养期一般为199d[9],因此猪的饲养数量就是当年的出栏数,全国总计65774.99万头.牛:按用途分类,主要有用作役畜的水牛和黄收稿日期：2006-01-10基金项目：农业部948项目(2003-Z53);国家自然科学基金资助项目(30571087)*责任作者,教授,博导,zhangfs@cau.edu.cn5期王方浩等：中国畜禽粪便产生量估算及环境效应615牛,以及肉牛和奶牛.水牛、黄牛和奶牛一般当年不出栏,各自的年末存栏数即可视为当年饲养数量,而肉牛一般在未出栏时记在黄牛的年末存栏数中,因此肉牛的饲养数量就用当年的出栏数代替.水牛和黄牛为12183.22万头,肉牛为5048.52万头,奶牛为878.77万头.羊、马、驴和骡:生长期一般长于一年,因此采用年末存栏量作为当年的饲养数量.羊全国总计34053.66万头,马为790.02万头,驴和骡为1216.43万头.家禽:蛋禽与肉禽在生长期和日排泄量上均有较大差异.肉鸡的生长期一般为55d[9],因此在计算家禽粪便排泄量时,两者需要分开计算.肉鸡全国总计586165.10万只,蛋鸡为257722.70万只.鸭和鹅的生长期一般为210d[7],由于没有鸭和鹅的饲养量,将鸭和鹅均作出栏肉用,所以将家禽与肉鸡的出栏总数之差视为鸭和鹅的饲养数量.鸭和鹅全国总计302422.60万只.兔:兔的生长期一般为90d[10],以当年出栏数计为饲养数量,全国总计31938.38万只.1.2计算参数1.2.1畜禽粪便排泄系数畜禽粪便的日排泄量与品种、体重、生理状态、饲料组成和饲喂方式等均相关[11,12].我国目前尚没有相应的国家标准,作者收集比较了国内1994~2004年公开发表的文章,取平均值确定各种畜禽新鲜粪便的排泄系数[7,9,12-14].1.2.2畜禽粪便养分含量系数本研究在估算畜禽产生的粪便总量时采用的是畜禽直接排泄的新鲜粪便,因此在选用畜禽粪便养分含量系数时也仅选择新鲜粪便样品的养分含量(表1).1.3估算方法1.3.1畜禽粪便产生总量的估算畜禽的年度粪便产生量计算公式为:Q=N⋅T⋅P(1)式中:Q为年度粪便产生量;N为饲养量;T为饲养期;P为排泄系数.1.3.2畜禽粪便中纯养分量的估算A=q⋅c(2)式中:A为畜禽粪便中养分量;q为畜禽粪便产生量;c为单位质量畜禽粪便养分含量.表1畜禽粪便排泄系数及其中的养分含量Table1Animalexcretaparameteranditsnutrientcontent(freshsample)注:以牛的排泄系数代替水牛和黄牛的排泄系数;驴骡的粪便氮磷养分含量取值与马相同;鸭鹅的粪便养分含量取均值–无数据2结果与讨论2.12003年全国畜禽粪便产生量2003年我国畜禽粪便产生量约为31.90亿t,远超过当年工业固体废弃物10.00亿t的总量[16].畜禽粪便中的总氮量为1394.60万t,总磷量为378.50万t.受多种因素影响,估算畜禽粪便产生量与实际情况会存在一定的误差.首先,畜禽饲养数量、饲养期、日排泄量及粪便中的各种营养元素成分含量是一组动态数据,特别是日排泄量和粪便中养分含量主要决定于畜禽个体大小和饲料成分,同时也与环境如季节、气候、管理水平等因素有关[17].其次,部分畜禽的饲养量有偏差,比如用作役畜的牛饲养数据采用的是水牛与黄牛的存栏数之和,实际上黄牛的存栏数包含了一部分还未达到出栏年龄的肉牛的存栏数,而役用牛的排泄系数较肉牛的大,导致牛的粪便产生量计算结果可能偏大.统计数据也有一定的不准确性,比如在计算鸭和鹅饲养数量时,采取的是将家禽出栏数畜禽种类粪便排泄量总氮含量(%)总磷含量(%)美国农业工程学会数据[15]猪5.3kg/d0.2380.0745.1kg/d役用牛10.1t/a0.3510.082-肉牛7.7t/a0.3510.0827.6t/a奶牛19.4t/a0.3510.08220.1t/a马5.9t/a0.3780.0778.3t/a驴、骡5.0t/a0.3780.077-羊0.87t/a1.0140.2160.68t/a肉鸡0.10kg/d1.0320.4130.08kg/a蛋鸡53.3kg/a1.0320.41342.1kd/a鸭、鹅39.0kg/a0.6250.29032.3kg/a兔41.4kg/a0.8740.297-616中国环境科学26卷减去肉鸡的出栏数之差作为鸭和鹅的饲养数量,但是广西和宁夏自治区的结果为负数,所以在计算这部分粪便产生量时没有考虑这两个自治区,因此使得计算的结果可能偏小.这2个方面的综合作用的结果使得误差在一定程度上相互抵消.针对目前我国尚没有统一的畜禽粪便排泄系数,本研究通过收集和整理国内文献中各种畜禽的粪便排泄系数,并将符合计算要求的数据的平均值作为最终采用的畜禽排泄系数,与美国农业工程学会通过大量试验结果而发布的各种畜禽的粪便排泄系数对比,二者基本一致(表1).2.2畜禽粪便的环境效应2.2.1畜禽粪便耕地负荷目前对于畜禽粪便处理的主要出路仍然是作为有机肥还田,许多畜牧业发达国家也将农田作为畜禽粪便的负载场所,用来消化其中的养分.农田作为畜禽粪便消纳场所的容量既取决于土壤的质地、肥力,又受作物收获时籽粒和秸秆吸收量的影响.因此采用耕地畜禽粪便负荷量这一指标可以直接反映该地区耕地消纳畜禽粪便的能力,而单位面积耕地土壤的氮、磷养分负荷反映了畜禽粪便对于耕地土壤的污染风险.我国还没有全国性的单位面积耕地土壤的畜禽粪便氮、磷养分限量标准.只是在畜禽粪便还田限量上有少数报道,上海市农业科学院提出上海市郊区农田畜禽粪便负荷量的标准[5].也有学者认为每hm2耕地能够负担的畜禽粪便为30t左右[7].根据全国耕地面积数据[14],可以得出各省区的畜禽粪便耕地负荷(图1).全国耕地负荷的畜禽粪便平均值为24t/hm2,北京市居全国之首,高达49t/hm2.7个省区超过30t/hm2这一粪便还田的限量值.2.2.2畜禽粪便纯氮、磷养分耕地负荷单位耕地面积上畜禽粪便氮、磷营养元素的负荷反映了畜禽粪便对于耕地土壤的污染风险.朱兆良[17]的研究表明,大面积化肥年施氮(N)量应该控制在150~180kg/hm2,超过这一水平就会引起环境污染.粪便年施氮量与土壤质地、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,粪肥年施氮(N)量的限量标准为170kg/hm2,研究表明,超过这个极限值将会带来硝酸盐的淋洗[18].图1各地区畜禽粪便耕地负荷(t/hm2)Fig.1ManureloadperhectareofcroplandinChina(t/hm2)2003年我国单位面积耕地负荷的畜禽粪便纯氮(N)养分的平均值是107kg/hm2,北京、河北、河南以及山东4省区的耕地粪便N养分负荷超过150kg/hm2(图2),(接近欧盟限量标准170kg/hm2).考虑到省内分布的不均匀性,可以认为畜禽粪便已在这4个省部分地区造成了环境污染.北京市的耕地面积畜禽粪便纯氮养分负荷高达230kg/hm2,已经严重威胁了环境.图2各地区畜禽粪便中氮素的耕地负荷(kg/hm2)Fig.2ManurenitrogenloadperhectareofcroplandinChina(kg/hm2)磷在土壤中的移动性较差,易在土壤中累积.因此评价粪便磷养分的环境效应时,既要考虑到因施用粪便磷养分的量,也要兼顾土壤的供磷水5期王方浩等：中国畜禽粪便产生量估算及环境效应617平.过量的磷会通过土壤的淋洗而进入地表径流造成水体的富营养化[19].土壤的粪便年施磷(P2O5)量不能超过80kg/hm2(约35kgP/hm2)[20],过量会引起土壤磷的淋洗,造成环境的污染.2003年全国耕地负荷的畜禽粪便纯磷(P)养分平均值为29kg/hm2,北京以70kg/hm2位居全国首位,8个省区的单位耕地面积负荷的粪便纯磷养分量超过了极限值35kg/hm2(图3).图3各地区畜禽粪便中磷素的耕地负荷(kg/hm2)Fig.3ManurephosphorusloadperhectareofcroplandinChina(kg/hm2)3结语2003年我国畜禽粪便的产生量已经超过工业固体废物,成为环境污染的主要来源.全国共有7个省区单位面积的畜禽粪便耕地承载量超过30t/hm2还田限量,存在畜禽粪便过载问题;其中的4个省区耕地畜禽粪便氮的负荷超过150kg/hm2这一环境污染风险值;如果以耕地畜禽粪便磷负荷为判断标准,全国共有8个省区超过了35kg/hm2的欧盟还田限量值.考虑到区域内畜禽粪便产生空间上的不均衡性,畜禽粪便在这些省份都直接存在着土壤和水体的氮、磷污染问题.参考文献：[1]沈根祥,王雅谷,袁大伟,等.上海市郊农田畜禽粪便负荷量及其警报与分级[J].上海农业学报,1994,(10):6-11.[2]丁疆华.广州市畜禽粪便污染与防治对策[J].环境科学研究,2000,13(3):17-19.[3]文化.北京市农业废弃物和畜禽粪便资源化综述[J].北京农业科学,1995,13(5):1995:8-12.[4]彭里,王定勇.重庆市畜禽粪便年排放量的估算研究[J].农业工程学报,2004,20(1):288-292.[5]张玉珍,洪华生,曾悦,等.九龙江流域畜禽养殖业的生态环境问题及防治对策探讨[J].重庆环境科学,2003,25(7):29-34.[6]张维理,武淑霞,冀宏杰,等.中国农业面源污染形势估计及控制对策I.21世纪初期中国农业面源污染的形势估计[J].中国农业科学,2004,37(7):1008-1017.[7]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,2002,25,77-78.[8]中国畜牧业年鉴编辑委员会.中国畜牧业年鉴2004[M].北京:中国农业出版社,2004.184-237.[9]张克强,高怀有.畜禽养殖业污染物处理与处置[M].北京:化学工业出版社,2004.22-23.[10]李建国.畜牧学概论[M].北京:中国农业出版社,2002.307-313.[11]全国农业技术推广服务中心.中国有机肥料养分志[M].北京:中国农业出版社,1999.[12]王新谋.家畜粪便学[M].上海交通大学出版社,1999.[13]苏玉萍,郑达贤,林婉贞.福建省畜禽污染分析与防治对策[J].福建地理,2004,19(3):1-4.[14]辛总秀.减轻畜禽粪便对环境污染的现状及技术探索[J].青海畜牧兽医杂志,2004,(4):35-37.[15]EP270-5,ASAEstandards:standards,engineeringpracticesanddataadoptedbytheamericansocietyofagriculturalengineers,44thedition.St.Joseph,MI,U.S[S].[16]国家统计局.2003年中国统计年鉴[M].北京:统计出版社,2003.[17]朱兆良.农田中氮肥的损失与对策[J].土壤与环境,2000,9(1):1-6.[18]Anonymous.Codeofgoodagriculturalpracticefortheprotectionofwater[M].London,UK:MAFFEnvironmentMatters,1991.1-80.[19]RolandDA,GordonRW,RaoSK.Phosphorussolubilizationanditseffectontheenvironment[J].Proc.MDNutr.Conf.,1993,(4):138-145.[20]OenemaO,VanLiereE,PletteS,etal.EnvironmentaleffectsofmanurepolicyoptionsintheNetherlands[J].WaterSci.Technol.,2004,49:101-108.作者简介：王方浩(1980-),男,江苏南京人,中国农业大学资源与环境学院博士研究生,主要从事养分资源管理研究.发表论文3篇.