基于耕地承载力的十堰市畜禽养殖环境风险评价

龚世飞，肖能武，丁武汉，居学海，吴平华，余永松，李虎

基于耕地承载力的十堰市畜禽养殖环境风险评价

龚世飞1，肖能武1，丁武汉2，居学海3，吴平华1，余永松1，李虎2

1丹江口库区十堰生态农业研究院，湖北十堰 442000；
2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；
3农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125

【目的】十堰市是南水北调中线工程的核心水源区，全面认识畜禽养殖污染现状及其对耕地的潜在威胁，为加强畜禽粪便风险管控提供依据。【方法】运用畜禽粪便环境风险评价模型，对十堰市各县（区、市）2020年主要畜禽粪便来源结构进行定量分析，并从种养平衡视角对其环境风险进行综合评价。【结果】十堰市2020年主要畜禽养殖粪便猪粪当量达306.85×104t，且主要分布于郧阳区、丹江口市和房县，粪便中有机物的化学需氧量（COD）最大（57.00×104t），总氮（TN）（2.63×104t），总磷（TP）含量较少（0.65×104t）。十堰市畜禽养殖等标污染负荷总量为15.532×1010m3，且在不同地区的来源结构差异明显，TP是畜禽养殖的首要污染物，其污染等标负荷占负荷总量的41.68%，其次为TN，污染负荷率为33.85%，COD的等标污染负荷率最小，为24.47%。养牛是十堰地区畜禽养殖面源污染的首要污染源，对等标污染负荷总量的贡献率达49.47%，其次为家禽（21.60%）。环境污染风险评价结果显示，全市单位耕地畜禽粪便负荷强度为10.15 t·hm-2，警报值为0.338，分级指数为Ⅰ，对环境构成污染的威胁为“无”。TN、TP的负荷强度分别为0.09和0.02 t·hm-2，环境风险指数为1.023和1.223，但区域间存在明显的空间分异特征。全市有超过1/2地区存在潜在的畜禽养殖污染风险，其中以茅箭区和郧阳区最为突出。以磷（P）为衡量标准，十堰市养殖总量须在现有基础上消减98.51万头猪当量。【结论】保持合理的畜禽养殖规模（≤441.00万头猪当量），同时做好污染物消减措施，对促进十堰市种养平衡和畜禽养殖业有序发展具有重要意义。

十堰市；
耕地承载力；
畜禽粪便；
耕地负荷；
环境风险

【研究意义】长期以来，畜禽养殖业一直是我国农业农村经济发展的重要支柱产业。尤其是近年来，随着社会经济的迅猛发展，畜禽养殖业的经营方式也正由分散养殖向规模化、集约化和产业化发展方向转变[1]，我国的肉类、蛋类和禽类产量经过连续多年稳定增长已跃居全球首位[2-3]。然而，在保证畜禽产品有效供给的同时，迅速增加的养殖粪污对环境构成的威胁也在不断攀升，已经成为农业面源污染的重要成因之一[4-5]。根据2020年发布的第二次全国污染源普查公报结果显示，我国畜禽养殖业排放的化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）分别为1 000.53×104、53.63×104、11.97×104t，分别占全国排放总量的46.67%、19.61%、37.95%，占农业源污染物排放量的93.76%、42.14%和56.46%，总体占比较高。因此，准确认识畜禽养殖业的污染来源、负荷强度和分布特征及其潜在环境风险，对有针对性地提出养殖业面源污染防控策略，进而推动区域农业绿色发展和生态环境保护均具有十分重要的意义。【前人研究进展】围绕畜禽养殖污染现状和环境负荷问题，学界已开展了很多工作。有研究表明畜禽粪便可在较高程度上填补氮、磷肥的需求，具有较大替代化肥潜力[6-7]，但不同省份间畜禽粪尿磷负荷量和还田量污染风险具有较大差异，多数地区的粪尿磷污染风险较大[8]。丹江口库区作为我国南水北调中线工程源头，是生态功能极重要区和生态环境极敏感区，水源地生态环境状况直接关系到京、津、冀地区的战略性用水安全。研究者[9]对水源地典型流域农业面源污染的监测显示，水体中TN平均质量浓度已超过Ⅳ类水标准，TP平均质量浓度接近Ⅱ类水标准。综合现有研究结论不难发现，畜禽养殖业伴随的污染负荷对库区负荷总量的贡献超过50%[10-12]，是导致当前库区水体污染的首要来源。【本研究切入点】十堰市地处丹江口库区下游腹地，是国家级生态示范区和鄂西北山区国家级生态功能保护区，同时还是南水北调中线工程的纯调水区和核心水源涵养区，地理位置尤为特殊。且随着中线工程正式通水以来配套“限养禁养”政策的推行，库区的畜禽养殖业在发展结构、空间分布等方面也正经历一系列变化，目前关于库区畜禽养殖污染的认识主要集中在市域尺度或大流域尺度，抑或以整个畜禽养殖源为研究单元进行总体探讨，而在县域层面针对畜禽养殖污染来源、主要污染物分布特征和畜禽养殖环境风险评价的研究仍显不足，以致影响了库区畜禽污染防控措施的制定和实施效果。【拟解决的关键问题】基于上述背景，本研究依据十堰市畜禽养殖基本数据，对畜禽粪便总量和耕地负荷进行估算，分析各区县养殖污染来源及主要污染物负荷特征；
同时，参照十堰市主要农作物种植面积，综合运用畜禽养殖污染环境风险评价模型，评估各地区畜禽粪便耕地污染指数及风险等级；
最后，从种养平衡的视角提出各地区养殖污染控制策略。研究结果可为十堰市畜禽养殖结构调整和养殖污染减排提供基础数据，特别是对于丹江口核心水源涵养区水环境保护以及农业可持续发展提供有益借鉴。

1.1 研究区概况

十堰市范围介于31°97′—33°25′N，109°51′—111°72′E。全市版图面积2.36×104km2，辖三区四县一市，分别是茅箭区、张湾区、郧阳区、郧西县、竹溪县、竹山县、房县和丹江口市。全市2020年总人口346.16万，其中农业人口244.51万。土壤以黄棕壤居多，地形地貌多样，以山地和丘陵为主，海拔300— 1 700 m之间。属北亚热带大陆性季风湿润气候，年平均气温13—16℃，年平均日照时数1 655—1 958 h，无霜期224—255 d。年平均降水量829 mm，径流深263.4 mm。畜禽养殖业是十堰市农业经济的重要组成部分，由于南水北调中线工程建设的需要，全市规模化养殖占比较低，畜禽养殖业以农户分散式经营为主，大多都没有建立粪污处理设施，污染物直接或间接排放的现象依然存在，给当地农村环境治理工作带来了现实挑战。

1.2 分析方法

1.2.1 污染负荷估算方法 本研究采用Johns输出系数模型[13]对十堰市畜禽养殖业面源污染负荷总量进行估算。计算公式如下：

式中，T为污染物的负荷总量（kg）；
E为第种畜禽养殖伴随的第种污染物单头或只产生量（kg·a-1），A为研究区中第种畜禽类型的养殖规模（头或只）。

1.2.2 污染负荷评价方法 引用等标污染负荷法，在同一尺度上对不同污染源和污染物产生的环境负荷强度进行综合评价，识别主要污染来源和主导污染因子。本研究主要考虑TN、TP和COD 3个污染评价因子。等标污染负荷为单位时间内某污染物的产生量与环境限量标准的比值，计算公式如下[14-15]：

式中，P为第个污染源的第个污染物流失量等标污染负荷（m3）；
M为第个污染源的第个污染物流失量（t）；
C为基于水环境功能分区的第个污染物限量标准（mg·L-1），根据《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十三五”规划》目标，丹江口库区水质管理标准采用《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》Ⅱ类水质指标下限值，因此，在核算等标污染负荷时，TN、TP和COD的限量标准分别取0.5、0.1和15 mg·L-1；
K为第个污染源的第个污染物等标污染负荷比。

1.2.3 畜禽养殖源环境风险评价方法 本研究引入畜禽粪便耕地负荷量和警报值，用以评价畜禽养殖粪便对环境造成的风险等级。具体数据来源和计算过程如下[16-18]：

=/=(∑XT)（4）

=（5）

式中，为以猪当量计的畜禽粪便耕地负荷量（t·hm-2）；
为各类畜禽粪便猪粪当量（t）；
为有效耕地面积（hm2）；
X为各类畜禽粪便量（t）；
T为以猪粪氮含量为基准的各类畜禽粪便猪当量转换系数；
为畜禽粪便耕地负荷警报值；
为单位土地有机肥最大理论适宜施用量，由于耕地对畜禽粪便的承载力受土壤质地、自然生态条件、社会经济条件和农田管理水平等因素的综合作用影响，因此不同地区间的粪肥施用限量值可能存在一定的差异。目前权威部门和学界关于粪肥土地最大承载量的描述大多介于30—45 t·hm-2之间，研究人员通常会根据研究区域的变化而确定不同的粪肥施用限值[7,19]。张绪美等[20]指出，应以我国南北地理划分线800 mm等降水量线（秦岭—淮河—喜马拉雅山东南端一线）为界，以南以45 t·hm-2为有机肥最大承载量，以北则以30 t·hm-2为最大承载量。根据这一论述，十堰市地处秦巴山余脉，年降雨量超过800 mm，应采用的有机肥最大理论施用量为30 t·hm-2，且这一标准已在河南[21]、湖北[22]、四川[5,19]等地得到广泛应用。此外，从库区环境敏感性、山区土壤肥力背景、坡耕地肥力固持能力和研究区复种指数等角度考量，本研究认为将粪肥最大理论施用量确定为30 t·hm-2是合理的。畜禽粪便负荷警报值分级标准参照现有方法[2,5,19,22]，详见表1。

1.2.4 畜禽养殖环境容量的测度方法 为进一步明确基于环境负荷管理角度的养殖业总量控制水平，以猪当量表示畜禽养殖量，将不同畜禽排泄物N、P产生量换算为猪当量，以农田N、P承载力计算畜禽养殖环境容量，公式如下[10,18]：

N/P=×N/P（6）

表1 畜禽粪便负荷警报值分级

=N/P/（7）

式（6）、（7）、（8）中，N/P为耕地N（P）环境容量（t），为有效耕地面积（hm2），N/P为欧盟地区单位土地粪肥年施N（P）限量标准：N=0.17 t·hm-2，P=0.035 t·hm-2[5,16-18]。为畜禽养殖环境容量（万头猪当量），为单头猪粪便N（P）年产生量（t）。为畜禽养殖实际数量（万头猪当量），N(P)i为第种畜禽粪便N（P）年产生量（t）。

1.3 数据来源

本研究中涉及的畜禽养殖信息和耕地面积信息均来源于《十堰市统计年鉴-2020》。由于粮食作物、茶园、蔬菜、中药材和果园的耕作面积约占全市耕地总面积的90%，因此本文将以上5种土地利用类型作为有效负载面积。养殖类型主要包括猪、牛、羊和家禽四类，根据对研究区实际养殖习惯的调查结果，确定以上4类畜禽的养殖周期分别为猪300 d、牛365 d、羊365 d、家禽365 d。畜禽粪便、羊养殖面源污染输出系数根据《第一次全国污染源普查——畜禽养殖业源产排污系数手册》[23]和相关资料[16-18]予以确定，猪、牛和家禽养殖面源污染输出系数查自2021年发布的《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》[24]。本文以氮含量为基准对粪肥产生量进行转换。各类畜禽养殖规模、主要污染物年输出系数和猪粪当量换算系数取值如表2所示。各县（区、市）的畜禽养殖规模和耕地面积见表3。

表2 各类畜禽养殖量、污染物输出系数及猪粪当量换算系数

表3 十堰市各县（区、市）畜禽养殖结构及耕地面积

2.1 畜禽养殖污染物产生量及分布

根据畜禽饲养量、饲养期及污染物输出系数，计算得到2020年十堰市各类畜禽粪便资源、TN、TP和COD总量及单位耕地负荷如表4所示。全市畜禽粪便猪粪当量产生总量为306.85×104t，其中牛类粪便产生量最多，为89.86×104t，占总量的29.28%，猪的粪便量其次，为77.95×104t，占总量的25.40%，羊的粪便量为71.71×104t，占总量的23.37%，家禽的粪便资源同样不可忽视，达到67.33×104t，约占总量的21.94%。畜禽粪便中的化学污染物以COD为主，总量达到57.00×104t，且超过90%来源于牛和家禽。全市畜禽粪便TN产生量为2.63×104t，其中牛产生的TN量占全市的41.06%，家禽和羊产生的TN量大致相当，分别占全市的24.33%和23.95%。TP的产生量相对较少，仅为0.65×104t，且其来源结构与TN类似。十堰市单位耕地畜禽粪便猪粪当量负荷强度为10.15 t·hm-2，与单位土地有机肥最大理论适宜施用量（30 t·hm-2）存在较大差距，TN和TP的耕地负荷同样低于欧盟的限量标准（单位面积耕地TN、TP负荷分别为0.17和0.035 t·hm-2），分别为0.09和0.02 t·hm-2，此外，研究结果还表明，十堰地区单位耕地的畜禽粪便COD负荷强度为1.88 t·hm-2。

表4 十堰市畜禽养殖污染物负荷总量及单位耕地负荷强度

从区域分布来看（图1—3），由于县域间畜禽养殖数量和饲养结构的不同，TN、TP和COD三类主要化学污染物的空间分布存在差异。TN和TP的区域分布特征基本一致，其中郧阳区的污染量最大且主要来源于牛，TN和TP产生量分别为0.673×104和0.170×104t，占全市TN和TP总量的25.59%和26.15%。其次为丹江口市，其TN和TP产生量分别为0.516×104和0.123×104t，且主要来源于牛和家禽。房县位居第3，TN和TP产生量分别为0.445×104和0.107× 104t，且主要来源于羊，以上3个地区产生的TN和TP之和超出全市总量的60%。郧西县、竹山县、竹溪县畜禽粪便的TN和TP产生量依次减少，三者贡献了全市约36.62%的TN和36.92%的TP。畜禽粪便产生COD最多的是郧阳区和丹江口市，且均来源于牛，其COD产生量分别为16.039×104和13.041×104t，二者占全市COD产生总量的51.02%，竹山县、郧西县、竹溪县和房县的COD产生量大致相当，分别为7.547×104、7.068×104、6.746×104和6.050×104t，占全市COD产生总量的13.24%、12.40%、11.83%和10.61%。茅箭区和张湾区受限于养殖规模，其化学污染物的产生量相对较少，两个地区TN、TP和COD的综合产生量分别为0.035×104、0.007×104和0.507×104t，仅占全市总量的1.33%、1.08%和0.89%。

图1 不同县（区、市）畜禽养殖TN产生量

图2 不同县（区、市）畜禽养殖TP产生量

图3 不同县（区、市）畜禽养殖COD产生量

2.2 畜禽养殖等标污染负荷特征

分析十堰市畜禽养殖主要污染物及其来源贡献，结果如表5所示。全市畜禽养殖等标污染负荷总量为15.532×1010m3，其中TP是畜禽养殖业的首要污染物，等标污染负荷为6.474×1010m3，占总负荷的41.68%；
其次为TN（5.258×1010m3），占总负荷的33.85%；
COD的等标污染负荷最小为3.800×1010m3，占总负荷的24.47%。分析畜禽养殖污染物的来源途径可知，牛是畜禽养殖业的首要污染源，其等标污染负荷量为7.684×1010m3，占养殖业负荷总量的49.47%。与此同时，牛也是三类污染物的首要来源，对TN、TP和COD负荷总量的贡献率分别达到40.93%、44.27%和70.15%。家禽是第二大畜禽养殖污染源，其等标污染负荷为3.354×1010m3，约占总负荷的21.60%。羊的养殖污染负荷为2.757×1010m3，等标污染负荷比为17.75%。猪养殖造成的污染等标负荷最小为1.737×1010m3，仅占总负荷的11.19%。

表5 畜禽养殖等标污染负荷总量及分布特征

P为第种污染物的等标污染负荷总量（×1010m3）；
K为第种污染物总等标污染负荷比；
K为第种污染源的第种污染物占第种污染物等标污染负荷总量的比值；
P为第个污染源的等标污染负荷总量（×1010m3）；
K为第个污染源的总等标污染负荷比

Pis the total equivalent pollution load of the pollutant(×1010m3);Kis the contribution of the pollutant;Kis the ratio of the pollutant i in pollution sourceto the total isostandard pollution load of the pollutant;Pis the total equivalent pollution load of the source of pollution(×1010m3);Kis the contribution of the source of pollution

进一步分析不同地区畜禽养殖业的等标污染负荷特征，结果如表6所示。十堰市畜禽养殖污染具有一定的空间分异性，其中郧阳区是等标污染负荷最大的地区，负荷量达到4.110×1010m3，占全市负荷总量的26.46%。从负荷贡献率来看，牛养殖伴随的污染是导致该地区等标污染负荷较大的最主要原因。丹江口市的等标污染负荷仅次于郧阳区为3.130×1010m3，占负荷总量的20.15%，其中超过86%的污染负荷来源于牛和家禽，房县、郧西县、竹山县和竹溪县的负荷量依次减少，分别为2.366×1010、2.139×1010、1.947×1010和1.664×1010m3，占负荷总量的比例依次为15.24%、13.77%、12.54%和10.71%，其中羊对房县等标污染负荷的贡献率最大，达到39.38%，是该地区的首要污染源，其他几个地区的污染源依然集中于牛。茅箭区和张湾区的等标污染负荷均不超过0.1×1010m3，对全市的污染负荷贡献较低且主要集中于家禽和羊。

2.3 畜禽养殖环境风险评价

以有效耕地面积为基准，从种养平衡的角度对十堰市畜禽养殖粪便耕地负荷及环境风险进行评价，结果如表7所示。畜禽粪便耕地负荷具有明显的空间异质性，其中茅箭区是十堰市畜禽粪便污染最为严重的地区，耕地负荷量达到22.071 t·hm-2，警报值为0.736，分级指数处于Ⅲ级，会对环境构成威胁，说明尽管茅箭区的畜禽养殖量不大，但是它的耕地面积相对较少，无法消纳畜禽养殖所产生的粪便量，因此它的耕地负荷较大，污染较为严重，需格外引起重视。郧阳区、房县和丹江口市的畜禽养殖耕地承载负荷警报值在0.4—0.7之间，属于Ⅱ级，养殖环境风险状态为“稍有”，也需加以关注。此外，郧西县、张湾区、竹山县和竹溪县的畜禽粪便耕地负荷依次降低，警报值均低于0.4，处于较为理想的状态。十堰全市的畜禽粪便耕地负荷警报值为0.338，分级指数为Ⅰ，表明当前整个十堰市的畜禽粪便不会对环境构成污染，县域畜禽养殖环境风险存在差异是不同地区间养殖规模和耕地面积相互作用的结果。

从保持高产的角度出发，由于50%比例更趋近于实际管理情况，对控制畜禽养殖总量及合理调整养殖布局更具参考价值[16]，因此将实际养殖量与50%环境容量进行比较，得到养殖业环境污染风险指数，结果见表8。参考单位土地年施粪肥N、P限量标准，得出十堰市N、P耕地承载力分别为5.141×104和1.058×104t。以N为衡量标准，十堰市实际畜禽养殖量为625.95万头猪当量，超过50%环境容量（612.00万头猪当量）13.95万头猪当量，环境污染风险指数为1.023。以P为衡量标准，十堰市实际畜禽养殖量为539.51万头猪当量，超过50%环境容量（441.00万头猪当量）98.51万头猪当量，环境污染风险指数为1.223。由于P是十堰地区畜禽养殖业的首要污染物，其风险指数较N更高，且当前十堰市的畜禽养殖规模已超出环境安全承载水平，因此，从环境风险最小化的角度出发，应以P的环境承载力和潜在风险为依据确定合理的养殖规模，即十堰市的养殖总量应缩减98.51万头猪当量。具体分析各地区的环境风险可知，茅箭区和郧阳区是十堰市畜禽养殖数量超载幅度最大的地区，其P污染风险指数都大于2，已经远远超过理论环境容量，急需采取养殖总量强制性控制措施。丹江口市、房县和郧西县的畜禽养殖量也处于过饱和状态，其P污染风险指数均大于1，也会对环境构成较大压力，表明该地区的畜禽养殖总量管控和养殖污染消减工作也不容忽视。此外，张湾区的环境风险指数已趋近安全限值，也需引起重视。

表6 不同地区畜禽粪便等标污染负荷特征

P为地区的等标污染负荷总量（×1010m3）；
K为地区的总等标污染负荷比；
P为地区第个污染源的等标污染负荷量（×1010m3）；
K为地区第个污染源的等标污染负荷比

Pis the total equivalent pollution load in region(×1010m3);Kis the contribution of region;Pis the equivalent pollution load of the source of pollutionin region(×1010m3);Kis the contribution of the source of pollutionin region

表7 不同地区畜禽粪便负荷警报值及环境风险

表8 不同地区畜禽养殖环境容量及实际总量

3.1 畜禽养殖污染总量及其耕地负荷

本文依据2020年统计数据和国家权威部门推荐的畜禽粪便污染物输出系数，估算十堰市畜禽粪便资源猪粪当量为306.85×104t，且4种畜禽类型的粪便总量差距相对较小，与黄美玲等[22]的测算结果总体相当。全市TN污染负荷量是TP污染负荷量的4.05倍，与现有研究中TN与TP的污染负荷量之比大多介于5—9的研究结论稍有出入[25]，这可能与不同研究区的养殖结构存在差异有关。COD的产生量最大且明显高于其他污染物，分别达到TN和TP负荷量的21.67倍和87.69倍。有研究指出湖北省畜禽养殖业COD总量是TN和TP总量的12.62倍和85.07倍[22]，从全国范围来看，畜禽养殖业的COD总量约为TN和TP产生量的16.41倍和93.76倍[18]，可见，十堰市的畜禽养殖污染产生结构与其他地区具有一致性。具体分析可知，养牛过程中的COD输出系数较高和家禽养殖基数较大是促使十堰市COD总量显著偏大的主要原因。全市污染物来源构成具有明显的空间分异性，其中郧阳区、丹江口市和房县是污染物产生量最为突出的地区，尤其值得关注。具体而言，以上3个地区贡献了全市62.13%的TN、61.54%的TP和61.63%的COD，与之相对应的是，以上3个地区容纳了全市约58.33%的猪、60.45%的牛、61.94%的羊和66.82%的家禽养殖量，据此可以推断，不同的畜禽养殖结构和养殖规模是导致地域间污染总量存在显著差异的决定性因素。

本文以粪便中TN含量为基准，对不同畜禽粪便的产生量进行转换得到全市单位耕地畜禽粪便负荷强度为10.15 t·hm-2，与刘晓永等[8]以TP含量为依据提出的全国畜禽粪便单位耕地负荷（3.1 t·hm-2）存在较大差距，因此，在今后的研究工作中，很有必要对评价参数进行统一以便积累更多关联性更强的参考资料。需要指出的是，在以TN含量为转换因子的前提下，本文的粪便耕地负荷依然低于朱建春等[18]提出的湖北省平均水平（16.07 t·hm-2）和黄美玲等[22]关于湖北省的测算结果（16.2 t·hm-2），这可能与不同地区间的经济发展水平存在差距有关。十堰市地处鄂西北山区，畜牧养殖业和农业水平较省内其他地区相对滞后，导致该地区的畜禽粪便耕地负荷低于全省平均水平。本文的研究结果显示，十堰市的单位耕地TN、TP负荷强度分别为0.09和0.02 t·hm-2，与现行的国际推荐标准尚有较大距离，整体负荷强度处于较低水平。通过比较其他研究者在三峡库区[26]、海南省[7,27]、四川省[19]、湖北省[22]和全国[16,18]等不同尺度的研究结论可知，单位耕地的TN、TP负荷强度会随着时间的推移和空间的转换而发生较大幅度的变化，即使在同一研究区内，不同地域间的负荷强度仍然可能存在明显的差异。

3.2 畜禽养殖污染物及其来源

对十堰市畜禽养殖过程中主要污染物的解析结果表明，TP和TN是当地畜禽养殖环境管理中最需要关注的污染物，二者对全域等标污染负荷贡献超过75%，COD的产生量最大，但其等标污染负荷率却相对较小，这一结果与其他多数研究大致吻合。张英等[21]和郭利京等[28]对河南省和淮河生态经济带的研究也揭示了畜禽养殖等标污染负荷贡献最大的是TN，其次是TP，COD占比较小仅为6%左右。在丹江口库区典型流域的研究也证实，畜禽养殖等标污染物以TN和TP为主，其总负荷率约为95%[10]。然而，时晓瑞等[29]对淮河流域奎濉河典型小流域的研究则指出，COD是畜禽养殖最重要的污染物，负荷贡献率达到69.91%，其次是TN的23.71%，TP的等标负荷贡献仅为6.37%，这可能与该地区养殖业发展过程中以产生COD为主的家禽养殖规模明显高于其他畜禽种类密切相关。分析污染物的来源可知，牛和家禽的综合污染量超过了十堰市畜禽养殖面源污染负荷总量的70%，是今后开展面源污染消减工作时需要特别关注的畜禽种类。与此同时，从整个汉江流域[30]来看，牛和猪是最主要的畜禽污染来源，其等标污染负荷率分别为35.95%和34.98%，家禽的负荷率紧随其后为26.28%，羊的负荷率较小，仅为2.79%。而对丹江口库区典型农业小流域面源污染源解析的结果则证实，生猪TN、TP和COD的等标负荷占畜禽养殖源负荷总量的比例分别高达99.29%、92.73%和93.94%，是流域内畜禽养殖污染乃至整体农业面源污染防控工作的重点[10]，与本文的研究结果存在较大差异，这主要是因为该小流域内建有规模化生猪养殖企业，其生猪存栏基数大幅超出其他畜禽养殖量，使得生猪成为流域内的主要污染来源。可见，畜禽养殖的主要污染物和主要污染来源与特定地域的产业布局息息相关，在制定污染管控策略时，只有结合不同地区的养殖污染特征才能精准施策，以提升污染治理的针对性和时效性。十堰市各地区间污染负荷贡献率和污染结构存在较大差异，一方面与区域内畜禽养殖总量高度相关，显而易见的，茅箭区和张湾区因为持有的养殖总量大幅低于其他地区，所以其养殖污染负荷率占比较小。另一方面，也受高污染畜禽养殖量和畜禽养殖结构的共同作用。牛作为污染物输出系数最高的畜禽种类，在郧阳区和丹江口市的分布比例明显高于其他地区，且均贡献了以上两个地区超出一半的负荷压力，是导致郧阳区和丹江口市成为全市污染负载量最大地区的重要原因。竹溪县、竹山县和郧西县的牛养殖规模相对接近且依次低于以上两个地区，三者的主要污染也均来源于牛。而作为十堰市畜禽养殖污染第三高的地区，房县的主要污染来源于羊，其次为牛，这是因为房县容纳了全市最大体量的羊，而牛的养殖规模仅列第六，固然羊的污染系数低于牛，但养殖规模上的巨大差距依然使得羊的污染负荷占据主动。说明地区间的污染负荷特征差异不仅取决于高污染畜禽养殖量，也可能受特定地区内的养殖结构所左右。此外，不同地区的养殖面源污染特征还受生态环境、社会经济水平、种养配套能力以及养殖区和水源地之间的距离差异等因素影响，需要在今后的工作中进一步深入研究。

3.3 畜禽养殖环境风险评价

畜禽养殖环境污染风险的评价结果显示，当前十堰市畜禽养殖粪便带来的环境风险尚处于较为理想的分级区间之内，但县域之间存在一定的空间异质性。全市有1/2以上的地区存在畜禽养殖超载现象，其中尤以茅箭区和郧阳区的超载幅度最为突出，其P污染风险指数分别达到2.429和2.133，说明其养殖规模已达环境安全上限的两倍以上，处于严重超载区间，对养殖规模采取总量减半的措施迫在眉睫。进一步分析，由于茅箭区的耕地面积较小，环境承载量相对有限，较低水平的过饱和养殖量就会导致风险指数偏高，因此其养殖规模绝对消减量并不突出，而郧阳区在耕地面积相对较大的情况下，其环境风险指数依然超过2，说明该地区的超载现象已十分严重，是十堰地区养殖规模管控的重中之重。丹江口市、房县和郧西县的环境风险指数也已超过安全临界值，说明这些地区的畜禽养殖也会对环境造成不同程度的污染，考虑到这些地区的畜禽养殖基数较大，且相对充足的有效耕地面积理论上能承载更大的养殖量，说明这些地区超载的养殖规模绝对值也已处于很高水平，从全市层面看，十堰市的畜禽粪便环境负荷警报值为0.338，N、P环境风险指数分别为1.023和1.223，基于P平衡视角的十堰市畜禽养殖规模须在当前水平上削减98.51万头猪当量。本文的结论与前人的研究不尽一致，有研究得到2010年湖北省畜禽养殖的N、P环境风险指数分别为1.51和1.12[16]，2011年分别为1.7和1.4[22]，其中2011年十堰市的粪便负荷警报值为0.52，N、P环境风险指数分别为1.5和1.3[22]。湖北省三峡库区的N、P风险指数分别达到3.3和2.5[26]。可见，十堰市的畜禽养殖环境风险较全国和省域内其他地区整体较低，但不同学者对不同时段的研究结论也存在差异。本文关于十堰市畜禽养殖环境负荷和环境风险的描述较其他研究者提出的结果更低，这主要与近年来十堰市养殖规模的大幅缩减有关，一方面由于库区蓄水需要，2009—2011年，十堰市部分农户移民外地，养殖主体减少促使养殖量下降。另一方面，更重要的是自2014年12月南水北调中线工程正式通水以来，丹江口库区沿线关于畜禽养殖业的发展规划和限养政策进一步收紧，致使库区畜禽养殖规模大幅缩减。查阅资料可知，2012—2020年，十堰市的生猪养殖量降幅达66.77%，牛的养殖量减少了41.76%，羊的养殖规模降低了17.75%，家禽养殖量缩小了34.57%。相对于大幅缩减的畜禽养殖规模，同期的全市有效耕地面积降幅相对较小，约为8.64%。更小的养殖体量意味着更少的畜禽粪便排放，而相对较小的耕地面积降幅则意味着具有相对稳定的环境承载能力，正是以上两方面原因促使十堰市的养殖环境风险较以往出现下降。

需要指出的是，单位耕地畜禽粪便年养分施用限量标准往往需要根据特定地域的土壤质地、坡度、降雨、气候等因素来确定，基于此，欧盟将粪肥年施用养分量分别确定为0.17 t·hm-2和0.035 t·hm-2，超过这个限值即认为会造成硝酸盐和磷污染[31-32]。由于国内外在种植制度、作物类型、生产方式、土壤质地、农业气候等方面存在明显差异，因此直接引用国外标准可能会引起一定的误差。对此，部分国内学者针对北京平谷区[33]、上海[34]、河北[35]、海南[7]等地区的耕地或果园等做了相关研究，并根据研究区域的变化提出了不同的粪肥施用限量标准。可见，我国学者对不同地区和不同土地利用方式下的养分合理需求量也尚未形成共识。本研究在环境容量计算时采用欧盟地区的单位土地粪肥年施氮磷限量标准，主要出于以下几点考虑。其一，这一欧盟地区限值在我国被广泛应用[5,10,16,18,22]，具有比较成熟的参考价值；
其二，十堰市粮食作物面积占比较低，有效耕地中以茶叶、林果、中药材等多年生植被覆盖为主，整体复种指数小，对养分的消耗和需求较低；
其三，十堰山区土地破碎，农田以坡耕地为主，水土流失和径流强度相对较大，过多的养分投入可能会造成大量氮磷流失，从环境风险管理的角度出发，需采取更加安全的养分投入水平。因此，本文认为采取欧盟的氮磷限量标准是比较合理的，纵然如此，如何根据库区农业特点确定更加准确的氮磷投入安全阈值依然是今后的一项重要工作。

此外，本文所述的耕地负荷警报值和环境风险指数是在假设畜禽粪便全量还田的情况下得出的，然而在实际情况下，一方面由于粪尿的就地挥发和渗漏、粪便制成商品有机肥后跨境流通、零散粪污的随意抛弃以及运输损失等因素的影响，畜禽粪污不可能全部被应用于当地耕地。另一方面，是否所有的耕地均具有满足畜禽粪便还田的现实条件依然需要加以考证。因此，由公式推导出来的理论值可能无法足够准确地反映出畜禽粪便的实际环境风险，这也是今后相关研究工作中无法回避的科学问题。但从丹江口库区这一特殊地域水环境保护的角度考量，库区的环境污染风险评价工作应趋于保守，且本文计算的十堰市污染物产生总量是客观存在的，文中列出的耕地面积也是在剔除撂荒地的基础上考虑了复种指数之后的实际耕种面积，具备较高的还田利用行为可及性。因此，本文关于畜禽粪便潜在环境风险的评价结论依然能为有关部门做出谨慎的宏观决策提供重要参考。

3.4 畜禽养殖环境风险防控策略

为进一步管控和降低水源区畜禽养殖的环境风险，笔者认为应从以下几个方面考虑采取操作性较强的防控措施。一是要根据环境容量适当调整各地区畜禽养殖规模，建议考虑生产布局并加强区域间协同发展[36]，具体来看，可以将郧阳区、丹江口市、房县、郧西县和茅箭区的养殖规模缩减75.065、41.941、35.385、10.509和2.136万头猪当量，同时要鼓励环境污染低风险区适当扩大畜禽养殖规模，将竹溪县和竹山县的养殖量扩增空间分别设定为35.558和30.718万头猪当量，以达到在环境安全阈值内保持全域畜禽养殖总量的相对稳定。二是要提升养殖废弃物循环利用率。本研究是在50%畜禽粪便还田率的基础上计算得到十堰市耕地粪便承载力和养殖规模上限的，为达到这一还田比例，应重点从以下三个方面考虑：一方面要综合作物—畜禽系统的发展[37]，提高种养协同性和可持续性。例如，可以在竹溪县和竹山县等茶叶和林果主产区，大力发展“茶园养鸡”“林下养鸡”模式，将其他地区的家禽养殖份额转移至这些地区；
在张湾区和茅箭区等蔬菜主产区，推广应用猪场废水[38]回田技术等。另一方面，要大力推行养分替代利用技术。例如可以在郧阳区、郧西县等玉米-小麦主产区推广有机肥替代氮肥利用技术[39]，在规模化生猪养殖区周边构建“猪-沼-茶/果/菌”生态循环模式等。此外，要更加注重政策引导。可以通过强化农业绿色发展理念，制定有机肥回田利用以奖代补政策等方式，鼓励种养主体深度融合，实现养殖废弃物就地就近消纳。三是要注重加强对粪便的处理和资源化利用。尤其要加强对规模化养殖的雨污分流和固液分离处理基础设施建设，减少粪污无序排放。在资源化利用方面，厌氧发酵处理是一种可同时实现畜禽废弃物减量化、资源化和能源化的高效资源化技术[6]，应引起重视。堆肥手段具有对粪污无害化处理比较彻底、粪便附加值高、经济效益好等优点，是目前较为主流的畜禽粪便处理模式[40]。此外，畜禽粪便的能源化和饲料化[41]利用潜力巨大，也是可行的生态循环处理方式。四是要进一步完善政府部门对畜禽养殖风险的跟踪管理[42-43]。加强政府监管是倒逼畜禽养殖废弃物合规处理的主要手段，也是推动畜禽养殖污染防治与种养结合规划编制工作的现实需要。总之，畜禽养殖环境风险防控是一项系统工程，受特定地域的资源条件、产业结构、利用现状、粪便处理方式等多种因素的综合影响。在制定防控策略时，应根据不同地区养殖污染的来源结构及风险特征，因地制宜地从技术、观念、政策等角度入手进行分类指导，针对性地提出强制管控策略和柔性引导方式，以实现种养平衡、绿色可持续发展的目标。

4.1 十堰市畜禽粪便猪粪当量总计为306.85×104t，粪便中主要污染物产生量表现为COD＞TN＞TP，且主要来源于郧阳区、丹江口市和房县3个地区。

4.2 十堰市畜禽养殖等标污染负荷总量为15.532×1010m3，且不同地区间的污染负荷结构存在明显差异。养殖污染等标负荷率表现为TP＞TN＞COD，养牛是库区首要污染源。

4.3 十堰市畜禽粪便耕地负荷整体较低，不会对环境构成压力，但存在明显的空间分异性。总体来看，茅箭区和郧阳区是养殖污染风险较高的地区，其次为丹江口市和房县，郧西县的养殖污染也需引起重视。

4.4 以P为衡量标准，十堰市的大部分地区养殖规模已经超载，需严格控制畜禽养殖总量，同时做好废弃物的循环利用。

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Environmental Risks Assessment of Livestock and Poultry Non- Point Source Pollution in Shiyan City Based on Arable Land Carrying Capacity

GONG ShiFei1, XIAO NengWu1, DING WuHan2, JU XueHai3, WU PingHua1, YU YongSong1, LI Hu2

1Danjiangkou Reservoir of Shiyan Ecological Agriculture Institute, Shiyan 442000, Hubei;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3Rural Energy and Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125

【Objective】 Shiyan city was the core water source area of the middle route of the South-to-North Water Transfer Project, a comprehensive understanding of the current situation of livestock and poultry pollution and its potential threat to farmland would provide a basis for strengthening environmental risk control. 【Method】This paper used the livestock manure environmental risk assessment model to quantitatively analyze the source structure of livestock and poultry manure in different areas of Shiyan city in 2020, and the environmental risk from the perspective of the balance between planting and raising was comprehensively evaluated. 【Result】The total amount of livestock and poultry manure reached 306.85×104t in 2020, and it was mainly distributed in Yunyang district, Danjiangkou city and Fangxian county. COD production was the highest (57.00×104t), followed by TN (2.63×104t), and TP production was less (0.65×104t). The total equivalent standard pollution load was 15.532×1010m3, and the source structure was obviously inconsistent in different regions. TP was the primary pollutant in livestock and poultry breeding, and its equivalent standard pollution load accounts for 41.68% of the total load, followed by TN with the pollution load rate of 33.85%, and the lowest equivalent standard pollution load rate of COD was 24.47%. Cattle was the primary source of non-point source pollution in livestock and poultry production in Shiyan city, contributing 49.47% to the total pollution load of the equivalent standard, followed by poultry (21.60%). According to the result of environmental pollution risk assessment, the load of animal excretion per hectare of arable land in Shiyan city was 10.15 t·hm-2, the alarm value was 0.338 and the risk level was Ⅰ, indicating the environmental pollution was “no risk”. The load intensity of TN and TP was 0.09 and 0.02 t·hm-2, respectively, and the environmental risk index was 1.023 and 1.223, respectively, but there were obvious spatial differences among regions. More than half of the whole city had the potential pollution risk of livestock and poultry breeding, among which Maojian district and Yunyang District were the most serious. With phosphorus as the measurement standard, the total amount of breeding in Shiyan city was close to saturation, the total amount of livestock and poultry must be reduced by 98.51×104pigs equivalent on the existing basis.【Conclusion】It was of great significance to maintain a reasonable scale of poultry breeding (≤441.00×104pigs equivalent) and take measures of pollutant abatement, in order to promote the balance of planting and breeding and orderly development of livestock and poultry breeding in Shiyan city.

Shiyan city; arable land carrying capacity; livestock and poultry manure; cropland load; environmental risk

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.009

2022-02-07；

2022-06-17

中国农业科学院科技创新工程协同创新任务（CAAS-XTCX2016015）

龚世飞，E-mail：gongsfsf@163.com。通信作者肖能武，E-mail：413740790@qq.com。通信作者李虎，E-mail：lihu0728@sina.com

（责任编辑 李云霞）