摘 要

湖北省是畜禽养殖大省，巨大的养殖量背后，还承受着严峻的环境压力。畜禽粪污处理不当，不仅会污染环境，还严重影响了人类的健康。畜禽粪污中的氮、磷不仅可能污染地表水和地下水，而且影响土壤生态环境。因此，湖北省畜禽养殖和氮磷污染调查分析及其风险评估迫在眉睫。

通过畜禽产排污系数以及2015年湖北省的统计数据，估算出湖北省2015年畜禽养殖业畜禽粪尿总量及氮、磷的产生量，分析了污染物对环境污染的情况及湖北省畜禽养殖的环境容量和污染风险。结果表明：

（1）2015年湖北省畜禽的粪尿总量为8261.8万吨，主要来源于生猪，生猪养殖是湖北省畜禽面源污染的控制重点。

1. 生猪、奶牛、蛋鸡、肉鸡规模化养殖所占比例所占比例分别为52.2%、94.8%、26.0%、49.3%、65.2%，畜禽养殖集中化、规模化程度较高。
2. 以氮、磷计，全省粪便耕地负荷对环境构成污染的威胁为“稍有”。其中，随州市耕地负荷最大，为控制重点。
3. 全省氮、磷的耕地负荷分别为190.21 kg/(hm²·a)、27.39kg/(hm²·a)，大部分地区总氮、总磷的耕地负荷都超过或接近欧盟限量标准。

（5）2015年湖北省实际饲养量分别为8834. 8万头猪当量（以氮计）和9622.49万头猪当量（以磷计），大部分地区的实际养殖数量都超过50%环境容量，畜禽养殖污染较为严重。

（6）2015年湖北省畜禽粪污氮的污染指数为1.12，风险等级为较高，磷的污染指数为0.78，风险等级为中。以氮、磷为衡量标准，随州市、鄂州市、黄冈市的污染指数均较大，存在较高污染风险，这些地区应重点治理。

以上结果为湖北省畜禽养殖发展规划提供基础数据，并为畜禽环境污染防治提供科学依据。

关键词：畜禽粪污；耕地负荷；氮磷污染；总量控制；风险评估

Abstract

Hubei province is large province of livestock and poultry breeding.Behind the huge amount of livestock farming, it bears severe environmental pressure.If livestock manure is not treated properly, it will not only pollute the environment, but also seriously affect human health.The nitrogen and phosphorus in livestock manure can not only pollute surface water and groundwater, but also affect soil ecological environment.Therefore, it is urgent to investigate and analyze the pollution of livestock and poultry husbandry and the pollution of nitrogen and phosphorus in Hubei province.

According to the pollutant excretion coefficient of livestock and poultry as well as the statistical data of Hubei Province in 2015, the total amount of livestock and poultry manure, the discharge amount of nitrogen and phosphorus were estimated to analyze the environmental pollution status posed by livestock and poultry husbandry in Hubei province. Besides, the environmental capability, pollution risk of livestock and poultry husbandry were also preliminary assessed. The results are as follows.

1. In 2015, the total amount of livestock and poultry manure in Hubei Province was 82.6 million tons and was mainly from pigs.Pig breeding is the key point of controlling non-point source pollution of livestock and poultry in Hubei province.
2. the proportion of live pigs, dairy cows, laying hens and chickens in large-scale farming accounts for 52.2%, 94.8%, 26.0%, 49.3% and 65.2%, and the concentration and scale of livestock and poultry farming are higher.
3. In terms of nitrogen and phosphorus, the threat of environmental pollution caused by cropland load in the whole province is "slightly". Among them, the largest load of cultivated land is in Suizhou ,Suizhou is the key point of pollution control.
4. The average nitrogen and phosphorus load per unit area of arable land in Hubei province were 190.21kg/(hm²·a)、27.39kg/(hm²·a).The arable land load of total nitrogen and total phosphorus in most urban areas exceeded or was very close to the limit of nitrogen and phosphorus application.
5. The actual total amount of livestock and poultry in Hubei province were 88.3 million heads (equivalent based on nitrogen) or 96.2 million heads (equivalent based on phosphorus) exceeding 50% of holding capacity of environment for livestock and poultry husbandry.And the actual total amount of livestock and poultry in most of the cities had exceeded the 50% of holding capacity of environment for livestock and poultry husbandry.The pollution of livestock and poultry is more serious.
6. In 2015, the nitrogen pollution index of livestock manure in Hubei Province was 1.12, the risk level was relatively high, the phosphorus pollution index was 0.78, and the risk rating was divided into medium. Taking nitrogen and phosphorus as standards, the pollution indices of Suizhou, Ezhou, and Huanggang are relatively large and there is a high risk of pollution. These areas should focus on governance.

The above results provide basic data for future animal husbandry development plan in Hubei, and provide scientific basis for prevention and control of livestock and poultry environmental pollution.

Key words: livestock and poultry waste; farmland load; the pollution of nitrogen and phosphorus; total amount control; risk assessment

目 录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外畜禽粪污污染现状 1

1.2.1 国外畜禽粪污现状 1

1.2.2 国内畜禽粪污现状 2

1.3 畜禽粪污环境影响 3

1.3.1 水体污染 3

1.3.2 大气污染 3

1.3.3 土壤污染 3

1.3.4 危害人体健康 4

1.4 畜禽粪污治理主要方式 4

1.4.1 好氧处理 4

1.4.2 厌氧处理 5

1.4.3 厌氧—好氧组合处理 5

1.4.4 种养结合 5

1.5 研究内容 6

2材料与方法 7

2.1 数据来源 7

2.1.1 饲养量和饲养周期 7

2.1.2 规模化养殖与分散养殖 8

2.1.3 产排污系数及猪粪当量换算系数 8

2.2 数据处理 9

2.2.1 畜禽粪便总量、氮、磷产生量的估算 9

2.2.2畜禽粪便和氮磷的耕地负荷量估算 9

2.2.3 负荷警报值的估算 10

2.2.4 畜禽养殖允许总量和实际总量 10

2.2.5 农用地畜禽粪便污染风险指数计算 11

3结果与分析 12

3.1 畜禽饲养情况 12

3.2 畜禽粪便总量、总氮、总磷产生量 13

3.3 总量控制及风险评估 16

3.3.1 畜禽粪便耕地负荷及警报值 16

3.3.2 环境容量控制 19

3.3.3 氮、磷污染风险评估 20

4讨论 22

5结论及建议 24

5.1 结论 24

5.2 建议 25

参考文献 26

致谢 28

1绪论

1.1 研究目的及意义

近年来，快速发展的畜禽养殖业促进了中国农村经济的发展，畜禽养殖业逐步成为农业和农村经济的重要支柱产业。然而，随着畜禽养殖业的发展和集约化养殖程度的提高，畜禽粪污污染已经成为农业面源污染的重要原因。2011年6月，国家首次采取措施减少畜禽养殖污染排放，以此来减少污染物总量、改善农村生态环境。20世纪70年代初欧美发达国家开始认识到畜禽养殖带来的环境问题并进行了相关研究，而我国这方面研究起步较晚，近年来，越来越多的学者开展了畜禽粪污污染研究，研究的重点是对畜禽粪便负荷量进行分析，并对其进行生态环境影响评价^[1]。

湖北省是农业大省，也是畜牧大省，巨大的养殖量背后，还承受着严峻的环境压力。畜牧业已成为不可忽视的污染源。畜禽粪污处理不当，不仅会污染环境，还严重影响了人类的健康。畜禽粪便中的氮磷不仅可能污染地表水和地下水，而且影响土壤生态环境。因此，湖北省畜禽养殖和氮磷污染调查分析及其风险评估迫在眉睫^[2]。

畜禽养殖业粪污的排放及其对环境的污染是世界性难题。然而我国部分地区为追求经济效益，盲目扩大养殖规模，超出畜禽养殖承载力度，畜禽粪污污染控制问题不容忽视。畜禽粪污土地承载力是指在土地生态系统可持续运行的条件下，一定区域内耕地、林地及草地等所能够承载的最大畜禽存栏量。区域畜禽粪污土地承载力的研究可以为合理布局区域畜禽养殖规模及发展空间提供参考价值。本研究通过对2015年湖北省畜禽养殖现状进行调研，估算湖北省各市畜禽粪污产生量，基于耕地面积评价各市畜禽粪便、污水氮磷养分资源量，以基于氮磷流失风险的土地消纳容量为标准评估各市畜禽养殖粪污污染风险等级，对湖北省畜禽养殖粪污氮磷养分资源利用和氮磷流失的风险控制提出建议，为今后为湖北省畜禽养殖发展规划提供基础数据，并为畜禽环境污染防治提供科学依据。

1.2 国内外畜禽粪污污染现状

1.2.1 国外畜禽粪污现状

自上世纪50年代以来，集约化养殖逐渐在发达国家中普及开来，产生大量畜禽粪污，却没有完善相关处理措施，而是直接排放，直接或间接威胁到生态环境及人体健康。上世纪60年代，一些发达国家意识到了这个问题，纷纷采取干预和限制的措施，到目前为止，“零废物” 目标管理体系逐渐成型并发展成熟且行之有效。各生产点严格限定允许的畜禽养殖数；完善粪污贮存、处理利用的相关设施；不得在农田中施入未经无害化处理的粪污，畜禽养殖场可以支付一定费用通过市政污水处理厂处理。近年来，一些人口密度大、经济发达的国家利用各种优惠政策，在发展中国家投资畜禽养殖业，以此来转嫁风险，减轻畜禽养殖对本国环境的影响。

发达国家鼓励综合利用、资源化利用畜禽养殖废弃物，实施好氧堆肥与沼气工程相结合的“零废物”体系。由于发达国家较为注重环保意识的培养，因此多数的畜禽养殖场会主动采取有效措施以避免畜禽粪污污染相关区域的大气、水和土壤。发达国家畜禽粪污污染治理基本原则是对畜禽粪污综合利用和资源化利用，适当补贴建设粪污处理设施相关费用，全方位管理畜禽养殖场。发达国家将堆肥技术和沼气工程相结合，整个过程真正做到“零污染”排放^[3]。

1.2.2 国内畜禽粪污现状

我国畜禽养殖是农民增收的主要渠道之一，畜禽养殖数量正在迅速增长。经过多年的快速发展，取得了令人瞩目的成绩。但畜禽养殖业的发展在提高人民生活水平的同时也带来了巨大的环境保护压力。目前，中国畜禽粪污大多未经处理就直接排放，严重威胁农业环境^[4]。

畜禽养殖场的数量迅速增长，但不足的是一些地区缺乏可以处理畜禽粪便的农田，无法有效处理粪污^[5]，加剧了水体污染。调查显示，目前畜禽粪污中氮、磷流失量约为化肥流失量的122%和132%，化肥流失量要远小于畜禽粪污中氮、磷流失量，由此可以看出，畜禽粪污已对环境造成严重威胁，畜禽粪污污染已然成为我国农村面源污染一大来源。畜禽粪污等过度集中排放，远远超出了土地消纳能力和环境承载能力，同时，随着化肥、农药的过量使用，直接威胁着居民身体的健康。为了实现畜禽粪污循环利用，促进养殖业可持续发展，必须尽快制定出相关的畜禽粪污处理技术^[6]。

整体来看，我国大多数畜禽养殖场内部环境管理薄弱粗放，且缺乏畜禽养殖污染防治方面的环境政策、法律法规，这是造成畜禽养殖环境危害的根本原因。在经济效益的影响下，养殖企业为追求经济效益并没有在养殖环境治理和废弃物综合利用方面大力投资，大多数规模化畜禽养殖场都未制定畜禽粪污污染防治措施，缺乏必要的粪污污染治理设施。缺乏低成本处理和综合利用畜禽粪污的相关技术是另一个引发畜禽养殖场环境污染的重要原因^[7]。

作为一种重要的有机肥资源，畜禽粪便具有数量大、养分高、有着悠久的利用历史等特点，而目前由于种养分离导致的粪肥资源无法得到合理有效的利用，不仅导致氮磷钾等养分损失，降低了其养分价值，还引发了许多环境问题。2010年“第一次全国污染源普查公报”的结果表明，畜禽养殖粪污污染在我国农业面源污染中占首要位置^[8]。有机养分资源利用是当前低碳经济、循环经济的热点，已成为当前时代背景下全球关心的主题。未来中国要想实现农业可持续发展，关键是资源的高效性循环，减少资源和能源消耗。对畜禽粪污资源进行有效的养分管理，减少粪污中氮磷等有机养分的流失量，减少因养分流失而导致的土壤环境污染，了解和开发高效的有机养分资源利用技术是实现农业可持续发展的重要途径。

1.3 畜禽粪污环境影响

畜禽养殖污染主要是畜禽排泄物对环境造成的影响，具体体现为畜禽养殖场排放的粪渣、污水及恶臭气体等对水体、大气、土壤及人体健康、生态系统等造成的直接或者间接的影响^[9]。

1.3.1 水体污染

畜禽养殖过程中根据饲养方式粪污污染水环境的途径可归纳为以下几种，一是粪污在清洗过程中随冲洗水流失，造成水体污染；二是粪污在堆放贮存过程中造成的地下水环境污染；三是未经处理而直接将粪污排入附近水体，造成的水污染。

畜禽粪污直接排人水体，大量氮、磷以及饲料添加剂的残留物等高浓度的有机物，会进行厌氧消化，污染水源，破坏生态环境。粪污中的氮、磷未经处理直接排入或者通过淋洗、流失等途径进入水体中，会造成水体污染。畜禽粪污中的磷流入河流、湖泊后，一方面会促进藻类、浮游生物等在水中大量生长繁殖，这过程中生成多种有害物质；另一方面会使水中生化需氧量、化学需氧量、固体悬浮物等升高，以上两方面均会导致水体富营养化，最终造成水体缺氧，不仅破坏了水生生物的生长环境，使水中动植物大量窒息死亡，水体腐败变质，还造成了农业生产大面积减产^[10]。

1.3.2 大气污染

粪污排放后产生的气体是大气污染的重要来源，可能导致人体呼吸道疾病^[11]。随着畜禽养殖逐渐向规模化、集中化发展，产生大量畜禽粪污，大多畜禽养殖场没有相应处理技术，只能露天堆积或直接排放。畜禽粪便排出体外后，在微生物作用下降解，然后与粉尘、呼出的CO₂及霉变垫料等混合后，生成NH₃、 CO₂、H₂S、CH₄、甲基吲哚、脂肪族的醛类和硫醇类等恶臭气体。且畜禽粪污中还含有硫化物等物质，挥发后与生成的恶臭气体构成高浓度臭气层，威胁大气环境于人体健康。此外，在畜禽养殖过程中会产生大量粉尘，融入大气后会随大气扩散，其附着的微生物，寄生虫和虫卵等会造成严重的大气污染^[11]。

1.3.3 土壤污染

土壤对有机物质的自净能力会被畜禽粪污逐渐削弱。当土壤中的畜禽粪污超过土壤自净能力时，土壤性状便会发生改变，进而导致土壤孔隙阻塞板结，严重破坏土壤环境。此外，畜禽养殖用到的合成饲料中含有一定的铜、砷等元素，粪便排出体外后，这些元素并不能被土壤完全吸收，反而会污染土壤，影响土壤经营的持续性与农产品安全。畜禽粪污中氮磷养分、重金属及残留的抗生素、激素、兽药等污染物均会造成土壤污染。土壤环境虽然具有一定的自我净化能力，但其进程较慢，因此存在生物污染和疫病传播风险^[13]。

1.3.4 危害人体健康

在有氧条件下，畜禽粪污会发酵分解，分解过程中导致细菌大量繁殖，传播疫病，对居民的居住环境和健康都产生了巨大影响，而畜禽养殖行业的发展也因此受到阻碍。畜禽粪污产生的恶臭物质会通过畜禽的呼吸道和消化道排出，极大的伤害人体健康。如可能会使生物大脑皮层的调节功能发生紊乱，严重一点的可能会丧失嗅觉功能，导致呼吸系统失调；恶臭物质还会刺激人眼，导致人体贫血及组织缺氧等。此外，寄生虫卵、病原微生物及滋生的蚊蝇等的大量繁殖，也会对畜禽和人体健康产生不利影响^[14]。畜禽粪污中还含有大量无机、有机态的氮、磷，一旦被分解，会产生致癌效应。其中硝基盐还会对生活用水水质造成污染，从而威胁人体健康。

1.4 畜禽粪污治理主要方式

1.4.1 好氧处理

畜禽养殖粪污治理中好氧生物处理是指在有氧作用下，通过好氧或兼性微生物的好氧代谢，降解污水中有机物，达到稳定化、无害化的要求^[15]。好氧生物处理方法有曝气、生物流化床、生物滤池、生物转盘、接触氧化和SBR等。

目前，堆肥法是我国广大地区畜禽粪污好氧处理采用的普遍方法，常用于处理垃圾以及人畜粪便。其原理是将畜禽粪便和秸秆、垫草、稻壳等混合利用微生物对废弃物中的有机物进行代谢分解，经过一系列生物化学反应，分解废弃物中不稳定的复杂有机成分，在高温下进行无害化处理，并将其转化为稳定的简单有机成分，并能产生有机肥料。堆肥过程中产生的高温能够杀灭粪污中的虫卵、病原菌和蛆蛹。经无害化处理后，物料施于农田，提供养分，还能改善土壤结构。利用堆肥处理畜禽粪污可以处理包括畜禽粪便的多种有机废弃物，处理较为彻底无害且资源可循环利用，还可以提高粪便的附加值。然而堆肥过程中高浓度臭气的产生，影响人体健康。堆肥的适用范围为没有污水只有固体粪便的规模化蛋鸡养殖场、肉鸡养殖场、羊场等。

1.4.2 厌氧处理

畜禽养殖粪污治理中厌氧生物处理是指厌氧细菌利用厌氧微生物在无氧条件下发生降解作用，生成氢、甲烷和二氧化碳等，从而净化污水中有机物质，以此来净化污水。较为常用的处理畜禽养殖粪污的厌氧工艺主要有污泥床滤器、厌氧滤器、两段厌氧消化、上流式厌氧污泥床、升流式污泥床反应器^[16]。