我国养猪业粪便排泄物污染时空测度及处理技术的选择

邬兰娅， 齐振宏， 黄炜虹， 左志平

(1.三峡大学经济与管理学院，湖北宜昌 443002； 2.华中农业大学经济管理学院，湖北武汉 430070； 3.中南财经政法大学武汉学院经贸系，湖北武汉 430079)

我国是一个传统的生猪养殖大国和消费大国，养猪业的迅速发展不仅满足了人们对猪肉产品的需求，还有力推动了农村经济改革和相关产业的发展，养猪业已经成为我国农业和农村经济发展的支柱产业。然而，养猪业由传统散养户向规模化养殖小区方向发展的同时，也出现了粪便还田率低、粪便处理不当及环境污染等问题。据测算，一个万头猪场日排污水量80～100 t，日排粪量约8 t，猪废弃物中含有的氮、磷等有机污染物造成水体富营养化、恶臭、土壤板结；废弃物中含有的致病菌如大肠杆菌、沙门氏菌等是人类的10～100倍[1]。如果对生猪粪便排泄物缺乏妥善的处理，必将破坏生态平衡、影响猪肉产品质量和人体健康状况。因此，本研究以我国1998—2014年的生猪饲养量数据为依据，测算出全国及各地区的生猪粪便及主要污染物的排泄量，以过剩氮、磷量为测量指标来测度我国及各地区的生猪粪便排泄物污染情况，并进一步探讨我国生猪粪便氮、磷素污染的时空特征及原因，以期从宏观上把握我国生猪粪便排泄物污染的现状与特征，最后根据养殖规模和地区差异比较分析我国养猪户对生猪粪便排泄物处理技术的选择，从粪污处理技术采纳方面提出减少粪便排泄物污染的相关建议，以期实现我国养猪业的可持续发展。

1 生猪粪便排泄量计算

1.1 生猪饲养量数据

本研究选取的生猪饲养量数据来源于1999—2014年《中国畜牧业统计年鉴》所公布的统计数据。已有的研究在测算生猪的粪便产量时，以生猪的年末存栏量为年饲养量，由此所得数据是生猪饲养1个周期的粪便量，而生猪的平均饲养期为199 d[2]，生猪养殖的全年产量应远远大于其年末存栏量，以年末存栏量为年饲养量所得结果可能会偏小[3]。因此，本研究根据生猪的生长周期来确定其饲养量，以每年生猪的出栏量作为年饲养量。

从图1可知，我国生猪产业发展迅速，1998—2006年生猪年出栏量持续走高，而在2007年生猪出栏量有所回落，接近于2002年的出栏量，这可能与2007年禽流感导致的“猪肉荒”和猪肉价格周期性波动有关；之后几年，生猪年出栏量逐年增长，到2014年我国生猪出栏量已达到73 510.4万头。近年来，随着我国经济不断发展和生活水平不断提高，居民对猪肉的消费和需求也不断上升，加上国家政策对养猪业规模化发展的鼓励和扶持，使得生猪产业迎来发展的高潮。2014年我国各地区生猪出栏量见图2，四川、河南、湖南、山东和湖北5省的生猪年出栏量都大于4 000万头，为我国的生猪养殖大省。

1.2 生猪粪便排泄量计算

目前，关于生猪粪便的排泄系数，没有统一的国家标准，引用较多的则是王方浩收集比较了国内1994—2004年公开发表的文章，取平均值确定的各种畜禽粪便排泄系数[4]。生猪粪便排放量计算公式为：

Q=N×T×P。

式中：Q为生猪粪便年产生量，万t；N为生猪出栏量，头；T为生猪饲养期，为199 d；P为生猪粪便排泄系数，为 5.3 kg/d。

根据表1中生猪粪便排泄系数及主要污染物的平均含量，本研究计算出了2014年我国各地区生猪粪尿及污染物的排放量，2014年我国猪粪和猪尿的排放量分别为29 257.14万、48 274.28万t，比1998年分别增长了9 271.49万、15 297.96万t；化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)的数量比1998年分别增长了619.8万、605.25万t；氨态氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的排放量比1998分别年增长了50.43万、105.00万、39.57万t(表2)。从各个地区污染物排放量来看，生猪饲养量越多，其粪尿及主要污染物的排放量也越大。

表1 生猪粪便排泄系数及污染物平均含量

注：数据来源于《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》。

表2 2014年我国各地区生猪粪尿排放量

2 生猪粪便污染的测量指标——过剩氮、磷的测度

农业生产系统中氮、磷平衡状态，是决定作物产量、土壤肥力以及对农业环境影响的重要因素[5]。农业生产系统中氮、磷养分缺失会使土壤肥力不足，造成农作物减产；氮、磷养分盈余则会导致土壤养分流失，造成环境污染，养分盈余问题就会显现[6]。而生猪粪便排泄物中，氮、磷元素是含量最多的元素，因此本研究以农业生产中的过剩氮、磷量作为生猪污染的测量指标。根据曲劳(Truog)的养分平衡法理论，作物与土壤之间养分供求平衡，才能保持农业生态系统的良好循环，即过剩氮/磷量=氮/磷量供给-氮/磷量需求[7]。本研究过剩氮/磷量的测算公式为：

Ysurplus=Ymanure+Yfertilizer-Ycrop；

Ymanure=∑N×P×r；

Ycrop=∑Ci×Ti；

Ysurplus为过剩氮/磷量；Ymanure为生猪粪便氮/磷总量；Yfertilizer为化肥中氮/磷养分折存量；Ycrop为农业生产所需的氮/磷总量；N为生猪出栏量；P表示生猪的粪便排泄系数；r表示生猪粪便中氮/磷养分含量；Ci表示第i种农作物的年产量；Ti表示第i类农作物100 kg产量所需的氮、磷养分量[8]。而各地区化肥氮、磷养分折存量和主要农作物年产量数据来源于1999—2015年的《中国畜牧业统计年鉴》和《中国农村统计年鉴》公布的统计数据。

从表3可知，我国自1998年以来一直存在“过剩氮、磷”的现象，环境污染形势严峻。且本研究只考虑了生猪粪便排泄物的氮、磷养分量，没有考虑牛、家禽等其他畜禽的有机肥供氮、磷量以及土壤的基础肥力，如果把这些都考虑其中，则我国的过剩氮、磷量会更多。另外，由于我国各地区生猪饲养量、耕地面积、种植种类及方式的不同，各地区过剩氮、磷的数量也有很大差异。2014年我国过剩氮、磷量排在前6位的地区是河南、湖北、新疆、广东、云南、江苏，排在最后6位的地区是山西、青海、西藏、江西、吉林、黑龙江。根据前文数据分析，四川、河南、湖南、山东和湖北为我国的生猪养殖大省，而湖南和山东两地区的过剩氮、磷量则明显偏少；江西、黑龙江两地区的生猪养殖量相对较多，但过剩氮、磷量为负值，因此无法直观地判断出过剩氮、磷量与生猪饲养量之间的关系，须对生猪粪便氮、磷素污染进行时空特征分析。

表3 1998—2014年我国过剩氮、磷总量

3 生猪粪便氮、磷素污染时空特征及原因分析

3.1 生猪粪便氮、磷素污染时空特征分析

为分析我国生猪养殖氮、磷元素污染特征及时空差异，本研究根据2014年各地区人均GDP差异选取典型地区，从较高人均GDP地区和较低人均GDP地区来考察过剩氮、磷量的特征及变化。2014年人均GDP前5位的省份是天津、北京、上海、江苏、浙江；人均GDP末5位的省份是广西、西藏、云南、甘肃、贵州。

由图3可知，在1998—2014年期间，随着时间的延长，我国人均GDP前5位的省份的过剩氮、磷总量呈现出先增长后下降的趋势，北京市、天津市和上海市的过剩氮、磷总量一直偏低，且随着时间的延长呈下降趋势，江苏省虽然过剩氮、磷总量偏高，但近年来下降的幅度也较大，浙江省也呈下降趋势。从图4可知，在1998—2014年期间，随着时间的延长，我国人均GDP末5位的省份中的广西、云南、贵州的过剩氮、磷总量呈现出不断增长的趋势，西藏地区虽然过剩氮、磷量一直是负值，但也越来越趋近0。近年来，对于经济发达地区，北京、天津、上海和浙江四地区的生猪饲养量持续下降且化肥施用量也逐渐减少，江苏地区的生猪饲养量虽波动幅度不大，但化肥施用量持续降低，再加上对粪污处理技术的实施和完善，致使经济发达地区的过剩氮、磷量呈现出下降趋势，污染有所降低。而经济欠发达地区生猪饲养量和化肥施用量则持续增长，从而导致过剩氮、磷量的不断增加，一方面，养猪业规模化发展，规模养殖户的生猪粪便排放量大，在缺乏处理技术的情况下，无法简单通过有机肥还田来提供农作物所需要的养分，致使有机肥料的养分资源量必然增多；另一方面，农业生产的化肥肥料投入大幅增加，且肥料利用效率十分低下，致使肥料养分残留在土壤或随地表径流进入水体， 成为农业生产污染的源头[9]。

3.2 原因分析

根据Copeland and Taylor于1994年提出的“污染避难所”(pollution haven hypothesis)假说，在差异化环境规制水平的推拉作用下，专业养殖大户或规模化养殖场更易于聚集在经济欠发达的资源丰裕地区[10]。胡浩等研究表明，上海、北京及一些大城市的生猪饲养已经向周边地区或偏远地区转移，这种转移既发生在省份之间，也发生在省内地区之间[11]。在市场竞争中，成本提升往往意味着利润减少，对于养猪业这种环境污染型产业，当地政府势必会制定相应的环境规制标准，而对于经济发达地区，人们一般具有较高的环境意识，他们在注重经济发展的同时更加注重生活质量，因而经济发达地区通常会制定较严格的环境管理制度和环境管制的执行力度，环境规制的存在促使养猪户必须投入更多的治污费用，这无疑增加了养猪户的生产成本。如上海市早在1995年就制定了《上海市畜禽污染防治暂行条例》，随后在2004年又发布了《上海市畜禽养殖管理办法》，这是我国首部对畜禽养殖行为进行规范的地方性法规。2008 年，为了治理太湖流域水污染，江苏省制定了《江苏省太湖流域水污染综合治理实施方案》(简称“方案”)，方案规定，对流域内畜牧生产进行科学规划、合理布局、分区管理，划定畜禽禁止养殖区、限制养殖区和适度养殖区。环太湖1 km及主要入湖河流上溯10 km两侧1 km范围为禽畜禁养区；环太湖1～5 km地区为限养区；环太湖5 km外地区为适度养殖区；对新建的规模养殖企业，必须经过环境影响评价后方可建设等。这些地方性法规是在国家发布的相关条例的基础上根据当地实际情况增加制定的，体现了经济发达地区治理畜禽养殖污染的强度和决心，这在一定程度上促使经济发达地区的养猪户更加注重生猪粪便的治理和利用，畜禽粪便经过有效处理成为有机肥料，减少了化学肥料的使用。另外，生猪养殖成本的增加，也逼退了部分养猪户的继续养殖，生猪饲养量逐年下降，从而减少了过剩氮、磷量的产生，改善了养猪业环境污染。

但是，随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，对于猪肉的消费需求却不断增加，这给其他地区养猪业的发展带来了机遇。对于经济欠发达地区，当地政府和居民的关注点更多的是在经济发展上，在养猪业的发展上持有鼓励和支持的态度，环境规制相对较弱，具有一定的成本优势，且经济欠发达地区的资源相对丰富，更加促进专业养猪户或规模养猪户的转移和发展。长此以往，经济欠发达地区成为了经济发达地区的污染避难所。因此，简单的产业转移并不能从根本上解决污染的产生，在养猪业规模化、集约化发展的前提下，如何科学有效地处理生猪粪便排泄物，从而使废弃物转化为养分源才是控制养猪业粪便排泄物污染的关键所在。

4 猪粪便排泄物处理技术的选择

生猪养殖的末端治理仍是养猪业环境污染的主要环节，养猪户对生猪粪便排泄物的科学处理，能有效减少过剩氮、磷量的排放，缓解养猪业环境污染。长久以来，我国养猪户对生猪粪便排泄物的主要处理方式包括粪便还田、沼气生产和废弃。随着养猪业的不断发展和对养猪业污染的日益重视，生猪粪便排泄物的处理技术得到不断完善和广泛推广，如粪便还田前进行自然堆肥、粪便饲料化、氧化塘养鱼、销售和综合化利用等。然而，不同地区、不同规模的养猪场饲养方式、管理经营、经济能力、自然资源条件等差别很大，某一种粪便处理技术很难对排泄物进行有效处理，一般都是几种粪便处理技术的优化组合。因此，本研究以养殖规模和地区为划分依据，对生猪粪便排泄物处理技术的选择进行归纳分析。

4.1 按养殖规模划分

4.1.1 小规模养猪户粪便排泄物处理技术 小规模养猪户饲养规模小，产生的粪便排泄物较少，处理技术主要采用自然堆肥、小规模沼气池等方法。养猪户对粪便排泄物进行自然堆肥处理后主要用于粪便还田，增加土壤肥力；还可以建设小规模的沼气池，通过厌氧发酵，产生的沼气可用来照明、做饭等日常使用，沼渣可作饲料肥料等。

4.1.2 中大规模养猪户粪便排泄物处理技术 与小规模养猪户相比，中大规模养猪场粪便排泄量大，比较典型的是采用“固液分离+厌氧堆肥+氧化塘处理”综合处理技术。首先，通过自然沉降的方式对生猪排泄物进行固液分离，对固体部分，可以通过厌氧堆肥，成为肥料还田；而液体部分，多采用氧化塘的方式，氧化塘维修简单、便于操作且运转费用低，在我国，特别是在缺水干旱的地区，生物氧化塘是实施污水的资源化利用的有效方法。

4.2 按地区差异划分

4.2.1 北方“四位一体”生态模式 “四位一体”生态农业模式是我国北方生态农业发展中最为典型的模式，该模式以沼气为纽带，种植、养殖相结合，通过生物转换技术，将沼气池、畜(禽)舍、厕所、日光温室联结在一起，组成综合利用体系[12]。如图5所示，人畜粪便进入沼气池，沼气可供民用，沼渣作为肥料种菜瓜果，而日光温室为沼气池和猪舍提供适宜的环境。

4.2.2 南方“猪-沼-果(菜、林)”生态模式 该模式的具体流程如图6可见，先对猪粪便排泄物进行固液分离，把猪粪堆肥发酵形成有机肥，作为菜地、林地、果地的肥料；液体则排入沼气池厌氧发酵，沼液通过专门管道或车辆运输至果园、草地或树林等用于基肥、追肥。该模式将生猪粪便排泄物中的污染元素处理到最低，作为有机肥被农作物完全吸收利用，不会对环境造成污染[13]。

综合以上分析，肥料化和能源化是不同养殖规模和地区养猪户处理粪便排泄物的主要方式，而沼气技术是粪污处理的首选技术。关于沼气技术的特点、运用及效益等方面我国学者已经进行了大量研究[14-15]，沼气工程的运用价值比较显著，它的推广与实施有利于减少养猪业粪便排泄物污染。

5 结语

本研究基于我国1999—2015年的统计年鉴数据，对我国养猪业粪便排泄物污染进行测度，研究结果表明，第一，我国生猪产业发展迅速，到2014年我国生猪总出栏量已达到 73 510.4 万头，其中，四川、河南、湖南、山东和湖北5省的生猪年出栏量都大于4 000万头，为我国的生猪养殖大省。第二，随着我国生猪饲养量的增加，生猪粪尿及主要污染物的排放量也越来越大，2014年我国猪粪尿的总排放量为 77 531.42万t，比1998年增长了24 569.45万t；COD、BOD、NH3-N、TP和TN的数量比1998年分别增长了619.8万、605.25万、50.43万、105万、39.57万t。第三，通过对我国及各地区过剩氮、磷量的测量发现，我国自1998年以来一直存在“过剩氮、磷”的现象，全国每年有900万t以上的过剩氮、磷元素进入到环境中，环境污染严重；2014年，我国过剩氮、磷量排在前6位的地区是河南、湖北、新疆、广东、云南、江苏。第四，根据2014年各地区人均GDP差异，分析典型地区的生猪养殖氮、磷元素污染时空差异发现，经济发达地区生猪饲养量和化肥施用量持续下降，过剩氮/磷量呈现出下降趋势，而经济欠发达地区生猪饲养量和化肥施用量持续增长，过剩氮/磷量也不断增加，“污染避难所”假说在一定程度上解释了这种现象，但不能从根本上解决养猪业污染。第五，根据养殖规模和地区差异比较分析了养猪户选择的粪便处理技术，沼气技术是粪污处理的首选，因此以沼气工程为核心优化组合其他处理技术，能有效促进生猪粪便的资源化利用，从根本上解决养猪业环境污染。

参考文献：

[1]程 序. 中国农业与可持续发展[M]. 北京：科学出版社，2007.

[2]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.

[3]张 晖. 中国畜牧业面源污染研究[D]. 南京：南京农业大学，2010.

[4]王方浩，马文奇，窦争霞，等. 中国畜禽粪便产生量估算及环境效应[J]. 中国环境科学，2006，26(5)：614-617.

[5]陈敏鹏，陈吉宁. 中国区域土壤表观氮磷平衡清单及政策建议[J]. 环境科学，2007，28(6)：1305-1310.

[6]Tamminga S. Pollution due to nutrient losses and its control in European animal production[J]. Livestock Production Science，2003，84：101-111.

[7]Copeland B，Taylor S. North-south trade and the environment[J]. Quarterly Journal of Economics，1994，109：755-787.

[8]孟祥海. 中国畜牧业环境污染防治问题研究[D]. 武汉：华中农业大学，2014.

[9]岳丹萍. 江苏省养猪业污染与对策的实证研究——基于农户行为的分析[D]. 南京：南京农业大学，2008.

[10]周 力. 产业聚集、环境规制与畜禽养殖半点源污染[J]. 中国农村经济，2011(2)：60-73.

[11]胡 浩，应瑞瑶，刘 佳. 中国生猪产地移动的经济分析——从自然性布局向经济性布局的转变[J]. 中国农村经济，2005(12)：46-52.

[12]孙贝烈，陈丛斌，刘 洋. 北方“四位一体”生态农业模式标准化结构设计[J]. 中国生态农业学报，2008，16(5)：1279-1282.

[13]王丽辉，陈舟航，郑柏华. 福州市畜牧业发展与环境保护[J]. 福建畜牧兽医，2012，34(1)：27-30.

[14]陈 豫，杨改河，冯永忠，等. 沼气生态农业模式综合评价[J]. 农业工程学报，2010，26(2)：274-279.

[15]蔡亚庆，仇焕广，王金霞，等. 我国农村户用沼气使用效率及其影响因素研究——基于全国五省调研的实证分析[J]. 中国软科学，2012(8)：58-64.