Sustainable Development
Vol.08 No.02(2018), Article ID:24413,9 pages
10.12677/SD.2018.82013

Research on the Spatial Distribution Characteristics of Livestock and Poultry Pollution

—A Case Study of Zhuxi County in Shiyan City

Tongwei Dai, Zhaohua Li, Yaqi Song

Faculty of Resources and Environmental Science, Hubei University, Wuhan Hubei

Received: Mar. 19th, 2018; accepted: Apr. 11th, 2018; published: Apr. 18th, 2018

ABSTRACT

Nowadays, agricultural non-point source pollution from livestock and poultry has become more prominent. Using the geographic information system (Arcgis), authors analyzed the poultry breeding situation and spatial distribution characteristics of pollution in Zhuxi County, which is a water conservation area in the Danjiangkou reservoir of the Central Line Project of South-to-North Water Diversion, in order to provide a reference indicator for livestock breeding development and pollution prevention in Zhuxi County. The results show that: the present situation of livestock and pollution in Zhuxi is from north to south, and from low to high altitude, presenting a decreasing trend of breeding density and pollution load; there is unreasonable spatial distribution, and pollution prevention and control measures are not perfect. Shuiping Town contributes the highest pollution load rate reaching 11.26%, the emission intensity of Chengguan Town even exceeds twice the level of the county average, and Xinzhou Town owns the greatest development potential among the residual farming potential towns.

Keywords:Livestock Industry Pollution, Breeding Density, Pollution Load, Emission Intensity, Breeding Bearing Capacity, Spatial Distribution

畜禽养殖污染空间分布特征研究

—以十堰市竹溪县为例

戴同威,李兆华,宋雅琦

湖北大学资源环境学院,湖北 武汉

收稿日期:2018年3月19日;录用日期:2018年4月11日;发布日期:2018年4月18日

摘 要

目前,畜禽养殖产生的农业面源污染日渐凸显,笔者采用地理信息系统(Arcgis)对南水北调中线工程丹江口水库的水源涵养区竹溪县的畜禽养殖现状和污染的空间分布特征进行了分析研究,以期对竹溪县畜禽养殖发展及污染防控提供一定的参考指示作用。结果显示:竹溪县畜禽养殖及污染现状基本呈现由北至南,海拔从低至高,养殖密度及污染负荷不断下降的趋势;存在空间分布不合理,污染防治措施不完善的问题。污染负荷最高的水坪镇综合贡献率达到了11.26%,排放强度最高的城关镇水平甚至超过了全县平均水平的2倍;剩余养殖潜力发展潜力最大的乡镇的是新州镇。

关键词 :畜禽养殖污染,养殖密度,污染负荷,排放强度,养殖承载力,空间分布

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

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1. 引言

随着人类社会的不断进步发展,人们对于物质生活水平的要求也迅速提升,对禽蛋肉制品的需求量也不断攀升,促使畜禽养殖产业不断扩大,随之而来的畜禽养殖污染物产生排放量也快速增加。畜牧产业发展步伐的加速导致我国畜禽养殖规模化率快速提高,现代化的集约型规模养殖方式导致了畜禽养殖业与种植业的完全脱离,加之畜禽排放粪便的不合理处置,使得畜禽养殖污染成为了我国农业面源污染的最主要来源,甚至是整个环境污染的最主要来源。根据第一次全国污染源普查数据,我国畜牧业污染排放的COD、总氮和总磷的分别为1268万吨、102万吨和16万吨,分别占全国污染排放总量的42%、22%和38% [1] 。国家对畜禽养殖污染也越来越重视,全国畜牧总站结合实际情况提出了种养结合模式、清洁回用模式、达标排放模式、集中处理模式等四种畜禽粪便资源化利用技术 [2] 。

目前,关于畜禽养殖污染的研究主要分为三个层次:养殖现状调查,污染源头分析,污染成因解析。例如包旭等以大庆市畜禽养殖污染及减排现状为例,对污染产生的问题及成因进行了分析 [3] ;程晓燕等通过走访调查的方式对建德市莲花镇规模化畜禽养殖面源污染进行了调查研究 [4] ;孔祥才等运用EKC模型证实规模化养殖场与环境污染之前确实呈现“倒U型”关系,同时结合养殖成本收益状况对养殖户的环境治理选择行为及影响因素进行了分析 [5] 。

据统计2016年十堰市畜禽养殖产业生产总值达100.5亿元,生猪、牛、羊和家禽的出栏量分别达到192.5万头、13.5万头、111.8万头、2536万只 [6] 。从总体上来看,养殖规模不算太大,但十堰市地处国家南水北调中线工程丹江口水库的关键地区,其水质安全对于国家稳定和社会发展具有举足轻重的意义 [7] 。竹溪县是十堰辖区内的县级市,位于鄂、陕、渝三省交界出,南水北调中线工程核心水源区西南部,是汉江上游堵河水系的源头地区,随着南水北调中线工程正式通水,如果竹溪县畜禽养殖污染得不到有效防治,不仅对全县的生态环境会造成严重危害,甚至还会对北方的供水安全及保障产生影响。

2. 研究区概况及数据来源

竹溪县位于大巴山脉东段北坡,十堰市西南部,为鄂西北的边陲。地处东经109˚29'~110˚8',北纬31˚32'~32˚31'。县境南北长104公里,东西宽51公里。幅员面积3310.52 km2,下辖11镇4乡。2016年常住人口为31.39万人,城镇化率为36.8%,农业人口为19.84万人,常用耕地面积为45.58万亩,地区生产总值达72.81亿元,其中畜禽养殖业生产总值为13.44亿元。

竹溪县是汉江最大支流堵河的源头(正源、西源)、国家南水北调中线工程水源区之一。竹溪县域内河流均属堵河水系,有大小河流197条,多年平均降水量1089 mm,多年平均水资源为22.5亿m3 [8] 。

本次研究的所采用的数据资料来自于收集文献和实地调查。文献资料主要为《竹溪县统计年鉴》(2014~2016年)以及环境局、畜牧局提供的有关数据资料,实地调查主要以现场勘探咨询为主。

3. 研究方法

3.1. 分析指标及计算方法

1) 畜禽养殖密度

畜禽养殖密度是值单位面积的土地畜禽养殖量,单位是头猪当量/km2。他能系统的反应整个区域内畜禽养殖的整体状态及各分区之间畜禽养殖数量分布的差异,对于研究区域内的总氮、总磷的综合流失量具有重要意义 [9] 。本次研究的畜禽基本单位为成年生猪当量,计算方法为先将研究区域内所有畜禽养殖量转化为生猪当量,再与区域国土面积相除。

2) 畜禽养殖污染负荷

目前国内外的畜禽养殖污染负荷的计算只能通过经验系数法进行计算,通过地区分布特征的畜禽粪尿产生量估算源强系数,即每次牲畜每日产生的污染负荷,在于畜禽养殖总量以及养殖天数相乘得到污染负荷。本次研究的畜禽养殖污染负荷量的计算根据《全国水环境容量技术指南》以及竹溪县的实地情况对相关系数进行取值 [10] 。

计算公式如下:

W i = k c i n i m i

其中,Wj为第j中污染物的负荷量,k为污染物入河系数,ci为污染物排放系数,ni为第i种畜禽养殖数量,mi为转换系数。

选取的负荷污染物主要有COD、氨氮、总氮和总磷,畜禽养殖污染物的入河系数k以12%计算;(参照经验系数估算,中南地区生猪畜禽养殖场育肥、干清粪)主要污染物排放系数ci为:化学需氧量50 g/头∙天,氨氮10 g/头∙天,总氮21.6 g/头∙天,总磷6.8克/头∙天;转换关系即mi的取值情况如下:30只蛋鸡相当于1头猪,60只肉鸡相当于一头猪,3只羊相当于一头猪,1头牛相当于5头猪(本次调查资料由于肉鸡、蛋鸡没有明确分清养殖数量,转化系数取中间值45)。

3) 畜禽养殖污染物排放强度

目前,虽然我国畜禽养殖规模化、专一化程度越来越高,但总体上来说大部分地区特别是贫困山区还是以农户散养模式为主,畜禽粪便的最终处理方向主要还是农田生态系统。污染物排放强度是指污染负荷与研究区耕地面积的比值,他能在一定程度上反映区域内污染物的排放状况和农业耕种活动消解转化畜禽粪便污染物的能力 [11] 。

4) 畜禽养殖承载容量

本次畜禽养殖承载容量的计算采用基于作物养分需求的单位农田载畜数量计算法以N、P2O5为标准,根据作物养分需求量和畜禽粪便养分产量来确定单位农田地(有效耕地面积)承载的畜禽数量 [12] [13] 。研究表明竹溪县每公顷农用地每年承载的生猪数量大致如下:大田类作物为25~50头,蔬菜类作物为20~40头,果茶类作物为3~10头。通过获取研究区农业用地耕种资料即可估算出畜禽养殖环境承载容量范围。

3.2. 分析方法

通过Arcgis软件将计算结果空间可视化,得出竹溪县各乡镇畜禽养殖密度、污染负荷、排放强度、承载容量及养殖潜力的分布情况,并分析上述指标在全县内的分布规律和不同区域间的差别与联系。

4. 结果与分析

4.1. 竹溪县畜禽养殖总量现状

2016年竹溪县肉牛出栏量336,430头,存栏量50,870头;生猪出栏量260,700头,存栏量169,800头;肉羊出栏量74,503只,存栏量70,612只;禽类出栏量1,094,600羽,存栏量1,535,300羽。其中规模化养殖均不超过5%,绝大多数还是个体农户散养方式。据调查农户散养畜禽粪污往往不能有效的进行处理,大多数直接通过冲刷,清扫等方式直接将粪污排放入水体,仅有极少的一部分通过简单的堆肥处理后转移到农田。

根据表1显示,从绝对数量上来说近三年来竹溪县畜禽养殖结构仅有生猪在2016年减少了约20%,牛、羊和禽类近三年养殖总量基本保持不变。畜禽种类不同,养殖投入和持续时间也存在差异,污染物产生量也不同。为便于比较畜禽养殖变化趋势,现根据上述转换关系将其他主要畜禽数量转换为猪当量。2016年竹溪县畜禽总养殖量为95.9万头猪当量,其中生猪占44%,牛占45%,羊占5%,禽类占6%。因此可以说竹溪县的养殖畜禽为生猪和肉牛为主,各占半边天。

据不完全调查统计竹溪县共有规模养殖场(小区) 198家,生猪59家,肉牛33家,肉羊82家,禽类24家。其中有69家没有任何清粪工艺,仅有24家有完备的干粪清理设备,其它都仅仅只是对粪污进行简单处理就直接排放至水体。普遍存在以下问题:1) 未落实干清粪制度,干清粪收集处理力度不足;2) 缺少雨污分流设施,雨污混流现象普遍;3) 干粪未按指定地点收集、处理;4) 未建立封闭的排污沟和污水分级处理沉淀池,存在明渠道输送污水现象,缺盖板;5) 沼气设施未能实现粪便资源化利用。

4.2. 畜禽养殖密度分布

计算结果表明:2016年竹溪县畜禽养殖密度为290头猪当量/km2,低于十堰市的324头猪当量/km2,各乡镇中养殖密度最大的城关镇甚至达到了1521头猪当量/km2,达到了十堰市全市平均水平的4~5倍,竹溪县全县品均水平的5~6倍,其次是中峰镇为865头猪当量/km2。通过Arcgis软件,将数据导入地图文件中,使计算结果空间化,获得2016年竹溪县畜禽养殖密度空间分布图,见图1。通过养殖密度空间分布图,可以发现竹溪县畜禽养殖密度呈现由北至南依次降低的现象。这与竹溪县地势高程有密切关系,竹溪县北部的蒋家堰镇、城关镇、水坪镇处于地势较低的低山丘陵地带,地势相对平坦,交通便利,林木覆盖率也相对较低,且这些乡镇的行政面积相对较小,属于全县人口相对密集的区域,农户养殖相对专一化,大多实行集约型养殖,主要的养殖品类为生猪、肉鸡,因而畜禽养殖密度较大,畜禽养殖污染面临严重风险;相反的位于竹溪县南部高中山地区的丰溪镇、桃源乡、向坝乡,平均海拔面积达到了1500米左右,林木覆盖率很高,行政面积相对较大,属于全县人口稀疏的贫困山区,农户养殖多采用山区自由放养模式,主要以食草类牲畜如本地山羊、勋巴黄牛等特色养殖为主,因此畜禽养殖密度较小,尽管该地区的养殖业生态化程度很高,但仍需要对养殖总量进行严格控制在环境承载力之内。

Table 1. Statistics of livestock and poultry breeding in Zhuxi County of 2014~2016

表1. 2014~2016年竹溪县畜禽养殖情况统计

Figure 1. Density distribution of livestock and poultry in Zhuxi County

图1. 竹溪县畜禽养殖密度分布

4.3. 畜禽养殖污染负荷及分布

根据上文提出的公式计算竹溪县畜禽养殖污染负荷,计算结果如表2

因此2014年至2016年竹溪县畜禽养殖污染负荷具有明显下降趋势,但从总量来说直至2016年竹溪县畜禽污染仍十分严重。据统计2013年竹溪县工业源COD排放量为1138.88吨,随着减排任务的不断

Table 2. Pollution load and emission intensity of livestock and poultry in Zhuxi County of 2014~2016

表2. 2014~2016年竹溪县畜禽养殖污染负荷及排放强度

达成,2016年的排放量肯定低于1138.88吨,由此可以看出竹溪县畜禽养殖COD排放量达到了工业排放量的2倍左右。县政府对于全县畜禽养殖的污染总量控制必须做出足够重视,而不仅仅只是对工业等点源污染进行严格控制,提高全县畜牧业可持续发展水平。

利用公式计算出各乡镇畜禽养殖污染负荷以及排放强度,结果如表3并将计算结果导入Arcgis数据中得到竹溪县畜禽养殖污染负荷空间分布图,将调查结果以图片形式表现出来,具体见图2

从总体排放数量来看,竹溪县畜禽养殖污染负荷量最大的乡镇是水坪镇,COD排放量达到了228.81吨,TN排放量达到了98.84吨,TP排放量达到了31.12吨,综合贡献率达到了11.26%,其次是兵营镇和丰溪镇均COD排放量均达到了约190吨,贡献率约为9.4%,负荷量最少的是林场及保护区,COD排放量为63.87吨,贡献率仅为3.14%。其总体趋势还是随着地势的升高污染负荷不断下降,从北至南污染负荷不断降低,其中南部地区的丰溪镇和天宝乡可能由于人口密度相对较大,畜禽养殖量相对较多,污染负荷也随之升高。

竹溪县平均污染物排放强度为:COD 60.68 kg/hm2、总氮26.21 kg/hm2、总磷8.25 kg/hm2。北方低海拔丘陵区污染物排放强度基本稳定在全县平均水平以下,南部高山地区的排放强度反而普遍较高,这主要是由于辖区内耕地面积分布不均导致的,北部地区虽然畜禽养殖负荷较高但耕地面积也多,农业作物消解吸收畜禽粪便的能力更强,反之南部地区虽然土地面积广阔,但地处高海拔山区耕种条件不利,养殖种类也以肉牛等高产污牲畜为主,且养殖规模大,排放强度反而较高,对周边山区生态环境产生了巨大压力。COD排放强度最大的是城关镇,达到了144.05 kg/hm2,远超过竹溪平均值62.69 kg/hm2,这主要是由于城关镇处于全县行政及商务中心,人口密集,土地集约利用程度高,耕地面积相对较少,同时由于交通方便许多大型规模化养殖场都设立在周边。

4.4. 畜禽养殖承载力及养殖潜力

表4可知,采用最高系数计算时,竹溪县环境承载容量为3,898,030头猪当量,剩余承载比例为76.19%,全县乡镇中畜禽养殖承载容量最高的是水坪镇,达到了约50万头猪当量,同时2016年水坪镇的畜禽养殖规模最大,养殖总量也达到了约10万头猪当量,但剩余畜禽养殖环境承载容量39.5万头猪当量,比例为79.10%,剩余畜禽养殖环境承载容量最高的是兵营镇,达到了86.39%,最低的是城关镇为50.56%。

采用最低系数计算时,全县畜禽养殖环境承载容量为1,599,168头猪当量,剩余承载比例为41.95%,此时承载容量最低的城关镇仅为42,536头猪当量,已经低于2016年全镇的养殖总量,其畜禽养殖产生的污染负荷已经超过的环境允许量。同时,蒋家堰镇、兵营镇和丰溪镇的剩余环境承载比例也低于25%,对环境造成了严重威胁,如果养殖规模继续保持或上升可能会对生态环境带来难以恢复的伤害。

Table 3. Distribution of pollution load and emission intensity of livestock and poultry in Zhuxi County of 2016

表3. 2016年竹溪县畜禽养殖污染负荷及排放强度分布情况

Figure 2. Spatial distribution of COD and ammonia nitrogen load in Zhuxi County of 2016

图2. 2016年竹溪县COD、氨氮负荷空间分布

Table 4. The bearing capacity of livestock and poultry and the distribution of residual culture potential in Zhuxi County

表4. 竹溪县畜禽养殖承载力及剩余养殖潜力分布情况

4.5. 畜禽养殖污染防治面临的主要问题

1) 畜禽养殖粪便综合利用率偏低。目前,竹溪县已经完成了“禁养区、限养区、适养区”的三区划定,对于规模化畜禽养殖小区(场)污染防治做出了严格要求,截止至2017年县畜牧局携手环保局完成了全县“一场一策”调查研究,对于全县198家养殖小区养殖状况做出了合理评估并因场制宜的一一提出了防治对策,极大的降低了县域内规模化畜禽养殖污染风险。据不完全统计,全县规模化畜禽养殖粪便无害化处理率达到了90%以上。但竹溪县规模化畜禽养殖比例相对较小,不到10%。农户散养的畜禽粪便,由于农户自身物质条件和思想观念等因素限制,很少会进行严格的无害化处理,往往只是进行简单的处理或就地还田。综合来看,全县畜禽养殖粪便无害化综合利用率偏低。

2) 畜禽养殖布局、结构不合理。由前文可知竹溪县畜禽养殖主要呈现由北至南依次递减的趋势,各乡镇养殖量的分布不均匀,特别是人口密集的城关镇,畜禽养殖密度太大。生猪和肉牛养殖是竹溪县养殖比例占90%左右,排放粪便量较多,对生态环境造成了严重危险,某些乡镇污染负荷甚至超过了承载容量。生猪和禽类养殖主要集中在南方地区,北方林地密集,林下经济发展潜力巨大,对于本地香猪、野猪、土鸡和三合乌鸡等禽类发展具有巨大潜力,但未充分发掘。

3) 农户个人思想观念落后,对于畜禽养殖环境保护没有正确概念意识。笔者通过与农户交谈发现,个体农户认为环境保护的主要责任在于环保机构和规模养殖户,农户自身对于畜禽养殖污染的认识程度仅仅局限于不能将粪污直接排放入水体,对于畜禽养殖粪污通过地表径流产生的农业面源污染基本不能理解。

5. 结论与建议

通过本次实地调查和资料统计,采用经验系数法和Arcgis软件全面的计算分析了竹溪县2016年畜禽养殖结构和污染负荷分布现状,得出以下主要结论:竹溪县畜禽养殖污染与地区海拔高度、人口密度、交通状况以及水源地密切相关,基本呈现以汇湾河为界,汇湾河以北的蒋家堰镇、中峰镇等乡镇的污染状况远高于十堰市和竹溪县平均水平,汇湾河以南的乡镇都基本低于十堰市和竹溪县的平均水平,且呈现越往南方高海拔地区越低的趋势。同时,基于N、P2O5等农作物所需营养物质为基准计算得到的竹溪县畜禽养殖环境承载容量为160~390万头猪当量,总体而言竹溪县畜禽养殖总量处于环境安全范围内,具有一定的扩展潜力,但其中部分乡镇如城关镇、蒋家堰镇的养殖总量过大,对生态环境具有极大的威胁。

总而言之,目前竹溪县畜禽养殖污染防治已刻不容缓。竹溪县政府应以整体规划和个体推动实施相结合的手段,采取各种行之有效的措施,优化养殖结构布局,提高养殖户环保意识,促进畜禽粪便减量化、无害化和资源化处理,推动竹溪县畜禽养殖可持续化发展。

基金项目

中央引导地方科技发展专项“秦巴山区农村生态脱贫科技特派员工作站”项目资助。

文章引用

戴同威,李兆华,宋雅琦. 畜禽养殖污染空间分布特征研究—以十堰市竹溪县为例
Research on the Spatial Distribution Characteristics of Livestock and Poultry Pollution—A Case Study of Zhuxi County in Shiyan City[J]. 可持续发展, 2018, 08(02): 112-120. https://doi.org/10.12677/SD.2018.82013

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