王爽，孙磊，金梁，李伟群，陈雪丽，谷学佳，王玉峰，常本超，张磊

（黑龙江省农业科学院博士后科研工作站，黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江省肥料工程技术研究中心，哈尔滨 150086）

黑龙江省畜禽养殖量时空分布特征及耕地污染负荷分析

王爽，孙磊，金梁，李伟群，陈雪丽，谷学佳，王玉峰*，常本超，张磊

（黑龙江省农业科学院博士后科研工作站，黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江省肥料工程技术研究中心，哈尔滨 150086）

随黑龙江省畜禽养殖量快速增加，畜禽粪尿无害化、资源化利用及其对环境风险评价引起关注。文章利用统计资料和文献数据，计算近35年黑龙江省畜禽养殖数量、排泄物及其污染物产生量变化，从时空维度评价该地区畜禽粪尿资源的环境风险。以当量猪计算，黑龙江省畜禽养殖总量由1980年2 363.17万头上升至2014年10 641.78万头，粪尿产生量由2.18×107t上升至7.75×107t，增幅达2.56倍，粪尿总氮和总磷排放量分别为1980年3.24和3.79倍。空间分布上，黑龙江东部、中部及北部大兴安岭地区畜禽养殖量最低，西部松嫩平原地区畜禽养殖量约为东部三江平原4.5倍；畜禽粪尿总量及总氮、总磷产生量在地理学上也呈由东向西、自边界向内陆逐渐增大特点。黑龙江省畜禽养殖量及粪尿排放量空间分布极不平衡，但畜禽排泄物耕地负荷并未对环境产生负面影响。

畜禽养殖；粪尿养分；时空分布；污染潜势

畜禽养殖业作为农业重要组成部分，其粪便面源污染问题已成为关注焦点[1]。欧盟硝酸盐法规中规定单位耕地面积粪尿氮、磷投入量不能超过170和35 kg·hm-2[2]。目前，我国畜禽粪便年排放量超40亿t，是工业有机污染物4.1倍[3]，畜禽粪便产生的COD（化学需氧量）远超工业废水和生活污水COD总和[4]，粪肥投入导致土壤Olsen-P增量为等量化肥3倍[5-6]。可见，如管理、利用不善，畜禽粪便将成为威胁环境主要污染源[7]。

目前，黑龙江省畜牧业稳步发展，产业规模迅速扩大，重点发展奶牛、肉牛、生猪三大主导品种[8]。为推动由畜牧大省向畜牧强省战略转变，黑龙江省提出到2020年全省畜禽养殖规模化比重达60%以上目标。因此，系统分析黑龙江省畜禽养殖业发展时空变化趋势及其粪尿养分对耕地环境影响，对实现黑龙江省畜牧业及农业可持续发展意义重大。

畜禽排泄物产生量估算及环境承载能力预测国内外已有报道，包括畜禽养殖量统计、畜禽粪尿排放量估算、氮/磷养分耕地负荷[9-11]、畜禽粪便污染风险预测及环境承载能力评价等[12-13]，一般采用排泄系数和模型模拟等方法估算畜禽养殖污染排放、评价污染风险。但模型模拟受参数获取等限制难以在全国或一定区域大范围应用[11]，且我国尚未统一排泄系数，不同研究中排泄系数、估算方法不一致[14]，目前针对畜禽粪尿资源在区域尺度及历史时间上变化规律缺乏系统研究。

针对以上问题，本文利用统计年鉴数据分析黑龙江省近35年畜禽养殖情况、时空分布特征，结合黑龙江省实际情况，采用国家环保部推荐排泄系数计算畜禽排泄物及其污染物产生量，研究黑龙江省耕地畜禽养殖污染负荷变化，其对耕地环境影响时空演变规律，以期为畜禽养殖业科学发展和有效控制管理提供支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

黑龙江省地处我国东北部，东部和北部以乌苏里江、黑龙江为界河与俄罗斯相邻。黑龙江省行政区域及水系分布见图1，有黑龙江、松花江、乌苏里江、绥芬河四大水系，松花江南北斜贯全省，形成东北部三江平原和西南部松嫩平原[15]。地处北纬43°25'～53°33'，东经121°11'～135°05'，总土地面积4 525.4万hm2，其中耕地面积1 586.6万hm2，黑土、黑钙土和草甸土等占耕地60%以上，土壤有机质含量高于全国其他地区，是世界三大黑土带之一[7]。地理区位优越、气候条件适宜、生态环境优良，发展现代畜牧产业优势显著。

图1 黑龙江省行政区划及水系分布Fig.1 Administrative division and water system distribution in Heilongjiang Provinces

1.2 数据收集及测算方法

黑龙江省主要畜禽（猪、牛、羊、禽）养殖数量、耕地面积等数据主要来自《黑龙江统计年鉴》[16]（数据记载年限为1980-2014年）和《中国统计年鉴》[17]，部分数据经计算得出。畜禽养殖数量适宜值与警戒值选取，按照畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596-2001）。考虑猪、牛、羊、家禽养殖周期差异，均选用猪年末出栏量、牛年末存栏量、羊年末存栏量、家禽年末出栏量代表各类畜禽1年养殖量[11]。

为便于评价畜禽养殖量总体变化，本研究畜禽养殖数量采用生猪当量作标准化计算（依据各种畜禽每年氮排放量换算），以衡量畜禽养殖规模对环境冲击程度，1头牛=13.55头当量猪，1只羊= 1.26头当量猪，1只家禽=0.06头当量猪[11]。

由于畜禽种类不同，相同畜禽间品种不同，畜禽性别、生长期与生产性能、喂养畜禽饲料种类、饲料利用率等不同，畜禽排泄物及污染物产生量差异显著[18]。本研究根据黑龙江省实际情况，采用国家环保部推荐排泄系数计算畜禽排泄物及其污染物产生量[19]，排泄系数如表1所示，本研究采用计算方法如下：

畜禽粪尿产生量=畜禽养殖数量×日排泄系数×畜禽饲养周期；

畜禽粪尿耕地承载量=畜禽粪尿产生量/耕地面积；

畜禽粪尿氮（磷）产生量=畜禽养殖数量×日粪尿氮（磷）产生量×畜禽饲养周期；

畜禽粪尿氮（磷）耕地承载量=畜禽粪尿氮/耕地面积。

表1 畜禽粪尿及污染物年排泄系数Table 1 Years excretion coefficient of livestock wastes and pollutants (kg·头-1·年-1)

2 结果与分析

2.1 黑龙江全畜禽养殖量时间变化规律

根据1980～2014年黑龙江省畜禽养殖量统计结果，近35年黑龙江省畜禽养殖发展可分三个阶段（见图2）：第一阶段：畜牧业稳步发展（1980～1994），该阶段处于我国第6至第8个五年发展规划期间，畜牧业推行联产承包责任制，鼓励和支持农民发展家庭畜牧业，此阶段畜牧业发展得到重视，各类畜种养殖数量平稳上升；第二阶段：畜牧业全面发展（1995～2005年），各类畜禽养殖数量持续增长，1997年黑龙江省家禽养殖量达18 580.7万只，为近35年最高值。随生产规模不断扩大，畜禽养殖进入多样化发展阶段，这一时期奶牛、肉牛、生猪等动物养殖量持续上升，到2005年，全省畜禽养殖单位数量达最高，特别是猪出栏量为1994年3.9倍。2006年生猪价格下跌，玉米价格上涨，导致2006年猪出栏量及存栏量大幅下降，全省存栏量下降约30%；此外，受禽流感疫情影响，2006年全省家禽数量锐减；第三阶段：畜牧业现代化发展（2006至今），随畜牧业生产结构优化，畜牧业向技术集约型、资源高效利用型、环境有好型转变，向现代畜牧业生产体系发展[11]。按照当量猪计算，黑龙江省畜牧业经35年发展，畜禽养殖总量由1980年2 363.17万头上升至2014年10 641.78万头，2014年畜禽养殖总量为35年前4.5倍。

图2 近35年黑龙江省的畜禽养殖量Fig.2 Annual livestock and poultry production in Heilongjiang Province during 35 years

2.2 黑龙江省主要畜禽养殖区域分布

黑龙江省生猪养殖区域分布在西南部和东部，肉牛养殖区域分布在西部和东部，主要养殖县市为龙江县、安达市、海伦市、依安县、嫩江县、拜泉县等，奶牛养殖主要在西部，主要养殖市县包括齐齐哈尔市、大庆市和哈尔滨市周边地区。以2014年数据为例，黑龙江省13个地市畜禽养殖量区域性差异明显（如表2所示），哈尔滨和绥化两地畜禽养殖量居高，牛存栏量分别为211.92和208.26万头，而七台河、鹤岗及大兴安岭地区牛存栏量在5万头以内；鹤岗及大兴安岭地区家禽出栏量不足哈尔滨地区4%。按照猪当量计算，视猪当量最高的绥化地区养殖量为100%，其余地区不同畜禽种类猪当量比例如图3所示。由图3可知，东部、中部及北部地区畜禽养殖量最低，相应畜禽粪便资源量对环境冲击度最小，西部松嫩平原地区（哈尔滨、大庆、绥化、齐齐哈尔）畜禽养殖量约为东部三江平原（鸡西、鹤岗、双鸭山、佳木斯和七台河）4.5倍。

表22014年黑龙江各地区的主要畜禽养殖量Table 2 Annual livestock and poultry production in each city of Heilongjiang in 2014

图3 黑龙江省畜禽养殖量空间分布Fig.3 Distribution of livestock and poultry production in Heilongjiang Province

各市县近5年统计结果表明，牛存栏量、羊存栏量及家禽出栏量均呈平稳上升趋势，肉猪出栏量及猪年末存栏量（数据未列出）均为绥化地区最高，年均肉猪出栏量及年均猪年末存栏量分别达654和526万头（见图4）。

2.3 黑龙江省畜禽粪排泄物农田负荷量分析

畜禽养殖量直接影响畜禽粪便产生量，各地区畜禽养殖数量差异导致区域畜禽粪便产生总量及粪便养分总量不同。根据表1和表2数据计算黑龙江省近35年主要畜禽粪尿产生量（如图5所示），其变化与畜禽养殖数量变化趋势一致，牛粪尿产生量最大，占畜禽年粪尿排泄总量比例73.32%。 1980～2005年，随全省各类畜禽养殖数量持续增长，产生排泄物量增多。

图4 近5年黑龙江各地区主要畜禽养殖量变化Fig.4 Livestock and poultry production changes in each city of Heilongjiang Province during the recent five years

由图6可知，2005年达峰值11 500.76万t，为1980年5.28倍；2006～2008年畜禽粪尿总量出现波动，但2009年以后趋于平稳，且总体呈下降趋势。虽近5年全省畜禽排泄物总量增幅较小，但总量仍较大，如2014年粪尿排泄物总量7 751.42万t，为1980年的3.56倍；同时，畜禽粪尿中也含有大量对环境有害污染物，2014年黑龙江省由畜禽粪尿排放BOD、COD、NH3-N、TP、TN分别为135.07、164.78、15.95、7.77和38.81万t，分别为1980年3.42、3.57、3.74、3.24和3.79倍。

图5 黑龙江省近35年主要畜禽排泄物总量变化Fig.5 Animal excrement total changes during 35 years in Heilongjiang Province

图6 黑龙江省近35年主要畜禽污染物产生量及变化趋势Fig.6 Amount and changes of liverstock pollutants during 35 years in Heilongjiang Province

单位耕地畜禽粪尿承载量是衡量地区畜禽密度主要指标，如果单位耕地面积畜禽粪尿承载量过大，可能导致大量畜禽粪尿在土壤中积累，带来面源污染风险。因此深入分析单位耕地面积氮污染负荷（即耕地纯氮承载量）可客观反映畜禽养殖污染程度[18]。本研究结果表明，以最低限度30 t为最大理论适宜量，计算耕地负荷警报值R，当R＜0.4时，畜禽排泄物负荷对环境无影响；0.4＜R＜0.7时，有轻微影响，当R＞0.7时，畜禽排泄物负荷对环境影响极大。如表3所示，截至2014年，黑龙江省畜禽排泄物耕地负荷并未对环境产生负面影响，特别是自2009年以来，耕地纯氮和纯磷承载量有逐年下降趋势，从全省角度分析，粪尿氮、磷的平均耕地负荷远低于欧盟限量标准（单位耕地面积耕地粪尿氮、磷分别低于170和35 kg·hm-2）[2,20]。

根据畜禽粪尿及污染物年排泄系数计算2014年黑龙江省各地区畜禽排泄物量如图7所示，由于绥化、哈尔滨和齐齐哈尔为生猪、肉牛及奶牛养殖主要地区，畜禽排泄物产生量较大，年产生量达2 400万t以上；其次为大庆和佳木斯，年产生量为1 100～1 320万t；大兴安岭、伊春、鹤岗和七台河市等非畜牧业主要发展地区排泄物产生量较小。总体上，松嫩平原畜禽排泄物总量为三江平原5.1倍。

表3 黑龙江省近15年畜禽粪尿耕地负荷Table 3 Livestock and poultry manure cropland load of Heilongjiang Province during 15 years

图72014年黑龙江省各地区畜禽排泄物产生量(万t)Fig.7 Generation of livestock excreta from different sitis of Heilongjiang Province in 2014

2014年黑龙江全省畜禽总氮产量约38.81万t，13个地市畜禽总氮产污量划分为3个等级，总氮产量低值（0.28～1.71万t）为大兴安岭地区、伊春、鹤岗、双鸭山、七台河和鸡西市；中等水平（3.14～6.67万t）为大庆、佳木斯、牡丹江和黑河市；高值（12.39～15.34万t）为哈尔滨、齐齐哈尔和绥化市。由图8可知，与俄罗斯接壤的东南部地区各县市总氮产量相对较低，产污量为1.29～1.61万t；西南部与内蒙古及吉林相邻各县市畜禽总氮产量较高，尤其是齐齐哈尔、大庆、绥化及哈尔滨地区，2014年平均总氮产量达12.32万t，约为东南地区10倍。可见，松嫩平原农产品主产区受畜禽粪尿排放氮磷影响最大。总体上，黑龙江省畜禽粪尿总氮产量在地理学上呈现由东向西、自边界向内陆逐渐增大特点，一些边境市县以发展对俄经济、贸易为主，农业特别是畜牧业发展相对受限。

图82014年黑龙江省各主要农区的畜禽粪尿氮、磷产污量(万t)Fig.8 Manure N and manure P amounts in the main agricultural areas of Heilongjiang Province in 2014

3 讨论

1978～2012年，我国畜牧业GDP增加130倍，而种植业GDP增加42倍，从畜禽粪便养分循环利用角度，种植业和养殖业关系密切，种养循环利用粪肥养分是当前畜禽粪肥利用肥有效途径[21]。1980～2014年黑龙江畜禽养殖调查结果表明，黑龙江省畜禽养殖经历从稳步发展到全面发展、再到现代化发展三个阶段，经35年发展历程，畜禽养殖总量增幅达3.5倍。但黑龙江省畜禽养殖业发展在空间分布上表现不平衡。西部松嫩平原地区畜禽养殖量约为东部三江平原4.5倍。13个地市猪出栏量绥化市最高，羊存栏量齐齐哈尔市最高，牛存栏量和家禽出栏量哈尔滨市最高。首先，从地理位置角度分析，大兴安岭地区、黑河市、伊春市及三江平原佳木斯、鹤岗、双鸭山和鸡西等市属于边境市县，相对于其他非边境市县，这些地区主要发展对外贸易、进出口加工、旅游、服务等产业，农业及畜牧业发展相对落后，畜禽养殖量相对较低；而与内蒙古和吉林相邻的松嫩平原地区受其他省份影响，各方面协调发展，有利于畜牧业发展。其次，从生产结构角度分析，种植业和养殖业发展平衡地区更利于畜牧业发展，发达种植业可为畜禽养殖提供充足饲料，满足畜禽养殖需求。黑龙江省根据千亿斤粮食工程和畜牧业“十二五”规划要求，积极开展“农牧主辅换位”，实现畜牧业迅速发展[22]。此外，黑龙江省牧草地集中分布的松嫩平原，西部草场是全国三大优质草场之一，占全省牧草地面积73.2%，为三江平原草地面积近3倍。牧草资源丰富，为该区域畜牧业发展提供足够饲料资源[23]。黑龙江省畜禽排泄物总量在地理学上呈由东向西、自边界向内陆逐渐增大特点，即牧业产值高地区畜禽粪尿产生量大，这一特征与周天墨研究结果一致[15]。可见，地理位置和生产结构差异是造成黑龙江省畜禽养殖区域发展不平衡主要原因。优化生产布局和区域间养分协同管理调控畜禽粪尿污染，是黑龙江省畜禽养殖业发展重点。

畜禽粪便能够补充土壤中有机物、水分和营养物质，提高土壤微生物活性[24]。因此，畜禽粪便循环有效利用是农业可持续发展重要组成。统计畜禽粪便蕴藏氮、磷等养分资源，将其合理返还农田将减少大量化学肥料投入。黑龙江省畜禽排泄物环境风险评价研究已有报道，如马林等从宏观上估计东北地区畜禽粪尿资源及其污染潜势，畜禽粪尿流失率在20%左右，并预测到2020年畜禽养殖业对环境污染风险将进一步扩大[25]；李帷等对中国东北三省畜禽粪便排放影响土壤养分平衡情况开展时空分析，表明从1996～2005年，相对于吉林和辽宁两省，黑龙江省畜禽粪便耕地负荷较小，在现有化肥投入水平下，黑龙江省畜禽密度尚存发展空间[7]。虽然黑龙江省畜禽养殖环境承载能力较强，但1998～2005年呈明显下降趋势。1980～2014年，全省各类畜禽粪尿排放量与养殖量具有相同动态变化趋势，虽然近5年全省畜禽排泄物总量增幅较小，但总量仍然很大。畜禽粪尿产量增加必然导致畜禽粪尿中污染元素产量增加。统计单位耕地面积畜禽粪便氮、磷营养元素负荷对于耕地污染风险表明，目前黑龙江省畜禽排泄物耕地负荷并未对环境产生不利影响，但随着黑龙江畜牧业的快速发展畜禽排泄物对耕地产生不利影响与环境污染问题应予关注。

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Spatial and temporal distribution features of livestock and poultry production and pollution load of cultivated land in Heilongjiang Province/

WANG Shuang,SUN Lei,JIN Liang,LI Weiqun,CHEN Xueli,GU Xuejia,WANG Yufeng,CHANG Benchao,ZHANG Lei(Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences Postdoctoral Programme, Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources,Key Lab of Soil Environment and Plant Nutrition of Heilongjiang Province,Heilongjiang Fertilizer Engineering Research Center,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China)

With the livestock and poultry industry rapidly increasing,people are getting focused on harmless utilization of livestock and poultry manure and its environment risks evaluation.Here,we calculated the amount of livestock and poultry and the changes of relative manure for nearly 35 years,and then evaluated the environment risks of livestock and poultry manure on a systematic and quantitative analysis onthe temporal and spatial variability of livestock and poultry productions and manure nutrients in Heilongjiang Province using statistical data and reference.The total animal manure production increased from 2.36×107heads in 1980 to 10.64×107heads in 2014 in Heilongjiang Province,according to the calculation of equivalent pig.The amount of excrement increased from 2.18×107t to 7.75×107t by 2.56 times.The excretion of total nitrogen and total phosphorus was 3.24 and 3.79 times that of 1980,respectively.From the spatial dimension,the amount of livestock and poultry was the lowest distributed in the eastern,middle and northern parts,and the Daxing'anling region of Heilongjiang Province.In terms of amount of livestock and poultry,the Songnen Plain was about 4.5 times that of Sanjiang Plain.In general,amount of livestock and poultry productions and manure nitrogen and manure phosphorus showed the characteristics of increasing from east to west and from border to inland in geography,which was caused by the difference of regional specialization in livestock and poultry production and related policies.Although the amount of livestock and poultry and excrement were extremely unevenly distributed,but nutrients load of animal manure does not have a negative impact on the environment in Heilongjiang Province.

livestock and poultry industry;manure nutrient;spatial and temporal distribution;pollution potential

S141；X713

A

1005-9369（2016）12-0038-10

时间2016-12-28 10:33:07 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161228.1033.008.html

2016-10-28

黑龙江省博士后基金（LBH-Z12234）；黑龙江省科技特派员计划项目（GC14B512，GC15B501）；国家科技支撑计划（2013 BAD07B01）；国家科技重大专项（2014ZX07201-009）；黑龙江省省院科技合作项目（YS15B23）

王爽（1981-），女，副研究员，博士，研究方向为农业环境、微生物生态。E-mail:wangshuang0726@163.com

*通讯作者：王玉峰，研究员，研究方向为农业环境。E-mail:wangyf2001@163.com

王爽,孙磊,金梁,等.黑龙江省畜禽养殖量时空分布特征及耕地污染负荷分析[J].东北农业大学学报,2016,47(12):38-47.

Wang Shuang,Sun Lei,Jin Liang,et al.Spatial and temporal distribution features of livestock and poultry production and pollution load of cultivated land in Heilongjiang Province[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(12):38-47.(in Chinese with English abstract)