基于耕地土壤环境容量预测吉林省畜禽养殖量.pdf

2023 年第 13 期 总第 101 期生态环境19基于耕地土壤环境容量预测吉林省畜禽养殖量梁馨月1 王靖懿1 陈雍旭1 刘芳君1 金明姬2*（1.长春市农业科学院，吉林长春 130000；2.延边大学地理与海洋科学学院，吉林延吉 133002）摘 要：随着畜禽粪便还田利用政策的实施，未被畜禽体内吸收的重金属元素通过畜禽粪便排放到环境中。由于重金属不易消散且易积累，因此畜禽粪便还田利用对耕地重金属污染问题存在潜在风险。本文以吉林省为研究对象，对该地区重金属耕地土壤环境容量进行了分析，并利用重金属耕地土壤输入量和输出量，预测了吉林省最大畜禽养殖量。研究结果显示，在8种重金属中，Cd是限制吉林省畜禽养殖量的主要因素。因此，从环境保护角度出发，根据Cd环境容量的预测结果，20年、60 年和 100 年控制年限下吉林省的最大标准规模化养殖量，分别为 4.20108头、3.96108头和 3.96108头。关键词：畜禽粪便；环境容量；耕地 作者简介：梁馨月（1998），女，汉族，吉林长春人，硕士，研究实习员，研究方向：耕地土壤重金属。*通讯作者：金明姬（1977），女，朝鲜族，吉林延边人，博士，教授，研究方向：环境科学。现阶段，我国畜牧业正处于快速发展阶段，畜禽所产生的粪便也越来越多，因此，我国农业农村部建议各省加快畜禽粪便还田利用1。由于饲料中不合理的重金属添加，导致畜禽粪便中部分重金属含量超标，还田后重金属会累积在耕地土壤中难以消散。因此，重金属耕地土壤环境容量成为众多学者关注的焦点。吉林省作为我国的农牧大省，重金属耕地土壤环境容量也是高度关注的重点。鉴于此，本文以吉林省为研究对象，拟系统计算土壤重金属动态环境容量，并将动态环境容量分别等价于畜禽粪便耕地承载力，从而预测畜牧业养殖规模，为后续吉林省发展种养平衡提供参考。1 材料与方法1.1 数据来源 吉林省猪、牛、羊、家禽等不同畜禽种类年末存栏量及出栏量、农作物种植类型及产量、施肥量等数据来自吉林省及各市（州）20122021 年统计年鉴。数据分析采用 Excel 2010 和 SPSS 25，绘图采用Origin。1.2 计算方法1.2.1 基于畜禽粪便还田的养殖量预测 本文拟通过计算吉林省未来 20 年、60 年和 100年动态环境容量，并将动态环境容量等价于畜禽粪便耕地承载力，即耕地重金属输入输出差值，从而预测未来 20 年、60 年和 100 年吉林省畜牧业发展情况。本文结合实际现状，以畜禽粪便还田、大气沉降、化肥施入等作为重金属耕地输入途径，以作物籽粒收获为重金属耕地输出途径，具体计算过程如下式：1）动态环境容量 式中，Qin是土壤重金属年度动态环境容量（kg/hm2a）；Cic是重金属污染临界值（mg/kg）；Cib是重金属背景值（mg/kg）；Ci是畜禽粪便还田后土壤中重金属累积量（mg/kg）；K 是重金属残留率，取0.92；n 是控制年限。2）耕地重金属输入量 大气沉降重金属输入计算过程如下式：式中，Qia是通过大气沉降重金属输入量（mg）；Ai是重金属大气沉降通量（mg/m2a），其中 Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Hg、As 和 Ni 的大气沉降通量分别为 63.93、15.25、19.14、0.26、51.4、0.022、6.20和 47.58mg/m2a。化肥途径重金属输入量计算过程如下式：20 式中，Qic是化肥重金属输入量（mg）；Nj是肥料年施用量（kg）；Cij是肥料中重金属的浓度（mg/kg）。吉林省主要化肥种类为氮肥、磷肥和钾肥。3）耕地重金属输出量 由于我国提倡秸秆还田，因此本文将不考虑从秸秆途径移走的重金属输出量，仅考虑作物籽粒这一种途径，其计算过程如下式：式中，Qig是作物籽粒重金属输出量（mg）；Wj是作物的年产量（kg）；Bij是作物籽粒中重金属的含量（mg/kg）。4）养殖量预测 将耕地重金属输入输出差值等价于动态环境容量，计算畜禽粪便最大排放量，进而预测养殖量，其计算过程如下：式中，Qio是通过畜禽粪便输入重金属量（mg）；N是畜禽养殖量(头)；K 是粪便排泄系数（kg/头/d）；D 是饲养周期（d）；W 是畜禽粪便含水率（%）；Cf是畜禽粪便中重金属含量（mg/kgDW）。2 结果与分析2.1 动态环境容量 本文将动态环境容量的控制年限分短期的 20 年、中期的 60 年和长期的 100 年预测了吉林省畜禽养殖重金属图 1 不同控制年限下吉林省耕地重金属动态环境容量量。不同控制年限下吉林省重金属年度动态环境容量如图 1。不同重金属的动态环境容量存在一定差异，其大小依次为 Zn Cr Pb Ni Cu As Hg Cd。耕地土壤对 Hg 和 Cd 的敏感度较高，故 Hg 和Cd 的动态环境容量小。表 1 2020 年吉林省耕地重金属输入输出量来源耕地重金属输入/输出量（t）ZnCuPbCdCrHgAsNi输入大气沉降4793.79 1143.52 1435.21 19.50 3854.23 1.65 464.91 3567.79 化肥施入47.2721.4318.750.7924.640.586.6950.45总输入4841.061164.951453.9620.293878.872.23471.63618.24输出稻谷94.89 25.42 0.60 0.53 5.86 0.17 0.87 2.80 小麦0.55 0.07 0.00 0.00 0.01 0.00 0.00 0.01 玉米710.65 74.34 4.46 0.39 14.87 0.21 3.27 12.79 豆类24.67 7.74 0.01 0.01 0.16 0.00 0.01 3.34 薯类6.20 4.34 0.02 0.00 1.60 0.00 0.01 0.12 油料32.17 7.49 0.22 0.11 0.73 0.01 0.03 6.63 蔬菜37.70 8.83 1.10 0.31 0.86 0.02 0.22 0.47 水果0.71 0.34 0.01 0.00 0.07 0.00 0.01 0.03 总输出907.54 128.57 6.41 1.35 24.15 0.41 4.42 26.16 2.2 耕地重金属输入输出量 吉林省 8 种重金属不同途径输入输出量如表 1，8 种重金属大气沉降与化肥施入重金属总输入量大小依次为 Zn Cr Ni Pb Cu As Cd Hg，Zn 占 8 种重金属总输入量的 31.31%，其次为 Cr 和Ni，分别占总输入量的25.10%和23.42%，而Hg最小，仅占 0.01%。对比大气沉降与化肥施入途径输入量，大气沉降途径大于化肥施入途径。8 种重金属总输出量依次为 Zn Cu Ni Cr Pb As Cd Hg，Zn 占 8 种重金属总输出量的82.58%，其次为 Cu，占总输出量的 17.70%。受作物产量及作物籽粒中重金属含量的影响，不同作物籽粒输出量中除重金属 Cd 外其他 7 种重金属玉米籽粒输出量最大，而稻谷籽粒Cd输出量大于其他作物籽粒。2023 年第 13 期 总第 101 期生态环境212.3 养殖量预测 预测未来 20 年、60 年和 100 年吉林省猪、牛、羊和家禽最大养殖量结果如图 2。对比不同重金属环境容量下的猪、牛、羊和家禽预测值，Cd 环境容量下的预测值均最小，即 Cd 为畜禽养殖量的主要限制元素。预测过程中，为将上述不同畜禽种类预测结果统一到一个标准，引入了标准规模化养殖量指标（猪当量），即按照 100 头猪相当于 30 头牛、250 头羊、2500 只家禽，计算标准规模化养殖量。最后，对比不同畜禽种类标准规模化养殖量，选取最小值作为吉林省未来 20 年、60 年和 100 年的预测值。其结果，20 年、60 年和 100 年控制年限下，吉林省最大标准规模化养殖量分别为 4.20108头、3.96108头和3.96108头。3 讨论 本文研究发现 Cd、Zn 和 Cu 是畜禽养殖量的限制元素，其根本原因主要是由于在畜禽养殖过程中，尤其在生猪养殖过程中，广泛使用大量 Cd、Zn 和 Cu 等饲料添加剂，导致畜禽粪便中 Cd、Zn 和 Cu 含量普遍偏高，这与任玉琴等3研究结果一致。我国对于饲料中的 Cd、Zn 和 Cu 限值远高于欧美发达国家。未来 20 年、60 年和 100 年控制年限下，吉林省最大标准规模化养殖量分别为 4.20108头、3.96108头和 3.96108头，吉林省未来畜禽养殖业还有较大的发展空间。而吉林省“十四五”规划中也作出未来大力发展生猪和肉牛产业的决定，这与本文预测结果一致。而畜牧业发展过程中，各市（州）需根据自身耕地重金属污染情况，合情合理制定饲养政策，发展绿色生态养殖业。4 结论 本文以吉林省为研究对象，从动态环境容量的层面，预测了未来吉林省最大畜禽养殖量，从环境保护角度出发，以 Cd 环境容量预测 20 年、60 年和100 年控制年限下，吉林省最大标准规模化养殖量结果，分别为4.20108头、3.96108头和3.96108头。参考文献1 吴玉高,李卓阳,方菁.畜禽粪便还田所致环境污染现况及其健康危害 J.环境与职业医学,2021,38(11):1284-1290.2 于光金,成杰民,王忠训,等.山东省不同植被类型土壤重金属环境容量研究 J.土壤通报,2009,40(2):366-368.3 任玉琴,黄娟,饶凤琴,等.浙江省重点地区猪粪中重金属含量及安全施用评估 J.植物营养与肥料学报,2018,24(03):703-711.重金属 重金属 重金属 重金属图 2 基于耕地重金属动态环境容量的养殖量预测