近年来，随着畜牧业的发展，带来的环境问题不容忽视，大力推进畜禽养殖污染防治被列为 《“十三五”生态环境保护规划》的重要内容^[1]。畜禽粪污是农业面源污染的主要来源，不合理的畜禽粪污处理与利用方式造成环境污染风险日益严峻^[2-4]。同时，畜禽粪污中蕴藏的特殊资源经过高效地转化利用不仅能解决其造成的污染问题，还能实现废物利用以缓解我国资源短缺的压力。畜禽粪污中富含的氮、磷等是植物生长所必需的养分，我国有将畜禽粪污制作成有机肥来提高土壤养分有机质的传统^[5]。畜禽粪污包含的大量潜在能源通过热化学、生物化学等转化可实现能源回收^[6-7]。

我国学者围绕我国畜禽养殖、畜禽粪污与资源化开展了较多研究。包括基于产污系数优化、数学模型建立等估算方法优化的畜禽粪污资源估算^[8-10]； 一定时间段内畜禽粪污产量估算、一定区域内畜禽粪污分布特征的总产量与分布特征研究^[11-12]，关于污染物特征和土地承载力等的畜禽粪污污染研究^[13-16]，以及肥料化与能源化利用技术层面、行业标准与政策研讨层面等的畜禽粪污资源化利用方面研究^[17-18]。我国政府也针对我国畜禽粪污污染，分别于 2007 和 2017 年进行了两次全国畜禽污染物排放量普查^[19-20]。

然而，以上研究对象多针对于局部区域、部分畜禽粪污类型，研究内容存在缺乏粪污产生量、分布特征、污染情况、资源化利用估算等综合分析问题。本研究利用我国最新畜禽数据，系统分析了我国畜禽粪污资源及污染物的产生量，并结合锡尔指数等经济学统计方法，探明了我国畜禽粪污的资源分布特征，通过土地承载力与土地负荷警戒值估算我国不同区域污染情况；通过化肥替代法与标准煤替代法估算我国畜禽粪污资源化利用潜力。本研究针对全国范围分区域研究，有助于探明我国各区域畜禽粪污情况，为制定具有区域针对性的畜禽粪污无害化处理与资源化利用措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

畜禽养殖量数据来源于《中国农业年鉴》（2001—2020 年），仅统计我国大陆 31 个省、市、自治区的四大类畜禽（猪、牛、羊、禽）每年末的存 / 出栏量、化肥施用量以及农用地面积，数据记录时间为 2000—2019 年^[21]。能源消费量与标准煤折算系数数据来源于《中国能源统计年鉴》（2020 年）^[22]。 畜禽饲养周期数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》（2001—2020 年）^[23]。

为减小因饲养周期差异导致的重复计算：猪与家禽以出栏量为当年饲养量；牛按用途分为肉牛和奶牛两大类为主，奶牛以年末存栏量为当年饲养量，肉牛以年末出栏量为当年饲养量；羊以年末存栏量为当年饲养量。其中猪、肉牛、奶牛、羊的饲养周期均采用各省当年统计数据。家禽主要分为肉禽和蛋禽两大类，本研究选择具有代表性的肉鸡和蛋鸡饲养周期，采用其平均值为家禽饲养周期。

1.2 计算方法

1.2.1 粪污产生量估算

（1）系数

畜禽产粪污系数受畜禽品种、生产阶段以及饲料的影响，本研究主要根据目前国家公布的资料结合相关研究文献，分别确定我国 31 个省级单位猪、牛（奶牛、肉牛）、羊、家禽的排污系数 （表1）。其中奶牛采用产奶时期产污系数，肉牛采用育肥牛时期产污系数^[27]，家禽和羊的产污系数来自文献^[26]（表2）。

$K_{\text{猪}}=\frac{1}{3}{K}_1+\frac{2}{3}{K}_2$

式中：K _猪为生猪的产污系数；K₁ 为保育期产污系数； K₂ 为育肥期产污系数。

（2）畜禽产污量计算方法

$C_i=A_i\times K_{i,a}\times D_i$

式中：i为畜禽类别（猪、奶牛、肉牛、羊、禽）； C_i 为畜禽粪污、氮、磷年产量（t）；A_i 为 i 种畜禽出栏量或年末存栏量[万头（万只）]；a 为不同大区；K_i，a 为 i种畜禽在 a 区所对应的产污系数；D_i 为 i种畜禽的饲养周期（d）。

1.2.2 土地负荷量计算

土地负荷量指的是单位面积土地消纳畜禽粪污、氮、磷的量。由于各类粪污中养分含量存在差异，因此其最大土地消纳量差异较大，为便于计算，研究多将畜禽粪污以氮含量为标准统一折算为猪粪（表3），氮、磷则采用粪污中氮磷养分供给量。

$Q=\lambda C_i$

式中：Q 为畜禽粪污养分供给量（t）；C_i 为畜禽粪污中氮、磷年产量（t）；λ为养分存留率，本研究根据农业农村部规定，粪污以堆肥、氧化塘等方式处理后还田，收集处理过程中氮留存率为 62%、磷留存率为 72%^[28]。

$q=\frac{C}{S}$

式中：q 为单位面积土地畜禽粪污、氮、磷负荷量 （t·hm^-2·年^-1）；C 为畜禽粪污（折算为猪粪）、氮养分供给量、磷养分供给量（t·年^-1）；S 为当年农用地面积（hm²）。

1.2.3 土地负荷警戒

$r=\frac{q}{p}$

式中：r 为畜禽粪污土地负荷警戒值；q 为单位面积土地畜禽粪污负荷量（t·hm^-2·年^-1）；p 为单位面积土地畜禽粪污年最大消纳量。研究表明畜禽粪污最大施用量为 30～45 t·hm^-2·年^-1[29]，根据我国实际情况，以秦岭-淮河-喜马拉雅山南段为分界线，该线以北地区 p 值取 30 t·hm^-2·年^-1，该线以南地区 p 值取 45 t·hm^-2·年^-1[30-31]。

畜禽粪污土地负荷警戒值是直接评价污染风险的重要指标，本研究对畜禽粪污负荷量进行警戒值估算与污染风险分析^[32]。该值共分为 6 个等级：0～0.4， Ⅰ级，无；0.4～0.7，Ⅱ级，稍有；0.7～1.0，Ⅲ级，有；1.0～1.5，Ⅳ级，较严重；1.5～2.5，Ⅴ级，严重；≥ 2.5，Ⅵ级，非常严重。

1.2.4 畜禽粪污资源化计算（表4）

（1）化肥替代潜力计算

粪污经堆肥、氧化塘贮存或厌氧发酵方式处理后以农田利用为主的，收集处理过程中氮留存率为 62%、磷留存率为 72%^[28，33]。

$P_n=\frac{F_n}{B_n}$

式中：P_n为折算后化肥替代率（%）；F_n 为畜禽粪污可替代化肥量（t）；B_n 为当年化肥施用量（折纯量）（t）；n 为 N、P₂O₅。

（2）畜禽粪污折算标准煤计算

$H=C_i\times E_i\times G_i$

式中：H 为折算后标准煤的总量（tce）；E_i 为 i 类畜禽产生粪污的标准煤转化系数；G_i 为 i类畜禽产生的粪污干物质含量（%）。

1.2.5 锡尔指数（Theil index）

锡尔指数是用来表示区域经济差异状况的指标，数值越大则区域差异程度越大。本研究将其应用于衡量畜禽粪污及污染物产生量区域差异^[36-37]。

$T=\sum _{i=1}^{n_0}\sum _{j=1}^{n_i}\mathrm{l}\mathrm{n}\left({\mathrm{n}\mathrm{V}}_{\mathrm{i}\mathrm{j}}\right)$

$T_i=\sum _{ji}^{n_i}\frac{V_{ij}}{V_i}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{n_i{V}_{ij}}{V_i}\right)$

$T_{\text{intra}}=\sum _{i=1}^{{\pi }_0}{V}_i{T}_i$

$T_{\text{inter}}=\sum _{i=1}^{n_0}{V}_i\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{n{V}_i}{n_i}$

式中：T 为总锡尔指数；T_i 为第 i 区的锡尔指数；n₀ 与 n_i 分别表示分区数与该区域内的省级单位数量； n 为全国 31 个省级单位；V_i 为第 i 区畜禽粪污及污染物产生量占全国总量的比例；V_ij为第 i区 j 省畜禽粪污及污染物产生量占全国总量的比例；T_intra 为各分区的区域内差异；T_inter 为各分区的区域间差异。

1.3 数据处理

采用 Excel2021 进行数据处理，采用 SPSS 18.0进行数据统计分析，利用 Origin 2020 绘制图表。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪污总体特征

2.1.1 畜禽粪污总量特征

2000—2019 年我国畜禽粪污总体呈上升趋势，年均增长率为 1.26%（图1a、b）。其中 2019 年总量为 120560.78 万 t，2000 年总量为 97230.14 万 t，总量增长了 24.00%。总体趋势分为两段，第一阶段 2000—2006 年畜禽粪污产生量持续上涨，全国以年均 6065.34 万 t 的速度增长，年均增长达 6.23%，并于 2004 年达到最大年增长率 9.62%。第二阶段 2007—2019 年畜禽粪污产生量波动增长，在 2007 年经历 20 年间最大负增长，达-19.02%，随后以年均 0.95% 的速度波动增长，较第一阶段增幅下降明显。

2.1.2 粪污畜禽类型构成特征

2019 年比 2000 年我国各类畜禽粪污产量增加大小顺序为奶牛（119.18%）>家禽（84.41%）>猪 （7.73%）>羊（-14.62%）>肉牛（-18.31%）（图1c、d），猪和家禽是我国畜禽粪污主要贡献者，二者合计占总量的（52.5±4.74）%。除家禽在 2007—2019 年产污量增长率（58.42%）高于第一阶段（23.04%） 外，其他畜禽产污量增长率均不同程度降低，这也导致了第二阶段总体增长率增长缓慢。经相关性分析可知奶牛（r=0.755）、猪（r=0.723）和家禽（r=0.518）的产污量与总产污量显著正相关 （P<0.05）。

2.1.3 粪污区域产量特征

2000—2019 年各区域产量增幅为：华东区（31.88%）>西南区（31.49%）>西北区（25.92%） >东北区（21.18%）>中南区（19.55%）>华北区 （14.43%）（图1e、f）。其中，中南区、华东区始终为我国畜禽粪污的主要贡献区域，二者合计占总量的（48.27±1.19）%。

通过畜禽粪污产生量锡尔指数（表5）分析， 20 年间全国总体差异为 0.271±0.020，其中区域内差异贡献率（85.12±2.77）%，区域间差异贡献率仅为（14.89±2.77）%，因此区内差异是造成全国差异的主要因素。由各区域对区域内差异的贡献率可知，华东区（30.91±2.93）%、华北区（26.91±2.44）% 合计贡献率超过 50%，是导致区域内差异的主要因素，也是引起我国畜禽粪污产生量总体差异的主要因素。

2.2 畜禽粪污氮、磷总体特征

畜禽粪污主要污染物指标包括氮、磷，20 年间污染物产生量总体呈上升趋势，年均增长率为 1.07%，总体涨幅为 20.45%（图2a）。全氮（TN） 与全磷（TP）的年均涨幅为 1.24% 与 0.12%。各区域 TN 产生量的变异系数为（45.63±3.14）%，TP 产生量的变异系数为（44.41±4.45）%，说明我国畜禽粪污污染物产生量具有明显的空间分布特征。 2000—2019 年 TN 与 TP 产生量主要贡献区始终为中南区与华东区，合计贡献率约为 50%（图2b）。

通过畜禽粪污污染物锡尔指数（表6）分析，全国总体差异为 0.280±0.010，其中区域内差异贡献率（74.10±3.94）%，区域间差异贡献率仅为（25.90±3.94）%，因此区内差异是造成全国差异的主要因素。由各区域对区域内差异的贡献率可知，华东区（22.98±1.96）%、华北区 （21.68±2.57）%、中南区（16.54±1.15）% 合计贡献率超过 60%，是导致区域内差异的主要因素，也是引起我国污染物产生量总体差异的主要因素。

2.3 畜禽粪污及污染物土地负荷量估算与预警分析

2.3.1 畜禽粪污土地负荷量及污染风险分析

土地是畜禽粪污消纳的主要承载场所，我国畜禽粪污的主要消纳场是农用地消纳，本研究按照畜禽粪污还田处理方式进行土地负荷计算。2019 年我国畜禽粪污平均土地负荷量为 2.42 t·hm^-2，其中山东省畜禽粪污土地负荷量最高，为 16.23 t·hm^-2，西藏自治区畜禽粪污土地负荷量最低，为 0.16 t·hm^-2。六大分区 2019 年畜禽粪污土地负荷警戒值（图3a）均为Ⅰ 级，无污染风险。但是省级单位污染风险分析，山东省畜禽粪污土地负荷警戒值 0.541 已达到Ⅱ级，稍有污染风险。

2.3.2 氮、磷负荷量及污染风险分析

2019 年全国氮、磷土地负荷量分别为 5.76、 0.96 kg·hm^-2（图3b）。针对氮和磷的负荷量，欧盟制定了 170、35 kg·hm^-2·年^-1 的标准，超过该标准将会存在污染风险^[26-27]，我国氮、磷土地负荷量水平远低于欧盟标准。六大区域中中南区氮、磷土地负荷量均为最大水平，西北区氮、磷土地负荷量均为最小水平。其中山东省氮、磷土地负荷水平均为全国最高水平，分别为 27.05、4.58 kg·hm^-2，西藏自治区氮、磷土地负荷水平均为全国最低水平，分别为 0.48、0.08 kg·hm^-2。

2.3.3 土地污染风险聚类分析

基于 2019 年畜禽粪污负荷、氮负荷与磷负荷进行聚类分析，31 个省级单位可被分为 3 个类群 （图4）。第 1 类：山东，该省份粪污负荷稍有污染风险，同时氮和磷负荷均为全国最高；第 2 类：天津、河北、辽宁、上海、河南，该类省份氮和磷负荷均为全国前 20% 水平，粪污负荷水平处于全国前列；第 3 类：其余 25 省，该类省份在全国范围粪污、氮、磷负荷均较低。

2.4 畜禽粪污资源化利用潜力

2.4.1 畜禽粪污肥料化利用潜力

畜禽粪污中大量可利用的氮、磷养分合理利用能够替代化肥（图5a，b）。2019 年我国畜禽粪污氮、磷总量为 685.55 万 t，可提供养分总量为 402.65 万 t，其中氮（N）371.64 万 t，磷（P2O5） 31.01 万 t。假定畜禽粪污全部实现还田，可在不同程度上实现替代氮肥与磷肥。

2019 年，畜禽粪污替代化肥潜力分别为 19.25% （N）、4.55%（P₂O₅），分析不同区域情况发现，氮肥和磷肥在东北区可替代率最高，达 31.71% 和 7.33%；西北区表现为氮肥替代率最低，为 13.24%，西南区磷肥替代率最低，仅为 0.01%。全国 31 个省份中西藏自治区与青海省可达到氮肥完全替代，替代率分别达到 279.30% 和 137.99%，同时西藏自治区磷肥替代量也达到全国最高，为 49.45%。

2.4.2 畜禽粪污能源化利用潜力

畜禽粪污能源化利用方式主要包括热化学转化和生物化学转化等，不同转化方式转化率存在一定差异，标准煤是标准能源的一种表示方法，本研究将我国畜禽粪污折算标准煤潜力进行估算^[6]。2019 年畜禽粪污折算为标准煤 18266.24 万 tce（图5c），达到当年能源消费量替代潜力的 3.73%。全国六大区域 31 个省份畜禽粪污均可不同程度上实现能源替代，其中华东区折算标准煤的量最大，可达 5762.64 万 tce，中南区畜禽粪污当年能源消费量替代潜力最大，为 4.77%。具体分析全国各省份，山东省折算标准煤量 2378.93 万 tce，为全国最大，广西壮族自治区年能源消费量替代潜力 8.98%，为全国最高。

3 讨论

3.1 畜禽粪污产生量及总体特征

中国作为畜禽生产大国，随着畜牧业现代化、集约化水平发展，畜禽粪污总产量总体呈增长趋势， 2000 年中国畜禽粪污总产量不足 10 亿 t，至 2019 年增至 12.06 亿 t，以平均每年 1.26% 的速率增长。目前，关于全国畜禽粪污产生量已有一些研究，但研究结果存在一定差异，原因主要是畜禽粪污产量受统计数据来源、排污系数、畜禽品种、饲养周期等多方因素的影响^[38-41]。但是现有研究结果与本研究一致证明了中国畜禽粪污总产生量大且增长速度快。本研究从时间维度和空间维度分析了我国畜禽粪污的总体特征，时间维度：近 20 年畜禽粪污增长规律可以 2007 年为截点划分为两个阶段，其中 2007 年出现了较大跌幅，其主要原因一是 2003 年严重急性呼吸综合征（SARS）影响了我国经济与群众畜禽产品购买力，同时高致病性禽流感、口蹄疫、蓝耳病等畜禽病均对畜禽产业链造成严重影响^[36]；二是 20 世纪 80 年代我国农业政策倾向于加大对农作物产品的支持，减少了对畜产品的支持力度^[42]；三是同时期我国畜牧产业正在经历从散户 / 小规模养殖向规模化转型的关键时期。以上 3 个因素均引起了我国畜禽养殖量的震荡，从而引起了畜禽粪污的产生量大幅下跌。空间维度：华东区、华北区不但是我国畜禽粪污产量的主要贡献区，其区域内差异也是引起我国畜禽粪污总产量总体差异的主要原因，通过分区域具体分析我国畜禽粪污空间分布情况，有利于制定针对性的资源化利用策略。

3.2 畜禽粪污资源化利用潜力

畜禽粪污中含有大量的氮、磷等植物所需的营养元素，但当期超过土地承载能力后便会造成环境污染。2019 年我国仅山东省稍有畜禽粪污污染风险。伴随畜禽粪污产生的氮、磷土地负荷量，在不考虑氮、磷累计的情况下，全国平均负荷量均低于欧盟标准，但是区域差异较大，氮、磷负荷量最高的山东省是负荷量最低的西藏自治区的约 56 倍， 这不但与各地畜禽养殖业发展程度有关，同时跟各省份的农用地面积有关，我国西北地区、西南地区以牧草地为主，大面积的牧草地大大提高了其对畜禽粪污的消纳能力。

3.2 畜禽粪污资源化利用潜力

目前，畜禽粪污的主要利用方式为肥料化与能源化^[43]。据世界粮农组织统计，1961—2017 年这 56 年间我国化肥施用强度增大了 100 倍，远高于欧美发达国家^[44]。畜禽粪污中大量可利用的氮、磷养分能够实现可观的化肥替代效果，本研究显示 2019 年，我国畜禽粪污氮肥、磷肥替代潜力分别为 19.25%、4.55%，其中西藏自治区和青海省氮肥替代率分别为 279.30% 和 137.99%，具有完全替代潜力。利用标准煤估算我国畜禽粪污能源化利用潜力，2019 年畜禽粪污折算为标准煤实现当年能源消费量替代潜力 3.73%。畜禽粪污肥料化利用有助于我国化肥减量行动，可实现因地制宜的分类指导，最终实现化肥施用量在其安全施用上限 225 kg·hm^-2 以下。而畜禽粪污能源化利用可在一定程度上缓解我国能源短缺等问题。但由于目前畜禽粪污收、储、运等仍存在实际困难，因此畜禽粪污肥料化利用中，土地仍是其主要承载场所^[11]。

养殖粪水通常经厌氧发酵、稳定化处理后进行土地利用，而固体粪便主要通过堆肥技术进行无害化处理和肥料化利用。然而，我国绝大部分规模化养殖场尚未建设标准化堆肥场，产生的粪便也未经过严格的高温堆肥，只进行了简单的晒干或堆沤处理，无害化程度明显不够；少部分规模较大的养殖场虽建设了堆肥设施，但仍普遍存在设施不配套、处理技术缺乏、产品质量低、难以对接市场等问题。从资源循环利用的角度分析，畜禽粪污处理的核心一方面是建立完善的处理及利用设施，保障全年连续产生的这些有机物能得到科学、稳定的处理，另一方面是建立完善的标准体系，确保每一环节的处理及利用能达到要求，保障处理利用过程中的质量和安全。

4 结论

2000—2019 年我国畜禽粪污和氮、磷总量年际演化趋势为总产量大，增长速度快，总体可分为两个阶段：第一阶段 2000—2006 年产生量持续上涨，第二阶段 2007—2019 年产生量波动增长。我国畜禽粪污和氮、磷在空间分布上表现出鲜明的区域分布特征，区域内差异是造成全国差异的主要因素，20 年间华东区和中南区是我国畜禽粪污和氮、磷产生量的主要贡献区。2019 年我国氮、磷土地负荷量均未超出欧盟标准，仅山东省畜禽粪污稍有污染风险。综合分析粪污和氮、磷土地承载量，可将 31 个省份分为 3 个类群，合理划分各区域污染物特点有利于因地制宜的制定其利用措施。我国畜禽粪污中养分与潜在能源转化能力能够实现可观的化肥替代与能源替代效果。

综上，我国畜禽粪污资源利用潜力大，可在减少化肥施用、缓解能源紧缺等方面起到重要作用。因此，加快畜禽粪污规范化处理，推动有机肥产业发展、沼气工程建设等，可提高畜禽粪污的循环利用，有助于我国畜禽养殖业可持续发展，实现我国农业绿色发展。

参考文献