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《西南大学》 2009年
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重庆市畜禽粪便的土壤适宜负荷量及排放时空分布研究

彭里  
【摘要】:畜牧业是农业甚至整个国民经济的重要组成部分,世界上许多国家的畜牧业产值超过农业总产值的50%。然而,随着近年来畜牧业特别是规模化养殖业的迅猛发展,由畜禽养殖带来的环境污染问题日益显现。我国现阶段畜禽养殖环境污染的一个新趋势是,面源污染日趋严重,已经对生态环境的安全,特别是水环境安全构成了威胁。世界上的一些发达国家如日本、芬兰、美国等在上世纪七十年代就开始了畜禽粪便对环境的污染治理工作,我国在上世纪九十年代初一些城市(上海、北京等)也开始进行了畜禽粪便的区域治理,并取得了一些成果。重庆市自从1997年直辖以来,在包括社会、经济的各个方面做了大量工作来防治环境污染,全市环保投入逐年增加。全市环境保护工作总体上取得了明显的成效,但作为近年农村面源污染主要来源的畜禽粪便污染治理却收效甚微。在此以前,我市还没有对全市畜禽粪便污染特征及其时空动态变化进行过全面系统的调查研究。 多年以来,我国畜禽粪便的主要处理途径是作为有机肥施入农田。畜禽粪便施入农田不仅为作物提供养分、改良土壤,同时还是一种简便的废弃物处理途径。然而,快速增长的畜禽粪便在一定的时空范围内没有足够的农田加以消纳,造成农牧脱节,打破了原有良性循环的生态模式,加上化肥的大量使用限制了畜禽粪便的出路,使得畜禽粪便在一定区域内超过土地承载能力,对农田以及环境带来了巨大的压力。因而畜禽粪便的合理利用对于农业生产和环境保护都具有重要意义。但是,如何合理利用畜禽粪便?每年单位面积的土壤施用多少畜禽粪便为宜?农民群众在实践中总结有“一头猪,一亩田”之说,也就是说常年养殖一头猪,其间产生的粪便可以供一亩田作为肥料种植作物,作物能维持生长,而粪便也不会因此产生环境污染。但是其科学性如何,没有人对其进行深入的研究。且实际生产中,不可能只养殖猪,还需养殖其它种类的畜禽。于是就给人们提出了这样一个问题,一亩田每年究竟需要多少畜禽粪便才合适,即土壤的畜禽粪便适宜负荷量是多少。基于此,本研究以重庆市为研究对象,根据物质平衡原理,以满足作物氮素需求为前提,首先将整个重庆市定为有养分输入和输出的开放系统。其次通过大量调查研究和资料收集等从宏观的和微观的方面获得基础数据资料,确定输入和输出的项目。最后,根据物质平衡原理,在重庆市范围每年氮输入和输出的差值等于系统内氮的净积累。从而可以从理论上计算出每年单位面积作物的对氮需求量。这些氮假设全部来自畜禽粪便,根据畜禽粪便的含氮量,可以换算为相应的猪粪当量,再除以当年的耕地面积,就可以计算出重庆市每年单位土壤面积的畜禽粪便理论负荷量,也就是重庆市单位作物满足氮需要的土壤面积的畜禽粪便理论适宜负荷量。实际上,畜禽粪便的土壤适宜负荷量受多方面的因素影响,如农田养分水平、不同的养分需求、不同种类畜禽粪便的养分含量、及粪便施用的区域条件(土地利用类型、土壤质地、地形、季节、气候、经济、人口等),这些因素均是一个动态的变化量。因而畜禽粪便的适宜负荷量也是一个动态的变化量。 以氮平衡为基础的理论分析获得的重庆市畜禽粪便的理论适宜负荷量是否适宜作物生长,需对这一理论值在实际中的真实性进行检验。本研究以窝笋为材料,以理论研究的适宜理论负荷量为基准,根据土壤面积大小换算为相应的猪粪量,分别增加和减少100克猪粪为不同试验水平,共设8个处理水平,在温室进行盆栽实验。每天观察窝笋的生长情况,种植85天时进行收获,分别测量窝笋的生物量,土壤和窝笋中氮磷等营养元素和铜、铁等重金属元素含量。并对这些数据进行分析处理,得出盆栽实验的结果。 畜禽粪便施入土壤后,增加了土壤中氮、磷、钾及金属元素的含量,由于其中的金属元素在土壤中易累积,长期施用畜禽粪便会产生金属元素对土壤和作物污染,所以即使土壤按适宜负荷量施用畜禽粪便,也应控制畜禽粪便连续施用于同一地块的时间。本研究中以金属元素铜为基准,找出土壤中铜的环境容量、土壤背景值、猪粪中铜的含量值,再通过一定的数学公式,可以算出猪粪便连续施用于同一地块土壤的时间。 由于畜禽养殖结构的差异,不同区域和不同时期畜禽粪便的排放量不一致,对环境的影响不一样,这也就产生了重庆市畜禽粪便的时间和空间分布差异。本研究中以重庆市2007年的39个区县为空间区域单位,以重庆市养殖的主要畜禽猪、牛、家禽(鸡、鸭、鹅)、羊为研究对象,时间从1995年开始至2007年共13年以年为单位。根据重庆市单头畜禽日排放粪便量及粪便中主要成分的测定,结合国内外的研究,选取重庆市畜禽的排放参数。再根据重庆市畜禽年养殖数量,可计算出重庆市各类畜禽的年排放粪便量及粪便中的成分量。以畜禽粪便中的主要营养物氮为基准,按照重庆市养殖的主要畜禽猪的排放量为单位,换算为猪粪当量。有了这些数据,就可以从1995年起至2007年止,研究每一年重庆市畜禽粪便排放量的变化,从而得出重庆市畜禽粪便的时间变化特征。在空间分布上,选定最近的2007年为研究对象,结合地理信息系统的空间分析方法进行了分析,研究各区域畜禽粪便排放的空间分布特征。 最后,根据确定的重庆市畜禽粪便土壤适宜负荷量值和重庆市禽粪便的时间和空间分布,进行重庆市畜禽养殖的环境影响评价,并提出重庆市畜禽养殖布局建议。 结果表明,重庆市畜禽粪便的理论适宜负荷量为44.37t·hm~(-2).a~(-1),也就是4.437kg.m~(-2).a~(-1)。作物盆栽实验检验后证明,这一负荷值是作物最适宜生长的畜禽粪便负荷值。因而可以认为重庆市畜禽粪便的土壤适宜负荷量为44.37t·hm~(-2).a(-1)。这个值与“一头猪负担一亩田”基本吻合。 畜禽粪便施入土壤后,经过作物正常生长,土壤中氮、磷、钾及金属元素铜、铁、锌等的含量明显增加,并且随着畜禽粪便施入量的增加,土壤中氮、磷、铜、锌等物质含量呈线性增大。猪粪便连续施用于同一地块的时间最长应控制在42年以内为宜。 重庆市主要畜禽粪便(猪、牛、家禽等)都是随时间的变化排放量增大,而重庆市各类畜禽粪便的总量和也是随时间的变化而增加。变化最大的是家禽粪便1995年到2007年增加了4.85倍;变化最小的是牛粪便,1995年至2007年的年仅增加了1.23倍;重庆市畜禽粪便排放总量在1995年时为8600.27万t,2007年为10974.45万t,增加1.28倍,但以家禽的发展最为突出。 重庆市猪粪当量的变化与排放总量的变化有相同的趋势。猪粪当量播种面积负荷的值在21.343t.hm~(-2)a~(-1)—27.74t.hm~(-2)a~(-1)之间波动,变化相对比较平稳,但总体趋势是随着时间的推移,负荷在逐年增大,相关性也达到了极显著水平。 重庆市年畜禽粪便中的养分排放量及负荷量也在逐年增大。有机质年排放量最大的是2007年,为1151.96万t,最小的是1995年,为935.57万t,波动值为216.39万t。氮年排放量较有机质小得多,最大的是2007年,为61.31万t,最小的是1995年,为47.26万t。畜禽粪便的这四种物质中磷的年排放量最小,每年仅24.33至31.05万t间,约相当于当年有机质的四十分之一。重庆市年畜禽粪便中氮的负荷在0.13—0.17t·hm~(-2)之间波动,磷负荷在0.06—0.08 t·hm~(-2)之间变化,钾负荷在0.15—0.19 t·hm~(-2)之间波动。氮、磷、钾负荷变化大致趋势是一致的,都是随时间的变化负荷在增大,磷的负荷变化相对较小,变化趋势线近乎直线。 各类畜禽粪便排放呈现出较强的区域化特征。猪粪便集中在合川、巴南、武隆、涪陵、开县等地。最大区域是合川464.13万t.a~(-1),最小区域是双桥5.91万t.a~(-1)。羊粪便集中在酉阳、奉节、城口等地,最大的区域是云阳为21.14万t.a~(-1),最小的区域是南岸为0.014万t.a~(-1)。牛粪便集中在铜梁、渝北、南岸等地,最大的区域是酉阳为220.75万t.a~(-1),最小的区域是双桥为0.18万t.a~(-1)。家禽粪便则集中在壁山、永川、铜梁、长寿等地。 重庆市猪粪当量负荷区域分布差异较大。猪粪当量最大的区域均处于近郊,如大渡口、九龙坡等;而最小的均位于边远的山区,如城口、巫溪、巫山等县。有机质负荷大的区域主要集中在位于三峡库区的酉阳和渝西走廊荣昌及主城的江北、九龙坡等区域;氮负荷大的区域主要集中于主城区的江北、沙平坝、九龙坡和渝本走廊的荣昌、合川及三峡库区的酉阳。磷负荷大的区域主要集中渝西走廊的荣昌、合川及主城区的江北。 重庆市畜禽养殖环境评价表明,重庆市有2.6%的区县畜禽养殖对环境没有任何污染,有68.4%的区县畜禽养殖对环境稍有污染,有23.7%的区县畜禽养殖对环境有污染,只有5.3%的区县畜禽养殖对环境污染较严重。根据现有的养殖量核算,已经有荣昌县和江北区的养殖量超过了耕地的适宜载畜量,这两个区域应限制畜禽养殖数量和控制养殖结构,其它区域均还有一定的养殖发展空间。以养殖猪为标准,可以再发展200万头以上的区县有涪陵、合川等6个区县占重庆市区县数量的15.8%;可以发展100万头以上的区县有綦江、长寿等15个区县占重庆市区县数量的39.5%;可以发展100万头以下的区县有北碚、南岸等15个区县占重庆市区县数量的39.5%。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X713

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7 平磊;利用亮斑扁角水虻转化畜禽粪便工艺条件的优化及应用[D];华中农业大学;2010年
8 段微微;畜禽粪便好氧堆肥技术研究[D];东北师范大学;2010年
9 张飞;县域畜禽污染防治对策研究[D];河南农业大学;2010年
10 唐春玲;畜禽粪便类有机肥中主要环境污染物的分析检测及对蔬菜生长、品质的影响研究[D];华东理工大学;2011年
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