基于排泄系數區域差異的中國畜禽糞便沼氣潛力及其影響因素評價

陳利洪， 舒幫榮， 李 鑫

(江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院， 江蘇 徐州 221116)

21世紀是低碳發展的世紀。農業有機廢棄物的減量化、資源化和無害化是實現低碳農業的基礎。農業有機廢棄物的高效循環利用和生物能源化已經成為許多國家低碳發展與可再生能源開發的戰略重點，并有望成為極具發展潛力的戰略性行業[1]。

畜禽糞便與農作物秸稈是最重要的兩種農業廢棄物資源。資源性農業廢棄物的潛力評價及利用研究成為近年研究的熱點[2-5]。草谷比系數估算農作物秸稈資源量可以做到相當準確[6]，但是畜禽糞便資源量及其沼氣潛力的估算主要受畜禽排泄系數、畜禽生長周期、畜禽糞便可收集比例以及產氣估算方法的影響，評估難度高于秸稈資源。我國1200～2876 億m3的畜禽糞便年沼氣潛力充分說明了不同研究視角、不同參數得出的研究結果差別顯著[7-8]。

畜禽糞污發酵沼氣對于發展再生能源和保護環境有重大意義[9]。在當前蔓延全國的“氣荒”背景下，發展產業沼氣可以有效彌補我國天然氣的短缺[10]。但實際上近年包括畜禽糞便沼氣在內的我國沼氣生產已經顯示出了發展乏力的趨勢[11-12]。沼氣實際產量與潛力之間差距極大，除了經濟、技術等因素外，評估方法值得我們重點關注。

由于我國幅員遼闊，同種畜禽在不同區域由于不同自然條件和飼養方式其畜禽糞便的排泄系數差異可能很大[13]。目前在畜禽糞便評價中考慮了排泄系數區域差異的研究非常少見。本文將在考慮排泄系數區域差異的基礎上重新評估我國畜禽糞便的資源量和沼氣潛力，并結合類似研究探討影響我國畜禽糞便沼氣潛力的評估因素。

1 方法與數據

1.1 研究方法

首先選取主要的七種畜禽種類：豬、牛、雞、馬、驢、騾和羊，然后確定各類畜禽的飼養周期、排泄系數、可收集系數、糞尿干物質比例以及干物質產氣因子等系數，進而估算我國畜禽糞便的資源潛力、可開發潛力以及沼氣生產潛力，最后將研究結果與其他類似研究進行比較，重點討論影響我國畜禽糞便沼氣潛力的主要評估因素。

1.1.1 畜禽糞便理論資源量估算

畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，是其他形態生物質的轉化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物[14]。本文主要計算糞便和尿液。

(1)

式中：TRAmanure為畜禽糞便的理論資源量，t；Ni為第i 類禽畜的年養殖數量，n；Ti為第i類禽畜的養殖周期，d；EPi為第i類畜禽的排泄系數。

1.1.2 畜禽糞便可利用資源量及產氣潛力估算

畜禽糞便的可利用資源是指畜禽糞便可收集利用的部分，其主要反映指標是可收集系數。目前一般只考慮豬、牛、雞的糞便可收集性[6]。畜禽糞便的產氣潛力可以通過畜禽糞便的干物質及其產氣因子進行估算[16-17]。

1.2 數據來源及數據處理方法

1.2.1 數據來源

本文中分區排泄系數主要參考自基于全國污染源普查的《畜禽養殖業產污系數與排污系數手冊》[13]。文中的相關原始數據均來自于《中國農業統計資料2015》[18]，所有相關數據均指2015年的年度數據。

1.2.2 數據處理方法

(1)根據統計資料的劃分方法，本文分為華北、東北、華東、華中、華南、西南和西北7個大區。

(2)畜禽尿液中有機物質的干物質含量遠低于畜禽糞便中有機物質的干物質含量。綜合參考宋立[16]等和湯云川[17]等的研究成果，本文將通過干物質產氣因子估算不同畜禽糞便的產氣潛力，因此需分開計算畜禽糞便及其尿液中的有機物質的干物質量；在生物質資源的統計中，各種資料出處、年代、統計方法不盡相同，完整性也不夠[2]，這些問題在涉及畜禽糞便資源的計算上顯得尤為突出。由于各種畜禽的生長周期不一致，所以對各畜禽數量和生長周期做如下規定：牛分為奶牛和肉牛，飼養時間以每年365 d計算，數量以年存欄量為準；豬分為肉豬和母豬，肉豬以當年出欄量為準，平均飼養周期150 d，母豬以年度存欄量為準。飼養周期以365 d計；羊包括山羊和綿羊，以年出欄量作為統計數據，飼養周期按365 d計；馬、驢和騾存欄量作為統計數據，飼養周期按365天計算；肉雞飼養周期以60 d計，蛋雞飼養周期以365 d計[1, 6]。由于選取的統計資料近年不再單獨公布蛋雞和肉雞的飼養量，綜合比較往年數據后，以家禽量代替雞的總量，肉雞占80%，蛋雞占20%。

2 研究結果

2.1 畜禽糞便資源量

根據分區排泄系數(見表1)，2015年我國畜禽糞便資源總量為20.08億t，其中糞便量12.18億t，尿液量7.89億t。由于尿液中的干物質成分遠遠小于糞便量，為了避免數據“虛大”和方便橫向比較，全部轉換為干物質后如圖1所示：2015年我國畜禽糞便的干物質總量為2.87億t，其中華東最高，達到了5644.16萬t；西南次之為5211.53萬t；接下來分別是華北4831.02萬t，西北3892.67萬t和華中3834.26萬t；排名最末的兩位是東北3388.75萬t和華南的1865.39萬t。

就畜禽糞便來源來看，牛是我國最重要的畜禽糞便干物質來源，以11590.24萬t，40.4%的占比位居我國畜禽糞便干物質量的第1位；羊的年干物質總量為5965.8萬t，占比為20.8%；其次是雞5893.66萬t，占比為20.6%；再次是豬3392.48萬t，占比為11.8%；驢/騾以947.53萬t僅高于馬的878.07萬t。

表1 中國主要禽畜分區排泄系數

注：豬、牛和雞的排泄系數參考自基于全國污染源普查的《畜禽養殖業產污系數與排污系數手冊》[13]，馬、驢/騾參考自龍慧靈[15]，羊參考自田宜水[3]，羊尿忽略未計。

圖1 2015年中國各地區畜禽糞便干物質資源量

就各地區的畜禽糞便分布特點來看，在我國絕大部分地區，牛都是最重要的畜禽糞便來源。但在我國的華東地區，家禽是第一大畜禽糞便來源；而在西北地區，羊則是第一大畜禽糞便來源。

2.2 畜禽糞便可利用量

一般認為，豬、牛和雞的糞便是最容易收集和利用的糞便資源[6]。基于本文的收集系數(見表2)，2015年我國各地區畜禽糞便干物質可利用量如圖2所示：牛的糞便干物質量最高，達到了6954.15萬t，其次是雞的3536.2萬t以及豬的3053.23萬t。

表2 畜禽糞便其他系數

注：干物質含量主要參考自石元春[1]，雞的干物質含量參考自宋立[16]等；馬、羊的干物質含量參考自https://wenku.baidu.com/view/095a99e54bfe04a1b0717fd53 60cba1aa8118c71.html；產氣因子綜合參考自陳利洪[1]、宋立[16]等和湯云川[17]等。

圖2 2015年中國不同畜禽糞便干物質可利用量

2.3 畜禽糞便沼氣潛力

在考慮了不同畜禽糞便的產氣因子后(見表2)，2015年我國畜禽糞便的沼氣最大潛力為963.77億m3。考慮了畜禽糞便易收集類別和收集系數后，2015年我國畜禽糞便的沼氣可開發潛力為510.13億m3，如圖3所示：我國牛的沼氣可開發潛力為208.62億m3，其次是雞和豬，分別為173.27億m3和128.24億m3。就區域而言，華東的畜禽糞便沼氣可開發潛力最高，達到了135.13億m3，其次是西南和華中，分別為86.25億m3和80.27億m3。

3 討論

3.1 研究結果討論

(1)選取的畜禽糞便排泄系數考慮了分區差異，排泄系數更具區域針對性，理論上相較目前常見的全國范圍取單一值應更加準確。但個別排泄系數，如雞的排泄系數在某些地區較一般研究偏高，可能導致如華東地區的雞糞資源總量偏高。原因可能是雞糞的日產糞量非常小，在進行排污系數普查時容易引起偏差，需要等下一次全國污染普查結果出來后才能進行更好的分析和探討。

圖3 2015年中國畜禽糞便沼氣可開發潛力

(2)選取的畜禽種類和可收集系數主要參考自石元春[6]院士的相關論著但做了細微調整。調整內容主要包括兩部分：第一是在畜禽糞便資源量中增加了對馬、驢/騾和羊的考慮，主要是為了統計類別更完整；第二是牛和雞的糞便可收集系數參考自石元春[6]均為0.6，但豬糞的可收集系數由1.0調整為本文的0.9，主要考慮是無論收集手段多先進，全國豬糞百分百的收集潛力是不可能實現的，加之現在豬的放養模式的興起，豬糞收集從理論和實際上都不可能達到沒有收集損失。在沒有更好參考資料的借鑒下，本文中豬糞的可收集系數人為假設為0.9。本文中選取的畜禽種類主要基于畜禽糞便適于用于沼氣生產的考慮，未列入可收集利用量的其它畜禽不代表其糞便不能用于沼氣生產，只是在量級上有較大的差距。

(3)沼氣化生產是我國畜禽糞便資源化利用的重要途徑。但我國近幾年的沼氣發展明顯發展乏力，這與很多研究中的我國沼氣發展潛力的差距還很大。畜禽糞便是沼氣的最重要生產原料，過高的估計我國畜禽糞便沼氣潛力可能會導致沼氣產業化進程產生挫折。客觀進行評估，擠掉水分，才能更好地促進我國畜禽糞便的高效利用。

3.2 影響我國畜禽糞便沼氣潛力的主要因素比較

相對于農作物秸稈，畜禽糞便資源量和可利用量及其沼氣潛力會復雜很多。通過比較不同的研究結果，可以對影響我國沼氣潛力的主要因素進行深入的分析和探討(見表3)。

表3 我國典型的畜禽糞便資源量及其沼氣潛力的相關研究

(1)畜禽飼養周期：目前對于母豬、牛、羊、驢/騾、馬和蛋雞的飼養周期各研究基本一致，基本都采用365天。不同研究中，肉豬的飼養周期介于105～199 d，差距為89.5%。主要原因是全國各地飼養條件和背景差距很大，而且即使在同一個地區，規模化的畜禽養殖和家庭養殖也會有較大差別。當前有些地方提倡快速育肥出欄，有些地方則是生態豬、散養豬的興起，因此很難確定肉豬的全國飼養周期，本文取150 d屬于均值處理。肉雞的飼養周期介于55～60 d之間，差距很小。

(2)畜禽排泄系數：目前畜禽排泄系數在不同的研究論文中差距較大。主要原因有3個：一是沒有區分糞便量和尿液量，尿液數量巨大但其干物質含量非常低，將尿液量統計入糞便資源量中則會使禽糞便資源總量“虛大”，如豬的排泄系數可能是1.38 kg·d-1 [3]和4.25kg·d-1 [7]，相差高達208%，若用來計算全國沼氣潛力，勢必造成研究結果差距顯著；二是沒有區分肉豬和母豬，奶牛和肉牛，也會使研究結果有較大的失真；三是沒有考慮排泄系數的區域差異，而我國畜禽排泄系數的區域差異是顯著的(見表1)，不同地區我國的肉豬、母豬和奶牛的地區間差距分別可達61.61%,69.16%和73.78%；尤其是肉雞，地區差距甚至可高達266.67%。因此，畜禽糞便排泄系數差異是影響我國畜禽糞便資源總量評估的最重要因素。同時，畜禽糞便排泄系數的區域差異顯著，在做宏觀評估時需要慎重對待。

(3)畜禽糞便的可收集性：目前在可收集性的研究非常少，石元春[6]認為豬糞最好收集，收集損失幾可忽略，其次是牛和雞各有60%的可收集性。張田[7]等則認為雞糞最好收集，可收集性達到80%，其次才是豬和牛。總的來看，目前對于適宜利用的畜禽糞便資源基本都認可是豬糞、牛糞和雞糞，但可收集性上有較大差別。未來，隨著畜禽養殖集約化、規模化發展，糞便收集將更為方便。同時，隨著科學技術的發展，現在一些未能很好利用的糞便資源如羊糞等可能也會有較大的沼氣可開發潛力。

(4)畜禽糞便沼氣開發潛力： 在表3列舉的研究論文中，我國畜禽糞便的沼氣潛力介于963.77億m3～2876.09億m3，差距非常大。畜禽排泄系數差異是主要原因，張海成[8]等的研究假設了全國南北方均能一年四季都在35℃下生產沼氣，所以其研究畜禽糞便沼氣潛力可高達2876.09億m3。總之，不同的研究結果是基于研究者的不同研究視角，未來如何更客觀地評估需要進一步研究。

4 結論

(1)沼氣化生產是我國畜禽糞便資源化利用的重要途徑。客觀地評估我國畜禽糞便資源量是畜禽糞便沼氣化利用的重要前提。畜禽的養殖周期、排泄系數以及畜禽糞便的可收集性是影響畜禽糞便資源量最重要的三個因素。未來在進行全國畜禽糞便資源評估時著重考慮區域差異是提高評估精度的重要手段。

(2)2015年我國畜禽糞便資源總量為20.08億t，其中糞便量12.18億t，尿液量7.89億t。該年我國畜禽糞便資源的干物質總量為2.87億t，其中華東最高，達到了5644.16萬t，其次為西南和華北地區。牛是我國的第一大畜禽糞便來源，以11590.24萬t,40.4%的占比位居我國畜禽糞便干物質量的第1位。

(3)考慮了可收集性后，2015年我國可收集的畜禽糞便資源干物質總量為13543.57萬t，其中牛的糞便干物質量最高，達到了6954.15萬t，其次是雞的3536.2萬t以及豬的3053.23萬t。在考慮了收集性和不同糞便種類的干物質產氣因子后，2015年我國畜禽糞便的沼氣最大潛力為963.77億m3，可開發潛力為510.13億m3。