云南不同地區畜禽糞便資源量及沼氣潛力分析

楊斌 尹芳 趙興玲 王昌梅 張無敵

(云南師范大學，云南 昆明 650500)

近年來，云南省出臺一系列政策文件和扶持措施，強力推動畜牧業生產。2021年云南省牛、生豬的存欄量分別居全國第1位[1]和第4位[2]，已成為全國畜牧產業大省。當前，云南畜牧業發展取得了較好的成效，但也產生了大量的畜禽糞便，這些糞便中富含有機質、氮和磷等環境污染物，使得資源環境約束趨緊的問題未得到根本解決，同時，云南9大高原湖泊治理任務艱巨，導致畜禽養殖與環境保護之間的矛盾長期存在。沼氣發酵是一種廣泛應用于畜禽糞便處理并生產沼氣和沼液沼肥的技術，在有效解決環境污染問題的同時提供清潔能源和有機肥料，能在云南高原湖泊保護和鄉村振興中發揮積極作用，而目前云南不同地區的畜禽糞便資源量尚未知曉，且這些畜禽糞便資源的沼氣潛力尚不明確，因此，有必要開展充分的調查研究工作，合理估算和預測這些畜禽糞便的資源量和沼氣潛力，為有效預防畜禽糞便對環境的污染和實現畜禽糞便的能源化利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 調查范圍

本次調查范圍包括昆明、曲靖、玉溪、保山、昭通、麗江、普洱、臨滄、楚雄、紅河、文山、西雙版納、大理、德宏、怒江、迪慶等16個云南所屬的州(市)，這16個州(市)均有畜禽養殖。

1.2 調查對象及方法

1.2.1 調查對象

本研究以2021年云南不同地區的畜禽養殖數據為基礎，包括生豬、牛、羊、家禽。

1.2.2 研究方法

本研究采用調研相關統計資料和參考相關研究成果相結合的綜合研究方法。各種畜禽的養殖數量采用有關單位的統計數量，畜禽糞便資源量根據產污系數法進行估算，沼氣產量根據ABEPE(animals data base for energy potential estimation)[3]模型進行估算，畜禽糞便沼氣能源化利用潛力的評估采用標準煤折算法。

1.3 估算參數及相關計算方法

1.3.1 畜禽糞便資源估算方法和參數選取

各種畜禽糞便排放量的計算公式：

式中，D為畜禽糞便排放量；Hi為第i種畜禽的存欄量；di為第i種畜禽每日糞便產生量；Fi為第i種畜禽的飼養周期，為便于統計分析，此項統一為365d。

目前，云南畜禽糞便的種類主要包括豬、牛、羊、家禽等畜禽的糞便，每日糞便的產生量[4]如表1所示。

表1 云南主要畜禽每日糞便產生量估算參數

1.3.2 畜禽糞便產沼氣量的估算方法和參數選取

各種畜禽糞便產沼氣量的計算公式：

式中，B為沼氣產量；di為第i種畜禽糞便產生量；TSi為第i種畜禽糞便的TS百分含量；Yi為第i種畜禽糞便單位質量的TS的產氣率。該公式即Batzias等于2003年建立的ABEPE模型[3]，其以各類畜禽糞便資源的TS含量與TS產氣率為基礎，進而估算相應畜禽糞便的產氣量。

不同畜禽糞便在20℃條件下單位質量的TS的產氣率見表2[5]。

表2 不同畜禽糞便的TS產氣率

1.3.3 畜禽糞便沼氣能源和利用潛力的評估方法

對于畜禽糞便沼氣能源化利用潛力的評估，本研究采用標準煤折算法，即通過估算畜禽糞便資源的產沼氣量，再將沼氣折算為標準煤，折標準煤系數采用國家標準《綜合能耗計算通則》[6]中規定的0.7143kgce·m-3，最終以標準煤來衡量畜禽糞便能源化潛力大小。

2 結果與分析

2.1 云南不同地區畜禽糞便資源量及空間分布

根據2021年云南主要畜禽的存欄量數據[1，2，7]，見表3，以及排泄參數、飼養周期，可估算出云南不同地區畜禽糞便的資源量，見表4。由表3可知，2021年云南省飼養量最多的畜禽為家禽類，超過了1.9億只；其次是生豬、羊和牛，其中，生豬養殖規模前3位依次為曲靖、紅河、昭通，牛養殖規模前3位依次為曲靖、文山、紅河，羊養殖規模前3位依次為曲靖、楚雄、大理，家禽養殖規模前3位依次為紅河、昆明、大理。由表4可知，2021年云南省畜禽糞便的資源量約有1.82億t，其中，資源量最大的是牛糞便，約9538萬t，占云南畜禽糞便資源總量的52%；其次是豬糞便，資源量約6422萬t，占總量的35%；羊和家禽糞便的資源量約2200萬t，占總量的13%。云南省的畜禽糞便資源量巨大，其中，豬糞和牛糞占比達87%，是主要的畜禽糞便來源，這與生豬和牛養殖產業的發展有關。

表3 2021年云南省各州(市)主要畜禽存欄情況表

表4 2021年云南省各州(市)不同畜禽糞便產生情況表

由于云南各州市畜禽養殖數量和飼養結構不同，畜禽糞便在16個州(市)的區域分布具有明顯的差異。昆明、曲靖、保山、昭通、普洱、臨滄、楚雄、紅河、文山、大理10州(市)為畜禽糞便資源量大戶，在1000萬t以上，10州(市)總計約占云南畜禽糞便資源總量的88%，其中，曲靖市位居第1，達3252.27萬t，占全省畜禽糞便資源總量的17.91%，以牛和豬糞便資源為主；紅河州位居第2，畜禽糞便量為1984.07萬t，占全省畜禽糞便資源總量的10.92%，以牛糞便資源為主，其次是豬和家禽的糞便；文山、大理的畜禽糞便資源量分別位居全省第3和第4位，其畜禽糞便量分別占全省的9.16%和9.13%；畜禽糞便資源量處于中等水平的是保山、楚雄、昭通、臨滄、普洱、昆明等州(市)，均在1000～1500萬t；畜禽糞便資源量相對較少的是麗江市和玉溪市，在500～1000萬t；迪慶、怒江、德宏、西雙版納4州(市)由于人口較少、國土面積相對較小，發展畜牧業所需的消費、土地等資源有限，畜禽糞便資源量最少，均不足300萬t。總體來看，云南省畜禽糞便資源量總量巨大，但由于各州(市)畜牧業發展水平的不同，導致畜禽糞便資源呈現顯著的地區差異，經濟發展水平較高和人口密度較大的州(市)(如曲靖、紅河)，則畜牧業較為發達，而畜禽養殖向人口密集、土地資源短缺的滇中、滇東、滇南各州市聚集，不僅加重了環境污染，也增加了畜禽糞便對食品和人體健康影響的風險。

2.2 云南不同地區畜禽糞便資源能源化利用潛力評價

根據2021年云南畜禽糞便資源量數據，采用ABEPE模型可估算出云南畜禽糞便的沼氣產量和折合標煤量，見表5。由表5可知，若將2021年云南全省約1.82億t的畜禽糞便資源完全用于沼氣發酵，可生產沼氣75.92億m3，相當于替代標準煤542.31萬t，而根據云南省統計局數據，2021云南省能源消費總量為13426.35萬t標準煤[8]，則云南省畜禽糞便資源可轉化的能量占到全省能源消費的4%以上，由此可看出，云南省畜禽糞便能源化利用潛力巨大。從畜禽糞便資源種類來看，牛養殖作為云南省主導的畜牧業，其糞便可轉化的能量最大，高于其他畜禽糞便可轉化的能量，相當于23.23億m3沼氣或165.96萬t標準煤，家禽糞、羊糞、生豬糞次之。從地區分布來看，畜禽糞便能源潛力最大的是曲靖市，如將曲靖市的畜禽糞便完全轉化為能量，相當于12.04億m3沼氣或85.97萬t標準煤，占全省的15.85%；紅河州和大理州次之，其畜禽糞便能源潛力分別占全省的11.64%和9.82%；畜禽糞便能源潛力處于中等水平的是昆明、玉溪、保山、昭通、麗江、普洱、臨滄、楚雄、文山等9個州(市)，可替代標準煤量在10～50萬t；而西雙版納、德宏、怒江和迪慶等4個州(市)的畜禽糞便能源潛力較低，可替代標準煤量在10萬t以下，這與畜禽糞便資源量的分布基本一致。

表5 2021年云南省畜禽糞便能源潛力

3 討論

《第二次全國污染源普查公報》顯示[9]，2017年全國畜禽養殖業水污染物排放的化學需氧量達1000.53萬t，占農業源排放總量的93.76%，氨氮、總氮和總磷排放量分別占農業源排放總量51.30%、42.14%和56.46%，畜禽糞便成為農業面源污染的主要來源，這些環境污染物若得不到及時有效的處理和利用，將會對生態環境造成嚴重的污染，也會對畜牧業的發展產生嚴峻的壓力，因此，對畜禽糞便進行有效處理和利用十分必要且迫切。2013年11月，時任國務院總理李克強簽發《畜禽規模養殖污染防治條例》[10]，國家鼓勵和支持采取糞肥還田、制取沼氣、制造有機肥等方法，對畜禽養殖廢棄物進行綜合利用；2016年12月，習近平總書記在中央財經領導小組第十四次會議的講話中強調，要加快推進畜禽養殖廢棄物無害化處理與資源化利用[11]；2017年6月，國務院辦公廳印發《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》，這是我國畜牧業發展史上第1個專門針對畜禽養殖廢棄物處理和利用的指導性文件[12]；“十三五”以來，我國開始實施畜禽糞污資源化利用整縣推進項目，安排中央資金296億元，累計支持723個縣[13]。

畜禽糞便既是能污染生態環境的廢棄物，又是一種特殊的可再生資源，經有效處理后在農業生產上具有很大的開發潛力，針對畜禽養殖廢棄物資源化利用，《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》中提出要“構建種養循環發展機制”，基于此，本課題組構建了“以沼氣工程為紐帶的4F循環經濟模式”[14]，以期為畜禽糞便資源化利用提供一種高效、生態、循環的種養模式，從而加快畜禽糞便的有效處理，推動沼氣工程健康發展。“以沼氣工程為紐帶的4F循環經濟模式”是指通過畜禽糞便的厭氧消化處理，將飼料(Feed)、肥料(Fertilizer)、食品(Food)和能源/燃料(Fuel)的生產進行有機結合，形成一種物質循環流動的系統，使得養殖業與種植業均得到可持續發展：沼氣工程可回收畜禽糞便中的沼氣能源，沼氣是一種很好的清潔燃料，可用于發電，產生的電力既可以用于并網，也可以用于飼料和有機肥的生產加工；除了沼氣外，沼氣工程還產生沼氣發酵殘留物(即沼渣和沼液)，沼渣和沼液是優質的生物肥料，可進一步加工為有機肥，有機肥可對化肥進行有效替代，并有效避免土壤板結、提高土壤肥力，同時生產出高品質的飼料、糧食、蔬菜、水果及其他經濟作物；飼料用于畜禽養殖業，可生產出優質的畜禽產品，同時養殖業產生的畜禽糞便又作為沼氣工程的原料，從而有效地實現了種養循環發展。

“以沼氣工程為紐帶的4F循環經濟模式”的積極意義體現在3個方面：落實我國關于加快推進畜禽糞便處理及資源化利用決策部署的有力舉措，“4F循環經濟模式”以種養循環發展為核心，倡導的是一種建立在物質不斷循環利用基礎上的經濟發展模式，通過優質農產品的生產銷售，產生顯著的經濟效益，進而保證了畜禽糞便無害化處理和資源化利用的持續運轉；推進農業供給側結構性改革的有力支撐，發達國家畜牧業GDP占農業GDP的比重一般在50%以上[10]，而我國2021年僅為27.15%[15]，因此迫切需要優化農業產業結構特別是種養結構，增加優質農產品供給，而“4F循環經濟模式”可以促進種養有機結合，進而推動農業提質增效；緩解畜牧業環保壓力的有力途徑，面對日益嚴格的環保要求，一些地方將畜禽養殖與環境污染劃上等號，利用劃定禁養區、限養區等方式，擠壓和限制畜禽養殖業發展，而“4F循環經濟模式”可實現物質和能量在種養產品生產過程中的循環利用，不產生或者只產生很少的廢棄物，可有效減輕養殖業環保壓力。

4 結論

4.1 云南省畜禽糞便資源量巨大，地區差異明顯

2021年云南省畜禽糞便產生量約1.82億t，其中牛糞便產量最多，約9538萬t，占云南畜禽糞便資源總量的52%；從地區分布來看，曲靖、紅河、文山、大理等4個州(市)是云南畜禽糞便資源最豐富的地區，占云南畜禽糞便資源總量的47.11%。

4.2 云南省畜禽糞便沼氣能源化利用潛力巨大

如將2021年云南省畜禽糞便資源全部進行沼氣發酵，則可產生75.92億m3沼氣，相當于替代標準煤542.31萬t，可以替代云南省4%以上的能源消耗；從地區分布來看，曲靖市、紅河州、大理州等3個州(市)是畜禽糞便沼氣能源化最具潛力的地區，其畜禽糞便所產沼氣占總量的37.31%。云南畜禽糞便沼氣能源化潛力較大的地區基本集中在綜合能源消費量較高的區域，因此，在這些地區發展畜禽糞便沼氣能源化利用，將具有較好的前景。

4.3 以沼氣工程為紐帶的“4F循環經濟模式”適宜于云南省畜禽糞便的無害化處理和資源化利用

采用“4F循環經濟模式”建立和運行的畜禽糞便沼氣工程，能將畜牧業、種植業、和農副產品加工業有機地聯系在一起，打通種養結合“最后一公里”，并產生顯著的經濟、環境和社會效益，助力云南9大高原湖泊保護和鄉村振興建設。