云南省畜禽糞污土地承載力的時空分布和資源化利用潛力分析

摘要 為促進云南省畜牧業的發展與環境相適應，評估畜禽糞污土地承載力和資源化利用潛力，利用畜禽日排泄系數和污染物含量系數測算畜禽糞污排放量、氮磷承載量、區域畜禽理論養殖量、沼氣潛力及肥料潛力。結果表明：2010—2020年，在僅考慮農作物土地播種面積消納畜禽糞便的情境下，云南省土地播種面積氮磷承載量除西雙版納州和德宏州分別在2017和2018年出現磷污染，其余州（市）氮磷承載量有較大上升空間；云南省畜禽糞污年養分總量在84.81萬～104.98萬t，養分總量可替代化肥用量的37.77%～53.40%；畜禽糞便可產沼氣年均量46.67億m3，年均天然氣折算量28.00億m3，年均標準煤折算量33.32萬t，折年均碳減排潛力22.66萬t。由此可得，云南省要進行進一步畜禽養殖產業布局，提高畜禽糞污資源化利用率，推動區域畜牧業可持續發展。

關鍵詞 畜禽糞污；土地承載力；時空分布；資源化利用；可持續發展；云南省

中圖分類號 X713" 文獻標識碼 A" 文章編號 0517-6611（2025）03-0058-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.012

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of Spatial temporal Distribution and Resource Utilization Potential of Land Carrying Capacity of Livestock and Poultry Manure in Yunnan Province

CHANG Zhen1， ZHAO Xing ling^2，3， WU Kai^2，3 et al

（1.School of Economics and Management， Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500;2.School of Energy and Environment Science， Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500;3.Yunnan Biogas Engineering Technology Research Center， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract In order to promote the development of animal husbandry in Yunnan Province and adapt to the environment， the land carrying capacity and resource utilization potential of livestock and poultry manure were evaluated， the daily excretion coefficient and pollutant content coefficient of livestock and poultry were used to measure the discharge of livestock and poultry manure，nitrogen and phosphorus carrying capacity， regional theoretical breeding volume of livestock and poultry， biogas potential and fertilizer potential based on the daily excretion coefficient and pollutant content coefficient of livestock and poultry.The results showed that from 2010 to 2020， under the scenario of only considering the sown area of crop land to absorb livestock and poultry manure， the nitrogen and phosphorus carrying capacity of the sown area of land in Yunnan Province had been polluted since 2017 and 2018 respectively， and the nitrogen and phosphorus carrying potential of other prefectures （cities） had greater room for improvement. The total annual nutrient content of livestock and poultry manure in Yunnan Province fluctuated between 848，100 tons and 1，049，800 tons， and the total nutrients could replace 37.77%-53.40% of the fertilizer usage. The average annual production of biogas from livestock and poultry manure was 4.667 billion m3， the average annual amount of natural gas was 2.800 billion m3， the average annual amount of standard coal was 333，200 tons， and the annual average carbon reduction potential was 226，600 tons. From the results of the research， Yunnan Province should further layout the livestock and poultry breeding industry， improve the utilization rate of livestock and poultry manure resources， and promote the sustainable development of regional animal husbandry.

Key words Livestock and poultry manure;Land carrying capacity;Spatial temporal distribution;Resource utilization;Sustainable development;Yunnan Province

基金項目 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司項目“新型能源及儲能關鍵技術研究”；云南省萬人計劃產業技術領軍人才項目（20191096）；云南省基礎研究計劃項目（202001AT070094）；云南省國際科技合作專項（202003AF140001）；云南省基礎研究專項青年項目（202201AU070058）；云南省教育廳科學研究基金項目（2022J0127）；云南師范大學博士啟動項目（xj2021102918）；昆明市國際（對外）科技合作基地項目（GHJD-2020026）。

作者簡介 常鎮（1997—），男，云南鎮雄人，碩士研究生，研究方向：生物質能。*通信作者，研究員，博士生導師，從事生物質能與環境工程教學科研工作。

收稿日期 2023-12-22

隨著規模化養殖的發展，畜禽養殖業已成為農村經濟的重要支柱之一，區域生產格局基本形成，而畜禽養殖過程中產生糞便尿液不僅能提高土壤的微生物活性，還能補充土壤中的有機物、水分和營養物質等^［1］。對畜禽糞污進行有效利用是農業可持續發展的重要組成部分，但利用不恰，會造成水體和土壤污染，進而嚴重破壞生態環境^［2］。隨著畜禽養殖業集約化程度的不斷提高，由畜禽糞便帶來的環境污染問題也越來越大^［3］。2020年全國畜禽糞污總量已達到30.00億t^［4］，第二次全國污染源公報統計顯示，畜禽規模養殖排放的廢棄物已成為農業污染源之一^［5］。因此，如何既能實現畜牧業的綠色發展，又能有效控制且將畜禽糞便轉廢為寶成為各學者研究內容^［6］。

區域農田面積和畜禽養殖數量應保持在合理范圍內，特別是在城鄉轉型發展過程中，隨著耕地面積的減少，畜禽產品的需求量不斷增加^［7］。未來一段時間內，在土地承載范圍內如何滿足人們對畜禽產品需求成為保障區域生態環境的重要問題，而畜禽糞污資源化利用也是學者們研究的熱點。現有研究大多從國家和省等宏觀尺度以及縣^［8-11］、鄉等微觀尺度^［12-13］的單一年份進行土地承載力分析；或對畜禽糞污污染物含量^［14］、畜禽糞污肥料及能源化^［15-16］進行單一研究，而基于土地播種面積氮磷承載量、畜禽養殖量的市域和資源化利用潛力的定量研究較少，難以為畜禽養殖業發展布局提供有效指導。

筆者以云南省2010—2020年的牛、豬、羊和家禽年末存欄量為研究對象，從州（市）角度出發，以11年來云南省土地播種面積氮磷畜禽承載量與畜禽養殖量的差值判斷土地播種面積是否能承載畜禽養殖數量，并對畜禽糞污的養分資源化利用儲量及能源化潛力進行了測算，以期為云南省畜牧業的可持續發展、畜禽糞污的高效綜合利用提供數據支持，也為其他地區畜禽養殖業的全面發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

云南省地處中國西南邊陲，有8個地級市，8個自治州。隨著云南省大力發展畜牧業，截至目前已形成了別具特色的高原畜禽養殖。云南省農業農村廳關于印發云南“十四五”畜牧業高質量發展實施意見的通知中提出，到2025年，全省生豬存欄穩定在3 400萬頭，肉牛存欄900萬頭，家禽存欄2.1億羽以上，肉羊存欄1 400萬只、奶牛存欄20萬頭，奶類產量75萬t，其綜合產值要達到5 100億元，畜牧業已成為云南省第一產業的支柱性產業。

1.2 數據來源

研究數據來源于2010—2020年的《中國區域經濟統計年鑒》《中國統計年鑒》《云南省統計年鑒》《云南省國民經濟和社會發展統計公報》《中國農村統計年鑒》《中國能源統計年鑒》和中國國家統計局、云南省統計局。因豬、牛、羊和家禽的飼養周期不同，按每年年末存欄量統計，利用Microsoft Excel對試驗數據進行計算，并利用ArcMap 10.7和Origin繪圖。

1.3 測算方法

1.3.1

畜禽糞污排放量測算。根據張無敵等^［17］提出的畜禽養殖糞污排放量的相關規范，其計算公式如下：

Ai=Ni×t×ri（1）

式中：Ai為第i類畜禽排放畜禽糞污總量（萬t）；Ni為第i類畜禽養殖年末存欄量（萬頭或萬只）；t為飼養周期，為365 d；ri為第i類畜禽糞污日排放量（kg），其取值來源于張無敵等^［17］的研究。具體見表1。

1.3.2 畜禽糞污氮磷含量測算。根據李丹陽等^［18］研究提出的畜禽糞污氮磷含量，計算公式如下：

W=Ai×ni（2）

式中：W為畜禽糞污中氮磷含量（萬t）；ni為畜禽糞污TN和TP的含量系數（kg/t），如表2所示。

1.3.3 畜禽糞污耕地承載量測算。根據孫超等^［7］提出的耕地承載容量與耕地承載量的關系，耕地氮磷承載量計算公式如下：

Mij=Qij×HN（3）

Mij=Qij×HP（4）

式中：Mij為i區域j年耕地氮磷承載量（kg）；Qij為i區域j年糧食土地總面積（hm2）；HN為單位土地播種面積氮需求量（kg/hm2）；HP為單位土地播種面積磷需求量（kg/hm2）。

朱兆良^［19］研究指出，當耕地施氮量在150～180 kg/hm2時，農作物產量可以達到較高水平；王方浩等^［20］研究也指出，磷的耕地承載量為35 kg/hm2時，能夠顯著提高農作物產量；而超過180 kg/hm2則會造成土地的污染，因此確定云南省單位耕地面積的氮、磷限量標準分別為150和35 kg/hm2。在評估耕地畜禽承載量時，需綜合考慮化肥施用類型和結構，以滿足農作物高產的需求。因此，在計算云南省市級區域畜禽承載力時，假設50%的氮磷養分來自畜禽糞污的施用^［21］，耕地畜禽承載量計算公式如下：

RijN=Mij/d×10^-4×50%（5）

RijP=Mij/d×10^-4×50%（6）

式中：RijN和RijP表示以豬當量計算的第i區域第j年耕地可承載的畜禽數量，即分別為氮承載量、磷承載量，單位為萬頭；d為單位豬年糞污總氮磷排放量（kg）。

根據各類畜禽糞污排泄量及飼養周期，按照農業農村部辦公廳關于印發《畜禽糞污土地承載力測算技術指南》的通知，以氮、磷含量為基礎計算，各類畜禽的折算系數（以豬當量計）分別為牛6.12、0.16，羊0.004、4.440，家禽0.250、0.008。

畜禽養殖總量計算公式如下：

Wij=∑（TijBij）（7）

式中：Wij為i區域j年畜禽養殖總量（豬當量），單位為萬頭；Tij為i區域j年各類畜禽數量，單位為萬頭或萬只；Bij為i區域j年各類畜禽折算豬當量系數。

畜禽承載容量計算公式如下：

Gij=RijN-Wij（8）

Yij=RijP-Wij（9）

式中：Gij和Yij分別為i區域j年畜禽氮磷承載容量（萬頭），當Gij＞0和Yij＞0時，表示i區域j年處于畜禽未超載狀態；Gij＜0和Yij＜0時，表示i區域j年處于畜禽超載狀態。

1.3.4 畜禽糞污替代化肥的潛力評估。計算畜禽糞污有效養分的公式如下：

K=∑Ai×S（N，P，K）×（1-Ui（N，P，K））（10）

式中：K為畜禽糞污有效養分量（萬t）；S（N，P，K）為第i類畜禽糞污中的N、P2O5和K2O含量系數（kg/t），取值來源于文獻［22-23］，如表2所示；Ui為畜禽糞污的養分損失率（%），在還田前要經歷“排泄—清掃—存儲—處理（堆積、高溫堆肥或厭氧發酵）—運輸—轉移”等過程，期間養分損失較大，其取值來源于文獻［24-25］，如表3所示。

畜禽糞污有效養分還田的化肥替代率計算公式如下：

X=Ki/b×100（11）

式中：X為化肥替代率（%）；Ki為各類畜禽糞污有效養分量（萬t）；b為農用化肥N、P2O5、K2O養分的折施用量（萬t），其折施用量根據李書田等^［26］提出的N、P2O5、K2O比例，得到云南省農用化肥N、P2O5和K2O折施純用量。

1.3.5 畜禽糞污能源存量潛力估算。畜禽糞污發酵產沼氣計算公式如下：

E=Ai×c×z（12）

式中：E為畜禽糞污發酵產沼氣量（億m3）；Ai為第i類畜禽糞污排放量（萬t）；c為畜禽糞污的產沼氣系數（m3/kg）；z為畜禽糞污的干物質含量占比（%）。畜禽糞污產沼氣系數與干物質含量占比取值參考文獻［17，27-28］，如表2所示。

畜禽糞污產沼氣轉換標準煤計算公式如下：

P=E×m（13）

式中：P為沼氣轉換成標準煤總量（萬t）；m為1 m3沼氣可折0.714 kg標準煤，其值來源于文獻［29］。

畜禽糞污沼氣轉換天然氣計算公式如下：

B=E×f（14）

式中：B為沼氣轉換成天然氣總量（m3）；f為沼氣折算為天然氣的系數。根據1 m3沼氣和天然氣的熱值，測算得1 m3沼氣可折0.60 m3天燃氣，f值為0.60。

畜禽糞污天然氣替代倍數計算公式如下：

V=E/y（15）

式中：V為天然氣的替代倍數；E為畜禽糞污轉化成沼氣總量（億m3）；y為區域生活天然氣消耗量（億m3）。

畜禽糞污標準煤能源替代率計算公式如下：

Z=P/q（16）

式中：Z為標準煤能源替代率（%）；P為沼氣轉換成標準煤總量（萬t）；q為區域生活能源消費量（萬t）。

2 結果與分析

2.1 畜禽糞污排放量時間變化特征

由圖1可見，2010—2020年云南省畜禽養殖糞污排放總量總體呈上升趨勢，從2010年的14 894.40萬t增至2020年的17 582.64萬t，年均增長率為1.64%。其中，羊尿的排放量最低，年均排放量為264.47萬t，年均增長率為4.40%，占云南省畜禽糞污排放總量的2.00%；羊糞的年均排放量為801.43萬t，年均增長率為4.40%，占排放總量的5.00%；牛糞的排放量最大，年均排放量為5 704.14萬t，年均增長率為1.41%，占排放總量的36.00%；牛尿的年均排放量為3 134.55萬t，年均增長率為1.41%，占排放總量的18.00%；豬尿的年均排放量為3 367.48萬t，年均增長率為1.21%，占排放總量的22.00%；豬糞的年均排放量為2 040.90萬t，年均增長率為1.21%，占排放總量的13.00%；家禽糞污的年均排放量為599.25萬t，年均增長率為4.93%，占排放總量的4.00%。隨著云南省畜禽養殖業的不斷發展，如何有效處理畜禽糞污已成為云南省畜牧業可持續發展中無法回避的重要問題。

2.2 畜禽糞污土地承載力變化特征

從2010—2020年云南省各州（市）土地播種面積氮磷承載量的分布（圖2）可以看出，16個州（市）的土地播種面積氮承載量和磷承載量均為正值，總體上呈現出較為穩定的增長趨勢，表明云南省的土地在畜禽養殖氮磷承載量方面仍具有較大的提升空間。在16個州（市）中，氮承載量最高的是曲靖市，其年平均承載量為15 978.23萬頭，這主要是因為曲靖市土地播種面積較大，能夠承載的氮元素量較多；氮承載量最小的是迪慶州，其年平均潛力僅為821.66萬頭，這主要是因為土地播種面積相對較少所導致的。16個州（市）中，除西雙版納州和德宏州外，2017和2018年開始出現了磷超載現象，其余州（市）磷承載量均為正值，這主要是因為西雙版納州和德宏州土地播種面積較小，導致承載能力不足。具體來看，曲靖市的年均磷承載量最高，為933.79萬頭；年均磷承載量最低的為怒江州，僅為85.73萬頭。針對云南省畜禽糞污處理問題，應按照氮承載量和磷承載量進行科學規劃。對于已超出承載能力的地區，應減少養殖規模，轉移到具備承載能力的區域進行養殖，以促進云南省畜牧業的可持續發展。

2.3 畜禽糞污化肥潛力估算

從表4可以看出，2010—2020年云南省畜禽養殖產生的年均養分總量在84.81萬～104.99萬t，主要以K為主，其養分量占比達到年均養分總量的52%；其次是N，占比為33%；P最低，僅占15%。與此同時，化肥的施用量（以折純量計）呈現出先增后減的變化趨勢，從2010年的184.60萬t上升至2016年的235.60萬t，之后逐步減少，到2020年減少至196.60萬t。通過對畜禽糞污進行發酵等無害化處理，可以將其有效轉化為肥料，從而顯著減少化肥的使用。研究表明，畜禽糞污中所含養分的總量能夠替代化肥的使用比例為37.77%～53.40%。

從圖3可以看出，2020年云南省各州（市）中，曲靖市的N、P、K養分量最高，分別為5.94萬、2.80萬和8.87萬t，合計養分總量達17.61萬t；其次為紅河州，N、P、K養分量分別為3.89萬、1.81萬和6.31萬t，合計養分總量為12.01萬t；而西雙版納州的養分量最低，N、P、K養分量分別為0.55萬、0.22萬和0.95萬t。從整體分布來看，云南省畜禽糞污養分量集中于滇中和滇南地區，而滇西、滇西北、滇西南、滇東北區域的養分量相對較少。

2.4 畜禽糞污沼氣潛力估算

從表5可以看出，2010—2020年云南省畜禽糞污可產沼氣量總體呈現出上升的趨勢，年均值為46.67億m3。根據1 m3沼氣可折0.60 m3天然氣，畜禽糞污年均天然氣折算量為28.00億m3，而云南省年均天然氣消耗量為8.45億m3；天然氣折算量均能滿足云南省對于天然氣使用的需求，2010—2020年天然氣折算量替代云南省天然氣消費量均在1倍以上，年均倍數為4.36倍。1 m3沼氣可折0.714 kg標準煤，云南省畜禽糞污年均標準煤折算量為33.32萬t，而云南省用于第一產業能源消耗的標準煤年均量為210.95萬t，標準煤折算量替代用于第一產業的能源率年均值為15.87%；根據節約1 kg標準煤，可減少排放0.68 kg碳，2010—2020年云南省因畜禽糞便折標準煤可減少碳排放年均值為22.66萬t。

從表6可以看出，云南省畜禽糞污的資源化利用潛力十分巨大，但由于農牧業發展水平和地區差異，16個州（市）的畜禽糞污資源化利用潛力存在差異，呈現出明顯的地域性空間差異。在云南省16個州（市）中，曲靖市的畜禽糞污能源化潛力位居首位，若將其全部畜禽糞污轉化為沼氣，可產生9.35億m3的沼氣，進一步折算為標準煤約6.67萬t。紅河州和大理州次之，其沼氣產量分別為6.35億和5.22億m3，折算為標準煤分別為4.53萬和3.73萬t。相比之下，西雙版納州的畜禽糞污能源化潛力最低，沼氣產量僅為0.57億m3，對應的標準煤折算量僅為0.41萬t。

3 討論

雖然我國資源總量豐富，但人均資源占有量較低，資源緊缺已成為制約經濟可持續發展的關鍵因素之一，而畜禽糞污的資源化利用是實現資源可持續利用和改善農村生態環境的重要手段。該研究以云南省2010—2020年的畜禽糞污為研究對象，對云南省畜禽糞污土地承載力及資源化進行了時空分析，并評估了云南省各州（市）2020年畜禽糞污在肥料化和能源化方面的利用潛力。

近年來，隨著云南省畜禽養殖業的快速發展，畜禽養殖規模持續擴大，糞污資源量也明顯增長。這一趨勢不僅為畜禽糞污的資源化利用提供了充足的原料保障，也為推動農業綠色發展和循環經濟模式的構建創造了重要機遇。但在養殖數量不斷增加的同時，云南省局部地區也出現了超承載的現象，西雙版納州和德宏州分別從2017和2018年出現磷污染，這主要是因為西雙版納州和德宏州土地播種面積相對來說較小，而畜禽養殖數量隨著時間推移不斷增加造成的。而云南省其余14個州（市）在現行畜禽養殖數量下還有很大的承載量。在考慮云南省未來畜禽養殖數量時，要做到合理布局，對于已經出現污染的地區要減少養殖數量，對于承載潛力大的地區，不能僅以土地播種面積氮承載潛力來看，否則會出現更大磷污染現象。

根據現有研究發現，畜禽糞污中含有豐富的N、P、K等營養元素，但若處理不當，這些元素可能通過地表徑流或雨水沖刷進入河流或地下水，不僅會造成資源的嚴重浪費，還可能對農村生態環境造成污染^［30］。耿維等^［31］研究表明安徽省2010—2016年通過肥料化處理畜禽糞便，可提供有機肥年均量66.81萬t。杜艷玲等^［32］研究發現山西的種養廢棄物肥料化潛力巨大，N、P、K養分量分別達到12.5萬、5.28萬和10.4萬t。王聞等^［33］對廣東省2020年的畜禽糞便資源進行調查，發現全省畜禽糞污進行資源化利用可折標準煤313.8萬t；呂寧等^［27］對新疆2009—2019年的畜禽糞污進行調查研究，發現新疆畜禽糞污可年產沼氣22.69億m3，年均折標準煤269.99萬t。該研究發現，2010—2020年云南省畜禽糞污經厭氧消化產沼氣折算成標準煤后，可替代云南省第一產業能源消耗的13.52%～17.58%；經厭氧消化產沼氣折算成天然氣后，更是云南省天然氣消耗量的1.76～7.08倍。云南省畜禽糞污資源量豐富，可以根據不同地區的經濟發展情況，制定相應的資源利用方案。在經濟較為發達的地區，可采取能源化發展模式；而在經濟相對滯后的地區，則應以肥料化為主，以此提高畜禽糞污的資源化利用效率，改善土壤質量，推動綠色可持續發展。

4 結論

（1）云南省各州（市）土地播種面積氮磷承載量有很大的潛力值，其中曲靖市氮磷承載量最大，年均氮、磷承載量分別為15 978.23萬和933.79萬頭。氮、磷承載量最少的分別是迪慶州和怒江州，怒江州已經面臨磷污染風險，迪慶州氮承載量為821.66萬頭，怒江州磷承載量為85.73萬頭。

（2）2010—2020年云南省畜禽糞污從2010年的14 894.40萬t增加至2020年的17 582.64萬t，資源蘊藏量巨大，但畜禽糞污資源化利用水平較低，亟需引起政府及相關部門的關注。提升畜禽糞污的資源化利用率，并避免因處理不當引發的環境污染等問題，是當前亟待解決的關鍵課題。

（3）云南省的畜禽糞污資源儲量較為充足，具有較大的資源化利用潛力。2010—2020年，若將畜禽糞污轉化為肥料，其產生的養分總量可替代云南省化肥使用量的37.77%～53.40%；若將其轉化為能源，則其折算的年均天然氣量足以滿足全省天然氣使用需求。

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