陈利洪， 舒帮荣， 李 鑫

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院， 江苏 徐州 221116)

21世纪是低碳发展的世纪。农业有机废弃物的减量化、资源化和无害化是实现低碳农业的基础。农业有机废弃物的高效循环利用和生物能源化已经成为许多国家低碳发展与可再生能源开发的战略重点，并有望成为极具发展潜力的战略性行业[1]。

畜禽粪便与农作物秸秆是最重要的两种农业废弃物资源。资源性农业废弃物的潜力评价及利用研究成为近年研究的热点[2-5]。草谷比系数估算农作物秸秆资源量可以做到相当准确[6]，但是畜禽粪便资源量及其沼气潜力的估算主要受畜禽排泄系数、畜禽生长周期、畜禽粪便可收集比例以及产气估算方法的影响，评估难度高于秸秆资源。我国1200～2876 亿m3的畜禽粪便年沼气潜力充分说明了不同研究视角、不同参数得出的研究结果差别显著[7-8]。

畜禽粪污发酵沼气对于发展再生能源和保护环境有重大意义[9]。在当前蔓延全国的“气荒”背景下，发展产业沼气可以有效弥补我国天然气的短缺[10]。但实际上近年包括畜禽粪便沼气在内的我国沼气生产已经显示出了发展乏力的趋势[11-12]。沼气实际产量与潜力之间差距极大，除了经济、技术等因素外，评估方法值得我们重点关注。

由于我国幅员辽阔，同种畜禽在不同区域由于不同自然条件和饲养方式其畜禽粪便的排泄系数差异可能很大[13]。目前在畜禽粪便评价中考虑了排泄系数区域差异的研究非常少见。本文将在考虑排泄系数区域差异的基础上重新评估我国畜禽粪便的资源量和沼气潜力，并结合类似研究探讨影响我国畜禽粪便沼气潜力的评估因素。

1 方法与数据

1.1 研究方法

首先选取主要的七种畜禽种类：猪、牛、鸡、马、驴、骡和羊，然后确定各类畜禽的饲养周期、排泄系数、可收集系数、粪尿干物质比例以及干物质产气因子等系数，进而估算我国畜禽粪便的资源潜力、可开发潜力以及沼气生产潜力，最后将研究结果与其他类似研究进行比较，重点讨论影响我国畜禽粪便沼气潜力的主要评估因素。

1.1.1 畜禽粪便理论资源量估算

畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，是其他形态生物质的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物[14]。本文主要计算粪便和尿液。

(1)

式中：TRAmanure为畜禽粪便的理论资源量，t；Ni为第i 类禽畜的年养殖数量，n；Ti为第i类禽畜的养殖周期，d；EPi为第i类畜禽的排泄系数。

1.1.2 畜禽粪便可利用资源量及产气潜力估算

畜禽粪便的可利用资源是指畜禽粪便可收集利用的部分，其主要反映指标是可收集系数。目前一般只考虑猪、牛、鸡的粪便可收集性[6]。畜禽粪便的产气潜力可以通过畜禽粪便的干物质及其产气因子进行估算[16-17]。

1.2 数据来源及数据处理方法

1.2.1 数据来源

本文中分区排泄系数主要参考自基于全国污染源普查的《畜禽养殖业产污系数与排污系数手册》[13]。文中的相关原始数据均来自于《中国农业统计资料2015》[18]，所有相关数据均指2015年的年度数据。

1.2.2 数据处理方法

(1)根据统计资料的划分方法，本文分为华北、东北、华东、华中、华南、西南和西北7个大区。

(2)畜禽尿液中有机物质的干物质含量远低于畜禽粪便中有机物质的干物质含量。综合参考宋立[16]等和汤云川[17]等的研究成果，本文将通过干物质产气因子估算不同畜禽粪便的产气潜力，因此需分开计算畜禽粪便及其尿液中的有机物质的干物质量；在生物质资源的统计中，各种资料出处、年代、统计方法不尽相同，完整性也不够[2]，这些问题在涉及畜禽粪便资源的计算上显得尤为突出。由于各种畜禽的生长周期不一致，所以对各畜禽数量和生长周期做如下规定：牛分为奶牛和肉牛，饲养时间以每年365 d计算，数量以年存栏量为准；猪分为肉猪和母猪，肉猪以当年出栏量为准，平均饲养周期150 d，母猪以年度存栏量为准。饲养周期以365 d计；羊包括山羊和绵羊，以年出栏量作为统计数据，饲养周期按365 d计；马、驴和骡存栏量作为统计数据，饲养周期按365天计算；肉鸡饲养周期以60 d计，蛋鸡饲养周期以365 d计[1, 6]。由于选取的统计资料近年不再单独公布蛋鸡和肉鸡的饲养量，综合比较往年数据后，以家禽量代替鸡的总量，肉鸡占80%，蛋鸡占20%。

2 研究结果

2.1 畜禽粪便资源量

根据分区排泄系数(见表1)，2015年我国畜禽粪便资源总量为20.08亿t，其中粪便量12.18亿t，尿液量7.89亿t。由于尿液中的干物质成分远远小于粪便量，为了避免数据“虚大”和方便横向比较，全部转换为干物质后如图1所示：2015年我国畜禽粪便的干物质总量为2.87亿t，其中华东最高，达到了5644.16万t；西南次之为5211.53万t；接下来分别是华北4831.02万t，西北3892.67万t和华中3834.26万t；排名最末的两位是东北3388.75万t和华南的1865.39万t。

就畜禽粪便来源来看，牛是我国最重要的畜禽粪便干物质来源，以11590.24万t，40.4%的占比位居我国畜禽粪便干物质量的第1位；羊的年干物质总量为5965.8万t，占比为20.8%；其次是鸡5893.66万t，占比为20.6%；再次是猪3392.48万t，占比为11.8%；驴/骡以947.53万t仅高于马的878.07万t。

表1 中国主要禽畜分区排泄系数

注：猪、牛和鸡的排泄系数参考自基于全国污染源普查的《畜禽养殖业产污系数与排污系数手册》[13]，马、驴/骡参考自龙慧灵[15]，羊参考自田宜水[3]，羊尿忽略未计。

图1 2015年中国各地区畜禽粪便干物质资源量

就各地区的畜禽粪便分布特点来看，在我国绝大部分地区，牛都是最重要的畜禽粪便来源。但在我国的华东地区，家禽是第一大畜禽粪便来源；而在西北地区，羊则是第一大畜禽粪便来源。

2.2 畜禽粪便可利用量

一般认为，猪、牛和鸡的粪便是最容易收集和利用的粪便资源[6]。基于本文的收集系数(见表2)，2015年我国各地区畜禽粪便干物质可利用量如图2所示：牛的粪便干物质量最高，达到了6954.15万t，其次是鸡的3536.2万t以及猪的3053.23万t。

表2 畜禽粪便其他系数

注：干物质含量主要参考自石元春[1]，鸡的干物质含量参考自宋立[16]等；马、羊的干物质含量参考自https://wenku.baidu.com/view/095a99e54bfe04a1b0717fd53 60cba1aa8118c71.html；产气因子综合参考自陈利洪[1]、宋立[16]等和汤云川[17]等。

图2 2015年中国不同畜禽粪便干物质可利用量

2.3 畜禽粪便沼气潜力

在考虑了不同畜禽粪便的产气因子后(见表2)，2015年我国畜禽粪便的沼气最大潜力为963.77亿m3。考虑了畜禽粪便易收集类别和收集系数后，2015年我国畜禽粪便的沼气可开发潜力为510.13亿m3，如图3所示：我国牛的沼气可开发潜力为208.62亿m3，其次是鸡和猪，分别为173.27亿m3和128.24亿m3。就区域而言，华东的畜禽粪便沼气可开发潜力最高，达到了135.13亿m3，其次是西南和华中，分别为86.25亿m3和80.27亿m3。

3 讨论

3.1 研究结果讨论

(1)选取的畜禽粪便排泄系数考虑了分区差异，排泄系数更具区域针对性，理论上相较目前常见的全国范围取单一值应更加准确。但个别排泄系数，如鸡的排泄系数在某些地区较一般研究偏高，可能导致如华东地区的鸡粪资源总量偏高。原因可能是鸡粪的日产粪量非常小，在进行排污系数普查时容易引起偏差，需要等下一次全国污染普查结果出来后才能进行更好的分析和探讨。

图3 2015年中国畜禽粪便沼气可开发潜力

(2)选取的畜禽种类和可收集系数主要参考自石元春[6]院士的相关论著但做了细微调整。调整内容主要包括两部分：第一是在畜禽粪便资源量中增加了对马、驴/骡和羊的考虑，主要是为了统计类别更完整；第二是牛和鸡的粪便可收集系数参考自石元春[6]均为0.6，但猪粪的可收集系数由1.0调整为本文的0.9，主要考虑是无论收集手段多先进，全国猪粪百分百的收集潜力是不可能实现的，加之现在猪的放养模式的兴起，猪粪收集从理论和实际上都不可能达到没有收集损失。在没有更好参考资料的借鉴下，本文中猪粪的可收集系数人为假设为0.9。本文中选取的畜禽种类主要基于畜禽粪便适于用于沼气生产的考虑，未列入可收集利用量的其它畜禽不代表其粪便不能用于沼气生产，只是在量级上有较大的差距。

(3)沼气化生产是我国畜禽粪便资源化利用的重要途径。但我国近几年的沼气发展明显发展乏力，这与很多研究中的我国沼气发展潜力的差距还很大。畜禽粪便是沼气的最重要生产原料，过高的估计我国畜禽粪便沼气潜力可能会导致沼气产业化进程产生挫折。客观进行评估，挤掉水分，才能更好地促进我国畜禽粪便的高效利用。

3.2 影响我国畜禽粪便沼气潜力的主要因素比较

相对于农作物秸秆，畜禽粪便资源量和可利用量及其沼气潜力会复杂很多。通过比较不同的研究结果，可以对影响我国沼气潜力的主要因素进行深入的分析和探讨(见表3)。

表3 我国典型的畜禽粪便资源量及其沼气潜力的相关研究

(1)畜禽饲养周期：目前对于母猪、牛、羊、驴/骡、马和蛋鸡的饲养周期各研究基本一致，基本都采用365天。不同研究中，肉猪的饲养周期介于105～199 d，差距为89.5%。主要原因是全国各地饲养条件和背景差距很大，而且即使在同一个地区，规模化的畜禽养殖和家庭养殖也会有较大差别。当前有些地方提倡快速育肥出栏，有些地方则是生态猪、散养猪的兴起，因此很难确定肉猪的全国饲养周期，本文取150 d属于均值处理。肉鸡的饲养周期介于55～60 d之间，差距很小。

(2)畜禽排泄系数：目前畜禽排泄系数在不同的研究论文中差距较大。主要原因有3个：一是没有区分粪便量和尿液量，尿液数量巨大但其干物质含量非常低，将尿液量统计入粪便资源量中则会使禽粪便资源总量“虚大”，如猪的排泄系数可能是1.38 kg·d-1 [3]和4.25kg·d-1 [7]，相差高达208%，若用来计算全国沼气潜力，势必造成研究结果差距显著；二是没有区分肉猪和母猪，奶牛和肉牛，也会使研究结果有较大的失真；三是没有考虑排泄系数的区域差异，而我国畜禽排泄系数的区域差异是显著的(见表1)，不同地区我国的肉猪、母猪和奶牛的地区间差距分别可达61.61%,69.16%和73.78%；尤其是肉鸡，地区差距甚至可高达266.67%。因此，畜禽粪便排泄系数差异是影响我国畜禽粪便资源总量评估的最重要因素。同时，畜禽粪便排泄系数的区域差异显著，在做宏观评估时需要慎重对待。

(3)畜禽粪便的可收集性：目前在可收集性的研究非常少，石元春[6]认为猪粪最好收集，收集损失几可忽略，其次是牛和鸡各有60%的可收集性。张田[7]等则认为鸡粪最好收集，可收集性达到80%，其次才是猪和牛。总的来看，目前对于适宜利用的畜禽粪便资源基本都认可是猪粪、牛粪和鸡粪，但可收集性上有较大差别。未来，随着畜禽养殖集约化、规模化发展，粪便收集将更为方便。同时，随着科学技术的发展，现在一些未能很好利用的粪便资源如羊粪等可能也会有较大的沼气可开发潜力。

(4)畜禽粪便沼气开发潜力： 在表3列举的研究论文中，我国畜禽粪便的沼气潜力介于963.77亿m3～2876.09亿m3，差距非常大。畜禽排泄系数差异是主要原因，张海成[8]等的研究假设了全国南北方均能一年四季都在35℃下生产沼气，所以其研究畜禽粪便沼气潜力可高达2876.09亿m3。总之，不同的研究结果是基于研究者的不同研究视角，未来如何更客观地评估需要进一步研究。

4 结论

(1)沼气化生产是我国畜禽粪便资源化利用的重要途径。客观地评估我国畜禽粪便资源量是畜禽粪便沼气化利用的重要前提。畜禽的养殖周期、排泄系数以及畜禽粪便的可收集性是影响畜禽粪便资源量最重要的三个因素。未来在进行全国畜禽粪便资源评估时着重考虑区域差异是提高评估精度的重要手段。

(2)2015年我国畜禽粪便资源总量为20.08亿t，其中粪便量12.18亿t，尿液量7.89亿t。该年我国畜禽粪便资源的干物质总量为2.87亿t，其中华东最高，达到了5644.16万t，其次为西南和华北地区。牛是我国的第一大畜禽粪便来源，以11590.24万t,40.4%的占比位居我国畜禽粪便干物质量的第1位。

(3)考虑了可收集性后，2015年我国可收集的畜禽粪便资源干物质总量为13543.57万t，其中牛的粪便干物质量最高，达到了6954.15万t，其次是鸡的3536.2万t以及猪的3053.23万t。在考虑了收集性和不同粪便种类的干物质产气因子后，2015年我国畜禽粪便的沼气最大潜力为963.77亿m3，可开发潜力为510.13亿m3。