云南不同地区畜禽粪便资源量及沼气潜力分析

杨斌 尹芳 赵兴玲 王昌梅 张无敌

(云南师范大学，云南 昆明 650500)

近年来，云南省出台一系列政策文件和扶持措施，强力推动畜牧业生产。2021年云南省牛、生猪的存栏量分别居全国第1位[1]和第4位[2]，已成为全国畜牧产业大省。当前，云南畜牧业发展取得了较好的成效，但也产生了大量的畜禽粪便，这些粪便中富含有机质、氮和磷等环境污染物，使得资源环境约束趋紧的问题未得到根本解决，同时，云南9大高原湖泊治理任务艰巨，导致畜禽养殖与环境保护之间的矛盾长期存在。沼气发酵是一种广泛应用于畜禽粪便处理并生产沼气和沼液沼肥的技术，在有效解决环境污染问题的同时提供清洁能源和有机肥料，能在云南高原湖泊保护和乡村振兴中发挥积极作用，而目前云南不同地区的畜禽粪便资源量尚未知晓，且这些畜禽粪便资源的沼气潜力尚不明确，因此，有必要开展充分的调查研究工作，合理估算和预测这些畜禽粪便的资源量和沼气潜力，为有效预防畜禽粪便对环境的污染和实现畜禽粪便的能源化利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 调查范围

本次调查范围包括昆明、曲靖、玉溪、保山、昭通、丽江、普洱、临沧、楚雄、红河、文山、西双版纳、大理、德宏、怒江、迪庆等16个云南所属的州(市)，这16个州(市)均有畜禽养殖。

1.2 调查对象及方法

1.2.1 调查对象

本研究以2021年云南不同地区的畜禽养殖数据为基础，包括生猪、牛、羊、家禽。

1.2.2 研究方法

本研究采用调研相关统计资料和参考相关研究成果相结合的综合研究方法。各种畜禽的养殖数量采用有关单位的统计数量，畜禽粪便资源量根据产污系数法进行估算，沼气产量根据ABEPE(animals data base for energy potential estimation)[3]模型进行估算，畜禽粪便沼气能源化利用潜力的评估采用标准煤折算法。

1.3 估算参数及相关计算方法

1.3.1 畜禽粪便资源估算方法和参数选取

各种畜禽粪便排放量的计算公式：

式中，D为畜禽粪便排放量；Hi为第i种畜禽的存栏量；di为第i种畜禽每日粪便产生量；Fi为第i种畜禽的饲养周期，为便于统计分析，此项统一为365d。

目前，云南畜禽粪便的种类主要包括猪、牛、羊、家禽等畜禽的粪便，每日粪便的产生量[4]如表1所示。

表1 云南主要畜禽每日粪便产生量估算参数

1.3.2 畜禽粪便产沼气量的估算方法和参数选取

各种畜禽粪便产沼气量的计算公式：

式中，B为沼气产量；di为第i种畜禽粪便产生量；TSi为第i种畜禽粪便的TS百分含量；Yi为第i种畜禽粪便单位质量的TS的产气率。该公式即Batzias等于2003年建立的ABEPE模型[3]，其以各类畜禽粪便资源的TS含量与TS产气率为基础，进而估算相应畜禽粪便的产气量。

不同畜禽粪便在20℃条件下单位质量的TS的产气率见表2[5]。

表2 不同畜禽粪便的TS产气率

1.3.3 畜禽粪便沼气能源和利用潜力的评估方法

对于畜禽粪便沼气能源化利用潜力的评估，本研究采用标准煤折算法，即通过估算畜禽粪便资源的产沼气量，再将沼气折算为标准煤，折标准煤系数采用国家标准《综合能耗计算通则》[6]中规定的0.7143kgce·m-3，最终以标准煤来衡量畜禽粪便能源化潜力大小。

2 结果与分析

2.1 云南不同地区畜禽粪便资源量及空间分布

根据2021年云南主要畜禽的存栏量数据[1，2，7]，见表3，以及排泄参数、饲养周期，可估算出云南不同地区畜禽粪便的资源量，见表4。由表3可知，2021年云南省饲养量最多的畜禽为家禽类，超过了1.9亿只；其次是生猪、羊和牛，其中，生猪养殖规模前3位依次为曲靖、红河、昭通，牛养殖规模前3位依次为曲靖、文山、红河，羊养殖规模前3位依次为曲靖、楚雄、大理，家禽养殖规模前3位依次为红河、昆明、大理。由表4可知，2021年云南省畜禽粪便的资源量约有1.82亿t，其中，资源量最大的是牛粪便，约9538万t，占云南畜禽粪便资源总量的52%；其次是猪粪便，资源量约6422万t，占总量的35%；羊和家禽粪便的资源量约2200万t，占总量的13%。云南省的畜禽粪便资源量巨大，其中，猪粪和牛粪占比达87%，是主要的畜禽粪便来源，这与生猪和牛养殖产业的发展有关。

表3 2021年云南省各州(市)主要畜禽存栏情况表

表4 2021年云南省各州(市)不同畜禽粪便产生情况表

由于云南各州市畜禽养殖数量和饲养结构不同，畜禽粪便在16个州(市)的区域分布具有明显的差异。昆明、曲靖、保山、昭通、普洱、临沧、楚雄、红河、文山、大理10州(市)为畜禽粪便资源量大户，在1000万t以上，10州(市)总计约占云南畜禽粪便资源总量的88%，其中，曲靖市位居第1，达3252.27万t，占全省畜禽粪便资源总量的17.91%，以牛和猪粪便资源为主；红河州位居第2，畜禽粪便量为1984.07万t，占全省畜禽粪便资源总量的10.92%，以牛粪便资源为主，其次是猪和家禽的粪便；文山、大理的畜禽粪便资源量分别位居全省第3和第4位，其畜禽粪便量分别占全省的9.16%和9.13%；畜禽粪便资源量处于中等水平的是保山、楚雄、昭通、临沧、普洱、昆明等州(市)，均在1000～1500万t；畜禽粪便资源量相对较少的是丽江市和玉溪市，在500～1000万t；迪庆、怒江、德宏、西双版纳4州(市)由于人口较少、国土面积相对较小，发展畜牧业所需的消费、土地等资源有限，畜禽粪便资源量最少，均不足300万t。总体来看，云南省畜禽粪便资源量总量巨大，但由于各州(市)畜牧业发展水平的不同，导致畜禽粪便资源呈现显著的地区差异，经济发展水平较高和人口密度较大的州(市)(如曲靖、红河)，则畜牧业较为发达，而畜禽养殖向人口密集、土地资源短缺的滇中、滇东、滇南各州市聚集，不仅加重了环境污染，也增加了畜禽粪便对食品和人体健康影响的风险。

2.2 云南不同地区畜禽粪便资源能源化利用潜力评价

根据2021年云南畜禽粪便资源量数据，采用ABEPE模型可估算出云南畜禽粪便的沼气产量和折合标煤量，见表5。由表5可知，若将2021年云南全省约1.82亿t的畜禽粪便资源完全用于沼气发酵，可生产沼气75.92亿m3，相当于替代标准煤542.31万t，而根据云南省统计局数据，2021云南省能源消费总量为13426.35万t标准煤[8]，则云南省畜禽粪便资源可转化的能量占到全省能源消费的4%以上，由此可看出，云南省畜禽粪便能源化利用潜力巨大。从畜禽粪便资源种类来看，牛养殖作为云南省主导的畜牧业，其粪便可转化的能量最大，高于其他畜禽粪便可转化的能量，相当于23.23亿m3沼气或165.96万t标准煤，家禽粪、羊粪、生猪粪次之。从地区分布来看，畜禽粪便能源潜力最大的是曲靖市，如将曲靖市的畜禽粪便完全转化为能量，相当于12.04亿m3沼气或85.97万t标准煤，占全省的15.85%；红河州和大理州次之，其畜禽粪便能源潜力分别占全省的11.64%和9.82%；畜禽粪便能源潜力处于中等水平的是昆明、玉溪、保山、昭通、丽江、普洱、临沧、楚雄、文山等9个州(市)，可替代标准煤量在10～50万t；而西双版纳、德宏、怒江和迪庆等4个州(市)的畜禽粪便能源潜力较低，可替代标准煤量在10万t以下，这与畜禽粪便资源量的分布基本一致。

表5 2021年云南省畜禽粪便能源潜力

3 讨论

《第二次全国污染源普查公报》显示[9]，2017年全国畜禽养殖业水污染物排放的化学需氧量达1000.53万t，占农业源排放总量的93.76%，氨氮、总氮和总磷排放量分别占农业源排放总量51.30%、42.14%和56.46%，畜禽粪便成为农业面源污染的主要来源，这些环境污染物若得不到及时有效的处理和利用，将会对生态环境造成严重的污染，也会对畜牧业的发展产生严峻的压力，因此，对畜禽粪便进行有效处理和利用十分必要且迫切。2013年11月，时任国务院总理李克强签发《畜禽规模养殖污染防治条例》[10]，国家鼓励和支持采取粪肥还田、制取沼气、制造有机肥等方法，对畜禽养殖废弃物进行综合利用；2016年12月，习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议的讲话中强调，要加快推进畜禽养殖废弃物无害化处理与资源化利用[11]；2017年6月，国务院办公厅印发《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，这是我国畜牧业发展史上第1个专门针对畜禽养殖废弃物处理和利用的指导性文件[12]；“十三五”以来，我国开始实施畜禽粪污资源化利用整县推进项目，安排中央资金296亿元，累计支持723个县[13]。

畜禽粪便既是能污染生态环境的废弃物，又是一种特殊的可再生资源，经有效处理后在农业生产上具有很大的开发潜力，针对畜禽养殖废弃物资源化利用，《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》中提出要“构建种养循环发展机制”，基于此，本课题组构建了“以沼气工程为纽带的4F循环经济模式”[14]，以期为畜禽粪便资源化利用提供一种高效、生态、循环的种养模式，从而加快畜禽粪便的有效处理，推动沼气工程健康发展。“以沼气工程为纽带的4F循环经济模式”是指通过畜禽粪便的厌氧消化处理，将饲料(Feed)、肥料(Fertilizer)、食品(Food)和能源/燃料(Fuel)的生产进行有机结合，形成一种物质循环流动的系统，使得养殖业与种植业均得到可持续发展：沼气工程可回收畜禽粪便中的沼气能源，沼气是一种很好的清洁燃料，可用于发电，产生的电力既可以用于并网，也可以用于饲料和有机肥的生产加工；除了沼气外，沼气工程还产生沼气发酵残留物(即沼渣和沼液)，沼渣和沼液是优质的生物肥料，可进一步加工为有机肥，有机肥可对化肥进行有效替代，并有效避免土壤板结、提高土壤肥力，同时生产出高品质的饲料、粮食、蔬菜、水果及其他经济作物；饲料用于畜禽养殖业，可生产出优质的畜禽产品，同时养殖业产生的畜禽粪便又作为沼气工程的原料，从而有效地实现了种养循环发展。

“以沼气工程为纽带的4F循环经济模式”的积极意义体现在3个方面：落实我国关于加快推进畜禽粪便处理及资源化利用决策部署的有力举措，“4F循环经济模式”以种养循环发展为核心，倡导的是一种建立在物质不断循环利用基础上的经济发展模式，通过优质农产品的生产销售，产生显著的经济效益，进而保证了畜禽粪便无害化处理和资源化利用的持续运转；推进农业供给侧结构性改革的有力支撑，发达国家畜牧业GDP占农业GDP的比重一般在50%以上[10]，而我国2021年仅为27.15%[15]，因此迫切需要优化农业产业结构特别是种养结构，增加优质农产品供给，而“4F循环经济模式”可以促进种养有机结合，进而推动农业提质增效；缓解畜牧业环保压力的有力途径，面对日益严格的环保要求，一些地方将畜禽养殖与环境污染划上等号，利用划定禁养区、限养区等方式，挤压和限制畜禽养殖业发展，而“4F循环经济模式”可实现物质和能量在种养产品生产过程中的循环利用，不产生或者只产生很少的废弃物，可有效减轻养殖业环保压力。

4 结论

4.1 云南省畜禽粪便资源量巨大，地区差异明显

2021年云南省畜禽粪便产生量约1.82亿t，其中牛粪便产量最多，约9538万t，占云南畜禽粪便资源总量的52%；从地区分布来看，曲靖、红河、文山、大理等4个州(市)是云南畜禽粪便资源最丰富的地区，占云南畜禽粪便资源总量的47.11%。

4.2 云南省畜禽粪便沼气能源化利用潜力巨大

如将2021年云南省畜禽粪便资源全部进行沼气发酵，则可产生75.92亿m3沼气，相当于替代标准煤542.31万t，可以替代云南省4%以上的能源消耗；从地区分布来看，曲靖市、红河州、大理州等3个州(市)是畜禽粪便沼气能源化最具潜力的地区，其畜禽粪便所产沼气占总量的37.31%。云南畜禽粪便沼气能源化潜力较大的地区基本集中在综合能源消费量较高的区域，因此，在这些地区发展畜禽粪便沼气能源化利用，将具有较好的前景。

4.3 以沼气工程为纽带的“4F循环经济模式”适宜于云南省畜禽粪便的无害化处理和资源化利用

采用“4F循环经济模式”建立和运行的畜禽粪便沼气工程，能将畜牧业、种植业、和农副产品加工业有机地联系在一起，打通种养结合“最后一公里”，并产生显著的经济、环境和社会效益，助力云南9大高原湖泊保护和乡村振兴建设。