牛羊粪便资源化利用研究

韩枫　朱立志

摘要

草食畜牧业是我国目前乃至今后发展的重点，伴随饲养比重的增加，畜禽粪便污染问题也随之而来。为避免面源污染，维护良好的农业农村环境，提升我国生物质能源利用潜能，本文以牛羊粪便资源化利用为研究对象，选取甘肃省临夏回族自治州临夏县和全国作为研究区域，对牛羊粪便资源化利用作出梳理，分别对作为农家肥（肥料化利用）和沼气资源加以利用的潜能作出测算。以农业部发布的养殖业产排污系数和相关养分含量系数为基础，将我国2013年牛、羊粪便的COD折算成相应的折标煤，将TN（氮）和TP（磷）折算成尿素、过磷酸钙、磷酸二铵等常用肥料，对牛羊粪便资源化利用作了初步评估。2013年牛羊粪便可产生氮5 143 400 t，折合尿素11 181 300 t；产生磷733 600 t，折合过磷酸钙12 018 300 t。全国牛类粪便COD排放量为118 183 200 t（奶牛30 310 700 t，肉牛65 912 000 t），羊粪便COD排放量为48 800 t，牛羊粪便共可产生沼气资源53 713 900 m3，约38 351 700 kg标准煤。同时，以甘肃省临夏县作为对象，结合调研数据，得出2013年临夏县牛羊粪便COD产生量合计约48 145 269.74 kg，折算出沼气标煤当量为28 176.82 t；含氮量为2 557.18 t，含磷量为256.40 t，折算成化肥相当于5 559.09 t尿素和4 200.48 t过磷酸钙，或者1 050.12 t磷酸二铵和5.19 t尿素。因此，牛羊粪便资源化利用可以产生节本、增效、环保的叠加作用。政府要加大技术指导和财政扶持力度，尤其在贫困地区，要以畜禽粪便资源化利用推动当地脱贫进程，同时提升土壤质量，提高农产品产地安全保障。考虑到散户比例较大，尤其在西部地区，建议尽快建立政府引导、合作社带动的牛羊粪便收集利用机制。

关键词粪便资源化利用；能源潜力；面源污染；氮磷养分系数；COD

中图分类号S-9文献标识码A文章编号1002-2104（2015）06-0167-07doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2015.06.023

牛羊等草食畜牧业是我国畜牧业发展的重点，随着比重的增加，牛羊粪便污染问题成为摆在我们面前迫切需要解决的环境问题。同时，将牛羊粪便资源化利用，可以减少农业面源污染、节约化肥施用、增加生物质能源、提升耕地和农产品质量，从而增加农民收益、减少农户经营成本、提高生态环境保护力度。当前，牛羊养殖是西部地区农户提高收入的重要途径。基于上述原因，本文以牛羊粪便资源化利用为研究对象，为全国特别是西部地区草食畜牧业健康发展提供有益的参考。

本文采取整体和局部，统计数据和调研数据相结合的方式进行多层次分析。统计数据来源于《国家统计年鉴》、《中国畜牧业统计年鉴》、《中国农业统计资料》和甘肃省临夏县统计年鉴，调查数据来源于甘肃省临夏回族自治州临夏县三个行政村的调查问卷。临夏县是我国西部少数民族聚居区、国家级贫困县，由于宗教信仰、文化传统与生活习惯等原因，畜牧业以牛羊养殖为主。

1文献综述

畜禽粪便的资源化利用源于我国农业废弃物资源化利用。孙振钧、孙永明[1]认为，农村地区的废弃物主要包括植物类废弃物、动物类废弃物、加工类废弃物和生活垃圾等四大类。胡明秀[2]对农业废弃物资源化利用的途径作出归纳，分为获取能量、制作肥料、生产饲料、生产工业及医药原料四类。其中，肥料制作主要包括堆肥、液体肥料、有机生物肥和有机复合肥。我国农户对于农家肥的制作一般选用堆肥技术，甚至是直接还田，因为该方式是农户最为便捷和易于操作的选择。杨帆等[3]指出，我国规模化养殖场中，粪便资源主要以猪粪、牛粪、鸡粪为主，其中，采用传统堆沤方式处理粪肥的养殖场占养殖场总数的37.8%，在上述四种处理方式中，占据主要地位。

畜禽粪便易造成污染。庇古[4]以外部性理论对社会福利问题作出解读，环境污染从本质上说，就是一种对社会福利的威胁，造成社会福利边际效益的损失，而解决损失最为有效的手段就是通过庇古税进行一种惩罚或者奖励，实现私人边际产品和社会边际产品的均衡。因此外部性理论可以作为解决环境问题的有效理论支撑。由于农户是理性经济人，在进行决策时，不仅受到预期效益回报和成本付出的影响，也关心该类行为带来的风险感知，因此对畜禽粪便的资源化利用，必须在符合农户利益选择的前提下进行。

目前，国内对农业废弃物资源化利用研究主要集中在农业废弃物的区域分布、环境对农业废弃物的承载力、农业废弃物资源化利用及技术效率等领域。高定等[5]运用聚类分析方法对我国各省份畜禽养殖污染风险作出评估，提倡农牧结合，种养平衡的良性生态产业链。罗建新等[6]对畜禽粪便资源的肥料化利用作出分析，评估了畜禽粪便作为资源使用的潜力和利用价值。韦佳培[7]以食用菌农户为调查对象，考察了废弃物循环利用的经济价值。孙智君[8]基于农业废弃物资源化利用的角度对农业循环经济发展模式进行了探讨，提出农作物秸秆资源化利用、畜禽粪便资源化利用和以沼气为纽带的三种循环经济类型。

畜禽粪便作为生物质能源的发展潜力巨大，吴兴利等[9]粗略估算，一个万头养猪场每年排放30 000 t粪尿，其中粪12 600 t，尿17 400 t，全年将向猪场周围排放1 070 000 t氮（相当于375 t尿素）和31 t磷（相当于118 t过磷酸钙），按最高水平施肥量来计算，也至少需要1 300-4 000公顷农田来消化。可见，畜禽粪便资源化处理具有环境和经济双重效益。许俊香等（2005）[10]测算，我国猪、牛、羊粪尿资源总量分别为1 292 017 000 t、1 548 537 000 t、147 135 000 t，粪尿回田比例分别为65%、30%、33%。粪尿磷资源作为有机肥还田的量为1 457 000 t，占粪尿总磷量的45.8%，进入环境的磷约为1 727 000 t，占粪尿磷资源总量的54.2%。

2牛羊粪便资源化利用的潜力分析

针对草食畜牧业比重的增加，牛羊粪便污染逐渐成为不可忽视的环境问题，本文从全国视角对牛羊粪便资源化利用作出测算与分析。牛羊粪便资源化利用的主要方式为：①肥料化利用，即以农家肥的方式部分代替化肥，减少化肥施用量；②能源化利用，即以沼气方式加以利用，减少用电量和耗煤量等，同时也为农田提供沼肥。

2.1牛羊粪便肥料化利用分析

研究的基础数据来源于2013年《中国畜牧业统计》和《中国农业统计资料》，据上述数据统计，2013年年末，全国牛存栏数为10 385.1万头，包括肉牛（6 838.6万头）和奶牛（1 441.0万头），其中甘肃省临夏回族自治州临夏县年末存栏量为62 042头。2013年年末，全国羊存栏数为29 036.3万只，包括山羊和绵羊，其中甘肃省临夏回族自治州临夏县年末存栏量为197 904只。

2.1.1牛羊粪便排泄系数

牛羊粪便的日排泄量与品种、体重、生理状态、饲料组成和饲喂方式等相关，我国目前没有统一的国家标准，通过查阅文献，选用王方浩等（2006）[11]的统计和整理，确定牛羊粪便排泄系数见表1。

2.1.2牛羊粪便养分含量系数

养分系数同样采用王方浩等人的分析，且牛羊粪便的养分含量系数以新鲜粪便为准，见表1。

农户养殖牛一般为三类，役用牛、肉牛和奶牛，上述统计资料只给出年末共有存栏数，肉牛和奶牛的分别存栏数，对役用牛的存栏数没有提及，因此，在后续牛类粪便资源量的测算中，将以年末共有存栏数减去肉牛和奶牛存栏数，粗略代替役用牛的年末存栏数。经估算得出2013年我国牛羊粪便产生量：牛粪便总量为1 018 781 700 t，折算含氮量3 575 900 t，含磷量为835 400 t。羊粪便量为252 615 800 t，折算含氮量为2 561 500 t，含磷量为545 600 t。根据G.X.Xing，X.Y.Yan（1999）[12]和许俊香的折算，我国牛羊粪便回田比例分别为30%和33%。推算出，2013年我国牛粪便还田量为305 634 500 t，牛粪便还田部分含氮、磷量分别为1 072 800 t和250 600 t；羊粪便还田量约为83 363 200 t，还田部分含氮、磷量分别为845 200 t和180 000 t。

确定牛羊粪便排泄物养分含量较为复杂，粪便合理利用可以缓解环境压力，但过度施用同样会产生污染。因此需要注意科学施用，远距离的农家肥最好考虑加工成商品有机肥，以便长途运输，防止不必要的污染。本文综合彭里等（2004）[13]，白明刚，马长海（2010）[14]，耿维等（2013）[15]对养分系数的梳理，并以2009年颁布的《畜禽养殖业源产排污系数手册》（以下简称《手册》）[16]为依据，再次对牛羊粪便中各主要养分总量作出测算。由于《手册》对污染物系数的总结是针对我国六大不同片区，为避免六大片区的系数差异，本文对六大片区的养分系数进行简单均值化处理，然后进行总量测算，见表2。

经估算，2013年年末，牛类粪便共产生氮4 915 500 t（奶牛粪便排氮量1 315 100 t，肉牛2 709 000 t），磷含量684 900 t（奶牛219 300 t，肉牛339 000 t），COD排量118 183 200 t（奶牛30 310 700 t，肉牛65 912 000 t）。羊粪便产生氮227 900 t，磷48 800 t，COD48 800 t。以《手册》系数为依据的氮磷总量测算结果，与借用王方浩等人测算系数的测算结果存在较大差异，尤其以羊粪便氮磷含量差异最为明显。可能原因在于，《手册》中的系数是针对牛羊每日排放养分含量的测算，而参照王方浩等估算系数是以牛羊粪便年排放量和氮磷含量占比作为测算依据。本文认为以每日排放量为测算依据的估计系数能更加精确地测算养分含量，因此，本文将表2作为2013年全国牛羊粪便资源化利用的折算依据。

畜禽粪便中养分氮和磷是农用化肥的重要构成部分，如果将牛羊粪便制成有机肥可以减少化肥的使用，不仅为农户节约成本，同时控制了化肥给土地带来的污染。结合表2，2013年牛羊粪便可产生氮5 143 400 t，折合尿素11 181 300 t；产生磷733 600 t，折合过磷酸钙12 018 300 t。

虽然牛羊粪便还田优势良多，但耕地对畜禽粪便有一定的负荷极限，单位耕地面积上畜禽粪便氮、磷营养元素的负荷反应了畜禽粪便对耕地土壤的污染风险。朱兆良[17]研究表明，大面积化肥施氮量应该控制在150-180 kg/hm2，超过这一水平就会引起环境污染，2003年，我国单位面积耕地负荷的畜禽粪便纯氮养分平均值是107 kg/hm2（欧盟限量标准为170 kg/hm2）[18]，以欧盟标准衡量，我国畜禽粪便利用对耕地尚未造成沉重负荷与负面影响。同时，过量的磷通过土壤淋洗而进入地表径流造成水体的富营养化[19]。土壤的粪便年施磷（P2O5）量不能超过80 kg/hm2。

2.2牛羊粪便沼气化利用分析

COD是畜禽粪便产生沼气的主要来源。根据表2中COD养分含量的排放系数，结合2013年统计数据，得知牛类粪便COD排量为118 183 200 t（奶牛30 310 700 t，肉牛65 912 000 t）。羊粪便COD排放量为48 800 t。计算公式如下：

E=Q·W·G（3）

式中：E为畜禽粪便沼气产生能力， m3；Q为COD产生量，t；W为COD去除率，W=80%；G为产沼气系数，0.538 m3/kg。2013年牛羊粪便共可产生沼气资源为53 713 900 m3，约38 351 700 kg标准煤。牛羊粪便通过沼气进行能源化利用，沼渣沼液还是高效有机肥，也就是说，沼气项目不仅不会影响牛羊粪便中的养分，还可以提高牛羊粪便肥料化利用效率。

通过上述测算得知，牛羊粪便资源化利用在全国范围内具有十分明显的潜力和资源价值。

3实证：临夏县牛羊粪便资源化利用效益

3.1调研地点

临夏县位于甘肃省临夏回族自治州西南部，黄河南岸，县境东西宽53.1公里，南北长59.85 km，总面积1 212.4 km2，海拔1 735 m-4 636 m之间，地处温带半湿润区和高寒湿润区的过渡带，属于温带半湿润气候，气候因素随海拔高度变化十分明显。年均日照时数为2 030.5 h，日照率为52%。此次调研的马角岭村、沙塄沟村和新农村都位于山阴地区，光照时数不强，气温较低。选取该地作为分析对象，原因在于，首先该地为少数民族聚居区，由于宗教信仰原因，养殖牲畜结构较为简单，以牛、羊为主。其次，当地人均耕地较少，农户多喜外出务工经商等，偏好使用化肥，有机肥的推广使用对该地生态环境保护具有重要意义。再次，当地林木资源、水资源丰富，为避免畜禽粪便的不当处理，对农业环境造成大范围的面源污染。

据临夏县国民经济统计资料，截至2013年年末，临夏县下辖19个乡（包括移民区）共施用化肥15 150.29 t，未列出化肥折纯量和具体使用肥料的种类。临夏县2013年人均纯收入为3 637元，共施化肥量为151 502 900 t，牛年末存栏数为62 042头，羊年末存栏数为197 904只。此次调研的三个行政村共140户，基本调研信息见表3，其中，调研村落人均化肥支出是481.38元，主要使用氮磷钾三种肥料。

3.2临夏县牛羊粪便可利用潜力估算

新农村，马角岭村和沙塄沟村农户养殖牛的数量较少，每户养殖均数分别为1.6头、2.6头、1.1头。羊的养殖量明显多于养牛量，三个村落的养殖均值（以每户计数）分别为3.3、6.5、6.8只，根据上述数据可以测算三个村落每户农户可以还田的有机肥均值，进而与当前化肥使用相比较，为农户生产成本的节约作出测算。

估算方法与全国范围内的测算方法基本一致，但因为调研区属于我国西北地区，折算系数将采用我国09年颁布的《手册》作为重要依据。《手册》中所公布的排污系数将我国细分为六大片区，可以大大提高测算西北地区的粪便资源量及排污量的精准度。西北地区牛羊粪便排污系数详见表4[23]。调研区没有农户饲养奶牛，因此，对牛粪便资源量、各种排污量的估算将以役用牛和肉牛的平均值作为估算基础。

对2013年临夏县全县和所属三个调研地点的牛羊粪便资源作出估算（见表5）。

统计数据表明，2013年年末，全县户均可使用牛类粪便资源为6.00 t，羊类粪便资源为0.89 t，均低于调研数据，且存在较大差距。原因在于，首先，统计数据的农业户数是根据从事农业人口数百分比进行的估算，与实际有一定的差距，是造成误差的一个重要原因。其次，调研地点的选取主要是以少数民族聚居的村落，而整个临夏县属于汉族和少数民族混居情况，少数民族聚居区由于饮食习惯、宗教信仰等原因，存在比汉族养殖更多牛羊的可能，这也是造成误差的原因之一。为了对整个西部地区使用牛羊畜禽粪便资源作出更好的建议和预测，本文将调研数据和统计数据相结合，以期给出更合理的测算与推断。

3.3牛羊粪便资源化利用的环境及经济效应分析

截至2013年，临夏县农户共使用化肥15 150.29 t，户均使用化肥215 kg。调研数据显示，三个村落农户户均化肥花费为448.6元，农户使用化肥情况调查显示，一个拥有4-5亩播种面积的农户约使用100 kg尿素，50 kg二铵，50 kg磷肥，共计化肥400元。该统计数据所得与调研数据误差较小，可以用于农户的成本测算。

临夏地区农户人均耕地较少，调研结果显示（见表5），当地有机肥使用比例只占到全部肥料使用量的28%-30%，即（以每户每年使用215 kg化肥为计数基础）每户每年约使用92 kg农家肥。调研地户均可用牛羊粪便资源分别为11.6 t和1.75 t，即使以30%的还田率计算，也应该远超过目前农户所使用的农家肥量。可见，如果将当地牛羊粪便充分合理利用不仅可以减少化肥的使用，确保当地生态环境的安全良好，同时带动当地农户利用科技减少生产成本。

3.3.1临夏县牛羊粪氮磷环境负荷与污染评估

畜禽粪便利用在我国农村主要以还田方式进行，少数农户会选择参与沼气工程，将畜禽粪便沼气化处理利用。农地是畜禽粪便较好的负载场所，但农田对畜禽粪便的消化能力也有一定的限度。单位面积耕地土壤能够吸收的氮磷负荷反应了畜禽粪便对于土壤的污染风险程度。畜禽粪便含氮、磷的环境负荷为

畜禽粪便氮磷含量/耕地面积之比。

衡量标准采用欧盟标准平行风险评估，TN（氮）的最大施用量为170 kg/hm2，P最大施用量采用Oenema等（2004）[20]推荐的35 kg/hm2。研究表明，含氮量当超过170这个极限值时会带来硝酸盐的淋洗。

截至2013年末，临夏县共有耕地面积372 753.5亩，折合24 850.2 hm2，牛羊粪便合计含氮量2 557 182 kg，合计含磷量为256 397.8 kg。畜禽粪便含氮（磷）的环境负荷分别为102.9 kg/hm2和10.31 kg/hm2，两者均在标准之内，因此，临夏县的牛羊粪便可以以还田的方式充分利用。

3.3.2临夏县牛羊粪便资源化利用的经济效益

2013年临夏县牛羊粪便COD产生量合计约48 145 269.74 kg，根据沼气密度（1.22 kg/m3），沼气的折标煤系数（0.714 kgcoale/m3）[21]，折算出沼气的标煤当量为28 176 821.8 kg（28 176.82 t）。调研三个村的农户在燃煤方面的花销分别为新农村户均1 828元，马角岭村1 776元，沙塄沟村1 646元，临夏县农村用煤均价为1 000元/t，每户约用煤1.75 t，如果将牛羊粪便沼气能源加以利用，全县70 507户农户每户将节省22%的燃煤费用约220元。

据上述估算得出临夏县全县牛羊粪便可估算含氮养分为2 557.18 t，含磷量为256.40 t，由于畜禽粪便含氮磷的环境负荷都处在安全可控风险之内，因而，该地区适合大力推广农家肥，如果将现有的氮磷养分折算成化肥计，相当于5 559.09 t尿素和4 200.48 t过磷酸钙（国标算法：含氮量/0.46；含磷量/（0.14·0.436））；或者1 050.12 t磷酸二铵（国标算法：含磷量/（0.56·0.436）和5.19 t尿素 （含氮量—磷酸二铵折算量·0.16）/0.46）。调研得知，当地农户对尿素需求量较大，尿素、磷酸二铵、磷肥的比例约为2∶1∶1，但磷酸二铵的价格远高于磷肥和尿素。假若采用第一种折算方法，与当年全县使用的15 150.29 t化肥相比，粪便资源化利用后可得到有效利用的尿素约占全县化肥施用量的1/3，完全可以承担得起全县尿素的使用量。如果采用第二种折算方法，可以获得较少量的尿素和磷酸二铵，但是因为磷酸二铵价位较高，同样为农户节省了化肥成本。

以一个拥有4-5亩农田的农户使用化肥为基准，在目前农家肥使用比例为30%的前提下，化肥年花费约400元，尿素市场价为180元/100 kg，磷肥价格约为180元/50 kg，磷酸二铵价约为40元/50 kg。使用化肥比例为尿素：磷酸二铵：磷肥=2∶1∶1，如果将农户的有机肥使用比例提高到50%-60%，根据上述估算结果，该农户每年可节约花费成本为115-172元。

4结论与建议

据上述全国范围内牛羊粪便资源化利用潜力分析， 2013年牛羊粪便共可产生沼气资源为53 713 900 m3，约为38 351 700 kg标准煤；可产生氮5 143 400 t，折合尿素11 181 300 t；产生磷733 600 t，折合过磷酸钙12 018 300 t。牛羊粪便的合理利用可为国家能源节约和化肥节约带来长远效应，是一项节本增效和低碳环保工程。因此，国家应加大对牛羊粪便资源化利用的重视程度，促进牛羊粪便能源化和肥料化合理开发与利用，特别是在草食畜牧业比重较大的西部贫困地区，牛羊粪便资源化利用可以有效增加当地农牧民的收入。

通过测算得知，临夏地区的牛羊粪便可以充分利用，如果均衡施用，不但不会给当地农田增加环境负荷与不良影响，同时可以减少农户农业经营成本（如沼气代替柴薪，农家肥代替部分化肥）。尽管西部贫困地区目前牛羊粪便污染问题还不突出，但如果长期处理不当，仍会给当地带来环境风险，造成面源污染加剧等问题。解决此类问题的办法就是将畜禽粪便肥料化合理利用。同时，推动农村地区的沼气工程建设，可以缓解目前柴薪使用频繁与燃煤消耗大的问题，减少农户能源支出负担。据地方政府统计，2012年临夏县规模养殖户牛羊粪便的利用率仅在60%左右，散户养殖农户还远远不及这个利用率，两者可利用空间增幅较大。未来西部地区应加快通过有机肥和沼气工程对牛羊粪便的资源化利用步伐。

在牛羊粪便肥料化和能源化利用方面，政府要加大技术指导和财政扶持力度，尤其在贫困地区，要以畜禽粪便资源化利用推动当地脱贫进程，同时提升土壤质量，提高农产品产地安全保障。考虑到散户比例较大，尤其在西部地区，建议尽快建立政府引导、合作社带动的牛羊粪便收集机制。

（编辑：尹建中）

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AbstractPlanteating animal husbandry is the key field at present and in the future in our country，for the develspment of breeding，livestock and poultry excrement pollution was followed， To avoid unnecessary nonpoint pollution maintaining a good agricultural enuronment and enhance the utilization of biogas energy of china，this paper tries to find the clues from this perspective.In this paper，the courntryaide and Linxia county which located in the Linxia hui autonomous prefecture in Gansu province were selected as the study cases. Through the analysis of manwre utilization， farm manure （fertilizer utilization） and potential utilization of brogas energy were calculated respectively.To reasonably assess the potential utilization of cattle and sheep manure， this study adapted the essence of previous articles， basing on the nutrient content coefficient and research outcomes officially released by Agriculture Ministry of China in 2009， measured and calculated the potentialities of manure around China in 2013. Besides， converted standard coal， fertilizer （such as urea superphosphate， diammonium phosphate ）were also calculated by the capacity of COD， TN（nitrogen），TP （P） rooted in the manure. Meanwhile， Linxia region was proved as the case study， which stands for the typical poverty county in the northwest of China. In Linxia region， the total amount of COD capacity from cattle and sheep manure was 48 145 269.74 kg， which can converted into biogas coal equivalent 28 176.82 t. The total amount of TN and TP was 2 557.18 t and 256.40 t respectively， which can be converted into equivalent fertilizer of urea（about 5 559.09 t ）and superphosphate（ about 4 200.48 t）， or equivalent diammonium phosphate and urea of 1 050.12 t and 5.19 t respectively. Study results show that， reasonable manure utilization will bring about fmitful effects wich cost saving，benetificial availability and friendly environment. the govemment should exert its strength on technological guidance and fmancial supports，especially in the poverty areas.Poverty alleviation should also be propelled by the use of potential manure utilization， which not just improve the soil quality but also enhance the security of agricultural producing areas. Considering the facts of local counties with high proportion of retailing farmers， that is more serious in west China，the cattle and sheep excrement collection mechanism driving by government guidance and cooperatives should be established.

Key wordsutilization of manure； potential capacity； diffused pollution； nutrient coefficient of TN and TP； COD