山东省畜禽粪便资源评估及肥料化与能源化利用潜力分析

张羽飞，邵 蕾，冷凇凝，庞力豪，姜凯阳，王丽霞

(中国农业大学 烟台研究院，山东 烟台 264670)

随着国家政策的扶持以及城乡居民对肉类需求的增加，养殖业特别是规模化养殖业迅速发展。近年来，标准化养殖水平不断提高，综合生产能力稳步提升，畜禽排泄物污染总量也在不断增加[1]。畜禽粪便既是污染源，又因其含有丰富的氮、磷等营养物质，是农业可持续发展的宝贵资源。习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上提出要加快推进畜禽粪污处理和资源化，以沼气和生物天然气为主要处理方向，以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向。2017年06月12日国务院办公厅发布的《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》中指出要以畜牧大县和规模养殖场为重点，构建种养循环发展机制，实行以地定畜，确保畜禽粪肥科学合理施用，鼓励沼液和经无害化处理的畜禽养殖废水还田利用。

对山东省养殖业情况、畜禽粪便产生量的估算已有相关研究[2]，但对山东省下辖的17个市之间粪便资源区域的分布特征以及畜禽排泄物肥料化利用和沼气潜力评价的研究未见相关报道。本文对2016年山东省各市以及全省畜禽种类的粪便总量进行估算，结合耕地面积计算粪便耕地负荷，并依据畜禽粪便排泄系数、养分含量、干物质含量、原料产气率概算粪便肥料化利用潜力和沼气潜力，对畜禽粪便所产生的资源能源环境效应进行分析，为山东省发展畜禽粪便处理和资源化利用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于山东省统计局发布的《2017年山东省统计年鉴》，统计范围包括2016年山东省17个地级市各类畜禽的饲养量。依据年鉴中统计的畜禽种类，本文选取猪、肉牛、奶牛、羊、家禽、兔进行分析。

1.2 计算参数

1.2.1 计算原则

因为统计年鉴中畜禽饲养量以存栏量和出栏量统计，为方便计算畜禽的数量，根据其饲养期以及出栏批次将存栏量、出栏量与饲养量进行转换。参考侯世忠[2]、林源[3]、田宜水[4]的计算方法，饲养期低于一年的，按当年出栏量作为当年的饲养量；平均饲养期一年以上的，按年末存栏量作为当年饲养量。但由于统计年鉴中未将牛和家禽进行分类，因此本文综合前人研究的计算方法，依据以下原则进行存栏量、出栏量与饲养量的转换：

(1)我国猪的平均饲养期为199天[5]，因此猪的出栏量即为当年的饲养量。

(2)山东省牛的养殖种类分为奶牛、肉牛和役用牛，现阶段山东省畜牧业中的役畜养殖快速退出，役用牛养殖数量很少[6]，因此本文选取肉牛和奶牛进行分析。由于年鉴中只有牛的年末存栏量和当年出栏量，没有细分奶牛和肉牛的数据，所以采用以下原则进行计算：对于肉牛饲养量的概算，虽然其饲养期长于一年，但因肉牛的主要作用是食用，且出栏的牛类大多是肉牛，所以选取牛的出栏量概算为肉牛的饲养量[5]；对于奶牛饲养量的概算，奶牛的饲养期长于一年，当年不出栏，其年末存栏量即为当年的饲养量，故奶牛饲养量=牛年末存栏量-肉牛饲养量。

(3)我国羊的平均饲养期长于1年[7]，因此羊的年末存栏量即为当年的饲养量。

(4)山东省统计年鉴中只有家禽年末存栏量和当年出栏量，其原因是自2012年以来，国家或行业统计数据对禽类生产的统计只有“家禽”[8]。家禽分为肉禽和蛋禽，肉禽主要分为肉鸡、肉鸭、肉鹅，参考包维卿[9]等人对华东地区肉鸡、蛋鸡、鸭鹅排泄系数的研究，肉鸡(0.14 kg·d-1)、蛋鸡(0.12 kg·d-1)、鸭鹅(0.13 kg·d-1)的排泄系数相差不大，所以本文不细分肉鸡、肉鸭、肉鹅，统一以“肉禽”来表示。山东省肉禽养殖主要是肉鸡，蛋禽养殖主要是蛋鸡，因此肉禽的排泄系数选取肉鸡的排泄系数，蛋禽的排泄系数选取蛋鸡的排泄系数。我国肉鸡的平均饲养期为55天[5]，肉禽平均饲养期小于一年，因此当年家禽的出栏量即为肉禽的饲养量；肉鸡通常在50～60日龄出栏，肉鸭通常在60日龄左右出栏，肉鹅通常在60～70日龄出栏[10]。通过对肉鸡养殖上市公司山东仙坛股份有限公司和山东民和牧业股份有限公司的实地调研，肉鸡每批出栏后需进行鸡棚消毒清洗，两批肉鸡间有约10天的空栏期，每年肉鸡出栏5次，故肉禽存栏量等于肉禽的出栏量除以5，因此蛋禽饲养量=家禽存栏量-肉禽出栏量/5。

(5)我国兔的平均饲养期为90天[11]，因此兔的出栏量即为当年的饲养量。

1.2.2 参数确定

畜禽的粪便是畜禽排泄物的总称，包括畜禽排泄的粪和尿[8]。粪便排泄量与体重、品种和饲料组成等均相关。国家尚未有统一计算标准，本文综合包维卿[2,7,9,11-16]等总结的畜禽粪便排泄系数及其中的养分含量系数、有机质含量系数进行计算(见表1)。为方便比较各市养殖规模，本文引用陈天宝[17]等人研究的畜禽猪当量折算系数进行饲养量的折算(见表2)。由于本研究在概算畜禽粪便产量时选择的是新鲜粪便，所以在选用畜禽粪便养分含量系数时以鲜基统计。通过粪便干物质含量(TS)以及畜禽粪便的原料产气率(C)[18～21]，对畜禽粪便沼气潜力进行计算(见表3)。鸡和兔的粪便TS参考张田[22]等的研究；目前的沼气工程原料不仅包括固态粪便，也包括液态粪污，因此对于猪、牛粪便的TS计算包括粪和尿中干物质，其计算公式为：

其中粪的日排放量、粪的干物质含量、尿的日排放量、尿的干物质含量参考张田[22]等研究。

表1 畜禽粪便排泄系数及其养分含量与肥料常用量折算 (%)

表2 畜禽猪当量折算系数

注：按照《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)折算

表3 畜禽粪便干物质含量及原料产气率

1.3 计算方法

1.3.1 畜禽粪便产生总量的计算

N=P×Q×T[2]

(1)

式中：N为年度粪便产生量，万t；P为粪便排泄系数，kg·d-1或t·a-1；Q为畜禽数，头或只；T为饲养期(饲养期超过1年的按照365 d计算)。

1.3.2 畜禽粪便中氮磷钾含量以及折算成肥料量的计算

A氮=总氮含量(%)×N

式中：A氮为粪便中总氮量，万t；N为年度粪便产生量，万t。

A磷=总磷含量(%)×N

式中：A磷为粪便中总磷量，万t；N为年度粪便产生量，万t。

A钾=总钾含量(%)×N

式中：A钾为粪便中总钾量，万t；N为年度粪便产生量，万t。

A有机质=有机质含量(%)×N

式中：A有机质为粪便中有机质量，万t；N为年度粪便产生量，万t。

为便于比较，将粪便中养分(N-P2O5-K2O)换算成尿素(46-0-0)，过磷酸钙(0-12-0)，硫酸钾(0-0-50)，按照尿素价格每吨1600元、过磷酸钙价格每吨1000元、硫酸钾价格每吨3000元，折算出利用畜禽粪便替代化肥所减少的投入。

1.3.3 畜禽粪便产沼气潜力的计算

畜禽粪便产沼气潜力的计算见公式(2)：

畜禽粪便年产沼气潜力=N×TS×C

(2)

式中：TS为粪便的干物质含量，%；N为年度粪便产生量，万t；C为每kg干物质的原料产气率，m3·kg-1TS。

2 结果与分析

2.1 畜禽饲养、粪便产量及其耕地负荷情况

根据公式(1)，以山东省2016年的统计数据为依据，计算出17地市各类畜禽饲养情况(见表4)。全省猪、肉禽、肉牛出栏量分别为5713.76万头，219417.14万只，337.01万头，奶牛、羊、蛋禽、兔存栏量分别为136.28万头，2230.47万只，34687.66万只，4991.82万只。畜禽养殖规模在各市之间分布不均，其中潍坊市猪、肉禽养殖规模最大，分别为821.47万头，42351.86万只，占全省的14.38%和19.30%；德州市奶牛、肉牛、蛋禽养殖规模最大，分别为42.59万头，61.15万头，3922.23万只，占全省的31.25%，18.14%，11.31%；菏泽市羊的饲养规模最大，为602.67万只；济宁市兔养殖规模最大，为1211.66万只，占全省的24.27%。根据畜禽猪当量折算系数计算出各地市畜禽养殖规模，结果表明潍坊市畜禽养殖规模最大(1866.42万头)，占山东省总养殖量的12.89%；莱芜最小(119.57万头)，占山东省总养殖量的0.83%。

从粪便的种类来看，不同种类畜禽所产生的粪便量差异大，牛(肉牛和奶牛)粪便量、猪粪便量、禽类粪便量、羊粪便量、兔粪便量分别为5238.89万t，4150.19万t，3208.83万t，1940.51万t，166.23万t，各占全省粪便总量的35.63%，28.22%，21.82%，13.20%，1.13%(见表4)。

表4 山东省畜禽饲养情况及各类畜禽粪便产生量、耕地负荷概算

《种养结合循环农业示范工程建设规划》、《土壤污染防治行动计划》等政策鼓励种养结合循环农业，防治畜禽养殖污染，推进畜禽养殖废弃物的综合利用和无害化处理。耕地畜禽粪便负荷量能够直接反映该地区耕地消纳畜禽粪便的能力，间接衡量该地区畜禽养殖业布局的合理程度[23]。按照各地市畜禽饲养情况、畜禽粪便产生总量的计算公式算出各类畜禽粪便产生量，根据山东省耕地面积得出各市畜禽粪便耕地负荷量(见表5)。山东省畜禽粪便年度总产量为1.47亿t，耕地负荷量为19.32 t·hm-2。从空间分布来看，德州市畜禽粪便产量最大，为2124.33万t，占全省粪便总产量的14.45%；莱芜市畜禽粪便产量最小，为123.24万t，仅占全省粪便总产量的0.84%。根据《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策》中提出的耕地能承载的畜禽粪便最大量为30 t·hm-2作为限值[24]，济南市、德州市耕地负荷超过限值，分别为34.39 t·hm-2，33.00 t·hm-2；威海市畜禽耕地负荷值最小，为14.02 t·hm-2。

2.2 畜禽粪便肥料化利用分析

根据表4中对于畜禽粪便总量的概算，参照畜禽粪便养分含量系数，利用畜禽粪尿中总氮、总磷、总钾和有机质含量，计算出粪便中氮磷钾和有机质的含量，并分别折算为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，计算粪便还田替代化肥的经济折算，并根据《有机肥料标准》(NY525-2012)中规定有机质含量≥45%，水分含量≤30%来计算畜禽粪便折算成有机肥的量。通过粪便折算成化肥和有机肥的量来分析粪便肥料化利用潜力(见表6)。

山东省全年禽畜粪便折算成有机肥的量为6182.48万t(见表6)，前3位的市是菏泽市(780.85万t)、德州市(703.15万t)、潍坊市(609.53万t)，莱芜市折算成有机肥的量最小(64.17万t)。全省粪便还田替代化肥可减少的投入为87.90亿元(见表6)，前3位的市是德州市(10.96亿元)、菏泽市(9.74亿元)、潍坊市(8.97亿元)，莱芜市粪便替代化肥减少的投入最小(0.83亿元)。

2.3 畜禽粪便沼气潜力分析

2016年山东省畜禽粪便资源沼气总潜力为197.70×108m3。根据每立方米沼气的燃烧值相当于0.71 kg的标准煤测算[25]，相当于1403.37万t标准煤。菏泽市、潍坊市、德州市畜禽粪便沼气潜力最大，分别为24.84×108m3，23.82×108m3，19.39×108m3，占山东省沼气总潜力的12.57%，12.05%，9.81%；莱芜市畜禽粪便沼气潜力最小，为2.36×108m3，占山东省总潜力的1.20%(见表7)。

表5 山东省耕地面积得出各市畜禽粪便耕地负荷量

表6 山东省畜禽粪便养分产量及有机肥产生潜力

表7 山东省畜禽粪便沼气潜力

3 讨论与结论

3.1 山东省粪便资源情况分析

2016年山东省畜禽总量折合猪当量为14484.74万头，畜禽粪便总产量为1.47亿t。山东省各地市粪便资源分布差异显著，山东省畜禽粪便年度资源量超过1000万t的市为德州市、菏泽市、潍坊市、济南市、临沂市、济宁市、泰安市，占山东省粪便资源总量的65.51%。济南市、德州市的畜禽粪便耕地承载量超过30 t·hm-2限值，分别为34.39 t·hm-2和33.00 t·hm-2，泰安市畜禽粪便耕地承载量为27.91 t·hm-2。综合评价，山东省粪便排放主要集中于中西部，德州市、济南市、泰安市畜禽粪便还田利用压力大。《山东省加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的实施方案》指出：到2020年全省畜禽粪污综合利用率达到81%以上，到2025年全省畜禽粪污基本全部处理利用，农牧循环格局基本形成。山东省应依据有关法律法规，科学划定禁养区、限养区和适养区，尤其对海河淮河流域内各市及畜禽养殖污染防治重点区域尽快完成养殖布局的优化。德州市、济南市部分地区属于海河流域，泰安市部分地区属于淮河流域，应根据当地粪便耕地承载量确定畜禽养殖规模，坚持以地定畜，引导超过耕地承载能力的区域和规模养殖场，逐步调减养殖总量，引导规模化养殖基地向畜禽粪便耕地承载量小的地区转移。

3.2 粪便肥料化利用潜力分析

山东省粪便折算成有机肥的量为6182.48万t，利用粪便还田替代化肥可减少化肥投入87.90亿元。潍坊市、德州市、菏泽市畜禽粪便折算有机肥的量和替代化肥的经济折算为全省前3位，应利用当地丰富的资源并结合当地经济社会发展水平、畜禽养殖产业发展状况推广区域种养结合以及商品有机肥生产，从种植、养殖、加工3个环节建设现代化种养一体化基地。其中，德州市畜禽粪便耕地承载量高于限值，种养结合压力大；菏泽市、潍坊市承载量低于全省平均值，实行种养结合具有优势。参考山东省《关于做好2017年果菜茶有机肥替代化肥试点工作的通知》，将养殖业与果蔬种植结合，大型养殖场利用畜禽粪便制作商品有机肥进行销售，小型养殖场可依托合作社、堆肥企业和沼渣沼液收集清运社会化服务组织进行粪便的收集储存和运输，集中腐熟发酵后就近供应农户使用。

3.3 粪便能源化利用潜力分析

山东省2016年全年沼气潜力为197.70亿m3，相当于1403.37万t标准煤，山东省农村总人口为4076.1万人，每人可获得沼气资源485.01 m3，按照每户3.5人计算，每户可拥有沼气资源量1697.57 m3，高于全国户均沼气资源1184.3 m3[26]。其中，山东省畜禽粪便沼气潜力前3位的市为菏泽市、潍坊市、德州市。山东省目前沼气工程大多闲置，工程整体技术含量低[27]。对于大型畜禽养殖场，可进行大中型沼气工程的建设，加大沼气发电并网扶持力度，落实沼气发电并网补贴政策；对于小规模养殖区域，可建设黑膜沼气池以降低建造和运营成本。在能源化利用过程中需要考虑各种限制因素，进行沼气开发之前应做详尽的调查研究，因地制宜，采用不同的政策和方法利用沼气资源。