我國羊養殖量及其糞尿資源化利用潛力分析

鄧茹丹，王國英，李丹陽，李國學，袁京

（中國農業大學資源與環境學院，農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193）

中國是世界上養羊數量較多的國家之一，2020年我國羊肉產量492 萬t，占全國肉類產量的6.4%[1]。近年來，羊養殖產業在推動經濟發展中發揮著不可替代的作用，羊肉、羊奶、羊毛等需求量越來越大，羊養殖產業呈現規?；图s化迅猛發展態勢。隨著羊養殖規模逐漸增大，羊糞尿產量大幅增加，但其回田率低于50%[2]，缺乏合理處置的羊糞尿會對環境造成威脅。羊糞質地較細，其含水率（44.86%）低于豬糞（68.77%）、牛糞（74.92%）和雞糞（75.32%），而碳氮比（20.37）高于豬糞（10.59）、牛糞（14.57）和雞糞（10.60）[3-4]。此外，羊糞尿中含有的氮、磷、鉀及微量營養元素可以維持作物生長，將羊糞尿腐熟后作為有機肥還田，肥效快且持久，可有效改善土壤團粒結構，提高土壤肥力和保水供水能力，適用于草原板結、沙化的土壤[5-6]。

目前，關于畜禽糞便產生量的研究較多，但研究方法和關注點各有不同。王國利等[7]、隋超等[8]、莊犁等[9]對畜禽養殖業糞尿產生量的研究主要集中于牛、豬和雞，對羊糞尿產生量與環境影響的研究尚缺乏。劉瀚揚等[10]、王成磊等[11]研究僅關注畜禽糞便產生量，未系統通過產排污系數計算養分儲存量；包維卿等[12]的研究表明近20 年來學者們在估算畜禽糞便產生量時對產排污系數選取的差別很大；廖青等[13]、郭強等[14]、黃紅英等[15]在分析畜禽糞便產量的基礎上，更多關注糞便的承載力，未對畜禽糞便養分肥料化和能源化潛力進行系統分析。

我國幅員遼闊，不同地區生態條件和氣候差異較大，導致不同地區的羊糞尿產生量差異較大[12]。北方地區牧場廣闊，羊養殖量較大，品種繁多，糞便產量較大，且糞便特性受牧草和季節的影響較為顯著；南方地區地勢起伏較大，經濟發達的城市地區羊養殖量較少[16]，糞便產量較少。因此，采用全國統一的數據來代表不同區域羊的產排污系數既不準確，也不科學[12]。為得到更加接近實際的全國羊糞尿資源量評估結果，本研究依據《中國統計年鑒2021》[17]《中國畜牧獸醫年鑒2021》[18]和《中國農村統計年鑒2021》[19]公布的數據，估算了2021 年全國羊糞尿產生量、肥料化和能源化利用潛力，以及單位耕地面積羊糞尿養分負荷量，旨在為全國羊糞尿資源化處理和回田利用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域選擇中國全域（不含港澳臺），自2009年以來，內蒙古、新疆、山東、甘肅、河南五省份長期處于羊養殖量的前五位，其中內蒙古和新疆的羊養殖量占全國的30%左右，五省份的羊養殖量超過全國的50%[20]。

1.2 基礎數據

羊養殖數量、耕地面積數據均來源于《中國農村統計年鑒2021》，采用分類統計方法和Origin 軟件制作全國各省份羊養殖情況分布圖（圖1）。羊的飼養期大于365 d，以年底出欄量作為當年的飼養量。

圖1 全國各省份羊養殖情況（2018—2021年）Figure 1 Sheep breeding in each province of China（2018—2021）

1.3 羊糞尿產排污系數及主要養分含量系數

羊糞尿的日排泄量與品種、體重、生理狀態、飼料組成、飼喂方式以及生活環境等均相關[21]，但目前我國缺乏羊糞尿的產排污系數和主要養分含量數據。因此，本研究依據李丹陽[22]對我國羊養殖業產排污系數和主要養分含量系數的研究數據（表1），將全國劃分為東北、華北、西北、西南、華中、東南6大區域。

1.4 估算方法

1.4.1 羊糞尿產生量的估算

羊糞尿產生量計算公式[23]：

式中：Q為羊糞尿產生量，kg；N為飼養量，萬只；T為飼養周期，T=365 d；P為羊糞尿日產排污系數，kg·d-1。

1.4.2 羊糞尿中養分儲量的估算

羊糞尿中養分儲量計算公式[24]：

式中：A為羊糞尿中養分儲量，kg；m為羊糞尿產生量，t；c為單位質量羊糞尿養分含量，kg·t-1。

1.4.3 羊糞尿的能源化潛力

羊糞尿的能源潛力以羊糞尿中COD 可產沼氣資源量計算，公式[25]如下：

式中：E為羊糞尿產沼氣潛力，億m3；Q為COD 產生量，億t；W為COD 去除率，W=80%；G為產沼氣系數，0.538 m3·kg-1（以COD計）。

沼氣折合甲烷公式[26]：

式中：M為沼氣折合甲烷量，m3；E為羊糞尿產沼氣潛力，億m3；Si為沼氣折合甲烷系數，Si=50%。

沼氣折合標煤公式[27]：

1.4.4 單位耕地面積總氮、總磷負荷

單位耕地面積總氮、總磷負荷計算公式[24]：

式中：LN為單位耕地面積總氮負荷，kg·hm-2；LP為單位耕地面積總磷負荷，kg·hm-2；QN為總氮產生量，t；QP為總磷產生量，t；A為有效耕地面積，hm2。

單位面積農地總氮、總磷負荷歐盟限量標準為：CN=170 kg·hm-2，CP=35 kg·hm-2[28]。

2 結果與討論

2.1 全國各省份羊糞尿產生量

為了準確評估羊糞尿對環境的影響，需要對羊糞尿的產生量進行估算[24]。根據全國各省份羊養殖量、飼養期及產排污系數，估算我國2018—2021 年各省份羊糞尿產生量，結果如圖2所示。

圖2 全國各省份羊糞尿產生量（2018—2021年）Figure 2 Sheep manure and urine production in each province of China（2018—2021）

從總體上看，我國各省份2018—2021 年羊糞尿產生量變化量小于100 萬t，表明近年來在我國“增牛穩羊擴豬”的政策推動下，全國對羊肉、羊奶、羊毛等羊制品的需求量增加，羊養殖業呈現穩步發展的態勢。2021 年全國羊糞尿總產生量約為2.91 億t，因養殖數量和飼養結構的不同，各區域羊糞尿產量存在差異（圖2）：產量較多區域主要在內蒙古（5 764萬t）、新疆（3 959 萬t）和甘肅（2 080 萬t）；其次，河南、四川、山東、云南、青海、河北羊糞尿產生量在1 000 萬～2 000 萬t 之間；其他地區產生量在1 000 萬t 以下，主要為山西、西藏、陜西、黑龍江和遼寧等省份，北京和上海羊糞尿產量最低（12萬～16萬t）。

另外，羊糞尿產生大省順序與總畜禽糞便產生大省的順序不完全一致，主要是由于不同地區飼養的主要畜禽種類不同。張藤麗等[29]的研究報道，四川、河南、山東等省份主要以豬養殖為主，且單只豬糞尿日排泄量（5.30 kg·d-1）高于羊（2.60 kg·d-1），所以盡管上述三省份的總畜禽糞便產生量較多，但羊糞尿產生量較少。全國不同區域羊糞尿產生量占總畜禽糞便量比例如圖3所示，占比排名前3位的省份分別為新疆（39.86%）、內蒙古（39.72%）、甘肅（25.21%）。這是由于新疆和甘肅地處我國西北部，氣候干旱，草原面積大，適宜羊放牧養殖，而內蒙古羊養殖量居全國第一，羊糞尿產生量較高。

圖3 2021年全國各省份羊糞尿產生量占總畜禽糞便產生量比例Figure 3 Proportion of sheep manure and urine production in total livestock manure and urine production in each province of China in 2021

2.2 羊糞尿肥料化利用潛力

畜禽糞便含有豐富的氮、磷、鉀及微量營養元素，可以制成有機肥，為有機農業提供支持[28]。2021年我國各地區羊糞尿中養分資源含量如圖4 所示，總養分含量最高的省份為內蒙古（29.73 萬t），其次為新疆（25.78 萬t）、河南（13.77 萬t）和甘肅（13.54 萬t）。這與各省份羊養殖方式、飼料組成、環境因子（如季節、氣候）等眾多因素有關[22]，不同區域的羊糞尿養分含量系數差距顯著[28]。各省份羊糞尿養分總產生量為TN 91.08 萬t、TP 19.28 萬t、TK 73.89 萬t，可有效替代氮肥（以尿素計）255.31 萬t、磷肥（以P2O5計）108.45萬t、鉀肥（以K2O 計）191.82 萬t[30]，分別占2021 年農村氮肥、磷肥、鉀肥使用量的13.23%、15.91%、34.19%[17]，具有較高的肥料化利用潛力。

圖4 2021年全國各省份羊糞尿中養分資源量Figure 4 Nutrient resource quantity of sheep manure and urine in each province of China in 2021

2.3 羊糞尿產沼氣能源化利用潛力

目前我國沼氣產量不高，隨著綠色農業可持續發展的推進和畜禽養殖集約化程度的加深，利用畜禽糞便生產可再生能源沼氣備受關注。據統計，2021 年全國農村戶用沼氣池數量約3 380 萬個[17]，按每個10 m3沼氣池年產沼氣量600 m3計算[31]，2021年全國農村戶用沼氣池產沼氣量約202.80億m3。經計算2021年我國各省份羊糞尿產沼氣潛力如圖5 所示，全國羊糞尿可產沼氣量共165.95 億m3，折合甲烷82.98 億m3，折合標煤1 184.88 萬t，相當于現有沼氣工程產沼氣量的81.83%，具有很大的能源化利用潛力。據統計，2009 年中國規?；B殖場約684.60 萬處，已建成規?；B殖場沼氣工程5.65 萬處[32]，其中大部分為豬、牛規?；B殖場沼氣工程，說明利用羊糞尿產沼氣仍有很大的發展空間。對于含水率較高的羊糞尿（≥80%），厭氧發酵生產沼氣是一種較好的資源化處理與利用方式。從全國地區分布來看，羊糞尿產沼氣潛力較大的省份主要分布在西北和華北地區，新疆（29.85 億m3）、內蒙古（20.77 億m3）和甘肅（15.69 億m3）3 省份羊糞尿產沼氣潛力最高，分別占全國總羊糞尿產沼氣利用潛力的17.99%、12.52%和9.45%。東南地區由于羊養殖規模和飼料組成等因素影響，羊糞尿產沼氣潛力較低。程紅勝等[33]的研究指出，在35°C左右發酵羊糞尿產沼氣效果較好，寒冷地區冬季可采用大棚式沼氣工程和外部保溫措施解決沼氣產量較低的問題，同時可配套建設高效低耗的治污設施解決養殖場沼氣工程的二次污染問題。在全國各地區充分利用羊糞尿產沼氣，不僅可以解決規?；蝠B殖糞尿的污染問題，而且能有效緩解燃煤帶來的環境污染問題，因此利用羊糞尿生產沼氣具有較大的能源替代潛力。

圖5 2021年全國各省份羊糞尿產沼氣能源潛力Figure 5 Biogas energy potential for sheep manure and urine in each province of China in 2021

2.4 羊糞尿中總氮、總磷耕地負荷

耕地是消納畜禽糞便的重要場所[28]，單位耕地面積對畜禽糞便總氮、總磷營養元素的承載力反映了畜禽糞便對耕地土壤的污染風險[21]。根據歐盟標準，各地區單位耕地面積總氮、總磷負荷限值為170、35 kg·hm-2，2021年我國各省份羊糞尿中總氮耕地負荷如圖6所示，總磷耕地負荷如圖7所示，各區域耕地對羊糞尿中總氮和總磷負荷均未超過歐盟限值。但從全國區域分布來看，青海、西藏兩省份單位耕地面積對羊糞尿中總氮（71.55、55.68 kg·hm-2）和總磷（15.46、15.88 kg·hm-2）的負荷都較高。由圖4可知，雖然兩省份羊糞尿中總氮含量（4.22 萬、2.47 萬t）和總磷含量（0.91 萬、0.70 萬t）均接近全國平均水平（2.94 萬、0.62萬t），但由于地處我國青藏高原，受海拔、氣候、土壤等自然因素和放牧文化、退耕還林還草等人為因素的影響，兩地區耕地面積均不足6 000 km2，僅為全國耕地面積的0.44%和0.33%[19]，造成較高的耕地氮、磷負荷量。華中、東北、東南地區單位耕地面積對羊糞尿中總氮和總磷的負荷均低于全國平均值（9.39、2.12 kg·hm-2），在不考慮其他畜禽糞尿的情況下，羊糞尿對該地區農田耕地污染風險較小。

圖6 2021年全國各省份單位耕地面積羊糞尿總氮負荷Figure 6 Unit cropland load of total nitrogen contained in sheep manure and urine in each province of China in 2021

圖7 2021年全國各省份單位耕地面積羊糞尿總磷負荷Figure 7 Unit cropland load of total phosphorus contained in sheep manure and urine in each province of China in 2021

畜禽糞便不宜長距離運輸，充分考慮我國有機肥替代化肥政策，除將耕地作為消納羊糞尿主要場所外，還可充分利用耕地與林地、草地之間相互轉化的農牧交錯帶（26.95 萬km2）[34]消納羊糞尿。另外，根據土地利用/土地覆蓋變化（Land-Use and Land-Cover Change，簡稱LUCC）分類體系，離養殖場較近、交通便利、地形相對平緩的可用林地、可用草地、未利用土地均可消納羊糞尿，總面積達98.80 萬km2[28]。據研究統計，農牧交錯帶主要分布在內蒙古、甘肅、寧夏、青海、西藏等地區[34]，有大量草地和林地可用于消納羊糞尿。適量的腐熟羊糞尿可大幅提高牧草產能，增加土壤中有機質、全氮、速效氮、全磷和速效磷的含量，改善土壤肥力[35]，實現種養結合和農牧循環。

3 結論

（1）2021年全國羊糞尿總產生量約為2.91億t，新疆（39.86%）、內蒙古（39.72%）、甘肅（25.21%）3 省份的羊糞尿產生量占總畜禽糞便量比例排名全國前三。

（2）2021 年全國各省份羊糞尿養分總含量為184.25 萬t，可有效替代氮肥（以尿素計）255.31 萬t、磷肥（以P2O5計）108.45萬t、鉀肥（以K2O計）191.82萬t，分別占2021 年農村氮肥、磷肥、鉀肥使用量的13.23%、15.91%、34.19%，具有較大的肥料化利用潛力；可產沼氣量相當于現有沼氣工程產沼氣量的81.83%，西部地區以及內蒙古羊糞尿產沼氣利用潛力巨大。

（3）青海和西藏兩省份農田耕地的羊糞尿氮磷含量負荷較高，耕地消納羊糞尿時，應充分考慮農牧交錯帶、林地、草地以及未利用土地等多種土地類型。