鄧茹丹，王國(guó)英，李丹陽(yáng)，李國(guó)學(xué)，袁京

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

中國(guó)是世界上養(yǎng)羊數(shù)量較多的國(guó)家之一，2020年我國(guó)羊肉產(chǎn)量492 萬t，占全國(guó)肉類產(chǎn)量的6.4%[1]。近年來，羊養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)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(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)規(guī)?；图s化迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)。隨著羊養(yǎng)殖規(guī)模逐漸增大，羊糞尿產(chǎn)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(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅。羊糞質(zhì)地較細(xì)，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(yíng)養(yǎng)元素可以維持作物生長(zhǎng)，將羊糞尿腐熟后作為有機(jī)肥還田，肥效快且持久，可有效改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力和保水供水能力，適用于草原板結(jié)、沙化的土壤[5-6]。

目前，關(guān)于畜禽糞便產(chǎn)生量的研究較多，但研究方法和關(guān)注點(diǎn)各有不同。王國(guó)利等[7]、隋超等[8]、莊犁等[9]對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞尿產(chǎn)生量的研究主要集中于牛、豬和雞，對(duì)羊糞尿產(chǎn)生量與環(huán)境影響的研究尚缺乏。劉瀚揚(yáng)等[10]、王成磊等[11]研究?jī)H關(guān)注畜禽糞便產(chǎn)生量，未系統(tǒng)通過產(chǎn)排污系數(shù)計(jì)算養(yǎng)分儲(chǔ)存量；包維卿等[12]的研究表明近20 年來學(xué)者們?cè)诠浪阈笄菁S便產(chǎn)生量時(shí)對(duì)產(chǎn)排污系數(shù)選取的差別很大；廖青等[13]、郭強(qiáng)等[14]、黃紅英等[15]在分析畜禽糞便產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，更多關(guān)注糞便的承載力，未對(duì)畜禽糞便養(yǎng)分肥料化和能源化潛力進(jìn)行系統(tǒng)分析。

我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)生態(tài)條件和氣候差異較大，導(dǎo)致不同地區(qū)的羊糞尿產(chǎn)生量差異較大[12]。北方地區(qū)牧場(chǎng)廣闊，羊養(yǎng)殖量較大，品種繁多，糞便產(chǎn)量較大，且糞便特性受牧草和季節(jié)的影響較為顯著；南方地區(qū)地勢(shì)起伏較大，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市地區(qū)羊養(yǎng)殖量較少[16]，糞便產(chǎn)量較少。因此，采用全國(guó)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來代表不同區(qū)域羊的產(chǎn)排污系數(shù)既不準(zhǔn)確，也不科學(xué)[12]。為得到更加接近實(shí)際的全國(guó)羊糞尿資源量評(píng)估結(jié)果，本研究依據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2021》[17]《中國(guó)畜牧獸醫(yī)年鑒2021》[18]和《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2021》[19]公布的數(shù)據(jù)，估算了2021 年全國(guó)羊糞尿產(chǎn)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(yǎng)分負(fù)荷量，旨在為全國(guó)羊糞尿資源化處理和回田利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

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

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

羊養(yǎng)殖數(shù)量、耕地面積數(shù)據(jù)均來源于《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2021》，采用分類統(tǒng)計(jì)方法和Origin 軟件制作全國(guó)各省份羊養(yǎng)殖情況分布圖（圖1）。羊的飼養(yǎng)期大于365 d，以年底出欄量作為當(dāng)年的飼養(yǎng)量。

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

1.3 羊糞尿產(chǎn)排污系數(shù)及主要養(yǎng)分含量系數(shù)

羊糞尿的日排泄量與品種、體重、生理狀態(tài)、飼料組成、飼喂方式以及生活環(huán)境等均相關(guān)[21]，但目前我國(guó)缺乏羊糞尿的產(chǎn)排污系數(shù)和主要養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)。因此，本研究依據(jù)李丹陽(yáng)[22]對(duì)我國(guó)羊養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)和主要養(yǎng)分含量系數(shù)的研究數(shù)據(jù)（表1），將全國(guó)劃分為東北、華北、西北、西南、華中、東南6大區(qū)域。

1.4 估算方法

1.4.1 羊糞尿產(chǎn)生量的估算

羊糞尿產(chǎn)生量計(jì)算公式[23]：

式中：Q為羊糞尿產(chǎn)生量，kg；N為飼養(yǎng)量，萬只；T為飼養(yǎng)周期，T=365 d；P為羊糞尿日產(chǎn)排污系數(shù)，kg·d-1。

1.4.2 羊糞尿中養(yǎng)分儲(chǔ)量的估算

羊糞尿中養(yǎng)分儲(chǔ)量計(jì)算公式[24]：

式中：A為羊糞尿中養(yǎng)分儲(chǔ)量，kg；m為羊糞尿產(chǎn)生量，t；c為單位質(zhì)量羊糞尿養(yǎng)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(chǎn)沼氣資源量計(jì)算，公式[25]如下：

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

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(chǎn)沼氣潛力，億m3；Si為沼氣折合甲烷系數(shù)，Si=50%。

沼氣折合標(biāo)煤公式[27]：

1.4.4 單位耕地面積總氮、總磷負(fù)荷

單位耕地面積總氮、總磷負(fù)荷計(jì)算公式[24]：

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

單位面積農(nóng)地總氮、總磷負(fù)荷歐盟限量標(biāo)準(zhǔn)為：CN=170 kg·hm-2，CP=35 kg·hm-2[28]。

2 結(jié)果與討論

2.1 全國(guó)各省份羊糞尿產(chǎn)生量

為了準(zhǔn)確評(píng)估羊糞尿?qū)Νh(huán)境的影響，需要對(duì)羊糞尿的產(chǎn)生量進(jìn)行估算[24]。根據(jù)全國(guó)各省份羊養(yǎng)殖量、飼養(yǎng)期及產(chǎn)排污系數(shù)，估算我國(guó)2018—2021 年各省份羊糞尿產(chǎn)生量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 全國(guó)各省份羊糞尿產(chǎn)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(guó)各省份2018—2021 年羊糞尿產(chǎn)生量變化量小于100 萬t，表明近年來在我國(guó)“增牛穩(wěn)羊擴(kuò)豬”的政策推動(dòng)下，全國(guó)對(duì)羊肉、羊奶、羊毛等羊制品的需求量增加，羊養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展的態(tài)勢(shì)。2021 年全國(guó)羊糞尿總產(chǎn)生量約為2.91 億t，因養(yǎng)殖數(shù)量和飼養(yǎng)結(jié)構(gòu)的不同，各區(qū)域羊糞尿產(chǎn)量存在差異（圖2）：產(chǎn)量較多區(qū)域主要在內(nèi)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(chǎn)生量在1 000 萬～2 000 萬t 之間；其他地區(qū)產(chǎn)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(chǎn)量最低（12萬～16萬t）。

另外，羊糞尿產(chǎn)生大省順序與總畜禽糞便產(chǎn)生大省的順序不完全一致，主要是由于不同地區(qū)飼養(yǎng)的主要畜禽種類不同。張?zhí)冫惖萚29]的研究報(bào)道，四川、河南、山東等省份主要以豬養(yǎng)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(chǎn)生量較多，但羊糞尿產(chǎn)生量較少。全國(guó)不同區(qū)域羊糞尿產(chǎn)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(nèi)蒙古（39.72%）、甘肅（25.21%）。這是由于新疆和甘肅地處我國(guó)西北部，氣候干旱，草原面積大，適宜羊放牧養(yǎng)殖，而內(nèi)蒙古羊養(yǎng)殖量居全國(guó)第一，羊糞尿產(chǎn)生量較高。

圖3 2021年全國(guó)各省份羊糞尿產(chǎn)生量占總畜禽糞便產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)元素，可以制成有機(jī)肥，為有機(jī)農(nóng)業(yè)提供支持[28]。2021年我國(guó)各地區(qū)羊糞尿中養(yǎng)分資源含量如圖4 所示，總養(yǎng)分含量最高的省份為內(nèi)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(yǎng)殖方式、飼料組成、環(huán)境因子（如季節(jié)、氣候）等眾多因素有關(guān)[22]，不同區(qū)域的羊糞尿養(yǎng)分含量系數(shù)差距顯著[28]。各省份羊糞尿養(yǎng)分總產(chǎn)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(jì)）255.31 萬t、磷肥（以P2O5計(jì)）108.45萬t、鉀肥（以K2O 計(jì)）191.82 萬t[30]，分別占2021 年農(nóng)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(guó)各省份羊糞尿中養(yǎng)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(chǎn)沼氣能源化利用潛力

目前我國(guó)沼氣產(chǎn)量不高，隨著綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的推進(jìn)和畜禽養(yǎng)殖集約化程度的加深，利用畜禽糞便生產(chǎn)可再生能源沼氣備受關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年全國(guó)農(nóng)村戶用沼氣池?cái)?shù)量約3 380 萬個(gè)[17]，按每個(gè)10 m3沼氣池年產(chǎn)沼氣量600 m3計(jì)算[31]，2021年全國(guó)農(nóng)村戶用沼氣池產(chǎn)沼氣量約202.80億m3。經(jīng)計(jì)算2021年我國(guó)各省份羊糞尿產(chǎn)沼氣潛力如圖5 所示，全國(guó)羊糞尿可產(chǎn)沼氣量共165.95 億m3，折合甲烷82.98 億m3，折合標(biāo)煤1 184.88 萬t，相當(dāng)于現(xiàn)有沼氣工程產(chǎn)沼氣量的81.83%，具有很大的能源化利用潛力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009 年中國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)約684.60 萬處，已建成規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程5.65 萬處[32]，其中大部分為豬、牛規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程，說明利用羊糞尿產(chǎn)沼氣仍有很大的發(fā)展空間。對(duì)于含水率較高的羊糞尿（≥80%），厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是一種較好的資源化處理與利用方式。從全國(guó)地區(qū)分布來看，羊糞尿產(chǎn)沼氣潛力較大的省份主要分布在西北和華北地區(qū)，新疆（29.85 億m3）、內(nèi)蒙古（20.77 億m3）和甘肅（15.69 億m3）3 省份羊糞尿產(chǎn)沼氣潛力最高，分別占全國(guó)總羊糞尿產(chǎn)沼氣利用潛力的17.99%、12.52%和9.45%。東南地區(qū)由于羊養(yǎng)殖規(guī)模和飼料組成等因素影響，羊糞尿產(chǎn)沼氣潛力較低。程紅勝等[33]的研究指出，在35°C左右發(fā)酵羊糞尿產(chǎn)沼氣效果較好，寒冷地區(qū)冬季可采用大棚式沼氣工程和外部保溫措施解決沼氣產(chǎn)量較低的問題，同時(shí)可配套建設(shè)高效低耗的治污設(shè)施解決養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程的二次污染問題。在全國(guó)各地區(qū)充分利用羊糞尿產(chǎn)沼氣，不僅可以解決規(guī)?；蝠B(yǎng)殖糞尿的污染問題，而且能有效緩解燃煤帶來的環(huán)境污染問題，因此利用羊糞尿生產(chǎn)沼氣具有較大的能源替代潛力。

圖5 2021年全國(guó)各省份羊糞尿產(chǎn)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(fù)荷

耕地是消納畜禽糞便的重要場(chǎng)所[28]，單位耕地面積對(duì)畜禽糞便總氮、總磷營(yíng)養(yǎng)元素的承載力反映了畜禽糞便對(duì)耕地土壤的污染風(fēng)險(xiǎn)[21]。根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)，各地區(qū)單位耕地面積總氮、總磷負(fù)荷限值為170、35 kg·hm-2，2021年我國(guó)各省份羊糞尿中總氮耕地負(fù)荷如圖6所示，總磷耕地負(fù)荷如圖7所示，各區(qū)域耕地對(duì)羊糞尿中總氮和總磷負(fù)荷均未超過歐盟限值。但從全國(guó)區(qū)域分布來看，青海、西藏兩省份單位耕地面積對(duì)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(fù)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(guó)平均水平（2.94 萬、0.62萬t），但由于地處我國(guó)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(qū)耕地面積均不足6 000 km2，僅為全國(guó)耕地面積的0.44%和0.33%[19]，造成較高的耕地氮、磷負(fù)荷量。華中、東北、東南地區(qū)單位耕地面積對(duì)羊糞尿中總氮和總磷的負(fù)荷均低于全國(guó)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?qū)υ摰貐^(qū)農(nóng)田耕地污染風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖6 2021年全國(guó)各省份單位耕地面積羊糞尿總氮負(fù)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(guó)各省份單位耕地面積羊糞尿總磷負(fù)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(zhǎng)距離運(yùn)輸，充分考慮我國(guó)有機(jī)肥替代化肥政策，除將耕地作為消納羊糞尿主要場(chǎng)所外，還可充分利用耕地與林地、草地之間相互轉(zhuǎn)化的農(nóng)牧交錯(cuò)帶（26.95 萬km2）[34]消納羊糞尿。另外，根據(jù)土地利用/土地覆蓋變化（Land-Use and Land-Cover Change，簡(jiǎn)稱LUCC）分類體系，離養(yǎng)殖場(chǎng)較近、交通便利、地形相對(duì)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(dá)98.80 萬km2[28]。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，農(nóng)牧交錯(cuò)帶主要分布在內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海、西藏等地區(qū)[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(chǎn)能，增加土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、全磷和速效磷的含量，改善土壤肥力[35]，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合和農(nóng)牧循環(huán)。

3 結(jié)論

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

（2）2021 年全國(guó)各省份羊糞尿養(yǎng)分總含量為184.25 萬t，可有效替代氮肥（以尿素計(jì)）255.31 萬t、磷肥（以P2O5計(jì)）108.45萬t、鉀肥（以K2O計(jì)）191.82萬t，分別占2021 年農(nóng)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(chǎn)沼氣量相當(dāng)于現(xiàn)有沼氣工程產(chǎn)沼氣量的81.83%，西部地區(qū)以及內(nèi)蒙古羊糞尿產(chǎn)沼氣利用潛力巨大。

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