河套灌区农业废弃物资源量估算及综合利用分析

姜灵伟，陈 锐，崔建华，张学军，仲生柱，林 聪，段 娜*

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2.五原县农牧和科技局，内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县 015100；3.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏银川 750000；4.五原县农牧业技术推广中心，内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县 015100）

1 前言

农业废弃物的资源化处置与利用既关系到面源污染的防控与治理，同时还关系到农业的绿色可持续发展。我国典型农业废弃物包括畜禽粪污和农作物秸秆[1]。早期，我国农村地区秸秆的主要处理途径为就地焚烧和作为家用能源。随着秸秆禁止焚烧、农村能源结构调整以及打赢蓝天保卫战、加强秸秆综合利用等要求的施行，近年来逐渐形成了秸秆“五化”利用方式，即能源化、饲料化、基料化、原料化和肥料化，初步实现了秸秆的多元综合利用。但是秸秆综合利用的产业化发展仍存在一定困难，主要受秸秆收储运成本和不同秸秆类型处理工艺适用性等影响[2]。我国是世界畜禽生产大国，近年来畜禽养殖规模化、集约化发展使得畜禽粪污产量逐年增加。据《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年我国产生的畜禽粪便总量高达35亿t，但利用率却不足60%[3]。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》提出“使全国畜禽粪污综合利用率达到75%以上，规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到95%以上，到2020年基本解决大规模养殖场粪污资源化利用问题”[4]。为了实现这一目标，我国推行了整县推进、有机肥替代化肥等行动，也逐步形成了我国畜禽养殖粪污资源化利用的典型技术模式，包括粪污全量收集还田利用模式、粪污专业化能源利用模式、固体粪便堆肥利用模式、异位发酵床模式、粪便垫料回用模式、污水肥料化利用模式和污水达标排放模式[5]。但在粪污处理过程中，仍存在诸多问题，如粪污运输成本高、处理设备效率低、种养环节无法匹配等。针对一个特定区域，需要结合当地的种养情况和农业废弃物种类，选择适合的处理技术和模式，才能有效实现废弃物的资源化利用及农业的可持续发展。

河套灌区位于内蒙古自治区西部，是我国重要的商品粮油基地且养殖业发展迅速。因其独特的气候、地质、水资源条件，主要以玉米、小麦、向日葵和番茄种植为主[6]；畜禽养殖主要以饲养肉羊为主。河套灌区农业废弃物资源丰富，但存在资源化利用率低、处理方式粗放等问题。本文以河套灌区五原县为研究区域，核算其农业废弃物资源量，评估其可利用价值，并结合五原县的种养特点与结构，探索适合河套灌区的农业废弃物资源化利用途径与模式。

2 数据来源和研究方法

2.1 农业废弃物资源量

本研究根据农作物的草谷比（Straw to grain ratio，SGR）核算秸秆资源量[7]。在实际中无法保证所有的秸秆都能被有效回收利用，因此，需考虑不可回收利用的部分[8]，加入了作物收集系数。秸秆资源量计算见公式（1）。

其中，TS为秸秆资源可获得量（风干基），单位为t；i为第i种作物；Y为作物经济产量，单位为t；λ为作物草谷比；η为作物收集系数。

畜禽粪尿的排泄系数随畜禽品种、性别、生长周期、个体大小、饲养条件等因素的不同存在差异[9-11]。目前国内针对畜禽粪尿年产生量的计算方法有很多，有的只考虑年内出栏数或年末存栏数[8，12]、有的未考虑饲养周期[13]，因此，计算得到的畜禽粪污量不准确。本研究采用饲养周期≥1年和≤1年畜禽年排泄量的估算方法，同时考虑畜禽的种类、年内出栏数和年末存栏数计算得到不同畜禽种类的粪尿量[14]。不同畜禽的粪尿资源量（鲜质）计算见公式（2）至（5）。

其中，TF和TL分别表示粪便量和尿液量；i为猪、牛、羊、家禽的种类；j为马、驴、骡的种类；C、P分别为畜禽年内出栏数和年末存栏数，单位为头；T为饲养周期天数，单位为d，其中牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡、鸭、鹅、兔的饲养周期分别为365、365、365、365、199、365、210、210、210、90d[15]；F和L分别为畜禽粪和尿的日排泄系数｛kg/[d·只（头）]｝，其中牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡、鸭、鹅、兔的日排泄粪便量为27.3[16]、14.2、11.8、11.8、4.4、1.9、0.1、0.1、0.1、0.2[15]，牛、马、驴、骡、猪、羊的日排泄尿液量为14.2[16]、1.9、2.9、2.9、5.8、0.6[15]；1 000为换算系数。

2.2 标准煤量计算

为了更好地评估农作物秸秆和畜禽养殖粪污的利用潜力，通过折标煤系数测算出不同种类农业废弃物的折合标准煤量，计算见公式（6）。

其中，E为折合的标准煤量，单位为t；C为可收集秸秆或畜禽粪污资源量，单位为t；ηi为折标煤系数，其中小麦、玉米、高粱、马铃薯、葵花籽、甜菜和蔬菜的折标煤系数分别为0.5、0.529、0.5、0.446、0.529、0.205和0.43[8，17-19]；牛、马、驴、骡、猪、羊、鸡、鸭、鹅和兔的折标煤系数分别为0.471、0.529、0.529、0.529、0.429、0.529、0.643、0.643、0.643、0.643[17，20]。

2.3 数据来源

种植、养殖业数据来源于2016-2018年《五原县统计年鉴》。

3 结果与讨论

3.1 五原县农业废弃物资源量评估结果

五原县因其独特的地理优势和充足的水资源，农业种植种类丰富，包括谷类（水稻、小麦、玉米、高粱）、薯类（马铃薯）、油料（葵花籽）、糖料（甜菜）、药材和蔬菜等；其中以玉米、向日葵种植为主。根据不同作物产量，结合草谷比系数和收集系数，计算得到五原县2016-2018年秸秆资源可利用量平均值为9.1×105t，且每年呈现逐年增长趋势，其中2017年和2018年较上一年增幅分别为3.7%和13.4%（表1）。大部分作物近3年秸秆资源量没有明显变化，仅玉米、小麦和高粱的种植量及产量发生了较大变动。2018年小麦的播种面积和单位面积产量下降造成小麦秸秆资源量较2017年减少了78.2%。同年，玉米的播种面积有所增加，其资源量比2017年增加了53.9%。

由表1可知，秸秆资源量占比情况为向日葵＞玉米＞小麦＞蔬菜，分别占总秸秆资源量的47.1%，44.3%，7.5%和0.7%。由此可见，农作物秸秆的资源化利用应主要考虑葵花秆和玉米秸秆。另外，农作物收获季节不同，导致秸秆的资源量有季节性差异。内蒙古河套平原小麦是春小麦，每年3月播种，7月第三周开始收割[29]。而为了避免春寒和春潮的影响，玉米播种一般在4月底5月初开始种植，9月上旬正式收获[30]。向日葵播种期集中在5月下旬，成熟期在9月中旬[31]。根据农作物秸秆产量和产生期可知，五原县农作物秸秆产生主要集中在7月至9月。

表1 五原县不同年份秸秆资源可收集量

由表2可知，2016-2018年五原县粪尿量变化幅度不大，总粪尿平均值为4.6×106t，其中肉羊产业是五原县的主导产业。为了促进当地肉羊产业的发展，当地政府从2013年开始实施肉羊储备项目，并对肉羊养殖户进行圈舍补贴、饲草料种植补贴以及种公羊补贴[32]，使其肉羊养殖量逐年递增，产生的粪污量也在不断增多，平均肉羊粪尿量占畜禽粪尿总资源量的69.2%，占据五原县粪污的主要部分；其次为猪粪尿和牛粪尿，分别占畜禽粪尿总资源量的22.3%和6.9%。

表2 五原县不同年份畜禽粪尿可利用资源量

3.2 五原县农业废弃物可利用潜力分析

2016-2018年农业废弃物可利用资源量转化为标准煤资源总量为836.2万t，其中秸秆资源总量为271.9万t，转化为142.9万t标准煤量，占总资源量的16.8%。畜禽粪污资源总量为1376.6万t，转化为693.2万t标准煤量，占总资源量的83.2%。

如图1所示，秸秆折标煤量变化趋势与秸秆资源量趋于一致，秸秆能源化潜力逐年升高，近三年平均折标煤量为47.6万t。2018年的秸秆折标煤总量最大，为52.4万t，其中向日葵和玉米秸秆折标煤量占比较大，其折标煤量占比分别为44%和52.8%。五原县向日葵种植面积和秸秆产量较为稳定，其能源化潜力保持稳定，而玉米产量在2018年最高，其折标煤量也相应增多，可利用资源量也随之增多。

图1 2016-2018年五原县农作物秸秆折标煤量

如图2所示，畜禽粪污折标煤量近三年变化不大，其均值为231万t。羊粪的可利用潜力最高，三年的平均折标煤量为168万t，约占总畜禽粪污折标煤量的72.7%，其利用方式以能源化和肥料化为主。综合来看，畜禽粪污的折标煤含量比秸秆高，且畜禽粪污中含有丰富的氮磷钾等营养物质，因此具有很高的利用潜力。

图2 2016-2018年五原县畜禽粪污折标煤量

4 农业废弃物资源化利用现状

4.1 秸秆资源化利用情况

五原县位于内蒙古自治区西部，河套平原腹地，种植业发达，是全国著名的粮、油、糖及绿色农产品生产基地。其种植业结构由三部分构成，即经济作物、粮食作物和其他作物[32]，其中占比最大的是经济作物，主要包括葵花籽、甜菜、黑白瓜籽和药材。五原县具有优质的地理和气候条件，其向日葵产业实力雄厚，种植经济作物主要以葵花为主[33]。粮食作物主要包括小麦、玉米和薯类作物。五原县因其独特的气候条件，昼夜温差大、光照时间长、无霜期长等特点适宜种植小麦，且种植的小麦作物品质优良，经济效益高，有利于促进其农业的发展。五原县的秸秆主要利用方式是作为畜牧业饲料的来源[32]，2018年五原县秸秆的综合利用量为84.5万t，其中肥料化利用量为29.8万t，饲料化利用量为43.6万t，燃料化利用量5.1万t，原料化利用量为6万t，综合利用量可达85%。2018年五原县向日葵秸秆机械粉碎还田35万亩，玉米秸秆粉碎深松深翻还田6万亩。秸秆还田一方面可增加土壤有机质和矿质养分，提高农田养分利用率，尤其可使大量的钾素还田，对维持土壤钾素肥力、减少钾肥投入尤为重要；另一方面秸秆就地还田还能减少秸秆外运产生的收集、运输和储存等成本。玉米秸秆和葵花盘是当地肉羊养殖户使用的主要饲料来源。利用农作物秸秆养畜，可有效缓解“人畜争粮”“人畜争地”的矛盾[5，32]。将农作物秸秆混合其他农作物材料经青贮或微贮等方式加工成饲料可大大减少饲料成本，并实现废弃物的综合利用。五原县现有正大、力农、巴美、羊管家4家饲料加工厂，年生产加工牛羊饲料能力80万t以上。据统计2016年五原县青贮玉米、农作物秸秆成为了饲料加工厂的主要原料来源，占畜牧业饲草资源的60%-70%。在秸秆原料化利用方面，因秸秆纤维组织结构强，因此可以将其通过切草、粉碎、干燥、拌胶、铺装、预压、热压和后处理等工序加工成板材进行综合利用。在燃料化利用生产方面，秸秆作为一种重要的生物质能，可以将其利用固化成型技术，将秸秆压制成固体生物质燃料进行利用。

4.2 畜禽粪污资源化利用情况

目前，五原县各类畜禽粪尿年可收集利用量约为459万t，综合利用率达到95%以上，主要处理利用方式为能源化和肥料化利用。五原县畜牧业主要以肉羊产业为主，按照“稳羊增牛扩猪禽”的思路，五原县畜牧业稳步发展[32]。肥料化利用是五原县畜禽粪污的主要利用方式，包括生产商品有机肥和简易农家肥料。河套灌区土地盐碱化严重，有机肥可以成为盐碱地改良的主要生化调理剂。五原县有润泽、巴美、天宇、沃丰、蒙源兴禾和众信6家有机肥生产企业，年处理畜禽粪便20万t，占全县畜禽粪尿产生总量的4.4%。农村散养户、小规模养殖户仍占据较大比例，通过田间地头或圈舍旁简易堆肥发酵后以农家肥的形式进行施用。有机肥施用可改良土质、改善种植品质，有利于实现当地“质量兴农、绿色兴农、品牌强农”的发展思路，创建“天赋河套”区域品牌。五原县巴美养殖开发有限责任公司是五原县粪污资源化处理利用的典型企业，年综合利用羊粪10万t，年发电1 200万度，利用沼气发电所产生的沼渣、沼液进行有机肥生产，逐步形成了集饲草种植、饲料生产、种羊繁育、肉羊养殖、沼气发电、有机肥生产、屠宰加工、冷链物流、观光旅游于一体的肉羊全产业链循环经济模式，综合效益显著。

5 农业废弃物综合利用模式思考

五原县农业废弃物资源丰富，种养业都有自己的特色和主导产业，农业废弃物处理作为连接种植业和养殖业的中间环节，具有十分重要的作用。结合五原县的种养殖结构及农业废弃物种类，可建立不同的农业废弃物综合利用模式，实现种养平衡。

5.1 以大型养殖企业为主体的全产业链综合处理利用模式

五原县拥有多家大型养殖企业，且分布较为广泛。以大型养殖企业为主体的全产业链综合处理利用模式具有以下几个特点：（1）养殖规模大，需要构建以沼气或堆肥技术为主且完备的粪污处理系统，处理能力强，效率高；（2）饲料需求量大，可充分收集利用周边的农作物秸秆；（3）产业链长，内部循环多，有利于实现农业废弃物多级产品的市场化；（4）目标明确，以获得最大化的综合效益为终极目标。因此，依托大型养殖企业，可实现县域内大部分的农作物秸秆和部分养殖粪污的消纳，并可通过全产业链条的建立，实现农业废弃物的多级循环及高效利用。在实际生产过程中，可通过以下措施建立并强化该模式：一是出台激励政策，鼓励大型养殖企业在达到防疫条件的基础上，作为废弃物处理主体收集周边散户或中小养殖场的粪污以及周边农作物秸秆进行处理，实现满负荷运行和高值化利用；二是政府帮助大型养殖企业建立上下游市场渠道，尤其是与种植业之间的联系，有利于实现种养平衡和绿色发展，同时有利于形成良性的市场机制，让企业获得更大的经济效益，从而更好地促进农业废弃物的处理与资源化利用。

5.2 以第三方处理中心为主体的专业化运营模式

五原县养殖业发展主要以中小型农户散养为主，其规模较小，产生的粪污相对集中且结构单一，因此在实际生产中存在粪污处理率低及难以高效利用、抗风险程度差、管理技术水平低等问题。正因为如此，往往出现露天堆放、随意排放等问题，从而给环境带来严重的污染。因此，针对中小型养殖区和密集散养区的特点，可以根据分布情况，以村落为单位构建第三方运营的粪污处理中心，并结合整县推进等项目，在中小型养殖场和散养密集区配套建设粪污暂存设施及集中收集站，将粪污集中收集与处理。这种模式一方面可以减少养殖户对粪污处理设备的投资和运营成本，减缓环保压力，实现农业废弃物的专业化处理，提高其处理效率；另一方面该模式有利于形成多个新型经济体，服务于第三方处理中心的上下游，可更好地将养殖和种植联合起来，助力产业扶贫和乡村振兴。

6 结论

五原县农业发展稳定，农业废弃物资源量丰富且呈逐年上升趋势，利用潜力大。五原县种植业主要以玉米和向日葵为主，秸秆产生的高峰期在每年7-9月，以饲料化和肥料化为主，年利用率可达85%。畜禽养殖业发展主要以肉羊、猪、牛为主，其产生的粪便以肥料化、能源化利用为主，但存在粪污资源量分布较散、收集困难、粪污处理设施配套率低、难以进行高效的资源化利用等问题。针对河套灌区农业废弃物的组成特点及利用需求，提出以大型养殖企业为主体的全产业链综合处理利用模式以及以第三方处理中心为主体的专业化运营模式，有利于促进农业废弃物的综合利用以及种养结合，促进农业绿色可持续发展。