基于Meta方法对东北地区畜禽粪污利用率评价

贺斌斌， 许 强， 于海茹， 陈 迪， 朴仁哲， 赵洪颜*

(1.延边大学 农学院;2 延边特色产业发展中心:吉林 延吉 133002)

近年来我国畜牧养殖业发展迅速，中大型规模化养殖场逐渐增多，在产生巨大社会经济效益的同时，也产生了大量农业废弃物，农业生态环境污染问题亦显得十分突出[1]。我国针对畜禽养殖业的污染防治政策、法规陆续颁布[2]，畜禽粪污的综合利用引起了社会的关注，“十二五”农业污染减排规划也将畜禽业污染减排列为主要针对目标[3]，国家对于生态环境的保护越来越重视。东北地区是我国的粮食主产区，也是畜禽养殖的重要地区。目前，东北地区畜禽养殖数量快速增长，每年畜禽粪污排泄量近5亿 t，若不能妥善处理，就会造成严重的环境污染[4]。畜禽粪污综合利用同时也蕴含着巨大的潜力,且从种植业与畜牧业的种养平衡角度，分析畜禽污染治理具有重要的现实意义[5]。提倡将畜禽粪污肥料化、饲料化、能源化将是今后我国畜禽粪污综合利用的方向，从而改善我国农业生态环境污染问题[6-7]。

Meta-Analysis(元分析，荟萃分析，整合分析)是一种对若干独立研究结果进行统计分析的方法[8]。该方法主要通过对某一研究内容的多个相似研究结果进行合并，可解决某个独立研究无法解释的问题，从定量的角度对此研究内容进行再分析。曾悦等[9]运用Meta-Analysis分析了畜禽粪污中关于氟喹诺酮类抗生素、四环素类抗生素和磺胺类这3类抗生素对土壤微生物多样性的影响。王飞等[10]通过对畜禽粪便为原料的有机肥,分析了华北地区畜禽粪便用作有机肥的现状。ZHOU Jialiang等[11]对畜禽粪污厌氧共消化的协同效应进行了荟萃分析。TI Chaopu[12]对减少农业系统中畜禽粪污管理措施等进行了全球元分析和综合评估，提出了合理粪肥储存管理可显著减少畜禽粪便污气体的排放。HOU Yong等[13]通过对粪便管理方式对污染气体排放的影响进行了荟萃分析和综合评估。SHI Shengli等[14]以减少高牲畜密度地区牲畜粪便中的养分排放进行了荟萃分析。虽然关于畜禽粪污的资源化利用有诸多报道和研究，但众多综述研究都偏向于定性归纳，仅能提供主观的观点，缺乏科学定量分析的结论。且对东北地区相关文献进行合并统计与定量分析的研究，目前为止还鲜见报道。

因此，该研究采用Meta分析方法，对东北地区畜禽粪污综合利用率、养殖场设备配套率、有机肥利用率、沼气利用率等进行数据统计，综合分析多个独立研究结果并得出定量的结论，旨在探讨东北地区畜禽粪污的综合利用现状，为畜禽粪污资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 文献检索

通过对万方数据知识服务平台、中国知网、维普中文数据库，英文Web of Science等数据库检索，以[主题:(畜禽粪污) or主题:(畜禽养殖污染) or 主题:(畜禽废弃物) or 主题:(牛粪) or 主题:(猪粪) or 主题:(鸡粪) or 主题:(羊粪)]and[主题:(利用方式) or 主题:(资源化利用) or 主题:(综合利用)]为检索策略，英文以Livestock and poultry waste、Animal excrement、Livestock waste、Comprehensive Utilization、Resource Utilization为检索词检索1970—2020年公开发表的有关畜禽粪污利用率的文献，共检索到299篇相关文献。检索后进行筛选，按照文献筛选标准进行筛选。

1.1.2 文献筛选标准

为确保研究的准确性，该研究按以下标准筛选论文：1) 统计数据地点为中国东北地区，包括吉林省、辽宁省、黑龙江省；2) 所选文献必须有明确畜禽粪污产量以及利用率相关数据的统计；3) 该研究中所需相关数据能够直接从图、表或文中进行提取，或者可以从文献中计算获得；4) 不包括评价类、综述类、模拟数据类文献；5) 相同数据出现在不同文献中应当选择信息更为全面的文献数据；6) 不包括城市污水，仅检索畜禽粪污产量和应用相关文献。

1.2 建立数据库

将纳入文献的基本资料提取出来，包括作者、发表年份、所研究具体地区、年总产量、综合利用率、其他利用方式等，按照东北地区畜禽粪污的综合利用率、养殖场设备配套率、畜禽粪污有机肥利用率、还田率和沼气利用率进行分类；其次按照省份进行数据分类，分别为黑龙江省、吉林省、辽宁省，通过数据可以对比不同省份利用率；再按照年限分类，主要分为1980—2010年、2011—2020年2个阶段，可显示近年来东北地区畜禽粪污的利用现状及发展趋向。通过使用Microsoft Excel软件将数据组建成库，以便直接提取数据。

1.3 Meta分析数据

1.3.1 计算效应值

研究采用随机效应模型，对数据进行统计分析，基于横断面研究的无对照二分类数据的Meta分析，即单组率的Meta分析，此类数据的特点是只有事件发生数和观察总数，而无对照组[15]。采用双反正弦转换法，对率进行转换合并计算，纳入文献结果间的异质性采用X2检验进行分析(检验水准为α=0.1)，I2定量判断异质性大小,置信区间为95%CI。以综合利用率、设备配套率、有机肥使用率等以率为结局指标时，其发生率P及其标准误差SE可按下列公式计算[16]：

P=X/n；

式中，P为事件概率，X为某事件的发生数，n为观察总数，SE为标准误差。使用条件：研究总量n较大，概率P不接近于0和1，且n*P和n*(1-P)的值都大于5，此时P的抽样分布接近正态分布[16]。该研究所取数据满足公式要求，故可以采用此法计算效应值。

1.3.2 分析方法

Michael Mauer出生于1962年，毕业于著名的普福尔茨海姆应用技术大学的汽车设计专业。自1995年进入梅赛德斯-奔驰，先后主导了SLK、SL以及A级车的设计工作。2000年，他被任命为萨博品牌的设计执行董事，并主导设计了萨博93等车型。2004年，他以首席设计师的身份加入保时捷品牌，参与设计了Panamera、Cayenne以及918 Spyder。自2015年起，Michael Mauer成为大众汽车集团的设计部门的主管。

使用Microsoft Excel记录数据，建立畜禽粪污利用率数据库，并进行统计计算。Meta分析过程使用Stata软件来进行数据分析，使用Review Manager软件进行亚组分析，此两种软件是目前Meta分析专用软件中较成熟的软件。对不同利用率的结局指标进行分析，数据满足正态分布，采用95%CI进行区间评估，在区间范围内95%CI的取值不包含0时，表示有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 东北地区畜禽粪污综合利用率分析

随机效应模型Meta分析结果显示，东北地区畜禽粪污的综合利用率为58%(50%～67%，95%CI)，如图1所示。

图1 畜禽粪污综合利用率

整体来看东北地区畜禽粪污综合利用率较低，所统计数据为历年来东北地区畜禽粪污利用情况，年份间差异较大。此外，纳入文献所统计地区不同，县市各有差异，畜禽养殖发展情况有所不同，具体通过亚组分析讨论。

通过亚组数据进一步分析，东北地区畜禽粪污的综合利用率为59%(53%～65%，95%CI)，其中，吉林省为51%(20%～82%，95%CI)，辽宁省为67%(61%～72%，95%CI)，黑龙江省为55%(48%～61%，95%CI)(表1)。其中辽宁省畜禽粪污综合利用率最高，主要原因是辽宁省规模化养殖场发展更快，畜禽粪污便于集中处理。从研究年限来看，2010—2015年为59%(47%～71%，95%CI)，2016—2020年为64%(50%～78%，95%CI)，可看出东北地区畜禽粪污综合利用率提升较大，主要原因是相关政策的引导、政府监督力度的加大、农户对资源利用的认知提高以及对环保意识的逐步提高。

表1 综合利用率亚组分析

2.2 东北地区养殖场设备配套率分析

随机效应模型Meta分析结果显示，东北地区养殖场设备配套率为65%(52%～78%，95%CI)，如图2所示。

图2 养殖场设备配套率

近年来随着人们的环保意识加强，对于畜禽粪污资源化利用的认知水平的提高，各养殖场也逐渐完善畜禽粪污处理设施，设备配套率也在不断提高。

通过亚组数据进一步分析，东北地区养殖场设备配套率为65%(56%～75%，95%CI)，吉林省养殖场设备配套率为57%(44%～70%，95%CI)，辽宁省为88%(83%～93%，95%CI)，黑龙江省为66%(44%～88%，95%CI)，文献数量不足地区不纳入到亚组分析中(表2)。吉林省的设备配套率相对较低，由于资金投入不足、养殖技术推广不到位、缺少政策优惠扶持等原因；辽宁省设备配套率较高，出于现有研究的数目，这只是现有研究基础之上得出的结论；黑龙江省设备配套率相对吉林省较高。东北地区养殖场设备配套率与实现畜禽粪污处理利用产业化还有一定的差距。

表2 设备配套率亚组分析

2.3 东北地区有机肥利用率分析

由图3可以看出,畜禽粪污有机肥利用率较低。畜禽粪污通过堆肥制成有机肥是一种良好的利用途径，堆肥化是处理某些有机固体废弃物无害化、减量化、资源化的有效途径之一[40-41]。随机效应模型Meta分析结果显示，东北地区畜禽粪污有机肥利用率为15%(7%～23%，95%CI)，具体数据通过亚组分析实现。

图3 畜禽粪污有机肥利用率

通过亚组分析，东北地区畜禽粪污整体有机肥利用率为16%(10%～22%，95%CI)(表3)。其中,辽宁省有机肥利用率为15%(3%～27%，95%CI)，吉林省有机肥利用率为8%(6%～10%，95%CI)，黑龙江省有机肥利用率为29%(28%～30%，95%CI)，文献数量不足地区不纳入到亚组分析中。从研究年限来看，2010—2015年为8%(4%～12%，95%CI)，2016—2020年为25%(7%～43%，95%CI)。由于畜禽养殖分散，粪污收集困难，且制作有机肥过程对于个体养殖场和大多数农户来说较为复杂，如一般使用的商品有机肥、生物有机肥、有机复合肥等。总体上,东北地区有机肥利用率低，其原因可能如下：建设有机肥加工厂投资较大，社会环境未形成连续的产业链；处理技术层面和创新能力不足，生产效率较低。

表3 有机肥利用率亚组分析

2.4 东北地区畜禽粪污处理后还田率分析

由图4所示，畜禽粪污还田较高，国家近年来鼓励畜禽粪污还田，但有一定的技术要求，首先对其进行基本的无害化处理，将畜禽粪污堆积发酵，充分腐熟，杀灭其中的病原菌、虫卵和杂草种子，达到相应的指标才可施用。由于堆积发酵还田操作相对简单，投入成本较低，因此畜禽粪污还田率较高。

图4 畜禽粪污还田率

通过亚组数据分析，结果显示东北地区畜禽粪污的还田率为56%(45%～67%，95%CI)(表4)。

表4 畜禽粪污还田率亚组分析

在东北3省畜禽粪污利用方式中还田率较高，原因是东北地区土地辽阔，畜禽养殖较为分散，绝大部分养殖散户缺少粪污处理利用设施，因此多数农户以及小规模养殖场采取粪污自然堆积还田。从研究年限来看，1980—2010年,畜禽粪污还田率为53%(33%～72%，95%CI)，2011—2020年,为57%(19%～96%，95%CI)。东北地区畜禽粪污还田比率较高，主要原因如下：以前人们的环保意识较弱，畜禽粪污随意堆积或丢弃，处理较困难，随着农业机械化发展，多数农户将畜禽粪便堆积发酵腐熟更加方便快捷；有机肥效果并没有达到期望值，且市场中有机肥产品种类繁多，农户难以辨别真假；普通养殖散户不会建立专门的粪污处理系统，堆沤发酵还田方式更受农户欢迎。

2.5 东北地区畜禽粪污沼气利用率分析

随机效应模型Meta分析结果显示，东北地区畜禽粪污用于沼气利用的比率为9%(3%～15%,95%CI),如图5所示。由于东北地区冬季气温低，厌氧、有氧微生物发酵困难，沼气池产气量太少；由于气候原因，东北地区推广难度相对较大；畜禽粪污沼液中含有多种重金属及其他污染物，用于农田存在环境安全隐患，若处理不当，则可能存在二次污染的风险；一般农户和小规模养殖场生产沼气的成本高，处理干湿分离难度较大，很多沼气池建设项目已废弃。因此在东北地区，将畜禽粪污用于制作沼气的比率较低。

图5 畜禽粪污沼气利用率

3 讨论与结论

通过对东北地区畜禽粪污的不同利用方式的利用率进行数据统计，得出东北地区畜禽粪污的综合利用率、养殖场设备配套率、畜禽粪污有机肥利用率、畜禽粪污的还田率以及沼气利用率。就综合利用率和设备配套率而言，东北地区总体综合利用率为58%(50%～67%,95%CI)，此结果与赵立欣[37]等研究结果相似。养殖场设备配套率为65%(52%～78%，95%CI)。由此可以看出，东北地区部分养殖场在粪污处理设施方面还存在问题，还需要大力投入，尽快完善养殖场配套设备。分析其主要原因，可能受气候、地域特征、缺少相关政策等的影响，冬季温度过低，冰雪覆盖导致交通运输不便；且东北地区地域辽阔，养殖散户较多，畜禽粪污集中处理有难度；政府对企业的节能减排标准不够完善，污染物排放计量建设滞后，政府相关政策法规不健全，监管力度不足等，各地方政府应侧重有效政策供给[42-43]。畜禽粪污资源化利用对于任何一个国家来说都至关重要，政府也正在加快发展商业规模畜牧业，合理利用该资源可减少污染物，因此不仅在中国，其它各国也都在探索畜禽粪污的合理处理利用的方式[44]。在关注农业发展的同时，政府应当重视专业人才的培养，当前大量农村中青年人都在城市工作，导致务农人数剧减。据统计，学历越高选择从事农业相关工作的倾向越小，应当加强对学生的思想教育，宣传我国农业发展的前景，提高从事农业相关人员的补贴，为农业发展输入更多人才[45]。

根据研究数据统计，东北地区畜禽粪污有机肥利用率为16%(10%～22%，95%CI)。畜禽粪污制作的有机肥营养丰富，适量有机肥的使用可使土壤速效养分增加且产量大幅提升[46]，提高作物抗病能力和农产品品质，常与化肥配施或单独施用[47]，但将其加工成相对高效的有机肥商品，过程较为繁琐，且对于大多数农户来说，投入成本相对较大。此外，在短期内有机肥对作物产量的影响比无机肥相对小，农户更愿意使用无机肥料，导致有机肥市场太小，因此利用率相对较低。畜禽粪污还田率为56%(45%～67%,95%CI)，由于东北地区拥有辽阔的土地，种植面积较大，将畜禽粪污堆肥发酵后还田，也是一种良好的处理方式[48]。但对于土地来说，限定时间单位耕地面积对畜禽粪便吸收能力有限，超出限度将对环境造成污染[49]。沼气利用率为9%(3%～15%,95%CI)，用于制作沼气也是常用的处理技术之一，但由于我国北方地区冬季气温较低，在厌氧消化的稳定与效率方面，温度起着关键作用，低温时微生物发酵困难，导致产气量少，此技术并不能得到广泛推广使用。此外，多数企业难以承担沼气工程所需要的投资，因沼气工程环境效益巨大，而企业实际经济收益相对偏小[50]，这也是需要进一步解决的问题。郝庆斌等[34](2014)认为，采用厌氧消化技术，建设能源生态型沼气工程和生物培养污水处理工程，是处理畜禽粪污的良好方式。目前也有专家研究应对低温环境下沼气正常生产方面的新技术，郗伟东等[20](2012)认为，应当面向养殖场建立养殖场为中心的沼气生产、种养互补的循环经济模式。据此可推测未来畜禽粪污处理方向和低温生物质转化技术不可分割，在生物能源产业发展中发挥越来越重要的作用[51]。

综上所述，东北地区的畜禽粪污综合利用率达到58%(50%～67%,95%CI)，随着社会发展近几年来已经达到64%(50%～78%，95%CI)，东北地区养殖场设备配套率为65%(52%～78%，95%CI)，制作有机肥的利用率为16%(10%～222%，95%CI)；经处理后还田率为56%(45%～67%，95%CI)，畜禽粪污沼气利用率为9%(3%～15%,95%CI)。