我国羊养殖量及其粪尿资源化利用潜力分析

邓茹丹，王国英，李丹阳，李国学，袁京

（中国农业大学资源与环境学院，农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京 100193）

中国是世界上养羊数量较多的国家之一，2020年我国羊肉产量492 万t，占全国肉类产量的6.4%[1]。近年来，羊养殖产业在推动经济发展中发挥着不可替代的作用，羊肉、羊奶、羊毛等需求量越来越大，羊养殖产业呈现规模化和集约化迅猛发展态势。随着羊养殖规模逐渐增大，羊粪尿产量大幅增加，但其回田率低于50%[2]，缺乏合理处置的羊粪尿会对环境造成威胁。羊粪质地较细，其含水率（44.86%）低于猪粪（68.77%）、牛粪（74.92%）和鸡粪（75.32%），而碳氮比（20.37）高于猪粪（10.59）、牛粪（14.57）和鸡粪（10.60）[3-4]。此外，羊粪尿中含有的氮、磷、钾及微量营养元素可以维持作物生长，将羊粪尿腐熟后作为有机肥还田，肥效快且持久，可有效改善土壤团粒结构，提高土壤肥力和保水供水能力，适用于草原板结、沙化的土壤[5-6]。

目前，关于畜禽粪便产生量的研究较多，但研究方法和关注点各有不同。王国利等[7]、隋超等[8]、庄犁等[9]对畜禽养殖业粪尿产生量的研究主要集中于牛、猪和鸡，对羊粪尿产生量与环境影响的研究尚缺乏。刘瀚扬等[10]、王成磊等[11]研究仅关注畜禽粪便产生量，未系统通过产排污系数计算养分储存量；包维卿等[12]的研究表明近20 年来学者们在估算畜禽粪便产生量时对产排污系数选取的差别很大；廖青等[13]、郭强等[14]、黄红英等[15]在分析畜禽粪便产量的基础上，更多关注粪便的承载力，未对畜禽粪便养分肥料化和能源化潜力进行系统分析。

我国幅员辽阔，不同地区生态条件和气候差异较大，导致不同地区的羊粪尿产生量差异较大[12]。北方地区牧场广阔，羊养殖量较大，品种繁多，粪便产量较大，且粪便特性受牧草和季节的影响较为显著；南方地区地势起伏较大，经济发达的城市地区羊养殖量较少[16]，粪便产量较少。因此，采用全国统一的数据来代表不同区域羊的产排污系数既不准确，也不科学[12]。为得到更加接近实际的全国羊粪尿资源量评估结果，本研究依据《中国统计年鉴2021》[17]《中国畜牧兽医年鉴2021》[18]和《中国农村统计年鉴2021》[19]公布的数据，估算了2021 年全国羊粪尿产生量、肥料化和能源化利用潜力，以及单位耕地面积羊粪尿养分负荷量，旨在为全国羊粪尿资源化处理和回田利用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域选择中国全域（不含港澳台），自2009年以来，内蒙古、新疆、山东、甘肃、河南五省份长期处于羊养殖量的前五位，其中内蒙古和新疆的羊养殖量占全国的30%左右，五省份的羊养殖量超过全国的50%[20]。

1.2 基础数据

羊养殖数量、耕地面积数据均来源于《中国农村统计年鉴2021》，采用分类统计方法和Origin 软件制作全国各省份羊养殖情况分布图（图1）。羊的饲养期大于365 d，以年底出栏量作为当年的饲养量。

图1 全国各省份羊养殖情况（2018—2021年）Figure 1 Sheep breeding in each province of China（2018—2021）

1.3 羊粪尿产排污系数及主要养分含量系数

羊粪尿的日排泄量与品种、体重、生理状态、饲料组成、饲喂方式以及生活环境等均相关[21]，但目前我国缺乏羊粪尿的产排污系数和主要养分含量数据。因此，本研究依据李丹阳[22]对我国羊养殖业产排污系数和主要养分含量系数的研究数据（表1），将全国划分为东北、华北、西北、西南、华中、东南6大区域。

1.4 估算方法

1.4.1 羊粪尿产生量的估算

羊粪尿产生量计算公式[23]：

式中：Q为羊粪尿产生量，kg；N为饲养量，万只；T为饲养周期，T=365 d；P为羊粪尿日产排污系数，kg·d-1。

1.4.2 羊粪尿中养分储量的估算

羊粪尿中养分储量计算公式[24]：

式中：A为羊粪尿中养分储量，kg；m为羊粪尿产生量，t；c为单位质量羊粪尿养分含量，kg·t-1。

1.4.3 羊粪尿的能源化潜力

羊粪尿的能源潜力以羊粪尿中COD 可产沼气资源量计算，公式[25]如下：

式中：E为羊粪尿产沼气潜力，亿m3；Q为COD 产生量，亿t；W为COD 去除率，W=80%；G为产沼气系数，0.538 m3·kg-1（以COD计）。

沼气折合甲烷公式[26]：

式中：M为沼气折合甲烷量，m3；E为羊粪尿产沼气潜力，亿m3；Si为沼气折合甲烷系数，Si=50%。

沼气折合标煤公式[27]：

1.4.4 单位耕地面积总氮、总磷负荷

单位耕地面积总氮、总磷负荷计算公式[24]：

式中：LN为单位耕地面积总氮负荷，kg·hm-2；LP为单位耕地面积总磷负荷，kg·hm-2；QN为总氮产生量，t；QP为总磷产生量，t；A为有效耕地面积，hm2。

单位面积农地总氮、总磷负荷欧盟限量标准为：CN=170 kg·hm-2，CP=35 kg·hm-2[28]。

2 结果与讨论

2.1 全国各省份羊粪尿产生量

为了准确评估羊粪尿对环境的影响，需要对羊粪尿的产生量进行估算[24]。根据全国各省份羊养殖量、饲养期及产排污系数，估算我国2018—2021 年各省份羊粪尿产生量，结果如图2所示。

图2 全国各省份羊粪尿产生量（2018—2021年）Figure 2 Sheep manure and urine production in each province of China（2018—2021）

从总体上看，我国各省份2018—2021 年羊粪尿产生量变化量小于100 万t，表明近年来在我国“增牛稳羊扩猪”的政策推动下，全国对羊肉、羊奶、羊毛等羊制品的需求量增加，羊养殖业呈现稳步发展的态势。2021 年全国羊粪尿总产生量约为2.91 亿t，因养殖数量和饲养结构的不同，各区域羊粪尿产量存在差异（图2）：产量较多区域主要在内蒙古（5 764万t）、新疆（3 959 万t）和甘肃（2 080 万t）；其次，河南、四川、山东、云南、青海、河北羊粪尿产生量在1 000 万～2 000 万t 之间；其他地区产生量在1 000 万t 以下，主要为山西、西藏、陕西、黑龙江和辽宁等省份，北京和上海羊粪尿产量最低（12万～16万t）。

另外，羊粪尿产生大省顺序与总畜禽粪便产生大省的顺序不完全一致，主要是由于不同地区饲养的主要畜禽种类不同。张藤丽等[29]的研究报道，四川、河南、山东等省份主要以猪养殖为主，且单只猪粪尿日排泄量（5.30 kg·d-1）高于羊（2.60 kg·d-1），所以尽管上述三省份的总畜禽粪便产生量较多，但羊粪尿产生量较少。全国不同区域羊粪尿产生量占总畜禽粪便量比例如图3所示，占比排名前3位的省份分别为新疆（39.86%）、内蒙古（39.72%）、甘肃（25.21%）。这是由于新疆和甘肃地处我国西北部，气候干旱，草原面积大，适宜羊放牧养殖，而内蒙古羊养殖量居全国第一，羊粪尿产生量较高。

图3 2021年全国各省份羊粪尿产生量占总畜禽粪便产生量比例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 羊粪尿肥料化利用潜力

畜禽粪便含有丰富的氮、磷、钾及微量营养元素，可以制成有机肥，为有机农业提供支持[28]。2021年我国各地区羊粪尿中养分资源含量如图4 所示，总养分含量最高的省份为内蒙古（29.73 万t），其次为新疆（25.78 万t）、河南（13.77 万t）和甘肃（13.54 万t）。这与各省份羊养殖方式、饲料组成、环境因子（如季节、气候）等众多因素有关[22]，不同区域的羊粪尿养分含量系数差距显著[28]。各省份羊粪尿养分总产生量为TN 91.08 万t、TP 19.28 万t、TK 73.89 万t，可有效替代氮肥（以尿素计）255.31 万t、磷肥（以P2O5计）108.45万t、钾肥（以K2O 计）191.82 万t[30]，分别占2021 年农村氮肥、磷肥、钾肥使用量的13.23%、15.91%、34.19%[17]，具有较高的肥料化利用潜力。

图4 2021年全国各省份羊粪尿中养分资源量Figure 4 Nutrient resource quantity of sheep manure and urine in each province of China in 2021

2.3 羊粪尿产沼气能源化利用潜力

目前我国沼气产量不高，随着绿色农业可持续发展的推进和畜禽养殖集约化程度的加深，利用畜禽粪便生产可再生能源沼气备受关注。据统计，2021 年全国农村户用沼气池数量约3 380 万个[17]，按每个10 m3沼气池年产沼气量600 m3计算[31]，2021年全国农村户用沼气池产沼气量约202.80亿m3。经计算2021年我国各省份羊粪尿产沼气潜力如图5 所示，全国羊粪尿可产沼气量共165.95 亿m3，折合甲烷82.98 亿m3，折合标煤1 184.88 万t，相当于现有沼气工程产沼气量的81.83%，具有很大的能源化利用潜力。据统计，2009 年中国规模化养殖场约684.60 万处，已建成规模化养殖场沼气工程5.65 万处[32]，其中大部分为猪、牛规模化养殖场沼气工程，说明利用羊粪尿产沼气仍有很大的发展空间。对于含水率较高的羊粪尿（≥80%），厌氧发酵生产沼气是一种较好的资源化处理与利用方式。从全国地区分布来看，羊粪尿产沼气潜力较大的省份主要分布在西北和华北地区，新疆（29.85 亿m3）、内蒙古（20.77 亿m3）和甘肃（15.69 亿m3）3 省份羊粪尿产沼气潜力最高，分别占全国总羊粪尿产沼气利用潜力的17.99%、12.52%和9.45%。东南地区由于羊养殖规模和饲料组成等因素影响，羊粪尿产沼气潜力较低。程红胜等[33]的研究指出，在35°C左右发酵羊粪尿产沼气效果较好，寒冷地区冬季可采用大棚式沼气工程和外部保温措施解决沼气产量较低的问题，同时可配套建设高效低耗的治污设施解决养殖场沼气工程的二次污染问题。在全国各地区充分利用羊粪尿产沼气，不仅可以解决规模化羊养殖粪尿的污染问题，而且能有效缓解燃煤带来的环境污染问题，因此利用羊粪尿生产沼气具有较大的能源替代潜力。

图5 2021年全国各省份羊粪尿产沼气能源潜力Figure 5 Biogas energy potential for sheep manure and urine in each province of China in 2021

2.4 羊粪尿中总氮、总磷耕地负荷

耕地是消纳畜禽粪便的重要场所[28]，单位耕地面积对畜禽粪便总氮、总磷营养元素的承载力反映了畜禽粪便对耕地土壤的污染风险[21]。根据欧盟标准，各地区单位耕地面积总氮、总磷负荷限值为170、35 kg·hm-2，2021年我国各省份羊粪尿中总氮耕地负荷如图6所示，总磷耕地负荷如图7所示，各区域耕地对羊粪尿中总氮和总磷负荷均未超过欧盟限值。但从全国区域分布来看，青海、西藏两省份单位耕地面积对羊粪尿中总氮（71.55、55.68 kg·hm-2）和总磷（15.46、15.88 kg·hm-2）的负荷都较高。由图4可知，虽然两省份羊粪尿中总氮含量（4.22 万、2.47 万t）和总磷含量（0.91 万、0.70 万t）均接近全国平均水平（2.94 万、0.62万t），但由于地处我国青藏高原，受海拔、气候、土壤等自然因素和放牧文化、退耕还林还草等人为因素的影响，两地区耕地面积均不足6 000 km2，仅为全国耕地面积的0.44%和0.33%[19]，造成较高的耕地氮、磷负荷量。华中、东北、东南地区单位耕地面积对羊粪尿中总氮和总磷的负荷均低于全国平均值（9.39、2.12 kg·hm-2），在不考虑其他畜禽粪尿的情况下，羊粪尿对该地区农田耕地污染风险较小。

图6 2021年全国各省份单位耕地面积羊粪尿总氮负荷Figure 6 Unit cropland load of total nitrogen contained in sheep manure and urine in each province of China in 2021

图7 2021年全国各省份单位耕地面积羊粪尿总磷负荷Figure 7 Unit cropland load of total phosphorus contained in sheep manure and urine in each province of China in 2021

畜禽粪便不宜长距离运输，充分考虑我国有机肥替代化肥政策，除将耕地作为消纳羊粪尿主要场所外，还可充分利用耕地与林地、草地之间相互转化的农牧交错带（26.95 万km2）[34]消纳羊粪尿。另外，根据土地利用/土地覆盖变化（Land-Use and Land-Cover Change，简称LUCC）分类体系，离养殖场较近、交通便利、地形相对平缓的可用林地、可用草地、未利用土地均可消纳羊粪尿，总面积达98.80 万km2[28]。据研究统计，农牧交错带主要分布在内蒙古、甘肃、宁夏、青海、西藏等地区[34]，有大量草地和林地可用于消纳羊粪尿。适量的腐熟羊粪尿可大幅提高牧草产能，增加土壤中有机质、全氮、速效氮、全磷和速效磷的含量，改善土壤肥力[35]，实现种养结合和农牧循环。

3 结论

（1）2021年全国羊粪尿总产生量约为2.91亿t，新疆（39.86%）、内蒙古（39.72%）、甘肃（25.21%）3 省份的羊粪尿产生量占总畜禽粪便量比例排名全国前三。

（2）2021 年全国各省份羊粪尿养分总含量为184.25 万t，可有效替代氮肥（以尿素计）255.31 万t、磷肥（以P2O5计）108.45万t、钾肥（以K2O计）191.82万t，分别占2021 年农村氮肥、磷肥、钾肥使用量的13.23%、15.91%、34.19%，具有较大的肥料化利用潜力；可产沼气量相当于现有沼气工程产沼气量的81.83%，西部地区以及内蒙古羊粪尿产沼气利用潜力巨大。

（3）青海和西藏两省份农田耕地的羊粪尿氮磷含量负荷较高，耕地消纳羊粪尿时，应充分考虑农牧交错带、林地、草地以及未利用土地等多种土地类型。