草莓大棚內(nèi)沼氣池的生態(tài)效益分析

摘 要：沼氣池建在大棚內(nèi)可增加沼氣池的冬季產(chǎn)氣量，沼氣燃燒可為作物提供CO2氣肥、光照及熱量，沼渣、沼液亦可作為肥料和植保產(chǎn)品施用，具有較好的綜合效益。為了弄清沼氣池在大棚內(nèi)的生態(tài)效益，本文對(duì)沼氣池在草莓大棚內(nèi)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益、碳減排效果及對(duì)土壤質(zhì)量的影響做了估算和分析。結(jié)果顯示，沼氣池建在大棚內(nèi)可增加經(jīng)濟(jì)收入5 436元，而沼氣池建在大棚外亦可增加經(jīng)濟(jì)收入1 126元，其固態(tài)投資收益率分別為187.19%和42.65%；將沼氣池（10 m3）建在大棚外，可減少溫室氣體排放0.164 t CO2當(dāng)量，而將沼氣池建在大棚內(nèi)每年可減少溫室氣體排放0.423 t CO2當(dāng)量；沼氣池在草莓大棚內(nèi)應(yīng)用后可有效增加土壤氮磷鉀含量，降低土壤容重，提高土壤質(zhì)量。與建在棚外相比，將沼氣池建在棚內(nèi)可獲得更好的綜合效益。

關(guān)鍵詞：沼氣池；大棚；經(jīng)濟(jì)效益；碳減排；土壤質(zhì)量

中圖分類號(hào)：S668.4；TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2012）10-0084-05

據(jù)專家估算，到2010年，中國(guó)牲畜糞便的年排放量達(dá)到4.5×108 t，如果沒有甲烷回收，將會(huì)向空氣中釋放6 000×104 m3的甲烷，而甲烷氣體的溫室效應(yīng)是CO2的21 倍，這將是巨大的環(huán)境壓力[1]。作為農(nóng)村可再生能源的重要內(nèi)容和國(guó)家惠農(nóng)政策的重要載體，我國(guó)農(nóng)村沼氣工程實(shí)施以來，收到了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益。沼氣技術(shù)的推廣對(duì)于改善農(nóng)村的能源結(jié)構(gòu)和衛(wèi)生條件，提高農(nóng)民生活質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)民持續(xù)增收節(jié)支，加快農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出了積極貢獻(xiàn)。但在我國(guó)北方地區(qū)，沼氣池的越冬問題是沼氣推廣的重大障礙，而將沼氣池建在大棚內(nèi)則有利于沼氣池的冬季產(chǎn)氣[2]。

與此同時(shí)，在冬季封閉的溫室大棚中，二氧化碳作為蔬菜的氣肥也嚴(yán)重短缺，而缺少氣肥導(dǎo)致蔬菜，水果、鮮花等生長(zhǎng)異常，并且冬季寒冷和光照不足現(xiàn)象更是制約冬季蔬菜生長(zhǎng)的重要因素[3]。因此將沼氣池建在大棚內(nèi)通過燈具將沼氣燃燒后可改善冬季日照不足、氣溫偏低、CO2氣肥缺乏的弊端，并且沼渣沼液也是蔬菜生長(zhǎng)的良好肥料和植保產(chǎn)品[4，5]。

大棚與沼氣池的結(jié)合已有較多的報(bào)道，“四位一體”、“豬—沼—菜”等模式的綜合效益及資源循環(huán)利用模式業(yè)已受到了普遍認(rèn)可。而關(guān)于沼氣池在蔬菜大棚內(nèi)的應(yīng)用效益情況還需要細(xì)致的研究，并且，此模式的碳減排效果也未見報(bào)道。鑒于此，我們結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)沼氣池在草莓大棚內(nèi)的應(yīng)用效益及碳減排效果進(jìn)行了研究，以期為這種模式的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及方法

試驗(yàn)設(shè)置在濟(jì)南市綠豐源沼氣專業(yè)合作社草莓大棚示范園區(qū)內(nèi)，該示范園已建成草莓大棚100余個(gè)，其中大棚內(nèi)建有沼氣池的已近50戶，還有10余戶將沼氣池建在了大棚外。大棚內(nèi)種植草莓，品種以紅臉頰、豐香為主，每年8月底至9月初定植，次年5月末結(jié)束，主要以觀光采摘、直供等方式銷售。

試驗(yàn)選取3種模式：①大棚內(nèi)建沼氣池（簡(jiǎn)稱BIG， Biogas pool build in Green-shed）；②大棚外建沼氣池（簡(jiǎn)稱BOG， Biogas pool build outside Green-shed）；③無沼氣池（簡(jiǎn)稱CK），作為對(duì)照。在示范園中每種模式的大棚選取3個(gè)，共計(jì)9個(gè)草莓大棚，大棚面積均為630 m2（10.5 m×60 m），草莓品種均為“紅臉頰”。各大棚的施肥量及施肥方式方法一致，不因沼液的施用而降低施肥量。

沼氣池池容10 m3，于9月10日集中進(jìn)牛糞，每沼氣池投鮮牛糞4 t（含水率80%左右），加入沼液1 t并加清水至加料刻度線，密封池體。農(nóng)民對(duì)沼氣池的管理經(jīng)驗(yàn)較少，統(tǒng)一采取一次進(jìn)料，隨機(jī)用氣，在次年3月初汲取沼液隨灌溉水澆灌施用的方式運(yùn)作。

大棚內(nèi)均勻布置沼氣燃燒燈具9套，在11月20日至3月10日間，所產(chǎn)生的沼氣視情況分別在早間或黃昏經(jīng)流量計(jì)和壓力計(jì)后供給燈具燃燒。沼液在沼氣池正常產(chǎn)氣1個(gè)月后從出料間統(tǒng)一抽出，與灌溉水混勻后在棚內(nèi)澆灌。中間抽樣幾次以測(cè)定沼氣中的甲烷含量，記錄沼氣的產(chǎn)生量、沼液用量及草莓產(chǎn)量等指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)束后，為分析3種不同處理模式大棚內(nèi)的土壤質(zhì)量狀況，分別在9個(gè)大棚內(nèi)均勻布點(diǎn)采集土樣63個(gè)（每棚取樣7個(gè)），主要分析指標(biāo)為土壤pH值、土壤電導(dǎo)率值（CEC）、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤有效鉀含量、土壤全鹽量等指標(biāo)。

1.2 計(jì)算方法及指標(biāo)測(cè)定方法

1.2.1 成本計(jì)算 投資包括沼氣池建設(shè)用料、建設(shè)用工費(fèi)、燈具安裝費(fèi)用、原料購買費(fèi)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)、沼液澆灌所需人工費(fèi)等（見表1）。大棚建設(shè)及草莓栽植相關(guān)的費(fèi)用不計(jì)入。

將沼氣池建在大棚內(nèi)，盡管沼氣池建在地下，由于土層較淺還是會(huì)影響一定面積土壤的種植效果，但是在經(jīng)濟(jì)評(píng)估時(shí)只看總的效益，不會(huì)因此受到影響。但由于施工難度加大，其投資中原料消耗、建筑施工及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都有所增加。此處可按照增加投資10%計(jì)算，則BIG處理的成本為3 256元。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算 總經(jīng)濟(jì)效益在此試驗(yàn)中包含沼氣在大棚內(nèi)燃燒的效益和沼渣沼液施用后帶來的效益。在此只計(jì)算草莓產(chǎn)量增加帶來的收益，盡管沼渣、沼液及沼氣燃燒等會(huì)改善草莓的品質(zhì)，但尚未真正建成有機(jī)食品基地，其效益未曾體現(xiàn)，在此不計(jì)入。試驗(yàn)棚的草莓均過秤后集中售出，產(chǎn)量和單價(jià)都有詳細(xì)記載，將每次草莓的收入相加即為草莓的總銷售收入。沼氣池的應(yīng)用效益是用建有沼氣池大棚的收入減去未建沼氣池大棚的收入。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法根據(jù)農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的有關(guān)原理，以投資收益率（E）、投資回收期（Pt）等靜態(tài)評(píng)價(jià)方法對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性作出評(píng)價(jià)[6]。

1.2.3 碳減排效果估算 如果糞便不經(jīng)過厭氧發(fā)酵而施入土壤中，由于土壤微生物的分解，會(huì)向大氣中釋放甲烷或二氧化碳。本案例中的碳減排主要來自沼氣原料（畜禽糞便）的厭氧發(fā)酵，糞便產(chǎn)生的沼氣經(jīng)燃燒后由CH4轉(zhuǎn)化成了CO2，而其中的部分CO2被植物作為氣肥吸收，另外由于沼氣燃燒可促進(jìn)大棚內(nèi)溫度的提高，從而提高植物的光合作用以增加植物從空氣中吸收CO2的量。由于這些在測(cè)算中較為繁瑣且量比較少，可以忽略，所以本試驗(yàn)中只將CH4的產(chǎn)生量作為其碳減排量。

式中，CCH4指溫室氣體CH4的減排量，單位為t；VB指沼氣產(chǎn)生的體積，單位為L(zhǎng)；ηCH4指CH4在沼氣中的百分含量，由采樣后測(cè)定的結(jié)果估算；mCH4指CH4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位為g/mol，此處取值16；22.4是氣體摩爾體積；106是質(zhì)量由t轉(zhuǎn)換至g的系數(shù)。

1.2.4 “三沼”對(duì)大棚土壤質(zhì)量影響的分析 沼氣、沼渣及沼液的施用被稱作“三沼”綜合利用，試驗(yàn)中沼氣燃燒促進(jìn)了草莓的生長(zhǎng)，而沼渣、沼液的施用為大棚提供了優(yōu)質(zhì)肥料，因此“三沼”對(duì)土壤都有一定的影響。試驗(yàn)中選取土壤容重、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率值（CEC）、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤有效鉀含量、土壤全鹽量等8個(gè)指標(biāo)以評(píng)判“三沼”利用對(duì)土壤質(zhì)量的影響情況。由于沼渣、沼液的施用要比當(dāng)季草莓生產(chǎn)滯后一段時(shí)期，故其土壤樣品在連續(xù)種植兩年后取土化驗(yàn)。每個(gè)大棚用戶在沼氣管理、沼渣、沼液使用上沒有按照試驗(yàn)統(tǒng)一管理，因此其影響很難量化，在此只做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以分析其影響趨勢(shì)。

1.3 指標(biāo)分析及數(shù)據(jù)處理

產(chǎn)量及收入情況來自農(nóng)戶實(shí)際的記錄，沼氣產(chǎn)量由流量計(jì)記錄；沼氣抽樣后用氣相色譜測(cè)定甲烷含量，根據(jù)產(chǎn)量及測(cè)定結(jié)果估算出ηCH4值，土壤質(zhì)量指示指標(biāo)均采用常規(guī)分析方法測(cè)定[7]，所得數(shù)據(jù)均采用SAS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼氣池的應(yīng)用效益分析

本試驗(yàn)大棚在試驗(yàn)初期即安排了專人管理，所得到的草莓收入數(shù)據(jù)是實(shí)際的草莓銷售收入。從表2可以看出，3處理間的平均收入差異盡管未達(dá)到顯著水平，但仍可以看出建設(shè)沼氣池后能夠提高草莓的收入：BOG處理與BIG處理的收入與對(duì)照相比分別增加了1.76%和8.51%；兩處理的投資收益率分別為38.04%和166.96%；兩處理的投資回收期分別為2.36年和0.60年。同樣是建設(shè)沼氣池，如果將池子建在棚外具有不占蔬菜用地、投資低、便于進(jìn)出料、相對(duì)安全的優(yōu)點(diǎn)，但是與將沼氣池建在棚內(nèi)相比，其應(yīng)用效益卻顯著降低，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)地處北方地區(qū)，沼氣池在棚內(nèi)由于有大棚的保溫和升溫作用，其產(chǎn)氣情況較好，因此冬季沼氣池內(nèi)溫度的提高是發(fā)揮沼氣池效能的關(guān)鍵。

露地環(huán)境條件下的土壤施肥是以作物對(duì)各種肥料元素的需求為主要目標(biāo)，而大棚栽培的土壤施肥，除了滿足作物對(duì)各種肥料元素的需求以外，還擔(dān)負(fù)著供給作物光合作用的主要原料——CO2的重大任務(wù)。因?yàn)榇笈锏沫h(huán)境相對(duì)密閉，棚內(nèi)植物的光合作用需要大量的CO2作為光合作用的原料[9]。沼氣在草莓大棚內(nèi)的燃燒最主要的增效原因是其為植物的光合作用補(bǔ)充了部分CO2。并且在沼氣燃燒過程中，也能為大棚草莓的生長(zhǎng)提供一定量的光照和熱量。另外盡管沼液的量比較少，但沼液澆灌施用對(duì)于草莓產(chǎn)量的提高也有一定的貢獻(xiàn)。因此，在溫室大棚內(nèi)建造沼氣池有利于提高大棚的產(chǎn)出，促進(jìn)農(nóng)民增收。試驗(yàn)結(jié)果與已有的報(bào)道結(jié)論一致[10，11]。

2.2 沼氣池的碳減排效果分析

在冬季，山東省戶用沼氣池的產(chǎn)氣情況較差，這主要是溫度低造成的。試驗(yàn)中棚外的沼氣池（BOG）整個(gè)冬季產(chǎn)氣量平均為19.32 m3，而棚內(nèi)沼氣池的產(chǎn)氣量平均可達(dá)48.65 m3（表3）。在夏季同等條件下沼氣池的產(chǎn)氣量可達(dá)150 m3左右，因此冬季即使沼氣池建在大棚內(nèi)，其產(chǎn)氣量也并不高，這主要受氣溫、進(jìn)料不連續(xù)、管理不完善等條件的共同影響。因此建議在大棚內(nèi)建設(shè)的沼氣池不僅要注意連續(xù)進(jìn)料、勤攪拌、常出料等事項(xiàng)，也應(yīng)該適當(dāng)考慮根據(jù)大棚面積的需要擴(kuò)大沼氣池的容積，這樣才能獲得更好的效果。

2.3 沼氣池的應(yīng)用對(duì)土壤質(zhì)量的影響

2.3.1 不同處理對(duì)土壤理化性狀影響分析 由表4可以看出，與CK相比，BIG與BOG處理的土壤容重、電導(dǎo)率值有下降的趨勢(shì)。沼液中含有較高濃度的有機(jī)成分，且有利于土壤微生物區(qū)系的改善，從而有利于根系的生長(zhǎng)和繁衍，這有利于土壤容重的降低，土壤的物理性能有所改善。一般而言，由于沼液含有一定濃度的鹽基離子，沼液施用會(huì)導(dǎo)致土壤的電導(dǎo)率增加，而試驗(yàn)結(jié)果卻與之相反：與CK相比，BIG和BOG處理的土壤電導(dǎo)率值分別下降19.1%和6.4%。分析原因可能由于沼液會(huì)提高土壤pH值及土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)也能促進(jìn)植株對(duì)鹽基離子的吸收作用，從而有效降低了土壤溶液中的鹽離子含量。

與CK相比，BIG和BOG處理的土壤pH值分別升高了9.5%和5.6%。由此看出沼液的施用可有效緩解大棚土壤的酸化問題。

施用沼液后，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量、土壤有效磷含量及土壤有效鉀含量也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且BIG處理的養(yǎng)分含量增加高于BOG處理。土壤中的養(yǎng)分含量主要受施肥、作物吸收及損失三方面的共同作用。沼液的施用增加了土壤中的養(yǎng)分含量[12]，而沼氣燃燒及營(yíng)養(yǎng)條件的適宜能促進(jìn)植株的生長(zhǎng)從而吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，沼液有機(jī)物可以增強(qiáng)土壤的保肥保水能力，在其共同作用下土壤養(yǎng)分含量的增加預(yù)示著現(xiàn)有施肥量有進(jìn)一步優(yōu)化的空間[13]。建議在增加沼液施用量的條件下，可以適當(dāng)降低化肥的施用量。

2.3.2 不同處理的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià) 采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)3種處理土壤質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，確定的最優(yōu)參考數(shù)列為：{x0}={1.09，1000，0.15，2.54，0.145，38.12，144.7，6.59}。各指標(biāo)的重要性系數(shù)即權(quán)重采用8個(gè)指標(biāo)平均分配的原則，各取0.125。三處理的指標(biāo)數(shù)據(jù)列分別為：

可以看出，將沼氣池建在大棚內(nèi)，并充分利用好沼渣、沼液后，有利于大棚土壤質(zhì)量的保持。大棚土壤質(zhì)量退化的主要表現(xiàn)為土壤酸化、土壤鹽漬化及土壤連作障礙。在沼液短期使用后，土壤的電導(dǎo)率值及土壤全鹽量都有下降趨勢(shì)，但由于沼液本身的營(yíng)養(yǎng)成分及鹽分含量較高，如果長(zhǎng)期大量施用其結(jié)果尚需進(jìn)一步研究；由于沼液呈現(xiàn)弱堿性且氧化還原電位較低，這有利于緩解大棚土壤的酸化，并且沼液對(duì)于莖線蟲等蟲害及細(xì)菌、真菌性病害均有較好的抑制作用，對(duì)于大棚土壤微生物區(qū)系也具有良好的優(yōu)化作用，因此沼液的施用是大棚土壤質(zhì)量提高的主要原因。

3 小結(jié)

沼氣池建在大棚內(nèi)可增加沼氣池的冬季產(chǎn)氣量，沼氣燃燒可為作物提供CO2氣肥、光照及熱量，沼渣、沼液亦可作為肥料和植保產(chǎn)品施用，因此具有較好的綜合效益。

沼氣池建在大棚內(nèi)可增加經(jīng)濟(jì)收入5 436元，而沼氣池建在大棚外亦可增加經(jīng)濟(jì)收入1 126元，其固態(tài)投資收益率分別為187.19%和 42.65%。

將沼氣池（10 m3）建在大棚外，可減少溫室氣體排放0.164 t CO2當(dāng)量，而將沼氣池建在大棚內(nèi)每年可減少溫室氣體排放0.423 t CO2當(dāng)量。

沼氣池在草莓大棚內(nèi)應(yīng)用后可有效增加土壤氮磷鉀含量，降低土壤容重，提高土壤質(zhì)量。

與建在棚外相比，將沼氣池建在棚內(nèi)可獲得更好的綜合效益。

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