河套灌區(qū)農業(yè)廢棄物資源量估算及綜合利用分析

姜靈偉 陳銳 崔建華 張學軍 仲生柱 林聰 段娜

關鍵詞：河套灌區(qū);五原縣;農業(yè)廢棄物;資源化利用;模式

1 前言

農業(yè)廢棄物的資源化處置與利用既關系到面源污染的防控與治理，同時還關系到農業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。我國典型農業(yè)廢棄物包括畜禽糞污和農作物秸稈[1]。早期，我國農村地區(qū)秸稈的主要處理途徑為就地焚燒和作為家用能源。隨著秸稈禁止焚燒、農村能源結構調整以及打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、加強秸稈綜合利用等要求的施行，近年來逐漸形成了秸稈“五化”利用方式，即能源化、飼料化、基料化、原料化和肥料化，初步實現(xiàn)了秸稈的多元綜合利用。但是秸稈綜合利用的產業(yè)化發(fā)展仍存在一定困難，主要受秸稈收儲運成本和不同秸稈類型處理工藝適用性等影響[2]。我國是世界畜禽生產大國，近年來畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；?、集約化發(fā)展使得畜禽糞污產量逐年增加。據(jù)《第二次全國污染源普查公報》顯示，2017年我國產生的畜禽糞便總量高達35億t，但利用率卻不足60%[3]。國務院辦公廳印發(fā)《關于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》提出“使全國畜禽糞污綜合利用率達到75%以上，規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理設施裝備配套率達到95%以上，到2020年基本解決大規(guī)模養(yǎng)殖場糞污資源化利用問題”[4]。為了實現(xiàn)這一目標，我國推行了整縣推進、有機肥替代化肥等行動，也逐步形成了我國畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用的典型技術模式，包括糞污全量收集還田利用模式、糞污專業(yè)化能源利用模式、固體糞便堆肥利用模式、異位發(fā)酵床模式、糞便墊料回用模式、污水肥料化利用模式和污水達標排放模式[5]。但在糞污處理過程中，仍存在諸多問題，如糞污運輸成本高、處理設備效率低、種養(yǎng)環(huán)節(jié)無法匹配等。針對一個特定區(qū)域，需要結合當?shù)氐姆N養(yǎng)情況和農業(yè)廢棄物種類，選擇適合的處理技術和模式，才能有效實現(xiàn)廢棄物的資源化利用及農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

河套灌區(qū)位于內蒙古自治區(qū)西部，是我國重要的商品糧油基地且養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。因其獨特的氣候、地質、水資源條件，主要以玉米、小麥、向日葵和番茄種植為主[6];畜禽養(yǎng)殖主要以飼養(yǎng)肉羊為主。河套灌區(qū)農業(yè)廢棄物資源豐富，但存在資源化利用率低、處理方式粗放等問題。本文以河套灌區(qū)五原縣為研究區(qū)域，核算其農業(yè)廢棄物資源量，評估其可利用價值，并結合五原縣的種養(yǎng)特點與結構，探索適合河套灌區(qū)的農業(yè)廢棄物資源化利用途徑與模式。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 農業(yè)廢棄物資源量

本研究根據(jù)農作物的草谷比（Straw to grainratio，SGR）核算秸稈資源量[7]。在實際中無法保證所有的秸稈都能被有效回收利用，因此，需考慮不可回收利用的部分[8]，加入了作物收集系數(shù)。秸稈資源量計算見公式（1）。

其中，TS為秸稈資源可獲得量（風干基），單位為t;i為第i種作物;Y為作物經濟產量，單位為t;λ為作物草谷比;η為作物收集系數(shù)。

畜禽糞尿的排泄系數(shù)隨畜禽品種、性別、生長周期、個體大小、飼養(yǎng)條件等因素的不同存在差異[9-11]。目前國內針對畜禽糞尿年產生量的計算方法有很多，有的只考慮年內出欄數(shù)或年末存欄數(shù)[8，12]、有的未考慮飼養(yǎng)周期[13]，因此，計算得到的畜禽糞污量不準確。本研究采用飼養(yǎng)周期≥1年和≤1年畜禽年排泄量的估算方法，同時考慮畜禽的種類、年內出欄數(shù)和年末存欄數(shù)計算得到不同畜禽種類的糞尿量[14]。不同畜禽的糞尿資源量（鮮質）計算見公式（2）至（5）。

其中，TF和TL分別表示糞便量和尿液量;i為豬、牛、羊、家禽的種類;j為馬、驢、騾的種類;C、P分別為畜禽年內出欄數(shù)和年末存欄數(shù)，單位為頭;T為飼養(yǎng)周期天數(shù)，單位為d，其中牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝、兔的飼養(yǎng)周期分別為365、365、365、365、199、365、210、210、210、90d[15];F和L分別為畜禽糞和尿的日排泄系數(shù){kg/[d·只（頭）]}，其中牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝、兔的日排泄糞便量為27.3[ 1 6 ]、14.2、11.8、11.8、4.4、1.9、0.1、0.1、0.1、0.2[15]，牛、馬、驢、騾、豬、羊的日排泄尿液量為14.2[16]、1.9、2.9、2.9、5.8、0.6[15];1 000為換算系數(shù)。

2.2 標準煤量計算

為了更好地評估農作物秸稈和畜禽養(yǎng)殖糞污的利用潛力，通過折標煤系數(shù)測算出不同種類農業(yè)廢棄物的折合標準煤量，計算見公式（6）。

其中，E為折合的標準煤量，單位為t;C為可收集秸稈或畜禽糞污資源量，單位為t;ηi為折標煤系數(shù)，其中小麥、玉米、高粱、馬鈴薯、葵花籽、甜菜和蔬菜的折標煤系數(shù)分別為0.5、0.529、0.5、0.446、0.529、0.205和0.43[8，17-19];牛、馬、驢、騾、豬、羊、雞、鴨、鵝和兔的折標煤系數(shù)分別為0.471、0.529、0.529、0.529、0.429、0.529、0.643、0.643、0.643、0.643[17，20]。

2.3 數(shù)據(jù)來源

種植、養(yǎng)殖業(yè)數(shù)據(jù)來源于2016-2018年《五原縣統(tǒng)計年鑒》。

3 結果與討論

3.1 五原縣農業(yè)廢棄物資源量評估結果

五原縣因其獨特的地理優(yōu)勢和充足的水資源，農業(yè)種植種類豐富，包括谷類（水稻、小麥、玉米、高粱）、薯類（馬鈴薯）、油料（葵花籽）、糖料（甜菜）、藥材和蔬菜等;其中以玉米、向日葵種植為主。根據(jù)不同作物產量，結合草谷比系數(shù)和收集系數(shù)，計算得到五原縣2016-2018年秸稈資源可利用量平均值為9.1×105t，且每年呈現(xiàn)逐年增長趨勢，其中2017年和2018年較上一年增幅分別為3.7%和13.4%（表1）。大部分作物近3年秸稈資源量沒有明顯變化，僅玉米、小麥和高粱的種植量及產量發(fā)生了較大變動。2018年小麥的播種面積和單位面積產量下降造成小麥秸稈資源量較2017年減少了78.2%。同年，玉米的播種面積有所增加，其資源量比2017年增加了53.9%。

由表1可知，秸稈資源量占比情況為向日葵>玉米>小麥>蔬菜，分別占總秸稈資源量的47.1%，44.3%，7.5%和0.7%。由此可見，農作物秸稈的資源化利用應主要考慮葵花稈和玉米秸稈。另外，農作物收獲季節(jié)不同，導致秸稈的資源量有季節(jié)性差異。內蒙古河套平原小麥是春小麥，每年3月播種，7月第三周開始收割[29]。而為了避免春寒和春潮的影響，玉米播種一般在4月底5月初開始種植，9月上旬正式收獲[30]。向日葵播種期集中在5月下旬，成熟期在9月中旬[31]。根據(jù)農作物秸稈產量和產生期可知，五原縣農作物秸稈產生主要集中在7月至9月。

由表2可知，2016-2018年五原縣糞尿量變化幅度不大，總糞尿平均值為4.6×106t，其中肉羊產業(yè)是五原縣的主導產業(yè)。為了促進當?shù)厝庋虍a業(yè)的發(fā)展，當?shù)卣畯?013年開始實施肉羊儲備項目，并對肉羊養(yǎng)殖戶進行圈舍補貼、飼草料種植補貼以及種公羊補貼[32]，使其肉羊養(yǎng)殖量逐年遞增，產生的糞污量也在不斷增多，平均肉羊糞尿量占畜禽糞尿總資源量的69.2%，占據(jù)五原縣糞污的主要部分;其次為豬糞尿和牛糞尿，分別占畜禽糞尿總資源量的22.3%和6.9%。

3.2 五原縣農業(yè)廢棄物可利用潛力分析

2016-2018年農業(yè)廢棄物可利用資源量轉化為標準煤資源總量為836.2萬t，其中秸稈資源總量為271.9萬t，轉化為142.9萬t標準煤量，占總資源量的16.8%。畜禽糞污資源總量為1376.6萬t，轉化為693.2萬t標準煤量，占總資源量的83.2%。

如圖1所示，秸稈折標煤量變化趨勢與秸稈資源量趨于一致，秸稈能源化潛力逐年升高，近三年平均折標煤量為47.6萬t。2018年的秸稈折標煤總量最大，為52.4萬t，其中向日葵和玉米秸稈折標煤量占比較大，其折標煤量占比分別為44%和52.8%。五原縣向日葵種植面積和秸稈產量較為穩(wěn)定，其能源化潛力保持穩(wěn)定，而玉米產量在2018年最高，其折標煤量也相應增多，可利用資源量也隨之增多。

如圖2所示，畜禽糞污折標煤量近三年變化不大，其均值為231萬t。羊糞的可利用潛力最高，三年的平均折標煤量為168萬t，約占總畜禽糞污折標煤量的72.7%，其利用方式以能源化和肥料化為主。綜合來看，畜禽糞污的折標煤含量比秸稈高，且畜禽糞污中含有豐富的氮磷鉀等營養(yǎng)物質，因此具有很高的利用潛力。

4 農業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀

4.1 秸稈資源化利用情況

五原縣位于內蒙古自治區(qū)西部，河套平原腹地，種植業(yè)發(fā)達，是全國著名的糧、油、糖及綠色農產品生產基地。其種植業(yè)結構由三部分構成，即經濟作物、糧食作物和其他作物[32]，其中占比最大的是經濟作物，主要包括葵花籽、甜菜、黑白瓜籽和藥材。五原縣具有優(yōu)質的地理和氣候條件，其向日葵產業(yè)實力雄厚，種植經濟作物主要以葵花為主[33]。糧食作物主要包括小麥、玉米和薯類作物。五原縣因其獨特的氣候條件，晝夜溫差大、光照時間長、無霜期長等特點適宜種植小麥，且種植的小麥作物品質優(yōu)良，經濟效益高，有利于促進其農業(yè)的發(fā)展。五原縣的秸稈主要利用方式是作為畜牧業(yè)飼料的來源[32]，2018年五原縣秸稈的綜合利用量為84.5萬t，其中肥料化利用量為29.8萬t，飼料化利用量為43.6萬t，燃料化利用量5.1萬t，原料化利用量為6萬t，綜合利用量可達85%。2018年五原縣向日葵秸稈機械粉碎還田35萬畝，玉米秸稈粉碎深松深翻還田6萬畝。秸稈還田一方面可增加土壤有機質和礦質養(yǎng)分，提高農田養(yǎng)分利用率，尤其可使大量的鉀素還田，對維持土壤鉀素肥力、減少鉀肥投入尤為重要;另一方面秸稈就地還田還能減少秸稈外運產生的收集、運輸和儲存等成本。玉米秸稈和葵花盤是當?shù)厝庋蝠B(yǎng)殖戶使用的主要飼料來源。利用農作物秸稈養(yǎng)畜，可有效緩解“人畜爭糧”“人畜爭地”的矛盾[5，32]。將農作物秸稈混合其他農作物材料經青貯或微貯等方式加工成飼料可大大減少飼料成本，并實現(xiàn)廢棄物的綜合利用。五原縣現(xiàn)有正大、力農、巴美、羊管家4家飼料加工廠，年生產加工牛羊飼料能力80萬t以上。據(jù)統(tǒng)計2016年五原縣青貯玉米、農作物秸稈成為了飼料加工廠的主要原料來源，占畜牧業(yè)飼草資源的60%-70%。在秸稈原料化利用方面，因秸稈纖維組織結構強，因此可以將其通過切草、粉碎、干燥、拌膠、鋪裝、預壓、熱壓和后處理等工序加工成板材進行綜合利用。在燃料化利用生產方面，秸稈作為一種重要的生物質能，可以將其利用固化成型技術，將秸稈壓制成固體生物質燃料進行利用。

4.2 畜禽糞污資源化利用情況

目前，五原縣各類畜禽糞尿年可收集利用量約為459萬t，綜合利用率達到95%以上，主要處理利用方式為能源化和肥料化利用。五原縣畜牧業(yè)主要以肉羊產業(yè)為主，按照“穩(wěn)羊增牛擴豬禽”的思路，五原縣畜牧業(yè)穩(wěn)步發(fā)展[32]。肥料化利用是五原縣畜禽糞污的主要利用方式，包括生產商品有機肥和簡易農家肥料。河套灌區(qū)土地鹽堿化嚴重，有機肥可以成為鹽堿地改良的主要生化調理劑。五原縣有潤澤、巴美、天宇、沃豐、蒙源興禾和眾信6家有機肥生產企業(yè)，年處理畜禽糞便20萬t，占全縣畜禽糞尿產生總量的4.4%。農村散養(yǎng)戶、小規(guī)模養(yǎng)殖戶仍占據(jù)較大比例，通過田間地頭或圈舍旁簡易堆肥發(fā)酵后以農家肥的形式進行施用。有機肥施用可改良土質、改善種植品質，有利于實現(xiàn)當?shù)亍百|量興農、綠色興農、品牌強農”的發(fā)展思路，創(chuàng)建“天賦河套”區(qū)域品牌。五原縣巴美養(yǎng)殖開發(fā)有限責任公司是五原縣糞污資源化處理利用的典型企業(yè)，年綜合利用羊糞10萬t，年發(fā)電1 200萬度，利用沼氣發(fā)電所產生的沼渣、沼液進行有機肥生產，逐步形成了集飼草種植、飼料生產、種羊繁育、肉羊養(yǎng)殖、沼氣發(fā)電、有機肥生產、屠宰加工、冷鏈物流、觀光旅游于一體的肉羊全產業(yè)鏈循環(huán)經濟模式，綜合效益顯著。

5 農業(yè)廢棄物綜合利用模式思考

五原縣農業(yè)廢棄物資源豐富，種養(yǎng)業(yè)都有自己的特色和主導產業(yè)，農業(yè)廢棄物處理作為連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的中間環(huán)節(jié)，具有十分重要的作用。結合五原縣的種養(yǎng)殖結構及農業(yè)廢棄物種類，可建立不同的農業(yè)廢棄物綜合利用模式，實現(xiàn)種養(yǎng)平衡。

5.1 以大型養(yǎng)殖企業(yè)為主體的全產業(yè)鏈綜合處理利用模式

五原縣擁有多家大型養(yǎng)殖企業(yè)，且分布較為廣泛。以大型養(yǎng)殖企業(yè)為主體的全產業(yè)鏈綜合處理利用模式具有以下幾個特點：（1）養(yǎng)殖規(guī)模大，需要構建以沼氣或堆肥技術為主且完備的糞污處理系統(tǒng)，處理能力強，效率高;（2）飼料需求量大，可充分收集利用周邊的農作物秸稈;（3）產業(yè)鏈長，內部循環(huán)多，有利于實現(xiàn)農業(yè)廢棄物多級產品的市場化;（4）目標明確，以獲得最大化的綜合效益為終極目標。因此，依托大型養(yǎng)殖企業(yè)，可實現(xiàn)縣域內大部分的農作物秸稈和部分養(yǎng)殖糞污的消納，并可通過全產業(yè)鏈條的建立，實現(xiàn)農業(yè)廢棄物的多級循環(huán)及高效利用。在實際生產過程中，可通過以下措施建立并強化該模式：一是出臺激勵政策，鼓勵大型養(yǎng)殖企業(yè)在達到防疫條件的基礎上，作為廢棄物處理主體收集周邊散戶或中小養(yǎng)殖場的糞污以及周邊農作物秸稈進行處理，實現(xiàn)滿負荷運行和高值化利用;二是政府幫助大型養(yǎng)殖企業(yè)建立上下游市場渠道，尤其是與種植業(yè)之間的聯(lián)系，有利于實現(xiàn)種養(yǎng)平衡和綠色發(fā)展，同時有利于形成良性的市場機制，讓企業(yè)獲得更大的經濟效益，從而更好地促進農業(yè)廢棄物的處理與資源化利用。

5.2 以第三方處理中心為主體的專業(yè)化運營模式

五原縣養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展主要以中小型農戶散養(yǎng)為主，其規(guī)模較小，產生的糞污相對集中且結構單一，因此在實際生產中存在糞污處理率低及難以高效利用、抗風險程度差、管理技術水平低等問題。正因為如此，往往出現(xiàn)露天堆放、隨意排放等問題，從而給環(huán)境帶來嚴重的污染。因此，針對中小型養(yǎng)殖區(qū)和密集散養(yǎng)區(qū)的特點，可以根據(jù)分布情況，以村落為單位構建第三方運營的糞污處理中心，并結合整縣推進等項目，在中小型養(yǎng)殖場和散養(yǎng)密集區(qū)配套建設糞污暫存設施及集中收集站，將糞污集中收集與處理。這種模式一方面可以減少養(yǎng)殖戶對糞污處理設備的投資和運營成本，減緩環(huán)保壓力，實現(xiàn)農業(yè)廢棄物的專業(yè)化處理，提高其處理效率;另一方面該模式有利于形成多個新型經濟體，服務于第三方處理中心的上下游，可更好地將養(yǎng)殖和種植聯(lián)合起來，助力產業(yè)扶貧和鄉(xiāng)村振興。

6 結論

五原縣農業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，農業(yè)廢棄物資源量豐富且呈逐年上升趨勢，利用潛力大。五原縣種植業(yè)主要以玉米和向日葵為主，秸稈產生的高峰期在每年7-9月，以飼料化和肥料化為主，年利用率可達85%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展主要以肉羊、豬、牛為主，其產生的糞便以肥料化、能源化利用為主，但存在糞污資源量分布較散、收集困難、糞污處理設施配套率低、難以進行高效的資源化利用等問題。針對河套灌區(qū)農業(yè)廢棄物的組成特點及利用需求，提出以大型養(yǎng)殖企業(yè)為主體的全產業(yè)鏈綜合處理利用模式以及以第三方處理中心為主體的專業(yè)化運營模式，有利于促進農業(yè)廢棄物的綜合利用以及種養(yǎng)結合，促進農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。