Study on composition and utilization potential of waste from planting and breeding in Shanxi Province, China

Abstract

为实现种养废弃物的高效利用，通过文献查阅、实地调研等方式对山西省种养废弃物资源量、利用现状进行了调查，估算出主要的农作物秸秆和畜禽粪尿的资源量，分析其在市域尺度上的分布特征、资源化利用潜力及综合高效利用的途径。结果表明，晋南地区存在大量小麦秸秆，其他地区均以玉米秸秆为主。畜禽粪尿中以牛、猪、羊粪尿居多，且存在晋西北多羊、北中部多牛、晋东南多猪的分布格局。2007—2015年山西省农作物秸秆产量由1.27×10⁷ t增加到1.54×10⁷ t，畜禽粪尿的产生量由1.82×10⁷ t增加到2.02×10⁷ t，且山西省种养废弃物的总产量近几年逐渐趋于稳定。若将山西省种养废弃物肥料化，其相当于有机质、N、P、K分别为1.54×10⁷、1.25×10⁵、5.28×10⁴、1.04×10⁵ t，若将其能源化则可转化为标准煤1.05×10⁷ t或沼气4.59×10⁹ m³，资源化潜力巨大。研究表明，山西省种养废弃物资源种类多、数量大，地域性差异大，资源化利用的空间较大，应力争通过肥料化、能源化、饲料化及其他利用途径，实现种养废弃物资源的多途径综合高效利用。

In order to improve the utilization efficiency of the waste from planting and breeding, through reviewing literature and field survey we knew about the number and present situation of the utilization of the waste in Shanxi Province and assessed the characteristics of quantity and spatial distribution on regional scale. Besides, we used the investigation to analyze the potential on the resource utilization and comprehensive utilization efficient way. Results showed that there were large quantities of straws of wheat in the south of Shanxi Province, and in the other regions corn straws played the most important situation. Livestock poultry dung was mostly from cattle, pigs and sheep, and it distributed as most of sheep in the northwestern, cattle in this north center, and pigs in the southeast. During 2007-2015, the crops straw produced from 1.27×10⁷ t to 1.54×10⁷ t, and the dung output of livestock and poultry came from 1.82×10⁷ t to 2.02×10⁷ t, and it showed a relatively stabilized tendency in recent years. If the waste from planting and breeding was converted into fertilizer we could get organic matter, N, P, K, respectively 1.54×10⁷,1.25×10⁵, 5.28×10⁴, 1.04×10⁵ t, and if energy-oriented we could get 1.05×10⁷ t standard coal, or 4.59×10⁹ m³ biogas. Therefore, the waste was diverse and numerous in Shanxi Province, and it had its own spatial distribution in each area. Besides, it had greater potential of resource. We should try our best to convert waste into fertilizer, energy, feed and other utilization ways in order to achieve a high efficient, comprehensive and integrated utilization. Based on the study, scientific and feasible guidance for Shanxi Province was put forward to realize a more efficient and sustainable utilization of waste from planting and breeding.

山西省地处干旱半干旱地区，山多地少、水资源匮乏，土壤质量普遍较低，旱作农田占70%以上。2017年6月，习近平总书记在山西省视察时指出，有机旱作是山西农业的一大传统技术特色，要打好特色优势品牌，发展现代特色农业。秸秆和粪肥还田、用地和养地相结合，是有机旱作农业的精华。但当前山西省有机物料转化利用率偏低，秸秆焚烧和废弃、畜禽粪尿随意堆置、城乡生产生活有机废弃物闲置等现象仍然十分普遍。如何合理高效利用有机物料资源，培育和提升旱作农田土壤质量，力争到2020年实现化肥农药使用量零增长，畜禽粪污、秸秆、农膜利用率达到75%以上，一直以来都是山西省农业工作的重点。

目前，关于不同区域种养废弃物的综合利用研究较多，主要集中于农作物秸秆资源量的估算^[1-3]、综合利用^[4-6]，畜禽粪尿资源量的估算^[7-10]、利用^[11-13]及其对环境的危害^[14-18]。但对种养废弃物在区域尺度的时空分异特征及综合高效利用的系统和定量化研究仍然缺乏。山西省作为全国13个牧区半牧区省份之一，拥有400万hm²的草地、100亿kg的玉米产量以及可饲养1.5亿只羊的农副产品秸秆。但据调研及查阅文献发现，山西省的秸秆综合利用率仅为64%左右，存在焚烧严重、产业化和规模化水平低等一系列问题^[19]。2015年山西省畜牧产业规模化比重达58%，高出全国平均水平近11个百分点^[20]。因此，系统地分析山西省种养废弃物的时空变异特征及利用潜力意义重大。

本研究在总结相关研究的基础上，从山西省秸秆资源量的时空分布上，对2007—2015年田间秸秆和畜禽粪尿的产量、变化趋势及资源化潜力进行了统计分析，以探明山西省田间秸秆资源储量，了解其综合利用的潜力。山西省寿阳县2016年作为种养废弃物综合利用试点县，进行了利用技术的推广和建设，因此我们对寿阳县进行实地调研。综合数据分析结果和调研成效，本文提出了山西省种养废弃物高效综合利用的发展建议，为提高土壤质量，走有机旱作农业的路子提供理论依据和实践支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

粮食作物产量与畜禽养殖量来源于山西省农村统计年鉴中2015年的数据，不同农作物的草谷比（表 1）参考杨海蓉等^[21]对山西省农作物秸秆资源量及时空分布特征的研究。各牲畜的日排泄系数（表 2）参考张建杰等^[22]对山西省畜禽业发展及粪尿养分时空变异的研究，其中猪、鸡、兔的养殖周期分别为199、55、90 d，养殖量按年出栏量计算。牛、羊的饲养量按年末存栏量计算。不同种养废弃物的养分资源含量系数（表 1、表 2）及转化为标准煤和沼气的系数（表 3）参考曾锐^[23]对成都市种养废弃物资源量调查及利用途径研究。

表 1 Table 1

表 1 不同农作物养分资源含量 Table 1 Nutrient contents of different crops

表 1 不同农作物养分资源含量 Table 1 Nutrient contents of different crops

表 2 Table 2

表 2 不同牲畜粪尿养分资源含量 Table 2 Nutrient contents of different livestock manure

表 2 不同牲畜粪尿养分资源含量 Table 2 Nutrient contents of different livestock manure

表 3 Table 3

表 3 不同种养废弃物能量资源转化系数 Table 3 Energy resources coefficient of different waste from planting and breeding

表 3 不同种养废弃物能量资源转化系数 Table 3 Energy resources coefficient of different waste from planting and breeding

1.2 计算方法

（1）畜禽粪尿产生量的计算方法：

牛、羊粪尿产生量（kg）=年末饲养量×日排泄系数（kg·d^-1）×365（d）；

猪、鸡、兔粪尿产生量（kg）=年出栏量×饲养周期（d）×日排泄系数（kg·d^-1）。

（2）秸秆量的计算方法：

（3）养分资源量的计算方法：

式中：i为秸秆种类，i=1，2，3，…，n；C_i为i类秸秆的资源量，t；f_i为i类秸秆的有机质（氮、磷、钾）含量，kg· kg^-1；A为i类秸秆的有机质（氮、磷、钾）资源量，t。

式中：i为畜禽粪尿种类，i=1，2，3，……，n；Q_i为i类畜禽粪尿的资源量，t；T_i为i类畜禽粪尿的有机质（氮、磷、钾）含量，kg·kg^-1；S为i类畜禽粪尿的有机质（氮、磷、钾）资源量，t。

（4）能源资源量的计算方法：

式中：i为种养废弃物种类，即秸秆和畜禽粪尿的种类，i=1，2，3...，n；Z_i为i类种养废弃物的资源量；R_i为i类种养废弃物的可回收系数；D_i为i类种养废弃物的干物质比例；X_i为i类种养废弃物的标准煤转化系数。V_i为i类种养废弃物的单位产沼气量，m³·kg^-1。

1.3 数据处理

种养废弃物随时间变化特征及养分资源化和能源化潜力用Excel 2007分析，空间分布特征用GIS 9.3进行分析。

2 结果与分析

2.1 山西省秸秆资源总量及类型随时间变化特征

2007—2015年，山西省的秸秆资源总量从1.27× 10⁷ t增至1.54×10⁷ t，呈现出波动上升的趋势（图 1）。其中玉米秸秆量最大，其次为小麦、谷子、大豆，且各年份秸秆构成格局相同。玉米秸秆产量呈升高趋势，到2011年以后趋于平稳状态；谷子秸秆产量整体呈上升趋势；小麦、大豆秸秆产量多年来较为稳定（图 2）。

图 1 山西省2007—2015年秸秆总产量变化 Figure 1 The changes of total straw contents from 2007 to 2015 in Shanxi Province

图 2 山西省2007—2015年不同作物秸秆产量变化 Figure 2 The changes of different crops straw from 2007 to 2015 in Shanxi Province

2.2 山西省秸秆资源类型及空间分布特征

山西省作物秸秆以玉米、小麦、谷子、大豆为主，其他类作物秸秆以薯类为主。2015年四种主要的农作物秸秆产量分别达到1.23×10⁷、3.72×10⁶、6.33×10⁵、2.36 × 10⁵ t，占秸秆总量的68.45%、20.72%、3.53%、1.31%，四者共占秸秆总量的94%以上（表 4）。除山西南部的运城、临汾、晋城有数量较大的小麦秸秆外，其他市均以玉米秸秆占主导。运城、临汾秸秆产量最高，在200万~400万t之间，其次是晋城、长治、晋中、忻州、朔州、大同，在100万~200万t之间，吕梁、太原、阳泉的秸秆产量相对较少，小于100万t（图 3）。总体来看，山西省秸秆产量呈现由南向北逐渐降低的趋势。

表 4 Table 4

表 4 山西省2015年不同作物秸秆产量 Table 4 The straw production of different crops in 2015 in Shanxi Province

表 4 山西省2015年不同作物秸秆产量 Table 4 The straw production of different crops in 2015 in Shanxi Province

图 3 山西省2015年各市秸秆资源空间分布 Figure 3 Distribution characteristics of crops straw in different cities of Shanxi Province in 2015

2.3 山西省畜禽粪尿总量及类型随时间变化特征

2007—2015年山西省畜禽粪尿量由1.82×10⁷ t增至2.02×10⁷ t，波动中有上升的趋势（图 4）。对于不同牲畜的年产粪尿量而言，2007—2015年牛的年产粪尿量下降最大，羊与猪的年产粪尿量呈波动上升的趋势，其他牲畜的年产粪尿量多年处于稳定状态（图 5）。

图 4 山西省2007—2015年畜禽年产粪尿总量 Figure 4 The total livestock manure production each year from 2007 to 2015 in Shanxi Province

图 5 山西省2007—2015年不同畜禽年产粪尿量 Figure 5 The manure production of different livestock each year from 2007 to 2015 in Shanxi Province

2.4 山西省畜禽粪尿类型及空间分布特征

2015年山西省畜禽粪尿的产生量主要以牛、羊、猪为主，三者年产量分别达到1.04×10⁷、4.36×10⁶、5.07 × 10⁶ t，占畜禽粪尿总量的51.44%、21.59%、25.06%，三者共占畜禽粪尿总量的98%以上，其他产生量以鸡和兔为主，所占比例相对较小（表 5）。且存在晋西北多羊、北中部多牛、晋东南多猪的分布格局。大同、朔州、忻州畜禽粪尿的总产量较高，在250万~ 300万t之间，其次为吕梁、晋中、临汾，畜禽粪尿产量在100万~250万t之间，太原、阳泉、长治、运城、晋城畜禽粪尿产生量较小，小于100万t（图 6）。总体来看，山西省畜禽粪尿产生量呈现由西北向东南方向逐渐降低的趋势，北部、西北部产生量较高，南部、东南部的产生量较少。

表 5 Table 5

表 5 山西省2015年不同畜禽粪尿产生量 Table 5 The manure production of different livestock in 2015 in Shanxi Province

表 5 山西省2015年不同畜禽粪尿产生量 Table 5 The manure production of different livestock in 2015 in Shanxi Province

图 6 山西省2015年各市畜禽粪尿资源空间分布 Figure 6 Spatial distribution characteristics of livestock manure in different cities of Shanxi Province in 2015

2.5 农作物秸秆和畜禽粪尿养分化潜力

山西省2015年种养废弃物中共含有机质、N、P、K分别1.54×10⁷、1.25×10⁵、5.28×10⁴、1.04×10⁵ t。其中，运城的有机质、N、P、K含量相对较高，分别达2.80×10⁶、1.64×10⁴、4.4×10³、2.17×10⁴ t。其次为临汾、晋中、忻州、长治、朔州、大同，阳泉、太原、吕梁、晋城农作物秸秆养分资源量相对较少，其中阳泉市所含养分资源量最低，有机质、N、P、K含量分别为238 900、1600、600、1400 t（表 6）。

表 6 Table 6

表 6 不同地区种养废弃物养分资源量（10⁴ t） Table 6 The nutrient resource content of waste from planting and breeding in different cities(10⁴ t)

表 6 不同地区种养废弃物养分资源量（10⁴ t） Table 6 The nutrient resource content of waste from planting and breeding in different cities(10⁴ t)

2.6 农作物秸秆和畜禽粪尿能源化潜力

山西省2015年种养废弃物能源化潜力巨大，折算后可转化为标准煤1.05×10⁷ t、沼气4.59×10⁹ m³。其中，运城市种养废弃物转化为能源资源的能力最大，若全部转化为标准煤可得1.88×10⁶ t，若全部转化为沼气可得9.01×10⁸ m³；其次为临汾、晋中、忻州、长治，阳泉、太原、晋城、大同、朔州种养废弃物转化为能源资源的潜力较小，其中阳泉市潜力最小，可转化为标准煤1.80×10⁵ t，转化为沼气7.36×10⁷ m³（表 7）。

表 7 Table 7

表 7 不同地区种养废弃物能源资源量 Table 7 The energy resources content of waste from planting and breeding in different cities

表 7 不同地区种养废弃物能源资源量 Table 7 The energy resources content of waste from planting and breeding in different cities

2.7 山西省秸秆和畜禽粪尿利用现状调查与分析

以晋中市寿阳县为主要调研对象，分析秸秆和畜禽粪尿的利用现状，对寿阳县宗艾镇、平舒乡、马首乡、景尚乡、尹灵芝镇的畜牧局、农业局、养殖场、种植合作社、农户进行实地调研，了解寿阳县种养废弃物的综合利用方式及现状。寿阳县作物播种面积常年稳定在4.5×10⁴ hm²左右，2016年粮食产量约3.54×10⁸ kg，秸秆产量近5.0×10⁸ kg；养殖牛851头、羊9.57×10⁴只，出栏猪3.89×10⁴头，马驴骡共122匹，鸡鸭共6.21× 10⁵只，畜禽粪尿产量达6.95×10⁴ t。

寿阳县除了地形破碎的地区以外，秸秆基本实现综合利用，利用率已达70%，露天秸秆焚烧现象较为少见，畜禽粪尿的无害化处理及利用方式基本合理，主要用于粉碎直接还田和打捆销售。其中：45.50%使用大型秸秆粉碎机将秸秆粉碎翻耕入土；13.65%打捆收集，经去土、筛选、加工、打包后作为饲料进行销售；10.85%粉碎后加压、增密成型、作为生物质燃料进行综合利用；30.00%依托山西鑫世泰绿色能源有限公司秸秆发电厂，将秸秆进行打捆、按照重量销售。对畜禽粪尿最主要的处理方式是直接作为肥料在田间消化，其中：78.6%作为肥料直接施入耕地；12.2%卖给有机肥企业生产商品有机肥；9.2%通过大型沼气工程进行猪粪尿无害化处理。

3 讨论

3.1 山西省秸秆资源结构及时空分布特征

山西省农作物秸秆资源种类多且数量巨大，以玉米、小麦、谷子、大豆为主。2015年四种主要的农作物秸秆产量分别达到1.23×10⁷、3.72×10⁶、6.33×10⁵、2.36 × 10⁵ t，占秸秆总量的68.45%、20.72%、3.53%、1.31%，四者共占秸秆总量的94%以上，除山西南部的运城、临汾、晋城有数量较大的小麦秸秆外，其他市均以玉米秸秆占主导。这与康宇等^[24]的研究结果一致，主要是因为近几年山西省的种植结构变化不大。

2007—2015年山西省秸秆资源量呈现上升趋势，这与杨海蓉等^[21]的研究结果相一致。从分布情况来看，秸秆资源产量由南向北呈逐渐降低的趋势，其中太原和阳泉由于城市功能分区的不同，第一产业发展较少，秸秆资源产量相对较低。

3.2 山西省畜禽粪尿资源结构及时空分布特征

山西省养殖业十分发达，畜禽粪尿资源种类多且数量较大。2015年山西省畜禽粪尿的产生量主要以牛、羊、猪为主，三者年产粪尿总量分别达到1.04×10⁷、4.36 × 10⁶、5.07 × 10⁶ t，占畜禽粪尿总量的51.44%、21.59%、25.06%，三者共占畜禽粪尿总量的98%以上，且存在晋西北多羊、北中部多牛、晋东南以猪为主的分布格局，这与卢香玲等^[25]的研究结果相一致。

2007—2015年山西省畜禽粪尿资源总量呈波动上升的趋势。其中由于人们生活方式的改变，牛的数量减少，猪、羊的数量增加，这与张建杰等^[22]的研究结果相一致。从分布情况来看，畜禽粪尿总量由西北向东南方向呈现降低的趋势，北部、西北部畜禽粪尿产生量较高，南部、东南部的畜禽粪尿产生量较少，这主要与当地的气候条件有关，北部、西北部降水量较少，无霜期短，更适于养殖业的发展。

3.3 山西省种养废弃物肥料化及能源化潜力

山西省种养废弃物资源化利用潜力巨大。如将2015年3.57×10⁷ t的种养废弃物完全实现肥料化，理论上可提供有机质、N、P、K分别为1.54×10⁷、1.25× 10⁵、5.28×10⁴、1.04×10⁵ t；如果将其完全实现能源化利用，相当于1.05×10⁷ t标准煤或4.59×10⁹ m³沼气。实现种养废弃物的能源化可以促进山西省煤炭产业可持续利用，这与贡俊等^[26]的研究结果相一致。

4 结论与建议

（1）山西省种养废弃物资源种类多、数量大，地域性差异大，资源化利用的空间较大。对种养废弃物的综合利用，以政府单向引导为主，在政府大量财力和人力的补贴下，部分地区秸秆的综合利用率已有较大幅度的提高。

（2）农户对于种养废弃物的综合利用主观意识不够强，农业合作社因周转资金较大，维持困难。企业与农户之间缺少联系，不能有效发挥企业在市场中的主观能动作用。

（3）为实现种养废弃物资源的多途径、全面高效利用，应大力研发成本低、见效快的种养废弃物饲料化和原料化技术，大力扶持和发展秸秆综合利用企业，统筹布局，形成长效机制。

（4）制定优惠政策引导多途径的种养废弃物利用，通过宣传教育，增加农民对种养废弃物利用的自觉性。力争通过肥料化、能源化、饲料化以及其他途径实现对种养废弃物的高效利用，为农村环境综合治理和美丽乡村建设奠定良好基础。