论文标题：Spatiotemporal distribution, environmental risk and carbon emission reduction potential of livestock manure in Shaanxi Province, China

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Mengyuan QIAO, Jianchun ZHU, Ronghua LI, Junting PAN, Ran XIAO, Hailong WANG, Kuok Ho Daniel TANG, Zengqiang ZHANG

发表时间：15 Sep 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024552

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Sep 2024, Volume 11 Issue 3

· 第三篇 ·

▎论文ID

Spatiotemporal distribution, environmental risk and carbon emission reduction potential of livestock manure in Shaanxi Province, China

陕西省畜禽粪便的时空分布、氮磷负荷、能源化及碳减排潜力

发表年份：2024年

第一作者：乔梦圆

通讯作者：朱建春；Kuok Ho Daniel TANG

邮箱：[email protected]; [email protected]

作者单位：西北农林科技大学人文社会发展学院；美国亚利桑那大学环境科学系

Cite this article :

Mengyuan QIAO, Jianchun ZHU, Ronghua LI, Junting PAN, Ran XIAO, Hailong WANG, Kuok Ho Daniel TANG, Zengqiang ZHANG. Spatiotemporal distribution, environmental risk and carbon emission reduction potential of livestock manure in Shaanxi Province, China. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(3): 381–396 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024552

· 文 章 摘 要 ·

陕西省，作为中国西部地区畜牧业养殖大省，却在畜禽粪便的具体核算上存在不足。依据《陕西统计年鉴 (1986–2022)》中的相关数据，本文估算了1985年至2021年间陕西省畜禽养殖业所产生的粪便量及其氮、磷含量。同时，深入分析了这35年来畜禽粪便的时空分布特征、粪便来源的结构特点，并估算了其转化为沼气的潜力。此外，本文还运用SBM模型，对陕西省畜牧业的碳减排潜力进行了预测。从总量上看，陕西省的畜禽养殖规模并未超出环境的承载能力。但从地区层面来看，安康市与汉中市的畜禽养殖量已突破当地环境容量，预示着较高的氮磷污染风险。基于SBM模型，对2012年至2021年间陕西省畜禽养殖的碳减排潜力进行了计算，结果显示，近十年来，该省平均碳减排潜力达到22%，平均碳减排潜在规模约为10%。这一结论凸显了加强畜禽养殖碳排放动态监测的重要性，对于推动实现碳减排目标具有积极意义。

· 文 章 亮 点 ·

1. 评估了陕西省畜禽粪便的产量、时空分布和环境风险。

2. 估算了陕西省畜禽粪便的能源利用潜力和碳减排潜力。

3. 2021年陕西省畜禽粪便量为464万吨，主要是由牛粪和猪粪构成。

4. 陕西省畜禽粪便集中分布于陕北地区和汉中东部地区。

5. 安康市和汉中市的畜禽粪便产量构成潜在的N、P污染风险。

6. 陕西省畜禽粪便的能源潜力和平均碳减排潜力分别为1.2×10¹¹ MJ和22 %。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

牲畜养殖业对于发展中国家的农村社会发展和经济发展至关重要，它不仅为生产者提供收入来源和就业机会，还带动了上下游产业链的发展。中国作为世界上最大的发展中国国家，随着经济持续增长和居民生活质量的提升，居民对肉、蛋、奶等畜产品的需求日益增加。中国是世界上最大的肉类消费国和生产国，肉类产量占全球总产量的30%以上。但是随着养殖业规模的不断扩大，畜禽粪便的处理成为了一个亟待解决的关键问题。如何将畜禽粪便资源化、集约化利用，以减轻环境污染，是一个极具研究价值的课题。

据2020年由中华人民共和国生态环境部、国家统计局和农业农村部联合发布的《第二次全国污染源普查公报》显示，2017年畜禽规模养殖场的水污染物排放量分别为化学需氧量604.83万吨、总氮37.00万吨和总磷8.04万吨，这些排放量占全国各类废水排放总量的28.21%、12.16%和25.49%。由此可见，畜禽粪便已成为水体污染的一个重要来源。此外，如果畜禽粪便处理不当，还可能对农田生态环境造成污染、产生恶臭、导致地表水和水体富营养化等其他环境问题。

2017年发布的《加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》强调，应以沼气和生物天然气为主要处理途径，以农业有机肥料和农村能源为主要利用方向，全面促进畜禽养殖废弃物的资源化利用。这表明我国高度重视畜禽粪便的资源化利用。当前，明确陕西省畜禽粪便的时空分布特征、养分资源总量以及能源化和碳减排潜力，对于制定陕西省的环境保护政策，以及推动畜禽粪便的集约化和资源化处理，具有重要的理论支撑作用。

▎2021年陕西省畜禽粪便的空间分布

2021年，陕西省畜禽粪便产量较高的地区主要分布在西部和北部，尤其是陕北和关中东部 (图1)。该省耕地的平均畜禽粪便负荷为14.57吨/公顷，远低于30吨/公顷的限值，这显示了陕西省耕地对畜禽粪便有较强的吸纳能力。然而，由于陕西地区耕地面积广阔，使得畜禽粪便的耕地负荷相对较低，但畜禽粪便的总量仍然较大，因此，对其管理和利用的预防措施仍然至关重要。

图1 (a) 畜禽粪便的总量；(b) 以猪粪等效计的畜禽粪便量。

▎陕西省畜禽粪便的时间分布

自1978年以来，中国畜牧业得益于国家政策的扶持而迅速发展。1984年，政策放宽，允许按市场价格销售畜禽并减少农产品管制，进一步促进了畜牧业的增长。到了上世纪90年代末，因快速增长导致的过剩促使国家出台政策优化结构、提升品质。1997至2006年间，陕西省畜禽粪便量增长，标志着养殖效率的提升。国家政策推动了养殖标准化，促进了农民增收和居民生活改善。2007年，受市场价格下跌、饲料成本上涨和猪病影响，陕西省畜禽粪便量骤减 (图2)。

图2 (a) 1985年至2021年陕西省畜禽粪便中氮的含量；(b) 1985年至2021年陕西省畜禽粪便中磷的含量；(c) 陕西省耕地的氮磷负荷。

▎2021年陕西省畜禽粪便的氮、磷耕地负荷

利用耕地面积和绿地面积、氮磷的环境承载力以及单位猪只的总氮磷排放量，将其他畜禽粪便折算为猪粪当量，从而计算出2021年陕西省各地区畜牧业的环境容量和实际养殖总量 (图2)。2021年，陕西省的畜禽养殖规模相当于2600万头猪的氮排放量和4100万头猪的磷排放量。这些数字都没有超过陕西省畜牧业的环境承载力。然而，汉中和安康两地的畜禽养殖规模已经超过了当地的环境承载力，因此这两个地区面临较高的氮和磷污染风险。对于畜禽养殖量较大的市区，应更加重视养殖业对环境的污染影响，并加强环境保护措施。

▎陕西省畜禽粪便的资源化利用

牛粪在沼气产量中占比最高，达到了43.9%至63.8%，而猪粪的贡献率则在19.8%至30.7%之间 (图3)。相比之下，其他畜禽粪便的沼气潜力较小，这主要是因为陕西省牛和猪的养殖数量较多。在过去35年中，陕西省畜禽粪便的平均年沼气潜力为5.2亿立方米。2021年，陕西省的能源消费总量为1.4亿吨标准煤，其中煤炭占73.69%，石油占6%，天然气占10.4%，水电占9.91%。因此，畜禽粪便产生的沼气能够满足大约2.7%的年能源需求，显示出沼气作为一种稳定可靠的能源的潜力。

图3 1985年至2021年陕西省畜禽粪便的沼气潜力。

▎陕西省畜禽粪便的碳减排潜力估算

碳减排是事关人类生存和发展的时代命题，而实现碳中和已成为众多国家，尤其是发达国家的共同目标。2020年9月，中国国家主席在第75届联合国大会上宣布，中国将力争在2030年前实现二氧化碳排放达峰，并努力在2060年前达到碳中和。为实现这些目标，中国不仅发布了《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，而且在2023年的政府工作报告中强调了要稳步推进节能降碳，确保能源的安全稳定供应，并推动绿色低碳发展，科学有序地实现碳达峰和碳中和。据计算，2021年陕西省的畜禽碳排放量为226.37万吨。畜禽碳排放的最优值是指在生产效率最前沿的碳排放水平，即碳排放总量的改进目标，这是衡量碳减排潜力和碳减排潜在规模的关键指标。

· 结 论 ·

本研究探讨了陕西省畜禽粪便的时空分布特征，计算了陕西省畜禽粪便的氮/磷耕地负荷、沼气潜力和碳减排潜力。主要研究结果如下：

（1）1985–2021年，陕西省畜禽粪便量增长了约1.3倍，2021年达到了约464万吨。陕西省畜禽粪便集中在陕北地区和汉中市的中部、西部和东部。陕西省畜禽粪便主要来源于牛牛粪便和猪粪便。

（2）虽然陕西省畜禽养殖总体规模没有超过环境容量，但是汉中市和安康市已超过各自的环境容量，存在较高的氮、磷污染风险。

（3）陕西省畜禽粪便的能源生产潜力较大，资源化利用会带来可观的环境效益。

（4）建议在汉中、安康等畜禽粪便产量较大的地区建设大型沼气工程，可以将其作为一些常规能源的清洁替代品。

（5）从政策角度来看，本研究认为应该持续关注和评估畜禽粪便的环境污染风险。因此，畜禽粪便的治理和利用应通过系统方法进行协调，重点关注产生较高污染水平的地区和牲畜养殖类型。此外，还应优化畜牧业产业结构，促进技术创新，实施税收优惠政策，关注市场动态，遵循法律要求，激发社会内在动力。这些综合措施将有效控制温室气体排放，促进畜牧业绿色低碳转型。

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