草莓大棚內沼氣池的生態效益分析

摘 要：沼氣池建在大棚內可增加沼氣池的冬季產氣量，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品施用，具有較好的綜合效益。為了弄清沼氣池在大棚內的生態效益，本文對沼氣池在草莓大棚內應用的經濟效益、碳減排效果及對土壤質量的影響做了估算和分析。結果顯示，沼氣池建在大棚內可增加經濟收入5 436元，而沼氣池建在大棚外亦可增加經濟收入1 126元，其固態投資收益率分別為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當量，而將沼氣池建在大棚內每年可減少溫室氣體排放0.423 t CO2當量；沼氣池在草莓大棚內應用后可有效增加土壤氮磷鉀含量，降低土壤容重，提高土壤質量。與建在棚外相比，將沼氣池建在棚內可獲得更好的綜合效益。

關鍵詞：沼氣池；大棚；經濟效益；碳減排；土壤質量

中圖分類號：S668.4；TK6 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2012）10-0084-05

據專家估算，到2010年，中國牲畜糞便的年排放量達到4.5×108 t，如果沒有甲烷回收，將會向空氣中釋放6 000×104 m3的甲烷，而甲烷氣體的溫室效應是CO2的21 倍，這將是巨大的環境壓力[1]。作為農村可再生能源的重要內容和國家惠農政策的重要載體，我國農村沼氣工程實施以來，收到了良好的經濟、社會、生態效益。沼氣技術的推廣對于改善農村的能源結構和衛生條件，提高農民生活質量，促進農民持續增收節支，加快農村基礎設施建設做出了積極貢獻。但在我國北方地區，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則有利于沼氣池的冬季產氣[2]。

與此同時，在冬季封閉的溫室大棚中，二氧化碳作為蔬菜的氣肥也嚴重短缺，而缺少氣肥導致蔬菜，水果、鮮花等生長異常，并且冬季寒冷和光照不足現象更是制約冬季蔬菜生長的重要因素[3]。因此將沼氣池建在大棚內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的良好肥料和植保產品[4，5]。

大棚與沼氣池的結合已有較多的報道，“四位一體”、“豬—沼—菜”等模式的綜合效益及資源循環利用模式業已受到了普遍認可。而關于沼氣池在蔬菜大棚內的應用效益情況還需要細致的研究，并且，此模式的碳減排效果也未見報道。鑒于此，我們結合實際生產，對沼氣池在草莓大棚內的應用效益及碳減排效果進行了研究，以期為這種模式的推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料及方法

試驗設置在濟南市綠豐源沼氣專業合作社草莓大棚示范園區內，該示范園已建成草莓大棚100余個，其中大棚內建有沼氣池的已近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月末結束，主要以觀光采摘、直供等方式銷售。

試驗選取3種模式：①大棚內建沼氣池（簡稱BIG， Biogas pool build in Green-shed）；②大棚外建沼氣池（簡稱BOG， Biogas pool build outside Green-shed）；③無沼氣池（簡稱CK），作為對照。在示范園中每種模式的大棚選取3個，共計9個草莓大棚，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。農民對沼氣池的管理經驗較少，統一采取一次進料，隨機用氣，在次年3月初汲取沼液隨灌溉水澆灌施用的方式運作。

大棚內均勻布置沼氣燃燒燈具9套，在11月20日至3月10日間，所產生的沼氣視情況分別在早間或黃昏經流量計和壓力計后供給燈具燃燒。沼液在沼氣池正常產氣1個月后從出料間統一抽出，與灌溉水混勻后在棚內澆灌。中間抽樣幾次以測定沼氣中的甲烷含量，記錄沼氣的產生量、沼液用量及草莓產量等指標。試驗結束后，為分析3種不同處理模式大棚內的土壤質量狀況，分別在9個大棚內均勻布點采集土樣63個（每棚取樣7個），主要分析指標為土壤pH值、土壤電導率值（CEC）、土壤有機質、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。

1.2 計算方法及指標測定方法

1.2.1 成本計算 投資包括沼氣池建設用料、建設用工費、燈具安裝費用、原料購買費、運行維護費、沼液澆灌所需人工費等（見表1）。大棚建設及草莓栽植相關的費用不計入。

將沼氣池建在大棚內，盡管沼氣池建在地下，由于土層較淺還是會影響一定面積土壤的種植效果，但是在經濟評估時只看總的效益，不會因此受到影響。但由于施工難度加大，其投資中原料消耗、建筑施工及運行維護費用都有所增加。此處可按照增加投資10%計算，則BIG處理的成本為3 256元。

1.2.2 經濟效益計算 總經濟效益在此試驗中包含沼氣在大棚內燃燒的效益和沼渣沼液施用后帶來的效益。在此只計算草莓產量增加帶來的收益，盡管沼渣、沼液及沼氣燃燒等會改善草莓的品質，但尚未真正建成有機食品基地，其效益未曾體現，在此不計入。試驗棚的草莓均過秤后集中售出，產量和單價都有詳細記載，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。經濟評價方法根據農業技術經濟學的有關原理，以投資收益率（E）、投資回收期（Pt）等靜態評價方法對項目的經濟性作出評價[6]。

1.2.3 碳減排效果估算 如果糞便不經過厭氧發酵而施入土壤中，由于土壤微生物的分解，會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）的厭氧發酵，糞便產生的沼氣經燃燒后由CH4轉化成了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大棚內溫度的提高，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。由于這些在測算中較為繁瑣且量比較少，可以忽略，所以本試驗中只將CH4的產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指沼氣產生的體積，單位為L；ηCH4指CH4在沼氣中的百分含量，由采樣后測定的結果估算；mCH4指CH4的質量分數，單位為g/mol，此處取值16；22.4是氣體摩爾體積；106是質量由t轉換至g的系數。

1.2.4 “三沼”對大棚土壤質量影響的分析 沼氣、沼渣及沼液的施用被稱作“三沼”綜合利用，試驗中沼氣燃燒促進了草莓的生長，而沼渣、沼液的施用為大棚提供了優質肥料，因此“三沼”對土壤都有一定的影響。試驗中選取土壤容重、土壤pH值、土壤電導率值（CEC）、土壤有機質、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個指標以評判“三沼”利用對土壤質量的影響情況。由于沼渣、沼液的施用要比當季草莓生產滯后一段時期，故其土壤樣品在連續種植兩年后取土化驗。每個大棚用戶在沼氣管理、沼渣、沼液使用上沒有按照試驗統一管理，因此其影響很難量化，在此只做統計學分析，以分析其影響趨勢。

1.3 指標分析及數據處理

產量及收入情況來自農戶實際的記錄，沼氣產量由流量計記錄；沼氣抽樣后用氣相色譜測定甲烷含量，根據產量及測定結果估算出ηCH4值，土壤質量指示指標均采用常規分析方法測定[7]，所得數據均采用SAS數據分析系統處理[8]。

2 結果與分析

2.1 沼氣池的應用效益分析

本試驗大棚在試驗初期即安排了專人管理，所得到的草莓收入數據是實際的草莓銷售收入。從表2可以看出，3處理間的平均收入差異盡管未達到顯著水平，但仍可以看出建設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、便于進出料、相對安全的優點，但是與將沼氣池建在棚內相比，其應用效益卻顯著降低，這主要是因為試驗地處北方地區，沼氣池在棚內由于有大棚的保溫和升溫作用，其產氣情況較好，因此冬季沼氣池內溫度的提高是發揮沼氣池效能的關鍵。

露地環境條件下的土壤施肥是以作物對各種肥料元素的需求為主要目標，而大棚栽培的土壤施肥，除了滿足作物對各種肥料元素的需求以外，還擔負著供給作物光合作用的主要原料——CO2的重大任務。因為大棚的環境相對密閉，棚內植物的光合作用需要大量的CO2作為光合作用的原料[9]。沼氣在草莓大棚內的燃燒最主要的增效原因是其為植物的光合作用補充了部分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，但沼液澆灌施用對于草莓產量的提高也有一定的貢獻。因此，在溫室大棚內建造沼氣池有利于提高大棚的產出，促進農民增收。試驗結果與已有的報道結論一致[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氣情況較差，這主要是溫度低造成的。試驗中棚外的沼氣池（BOG）整個冬季產氣量平均為19.32 m3，而棚內沼氣池的產氣量平均可達48.65 m3（表3）。在夏季同等條件下沼氣池的產氣量可達150 m3左右，因此冬季即使沼氣池建在大棚內，其產氣量也并不高，這主要受氣溫、進料不連續、管理不完善等條件的共同影響。因此建議在大棚內建設的沼氣池不僅要注意連續進料、勤攪拌、常出料等事項，也應該適當考慮根據大棚面積的需要擴大沼氣池的容積，這樣才能獲得更好的效果。

2.3 沼氣池的應用對土壤質量的影響

2.3.1 不同處理對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、電導率值有下降的趨勢。沼液中含有較高濃度的有機成分，且有利于土壤微生物區系的改善，從而有利于根系的生長和繁衍，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，沼液施用會導致土壤的電導率增加，而試驗結果卻與之相反：與CK相比，BIG和BOG處理的土壤電導率值分別下降19.1%和6.4%。分析原因可能由于沼液會提高土壤pH值及土壤有機質含量，同時也能促進植株對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，土壤有機質、土壤全氮含量、土壤有效磷含量及土壤有效鉀含量也呈現增加的趨勢，并且BIG處理的養分含量增加高于BOG處理。土壤中的養分含量主要受施肥、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分含量[12]，而沼氣燃燒及營養條件的適宜能促進植株的生長從而吸收更多的營養物質，沼液有機物可以增強土壤的保肥保水能力，在其共同作用下土壤養分含量的增加預示著現有施肥量有進一步優化的空間[13]。建議在增加沼液施用量的條件下，可以適當降低化肥的施用量。

2.3.2 不同處理的土壤質量評價 采用灰色關聯分析法對3種處理土壤質量做出評價，確定的最優參考數列為：{x0}={1.09，1000，0.15，2.54，0.145，38.12，144.7，6.59}。各指標的重要性系數即權重采用8個指標平均分配的原則，各取0.125。三處理的指標數據列分別為：

可以看出，將沼氣池建在大棚內，并充分利用好沼渣、沼液后，有利于大棚土壤質量的保持。大棚土壤質量退化的主要表現為土壤酸化、土壤鹽漬化及土壤連作障礙。在沼液短期使用后，土壤的電導率值及土壤全鹽量都有下降趨勢，但由于沼液本身的營養成分及鹽分含量較高，如果長期大量施用其結果尚需進一步研究；由于沼液呈現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，并且沼液對于莖線蟲等蟲害及細菌、真菌性病害均有較好的抑制作用，對于大棚土壤微生物區系也具有良好的優化作用，因此沼液的施用是大棚土壤質量提高的主要原因。

3 小結

沼氣池建在大棚內可增加沼氣池的冬季產氣量，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品施用，因此具有較好的綜合效益。

沼氣池建在大棚內可增加經濟收入5 436元，而沼氣池建在大棚外亦可增加經濟收入1 126元，其固態投資收益率分別為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當量，而將沼氣池建在大棚內每年可減少溫室氣體排放0.423 t CO2當量。

沼氣池在草莓大棚內應用后可有效增加土壤氮磷鉀含量，降低土壤容重，提高土壤質量。

與建在棚外相比，將沼氣池建在棚內可獲得更好的綜合效益。

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