草莓大棚内沼气池的生态效益分析

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摘 要：沼气池建在大棚内可增加沼气池的冬季产气量，沼气燃烧可为作物提供CO2气肥、光照及热量，沼渣、沼液亦可作为肥料和植保产品施用，具有较好的综合效益。为了弄清沼气池在大棚内的生态效益，本文对沼气池在草莓大棚内应用的经济效益、碳减排效果及对土壤质量的影响做了估算和分析。结果显示，沼气池建在大棚内可增加经济收入5 436元，而沼气池建在大棚外亦可增加经济收入1 126元，其固态投资收益率分别为187.19%和42.65%；将沼气池（10 m3）建在大棚外，可减少温室气体排放0.164 t CO2当量，而将沼气池建在大棚内每年可减少温室气体排放0.423 t CO2当量；沼气池在草莓大棚内应用后可有效增加土壤氮磷钾含量，降低土壤容重，提高土壤质量。与建在棚外相比，将沼气池建在棚内可获得更好的综合效益。

关键词：沼气池；大棚；经济效益；碳减排；土壤质量

中图分类号：S668.4；TK6 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2012）10-0084-05

据专家估算，到2010年，中国牲畜粪便的年排放量达到4.5×108 t，如果没有甲烷回收，将会向空气中释放6 000×104 m3的甲烷，而甲烷气体的温室效应是CO2的21 倍，这将是巨大的环境压力[1]。作为农村可再生能源的重要内容和国家惠农政策的重要载体，我国农村沼气工程实施以来，收到了良好的经济、社会、生态效益。沼气技术的推广对于改善农村的能源结构和卫生条件，提高农民生活质量，促进农民持续增收节支，加快农村基础设施建设做出了积极贡献。但在我国北方地区，沼气池的越冬问题是沼气推广的重大障碍，而将沼气池建在大棚内则有利于沼气池的冬季产气[2]。

与此同时，在冬季封闭的温室大棚中，二氧化碳作为蔬菜的气肥也严重短缺，而缺少气肥导致蔬菜，水果、鲜花等生长异常，并且冬季寒冷和光照不足现象更是制约冬季蔬菜生长的重要因素[3]。因此将沼气池建在大棚内通过灯具将沼气燃烧后可改善冬季日照不足、气温偏低、CO2气肥缺乏的弊端，并且沼渣沼液也是蔬菜生长的良好肥料和植保产品[4，5]。

大棚与沼气池的结合已有较多的报道，“四位一体”、“猪—沼—菜”等模式的综合效益及资源循环利用模式业已受到了普遍认可。而关于沼气池在蔬菜大棚内的应用效益情况还需要细致的研究，并且，此模式的碳减排效果也未见报道。鉴于此，我们结合实际生产，对沼气池在草莓大棚内的应用效益及碳减排效果进行了研究，以期为这种模式的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及方法

试验设置在济南市绿丰源沼气专业合作社草莓大棚示范园区内，该示范园已建成草莓大棚100余个，其中大棚内建有沼气池的已近50户，还有10余户将沼气池建在了大棚外。大棚内种植草莓，品种以红脸颊、丰香为主，每年8月底至9月初定植，次年5月末结束，主要以观光采摘、直供等方式销售。

试验选取3种模式：①大棚内建沼气池（简称BIG， Biogas pool build in Green-shed）；②大棚外建沼气池（简称BOG， Biogas pool build outside Green-shed）；③无沼气池（简称CK），作为对照。在示范园中每种模式的大棚选取3个，共计9个草莓大棚，大棚面积均为630 m2（10.5 m×60 m），草莓品种均为“红脸颊”。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。

沼气池池容10 m3，于9月10日集中进牛粪，每沼气池投鲜牛粪4 t（含水率80%左右），加入沼液1 t并加清水至加料刻度线，密封池体。农民对沼气池的管理经验较少，统一采取一次进料，随机用气，在次年3月初汲取沼液随灌溉水浇灌施用的方式运作。

大棚内均匀布置沼气燃烧灯具9套，在11月20日至3月10日间，所产生的沼气视情况分别在早间或黄昏经流量计和压力计后供给灯具燃烧。沼液在沼气池正常产气1个月后从出料间统一抽出，与灌溉水混匀后在棚内浇灌。中间抽样几次以测定沼气中的甲烷含量，记录沼气的产生量、沼液用量及草莓产量等指标。试验结束后，为分析3种不同处理模式大棚内的土壤质量状况，分别在9个大棚内均匀布点采集土样63个（每棚取样7个），主要分析指标为土壤pH值、土壤电导率值（CEC）、土壤有机质、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤有效钾含量、土壤全盐量等指标。

1.2 计算方法及指标测定方法

1.2.1 成本计算 投资包括沼气池建设用料、建设用工费、灯具安装费用、原料购买费、运行维护费、沼液浇灌所需人工费等（见表1）。大棚建设及草莓栽植相关的费用不计入。

将沼气池建在大棚内，尽管沼气池建在地下，由于土层较浅还是会影响一定面积土壤的种植效果，但是在经济评估时只看总的效益，不会因此受到影响。但由于施工难度加大，其投资中原料消耗、建筑施工及运行维护费用都有所增加。此处可按照增加投资10%计算，则BIG处理的成本为3 256元。

1.2.2 经济效益计算 总经济效益在此试验中包含沼气在大棚内燃烧的效益和沼渣沼液施用后带来的效益。在此只计算草莓产量增加带来的收益，尽管沼渣、沼液及沼气燃烧等会改善草莓的品质，但尚未真正建成有机食品基地，其效益未曾体现，在此不计入。试验棚的草莓均过秤后集中售出，产量和单价都有详细记载，将每次草莓的收入相加即为草莓的总销售收入。沼气池的应用效益是用建有沼气池大棚的收入减去未建沼气池大棚的收入。经济评价方法根据农业技术经济学的有关原理，以投资收益率（E）、投资回收期（Pt）等静态评价方法对项目的经济性作出评价[6]。

1.2.3 碳减排效果估算 如果粪便不经过厌氧发酵而施入土壤中，由于土壤微生物的分解，会向大气中释放甲烷或二氧化碳。本案例中的碳减排主要来自沼气原料（畜禽粪便）的厌氧发酵，粪便产生的沼气经燃烧后由CH4转化成了CO2，而其中的部分CO2被植物作为气肥吸收，另外由于沼气燃烧可促进大棚内温度的提高，从而提高植物的光合作用以增加植物从空气中吸收CO2的量。由于这些在测算中较为繁琐且量比较少，可以忽略，所以本试验中只将CH4的产生量作为其碳减排量。

式中，CCH4指温室气体CH4的减排量，单位为t；VB指沼气产生的体积，单位为L；ηCH4指CH4在沼气中的百分含量，由采样后测定的结果估算；mCH4指CH4的质量分数，单位为g/mol，此处取值16；22.4是气体摩尔体积；106是质量由t转换至g的系数。

1.2.4 “三沼”对大棚土壤质量影响的分析 沼气、沼渣及沼液的施用被称作“三沼”综合利用，试验中沼气燃烧促进了草莓的生长，而沼渣、沼液的施用为大棚提供了优质肥料，因此“三沼”对土壤都有一定的影响。试验中选取土壤容重、土壤pH值、土壤电导率值（CEC）、土壤有机质、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤有效钾含量、土壤全盐量等8个指标以评判“三沼”利用对土壤质量的影响情况。由于沼渣、沼液的施用要比当季草莓生产滞后一段时期，故其土壤样品在连续种植两年后取土化验。每个大棚用户在沼气管理、沼渣、沼液使用上没有按照试验统一管理，因此其影响很难量化，在此只做统计学分析，以分析其影响趋势。

1.3 指标分析及数据处理

产量及收入情况来自农户实际的记录，沼气产量由流量计记录；沼气抽样后用气相色谱测定甲烷含量，根据产量及测定结果估算出ηCH4值，土壤质量指示指标均采用常规分析方法测定[7]，所得数据均采用SAS数据分析系统处理[8]。

2 结果与分析

2.1 沼气池的应用效益分析

本试验大棚在试验初期即安排了专人管理，所得到的草莓收入数据是实际的草莓销售收入。从表2可以看出，3处理间的平均收入差异尽管未达到显著水平，但仍可以看出建设沼气池后能够提高草莓的收入：BOG处理与BIG处理的收入与对照相比分别增加了1.76%和8.51%；两处理的投资收益率分别为38.04%和166.96%；两处理的投资回收期分别为2.36年和0.60年。同样是建设沼气池，如果将池子建在棚外具有不占蔬菜用地、投资低、便于进出料、相对安全的优点，但是与将沼气池建在棚内相比，其应用效益却显著降低，这主要是因为试验地处北方地区，沼气池在棚内由于有大棚的保温和升温作用，其产气情况较好，因此冬季沼气池内温度的提高是发挥沼气池效能的关键。

露地环境条件下的土壤施肥是以作物对各种肥料元素的需求为主要目标，而大棚栽培的土壤施肥，除了满足作物对各种肥料元素的需求以外，还担负着供给作物光合作用的主要原料——CO2的重大任务。因为大棚的环境相对密闭，棚内植物的光合作用需要大量的CO2作为光合作用的原料[9]。沼气在草莓大棚内的燃烧最主要的增效原因是其为植物的光合作用补充了部分CO2。并且在沼气燃烧过程中，也能为大棚草莓的生长提供一定量的光照和热量。另外尽管沼液的量比较少，但沼液浇灌施用对于草莓产量的提高也有一定的贡献。因此，在温室大棚内建造沼气池有利于提高大棚的产出，促进农民增收。试验结果与已有的报道结论一致[10，11]。

2.2 沼气池的碳减排效果分析

在冬季，山东省户用沼气池的产气情况较差，这主要是温度低造成的。试验中棚外的沼气池（BOG）整个冬季产气量平均为19.32 m3，而棚内沼气池的产气量平均可达48.65 m3（表3）。在夏季同等条件下沼气池的产气量可达150 m3左右，因此冬季即使沼气池建在大棚内，其产气量也并不高，这主要受气温、进料不连续、管理不完善等条件的共同影响。因此建议在大棚内建设的沼气池不仅要注意连续进料、勤搅拌、常出料等事项，也应该适当考虑根据大棚面积的需要扩大沼气池的容积，这样才能获得更好的效果。

2.3 沼气池的应用对土壤质量的影响

2.3.1 不同处理对土壤理化性状影响分析 由表4可以看出，与CK相比，BIG与BOG处理的土壤容重、电导率值有下降的趋势。沼液中含有较高浓度的有机成分，且有利于土壤微生物区系的改善，从而有利于根系的生长和繁衍，这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，由于沼液含有一定浓度的盐基离子，沼液施用会导致土壤的电导率增加，而试验结果却与之相反：与CK相比，BIG和BOG处理的土壤电导率值分别下降19.1%和6.4%。分析原因可能由于沼液会提高土壤pH值及土壤有机质含量，同时也能促进植株对盐基离子的吸收作用，从而有效降低了土壤溶液中的盐离子含量。

与CK相比，BIG和BOG处理的土壤pH值分别升高了9.5%和5.6%。由此看出沼液的施用可有效缓解大棚土壤的酸化问题。

施用沼液后，土壤有机质、土壤全氮含量、土壤有效磷含量及土壤有效钾含量也呈现增加的趋势，并且BIG处理的养分含量增加高于BOG处理。土壤中的养分含量主要受施肥、作物吸收及损失三方面的共同作用。沼液的施用增加了土壤中的养分含量[12]，而沼气燃烧及营养条件的适宜能促进植株的生长从而吸收更多的营养物质，沼液有机物可以增强土壤的保肥保水能力，在其共同作用下土壤养分含量的增加预示着现有施肥量有进一步优化的空间[13]。建议在增加沼液施用量的条件下，可以适当降低化肥的施用量。

2.3.2 不同处理的土壤质量评价 采用灰色关联分析法对3种处理土壤质量做出评价，确定的最优参考数列为：{x0}={1.09，1000，0.15，2.54，0.145，38.12，144.7，6.59}。各指标的重要性系数即权重采用8个指标平均分配的原则，各取0.125。三处理的指标数据列分别为：

可以看出，将沼气池建在大棚内，并充分利用好沼渣、沼液后，有利于大棚土壤质量的保持。大棚土壤质量退化的主要表现为土壤酸化、土壤盐渍化及土壤连作障碍。在沼液短期使用后，土壤的电导率值及土壤全盐量都有下降趋势，但由于沼液本身的营养成分及盐分含量较高，如果长期大量施用其结果尚需进一步研究；由于沼液呈现弱碱性且氧化还原电位较低，这有利于缓解大棚土壤的酸化，并且沼液对于茎线虫等虫害及细菌、真菌性病害均有较好的抑制作用，对于大棚土壤微生物区系也具有良好的优化作用，因此沼液的施用是大棚土壤质量提高的主要原因。

3 小结

沼气池建在大棚内可增加沼气池的冬季产气量，沼气燃烧可为作物提供CO2气肥、光照及热量，沼渣、沼液亦可作为肥料和植保产品施用，因此具有较好的综合效益。

沼气池建在大棚内可增加经济收入5 436元，而沼气池建在大棚外亦可增加经济收入1 126元，其固态投资收益率分别为187.19%和 42.65%。

将沼气池（10 m3）建在大棚外，可减少温室气体排放0.164 t CO2当量，而将沼气池建在大棚内每年可减少温室气体排放0.423 t CO2当量。

沼气池在草莓大棚内应用后可有效增加土壤氮磷钾含量，降低土壤容重，提高土壤质量。

与建在棚外相比，将沼气池建在棚内可获得更好的综合效益。

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