以沼气为纽带的复合系统模式
（一）“四位一体”保护地生态农业模式
1.模式概述
农业生产受气候影响，冬季风大且气温低，即使温室大棚也需大量能源供暖，冬季温室生产成本高，因地区能源紧缺，限制了冬季农业的经济发展。利用开发再生能源——沼气、保护地栽培——大棚蔬菜、日光温室养猪及厕所等4个因子，合理配置，形成了以太阳能、沼气为能源，以人畜粪尿为肥源，实行种植业（蔬菜）、养殖业（猪、鸡）相结合的四位一体保护地复合生态农业模式（以下简称四位一体生态农业模式）（图5.5）。其效应为：解决了农村生活用能（照明、炊事等）；猪、鸡增重快，肉料比下降，蛋鸡产蛋增加；生产蔬菜不仅产量高而且无污染。
图5.5 “四位一体”保护地生态农业技术设计平面示意图
2.模式结构
（1）日光温室 场地宽敞、背风向阳、没有树木或高大建筑物遮光的地方，一般选择在农户房前。总体宽度5.5～7m，长度20～40m，最长不宜超过60m，一般面积为80～200m2。模式的方位坐北朝南，东西延长，如果受限可偏西，但不能超过15°。对面积较小的农户，可将猪舍建在日光温室北面，在其一端建15～20m2猪舍和厕所（1m2），地下建8～10m3沼气池，沼气池距农舍灶房一般不超过15m，做到沼气池、厕所、猪舍和日光温室相连接。
日光温室与普通温室相同，温室骨架设计采用固定荷载10kg/m2；其墙体厚度，一般后墙及外山墙厚度50～60cm，也可采用24cm和12cm之间留空心建成复合墙体，用土干打垒墙厚度大于80cm结构。
（2）沼气池 沼气池最佳位置的选择：为了提高沼气池冬季的温度，修建的沼气池必须居“模式”的中间，防止冬季外围冰冻层侵袭，避免降低池温。
沼气池是由发酵间、水压间、储气间、进料口、出料口、活动盖、导气管等部分组成。进料口、进料管分别设在猪禽舍的地面和地下，进料口、出料口及池盖中心点位置均在“模式”宽度的中心线上；为了便于日光温室蔬菜施肥和出料口释放CO2，把出料间（即水压间）建在日光温室内。
在地势低洼、地下水位高的地区，地下水处理是建池的一大难题，为了保证建池质量，采取挖渗水井的办法，在池坑挖好后，砌筑之前，将渗水井挖好，渗水井有两种，即：地势较高水位较低的地方，水量小，可直接在沼气池坑低部挖渗水井；在地下水位高，水量大的地方建池，在池外挖渗水井。
（3）猪舍“四位一体”模式的猪舍建筑原则应是“冬季增温保温，夏季降温”，为此应注意：猪舍应建成后坡短、前坡长、起脊式圈舍，东西长度以养猪规模而定，但不少于4m；由猪舍后坡顶向南棚脚方向延伸1m，用木椽搭棚，起避雨遮光作用；前坡舍顶与“模式”南棚脚之间用竹片搭成拱形支架，在冬季支架上面覆盖薄膜，南面建围墙，北面留人行道；在猪舍后墙中央距地面1.3m处留有40cm的通风窗，以便夏季通风；在日光温室与猪舍间，砌筑内山墙，墙中部留出高低两个通气孔，作为O2和CO2气体的交换孔。排气口大小和数量根据养猪数量而定，面积20m2猪舍，养猪20头以内，设直径为30cm圆形排气口一个；在猪舍靠北墙角建1m2的厕所，厕所蹲位高出猪舍地面20cm，厕所蹲坑口与沼气池进料口相连；在地面上距外山墙1m处建碟形溢水槽兼集粪槽，猪舍地面用水泥抹成5%的坡度坡向溢水槽（猪舍地面高出自然地面20cm），溢水槽南端留有溢水通道直通“模式”外，防止夏季雨水灌满沼气池的气箱。
3.案例与效益分析
（1）案例简介 辽宁省大洼县地处盐碱湿地生态区，其经济发展的主要障碍因子有：无薪炭林，烧柴只靠稻草，每年烧掉大量的造纸工业、编织业原料，农村人均耗能折470kg标准煤，这制约着农村人口致富；过去该地区蔬菜奇缺，夏季青菜供应及冬贮白菜均由外地购入，既不能满足生活所需、也相应提高了生活费用、更不利于经济发展；该县发展牧业，但缺乏饲料，故牧业发展滞后，直接影响着耕地的良性循环和永续利用；全县农村每户房室庭院占地6.1亩，总面积为耕地面积的7.1%，长期闲置或利用不当，浪费了资源；农业生产受气候影响，冬季风大且气温低，即使温室大棚也需大量能源供暖，冬季温室生产成本高，因地区能源紧缺，限制了冬季农业的经济发展。
通过分析，确立了利用开发再生能源——沼气、保护地栽培——大棚蔬菜、日光温室养猪及厕所等合理配置，形成了以太阳能、沼气为能源，以人畜粪尿为肥源，推广了种植业（蔬菜）、养殖业（猪、鸡）相结合的四位一体生态农业技术。
（2）经济效益 据1996年统计，辽宁省推广该技术的农户种菜、养猪（禽）纯收入平均达5000元，年增加纯收入40762.5万元，6年累计增加纯收入达102975.5万元；每年形成新增能源57228t标准煤，6年累计新增能源达154156t标准煤，折合人民币4316万元；形成年节电571万千瓦时，6年累计节电1537万千瓦时，折合人民币538万元；利用模式养猪时间由敞圈养猪的10～12个月缩短为5～6个月出栏，料肉比由敞圈的（4～6）∶1下降到3.5∶1，模式养猪每增重1kg，节省饲料0.5～1.88kg，累计节省饲料14493万千克，折合人民币23188.8万元，降低了养猪成本，缩短了育肥期。
（3）生态效益 据1995年前的统计，大洼县有5200个“四位一体”试验示范户，用上干净无污染的沼气做燃料，年节省稻草万余吨，解决10万亩的稻草还田，留高茬25万亩，增加了土壤有机质含量，解决了粮食生产中持续高产的土壤潜在危机，同时消除了稻草、垃圾、小灰乱扔的现象。
每头猪每天平均呼出CO21032L，在育肥的150天中共呼出15.48万升CO2，平均每户年养猪6头，共呼出CO292.88万升。这些CO2通过大棚内的通气孔用于作物的光合作用，不但增加了日光温室的气体肥料，使作物增产20%～30%，而且减少了CO2的排放量。清洁能源——沼气代替了柴草、秸秆，也减少了CO2排放量，减少了烟尘对环境的污染。
厕所、猪舍与大棚的结合，减少了粪便的污染，全县5200个生态户每年可减少5.1万吨粪便排放（按人口和户均养猪计算），废物用做沼气发酵原料，消除了污染源，每年积造农肥5万吨，对提高农作物产量起到了决定性的作用。
由于人畜禽粪便直接进入沼气池进行厌氧发酵，大量的传染病菌、寄生虫卵在池内被杀死，减少了病源，切断了对农村水污染的渠道，抑制了疾病的发生。
（4）社会效益 该技术的推广，使北方冬闲变冬忙，淡季变旺季，缩短了生猪饲养周期，增加了一项产出和市场蔬果肉供应，繁荣了整个社会经济，增加了农民收入，改善了人们的居住环境和卫生条件，提高了人们的生活水平，与此同时，还丰富了城镇居民的“菜篮子”。另外，还安排了大量的闲散劳力和剩余时间，促使人们不断地学习，增强了农民学科学的意识，提高了农民科学文化素质。
（二）丘陵山区“猪、沼、果”一体化生态农业模式
1.模式结构
丘陵山区“猪、沼、果”一体化生态农业模式包括林业工程建设、畜牧工程建设、沼气工程建设、水利配套工程建设及其综合管理。其模式图见图5.6、图5.7。
图5.6 丘陵山区“猪、沼、果”一体化生态农业模式结构图
图5.7 “猪、沼、果”一体化生态农业示意图
（1）太阳能猪场 猪场建在山体上部、果树上方、水囤下位的南面背风向阳平坦的坡面上，猪舍坐北朝南，东西向排列。在猪舍的一端建有与猪舍走廊相通的加工贮料室、饲养人员工作室和宿舍。猪舍为单列式一面坡半敞棚建筑。单列建设10～12间（一栋）猪舍，生猪存栏规模为80～100头，年出栏生猪150～200头。超过6.67hm2（100亩）的山场，可在下阶的平面上并列建设相应规模的猪舍。猪舍地面平整不光滑，利水。冬季夜间舍内温度在8℃以上，日间舍内温度在18℃以上；夏季要通风凉爽，郁闭度70%以上。
每间猪舍跨度为570cm，养猪圈舍面积不小于300cm× 360cm。北墙距地面100cm处开设一扇70cm×50cm通风窗（冬季封闭）。靠北墙留100～120cm宽走廊通道，通道的两端高有门口。自走廊往南依次建100cm高、12cm厚的猪舍隔墙，宽50cm，深25cm食槽和鸭嘴式自动饮水器，100cm高、37cm或24cm厚的南圈墙。
猪舍地面比周围地面高30cm，北高南低，有2∶100到3∶100的坡降，15～20cm碎石水泥基础，上为1∶2.5水泥防滑地面。顶棚北向滚水，由上至下依次为水泥瓦、草泥、苇帘、橼子、檩木结构。猪舍南墙与沿檩之间拉上8号铁丝网，冬季罩上塑料薄膜，膜的透光率不低于0.72。采光面积与猪舍地面面积比不小于0.7∶1。
（2）沼气工程 北方地区沼气池通常℃以上，以35℃为最佳，不能低于10℃，每立方米料液产气量不低于0.2m3。
依据猪场设计的存栏规模确定池体容积大小，存栏100头育肥猪的太阳能猪场配建的沼气池（主体发酵池、水压间）的容积最小不应低于30m3。生猪日产鲜粪按3kg/（日·头）计量。入池粪便按1∶3比例加水，池内干物质与水的比例为1∶9；原料地池内发酵腐熟周期为23～40天。沼气池主体发酵池为1/3气容、2/3料体。
沼气池建在猪舍内猪床的下面。主体发酵池、水压间按东西排列。沼气池的主体发酵池与水压间要求用混凝土浇注，内径大于350cm时，池体拱盖部位加注钢筋。
（3）贮肥池 贮肥池建在猪舍墙外，也可建在下阶水平沟上。贮肥池与水压间有管道相通。水压间的沼液溢口高在距地面以下20cm处，排出的沼液自行流入贮肥池。贮肥池可用砖、石砌块，水泥砂灰抹面，在底部设一沼液排放闸门，用软管疏通。
（4）水利配套工程 蓄水池建在猪舍、林业等设施方的背风向阳处，容积为20～30cm3。蓄水池建设采取地上或半地下式方式，在水泥基础上建圆形双层夹心墙体，内壁为钢筋水泥浇注，或水泥砂浆砌体，内层套水泥砂灰，外壁为砖灰防风保温砌体，中间充填锯沫等防冻保温材料；顶盖用水泥拱顶或水泥盖板，墙体上沿留一溢水管孔，低部设置进出水管道。蓄水池的引水管道、排放管道应埋在土层下边。根据需要，对养殖场和果园配置供水和灌溉。
2.“猪、沼、果”生态农业模式的管理
（1）养殖场及沼气池管理
·饲养畜禽坚持自繁自养的原则，按照地方畜牧部门防疫规划建立无疫病养殖场。严格搞好预防性消毒、灭病工作。
·坚持早、中、晚三次清扫粪便入沼气池和冲洗圈舍。圈舍内的排粪沟最低处向墙外开设一排水口，沼气池入料口处设雨水挡板。
·严禁农药废水、消毒药水、酸性和碱性水流入沼气池。
·饲养的畜禽品种按地方政府规划和饲养管理技术规范执行。
（2）果树管理
·果树根部追肥：在果树生长期，结合浇水施入沼渣。沼液肥。在贮肥池内按肥水1∶3的比例加水，搅拌后打开排放闸门，使沼液随水顺管道向果树盘（树埯）内自行施肥浇水。
·叶面喷肥：在5～8月份，采取中层清液（沼液），用纱布过滤后，按肥水1∶2比例加水，5～7天喷施一次。
·整形修剪：按规定对果树进行。此外要坚持促花保果、疏花疏果、防治病虫害等常规管理。
（三）缺水地区果园“五配套”生态农业模式
1.模式简介
缺水地区果园“五配套”生态农业以农户土地资源为基础，太阳能为原动力，沼气为纽带。形成以农带牧，以牧促沼，以沼促粮、果，草、粮、牧有机结合，协调配套发的良性循环体系。现以西北地区推广的果园“五配套”生态农业技术加以介绍。
模式组分为果树、粮食作物（或经济作物及蔬菜等，）饲料作物，猪禽，腔肠动物（蚯蚓）及食用菌。基础设施为一眼40m3的水窖，一口8～10m3的沼气池，一座10～20m2的畜禽，（饲养4～6头猪，20～40只鸡），一座10～15m2的简易看护房。采用渗灌及秸秆覆盖技术提高水分利用效率，沼气技术提高系统内能量转化效率。
生产以粮食作物（或经济作物）、饲料作物、果树为主体，兼营食用菌生产。兼具农产品生产、果品生产及水土保持功能。饲养业生产以猪、禽生产为主并为种植业生产提供有机肥源。沼气池则为联系初级、次级生产的纽带。这不仅为生产生活提供廉价能源，同时也间接地减少了对天然植被的破坏，对水土保持有重要意义。针对黄土高原区域水源奇缺的客观现实，修建水窖与渗灌及秸秆覆盖技术相结合，大大提高了天然降水利用效率及初级和生产水平，使生产系统经济收益大幅度增加。
2.模式结构
（1）沼气池 一般沼气池采用圆锥形水压式沼气池。沼气池由发酵间、贮气室、进料口、出料口（水压间）、活动盖（口）导气管等部分组成。导气管设置于贮气箱顶部活动盖上，为铁管或硬质塑料管、陶瓷管，与输气管相连，将沼气送出供使用。
建筑材料：包括胶质材料和骨质材料两种，前者包括水泥、石灰等，后者包括砖、碎石、卵石、石块等。禁止使用欠火砖普通黏土砖。建池石料应组织紧密，均匀无裂缝无风化现象。石灰不能单独作胶质材料建池，应掺加到水泥砂浆中去，可增加水泥砂浆的韧性、保水性、易和性。砂是混凝土和砂浆中的细骨料，质量要求较高，凡建池用砂、其含泥量不得超过砂重的3%；含云母量不得超过砂重的0.5%；不得含有树叶、杂草等；最小粒径不得低于0.15mm，最大粒径不得大于砌块灰缝的1/3。
沼气池建池规范：要求立体池的形状、容积和深度圆、小、浅。容积以8～12m3为宜。主池内总高度不得超过2m，池上覆土厚度一般为0.3m。
另外，沼气池与厕所、畜舍相通，使人畜粪便不断自流入沼气池。有利于均匀产气，节省进料劳力，还有利于粪便管理，改善环境卫生。进料口、出料口、活动盖口均必须加盖。并有灯炉具、压力表、塑料输气管、开关、出料器械、储粪池六配套。
（2）水窖 一般采用缸窖，其优点为规模小窖积大。选建缸窖的具体做法为先选好地形，挖直径60～70cm的窖筒子，深度为1～2m。以下接旱窖，边深挖边慢慢扩展，挖深2～3m，底部直径达到3～5m为度，然后再接水窖。水窖部分，挖时要逐渐由大缩小，深度4～5m，底成锅底状，直径1～1.5m，进水口应通往旱窖。窖内要用红胶泥钉窖，以防渗漏。
建窖的方法是用红胶土、晒干打碎、堆放在水坑中用水浸泡，时间越长越好。土块泡化后打成胶泥使用。然后在窖内壁上掏扣带或挖玛眼，扣带宽7～8cm，深15cm左右，玛眼一般长宽各8cm，深15cm左右。按三角形排列并应注意挖玛眼时应向下倾斜，以便挂泥。然后反合好的胶泥搓成7～8cm粗、20cm长的泥条，醮些用胡麻或榆树皮熬成的水，用水摔进扣带和玛眼，并均匀摊开露在外面的胶泥。窖底胶泥层厚度应为15～20cm，窖壁的胶泥可保持5～6cm厚，外露的胶泥摊开后用锤砸实，称锤窖。锤窖要在一天内插完，以后还要经常的锤打，一直到胶泥干了而又不显裂纹为止。
（3）节水措施 采用渗灌与秸秆覆盖技术相结合的节水技术。在有库、井、站等灌溉条件的果园配套渗灌设施，可以扩大灌溉面积数十倍。具体做法为在果树行间埋渗灌管道，埋深30～40cm，在渗灌管上每隔1m交错水平扎一直径2mm左右的小孔，地头建一8m3左右的渗灌池，利用高差将水压渗到果树根系；在旱地每亩覆盖750kg左右的麦秸或其他作物秸秆。可多蓄水130m3，相当于二次灌溉或100mm的自然降水；在果园种草覆盖，可以起到保墒、抗旱、增草促畜、肥地改土的作用。
3.效益分析
（1）生态效益 人厕、沼气池、畜舍统一规划合理布局，人有厕，畜有圈，卫生条件大为改观。人畜粪便及时入池，铲除了蚊蝇滋生之地。经过沼气池密封发酵，寄生虫卵及病菌绝大部分均被杀灭。大大减少了各种人畜疫病的发生、传播机会。沼肥施用于果园，土壤有机质增加，土壤结构改善，土壤肥力提高，农业持续发能力得以增强。建植果园不仅可生产大量果品，而且提高了植被覆盖率，农业生态环境得以改善，部分遏止了水土流失，使用沼气，煤、柴消耗减少，向大气排放的烟尘及有害气体数量降低，有利于大气环境保护，由于柴耗减少，更有利于天然植被的保护，有利于保持水土。
（2）经济效益 该模式实行人厕、畜舍、沼气池三结合，舍下建沼气池，池上搞养殖，除养猪外，舍内上层放笼养鸡，鸡粪喂猪，猪粪下池产沼气，立体养殖，多种经营，效益倍增。冬季暖棚养殖，配合沼液养猪技术的应用，可节省饲料40～60kg，提早出栏40～60天。每头猪增收节支100～200元，沼渣、沼液用于果树，每亩可节约化肥和农药等生产费用400多元，而且果品质量显著提高，商品率由65%提高到90%以上，每亩可增收500kg左右的商品果，增收600元，使用沼气可节省煤柴1～2t，节电200kW·h，折合人民币160～260元。整个系统年增收节支数额可达5000～8000元。
沼液养猪、养鱼，每吨分别可获208元及100元的收入。每吨沼渣的价值也在100元上。这说明沼气除作为农民生产、生活的优质燃料外，经过厌氧消化的沼液、沼渣作为优质有机肥料和可再生饲料的价值远远高于产气效益，应充分认识其价值，将其用于最适合的方面，使其产生最佳效益。