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深度好文!一文读懂堆肥

河北农网 2021年09月15日 报道 浏览次数:

编者按:本文为我校资环学院教授李季、博士生王越在《人与生态圈》杂志2021年第3期上发表的文章《从乡间堆肥入手重建循环经济》,河北农网在转载时对标题进行了修改,本网对相关文章予以转载,以飨师生。

李季、王越本文作者系中国农业大学研究人员

来源:《人与生物圈》2021年第3期

堆肥是一门既传统又现代的学科,堆肥的目的就是通过一系列科学的工艺步骤,把各种各样的有机废弃物分解转化成为一种稳定的、无害化的适合于土壤培肥的有机肥产品。

堆肥一般分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥指在有氧气情况下有机物料的分解过程,其代谢产物主要是二氧化碳、水和热;而厌氧堆肥则是在无氧气条件下有机物料的分解,厌氧分解最后的代谢产物是甲烷、二氧化碳和许多低分子量的中间产物,如有机酸等。传统堆肥以厌氧堆肥为主,而现代堆肥系统则大都采用好氧堆肥。

好氧堆肥从我国南宋时期即已肇始,是在北方人口大批向南方转移、水稻种植开始出现两熟制以及土壤肥力不足以维持高产的情形下出现的,由此解决了千年来我国土壤的地力常新壮问题。现代堆肥技术开始于20 世纪20~30年代的欧洲,以机械化堆肥为特色,目前工艺有上百种、技术也形形色色,并成为城乡有机废弃物处理领域的一个重要方向,受到众多城建、环卫、农业等部门与企业的欢迎。

笼统地讲,堆肥也是有机肥。广义上的有机肥范围很宽,包括所有施用到农田的有机物料,如人畜粪便、绿肥、河泥、骨粉等,也包括规模化有机肥厂生产的商品有机肥。在我国农民的传统智慧里,新鲜的水分含量高的废弃物均要经过一个熟化的过程才可还田,而熟化就是一个堆肥的过程;现代商品有机肥标准里也要求秸秆、畜禽粪便等有机废弃物一定要经过发酵腐熟这样一个过程。

令人遗憾的是,经过40 年的城市化和工业化发展,我国城乡许多有机废弃物不再用来堆肥,而是被送到一个个垃圾填埋场、焚烧厂,或者被简单堆放在田间,随着雨水流入水体,加速了全国范围水质的严重恶化。乡间堆肥已远离我们,不再是农村冬春季节的一道道独特的风景,这对于我们这样一个有着几千年传统文化的农业大国而言,悲乎痛哉!

堆肥的作用和意义

堆肥有很多作用,包括废物利用、减少污染、改良土壤、提高产量、改善品质等,最重要的有两点:一是可以把大量的有机废弃物转变为有用的产品,降低环境风险;二是能创造有价值的堆肥产品,可作为土壤改良剂或有机肥产品等。

堆肥与废物资源利用据估算,我国每年都会产生高达55 亿吨的有机废弃物,其中主要是畜禽粪便和秸秆,还有城市及食品工业等的废弃物,如有机垃圾、生活污泥、糖渣、酒糟等。资料显示,2017 年全国秸秆可收集量为9 亿吨,秸秆综合利用率约80%,还有20% 的秸秆未得到有效利用,一些地区秸秆焚烧现象依然严重。根据估算,目前我国养殖业每年产生的畜禽粪污总量约为38 亿吨,按收集系数70% 来计,每年需要处理的畜禽粪污量达27 亿吨。除此以外,每年还有约2 亿吨的有机垃圾、5000 万吨的市镇污泥以及数千万吨的食品下脚料等。

有机固体废弃物中蕴含着丰富的养分。据估算,全国有机肥料资源中氮磷钾养分储量高达7000 万吨,理论上可以完全替代化肥投入,若这些有机废弃物利用率达到50%,则可替代约一半的化肥。

据2017 年全国第二次污染源普查公报的结果显示,来自农业源水污染物排放量中,化学需氧量为1067.13 万吨, 氨氮为21.62 万吨,总氮为141.49 万吨,总磷为21.20 万吨,分别占总量的49.77%,22.44%,46.52% 和67.21%,是主要的污染来源。

因此,科学利用这些有机固体废弃物,既可防止其污染环境,同时又可以加快资源的循环利用,减少资源的浪费。当然,开发各类有54 MAN AND THE BIOSPHERE Issue 129 -130机废弃物需要有一定的方法、技术和设备,使之达到“减量化、无害化和资源化”要求,而堆肥就是处理各类有机废弃物无害化与资源化最有效的途径之一,是集处理和资源化利用于一体的生物方法,由于其无害化比较彻底,资源化率比较高,目前广受关注。

堆肥与农业生产 堆肥与农业密不可分,自古以来,人们将有机废弃物进行混合堆沤处理,并将产物再归还于土壤,这既符合农业可持续发展的方向,也有利于促进农业和畜牧业的共同发展,提高人民生活质量。

把有机废弃物归还到土壤,首先可以为作物提供一定的养分促进作物生长,因为堆肥中不仅含有氮、磷、钾、钙、镁等大量营养元素,也含有铁、铜、锌、锰、硼等微量元素,因此是一种全面的、综合的植物养分供应源;其次可以改善土壤的理化和生物学性状,连续施用有机肥,可逐步提高土壤有机质含量,使土壤生物活性旺盛,土壤养分供应能力提高,抑制土壤病害的发生;再者可以提高作物产量,并保证稳产高产。大量的施肥试验表明,有机肥与化肥结合施用还能进一步提高不同农作物的产量,并提高农业的可持续生产力。

据不完全统计,我国目前有机肥使用比例仅约25% 左右,远低于欧美等发达国家50%的使用比例。近年来,我国农业主管部门发布了一系列有机肥替代化肥行动计划、高标准农田建设规划等指导性意见,对有机肥的使用给予了大力支持。中国农业大学自1993 年起在河北省曲周实验站开展有机肥的粮田长期定位实验,经过27 年的时间,土壤有机质从1.3% 提高到3%,每亩年均提高0.063%。1995~2016年间,小麦平均产量提高了29.4%,玉米平均产量提高了25.4%。中国农业科学院在山东省禹城开展31 年的长期定位试验发现,施用有机肥能够显著降低土壤容重,增加土壤有机质的含量及储量。

目前,堆肥技术已成为发展生态农业和改善农村环境的重要技术支撑,在秸秆、尾菜综合处理、畜禽粪便资源化利用、商品有机类肥料的开发、有机肥替代化肥等行动计划中发挥着越来越重要的作用。

堆肥的历史使命

据史料记载,人类利用有机固体废弃物生产堆肥的历史已延续两千余年。据古书记载,我国公元六世纪就出现了“踏粪法”,即厌氧厩肥的生产应用;公元1149 年南宋时期则最早记录了好氧堆肥的方法。这些历史记录也反映出我国古代为了保持土壤肥力、提高农业生产力以及满足粮食需要,在有机废物的循环利用方面做出了令现代人叹为观止的成就,其利用范围和利用程度远超当代。

中国不同历史时期对有机原料的农业利用经历了一个逐渐认识发展的过程。不同阶段如西汉时期、北魏时期、南宋时期、元朝时期、明朝、清朝的主要农学著作对此均有详细的记录。我们从中可以看出,我国农民在长期的生产实践中发掘出越来越多的有机肥资源,特别是在南宋和清末,由于人口的激增,全面利用农村各类有机肥资源达到了空前的水平。我们挖掘和揭示这些传统堆肥方法的作用,目的不是为了恢复这些技术,而是警示当下的人们要学习古人物尽其用的理念,珍惜资源、爱护环境。相信在乡村振兴中重建循环经济的背景下,现代的技术、装备会不断开发出来,用来取代传统的落后手工做法;也确信会有更多村庄建立起适合自身特点的各式各样的废物循环利用设施,还自然于绿水青山。

根据美国公用事业协会(APWP)报道,最早的堆肥工程技术开始于1925 年的印度,其方法被称为印多尔法(Indore)。1932 年,荷兰VAM 公司建立了欧洲第一个改良印多尔法的规模化堆肥厂,其工艺称为范曼奈法(VanMannen),是将垃圾用水调节后,在室外堆积4~8 个月(厌氧分解),然后破碎、分选得到堆肥产品。1933 年,丹麦出现了丹诺(Dano)堆肥工艺,这是一种运用滚筒进行好氧发酵的方法,特点是发酵温度高、发酵周期短,一般只需3~4 天即可以基本实现无害化。

20 世纪70 年代以后,许多堆肥工艺不断得到完善,一些新的工艺也被开发出来,如1972~1973 年间美国农业部马里兰州农业研究中心开发的通气静态堆工艺,也称贝特斯维勒(BELTSVILLE)工艺。该工艺在美国得到了广泛应用,1990 年已有超过76 座设备在运行。其他堆肥的工艺还有垂直通风搅拌床托马斯(EARP-THOMAS)工艺,日本的立式多层搅拌床式工艺(即塔式工艺),爱温森(EWESON)转鼓式反应器系统以及比尔德(Beard)筒仓工艺等。

现代堆肥技术在我国起始于20 世纪50 年代,这一时期的堆肥多为露天的堆垛,采用表面土壤覆盖保温,自然通风供氧,没有专用的机械设备,也很少进行堆体的维护管理,多为厌氧或者兼性好氧堆肥过程,堆肥产品主要用于农田、果园或苗圃。70~80 年代,堆肥化处理各种有机废弃物成为研究热点,堆肥专用机械设备得到大量引进与开发,涌现出大量新工艺、新技术,堆肥机理也得到了深入研究。这一阶段主要采用二次发酵工艺,堆肥方式还是静态堆肥方式,1987 年开始了配合翻堆的动态堆肥工艺的研究。90 年代开始,国内已掌握了堆肥基本技术,主要堆肥工艺趋向成熟,具备了产业化发展的条件。

堆肥衰退加速环境污染

我国乡村在经历40 年高速城镇化和非农化过程中,生态环境也经历了一个污染退化和艰难治理的过程。

乡村生态环境变迁 畜禽养殖是农村环境污染的主要来源。当前,我国畜禽养殖业化学需氧量、氨氮、总氮、总磷排放分别为1000.53 万吨、11.09 万吨、59.63 万吨、11.97 万吨,占农业源排放的93.8%、51.3%、42.1%、56.5%,成为农业面源污染的最重要“贡献者”。近年来,国家不断加大对畜禽规模养殖污染的监管和治理力度,大中型畜禽养殖场污染问题基本得到控制。但规模以下养殖场(户)因小本经营、环保意识不高,粪污处理设施配套不完善,加之种养分离,循环不畅,致使粪污被随意堆放或直接排入沟渠、坑塘,给生态环境带来严重威胁,已成为畜禽养殖污染防控的难点和短板。

化肥农药过量使用也是部分地区的重要污染。2018 年,我国化肥用量达5653.4 万吨,农药用量26.88 万吨,均占全球用量的三分之一,居世界第一位。世界主要发达国家的经验表明,人均GDP 在8000~13000 美元区间时,化肥使用量开始呈现从增长到稳定甚至降低的趋势。2019 年,我国人均GDP 达到1 万美元,预计我国化肥使用量将进入稳中有降阶段。但是,随着我国人口数量增长、城乡一体化推进和居民消费结构升级,粮食需求仍将呈现刚性增长态势,化肥农药使用量也难有较大降幅,一定时期内仍将处于高位。当前,我国化肥农药利用率还不到40%,距离欧美发达国家50%~65% 的平均水平还有较大差距,流失风险不容小视;特别是一些重点区域如露地蔬菜种植的氮磷流失、保护地蔬菜的氮素地下淋溶及南方水网地区水稻种植的氮磷流失,对水体环境影响尤其突出。

此外,农村生活污水和生活垃圾处理不当也造成农村生态环境恶化。据统计,我国废水每年总排放量大约为600 亿立方米,其中我国农村每年产生生活污水约90 多亿吨,人粪尿年产生量约为2.6 亿吨。目前我国工业废水及城市生活污水都得到了较好的处理,但农村生活污水由于治理资金短缺和对农村水环境保护意识的淡薄,96% 的村庄都没有排水渠道和污水处理系统,生活污水处理率很低,大部分农村的生活污水放任自流,任意排放到河流,是农村56 MAN AND THE BIOSPHERE Issue 129 -130环境问题的根源。从农村生活垃圾来看,有学者估计年产生量约为1.8~2 亿吨。虽然美丽乡村建设中对农村垃圾进行了清理,但由于农民落后的生活方式,加上大多数村镇没有专门垃圾处理系统,农村“脏、乱、差”现象及地下水和地表水污染现象依然严重。

农村污染防治是一项长期、复杂的工作,虽然污染治理取得了一定成效,但长效机制尚未有效建立,农村环境改观或恢复到20 世纪60~70 年代的水平还需很长一段时间。

乡村堆肥之衰退 过去,农村几乎家家户户门口都会有一个堆沤池,用来处理日常产生的人粪尿、养殖粪污、作物秸秆等;而在田间,这种小粪堆也随处可见。但现在,随着乡村现代化建设的推进,农村旱厕改成了水厕,粪污通过吸粪车收集后,一部分集中处理,更多的简单处理就进入农田中;养殖场被要求集中管理,搬到村外,粪污通过处理就近还田了,相当部分也未经过科学处理;这样一来村子里堆肥就成了“无米之炊”,村子外的堆肥也因为用地、机械、劳力等影响而无法进行。除此之外,堆肥本身还受到了一定的局限性。第一,在农村能够较好的掌握堆肥方法的主要是老年人,随着城镇化的发展,这部分人群虽然是农事活动的主要劳动力,但基本上已经丧失了劳作的能力;而年轻人因堆肥环境恶劣、操作难等原因,不愿进行堆肥方法的学习;久而久之,堆肥技术就逐渐丢失了。第二,堆肥在使用过程中较为复杂,需要人工施肥,效率低;相比之下,化肥使用简便、成本更低、效率更高。第三,农村就地堆肥缺乏相关的技术人员指导。

20 世纪50~70 年代我国农村还普遍进行堆肥,那时在农村有机废料都拿去堆肥了,基本见不到生活垃圾,因此很少有污染。但过去40年来,受化肥大量使用、农村环保投入不足以及农村劳动力转移和结构性短缺等影响,堆肥在农村地区日渐稀少,乡村堆肥呈现衰败景象;反之,由各种垃圾造成的环境污染现象却比比皆是。

堆肥缺失之后果 堆肥这一传统技术的衰败不仅加剧了废弃物对环境的污染,也影响到了耕地的质量提升。我国农田特别是粮田长期不施用有机肥,导致土壤质量出现退化,基础地力显著降低。全国中低等级耕地面积占比达69%;旱地不施肥作物产量与施肥作物产量之比,从20 世纪80 年代的60% 下降至40%;水田从80% 下降到60%,即农田基础地力在逐渐退化;而造成该现象的主要原因是只种不养,使土地越来越“瘦”。

研究表明,通过有机肥替代30% 的化肥可使土壤更健康,还能减少土壤病虫草害的发生。开始于1984 年的江西红壤水稻田长期定位试验,研究发现与单施化肥处理相比,有机肥替代30% 和50% 化肥的处理均能够提高水稻产量,增产幅度分别达7.7% 和6.5%,且当有机肥替代率为30% 时稳产效果最优。施用有机肥还能够减缓土壤酸化,提高了土壤养分和土壤微生物量,改善土壤结构。与不施肥相比,不同有机肥替代量处理下,土壤微生物碳和微生物氮显著提高了17.0%~71.1% 和104.1%~267.0%。此外,长期施用有机肥还能够抑制土壤传病害,长期施用化肥的辣椒疫病的发病率达81.3%,施用有机肥其发病率下降至54.2%。

未来堆肥走向

土壤是农业的基础,肥沃的土壤才能保证粮食的产量与质量,进而满足人类对食物和健康的需求。土壤有机质是耕地地力最重要的性状之一,被认为是土壤质量和功能的核心。经过30 余年的努力,我国农田耕层土壤有机质含量整体上呈上升趋势,较全国第二次土壤普查时期提高了24.49%,但与欧洲国家相比还有待提升。就目前而言,中国土壤有机质水平仅为欧洲的30%~50%。

提高土壤有机质的关键是有机废弃物的循环利用。在这方面,德国和日本有很好的经验。德国是世界上发展循环经济较早(20 世纪50~60 年代)、水平最高的国家之一。德国的综合型农业发展模式是欧洲国家发展农业循环经济的典型代表。目前,德国的城市废弃物再生利用率高达66%、焚烧处理率达34%,因为废弃物处理用地紧张的问题,卫生填埋率处于“0状态”。

日本是一个人多地少的国家,面临农地、水资源、能源的极大匮乏,20 世纪90 年代初,日本正式提出“环境保全型”农业的概念,并颁布了一系列政策法规,包括《可持续农业法》《家畜排泄物法》 《肥料管理法》等,形成了世界上最完备的循环经济立法体系。据日本环境省2011 年资料,日本产业有机废弃物中,进行焚烧和卫生填埋处理量约占23%,再生利用处理量约占77%。再生利用处理中,部分进行饲料化处理以外主要是堆肥化处理。

目前我国城市有机废弃物资源化利用效率在5% 以下,与韩国(59%)、奥地利(58%)、比利时(51%)、瑞典(50%)等发达国家的资源化率差距显著。造成我国有机废弃物资源化率较低的主要原因是堆肥施用成本过高。另外,城市有机废弃物作为堆肥原料没有进行分类收集从而提高了制造成本,这也是有机废弃物堆肥资源化率较低的原因之一。但随着国家垃圾分类政策的实施,相信有机废弃物的资源化处理利用产业前景光明。随着国家对生态文明和绿色农业建设的推进,未来有机肥生产必将进入蓬勃发展的阶段。

摆在我们面前的问题是,堆肥或物质循环体系如何重建?我国未来主要有机废弃物将以每年5% 的速度递增,而所有动植物把营养从土壤带出,随农产品物流远离“故土”,仅靠化肥是不足以完全补充土壤养分的,必须把有机的部分特别是碳和微量元素等再返回到土壤中。

目前我国有机废弃物的产生量大、循环利用率低,造成了生态失衡的局面。这种失衡主要体现在三个方面:水陆间物质流失衡、城乡物质流失衡、种养物质循环脱节。所谓水陆间物质流失衡,是指清水进入城市、污水返回水体,污染水体产生的大量蓝藻、淤泥回不到陆地,形成多次循环污染;所谓城乡物质流失衡,是指营养元素通过食物进入城市,最终变为厨余垃圾留在城区,多以简单焚烧和填埋处置,资源化利用低,土壤得不到营养返还;所谓种养物质循环脱节是指,养殖场缺少消纳粪污的土地,种植业缺乏有机肥投入而过度依赖化肥,造成面源污染。

针对以上三种生态失衡现状,需构建多尺度废弃物循环利用模式,例如:农场小循环、本地(县域)中循环、区域(省域)大循环;要建立有机废弃物管理全链条的循环利用技术。具体来说,针对种养物质循环脱节,可通过种养高效结合实现重建,而这也是农业绿色循环发展的核心内容。例如,通过匹配养殖与种植土地消纳,既增加了有机废弃物的处理利用途径,同时当粮食、经济作物的有机肥替代化肥比例达40%~50% 时,粪肥氮循环效率增加40%,氮肥用量减少32%,实现了化肥投入的减少及物质内部的循环利用效率。针对城乡物质流与水陆间物质流失衡的问题,可通过构建多尺度的循环利用模式实现重建,前者可通过本地(县域/ 城乡)中循环,而后者可通过区域(省域/水陆)大循环实现。这一物质循环体系的构建跨越城市与乡村,涉及多部门、多行业,也需要沿废弃物全链条进行整体设计。

看似一个简单的、古老的、不值一提的废物利用命题,却关系到一个国家的土壤、环境和人民健康,期待经过几十年的不懈努力,能把我们的乡村环境恢复到鱼翔浅底、充满生机,人们可以重新直饮河水的美好境地!

河北农网2021年9月15日


 

责任编辑:刘铮
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