中国北方平原地区种养循环农业现状调研与发展分析

赵立欣，孟海波，沈玉君，丁京涛，张 曦



中国北方平原地区种养循环农业现状调研与发展分析

赵立欣1,3，孟海波1,2，沈玉君1,2，丁京涛1,2，张 曦1,2

（1. 农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京 100125；2. 农业部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125；3. 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125）

中国各地根据自然条件、产业类型及资源禀赋等形成了不同的种养循环农业模式，然而，针对北方平原地区（包括东北地区、西北地区和黄淮海地区）的种养循环农业模式尚缺乏系统研究，可复制可推广可持续的典型模式亟待总结。该文以实地调研和文献资料总结分析形式，对北方平原地区121个种养大县的农业废弃物资源化利用系统调研分析，梳理总结出中国北方平原地区基于农业废弃物（畜禽粪污、秸秆、尾菜等）资源化利用，形成以沼气工程、好氧堆肥和秸秆资源化为纽带的种养循环农业模式。同时，深入分析现有种养模式存在问题，仍需优化种养业格局实现种养平衡，构建评价体系，因地制宜选择种养模式，加快关键技术研发，以指导北方平原地区乃至全国种养循环农业发展。

堆肥；秸秆；沼气工程；种养循环农业；北方平原地区

0 引 言

循环农业（circular agriculture）是一种农业可持续发展模式，将循环经济理论、可持续发展和产业链延伸理念、减少废弃物的优先原则和循环经济“3R”原则（即减量化reduce、再使用reuse、再循环recycle）应用于农业生产体系，按照“资源-产品-废弃物-再利用或再生产”的物质循环和能量流动模式，提高农业系统物质能量多级循环利用，最大程度降低环境污染和生态破坏，最大程度提高农业资源利用效率，同时实现农业生产各个环节价值的增值，实现生态良性循环与农村建设和谐发展[1-3]。面对日益严重的生态、资源和环境问题，发展循环农业是实现农业资源可持续利用、农业清洁生产的有效手段，也是解决现代农业发展困境的必然选择[4]。美国（精准农业）、英国（永久农业）、德国（“绿色能源”农业）、以色列（节水农业）和日本（菱镇循环农业）等发达国家大力发展循环农业，建立系统的循环农业发展模式，获得了生态环境、社会及经济效益三者之间协调、统一发展[5-6]。自古以来，中国就形成了各种类型的循环农业模式，近年来，随着化肥农药过度使用、农业面源污染、农产品质量安全等问题日益凸显，农业可持续发展遭受了前所未有的挑战，循环农业再次成为中国农业发展的重点。

农业废弃物（agricultural residue）是在整个农业生产过程中被丢弃的有机类物质，主要包括：农林生产过程产生的植物类残余废弃物；牧、渔业生产过程产生的动物类残余废弃物；农业加工过程产生的加工类残余废弃物和农村城镇生活垃圾等[7]，主要来源于种植业和养殖业。据估算，全国每年产生畜禽粪污38亿t，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近10.04亿t，未利用的约2亿t[8]，2013年蔬菜废弃物总产量高达2.69亿t[9]。从循环农业的角度看，农业废弃物是放错地方的资源，也是物质和能量的载体，但未被资源化利用的农业废弃物乱堆乱放、随意焚烧，严重影响了城乡生态环境[10-11]。种植业和养殖业紧密相连、密不可分，根据循环和生态农业原理，将种植业与养殖业纳入到一体化经营的产业体系中，合理配置、综合优化，对农业与其他产业之间产业链条进行延伸，形成物质、能量循环利用的产业链，既能提高农业废弃物的资源化利用，又解决生态环境污染问题，实现农业的可持续发展。

种养循环农业模式与区域自然条件、产业类型及资源禀赋紧密相关。中国各地根据区域特点及实际情况，选择不同的农业废弃物资源化利用方式，形成了不同类型的种养循环农业模式[12]，其基本雏形是南方以沼气为纽带的南方“猪-沼-果”典型模式，及北方“四位一体”循环农业模式。近年来，随着中国农业循环经济的不断壮大和循环农业技术的不断增强，研究者们针对不同区域循环农业的发展现状进行了研究和总结分析，王济等[13]以贵阳实施“多位一体”农村生态能源建设项目为依托，总结了一套以沼气为纽带，以生物质能循环利用为代表的“多位一体”农村循环经济模式；王隆[14]基于对寿光农业生产中秸秆、畜禽粪便和废气废水再利用研究，提出的以秸秆综合利用、畜禽粪便利用和沼气为纽带的资源利用型农业循环发展模式；徐可佳[15]研究分析黑龙江省循环农业发展现状，总结出黑龙江省“废物综合利用”、“养殖-沼-种植”及“种植-生物质能源和加工品-沼-种植”相结合的基本农业发展模式。北方平原地区主要包括东北地区、西北地区和黄淮海地区，包括174个种养大县，种养业规模大，集约化程度高，在以追求数量为目的的农业发展过程中，资源消耗高且利用率低，化肥农药等化学药品大量施用，种养分离，面临严重的农业面源污染、耕地质量下降等问题[16]，发展种养循环农业十分必要且迫切。然而，目前针对北方平原地区的种养循环农业模式尚缺乏系统研究，可复制可推广可持续的典型模式和机制亟待总结。为了更好地完善种养循环农业生产的体系，推广种养循环农业技术，本文通过对北方121个种养大县开展系统调研，剖析北方平原地区典型的种养循环农业模式及存在问题，针对问题研究提出中国种养循环农业发展方向和建议，从而为中国北方平原地区乃至全国种养循环农业发展提供参考和借鉴。

1 调研方案

本文主要采用实地调研与文献资料查阅相结合的综合分析方法。调研时间从2013年7月至2016年12月；调研对象主要为沼气工程、有机肥厂、饲料厂等农业废弃物资源化利用工程；调研形式主要采用与企业和农户座谈及调研问卷，共发放调研问卷121份，回收96份；调研内容主要包括各地种植业和养殖业结构、规模及其匹配度，各经营主体（龙头企业、合作社和种养大户）对种养结合循环农业和农业废弃物资源化利用的认识及政府扶持情况，现有种养业废弃物资源化利用的方式和配套技术等。对座谈内容及调研问卷进行整理分析，结合文献资料总结北方平原地区主要种养循环农业模式及存在问题。

调研区域为中国北方平原地区，范围涵盖北方121个种养大县，其中东北地区32个，西北地区19个，黄淮海地区70个（图1），该地区地面辽阔平坦，土壤肥沃，区域夏季暖热，冬季寒冷，水热资源不均，以一年一熟、一年二熟为主。包括北京、天津、河南、河北、山东等省市在内的黄淮海地区，主要采用小麦-玉米轮作的耕作制度，另外，水稻、花生、棉花、大豆等作物也有一定量的种植，是中国粮食产地中秸秆产量最多的2个区域之一，该区域人增地减、资源短缺、环境污染、生态破坏已成为区域农业可持续发展的“瓶颈”[17]。西北地区深居大陆腹地，地广人稀，包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古6省、自治区，根据自然环境不同分为干旱、半干旱草原及黄河流域3大区，水资源较少，生态环境脆弱，主要种植农作物有小麦、棉花、油菜、甜菜、玉米等。东北地区包括辽宁、吉林和黑龙江三省及内蒙古自治区和河北省的部分地区，从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区，是中国最重要的商品粮（小麦、玉米、大豆等）生产基地，畜牧业生产也占有举足轻重的地位，但近年来农业废弃物不合理处置及大量化学品的投入，农业生态环境不断恶化。

图1 北方平原地区调查县分布

2 北方平原地区种养循环农业的基本情况

中国北方平原地区种养循环农业的主要特点是以畜禽粪污、秸秆、尾菜等农业废弃物的资源化利用为纽带，实现种养相结合，良性循环发展，其中，畜禽粪污、尾菜主要是通过厌氧发酵生产沼气沼肥、好氧发酵生产有机肥2条途径进入农田，秸秆主要通过饲料化和基质化等途径实现种养循环。具体来看，可以分为以规模化生物天然气工程和大型沼气工程为纽带的种养循环模式、以中小型沼气工程和户用沼气为纽带的种养循环模式、以商品有机肥生产为纽带的种养循环模式、以堆肥直接还田为纽带的种养循环模式、以秸秆饲料化和秸秆基质化为纽带的种养循环模式等（表1）。从调研情况来看，一个种养大县内，一般呈现“一种模式为主，多种模式并存”的格局，中国北方平原地区种养循环农业发展日趋成熟，种养循环产业系统已初步建立并逐渐完善。

表1 各地区农业废弃物种养循环利用方式

3 北方平原地区典型种养循环农业模式

3.1 以沼气工程为纽带的种养循环农业模式

以沼气工程为纽带的种养循环模式是循环经济在农业方面的具体应用形式之一，将农作物种植、畜禽生产、微生物发酵和农村建设等以沼气工程为纽带合理地结合起来，有利于降低农业环境污染、减少资源消耗。沼气工程模式是通过植物生产、动物转化、微生物还原实现农业废弃物的资源化循环利用，具体运行模式是种植业产生的作物秸秆和养殖业产生的畜禽粪便经过厌氧发酵产生沼气，作为新型优质燃料用于生产生活，排出的沼渣、沼液含有多种养分和微量元素，可经过好氧发酵生产优质有机肥（图2）。此外，由生物质转化而来的以甲烷为主要成分的燃气称为生物天然气（bio-natural gas），目前主要指通过沼气提纯得到的生物甲烷气（bio-methane，甲烷体积分数97%以上），生物天然气可以直接作为石化天然气的替代燃料，因此，发展沼气已成为增加天然气供应的重要方向。根据沼气工程的组织模式，包括以规模化生物天然气工程和大型沼气工程为纽带的种养循环农业模式、以中小型沼气工程和户用沼气为纽带的种养小循环模式2种。

图2 以沼气工程为纽带的种养循环农业模式流程图

3.1.1 以规模化生物天然气工程和大型沼气工程为纽带的种养循环农业模式

该模式以畜禽粪污、农作物秸秆、尾菜和农产品加工废弃物等为原料，通过规模化生物天然气工程、规模化大型沼气工程，物质和能量循环利用，上联养殖业、下联种植业，实现种养结合，主要工艺流程是“畜禽粪便等废弃物收集-规模化生物天然气/大型沼气工程-沼肥直接还田/沼肥高值化还田”，主要适用于大型养殖场和粮食主产区等农业废弃物产量大的区域。随着中国对规模化生物天然气工程和大型沼气工程支持力度的不断加大，该种养结合模式的应用越来越广泛。

华北和东北地区是中国粮食主产区，养殖业规模化程度高[18]，畜禽粪污、秸秆和尾菜等农业废弃物产生量大，多采用“规模化养殖场畜禽粪便-生物天然气/规模化沼气工程-沼肥还田/高值利用”模式。如北京某大型养殖场沼气工程（见图3a）以鸡粪为原料进行厌氧发酵，生产的沼气用于发电和沼气池保温，沼渣沼液通过订单农业的模式出售给当地的农民还田使用，形成了热、电、肥联供模式[19]。山东省某沼气发电工程（见图3b）年可处理鸡粪18万t、生产沼气1 095万m3、生产有机肥25万t，形成了“鸡-肥-沼-电-生物肥”的循环产业链，达到沼气热电联供、沼渣沼液无害化利用的目的[20]。2013年，东北地区典型县平均年产各类农作物秸秆合计163.93万t，按照目前典型县秸秆综合利用率71%计算，剩余秸秆约为48万t。按照处理利用率达到85%以上，需增加22.95万t处理能力，考虑竞争性用途，其中20%用于沼气发酵，则可产生1 377万m3沼气。根据典型县2013年畜牧养殖数据，初步估算全县畜禽粪便产生38.37万t，污水153.46万t，目前生猪奶牛粪便处理利用率约60%。按照处理利用率达到90%以上，需增加11.51万t畜禽粪便和46.04万t废水处理能力，可产生沼气1105万m3。

a. 北京某养殖场沼气工程a. Biogas projects of a breeding farm in Beijingb. 山东某沼气工程b. Biogas projects in Shandong province

西北地区养殖规模有限[21]，农田消纳沼液能力强，多采用“养殖场粪污分散收集-生物天然气/规模化沼气工程-沼肥直接还田”模式。如宁夏青铜峡市大型沼气工程和甘肃某集团现代循环农业示范园都形成了“分散养殖-沼气集中发酵-发电-沼肥-种植”的良性循环系统，畜禽粪污经粪污车收集运输至沼气工程，生产的沼气用于农户生产生活，沼渣沼液生产有机肥施用于蔬菜、经果林果等作物种植，有力推进了当地生态农业发展[22]。陕西洋县超过一半的农户采用“畜-沼-菜”循环农业发展模式，26.4%的农户采用“畜-沼-粮”循环农业发展模式，超过74%的沼气农户使用沼肥[23]。

这类种养循环模式的核心是规模化生物天然气工程和大型沼气工程，但目前，部分地区尚存在原料收集困难、沼渣沼液利用率低、接口技术装备水平不高等问题，尤其是沼渣沼液利用途径比较单一，产品附加值低，有些地方因沼液难以处理，长期存放带来了面源污染[24]。如在北京市大中型沼气工程中，有近50%的沼气工程并未进行沼渣沼液分离，大部分采用自然沉淀的方式进行分离，只有约30%的沼气工程出售沼液，10%的沼气工程将沼液用于农场或林场生态园浇灌；大部分沼气工程将沼液废弃在储液塘，或排放到沟渠中晒成干粪[25]。

3.1.2 以中小型沼气工程和户用沼气为纽带的种养小循环模式

在农户有散养习惯及中小型养殖场密布的地区，适宜发展户用沼气和中小型沼气工程，产生的沼气用于农户家庭和养殖场清洁燃气需求，沼渣和沼液可直接还田，尤其可推进特色产业绿色生产模式，提高农产品品质，促进种养平衡循环农业发展。该模式主要工艺流程是“畜禽粪便收集-中小型沼气工程/户用沼气-沼肥直接还田”。按照应用地域尺度，该模式可分为生态温室模式、生态园区模式和区域循环模式。

生态温室模式利用物质循环再生原理和生态学食物链原理，将户用沼气池、畜禽舍、农作物种植有机结合在日光温室中，三者相互利用、互相依存，最大限度的降低农业生产对系统外物质的要求，属于典型的庭院经济农业模式（见图4）。该模式比较典型的有北方“四位一体”模式[26]和中部“生态温室”模式[27]。这种模式主要建设单元包括日光温室、沼气池、畜禽舍，还可增加蚯蚓养殖槽、厕所等建设单元。

1.进料口 2.猪圈 3.厕所 4.沼气池 5.通气孔 6.出料口 7.日光温室 8.菜地 9.沼气灯

生态园区模式利用沼气的纽带作用，将养殖业和园区种植业有机结合起来，降低农业生产成本，增强了系统的自我维持能力。比较典型的有北方“中部地区生态果园”模式（见图5）[28]和西北地区“牧-沼-粮-草-果”五配套模式[29]等。这种模式主要的建设单元包括果（菜、茶）园、沼气池、畜禽舍，建设内容易于扩展，可充分考虑应用区域的地貌、气候、水土等特征，增加果园内养鸡、养林蛙、沼渣种蘑菇、养殖蚯蚓等内容，构建地域性的特色模式，如陇县“沼气池-厕所-畜舍-菜（果、粮）”模式、千阳县“桑-蚕-双孢蘑菇-畜舍-沼气池”模式[30]。

1.太阳能热水器 2.厕所 3.太阳能地暖圈 4.导气管 5.沼气池 6.贮肥池 7.沉沙池 8.水泵 9.水窖 10.滴灌系统

区域循环模式在中小规模化畜禽养殖场或养殖场较多、较分散的区域，构建区域内的“粮经饲-畜禽养殖-中型沼气工程-沼肥直接还田/高值化还田”生态循环模式，解决饲料粮（草）生产基地和畜禽粪便消纳土地场所缺乏的问题，生产优质畜产品。这种模式的主要特点是种植业由传统的粮食生产一元结构或粮食、经济作物生产二元结构向粮食作物、经济作物、饲料饲草作物三元结构发展，畜禽养殖主要发展草食性动物，利用畜禽粪便进行沼气发酵，同时用产生的沼渣沼液研发优质有机肥，用于农作物生产。河南省一些地区构建“粮-经-饲”三元统筹耕作制度，通过人工草场与各类作物副产品、作物秸秆发展食草畜禽，完善养殖系统，形成了符合当地实践的种养结合模式[31]。河北正定县收集秸秆和畜禽粪便，利用户用沼气池进行厌氧发酵，生产的沼气为居民全年供气，沼渣沼液制成固态肥和液体生物肥，施用于农作物，形成了县域循环农业[32]。

以中小型沼气工程和户用沼气为纽带的种养循环农业模式对中国农村生产和生活具有重要作用。目前，该模式存在的主要问题是区域/园区内种植业和养殖业规模配置不平衡，导致沼渣沼液不能完全被消纳，以及沼渣沼液资源化利用技术装备不规范带来土壤板结、烧苗、重金属残留等风险，影响种植业发展。此外，由于中小规模养殖场抗市场冲击力不足、沼气工程规模不合理等原因，大部分沼气工程存在不同程度的原料来源不确定性，导致稳定运行存在隐患[33]，难以发挥纽带作用。在制约中小型沼气工程和户用沼气产业链延伸的众多因素中，社会化服务建设滞后更严重制约了沼气产业的发展，沼气池利用率不高已经成为部分区域普遍存在的问题[34]。

3.2 以好氧堆肥为纽带的种养循环农业模式

以高温好氧堆肥为纽带处理农作物秸秆和畜禽粪便等农业废弃物，是中国北方平原地区最常见的种养结合农业循环模式，有利于解决有机肥短缺的问题。该模式主要将农作物秸秆/尾菜、畜禽粪便等按照一定的比例混合，通过高温堆肥发酵处理杀灭废弃物中含有的寄生虫卵、病原菌、杂草种子等对农作物有害的物质，生成腐熟的有机肥（图6）。该模式主要包括堆肥直接还田模式和商品化有机肥还田模式2种。

图6 以好氧堆肥为纽带的种养循环农业模式流程图

3.2.1 堆肥直接还田模式

该模式主要以畜禽粪便、尾菜等有机废弃物为原料，通过好氧堆肥、自然堆沤后，直接施用于农田，实现农业废弃物的资源化利用和农业生产的良性循环。堆肥直接还田是中国最传统、最经济的粪便处理方式，适用于农村、有足够农田消纳养殖场粪便的地区。主要工艺流程是“畜禽粪便、尾菜-堆肥/堆沤-直接还田”。

在畜禽养殖基础条件较好的农业区，“粮-菜-猪”、“玉米-牛（猪）”等种养模式较为普遍。如猪粪尿在田间建设的发酵池中好氧发酵4～6个月后作为粮食作物基肥，利用管网，通过淌、喷灌的形式就近还田，减少化肥施用量[35]。有些地区还可利用秸秆、锯末混合生物菌制成发酵床垫料养猪，换下的垫料作为有机肥施用于农田。在牧草发达的农牧区，草畜平衡循环模式可恢复草地植被，提高草地生产力，利于草地畜牧业的可持续发展。如黑龙江省双城市某奶牛场采用“牧草-作物-奶牛”模式，将奶牛粪污经干湿分离后，液体上清液经氧化塘处理后用于饲料饲草地灌溉，固体粪污用作垫料及饲料饲草地施肥。

该模式的核心技术是好氧堆肥，但目前在大部分农村地区，堆肥技术较为落后，微生物强化堆肥技术（如外源高温分解菌接种技术、功能性微生物接种技术及微生物除臭技术等）尚未普及，导致堆肥腐熟周期长、体积和质量大、气味恶臭、养分含量低，病菌传播、污染大，无害化程度低，运输和施用很不方便等特点，这些特征制约着上述模式的推广和施用。此外，畜禽养殖尿液、污水及经固液分离后液体部分的资源化利用途径也是影响上述模式经济和环境效益的重要因素[36]。

3.2.2 商品化有机肥还田模式

该模式主要以畜禽粪污、尾菜等农业废弃物为原料，通过粪便收集、干燥、好氧发酵、添加、造粒、包装等过程生产商品化有机肥，也可根据用户需求生产专用商品化有机固体肥料和液体肥料，便于长距离运输。商品化有机肥还田模式适用于资金和技术实力比较雄厚的大型养殖场或养殖园区，主要工艺流程是“畜禽粪便、尾菜-好氧发酵-商品化有机肥”，如山东某有机肥厂（图7a）采用高效复合微生物菌剂对尾菜进行无害化处理，日处理尾菜达100 t，日产生物有机肥30 t，彻底解决了当地尾菜处理难题，以商品化有机肥还田有力地促进了当地循环农业的发展。河南某食品股份有限公司各养殖场利用振动筛网式分离机（图8a）及螺旋挤压式分离机（图8b）对猪粪进行两级固液分离，将养猪粪污的再利用，固液分离后的猪粪和沼渣定期运往有机肥厂（图7b），生产商品有机肥外售，实现养猪粪污零排放商品化有机肥还田模式有益于绿色和有机食品的发展，具有显著的经济、环境和社会效益[37]。

a. 山东某有机肥厂a. An organic fertilizer plant in Shandong provinceb. 河南某有机肥厂b. Organic fertilizer plant in Henan province

图8 固液分离设备示意图

但目前，商品有机肥生产和使用配套技术较落后，加之肥源品质较差，导致有机肥产品质量不高，且与化肥相比，商品有机肥价格无竞争优势，农户在使用商品有机肥时，在同等投入条件下，有机肥所产生的增产效益在短时期内并不明显，造成农户使用有机肥积极性不高。此外，由于有机肥生产行业准入门槛较低，目前国内有机肥市场较混乱，有些投机商为降低生产成本，在有机肥制作中加入大量的碳素含量很高而养分含量不高的肥料，导致有机肥质量参差不齐，市场竞争无序，严重阻碍了商品化有机肥还田模式下种养循环农业的发展。

3.3 以秸秆资源化为纽带的种养循环农业模式

中国北方平原地区秸秆资源丰富，将秸秆资源利用与其他农业生产方式结合起来，形成以秸秆资源化为纽带多级循环利用的种养循环农业模式（图9）。秸秆是牛羊粗饲料主要来源，通过氨化、青贮、微贮等处理可以提高秸秆的饲料营养价值，同时将养殖业和种植有效结合起来，形成以秸秆饲料化为纽带的种养循环农业模式，此外，以秸秆基质化为纽带的种养循环农业模式以秸秆作为基料用于食用菌栽培为起点，通过菇渣的后续开发利用来延伸产业链条，实现经济与生态的有机统一。

图9 以秸秆资源化为纽带的种养循环农业模式工艺流程图

3.3.1 秸秆饲料化利用模式

对秸秆和部分牧草进行饲料化生产，既可以有效利用秸秆和牧草的有效养分，也可以保证冬季饲料的充分供应，是饲养草食性动物的良好饲料[38]。秸秆饲料化利用模式主要工艺流程是“农作物秸秆-青贮（黄贮、氨化）-养殖业”。如甘肃省张掖市依靠丰富的农作物秸秆资源，紧紧围绕牛羊产业大县建设，利用秸秆青贮、黄贮、氨化、草粉（颗粒）加工等技术，提高秸秆饲料的转化利用率，增加饲草过腹增值效益；到2012年，全市秸秆饲料化加工利用率达46.4%，有力的推动了当地养殖业发展[39]。

秸秆饲料化技术主要包含秸秆收储运技术与秸秆饲料化转化技术，其中收储运技术分为联合收获与分段收获工艺，饲料化转化技术分为青贮、氨化、黄贮等工艺。目前，中国秸秆饲料加工水平低下，秸秆饲料化只是经过简单的物理处理，只有一些较大规模的奶牛（肉牛）场使用青贮技术，大多数秸秆基本上是未经处理而直接饲喂牲畜，且大部分地区在规模化、产业化开发秸秆饲料设施上配套还不够[40]。另外，由于受不同地区秸秆种类与资源密度、秸秆收储运发展水平和当地社会经济发展水平等多因素制约，不同地区的不同秸秆所适宜的饲料化集成技术不同[41]，而目前，中国尚缺乏对该方面的技术研究推广。

3.3.2 秸秆基质化利用模式

秸秆基质化利用模式通过秸秆制备栽培基质技术，将秸秆等有机废弃物在通风干燥防雨环境中进行有氧高温堆肥，使其腐殖化与稳定化，将堆腐稳定的物料破碎后，与泥炭、珍珠岩、蛭石、矿渣等材料合理配比，使其理化指标达到育苗或栽培基质所需条件。利用秸秆等有机固体废弃物生产栽培基质早已成为无土栽培基质的研究热点[42]，随之产生了“农-菌-牧”等种养模式[43]，将农作物秸秆粉碎处理后作为食用菌的营养基原料，而副产品菌糠经生物处理后作为动物的饲料，畜禽副产品及粪污经过堆肥无公害处理后还田。如吉林舒兰市和通化县，利用秸秆研制木耳、银耳等食用菌和中药种植基质，木耳收获后继续种植平菇，多次利用，最后的基质经好氧发酵等无害化处理后施用于农田。秸秆基质化利用模式的核心技术是秸秆栽培基质制备技术，但目前该技术尚不成熟，生产工艺与流程尚不规范，基质产品性能不稳定，且缺乏统一的科学操作标准，制约了秸秆基质化利用模式的发展。

4 中国种养循环农业发展分析

现代规模化的农业生产割裂了传统农业中种植与养殖业间的天然有机联系。种植业依靠大量农药、化肥等化学物质的投入获得高产，养殖业产生的废物不再被种植业及时、有效地消纳，种植业大量化学物质的投入及养殖业不能及时消纳的废弃物成为农业面源的主要来源，对生态环境造成极大危害。本研究通过系统调研总结中国北方平原地区典型的种养循环模式，结合中国农业生产实际，深入分析现有的种养循环模式存在的问题，发展种养循环农业实现农业可持续需发展，仍需在以下几方面研究提升：

4.1 种养平衡

近年来，中国养殖业特别是畜禽养殖业迅速发展，集约化、规模化养殖场数量不断增加，研究表明，有80%以上的规模化养殖场周边没有足够数量的配套耕地消纳畜禽粪便[44]。张绪美等[45]基于中国31个省1997－2004年的牛、猪、羊和家禽的养殖量统计数据，计算不同地区的畜禽粪便农田负荷量，结果表明中国23个省污染负荷量对农业生态环境造成威胁。在本研究调研的121个种养大县中，90%以上的县存在种养不平衡的现象，其中也以畜禽养殖量超出土地承载力为主。大量的畜禽粪便无法通过区域内种植业消纳而成为废弃物，不仅大量浪费资源，也造成了日益严重的农业面源污染问题。此外，目前所构建的种养循环模式大多采用“畜-肥-作”的思路，也就是根据畜禽养殖量建设沼气工程或堆肥工程，然而，这无法解决沼肥有机肥的大量生产与农作物的季节性需求之间的矛盾。

中国急需转变发展思路，以种植业发展特点及耕地粪便承载力为依据，从宏观层面加强畜禽养殖发展规划与种植业规划的协调，做好顶层设计，优化种养业格局，借鉴国外“以地定畜”、“以种定养”的模式，合理确定畜禽养殖量，使耕地能够充分消纳畜禽粪便产生量，从而提高农业生产的环境效益。此外，加强畜禽粪便的无害化处理，依据各类畜禽粪肥特性，合理选择畜禽粪便资源化利用方式，“以养促种”，确保有机粪肥的高效利用，实现种养系统资源高效循环利用与污染物减量排放。

4.2 种养循环农业评价体系

发展种养结合循环农业的同时，也要开展关于种养结合循环农业评价体系的研究，为种养结合循环农业模式的推广提供科学依据，也是促进种养结合循环农业发展的关键问题[46]。不同地区开展不同类型的种养循环农业实践，从宏观上如何评价发展状态和运行效果，另外，如何选择符合种养循环农业发展原则的技术模式进行示范推广，都需要一套相对科学统一的指标体系[47]。

基于评价的出发点不同，不同循环农业评价的内容也有所不同，王丽静等[48]采用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）在邯郸农业现状分析的基础上对循环农业系统进行综合评价以反映区域农业循环经济发展情况；王小龙[49]基于能值分析（emergy analysis，EME）与生命周期评价（life cycle assessment，LCA）方法，在理论改进与计算过程规范的基础上，初步构建了适合中国循环农业系统评价的EME-LCA综合评价框架；王瑞波等[50]应用层次分析法和模糊综合评判法对北京市5种板栗产业循环农业模式的经济效益、社会效益和生态效益进行综合评价。一套好的评价指标体系能够遵从其评价对象的基本原则，且能全面真实地反映评价系统内部的资源与物质利用情况[51]，体现评价对象的内涵和基本特征。种养结合循环农业是在农业生产活动中，将种植业和养殖业有机结合在一起，减少化肥、农药等购买性资源、物质的投入量，减少废物和风险污染物的产生与排放量，实现农业生态系统自然资源和废弃物资源的最大循环利用，并最大限度地减轻环境污染，实现农业和生态环境的“双赢”。因此，应根据种养循环农业的基本内涵选择评价指标体系（种植业指标、畜牧业指标、农业废弃物指标等），确定指标权重，筛选科学合理的评价方法，进而构建种养循环农业评价体系，实现农业资源的高效、可持续利用和废弃物的最小化与无害化排放。

4.3 种养循环模式选择

农业废弃物资源化利用工程模式的构建和选择，首要目标是农业废弃物的消纳和高效利用，解决环境污染问题，此外，所构建的模式要持续稳定运行并能获得一定的经济利益，以加快现代农业产业工程体系建设、实现农业可持续发展[12]。通过调研我们发现，现有的种养循环模式选择多存在随意性，易出现模式持续不长久、产品消纳困难、工程难以运行等问题，因此，应充分考虑废弃物种类、土地消纳能力、气候特点、产业现状和市场需求等因素，因地制宜，选择科学合理的种养循环农业模式。

以沼气为纽带的种养循环模式为例，在水系发达、河网密布地区，沼液消纳能力弱，可选择“粪便、秸秆干法序批式厌氧消化-沼渣制肥和养殖废水达标排放-肥料还田”的种养循环模式。在气候干燥、秸秆产生量大、沼液消纳能力强的地区，可选择“粪污、玉米秸秆湿法单相厌氧消化-沼渣沼液肥料化-肥料还田”的种养循环模式。气候寒冷、秸秆产量大、冬季沼液处理难，可选择“玉米秸秆、粪便干法连续式厌氧消化-沼渣制肥-肥料还田”的种养循环模式。在土壤贫瘠、尾菜产生量大的地区，可选择“尾菜、粪污湿法两相耦合厌氧消化-沼渣沼液肥料化-肥料还田”的种养循环模式。此外，中国在种养循环模式选择与关联因素之间的关系方面，尚缺乏系统研究，急需提升。

4.4 种养循环关键技术

依据农业废弃物资源化利用技术的可靠性、适应性及不同区域的技术状况，选择、研发不同区域适宜的技术模式，是种养循环农业模式的基础。围绕种养循环技术体系和产业体系，基于现有优势技术，加快种养技术研发和创新，突破循环利用核心环节与产业链前后端关键技术、耦合接口技术研究，实现农业废弃物资源化利用的产业化发展。比如，突破畜禽养殖适宜规模、承载力、载畜量与布局及分布等技术问题；突破种养结合系统废弃物减量化资源化利用关键技术问题，如废弃物收储运技术、农作物秸秆还田技术、畜禽粪便与秸秆肥料化技术装备、沼气工程提档升级、废弃物基质化利用技术等；突破种养结合的物料（沼液、有机肥）输移、贮存及农田适量消纳的施用技术与装备问题；突破不同养殖布局和种养模式的生态环境效应、种养结合粪尿还田生物安全性和环境风险评估技术问题，实现种养系统间物质投入产出环境效益最优化、农业废弃物高效循环利用和污染物排放的最小化。

5 结 论

本文以实地调研及文献资料分析总结形式，对北方平原地区（包括东北地区、西北地区和黄淮海地区）121个种养大县的农业废弃物资源化利用工程进行系统调研分析总结。该地区种养循环农业模式主要包括以规模化生物天然气工程和大型沼气工程为纽带、以中小型沼气工程和户用沼气为纽带、以商品有机肥生产为纽带、以堆肥直接还田为纽带、以秸秆饲料化和秸秆基质化为纽带等模式。推广种养循环农业，仍需转变发展思路，以种植业发展特点及耕地粪便承载力为依据，优化种养业格局，实现种养平衡，并依据种养循环农业特点构建评价体系，因地制宜选择合理的种养模式，同时，加快种养技术研发和创新，突破循环利用核心环节与产业链前后端关键技术、耦合接口技术，实现农业废弃物资源化利用的产业化发展，实现农业可持续发展。

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Investigation and development analysis of planting-breeding circulating agriculture ecosystem system in northern plains in China

Zhao Lixin1,3, Meng Haibo1,2, Shen Yujun1,2, Ding Jingtao1,2, Zhang Xi1,2

(1.100125;2.100125,; 3.100125)

Recycle agriculture is an efficient utilization and resource-saving mode of agriculture, and an inevitable choice for modern agriculture to step out of developmental dilemma. It has been the effective way to realize sustainable utilization of agricultural resources and cleaner agricultural production. China has already had a history of circular agriculture, and in recent years, circular agriculture and resource utilization of agricultural residues are getting more and more attentions. Based on regional natural conditions, industry types, resources endowment, and so on, various models of planting-breeding circulating agriculture ecosystems are formed in China. Due to the production strength and high intensive degree of farming and breeding in northern plains (containing northeast, northwest and Huang-Huai-Hai region), planting and breeding produce a large amount of waste, and long-term separation of planting and breeding industry causes the inefficient resources use, which has brought serious regional environmental hazards. Development of the planting-breeding circulating agriculture is very necessary and urgent. There was lack of systematic research on the models of planting-breeding circulating agriculture in northern plains, and the summarization of problems is needed. In this article, the resource utilization engineering for agricultural residues containing biogas engineering, organic fertilizer plant, and feed mill from 121 counties with large-scale planting-breeding industry in northern plains, was systematically investigated and analyzed through investigation and literature analysis. Among the 121 counties, there are 32 in northeast area, 19 in northwest area and 70 in Huang-Huai-Hai region. The research contents mainly include the production and utilization status, and the ways of use for straw, and livestock and poultry manure, other planting and breeding industries, and so on. The results showed that based on the resource utilization for agricultural residues (such as livestock and poultry manure, straw, and vegetable wastes), there are biogas engineering-linked, aerobic composting-linked, and straw resource utilization-linked planting-breeding circulating agriculture ecosystems which have been developed in northern plains in China. In the biogas engineering-linked system, cultivation of crops, production of livestock and poultry, fermentation of microorganisms and construction of rural areas, are rationally combined with biogas projects as a link, and it includes large scale biological gas engineering and biogas engineering-linked, and middle and small size and household biogas-linked circulating agriculture ecosystems. In the aerobic composting-linked agriculture ecosystems, high temperature aerobic composting is a link to deal with agricultural wastes such as crop straw and livestock manure, and some companies use this method to produce commercial organic fertilizer. In the northern plain of China, straw resources are abundant, and the resource utilization of straw is combined with other agricultural production methods to form straw utilization-linked recycling agricultural models, such as feed utilization and utilization of crop straw in soilless culture. Combined with the actual agricultural production in China, the in-depth analysis on the deficiencies and problems of existing planting-breeding circulating agriculture ecosystems was also conducted. The balance of planting and breeding, the mode selection and the key technology should be researched and improved in planting-breeding circulating agriculture ecosystems, to guide the development of planting-breeding circulating agriculture in northern plains and even in China.

composting; straw; biogas engineering; planting-breeding circulating agriculture; northern plain area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.001

S181.4

A

1002-6819(2017)-18-0001-10

2017-06-01

2017-09-01

国家重点研发计划：好氧发酵过程重金属钝化及高效生物除臭关键技术与设备研究（2016YFD0800603）

赵立欣，研究员，主要从事种养循环农业领域的研究工作。Email：zhaolixin5092@163.com。