沂蒙山区某村庄生物质氮资源量及其有机粮食生产潜力

张易成 王岚 周改芳 吴志远 秦天羽 崔晓辉 郭立月 李彩虹 蒋高明

摘 要：农村生物质含有大量的氮素，就地肥料化既缓解环境污染问题，又能创造经济效益。该研究以沂蒙山区典型村庄蒋家庄为例，实地调查和分析了该村生物质资源量与氮含量，并利用田间试验探讨了其生产有机主粮的潜力与经济效益。结果表明，蒋家庄植物生物质量（干基）为722.5t·a-1，禽畜粪尿（鲜量）2703.1t·a-1，可降解生活垃圾（鲜基）25.4t·a-1，三者折合纯氮为18.88t·a-1。1kg牛粪可生产1.04kg有机主粮，1kg植物生物质有机肥平均可生产0.53kg有机主粮。该村生物质氮总量可满足全村农作物有机种植需求，经济效益可增加2倍以上。

关键词：生物质资源;生物质肥;有机种植;生产潜力;经济效益

中图分类号 S216文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）11-0153-08

Study on Biomass Nitrogen Resources and Organic Grain Production Potential in a Village of Yimeng Mountain Region

ZHANG Yicheng1，2 et al.

（1State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change， Institute of Botany， the Chinese Academy of Sciences， Beijing 100093， China; 2College of Resources and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： Rural biomass contains large amount of nitrogen fertilizer resources， in situ fertilization can not only alleviate environmental pollution， but also create considerable economic benefits. Taking Jiangjiazhuang Village， a typical village in Yimeng Mountains of Shandong Province， as a case， we investigated and analyzed the biomass resources and nitrogen amount of the village， and explored the potential and economic benefits of biomass resources in producing organic grains using exact field experiments. The results showed that the amount of plant biomass （dry base）， livestock feces and urine （fresh base） and degradable domestic garbage （fresh base） in Jiangjiazhuang was 716.8 t·a-1， 2703.08 t·a-1， and about 25.40 t·a-1， respectively， which were totally equivalent to 18.78 t·a-1 of pure nitrogen. Biomass fertilizer can be transformed into organic grains （wheat + corn） in situ. It was noted that 1kg manure biomass fertilizer could produce 1.04 kg organic grains， and 1kg plant biomass fertilizer produce 0.53 kg on average. The total amount of biomass nitrogen in the village can satisfy all the crop field for organic planting， which increased the economic benefits by more than 2 times.

Key words： Biomass resources; Biomass fertilizer; Organic farming; Production potential; Economic benefits

1 引言

作物種植和禽畜饲养过程会产生大量的秸秆和粪尿等生物质资源，其含有的氮、磷、钾等营养元素可用于农业生产，并保护生态环境。研究表明，我国每年产生的各类农作物秸秆超过9.5亿t，禽畜粪便（干基）和尿液分别达5.96亿t和8.92亿t[1]。目前，我国秸秆资源的综合利用率为80.1%，其中肥料化和饲料化利用率为52%[2];而禽畜粪尿的养分利用率不到45%[3]。大量农作物秸秆和禽畜粪尿暴露在环境中，不仅浪费生物质资源，还会造成土壤、空气和水体污染等环境问题[4]。在大规模粮食产区和养殖场，生物质资源相对集中，便于机械化管理和收集处理;然而，对于个体种植户和小型养殖户，因农田管理碎片化，养殖场较为分散，生物质分布不集中，难以收集运输并利用。如果发展有机农业，因附加值高，农民愿意投入劳动，可在实现环境保护基础上提高经济效益。

环境和食品污染严重影响到人类健康与寿命，环境友好的有机农业应运而生。相对于普通食品，有机食物更加健康、营养与口感更好[5]，因而受到越来越多的人关注。目前，国家大力支持农田有机质提升计划，出台政策并提供财政资金支持有机肥生产与应用[6]。发展有机农业，有机肥来源是个根本问题，因有机肥使用相对费时费力，成本比化肥高，限制了有机农业发展。

作物秸秆、林业与果园废弃物、畜禽粪便、可降解生活垃圾等含有丰富的营养元素，可以替代化肥为农作物提供生长所需的养分[7-8]，可增加土壤中的有机碳和氮、减少土壤养分损失和改善土壤物理性质[9-10]。充分挖掘农村大量廉价或零物料成本的生物质资源，为有机作物生长提供充足的有机养分，解决农村生物质资源化处理难题，促进农业生态环境保护与有机农业的发展。但是，由于缺乏相应的研究，对农村生物质资源量及其转换有机粮食的潜力缺乏研究，亟需进行有关调查、分析与实验。

本研究选择山东沂蒙山区一个村庄，通过实地调查，结合田间试验，分析了北方典型村域可获取生物质氮资源量，并以当年易获得的几种生物质作为生物质有机肥，探讨了其生产有机主粮（小麦和玉米）的潜力及其经济效益。

2 材料与方法

2.1 生物质资源调查及纯氮折算

2.1.1 调查区域 调查村庄位于山东省平邑县卞桥镇蒋家庄，为沂蒙山区典型村庄。村庄生物质资源调查分为三大类：植物类生物质资源，包括作物类生物质剩余物、果园与林业类（果园、抚育林、苗圃）废弃物和杂草;禽畜排泄物;可降解生活垃圾（家庭厨余干垃圾和副食品垃圾）。调查分夏季和春季2次进行，第1次为2019年8月，主要调查夏季作物种植面积及其生物质资源量、果园种植面积、苗木培育面积、林地面积、杂草生长面积、禽畜饲养情况;第2次为2020年5月，调查春季作物种植面积及其生物质资源量、林地生物质剩余物、村庄可降解生活垃圾。

2.1.2 植物类生物质资源 植物类生物质资源为作物类、果园与林业类以及杂草。作物类主要为农作物如小麦、玉米、花生、高粱等农作物和蔬菜类作物以及中药材类作物;果园与林业类主要为果树和抚育林的枝条修剪，其中杨树林是育成林，则以其凋落物为主;杂草生物质主要为农田与田间道路之间以及交通主道两旁空地生长的杂草。各生物质资源量为各生物质调查面积与单位面积废弃物的乘积，折纯氮量为各生物质量与生物质含氮量的乘积。计算公式如下：

Mi=[i=0nAn×Kn] （1）

Ni=[i=0nMn×βn] （2）

Mi：当年i种作物所产生的废弃生物质资源总量（干基），i：所统計的作物的种类总数，n：作物的种类，An：当年n作物的种植面积，Kn：n作物相应的单位面积废弃的生物质量。Ni：当年i种作物废弃生物质折纯氮量，Mn：n作物生物质资源量，βn：n作物含氮量。

2.1.3 禽畜粪便类生物质资源 畜禽粪便类生物质主要为牛、猪、鸡、鸭、鹅的排泄物。禽畜粪尿生物质资源量为各禽畜养殖数量与日排放量和饲养周期的乘积，折纯氮量为各禽畜粪尿量与粪尿含氮量的乘积。计算公式如下：

Wi=[i=0nQn×Tn×En] （3）

Ni=[i=0nQn×βn] （4）

Wi：当年i类动物粪尿总产量，i：所统计的动物种类总数，n：动物的种类，Qn：当年n动物的养殖数量，Tn：当年n动物的饲养期，En：n动物日排泄量。Ni：当年i类动物粪便折纯氮量，Wn：n动物粪尿产量，βn：n动物粪尿含氮量。

2.1.4 可降解生活垃圾生物质资源 农村可降解生活垃圾生物质主要为可降解家庭厨余干垃圾和副食品垃圾。

农村生活垃圾生物量=农户生活垃圾日均产量×365d×户数（1-含水量） （5）

农村生活垃圾折纯氮量=乡村生活垃圾干基总量×干基含氮比 （6）

2.2 生物质有机肥生产潜力

2.2.1 试验材料 田间试验为小麦-玉米轮作试验，冬小麦（Triticum aestivium L.）品种为临麦9号，夏玉米（Zea mays L.）品种为沃玉3号。村庄夏季易获得的植物生物质有花生秸秆、玉米芯、杨树叶、杂草和高粱等，而村庄玉米秸秆全部用于生态牛场作青贮饲料;动物粪便主要为牛粪，其他粪便相对较少。因此，本试验选用花生秸秆、玉米芯、杨树叶、杂草、高粱和腐熟牛粪6种生物质进行冬小麦-夏玉米轮作，探讨其生产有机主粮的潜力及其经济效益。

2.2.2 试验方法 试验田为连续6年施有机肥的有机农田，土壤有机质含量为23mg·kg-1，试验田施氮量参照当地施肥量，本试验施氮量定为300kg·hm-2。

试验在等氮量施肥条件下，设置了8个处理：（1）H，花生秸秆;（2）N，腐熟牛粪;（3）X，玉米芯;（4）L，杨树叶;（5）C，杂草;（6）G，高粱秸秆;（7）CF，复合肥;（8）CK，空白处理。各处理施肥量如表1所示。试验田采用随机区组设计，小区面积为3m×6m，每个处理设置3个重复小区，小区之间设置1m宽的隔离行。

冬小麦于2019年10月16日播种，2020年6月5日收获，播种量为180kg·hm-2;夏玉米于2020年6月12日播种，2020年10月2日收获，夏玉米种植密度为60000株/hm2。小麦播种方式为条播，行距为20～30cm;玉米播种方式为穴播，行距为60～70cm，株距为30cm。冬小麦播种后的冬季和第2年的春季分别灌溉1次水，玉米季不灌溉;小麦季苗期人工除草2次，玉米季苗期人工除草1次。

2.2.3 作物产量 小麦收获期每小区收获3个1m2样方，调查成穗数和穗粒数，测定籽粒千粒重。

小麦理论产量（kg·hm-2）=有效穗数×穗粒数×千粒重×0.85/1000

玉米收获期每小区选3行连续的10株玉米穗，调查穗行数和行粒数，测定籽粒百粒重。

玉米理论产量（kg·hm-2）=有效穗数×穗粒数×百粒重×0.85/100

2.3 统计分析 采用Microsoft Excel 2016对数据进行统计、整理;采用SPSS 22.0进行单因素方差分析，并通过DUNCAN检验进行显著性分析（α=0.05），采用用SigmaPlot 14.0进行作图。

3 结果与分析

3.1 蒋家庄村生物质资源量及折纯氮量

3.1.1 植物 蒋家庄总林地（杨树经济林）面积为12hm2;总耕地面积为66.67hm2，其中作物耕地约56.17hm2，其余约10.50hm2为果园和苗圃。经济林为杨树育成林，总面积12hm2。农田与田间道路之间以及交通主道两旁空地面积（杂草生长面积）1.39hm2。夏季作物种植总面积约56.17hm2，主要种植夏玉米、花生、高粱，小面积种植杂粮类作物和蔬菜类作物;春季播种面积49.59hm2，主要种植冬小麦和大蒜，小面积种植蔬菜类作物，其余留春耕地未种植作物。果园包括苹果园、桃、葡萄等果树，总面积5.20hm2;槐树抚育林1.18hm2;中幼抚育林主要为苹果、桃树、核桃等，总面积2.74hm2;苗圃主要栽种桃树、核桃、山楂等苗木，总面积1.39hm2。

农作物、蔬菜、中药材等作物种植面积和单位面积生物质干量的数据均来源于实地调查和取样，由此计算出生物质资源量，总干量为1031.54t·a-1。其中农作物生物质资源最多，总量为1003.81t·a-1;其次是蔬菜类，总量分别为17.68t·a-1，杂草和中药材类生物质资源量相对较少，分别为5.70t和4.35t·a-1（表2）;果园与林业类生物质资源如表3所示，该类生物质资源总量为92.52t·a-1。

该村玉米秸秆全部供给弘毅生态牛场作青贮饲料，因而其不纳入植物生物质氮折算中，从而避免与牛粪中的氮重叠。植物生物质含氮量的数据主要来源于相关文献，其他农作物秸秆含氮量取各小面积种植农作物秸秆含氮量的平均值。该村植物生物质总纯氮量为6.91t·a-1。其中农作物生物质氮最多，总量为5.12t·a-1;其次是园林类和蔬菜类生物质氮，分别为1.01和0.61t·a-1，中药材类和杂草类生物质氮分别为0.07和0.10t·a-1（表4）。

3.1.2 禽畜粪尿 蒋家庄村饲养禽畜有肉牛、生猪、鸡、鸭和鹅。该村庄有1个大型生态养牛场和4户小型禽畜养殖户，其余有禽畜养殖为个体户圈养。肉牛当年出栏量和存栏量为316头，其中弘毅生态农场出栏100头，存欄200头，周边散养户出栏16头。当年共计出栏生猪128头;肉鸡与蛋鸡养殖数量分别为1170只和823只;鸭和鹅养殖数量分别为92只和149只。当年禽畜粪尿年排放总量为2703.08t·a-1，其中禽畜粪便年排放量为1842.27t·a-1，禽畜尿液年排放量为860.81t·a-1（表5）。禽畜粪尿总纯氮量为11.71t·a-1，其中禽畜粪便生物质氮为7.55t·a-1，禽畜尿液生物质氮为4.16t·a-1（表6）。

3.1.3 可降解生活垃圾 蒋家庄村共有240户农户，随机选取10户农户进行连续12天的追踪调查。调查结果表明，该村平均每户产生可降解生活垃圾0.29kg（鲜重），可降解生活垃圾含水量为56.23%，其含氮量测定为21.3g·kg-1。根据公式（5）和公式（6）计算可得，蒋家庄村当年产生可降解生活垃圾（鲜基）25.40t·a-1，可降解生活垃圾生物质氮为0.26t·a-1。

3.1.4 生物质资源量及总纯氮量 蒋家庄村生物质资源总量为3852.54t·a-1，其中禽畜粪便（鲜基）生物质总量为1842.27t·a-1，禽畜尿液生物质总量为860.81t·a-1，植物生物质（干基）总量为1124.06t·a-1，可降解生活垃圾（鲜基）生物质总量为25.40t·a-1（图1）。

该村总生物质资源量折算为纯氮量为18.88t·a-1，其中禽畜粪便生物质氮为7.55t·a-1，占总量的40.0%;禽畜尿液生物质氮4.16t·a-1，占22.0%;植物生物质氮6.91t·a-1，占36.6%;可降解生活垃圾生物质氮为0.26t·a-1，占1.4%（图2）。

3.2 生物质肥转化为有机粮食潜力

3.2.1 冬小麦-夏玉米轮作系统的产量 各施肥条件下冬小麦-夏玉米轮作系统的产量如图3所示。冬小麦季，CK（空白处理）、CF（化肥处理）、H（花生秸秆生物质有机肥）、N（牛粪生物质有机肥）、X（玉米芯生物质有机肥）、L（杨树叶生物质有机肥）、C（杂草生物质有机肥）和G（高粱秸秆生物质有机肥）的产量分别为3505、8384、6471、7727、6136、6347、6479和6178kg·hm-2。其中CF和N之间无显著差异，但均显著高于其他处理（P<0.05）;H、X、L、C和G之间无显著差异，但均显著高于CK（P<0.05）。夏玉米季，CK、CF、H、N、X、L、C和G的产量分别为4218、8650、6928、8298、6098、6682、6737和6529kg·hm-2。其中CF和N之间无显著差异，但均显著高于其他处理（P<0.05），CK显著低于其他处理（P<0.05）;H、L、C和G之间无显著差异，但H、L和D显著高于X（P<0.05）;X和G之间无显著差异。CK、CF、H、N、X、L、C和G的周年产量分别为7723、17035、13397、16026、12234、13030、13216和12708kg·hm-2，其中CF和N之间无显著差异，但均显著高于其他处理（P<0.05），CK显著低于其他处理（P<0.05）;H、L、D和G之间无显著差异，但H、L和D显著高于X（P<0.05）;X和G之间无显著差异。

3.2.2 不同生物质肥转化为有机主粮的潜力 生物质有机肥的生产潜力如表7所示。N（牛粪生物质有机肥）的生产潜力最高，1kg腐熟牛粪可生产1.04kg有机主粮（小麦+玉米）;其次是H（花生秸秆生物质有机肥）和C（杂草生物质有机肥），1kg花生秸秆和1kg大豆秸秆分别可生产0.81和0.76kg有机主粮;G（高粱秸秆生物质有机肥）、L（杨树叶子生物质有机肥）和X（玉米芯生物质有机肥）的生产潜力相对较低，1kg高粱秸秆、1kg杨树叶子和1kg玉米芯分别可生产0.53、0.32和0.24kg有机主粮。

3.2.3 冬小麦-夏玉米轮作系统的经济效益 表8为化肥和各生物质有机肥处理的投入明细。由于CK没有施肥，在实际生产中没有指导意义，因此不做经济效益分析。X和L年均投入最多，分别为24561和21537，其次是CF、N、C和G，分别为17917、17486、17411和17389元·hm-2，H投入相对较少，为16973元·hm-2。各处理在种子、耕地、播种、收获、灌溉方面的投入均相同。化肥处理除了除草、肥料和施肥用工投入与各生物质有机肥处理不同，其他投入均相同。X、L和CF购买肥料投入较高，H、N、C和G购买肥料投入相对较少;N施肥人工投入最高，其次是X和L，H、C和G，CF最少。各生物质有机肥施肥和除草的人工投入均高于化肥处理，H（花生秸秆生物质有机肥）、N（牛粪生物质有机肥）、X（玉米芯生物质有机肥）、L（杨树叶生物质有机肥）、G（高粱秸秆生物质有机肥）、C（杂草生物质有机肥）和H（花生秸秆生物质有机肥）的施肥和除草人工投入分别是CF（化肥处理）的3.92、3.46、3.23、2.91、2.77和2.75倍。

本研究中，试验田为连续6年没有使用化肥和化学农药的有机农田，各生物质有机肥处理的作物按有机标准进行种植，小麦和玉米按有机地头价销售。N年净产值最高，达62070元·hm-2，其次是H、C、G、L和X，分别为49559、48402、45800、43284和36647元·hm-2，CF最低，为21288元·hm-2。各生物质有机肥处理的年净产值均高于化肥处理，N（牛粪生物质有机肥）、H（花生秸秆生物质有机肥）、C（杂草生物质有机肥）、G（高粱秸秆生物质有机肥）、L（杨树叶生物质有机肥）和X（玉米芯生物质有机肥）的年净产值分别是CF（化肥处理）的2.92、2.33、2.27、2.15、2.03和1.72倍（表9）。

4 讨论与结论

所有光合产物及其衍生物都可以当作生物质有机肥，为作物提供生长所需的养分[1]。明确生物质资源量，可为其合理利用和政府相关政策出台提供依据。目前，生物质资源的统计主要集中在国家或区域层面，而关于农村生物质资源量的研究较少，并且研究方法都为利用相关基础数据分析的自下而上估算法，由于基础数据的来源不同以及相关参数的差异，导致其研究结果也存在差异。如2015年，中国秸秆资源量统计分析结果有7.19×108[30]和9.73×108t·a-1[1]，中国禽畜粪尿统计分析结果有31.5810[3]和30.079.73×108t·a-1[1]。这些数据出入的另一部分原因是缺乏具体村庄生物质资源的实地调查。本研究通过实地调查分析1个村庄生物质资源及其折纯氮量，明确了1个典型村庄的生物质资源量及生物质氮总量，为大尺度估算生物质资源提供了基础参数。

城市是人民的主要居住地，农村则是人民生存所需食物的主要供给地，农村每年都会有大量的生物质资源产生。2015年我国农村产生5.33×109t·a-1生物质废弃物，禽畜排放物为4.1×109t·a-1，占总量的76.9%，植物类生物质废弃物为1.13×109t·a-1，占21.2%，生活垃圾为0.1×109t·a-1，占1.9%[31]。本研究發现蒋家庄村生物质资源种类分布与前人研究较为相近，该村生物质资源主要为动物排泄物，占总量的62.0%，植物生物质资源占36.6%，可降解生活垃圾占1.4%。但是，本研究中农村生活垃圾产量（0.29kg/户）低于前人研究的乡镇生活垃圾（0.52kg/人·d）[32-33]，原因是生活垃圾全部来源于村庄内部，生活垃圾的组分为厨房剩余干垃圾（如过剩食材、剩余菜饭等）和日常副食品剩余物（如果皮、果核等），而前人研究的生活垃圾还包括煤灰、塑料、金属、玻璃、纺织品、砖块等无机垃圾，而可降解有机垃圾占比为33.7%±17.8%[34]，以此折算后与本研究中可降解生活垃圾大致相当。蒋家庄全村生物质资源总量折合纯氮为18.88t·a-1，足够满足村庄全部主粮和杂粮作物（56.17hm2）300kg·hm-2的施氮需求。

研究表明，有机肥对土壤理化性质有显著的改善作用[35]，可提高土壤有机碳和氮含量[36]，提高土壤微生物量[37]，进而提高作物产量[38]。农村生物质就地肥料化，既可以避免资源的浪费，又能够就地转化为有机粮食，带来可观的经济效益。本研究中，牛粪生物质有机肥（N，腐熟牛粪）与化肥处理的小麦-玉米轮作系统产量分别为17035和16026kg·hm-2，两者之间无显著差异，但均显著高于各植物生物质有机肥处理（P<0.05）;各植物生物质有机肥处理均显著高于空白处理（P<0.05）。各生物质有机肥转化为有机主粮（冬小麦+夏玉米）的潜力表现为动物粪便（N，腐熟牛粪）生物质有机肥明显高于植物生物质有机肥，1kg动物粪便生物质有机肥可生产1.04kg有机主粮，1kg植物类生物质有机肥平均可生产0.53kg有机主粮。

除含氮量较低的玉米芯和杨树叶生物质有机肥处理的生产投入高于化肥处理外，其余生物质有机肥处理的生产投入与化肥处理相当。但是，各生物质有机肥处理的经济效益均高于化肥处理，动物粪便生物质有机肥处理的经济效益相对高于各植物生物质有机肥处理，其经济效益是化肥处理2.9倍。各植物生物质肥的平均经济效益是化肥处理的2.1倍。此外，各生物质有机肥处理的投入主要为购买生物质肥和施肥与除草人工费用，而废弃生物质就地代替化肥利用相对于农民来说，肥料投入几乎是零成本，施肥与除草人工投入则是农民自己的劳力转化为自己的经济收入。

本研究对沂蒙山区1个典型村落的生物质资源进行调查分析，结果表明，该村具有大量可利用的生物质资源，且可就地作为生物质有机肥施入农田转化为有机主粮，为村庄农民带来可观的经济收入。该村生物质氮总量为18.88t·a-1，主要为动物粪尿生物质氮，超过总量的60%，植物生物质氮为36%。村庄生物质资源总氮量可满足该村全部农作物耕地进行有机种植所需的有机氮。在连续6年进行养地基础上，各生物质可作有机肥就地转化为有机主粮（小麦和玉米），其中动物粪便生物质有机肥的有机主粮产量显著高于植物生物质肥。农民种植有机农作物可使经济收入增加2倍以上，同时还可以在家门口就地将自己的劳动力转化为经济收入。本研究成果可为有机主粮生产、生态循环农业发展、乡村环境保护提供理论依据与实践案例。

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