基于工厂调研的堆肥原料种类和理化性质分析

许俊香，孙钦平，郎乾乾，李钰飞，刘本生，李吉进

（北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097）

随着我国集约化农业和农副产品加工业的快速持续发展以及人民生活水平的提高，产生了大量的农业废弃物、农副产品加工副产物以及餐厨垃圾，其不仅种类繁多，而且数量巨大。据估算，全国每年产生畜禽粪污38 亿t，作物秸秆9 亿t[1-2]，蘑菇渣1 500 万t[3]，园林绿化废弃物2 275 万～3 412.5 万t[4]，餐厨垃圾6 000 万～9 000 万t[5-7]，蔬菜尾菜2.45 亿t[8]。大量的农业废弃物和农副产品加工副产物如不及时有效地进行资源化处理，势必会造成环境污染。不同废弃物资源化利用方式不同：秸秆主要有肥料化、饲料化和燃料化等利用方式[2，9]；畜禽粪便主要有肥料化、沼气化和饲料化利用方式[10-11]；蘑菇渣主要有肥料化、基质化和垫料化等利用方式[3]；园林废弃物主要有肥料化、能源化和材料化利用方式[4]；蔬菜尾菜主要有肥料化、沼气化和饲料化利用方式[12]。由此可见，肥料化利用是不同废弃物普遍采用的资源化利用方式，废弃物经高温堆肥后养分回归土壤更符合我国循环农业发展的需要。但是面对种类繁多、理化性质各异的不同类型废弃物，有机肥生产企业无法及时准确地制定堆肥配方，致使堆肥效率低下、臭气挥发严重以及产品质量较低等问题频出，这严重影响了生产企业的积极性。因此，为充分了解堆肥原料种类和理化性质，本文对堆肥厂进行调研，对堆肥原料进行分类管理并进行理化性质测定，以便使堆肥生产企业能更准确地进行原料配比，从而提高堆肥效率。

1 材料与方法

1.1 数据来源

2017—2018年，对全国346家有机肥生产企业展开调研并进行堆肥原料样品采集，涉及北京市、陕西省、青海省、黑龙江省、山东省、山西省、河南省、河北省、甘肃省、安徽省、江苏省、湖南省、湖北省、四川省、海南省、贵州省、云南省、广东省、浙江省、江西省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区和广西壮族自治区共计23个省、市和自治区。

采集的样品包括动物粪便、作物秸秆、园林废弃物、蔬菜尾菜、农副产品加工副产物（主要是粮油薯加工副产物）以及餐厨垃圾等，共计36种523个，具体见表1。

表1 样品种类、数量以及分布情况Table 1 The category，quantity and sampling area of materials

测定项目包括有机碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、pH、C/N和N/P，共计7项指标。

1.2 理化性质测定

TOC 采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；TN 采用凯氏定氮法测定；TP 采用钼锑抗比色法测定；TK采用火焰光度计法测定；pH 采用pH 计测定。C/N 为TOC与TN的比值；N/P为TN与TP的比值。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel进行数据的相关性分析和做图。

2 结果与讨论

2.1 堆肥原料种类

2.1.1 动物粪便

本次调研从堆肥厂采集的动物粪便以牛粪、猪粪、羊粪、鸡粪和鸭粪为主，未采集到马粪、驴粪、骡子粪以及各种圈粪。主要是由于畜禽养殖结构和农耕方式发生改变所致。

受人们对畜禽产品需求成倍增加的影响，我国畜禽养殖业发展迅速，由图1a 可知，畜禽产品产量逐年上升，2018 年猪肉、牛肉、羊肉和禽蛋产量较1996 年分别增长71.1%、81.1%、162.5%和59.2%[13]，畜禽粪便产生量也随之增加。受新型交通工具替代牛车、马车等农村传统交通工具以及现代化的农机设备替代人耕马拉等原始耕作方式的影响，马、驴和骡的养殖量逐年降低（图1b），2018年马、驴和骡的存栏量较1996年分别下降60.1%、73.2%和84.1%[13]，因此这3 个畜种的粪便产生量也随之减少。受畜禽养殖向规模化和集约化发展的影响，农村养殖散户不断减少，因此产生的各种圈粪和厩粪也随之减少。

2.1.2 餐厨垃圾

本次调研过程中，从有机肥厂采集到了餐厨垃圾。餐厨垃圾分为餐饮垃圾和厨余垃圾，与厨余垃圾相比，餐饮垃圾的产生量更为巨大，目前是餐厨垃圾的主要来源[6]。据统计，2017 年我国餐饮垃圾年产量达6.3×107t，加上厨余垃圾共1.58×108t[14]。但是随着垃圾分类政策的推行，厨余垃圾分出量将大幅提升，例如，北京自2020 年5 月1 日《北京市生活垃圾管理条例》实施以来，厨余垃圾分出量增长了11.7倍，分出率达到19.8%[15]。餐厨垃圾含有较高的有机质和水分，C/N 为11.8～17.4，堆肥化利用是其主要的资源化处理方式之一。

2.2 堆肥原料理化性质

堆肥原料理化性质按照C/N 由小到大进行排列，参见表2。C/N 低于20 的堆肥原料包括动物粪便、蔬菜尾菜、酒糟、海肥和餐厨垃圾等，占调研总种类的50.0%。C/N 介于20～30 的堆肥原料包括蘑菇渣、糖渣、草木灰和药渣等，占调研总种类的16.7%。C/N 高于30 的堆肥原料累计12 种，多为作物残体或农产品加工副产物，包括作物秸秆、园林废弃物、米（麦）糠、木薯渣、锯末和腐植酸等，占调研总种类的33.3%。

2.2.1 原料C/N与氮磷钾总养分相关性分析

对36 种堆肥原料C/N 与氮磷钾总养分进行相关性分析（图2）。由图2 可知，堆肥原料C/N 与氮磷钾总养分呈显著负相关，相关系数为-0.612 8（n=36）。C/N 低于20 的堆肥原料氮磷钾总养分含量为3.34%～11.5%（平均值6.48%）。C/N 介于20～30 的堆肥原料氮磷钾总养分含量为3.96%～7.70%（平均值4.97%）。C/N 高于30 的堆肥原料氮磷钾总养分含量为1.68%～6.16%（平均值3.46%）。

2.2.2 动物粪便氮磷钾总养分变化趋势

与1999 年出版的《中国有机肥料养分数据集》相比[16]，牛粪、猪粪、羊粪和鸡粪中氮磷钾总养分分别增加27.4%、8.2%、1.7%和26.9%，呈现升高趋势（图3）；其中氮增加幅度为-12.5%～19.7%，磷增加幅度为17.1%～56.1%，钾增加幅度为-8.20%～21.9%。原因主要有两个方面：

（1）饲料添加剂广泛使用。随着畜禽养殖由分散饲养向规模化和集约化方向发展，饲料添加剂的使用越来越普遍。2019 年，氨基酸和氨基酸盐类添加剂总产量为330 万t，同比增长10.5%，非蛋白氮（尿素、磷酸铵等一类非蛋白态含氮化合物的总称）添加剂总产量为4万t，同比增长26.4%；磷酸氢钙（含磷酸二氢钙）含磷添加剂总产量为366 万t，同比增长2.3%[17]，防霉剂（二甲酸钾）[18]、营养补充剂（磷酸二氢钾、碘酸钾）[19-20]也保持增长。含氮磷钾饲料添加剂的普及和大量使用，促使畜禽粪便中总养分含量升高。

（2）清粪方式发生了变化。随着畜禽养殖环保政策的实施，规模化、集约化的现代养殖场为减少污水产生量以及降低COD、BOD、TN 和TP 等污染物的排放，在清粪环节采用更为环保的干清粪工艺[21-24]，促使氮磷钾养分更多地保留在粪便中，因而畜禽粪便中的氮磷钾含量相对增加。

畜禽粪便氮磷钾总养分的升高，要求在推荐有机肥用量时，应根据限量标准适当降低施肥量，减少养分在土壤中的盈余，降低面源污染风险。

2.2.3 堆肥原料N/P差异性分析

不同堆肥原料N/P有较大差异（表2）。动物粪便N/P 普遍较低，为1.10～1.79，而秸秆类、蔬菜尾菜以及农副产品加工副产物N/P 普遍较高，通常比值在5.0以上。近年来设施土壤磷素大量累积并发生淋溶，土壤环境污染风险加剧，主要是有机肥N/P为1∶1，与蔬菜N/P 吸收比2∶1～4∶1 不同步，而常规操作又以氮为依据进行推荐施肥，因此有机肥提供的磷大于作物吸收，而使磷不断累积在土壤中。较高的堆肥N/P 有利于减少有机肥源磷在土壤中的累积。因此了解堆肥原料N/P 并在堆肥过程中对N/P 进行调控，对提高堆肥N/P并减少磷素在土壤中的累积具有重要意义。

表2 堆肥原料理化性质Table 2 Materials of physical and chemical properties

以畜禽粪便与玉米秸秆联合堆肥为例说明N/P对调整堆肥配方的影响。设置堆肥初始C/N 分别为15、20、25、30 和35，混合物料初始N/P 如表3 所示。堆肥初始C/N从15增加到35，混合物料N/P亦随之增加，两者呈显著正相关，相关系数为0.875 9。因此，可通过调控堆肥初始C/N获得适宜的N/P，较高的N/P可减少磷在土壤中的累积，降低面源污染风险。

表3 不同C/N条件下畜禽粪便与玉米秸秆混合物料N/PTable 3 N/P ratio of mixed materials of animal manure and corn stalk at different C/N ratio

3 结论

对全国有机肥生产企业进行调研，堆肥原料种类和总养分较20 a前均发生较大变化。

（1）堆肥原料种类与20 a 前数据相比，马粪、驴粪、骡子粪以及各种圈粪不再是堆肥主要原料。此外，餐厨垃圾数量激增，经过有效处理后可成为堆肥原料。

（2）牛粪、猪粪、羊粪和鸡粪等氮磷钾总养分与20 a 前相比呈升高趋势，分别增加27.4%、8.2%、1.7%和26.9%，其中氮增加幅度为-12.5%～19.7%，磷增加幅度为17.1%～56.1%，钾增加幅度为-8.20%～21.9%。应根据土壤限量标准适当减少有机肥施用量，以降低土壤养分盈余。

（3）以畜禽粪便为主要原料的堆肥初始N/P与C/N呈显著正相关（相关系数为0.875 9），通过调控C/N可获得适宜的N/P，从而减少土壤磷素累积。