源分离尿液替代化肥农业利用的前景及存在问题

于广泉，张丹丹，张春雪，徐艳，杨波，魏孝承，郑向群

（农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

世界人口的快速增长导致人们对粮食的需求量持续增加，为保证粮食产量满足供应需求，化肥的使用量和需求量成倍增加[1]。目前，我国已经成为世界上最大的化肥生产国和使用国，自1980 年以来，我国的化肥施用量以每年4%的速度增长[2]。1980—2010年，我国化肥使用量几乎翻了两番，氮肥从94 kg·hm-2增至243 kg·hm-2，磷肥从28 kg·hm-2增至116 kg·hm-2[3]。由于我国农业发展对化肥的依赖程度很高，近年来过度施用化肥所引发的问题受到越来越多的关注。一方面，化肥的大量使用导致氮、磷、钾矿等自然资源的大量消耗，造成原材料供应不足。另一方面，化肥的过度使用还会造成环境污染，例如：①导致氨氮和氮氧化物排放到大气中，对臭氧层造成危害[4]；②造成土壤中硝酸盐的积累，导致土地的盐碱化和酸化[5]，而酸化会加快土壤钙、镁的淋溶，降低碱基饱和度和土壤肥力[6]；③造成土壤重金属污染，如某些化肥中含有镉、汞和砷等，这些重金属在生产过程中进入肥料或出现在原料中[7]，最终进入农田造成污染；④导致营养物质不能被作物完全吸收而渗入地下或随着农田退水进入河流、湖泊等，最终导致地下水[8]或地表水污染[9]。因此亟需找到一种可替代化肥的有机肥料，减少自然资源的消耗，同时，在保证作物产量和质量的前提下，降低对环境的污染。人尿作为生态型的有机肥，含有丰富的N、P、K 等营养物质，若用于农业生产，可有效增加地力，被认为可以部分替代化肥[10]。

目前关于尿液的处理方式主要包括两种：一是经化粪池处理后排入污水管网，最终进入污水处理厂[11]；二是与粪便一起经化粪池处理或单独收集处理后直接还田或制成肥料后还田[12]。研究表明，生活污水中80%的N、56%的P和63%的K来自尿液[13]，将尿液当作污染物直接排入污水管网，不仅造成资源的浪费，还会增加污水处理厂的负担。此外，在人类排泄物中，尿液是N、P、K 的主要贡献者，分别占88%、67%、73%[14]，其中，90%～100%的N 以尿素或铵的形式存在[15]，P 和K 几乎全部（95%～100%）以无机形式存在[16]，这些元素可被大部分植物吸收利用[17]。近年来，许多国家对从人类尿液中回收N、P、K 等营养物质开展了大量研究[18]，结果表明，在弱酸性土壤中，尿基肥料中的N和P与化肥中的N和P同样容易被植物利用[19]。同时，许多国外学者对尿液直接农用进行了研究，结果显示，尿液用于种植玉米[20]、萝卜[21]、卷心菜[22]等过程中，可以显著提高这些作物的产量，尿液直接作为作物肥料的农用价值受到了越来越多的关注[23]。除此之外，使用人类尿液肥料还可以在一定程度上减少化学肥料的用量，并进一步减少肥料生产和运输过程中造成的环境污染[24]。然而，我国作为传统农业大国，虽然人粪尿还田已有上千年的历史，但是对于如何在农业种植中科学使用尿液，实现尿液价值最大化，特别是关于源分离尿液作为肥料替代化肥的可行性方面还有待进一步深入研究和探讨。

本文针对源分离尿液及其营养成分回收、农业利用和利用中存在的问题等进行归纳总结，并对未来人尿农业利用研究给出建议和展望，旨在探讨尿液替代化肥农业利用的前景和存在的问题，促进人尿在我国农业种植上的科学高效利用。

1 源分离尿液

1.1 源分离

19 世纪末，大部分工业国家出现了集中式供排水系统，水冲厕所（便器）应运而生。这虽然极大地改善了城市居民卫生状况以及城市水环境质量，但这种方式不仅消耗大量水资源，同时也阻断了粪便、尿液中营养物质回归土地的生态之路[25]。近年来，基于粪便、尿液源分离概念的生态卫生/排水（ECOSAN）技术在国际上开始受到重视，并在包括我国在内的许多国家得到实践[26]。源分离是指从源头——便器入手，将粪便和尿液单独收集、输送、处置、利用，不再将其与其他污水混合，而被单独收集的尿液可回收营养物质作为肥料，也可就近处理后返回农田，作为养分被农作物吸收利用[27]。基于源分离的粪尿分集式厕所能够很好地将粪尿分开单独收集，实现如厕环境卫生化和尿液回收资源化，其结构如图1所示。

图1 源分离粪尿分集式厕所结构示意图Figure 1 Schematic diagram of source separation feces and urine diversity toilet structure

1.2 尿液的产生量

据统计，成人每日小便4～5 次，排尿约1.0～1.5 L[28]，平均每年排尿约500 L[29]，而儿童的小便约是成人的一半[30]，由此可见人尿的排放量是巨大的。一个成人每年的尿液排放量相当于生产250 kg 谷物所需的肥料量，这也是一个成人每年需要消耗的谷物量[31]。此外，据估算，我国每年产生纯大便1.5×108t、纯尿液4.5×108t，转化生成生活污水5.0×1010t。如果把源源不断的粪尿进行资源化利用，如制成有机肥、沼气等，可替代部分化肥和能源，形成良性循环，将对生态文明建设做出重要贡献[32]。

1.3 尿液成分

从化学成分来看，人的尿液是一种富氮的水溶液，其总量的97%是水[33]。在新鲜人体尿液中，大部分N（75%～90%）以尿素[CO（NH2）2]的形式存在，少量的N 是以尿酸、氨基酸和其他物质形式存在[34]。尿液中的大部分N元素都能够被植物吸收，并且尿液中的N 含量与尿素或铵肥的氮含量相近，约为化学肥料的90%[29]。当尿液排出体外时，只有7%是以氨的形式排出[35]。另外，尿液还含有和可溶性有机物[36]。人体尿液中N、K、P 和Na 的平均浓度分别为（3.07±1.15）、（1.7±0.2）、（0.020±0.004）g·L-1和（1.17±0.12）g·L-1。尿液中的营养成分取决于食物摄入量、体型、体育活动、饮水量和环境因素[37]。SCHOUW 等[38]研究发现大多数发展中国家的人类尿液中的氮含量可能低于发达国家，因为发达国家的混合饮食含有更多的蛋白质。除上述元素外，人体尿液中还含有B、Cu、Zn、Mo、Fe、Co、Mn等能够被植物所吸收利用的微量元素[39]。尿液中的主要成分见表1。

表1 人尿液主要理化性质及营养成分Table 1 Physico-chemical properties and nutrient composition of human urine

1.4 尿液的贮存

尿液贮存是指源分离尿液被收集之后处理利用之前，在源分离厕所或中转站进行贮存的过程。在室温下储存人类尿液被认为是一种卫生的选择，在非种植季节提前储存还可以保证其营养物质的效果[47]。储存人类尿液的卫生状况取决于时间和温度，革兰氏阴性菌初始浓度降低90%所需的时间不超过5 d，降低90%的隐孢子虫需要1 个月，而去除90%的病毒则需要1～2个月不等[48]。储存期间，在细菌活性，特别是脲酶的影响下，尿素被分解成氨和二氧化碳，从而使pH值升高，这是提高病原体失活率的关键因素[49]。pH值在8.9～9.0 时，储存尿液中95%的氮由氨态氮组成[35]。随着pH的升高，碳酸氢盐和氨浓度逐渐增加，尿液的缓冲能力也随之增大，从而杀死尿液中的有害物质[50]。研究表明，如果尿液在20 ℃或更高的温度下储存2～6个月，其病原体含量可降低到施用安全水平，同时植物所需的营养物质分解转化为营养盐，可以作为农业的液体肥料，并有效提高施肥效果[51-52]。

2 源分离尿液中营养物质的回收

2.1 氮回收

在城市污水中，尿液只占废水总量的1%，其中所含的总氮（TN）、总钾（TK）和总磷（TP）却占废水中TN的75%～87%、TK 的50%～90%、TP 的40%～50%[53]。研究表明，通过回收尿液可以将废水转化为可持续的、有价值的营养物质，并用作肥料[54]。从源分离的尿液中回收N，用作固体/液体肥料，可以减少污水处理厂污水中N的负荷，为污水高效处理提供一个有前景的解决方法[55]。如，通过气提法将尿液中无机形态的氨从液相中提取出来[56]，随后与硫酸发生化学反应，形成硫酸铵，反应式如下：

2.2 磷回收

P 元素在地壳中含量丰富，是所有生物必需的元素，它代表了生物在细胞水平的能量值[57]。据估算，从尿液中回收的P 可以满足全球P 需求量的22%[58]。但是与N 不同，人类尿液中的P 必须以鸟粪石沉淀的形式转化为固体[59]。其中鸟粪石是由可溶性正磷酸盐、铵、镁（Mg2+）按摩尔比1∶1∶1 进行化学反应沉淀而成[60]。该过程中，88%的沉淀物以鸟粪石的形式存在[61]。除了鸟粪石，其他矿物质，如钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）、水镁石[Mg（OH）2]和菱镁石（MgCO3）也可以根据尿液中其他二价或三价金属阳离子的数量形成。在1∶1∶1 摩尔比下，鸟粪石沉淀的一般反应遵循如下反应式：

然而，由于鸟粪石沉淀反应必须由Mg诱导，而金属Mg价格比较昂贵，添加Mg使得该沉淀反应成本很高[62]，因此该技术在实际应用中不具优势。今后还需进一步深入研究，开发出更加经济且高效的分离技术。

2.3 钾回收

人尿中含有一定量的K 元素，从尿液中回收K 不仅可以实现资源回收利用，还可以减少城市污水处理中所消耗的能量和成本[63]。目前使用的回收技术主要有流化床结晶（Fluidized bed crystallization,FBC）工艺，即利用结晶原理和流化床方法，在沉淀反应体系中加入粒状固体填料，将要去除的物质结晶沉积在填料的表面上[64-65]。Ca 或Mg的加入，使得P和K 能够以三元化合物[MgKPO4·6H2O，Mg3（PO4）2·22H2O，Mg3（PO4）2·8H2O]的形式被回收。此外，该沉淀反应通过形成低含水率的颗粒避免了大量富水污泥的产生，而这些颗粒可以进一步作为缓释肥料用于农业和园艺[66]。

3 尿液的直接农业利用

3.1 尿液用于作物种植

许多研究者将储存处理后的尿液直接用于作物种植，发现施用尿液能够显著提高作物的产量、株高等农艺性状。MORGAN[67]在津巴布韦对各种蔬菜和玉米进行的试验研究表明，施用水稀释的人类尿液（水和尿液的比例为3∶1）作为液体肥料，蔬菜的产量最高。PANDORF 等[21]的研究表明，与不施肥相比，仅施用尿液可使萝卜产量增加35%。在对卷心菜、高粱、红甜菜、香蕉和玉米的研究中，施用尿液可以提高这些作物的产量。研究表明，在补充肥料的情况下，施用尿液的作物产量超过了施用化肥，尿液促进了菜豆生物量的增长，与空白对照处理相比，菜豆产量在秋季和春季分别增长了82.2%和340.7%，这是由于尿液的施用满足了种植过程中P、K 的需求[21]。PHILIP等[22]的研究发现，施用尿液能够提高卷心菜的株高、叶片数和冠层数，分别提高2.5%、2.4%和4.0%。

另外，在人尿与化肥的对比试验中，AKPANIDIOK 等[43]的研究发现，在温室试验中，与不施肥相比，施用尿液和化学肥料的秋葵生物量和叶产量均有所提高。其中，施用20 000 L·hm-2尿液处理的植株茎干质量最高。HEINONEN-TANSKI 等[44]在两种施肥条件下（施用尿液和化肥），通过对比分析两种施肥的累积收获发现，施用尿液的黄瓜产量在统计学上略高于施用化学肥料。PRADHAN 等[68]的研究表明，施用化学肥料23 d 的南瓜生长速率略高于施用尿液和未施肥的南瓜，但从第44 d 开始，施尿液肥料的植物生长更快，并在第50 d 超过了化学肥料的处理，约第65 d，未施肥的藤蔓长于施用化学肥料的藤蔓。而在整个实验过程中，施尿液的南瓜生长速率高于未施肥的南瓜。其随后的研究证实，与未施肥的番茄相比，施用尿液生产的番茄果实产量高出4.2 倍，假如能够最大程度地减少蒸发，其产量会更高[17]。除上述研究外，世界多地均开展了施用尿液种植作物的研究，主要集中在北欧和非洲，相关研究结果见表2。

表2 尿液作为肥料的研究结果Table 2 Summary of studies using urine as the fertilizer

3.2 全球消费者对人尿种植食物的食用意愿

随着化肥使用导致的农业面源污染、气候变化、土壤酸化以及生物多样性降低等环境问题日益突出，尿液替代化肥的农业利用，特别是尿液作为肥料种植作物方面受到全世界越来越多的关注。为此，国外学者专门调查了全球不同国家消费者对施用尿肥所种植食物的食用意愿，结果显示，总体上有68%的人支持尿液的资源回收利用，59%的人明确表示愿意食用以尿肥种植的食物，仅有11%的人认为以尿肥种植的食物存在健康风险，并且无法通过后续处理进行消除[77]。该调查结果（图2）表明，受认知和社会因素的影响，不同国家和地区居民的食用意愿差异较大。中国、法国和乌干达80%以上的受访对象愿意食用以尿肥种植的食物，巴西和美国等地受访对象的食用意愿也超过了60%，以色列也有接近60%的受访者愿意食用以尿肥种植的食物。此外，由这一调查结果也可以看出，随着人们对新的卫生系统信任感的提升，施用尿液种植的作物将会受到越来越多的认可，尿液的农业利用价值也会受到越来越多的重视。

图2 消费者对施用尿肥所种植食物的食用意愿Figure 2 Consumers′ perception of crops grown with human urine as fertilizer

4 尿液农业利用存在的问题

虽然已有大量研究证明，尿液是一种非常好的肥料，而且农业种植实验结果也表明，尿液农用可以取得较高的产量。但是在传统的食物生产系统中，对于尿液的农业利用仍然存在一些问题，如尿液营养物质回收的技术问题、源分离尿液收集的设施建设问题、尿液农用的环境问题等。

4.1 营养物质回收的技术问题

目前尿液资源化利用技术中，研究最多的是营养物质回收技术，如前文提到的N、P、K 回收技术等。其中N回收技术包括离子交换、膜蒸馏、正向渗透、吹脱法、微生物燃料电池、电化学法等；P 回收技术包括鸟粪石沉淀、反渗透盐水沉淀、吸附法等；K 回收技术包括流化床结晶、流化床均质结晶等[78-80]。然而，目前的这些营养物质回收技术，要么成本太高，要么操作复杂，要么技术不够成熟，且均存在无法同时回收所有营养元素的问题，现阶段难以实现市场推广应用[81-83]。

4.2 源分离尿液收集的设施建设问题

据中国经济与社会发展数据库显示，虽然我国绝大多数农户对用粪尿种植作物无观念障碍，但随着农村自来水日益普及，农户对操作简单、使用方便、干净卫生的水冲厕所的需求越来越高，仅少数缺水地区农户能够接受使用管理更加繁琐的粪尿分集厕所。此外，基于现有技术进行家庭规模的尿液处理效率低且成本高，在家庭存储的基础上再进行集中收集和转运是当前最好的做法[84]。但是要实现源分离尿液的集中收集，除了建立源分离的厕所外，还需要单独的尿液输送管道和储存装置，这必然导致建设成本的增加。

4.3 尿液直接农用的环境问题

4.3.1 土壤盐渍化

施用尿液最大的影响之一是可能导致土壤盐渍化。人尿的施用会使土壤的电导率和盐度增加，最终造成土壤盐渍化，在农业生产力较低的情况下，甚至会导致作物歉收[85]。土壤盐渍化主要受排水条件、土壤类型和气候等因素的影响，在干旱和半干旱地区，由于土壤剖面上积累的盐不能被雨水定期冲刷，很容易产生盐渍化[86]。根据土壤类型和排水条件的不同，土壤中的盐分在溶解浓度超过500 mg·L-1时出现盐渍化，当溶解浓度超过2 000 mg·L-1以及钠的吸附比超过39时，盐分就会危及土壤质量[87]。

4.3.2 土壤酸化

人类尿液作为一种速效液体肥料，需要谨慎施用和合理调控，如果不加以控制，就会导致尿液中NH3挥发。HU等[88]研究发现，施用液体有机肥料最有可能导致土壤中水解生成H+和NH3，导致大气中NH3排放增加，同时带来土壤酸化风险。KASSA 等[20]的研究表明，施用尿液后的土壤表层磷酸盐浓度与各对照具有显著差异，且随尿量的增加土壤磷酸盐的浓度升高。但是，与各对照相比，底部取样处理的土壤几乎没有变化。这可能是因为在表层土壤的吸附和沉淀位点饱和之前，磷酸盐离子不会迁移[89]。ADEOLUWA等[72]的试验结果表明，在pH值为4.8的酸性土壤中施用100%尿液、2/3尿N+1/3堆肥N和100%堆肥N，试验结束时pH值降至4.7，有机碳含量最高的处理是施用100%尿液，其含量高达13.08 g·kg-1，而各处理中其他土壤元素差异不明显。

4.3.3 致病菌和药物积累

尿液肥料化最主要的人体健康风险问题源于尿液中可能含有的人类病原体。虽然肠道病原体主要以粪便而非尿液的形式排出，但源分离的尿液与粪便的交叉污染已被证实[90]。据统计，人类为了治疗疼痛、心血管类或癫痫类等疾病所服用的一些药物，如氨苄西林、卡马西平、环丙沙星、布洛芬、甲氧苄氨嘧啶、磺胺甲恶唑等[91-92]，大多会通过尿液（部分是通过粪便）以原母体化合物或代谢物形式排出[93-95]，如果直接施用这种含有药物的尿液可能会给农田带来一定的风险[96]，因此需对尿液进行无害化处理后才能进行农业利用。

5 结论与展望

人尿中含有丰富的N、P、K 等元素，能够满足作物正常生长需求，依据生态循环理论，将源分离尿液最终作为液体肥料回归农田应是其最佳处置途径。尿液中营养物质的回收可以减少N、P、K 等矿产资源的消耗，同时尿液回归农田还可以提高作物的产量。因此以源分离尿液作为肥料替代化肥是值得研究和具有前景的方向，但还需要解决好尿液营养物质回收的技术问题、收集设施建设的问题以及还田对土壤环境所带来的负面影响。本文对源分离人尿替代化肥农业利用提出以下展望：

（1）我国作为农业人口大国，人尿资源丰富，具有巨大的利用潜力。开展源分离尿液营养物质回收和人尿还田利用，不仅有利于减少不可再生资源的开发利用，而且能够改善因使用化肥而导致的一系列环境问题。特别是在我国广阔的农村地区，将人尿有效地替代化肥，在降低种植成本的同时，还可实现对农村厕所粪污的资源化利用，改善农村人居环境。因此，源分离人尿中营养成分的回收和科学还田将是我国实现碳达峰、碳中和的重要举措之一。

（2）人尿直接还田可能造成土壤盐渍化和土壤酸化。因此在今后的尿液还田过程中，应正确管理农业用尿，最大限度地提高利用效益，减少不利影响。在施用尿液过程中，应多方面综合考虑，如尿液施用量、作物类型、作物营养需求以及土壤性质等。为降低尿液作为农业肥料所带来的负面影响，应进一步改进农业实践操作，建立尿液施用标准，并定期监测尿液施用区域地下水质量，避免地下水污染。

（3）由于人体排出的尿液中含有某些残留药物，直接将其施用到农田中可能会对农作物产生毒害作用。目前，源分离人类尿液中残留的药物的潜在负面影响尚不明确，同时，对于人类尿液中的药物成分及其在土壤中的积累、迁移和被作物吸收的研究还鲜见报道。因此，建议深入开展相关方面的研究，并根据相关成果提出基于生物-物理-化学过程的人类尿液预处理方法和技术，以降低病原体污染食用作物的风险，保障人类的身体健康。