畜禽粪污还田资源化利用的途径及建议

2023-02-09朱燕燕黄国生蒋永健

浙江农业科学 2023年9期

朱燕燕，黄国生，蒋永健

(1.杭州径天农业开发有限公司，浙江杭州 310000；2.浙江省畜牧技术推广与种畜禽监测总站，浙江杭州 310021)

全国第二次污染普查的统计数据显示，农业面源污染在农业污染中占据主导地位，而畜禽粪污和化学肥料在农业面源污染中占主要比重，其中畜禽粪污中的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷分别占到整个农业污染排放量的94%、51%、42%和56%[1]。

当前我国畜禽养殖正朝着集约化、规模化方向发展，在生产过程中产生了大量的畜禽粪污。根据农业农村部2018年底公布的数据，我国的畜禽粪污产生量为4.0×1010t，但对其综合利用率却较低，和欧美、日本等国家存在较大差距，未及时处理利用部分的畜禽粪污给环境造成巨大压力，从而引发了农业面源污染和增强了温室效应[2-3]；另一方面，我国从20世纪60年代以来，农业种植开始选择施用化肥代替传统的有机肥，在作物生产过程中，农户往往为获取高产量而过量增施化肥，致使土壤中化肥流失、淋溶，造成水体的富营养化等环境问题[4]。

近年来，一些养殖企业为了达到环保要求，选择工业化模式进行畜禽粪污处理，但这种处理方式成本高、能耗高、运转费用高、操作困难，生产中难以持续运行，并且不能在根本上解决问题[5]。在化肥出现以前，农业长期利用畜禽粪肥还田，畜禽粪污本质上是一种资源。如果放对位置在种植中可以进行有效利用。目前全国各地均以畜禽粪污肥料化和能源化利用为主要方向，深入推进畜禽粪污资源化利用，着力促进种养结合。2022年农业农村部在全面部署畜禽粪污资源化利用工作会议中要求“构建畜禽粪污资源化长效机制，加快培育粪肥还田社会化服务组织，促进畜禽粪肥科学还田”。种养结合是指将种植业与养殖业科学结合，种植作物作为畜禽饲料，畜禽粪污制成的粪肥还田，提供作物生长所需养分，充分转化和循环种养之间的物质和能量，实现畜禽粪污肥料化、种植作物有机化[6-7]。种养结合是农业生产中一条重要的固碳途径，既可以将畜禽粪污资源化利用，又可以减少化肥的使用，实现减污降碳[8]。本文首先阐述了种养结合的优势、我国种养结合的现状、种养结合模式的问题，然后针对出现的问题，借鉴国外的一些经验提出符合我国科学发展种养结合的可行措施，以期为切实推动我国畜禽粪污的有效还田和种养结合模式的实行。

1 种养结合的优势

种养结合作为一种环境友好型的技术模式和经营模式，可以很大程度上缓解畜禽粪污处理不当造成的污染问题，有效地实现养殖粪污的二次利用。具体来说，实施种养结合，主要有如下几点优势：

1.1 培肥地力

畜禽粪污可直接制成有机肥作为作物生长肥料，还可以与作物秸秆等废弃物发酵制成有机复合肥，粪肥还田可以提高土壤的有机碳含量，增加土壤团聚体的含量和稳定性，从而增强土壤中碳的固存能力[9-10]。张淑香等[11]研究发现，在连续施用有机肥30 a后，西北和华北土壤有机质含量平均提高51%和68%，南方地区土壤有机质平均提高24%。国内外的学者研究还发现，粪肥还田可以改变土壤的pH值，释放一些被固持的营养元素，可以不同程度增加土壤的全氮、碱解氮、有效磷、速效钾及中微量元素的含量[12-13]。

1.2 减少环境污染

通过堆肥、沼气工程和应用发酵床、发酵罐等手段对畜禽粪便进行无害化处理，可有效提高环境承载力。研究表明，1 000 m3的沼气池进行沼气发酵每年可减少78.91 t碳足迹排放[14-15]。粪污的无害化处理作为资源化利用的前提，能降低抗生素、重金属和病原菌的含量，降低由于畜禽粪便处理不当带来的环境污染。粪污肥料化作为资源化利用的一种形式，能够减少粪污过载排放导致的恶臭、水污染等环境问题。种养结合作为一种可持续发展的绿色农业生产模式，可以有效推动畜禽粪污资源化利用，变废为宝，还可以减少使用化肥、农药，进而减少农业面源污染，改善居住环境[16]。

1.3 提高经济效益

有机肥的施用可提高农产品的质量和产量，拓展农户的增收渠道，为发展有机农业、生产有机产品创造条件，提升农产品品质。种养结合的循环链中，可明显降低农业生产的成本，降低因市场、价格、自然灾害等因素带来的农业经营风险[17]。畜禽粪污资源化还田利用，相较于达标处理排放可以减少环保投资成本，降低了养殖企业的粪污处理成本，还可以获得延伸产业链带来的收益。

1.4 促进可持续发展

通过种养的有机结合，实行农牧业、种植业的优化布局和种养一体化的生态循环发展体系，提高农业生态系统的自我调节能力，提升农牧业生产发展水平，促进畜牧业和生态环境的和谐共生和可持续发展。

总的来说，种养结合的主要特点是绿色、优质、环保、节能，构建产业链共生发展生态，实现多环节、多层次、宽领域的增值增收[18]。

2 我国种养结合的现状

“十三五”期间，农业农村部、财政部等4个部门联合启动了中央财政和中央预算内投资畜禽粪污资源化利用整县推进项目，累计投入296亿元中央资金，支持了585个畜牧大县进行整县推进项目。同时，《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》在全国100个果菜茶重点县(市、区)实施[19]。但是，目前全国超过2/3的农业园区进行单一种植或单一养殖，不能实现种植与养殖的相互衔接，粪污还田“最后一公里”问题尚未解决[19]。

2.1 畜禽粪污资源化综合利用率

根据《中国农业年鉴2020》数据，结合畜禽粪便排泄系数计算，我国2019年度生猪、肉牛、奶牛、羊和家禽的粪污排泄量(不包含冲洗污水量)已经达到1.44×109t，各省具体产生量详见图1。“十三五”期间，畜禽粪污综合利用率达到75%，规模养殖场粪污处理设施设备配套率达到95%，大型规模养殖场粪污处理设施设备配套率达到96%。

2.2 种养结合资源化还田施用情况

农业农村部对我国23 706个典型环境地块调查结果显示，我国种植业以小农经济为主导，经济作物种植地中有37%施用有机肥；瓜果蔬菜地中46.7%施用有机肥；粮食作物种植地块有机肥施用比例合计19%[20]。

2.3 种养结合模式类别

畜禽粪污分为固体粪污和液体粪污，两种粪污需采用不同的处理技术制成有机肥还田。目前我国粪肥还田利用模式大体上有三类：(1)畜禽粪污-储存-农田模式，畜禽粪污全量收集进入氧化塘储存，作为初级有机肥还田利用；(2)液体粪污-沼气-农田模式，该模式是以沼气池为核心，分离的液体粪污进入沼气池，在厌氧环境中产生沼气、沼液和沼渣，其中沼气作为清洁能源用以燃烧或发电，沼肥(沼液、沼渣)作为有机肥还田利用；(3)畜禽粪污-堆(沤)肥+沼气-农田模式，该模式是将收集的畜禽粪污进行固液分离，固体粪污通过好氧发酵制成有机肥，液体粪污采用厌氧发酵制成有机肥。

3 种养结合中的问题分析

3.1 种养结合中的问题

3.1.1 种植与规模养殖脱节

为满足社会对畜禽产品需求量和获得最大经济利益，国内养殖企业规模化程度及数量急剧扩大，而种植业的规模仍然沿袭传统小农/家庭模式，种养主体在规模和地理上逐步分离[21]。在国家颁布的相关文件明确规定，畜禽养殖设施严禁占用基本农田和其所具有的环境敏感性，养殖场大多建在远离居民居住区的偏远山地，地理分离加剧种养分离。

作为畜禽粪污产生端的养殖业，小规模养殖场、散养户的粪污处理设施设备与产生量不匹配，基本采用粗放处理或集中堆放处理；中大规模养殖场的粪污产生量大且集中，所需配套土地较多，但消纳田地、林地难以配套，达标排放资金投入太大。作为畜禽粪污承载端的种植产业，大多数种植基地在施肥方面都未经过科学合理的规划设计，种植户更倾向于选择体积小、养分含量高、易施用、存储方便的化肥。

3.1.2 处理和施用方式粗放、粪肥利用率低

在畜禽粪污资源化利用过程中，大多养殖企业并未合理处理产生的粪污，往往采用简单堆肥、发酵和风干等粗放工艺。地区、土壤类型、作物类型和种植方式的差异决定了施肥结构和施肥技术参数，但是农户施肥基本凭经验，普遍存在有机肥比例不合理，且施用时间、方法和用量不科学。目前，有机肥施用主要还是依靠人工随意撒施和撒施，机械施肥设备覆盖率极低。根据农业农村部的调研数据显示，我国固体粪肥采用人工撒施达到94.5%；液体粪肥采用漫灌达到76.5%[22]。撒施劳动强度大，撒施和漫灌极易造成养分流失，长期灌溉易导致土壤养分失衡，有时还会引发氨气、臭气等空气扰民问题。Bai等[23]的研究指出，因施肥方式不当和设备缺乏可导致还田粪肥中氮元素损失近40%。

3.1.3 第三方社会化服务组织的数量及区域匹配度低

根据实地调研和文献资料显示，针对畜禽粪污集中收集、处理和运输的社会化服务组织较少且规模不大。目前浙江省仅有68家提供沼液储运、管网管护、贮存设施管护等沼液配送社会化服务组织，粪污集中收集处理的辐射区域半径普遍偏小，与规模化的种植区距离远、服务能力弱；还有部分组织未安装粪污检测设备(液位仪、流量计等)，槽罐车无定位系统等等，这些导致畜禽粪污在资源化利用、范围以及在监管、技术和社会方面都无法得到有力的支持和推进，没有建立起养殖业和种植业的经济链接。

3.1.4 有机肥竞争力弱、精准施肥开展难度大

目前由畜禽粪污制成的初级有机肥未经安全检测，可能存在携带病原菌、寄生虫卵及重金属含量超标等问题；生产商品有机肥的品质差、异味大、养分含量低、储存不便，施用的人工成本高，传统的堆沤肥需要经过长时间发酵腐熟后才能使用，其间还需人工参与捂堆、翻堆等过程，费时费力导致有机肥使用的竞争力弱。高品质的有机肥生产需要引进新技术，资金投入大，需要专业的有机肥生产企业引领。同时施肥需要按照土壤肥力、作物品种和有机肥种类的不同，进行测土配方后方能确定有机肥、化肥和水的施用比例、时期。施肥过程造成的面源污染基本上都是因为农户根据经验过量施肥、不均衡施肥、施肥方法不当等导致。

3.1.5 实施技术及制度不成熟

种养结合模式的实施及推广需要养殖业、种植业、环保等不同行业和部门共同参与，在科学的技术指导下系统进行。目前农村劳动力老龄化、文化程度不够高、生产技术低、农业技术服务欠缺，未能建立地区土壤养分和粪肥养分含量台账。种植户施用未经腐熟或未完全腐熟的有机肥，易引起农作物病虫害或减产，对施用有机肥产生抵触。同时机械化施用粪肥覆盖面积低，人工施用时强度大、成本高，尤其是在一些地势较高地区生长的作物，更是难以开展有机肥的施用工作，从而造成农户增施粪肥意愿弱。

4 实现种养结合的科学途径

我国自2014年实施《畜禽规模养殖污染防治条例》以来，一直在鼓励和支持粪肥还田、通过生产沼气和有机肥等方法对畜禽养殖废弃物进行综合利用，各地也在积极探索适合地方发展的畜禽养殖废弃物综合利用模式。浙江省结合自身经济、环境等特点，因地制宜，探索发展适合自身的农业发展体系，制订下发《浙江省畜禽粪污减量化无害化和资源化利用技术导则》，阐述了从养殖源头到末端还田各环节科学开展畜禽粪污资源化工作的技术方法。参考国内外种养结合的一些成熟技术方法，特提出以下途径，以推进畜禽粪污的还田工作。

4.1 政府主导，技术扶持，建立种养结合长效机制

种养结合生态养殖模式须由政府主管部门牵头。由国家农业农村、环保等部门组织，在全国各地选取具有代表性的大中型养殖场实施畜禽粪污还田，打造一批种养结合循环农业示范基地，同时对采用种养结合的养殖和种植企业进行财政扶持及技术支持。积极鼓励采用PPP(public-private partnership)模式，核心是政府投资建设公共公用设施和提供技术指导，规模养殖场与农户建立新型合作社，并配套足够规模的农田，实现畜禽粪污就地就近消纳。PPP模式既可以解决畜禽粪污中的资源化利用问题，又可以实现当地农业的增收，实现养殖业与种植业绿色、生态、可持续发展。

其次是建立技术标准和加强人才队伍建设。粪肥中的养分流动周期规律与机制对种养结合的有效推进起着重要作用，在种养结合的长效机制中需要侧重基础理论融入和集成模式探索，建立从畜禽粪污产生、收集、处理、还田整个过程的监测体系，依据监测数据和国家、地方、行业等标准，制定粪肥科学还田标准体系，由专业技术人员科学实施。可以预见，技术人才的培养与壮大将成为种养结合切实实施的最后推手。

4.2 循环利用的紧密嵌合

养殖场需在种养结合的模式基础上嵌入可循环利用的技术原则，最大限度地降低畜禽粪污对环境产生的负面影响。首先，养殖场需从实际情况出发，制定适合自身发展的养殖模式，常见的成熟技术模式有猪/牛-沼-果/稻/菜/草/菌等。其次，选择自行处理的养殖场，需根据养殖规模，配套足量的粪污资源化处理设施设备，粪肥优先考虑就地还田、就近利用。当养殖场粪污超出土地承载量时，与当地政府部门充分沟通，通过粪肥运输系统进行实时运输处理，避免粪肥受地域、季节和天气等影响。

4.3 发展农业数字化信息技术

在畜禽粪污的综合利用过程中使用大数据、云计算、物联网、人工智能等数字化信息技术，提高畜禽粪污资源化利用效率，实现精准、科学、规范、高效利用。首先，引进农业气象站和土壤养分、重金属传感器，借助气象站对当地的空气和土壤温湿度、降水量、风向、风速等情况进行实时监测，利用土壤传感器对还田地块进行养分和重金属含量的变化监测，并将数据结果反馈至人工智能控制中心，通过软件系统设置接入参数阈值实现农田肥水自动化灌溉，并记录肥水施用量及施用去向，实现液体粪污资源化利用台账与信息化管理。其次是通过智能控制模块联动，依据田间作物土壤墒情、种植气候、作物生长周期等各项指标，实现按照作物生长周期需求的智能化沼肥施用，提升施肥效率，防止形成沼肥地表径流。加强资源化利用台账管理，以替代依传统经验施肥方案，优化设备运行管理，实现智能化管控。浙江的智慧农业发展领跑全国，《浙江省畜禽养殖污染防治“十四五”规划》(浙环发〔2021〕4号)明确指出在全省的养殖大户实行数字化管控，实时监控养殖规模、废弃物综合利用、污染防治设施建设等情况。

4.4 培育第三方社会服务化组织

在规模养殖场集中或散养密集的区域，通过建设畜禽粪污集中收集处理中心，利用畜禽粪污、农作物秸秆和残体等原料进行有机肥生产，提高畜禽粪污资源化利用程度。集中处理中心建设前，须调研统计周边畜禽养殖场分布及养殖规模，计算畜禽粪污产生量，规划还田路线，在畜禽粪污和消纳地之间建立有效的输送网络，科学选址并设计相匹配的处理规模。利用集中处理中心可以更加专业地处理畜禽粪污，实现废物利用，在节约资源的同时改善其对生态环境的影响。第三方服务组织作为桥梁将养殖业和种植业连接，粪污收集、处理、生产和施肥管理得以专业化，降低施用成本和土壤污染风险，形成“三赢”的合作优势。

4.5 推进粪肥还田的机械化

实现畜禽粪污高效还田利用，需要深入推进畜禽粪污收集、处理、贮存、运输、施用等多环节机械化水平和运行效率。同时依托科研院校的科研力量，加快新设备新机械的研发、制造和推广，着力破解有机肥还田施用技术和成本障碍。在粪污还田的方式上，可参考国外的一些较为成熟的施用方式，并结合当地的情况，采用喷灌、滴灌、条施、浅层注射、深层注射[24-25]。目前我国的固体粪肥施用机械设备主要有螺旋杆施肥机、履带式撒肥机、精确有机肥施肥机等；液体粪肥洒施研发的装备主要有沼液还田施肥机、深施型液态施肥机、液态肥施肥机、沼液沼渣暗灌施肥机等。

案例分享：杭州径天农业开发有限公司是杭州市余杭区一家大型沼液第三方社会服务化组织，辐射范围包括余杭区径山镇、瓶窑镇、余杭街道、仁和街道等6家养殖企业和153家3 800 hm2种植基地。公司建有公共沼液贮存池6 500 m3，粪肥运输车及施用机械设备6套，粪肥运输车均搭载GPS定位系统，并且安装了一键智能沼液装载系统，在解放劳动力的同时实现清洁、简便和安全的操作模式。公司2022年共收集运输养殖企业的粪污12.1万t，粪污通过专业化处理后送至第三方检测机构测定沼液的养分含量及重金属含量等指标均符合相关标准。根据不同季节、地段、作物需求情况进行就近统筹调配沼液，实现按需施肥、精准施肥。公司年运行成本287万元，收入350万元，合计产生年经济效益约63万元；对接的种植基地施用沼液替代化肥的肥料年节省成本约428万元。全年异地处理配送沼液约12万t，配送沼液量占全区沼液产生量的46.3%，给全区种植业提供了充裕的液态肥，帮助养殖企业实现污水零排放。

杭州径天农业开发有限公司是余杭区畜禽管理系统中沼液管理的典型代表，它利用自身数字化优势打造了“余杭区畜禽生态监管应用系统”，实现了区域内农牧对接，绿色循环，并对畜禽粪污沼液肥去向进行实时监管。通过此平台，养殖场和种植基地可以通过液位预警信息，提前规划沼液肥使用计划，第三方服务组织对接二者供需情况，合理统筹，实现定点定时按需使用。