李季等：從鄉間堆肥入手重建循環經濟
来源：人与生物圈 作者：李季、王越
堆肥是一門既傳統又現代的學科，堆肥的目的就是通過一系列科學的工藝步驟，把各種各樣的有機廢棄物分解轉化成爲一種穩定的、無害化的適合于土壤培肥的有機肥産品。
堆肥一般分爲好氧堆肥和厭氧堆肥。好氧堆肥指在有氧氣情況下有機物料的分解過程，其代謝産物主要是二氧化碳、水和熱；而厭氧堆肥則是在無氧氣條件下有機物料的分解，厭氧分解最後的代謝産物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間産物，如有機酸等。傳統堆肥以厭氧堆肥爲主，而現代堆肥系統則大都采用好氧堆肥。好氧堆肥從我國南宋時期即已肇始，是在北方人口大批向南方轉移、水稻種植開始出現兩熟制以及土壤肥力不足以維持高産的情形下出現的，由此解決了千年來我國土壤的地力常新壯問題。现代堆肥技术开始于20 世纪20~30年代的欧洲，以机械化堆肥为特色，目前工艺有上百种、技术也形形色色，并成为城乡有机废弃物处理领域的一个重要方向，受到众多城建、环卫、农业等部门与企业的欢迎。籠統地講，堆肥也是有機肥。廣義上的有機肥範圍很寬，包括所有施用到農田的有機物料，如人畜糞便、綠肥、河泥、骨粉等，也包括規模化有機肥廠生産的商品有機肥。在我國農民的傳統智慧裏，新鮮的水分含量高的廢棄物均要經過一個熟化的過程才可還田，而熟化就是一個堆肥的過程；現代商品有機肥標准裏也要求稭稈、畜禽糞便等有機廢棄物一定要經過發酵腐熟這樣一個過程。令人遗憾的是，经过40 年的城市化和工业化发展，我国城乡许多有机废弃物不再用来堆肥，而是被送到一个个垃圾填埋场、焚烧厂，或者被简单堆放在田间，随着雨水流入水体，加速了全国范围水质的严重恶化。乡间堆肥已远离我们，不再是农村冬春季节的一道道独特的风景，这对于我们这样一个有着几千年传统文化的农业大国而言，悲乎痛哉！堆肥有很多作用，包括廢物利用、減少汙染、改良土壤、提高産量、改善品質等，最重要的有兩點：一是可以把大量的有機廢棄物轉變爲有用的産品，降低環境風險；二是能創造有價值的堆肥産品，可作爲土壤改良劑或有機肥産品等。堆肥與廢物資源利用 据估算，我国每年都会产生高达55 亿吨的有机废弃物，其中主要是畜禽粪便和秸秆，还有城市及食品工业等的废弃物，如有机垃圾、生活污泥、糖渣、酒糟等。资料显示，2017 年全国秸秆可收集量为9 亿吨，秸秆综合利用率约80%，还有20% 的秸秆未得到有效利用，一些地区秸秆焚烧现象依然严重。根据估算，目前我国养殖业每年产生的畜禽粪污总量约为38 亿吨，按收集系数70% 来计，每年需要处理的畜禽粪污量达27 亿吨。除此以外，每年还有约2 亿吨的有机垃圾、5000 万吨的市镇污泥以及数千万吨的食品下脚料等。有机固体废弃物中蕴含着丰富的养分。据估算，全国有机肥料资源中氮磷钾养分储量高达7000 万吨，理论上可以完全替代化肥投入，若这些有机废弃物利用率达到50%，则可替代约一半的化肥。据2017 年全国第二次污染源普查公报的结果显示，来自农业源水污染物排放量中，化学需氧量为1067.13 万吨， 氨氮为21.62 万吨，总氮为141.49 万吨，总磷为21.20 万吨，分别占总量的49.77%，22.44%，46.52% 和67.21%，是主要的污染来源。因此，科学利用这些有机固体废弃物，既可防止其污染环境，同时又可以加快资源的循环利用，减少资源的浪费。当然，开发各类有54 MAN AND THE BIOSPHERE Issue 129 -130机废弃物需要有一定的方法、技术和设备，使之达到“减量化、无害化和资源化”要求，而堆肥就是处理各类有机废弃物无害化与资源化最有效的途径之一，是集处理和资源化利用于一体的生物方法，由于其无害化比较彻底，资源化率比较高，目前广受关注。堆肥與農業生産 堆肥與農業密不可分，自古以來，人們將有機廢棄物進行混合堆漚處理，並將産物再歸還于土壤，這既符合農業可持續發展的方向，也有利于促進農業和畜牧業的共同發展，提高人民生活質量。把有機廢棄物歸還到土壤，首先可以爲作物提供一定的養分促進作物生長，因爲堆肥中不僅含有氮、磷、鉀、鈣、鎂等大量營養元素，也含有鐵、銅、鋅、錳、硼等微量元素，因此是一種全面的、綜合的植物養分供應源；其次可以改善土壤的理化和生物學性狀，連續施用有機肥，可逐步提高土壤有機質含量，使土壤生物活性旺盛，土壤養分供應能力提高，抑制土壤病害的發生；再者可以提高作物産量，並保證穩産高産。大量的施肥試驗表明，有機肥與化肥結合施用還能進一步提高不同農作物的産量，並提高農業的可持續生産力。据不完全统计，我国目前有机肥使用比例仅约25% 左右，远低于欧美等发达国家50%的使用比例。近年来，我国农业主管部门发布了一系列有机肥替代化肥行动计划、高标准农田建设规划等指导性意见，对有机肥的使用给予了大力支持。中国农业大学自1993 年起在河北省曲周实验站开展有机肥的粮田长期定位实验，经过27 年的时间，土壤有机质从1.3% 提高到3%，每亩年均提高0.063%。1995~2016年间，小麦平均产量提高了29.4%，玉米平均产量提高了25.4%。中国农业科学院在山东省禹城开展31 年的长期定位试验发现，施用有机肥能够显著降低土壤容重，增加土壤有机质的含量及储量。目前，堆肥技術已成爲發展生態農業和改善農村環境的重要技術支撐，在稭稈、尾菜綜合處理、畜禽糞便資源化利用、商品有機類肥料的開發、有機肥替代化肥等行動計劃中發揮著越來越重要的作用。据史料记载，人类利用有机固体废弃物生产堆肥的历史已延续两千余年。据古书记载，我国公元六世纪就出现了“踏粪法”，即厌氧厩肥的生产应用；公元1149 年南宋时期则最早记录了好氧堆肥的方法。这些历史记录也反映出我国古代为了保持土壤肥力、提高农业生产力以及满足粮食需要，在有机废物的循环利用方面做出了令现代人叹为观止的成就，其利用范围和利用程度远超当代。中國不同曆史時期對有機原料的農業利用經曆了一個逐漸認識發展的過程。不同階段如西漢時期、北魏時期、南宋時期、元朝時期、明朝、清朝的主要農學著作對此均有詳細的記錄。我們從中可以看出，我國農民在長期的生産實踐中發掘出越來越多的有機肥資源，特別是在南宋和清末，由于人口的激增，全面利用農村各類有機肥資源達到了空前的水平。我們挖掘和揭示這些傳統堆肥方法的作用，目的不是爲了恢複這些技術，而是警示當下的人們要學習古人物盡其用的理念，珍惜資源、愛護環境。相信在鄉村振興中重建循環經濟的背景下，現代的技術、裝備會不斷開發出來，用來取代傳統的落後手工做法；也確信會有更多村莊建立起適合自身特點的各式各樣的廢物循環利用設施，還自然于綠水青山。根据美国公用事业协会（APWP）报道，最早的堆肥工程技术开始于1925 年的印度，其方法被称为印多尔法（Indore）。1932 年，荷兰VAM 公司建立了欧洲第一个改良印多尔法的规模化堆肥厂，其工艺称为范曼奈法（VanMannen），是将垃圾用水调节后，在室外堆积4~8 个月（厌氧分解），然后破碎、分选得到堆肥产品。1933 年，丹麦出现了丹诺（Dano）堆肥工艺，这是一种运用滚筒进行好氧发酵的方法，特点是发酵温度高、发酵周期短，一般只需3~4 天即可以基本实现无害化。20 世纪70 年代以后，许多堆肥工艺不断得到完善，一些新的工艺也被开发出来，如1972~1973 年间美国农业部马里兰州农业研究中心开发的通气静态堆工艺，也称贝特斯维勒（BELTSVILLE）工艺。该工艺在美国得到了广泛应用，1990 年已有超过76 座设备在运行。其他堆肥的工艺还有垂直通风搅拌床托马斯（EARP-THOMAS）工艺，日本的立式多层搅拌床式工艺（即塔式工艺），爱温森（EWESON）转鼓式反应器系统以及比尔德（Beard）筒仓工艺等。现代堆肥技术在我国起始于20 世纪50 年代，这一时期的堆肥多为露天的堆垛，采用表面土壤覆盖保温，自然通风供氧，没有专用的机械设备，也很少进行堆体的维护管理，多为厌氧或者兼性好氧堆肥过程，堆肥产品主要用于农田、果园或苗圃。70~80 年代，堆肥化处理各种有机废弃物成为研究热点，堆肥专用机械设备得到大量引进与开发，涌现出大量新工艺、新技术，堆肥机理也得到了深入研究。这一阶段主要采用二次发酵工艺，堆肥方式还是静态堆肥方式，1987 年开始了配合翻堆的动态堆肥工艺的研究。90 年代开始，国内已掌握了堆肥基本技术，主要堆肥工艺趋向成熟，具备了产业化发展的条件。我国乡村在经历40 年高速城镇化和非农化过程中，生态环境也经历了一个污染退化和艰难治理的过程。鄉村生態環境變遷 畜禽养殖是农村环境污染的主要来源。当前，我国畜禽养殖业化学需氧量、氨氮、总氮、总磷排放分别为1000.53 万吨、11.09 万吨、59.63 万吨、11.97 万吨，占农业源排放的93.8%、51.3%、42.1%、56.5%，成为农业面源污染的最重要“贡献者”。近年來，國家不斷加大對畜禽規模養殖汙染的監管和治理力度，大中型畜禽養殖場汙染問題基本得到控制。但規模以下養殖場（戶）因小本經營、環保意識不高，糞汙處理設施配套不完善，加之種養分離，循環不暢，致使糞汙被隨意堆放或直接排入溝渠、坑塘，給生態環境帶來嚴重威脅，已成爲畜禽養殖汙染防控的難點和短板。化肥农药过量使用也是部分地区的重要污染。2018 年，我国化肥用量达5653.4 万吨，农药用量26.88 万吨，均占全球用量的三分之一，居世界第一位。世界主要发达国家的经验表明，人均GDP 在8000~13000 美元区间时，化肥使用量开始呈现从增长到稳定甚至降低的趋势。2019 年，我国人均GDP 达到1 万美元，预计我国化肥使用量将进入稳中有降阶段。但是，随着我国人口数量增长、城乡一体化推进和居民消费结构升级，粮食需求仍将呈现刚性增长态势，化肥农药使用量也难有较大降幅，一定时期内仍将处于高位。当前，我国化肥农药利用率还不到40%，距离欧美发达国家50%~65% 的平均水平还有较大差距，流失风险不容小视；特别是一些重点区域如露地蔬菜种植的氮磷流失、保护地蔬菜的氮素地下淋溶及南方水网地区水稻种植的氮磷流失，对水体环境影响尤其突出。此外，农村生活污水和生活垃圾处理不当也造成农村生态环境恶化。据统计，我国废水每年总排放量大约为600 亿立方米，其中我国农村每年产生生活污水约90 多亿吨，人粪尿年产生量约为2.6 亿吨。目前我国工业废水及城市生活污水都得到了较好的处理，但农村生活污水由于治理资金短缺和对农村水环境保护意识的淡薄，96% 的村庄都没有排水渠道和污水处理系统，生活污水处理率很低，大部分农村的生活污水放任自流，任意排放到河流，是农村56 MAN AND THE BIOSPHERE Issue 129 -130环境问题的根源。从农村生活垃圾来看，有学者估计年产生量约为1.8~2 亿吨。虽然美丽乡村建设中对农村垃圾进行了清理，但由于农民落后的生活方式，加上大多数村镇没有专门垃圾处理系统，农村“脏、乱、差”现象及地下水和地表水污染现象依然严重。农村污染防治是一项长期、复杂的工作，虽然污染治理取得了一定成效，但长效机制尚未有效建立，农村环境改观或恢复到20 世纪60~70 年代的水平还需很长一段时间。鄉村堆肥之衰退 過去，農村幾乎家家戶戶門口都會有一個堆漚池，用來處理日常産生的人糞尿、養殖糞汙、作物稭稈等；而在田間，這種小糞堆也隨處可見。但現在，隨著鄉村現代化建設的推進，農村旱廁改成了水廁，糞汙通過吸糞車收集後，一部分集中處理，更多的簡單處理就進入農田中；養殖場被要求集中管理，搬到村外，糞汙通過處理就近還田了，相當部分也未經過科學處理；這樣一來村子裏堆肥就成了“無米之炊”，村子外的堆肥也因爲用地、機械、勞力等影響而無法進行。第一，在農村能夠較好的掌握堆肥方法的主要是老年人，隨著城鎮化的發展，這部分人群雖然是農事活動的主要勞動力，但基本上已經喪失了勞作的能力；而年輕人因堆肥環境惡劣、操作難等原因，不願進行堆肥方法的學習；久而久之，堆肥技術就逐漸丟失了。第二，堆肥在使用過程中較爲複雜，需要人工施肥，效率低；相比之下，化肥使用簡便、成本更低、效率更高。20 世纪50~70 年代我国农村还普遍进行堆肥，那时在农村有机废料都拿去堆肥了，基本见不到生活垃圾，因此很少有污染。但过去40年来，受化肥大量使用、农村环保投入不足以及农村劳动力转移和结构性短缺等影响，堆肥在农村地区日渐稀少，乡村堆肥呈现衰败景象；反之，由各种垃圾造成的环境污染现象却比比皆是。堆肥缺失之後果 堆肥这一传统技术的衰败不仅加剧了废弃物对环境的污染，也影响到了耕地的质量提升。我国农田特别是粮田长期不施用有机肥，导致土壤质量出现退化，基础地力显著降低。全国中低等级耕地面积占比达69%；旱地不施肥作物产量与施肥作物产量之比，从20 世纪80 年代的60% 下降至40%；水田从80% 下降到60%，即农田基础地力在逐渐退化；而造成该现象的主要原因是只种不养，使土地越来越“瘦”。研究表明，通过有机肥替代30% 的化肥可使土壤更健康，还能减少土壤病虫草害的发生。开始于1984 年的江西红壤水稻田长期定位试验，研究发现与单施化肥处理相比，有机肥替代30% 和50% 化肥的处理均能够提高水稻产量，增产幅度分别达7.7% 和6.5%，且当有机肥替代率为30% 时稳产效果最优。施用有机肥还能够减缓土壤酸化，提高了土壤养分和土壤微生物量，改善土壤结构。与不施肥相比，不同有机肥替代量处理下，土壤微生物碳和微生物氮显著提高了17.0%~71.1% 和104.1%~267.0%。此外，长期施用有机肥还能够抑制土壤传病害，长期施用化肥的辣椒疫病的发病率达81.3%，施用有机肥其发病率下降至54.2%。土壤是农业的基础，肥沃的土壤才能保证粮食的产量与质量，进而满足人类对食物和健康的需求。土壤有机质是耕地地力最重要的性状之一，被认为是土壤质量和功能的核心。经过30 余年的努力，我国农田耕层土壤有机质含量整体上呈上升趋势，较全国第二次土壤普查时期提高了24.49%，但与欧洲国家相比还有待提升。就目前而言，中国土壤有机质水平仅为欧洲的30%~50%。提高土壤有机质的关键是有机废弃物的循环利用。在这方面，德国和日本有很好的经验。德国是世界上发展循环经济较早（20 世纪50~60 年代）、水平最高的国家之一。德国的综合型农业发展模式是欧洲国家发展农业循环经济的典型代表。目前，德国的城市废弃物再生利用率高达66%、焚烧处理率达34%，因为废弃物处理用地紧张的问题，卫生填埋率处于“0状态”。日本是一个人多地少的国家，面临农地、水资源、能源的极大匮乏，20 世纪90 年代初，日本正式提出“环境保全型”农业的概念，并颁布了一系列政策法規，包括《可持续农业法》《家畜排泄物法》 《肥料管理法》等，形成了世界上最完备的循环经济立法体系。据日本环境省2011 年资料，日本产业有机废弃物中，进行焚烧和卫生填埋处理量约占23%，再生利用处理量约占77%。再生利用处理中，部分进行饲料化处理以外主要是堆肥化处理。目前我国城市有机废弃物资源化利用效率在5% 以下，与韩国（59%）、奥地利（58%）、比利时（51%）、瑞典（50%）等发达国家的资源化率差距显著。造成我国有机废弃物资源化率较低的主要原因是堆肥施用成本过高。另外，城市有機廢棄物作爲堆肥原料沒有進行分類收集從而提高了制造成本，這也是有機廢棄物堆肥資源化率較低的原因之一。但隨著國家垃圾分類政策的實施，相信有機廢棄物的資源化處理利用産業前景光明。隨著國家對生態文明和綠色農業建設的推進，未來有機肥生産必將進入蓬勃發展的階段。摆在我们面前的问题是，堆肥或物质循环体系如何重建？我国未来主要有机废弃物将以每年5% 的速度递增，而所有动植物把营养从土壤带出，随农产品物流远离“故土”，仅靠化肥是不足以完全补充土壤养分的，必须把有机的部分特别是碳和微量元素等再返回到土壤中。目前我國有機廢棄物的産生量大、循環利用率低，造成了生態失衡的局面。這種失衡主要體現在三個方面：水陸間物質流失衡、城鄉物質流失衡、種養物質循環脫節。所謂水陸間物質流失衡，是指清水進入城市、汙水返回水體，汙染水體産生的大量藍藻、淤泥回不到陸地，形成多次循環汙染；所謂城鄉物質流失衡，是指營養元素通過食物進入城市，最終變爲廚余垃圾留在城區，多以簡單焚燒和填埋處置，資源化利用低，土壤得不到營養返還；所謂種養物質循環脫節是指，養殖場缺少消納糞汙的土地，種植業缺乏有機肥投入而過度依賴化肥，造成面源汙染。針對以上三種生態失衡現狀，需構建多尺度廢棄物循環利用模式，例如：農場小循環、本地（縣域）中循環、區域（省域）大循環；要建立有機廢棄物管理全鏈條的循環利用技術。具體來說，針對種養物質循環脫節，可通過種養高效結合實現重建，而這也是農業綠色循環發展的核心內容。例如，通过匹配养殖与种植土地消纳，既增加了有机废弃物的处理利用途径，同时当粮食、经济作物的有机肥替代化肥比例达40%~50% 时，粪肥氮循环效率增加40%，氮肥用量减少32%，实现了化肥投入的减少及物质内部的循环利用效率。针对城乡物质流与水陆间物质流失衡的问题，可通过构建多尺度的循环利用模式实现重建，前者可通过本地（县域/ 城乡）中循环，而后者可通过区域（省域/水陆）大循环实现。这一物质循环体系的构建跨越城市与乡村，涉及多部门、多行业，也需要沿废弃物全链条进行整体设计。看似一個簡單的、古老的、不值一提的廢物利用命題，卻關系到一個國家的土壤、環境和人民健康，期待經過幾十年的不懈努力，能把我們的鄉村環境恢複到魚翔淺底、充滿生機，人們可以重新直飲河水的美好境地！
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