畜禽粪污综合利用对土壤肥力和持续农业的影响分析

尹 芳，杨智明，张无敌，赵兴玲，吴 凯，王昌梅，柳 静，杨 红，毛 羽，刘士清

(1.云南师范大学 能源与环境科学学院，昆明 650500；2.云南财经大学 信息科学学院，昆明 650221)

在中国传统农业4000多年的农耕文明中，最伟大的农业措施之一就是利用人畜粪便，保持土壤肥力，并提高作物产量。相比于西方的现代农业，农业生产中使用矿物肥料就如同工业生产中使用煤矿一样得以普及[1]。

随着中国农业的发展，农业生产力水平不断提升，畜禽养殖业快速增长以满足人们生活水平的需求，畜禽粪便因使用不当、养分含量相对较低而逐渐被弃用，近百年时间施用巨量无机肥料保证土地生产量的同时，耗尽了土壤肥力，加上化肥农药使用上涨、资源透支、过度开发，耕地板结、土壤酸化等问题，已经威胁到人类自身健康和子孙后代的生存。中国农业不能再延续已经被发达国家摒弃的“石油农业”老路，必须践行绿色生态的可持续农业发展模式，遵循 “绿水青山就是金山银山”的战略思想。

1 我国畜禽粪污所面临的面源污染问题

1.1 畜禽养殖污染现状

目前，中国养殖业正处于传统养殖业向现代养殖业转型时期，传统养殖业逐步向区域化、集约化方向过渡，畜禽饲养规模不断扩大，畜禽粪便的产生量逐年增加。养殖发展模式的转型使得畜禽粪便在较小范围内大量、集中产生，由于得不到及时、充分利用，加上堆放、外排处理不当，空气、水体、土壤造成污染，而且还会成为传染源，造成疫病传播，影响人类和畜禽健康[2]。表1为近年来我国牲畜饲养(牛、猪、羊)及其粪污排放量情况。

表中数据只列出牛、猪、羊饲养量及其粪污排放量，即使没有包含马、驴、骡、鸡、鸭等养殖情况，每日畜禽粪污排放量也接近1000万吨。按照第一次全国污染源普查公报结果显示，规模化畜禽养殖污染源化学需氧量COD、总氮、总磷排放量分别占农业污染物排放总量的96%，38%和65%，而根据全国畜牧总站调查资料显示，每年大约38亿吨畜禽粪污排放量，其综合利用率不足60%[2]，从目前整体情况来看，我国畜禽养殖场污染问题形势仍不容乐观，特别是中小型规模畜禽养殖场，已经成为主要的农业污染源，对农村生态环境产生了不利影响。

表1 近年来我国牲畜饲养(牛、猪、羊)及其粪污排放量

注：资料来源为中国统计年鉴、国家农村统计年鉴。

1.2 畜禽养殖污染原因

在畜禽粪污资源化利用过程中，由于不能及时有效地对养殖固体废弃物和废水进行处理，而带来严重的环境污染，究其原因有如下几点[3]：

(1)种植业和养殖业逐渐分离。传统养殖业以放养为主，圈养为辅，养殖主要集中在农区和牧区，周边都有土地消纳畜禽粪便和尿液。随着我国城镇化发展不断扩张，养殖业周边可供消纳畜禽粪便的土地越来越少。当前畜牧业传统分散的养殖方式仍占主体，生猪、奶牛散养比重达50%以上，畜禽粪便量随畜禽养殖总量的不断增加而累积增加。

(2)集约化经营程度上升。传统农耕方式中，畜禽粪便作为宝贵的肥料资源还田利用，不会造成污染。随着养殖集约化程度越来越高，大量畜禽粪便的随意排放会导致硝酸盐、磷、铜、锌、铅等重金属污染土壤、地下水等情况，加重了对环境的压力。相当一部分规模养殖场(户)设施化水平低，粪污处理基础设施设备和工艺技术缺乏，环保意识不强。

(3)有机肥使用率低。粪肥虽然向土壤提供养分，最大的挑战在于其结构形式和组成比例，造成了整体施用起效过程较长、短期内效果不如化肥明显，大部分农田仅将腐熟的粪便当作底肥施用，使得优质有机肥无用武之地，变成放错位置的资源。

2 针对畜禽养殖污染的综合开发利用策略分析

2.1 国外畜禽粪便污染综合利用成功经验

以美国为例，1999年美联邦环保总署和美联邦农业部联合发布了畜禽养殖场统一国家战略(Unified National Strategy for Animal Feeding)，提出规模化养殖场实施综合养分管理计划(CNMP)，将水、土壤、空气、动植物体等自然资源保护措施，与施用粪肥养分(氮磷钾)、作物生长需求之间的平衡相结合，实现种植业和养殖业可持续发展。CNMP计划涉及如下内容：

(1)饲料管理。通过获得畜禽饲养过程中氮、磷、铜、锌等排泄情况，掌握各种畜禽营养需求的变化，以便减少畜禽粪便中养分含量，从而减少消纳粪便的土地，降低对环境的影响。

(2)粪便处理和贮存。要求集约化养殖场建有适当的收集、存储、处理或运输粪便的设施设备，容量要满足粪便从产生到施用的全过程。

(3)粪便养分管理。该内容是CNMP最重要的部分，阐明养分、农产品、土地利用之间的关系，包括：按照整个农场养分平衡的要求，建立年度种植和施肥计划；开展土壤成分分析、粪肥成分分析，根据农艺对养分要求，规划施肥方式、施肥时间和施肥量；统计在养殖场及周围农场内，可以筹集到的无机肥料、粪肥、城市污泥等所有养分和有机副产物的需要和供应数量，计算产出的所有氮、磷、钾养分含量；根据农艺和环保要求，考虑到不同作物轮作需求、有机肥施设备、以及其他资源保护的限制，确定粪便储存时间；开展基于农场(包括种植和养殖)的养分平衡计算；考虑建设相应配套措施，防止因施肥带来的空气质量、病原体、盐、重金属问题等。

(4)土地管理。涉及用于消纳畜禽养殖场粪便污水的土地相关规定，确保粪便正确施入农田后，不会产生养分随径流进入地表水体与泥沙一起移出农田，或通过地下水淋溶以及增加气体排放等环境问题，具体可通过作物轮作、水流改道、临界区植被等措施，提高土壤有机质含量、降低养分需求。

(5)备用方案。当畜禽粪便的养分供给超过农作物的营养需求和土地承载力时，可对粪便进行固液分离，开展堆肥处理，制造颗粒肥料减少体积，或与工业和市政有机物混合进行厌氧消化生产沼气，既可能源化增值利用，又可销售有机肥。

2.2 国内畜禽养殖综合治理政策

针对如此巨大的畜禽粪污排放现状，国家各部委相继出台多项法律、法规、条例，如2014年《畜禽规模养殖污染防治条例》、2015年《中国人民共和国环境保护法》、2016年《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》、2017年《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》、2018年《畜禽粪污资源化利用项目实施工作的通知》等等，旨在不断完善畜禽养殖废弃物资源化利用的规章制度和市场机制，使绿色生态发展成为整个大农业的行业共识。值得一提的是，从2018年1月1日开始实施的《环境保护税法》，其实施遵循“费改税”原则，由排污费制度向环保税制度平移，通过“税收法定原则”提升执行力，用税收杠杆激活资源配置，有效避免污染物肆意排放、资源过度消耗。

当前，农业畜禽养殖污染物减排已经纳入国家经济发展规划约束性指标管理，通过采取有效的污染物减排防治技术，进一步减少畜禽养殖场污染物总量，有利于改善农村人居环境、提升绿色农业持续发展内涵。

2.3 畜禽粪污综合开发利用途径

以“高效产能源、循环产肥料”为核心，兼顾能源和肥料双重效益，使畜禽粪污高价值再利用。

2.3.1 畜禽粪便能源化利用

首先，充分利用畜禽粪便作为原料产沼气的资源优势，通过技术、工艺与装备的创新，提高干物质发酵浓度并回流发酵液，并减少沼液的形成，以解决当前大中型沼气工程沼液过多、消纳难的负担。

其次，沼气作为能源燃烧，其能量密度较低。将沼气提纯成天然气，不仅会面临技术上的挑战，而且还受到技术成本的约束；通过沼气工程产品高值化利用，在规模化生产沼气前提下将其提纯，使其甲烷含量超过90%，从而成为与天然气同质的生物天然气，能够并入天然气管网，或用作车用燃料替代汽、柴油。

2.3.2 畜禽粪便资源化利用

畜禽粪便无害化处理达标后，可进行有机肥的生产。

(1)集约化、规模化的畜禽养殖需要配套的产业化、智能化的废弃物处理方式和技术手段，按照标准化、装备化的思路来进行畜禽粪便的无害化处理和循环利用，是未来的重要发展趋势。

(2)畜禽粪污资源化利用链条长、参与方多，且有机肥、沼气等终端产品都有一定的收益，可通过PPP模式引导更多的社会资本参与，有利于探索成功的商业模式。鼓励支持“第三方治理”，针对成本及收费问题，养殖企业认为畜禽粪便是资源，不付费；但是作为第三方处理，认为畜禽粪便应该是污染物排放，处理畜禽粪便需要一定代价，谁污染谁付费，遵循这个原则来进行收费。

3 不同时期畜禽粪污资源化利用模式思考

3.1 不同时期农业生产的演变

中国传统农业，拥有伟大的智慧、深厚的文化、悠久的历史，几千年来一直延续着收集粪便、再施用到田间的习惯，这种就地取材的做法，有效的保持了土壤肥力。中国耕地资源只占世界的7%，水资源仅占世界的6.4%，赖以生存的城市空间没有西方发达的下水道系统，人畜排泄物和污水完全依靠来自城边的农民们一桶一桶地运往农村，制作成有机肥再施用到土壤里，最终完成城市废弃物的无害化处理。百年前的学者，意识到东西方农业生产模式存在着巨大差异，很多西方人“为治愈积重难返的西方文化，来到中国寻找良药”。西方现代农业，更多的是通过殖民掠夺获得宽松的土地资源，同时，西方城市利用较发达的下水道系统，将人畜粪便和生活污水直接排入水体，不仅造成环境污染和健康隐患，还浪费了其中可用于农业生产的宝贵资源。

短缺的自然资源和庞大的人口之间的矛盾，造就了中国农民克制欲望、任劳任怨的品性，以及节约资源、精耕细作的中国式传统农业生产模式。

(1)农业1.0版—农业成为第一产业

世界农业文明史数千上万年，农业从来没有被当成“产业”，只有在殖民化和奴隶制条件下，才能将农业作为“第一产业”。在现代化作用下，农业1.0通过土地规模获取更多的绝对地租，借以形成剩余价值，为工业化提供原始积累。

此时的农业生产主要靠施用农家肥和扩大耕地面积来促进作物增产，满足人们生产生活需求。

(2)农业2.0版—工厂化、设施化

农业2.0意指用工业的生产方式改造农业，也叫作设施农业(工厂化农业)，目的是使农业产业化，也即在规模化和集约化基础上，拉长产业链，形成农业的增值收益。

随着西方工业革命兴起，农业生产发生了变化，对农田开始投入大量的化肥、农药等，一方面成倍提高了农作物产量，另一方面加深了农业生产对外源化学物质和能量的依存关系，导致了人类赖以生存的大气、土壤、水体和农产品受到污染，农业对环境造成的面源污染贡献率居高不下。

(3)农业3.0版——一二三产业融合

农业3.0倡导综合性农协为载体的农业三产化，将第三产业与小农经济结合起来，尽可能在资源、旅游、景观等方面体现“三农”的内在价值。

此时的农业继承了传统有机农业的精华，又赋予现代科技内涵，人们以提供优质、安全、营养的绿色有机食品为宗旨，再创造一种有别于“传统农业”和“石油农业”、人与自然协调共存的“生态农业”。

(4)农业4.0版—互联网+农业

农业4.0借助互联网+平台，强调公平参与，实现广大市民与农民都能够广泛参与的、社会化的、城乡合作互动的、生态化的农业，更好体现出乡村生态文明战略。

现代农业可借助互联网+，构建沟通平台，提供更多的粪肥交易机会，使畜禽粪污与农田肥料之间的贸易交换更加密切。

不同时期的农业生产过程中，粪污利用情况如表2所示。

表2 农业1.0到4.0版的粪污利用特点

3.2 农业养殖废弃物资源化利用模式

(1)以沼气为纽带的粪肥还田模式

畜禽粪污还田是最传统最经济的利用方式。依据生态学原理，以沼气为纽带，能够将粪污内有机质梯级降解，使得营养物质良性循环转换利用，产生的沼气可供发电发热，是清洁能源产生的主要途径，同时产生的沼液沼渣无害化处理后还田，为种植蔬菜水果粮食提供肥料，避免了直接施用易引发的烧苗和烂根等问题。该沼气还田模式将养殖业、种植业、肥料有机结合起来。在发酵过程中，厌氧环境杀灭病原菌和寄生虫卵，有效保障了肥料的安全。

(2)以互联网+为平台的粪肥交易模式

当前，我国有机肥与畜禽粪便之间的直接联系多依靠有机肥企业，或者大中型沼气工程业主，联系行为多为散而小，未形成规模化集聚性的粪肥沟通体系和模式。而小而散的粪肥联系不利于我国畜禽粪便的资源化处理以及有机农业的发展。借助互联网+粪肥交易平台，农户和企业都可以在平台上发布供需消息，平台通过后台的数据处理，列出最合适的交易渠道，供交易双方参考，并最终在平台的保障下顺利完成交易，整个交易的过程本着公正、公开、公平的原则进行。平台作为桥梁，有效整合农户、有机肥企业、养殖户、种植户等农业资源，快速打通交易壁垒和粪肥沟通障碍，减少了农业的面源污染，推动了有机肥替代化肥的发展。

(3)以土地消纳为承载的粪肥养分模式

多数大型养殖场由于产生的粪便需要消纳的土地较多、距离较远，考虑成本问题大都就近排放造成严重的污染，在资源化利用上未因地制宜，没有形成种养平衡的模式。2018年1月22日，农业部公布了《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》的通知，明确了区域畜禽粪污土地承载力和畜禽规模养殖场粪污消纳配套土地面积的测算方法。按照最新规定计算，对于养殖户来说，养500头存栏猪场粪肥全部就地利用需要113.6亩水稻田(或104.1亩小麦田)消纳。

因此，规模化养殖场区域内粪便的施用应与该区域的土地承载能力相匹配，通过“减量化、无害化、资源化”措施，可以做到将粪污“分散式收集、集中化处理、资源化综合利用”的运行模式，不对外部环境造成污染。

4 结论与展望

面对畜禽粪便污染所带来的环境压力，要求我们从养殖规划开始就进行污染源头控制，同时强化粪污肥料化利用和能源化利用，将养殖-废弃物利用的循环链条打通，走清洁生产和循环经济的绿色发展道路。