基于养分平衡的顺义区蔬菜产业有机肥替代化肥潜力估算

李艳梅，徐 茂，邹国元*，孙焱鑫*，廖上强

（1.北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；2.北京市顺义区种植业服务中心，北京 101300；3.北京市缓控释肥料工程技术研究中心，北京 100097）

北京大城市小农业的特点有发展现代农业的需求，加快设施农业建设是发展现代农业的有效载体和途径［1-3］。顺义是北京设施蔬菜产业发展的重点区域，是北京发展特色、精品、高档蔬菜产品的优势区，在保障北京城乡居民蔬菜供应方面发挥着重要的作用［4-7］。同时，顺义也是北京市畜禽养殖重点区县，畜禽养殖业是当地农业的重要产业［8］。作为富含氮磷养分的有机肥，将畜禽粪尿妥善处置并肥料化利用是一项兼顾环境保护和资源利用的双效举措，符合国家农业绿色发展的总体方针［9-11］。为探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路，农业部于2017年发布了《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》的公告，组织了全国100家重点区县实施有机肥替代化肥示范县的创建工作，其中，顺义区重点实施设施蔬菜有机肥替代化肥模式构建工作，以遴选的31个设施蔬菜经营主体为对象，全面实施“有机肥替代技术［12］，旨在促进项目区化肥减量及有机肥替代化肥工作的实施，打造设施蔬菜有机肥替代化肥的试点样板。以有机肥替代化肥，推进资源循环利用是缓解生产与环保矛盾，实现农业绿色发展的重要措施［13］。对设施蔬菜经营主体而言，经济作物肥料高投入的特点决定其化肥减量工作更为重要［14-15］。那么，蔬菜经营主体的施肥现状如何？种养结合技术的立地条件如何？畜禽粪尿肥料化替代化肥的潜力空间有多大？对这些问题的分析有助于对化肥减量和有机肥替代方向的把握。围绕有机肥替代分析工作，许多学者已从不同角度做了一些研究。其内容涵盖有机肥替代比例［16］，有机肥使用现状及有机肥替代面临的问题和对策［17］，商品有机肥的施肥行为及影响因素［18］，有机肥替代效果、经济效益及与抗逆性和品质提升的关系［19］等。从现有研究可以看出，施肥现状及效应是普遍关注的问题，但关于蔬菜布局及施肥统计、畜禽粪尿产出、种养结合立地条件的关注较少。

基于以上所述，本文针对顺义区31个典型设施蔬菜经营主体开展了设施蔬菜施肥现状调研及有机肥替代化肥潜力分析工作，旨在为顺义区高效推进设施蔬菜有机肥替代化肥工作提供重要技术支撑。

1 调研及分析的方法和内容

1.1 调研方法

调研由北京市顺义区种植业服务中心组织，北京市农林科学院植物营养与资源研究所具体实施，各典型农业园区协助调研。调研时间自2018年8月开始，至2019年6月结束。调研方式包括召开座谈会、发放调查问卷、实地考察、调研农业统计数据等。围绕主题，实地调研了顺义区31个典型农业园区，力求真实反映设施蔬菜经营主体的生产及施肥现状，为顺义区有机肥替代化肥工作的实施提供客观依据。

1.2 分析方法

本研究的畜禽指猪、牛、羊和家禽，均以存栏量统计粪尿排放量。畜禽粪尿数据来源于顺义种植业服务中心统计数据。化肥施用量来源于该区设施蔬菜生产主体的调研数据。畜禽粪尿可替代化肥的估算模型如下：

其中，T：畜禽粪肥可替代化肥量，t；Ti：i类畜禽粪肥可替代化肥的量，t；Ai：i类畜禽鲜粪量，t/（年·头）；Bi：i类畜禽尿含量，t/（年·头）；XAi：i类畜禽鲜粪含N（P/K）率，%；XBi：i类畜禽尿含N（P/K）率，%；ɑ：畜禽粪尿N（P/K）收集常数。

1.3 调研及分析内容

主要包括7部分：1）设施蔬菜栽培情况；2）主栽蔬菜的肥料来源、种类及施用方法；3）主栽蔬菜的化肥和有机肥投入量；4）与文献有机肥用量的对比；5）蔬菜化肥和有机肥养分投入估值；6）2018年度畜禽粪尿产出量及可替代化肥养分潜力估算；7）畜禽粪尿产出及可替代化肥养分潜力的不同年代对比分析。

2 主要调研结果

2.1 设施蔬菜栽培情况

研究区域的设施蔬菜（表1）主要分以下几大类：果菜（44%）、叶菜（28%）、瓜菜（16%）、根 菜（6%）、豆 菜（3%）、葱 姜蒜（2%）和芥菜（1%）。种植面积排前10位的蔬菜有：番茄（17.5%）、西瓜（16.1%）、生菜（9.94%）、白菜（9%）、茄子（8.95%）、辣椒（6.99%）、芹菜（5.73%）、甘蓝（5.56%）、莴 苣（2.25%）和 菠 菜（1.97%），累 计 面 积占比84%；排第11～20位的有：快菜、甜瓜、红薯、葱蒜、萝卜、芥菜（/蘑菇，并列排名，下同）、西葫芦、豇豆和茴香，累计面积占比11.2%。排名前20位的蔬菜面积累计占比达95.2%；排第21～30位的依次是：菜豆（/南瓜）、大豆、冬瓜、韭菜、丝瓜、扁豆、荠菜、芽苔菜和马铃薯。排第31～35位的依次是：茼蒿、山药、芫荽、豆薯和雍菜。番茄和西瓜成为主栽蔬菜可能与其市场需求量及种植收益大有关。

对种植面积排前10位的蔬菜进行换茬模式及茬长调研（表2），结果显示：茄果类的番茄、茄子、辣椒的换茬类型主要是叶菜类的生菜、芹菜、甘蓝，瓜类的西瓜、甜瓜和西葫芦，块茎类，玉米，茄果类其他作物（如番茄与辣椒、茄子与辣椒的搭配），葱蒜类及豆角等；但也发现番茄与番茄、茄子与茄子、辣椒与辣椒连茬种植的安排。西瓜的换茬类型主要是叶菜类的生菜、茄果类的番茄和辣椒，也有西瓜与西瓜连茬种植的安排。叶菜类的生菜、白菜、芹菜、甘蓝、莴苣和菠菜的换茬类型主要是茄果类的番茄、茄子、黄瓜等，生菜、芹菜、甘蓝和菠菜的换茬类型还有根菜、瓜菜、葱蒜和叶菜类其他作物（如生菜与芹菜、生菜与甘蓝、菠菜与油菜的搭配）；莴苣的换茬类型还有瓜类和葱蒜，白菜的换茬类型还有根菜和玉米。

表1 设施蔬菜种植面积及比例

茄果类番茄、茄子、辣椒一茬种植时长90～180 d，番茄由于长茬种植原因，一茬种植时长最长达240 d；4种茄果蔬菜一茬种植时长的均值分别约为120、130、120和120 d。西瓜一茬种植时长90～120 d，平均时长约100 d。叶菜类芹菜、白菜和甘蓝一茬种植时长50～180 d，平均时长分别约120、90和80 d。叶菜类的生菜、莴苣和菠菜一茬种植时长30～100 d，平均时长约60 d。

2.2 主栽蔬菜的肥料来源、种类及施用方法

主栽蔬菜化肥和有机肥的来源渠道主要有农资店购置、政府补助、商贩购置、肥料厂配送。底施化肥主要为复合肥和复混肥，氮、磷、钾肥纯养分投入量的比例主要有1.25∶1∶1.5和1∶1∶1两种方式。底施有机肥主要是腐熟的商品有机肥，其次是发酵后的牛粪、猪粪、羊粪、鸡粪、鸽粪和生物菌肥，主要采用一次底施的方式。追施化肥主要为高钾型冲施水溶肥，也有追施液体肥及喷施叶面肥的情况。追施（冲施）水溶肥的用量在一茬蔬菜肥料总投入量中所占的比例大于等于50%；追施次数1～5次不等，以追施3次为主，3次追施肥量在水溶肥追施总量中所占比例分别为30%、40%和30%。

2.3 主栽蔬菜的化肥和有机肥投入量

茄果类番茄、茄子、辣椒化肥用量为400～1500 kg/hm2（表3）；有机肥用量为7.5～56 t/hm2。西瓜化肥和有机肥用量分别介于750～1500 kg/hm2和15～35 t/hm2之间。叶菜类中生菜化肥用量偏高，为600～1200 kg/hm2；其他叶菜化肥用量介于350～750 kg/hm2之间；6类叶菜有机肥用量为15～45 t/hm2，以15～30 t/hm2区间的比例最高。调研显示，设施蔬菜化肥平均用量为850 kg/hm2，有机肥平均用量为28 t/hm2。果菜和叶菜的化肥和有机肥施用量随机性比较大，同类蔬菜在不同种植区的肥料用量存在较大差异。有必要借助测土配方及目标产量法等方法来优化两类肥料的投入量。

表3 主栽蔬菜的化肥和有机肥投入量

2.4 与文献有机肥用量的对比

对比文献调研的蔬菜有机肥用量筛选结果（表4）［20-25］发现：在配施化肥450 kg/hm2基础上，西甜瓜的适宜有机肥投入量区间值的左端和右端均高于调研值，其中，区间值左端比调研值高86%，区间值右端比调研值高28%，表明园区西甜瓜有机肥投入量应在目前基础上适度增加。在配施化肥为450～490 kg/hm2时，番茄和黄瓜等果菜适宜有机肥投入量区间比调研值的区间窄，区间值的左端比调研值高100%，区间值的右端比调研值低46%，表明园区果菜有机肥投入量波动较大，应避免投入量过高或过低的情况。文献调研还发现，在配施化肥为405 kg/hm2，且选用养分含量较高的商品有机肥时，辣椒有机肥投入量适宜值仅为常规值的10%～20%时即可满足生产需求。叶菜在配施化肥为337.5 kg/hm2时，其适宜的有机肥投入量明显低于调研值，区间值的左端和右端均为调研值的1/2左右，表明园区叶菜有机肥投入量偏高，可考虑减少一半的投入量。控制有机肥用量的重要性在于：适量施用可为蔬菜提供均衡充分的营养，过量施用则会降低其非氮源营养成分可溶性糖与Vc的含量［26］。

表4 主栽蔬菜的有机肥用量筛选结果

蔬菜生产中的有机肥投入，既要考虑有机肥的来源（不同有机肥源的养分含量存在明显差异）和用量，也要考虑有机肥纯养分的含量，以及配施化肥的用量，此外，作物类型是必须考虑的因素。

2.5 蔬菜化肥和有机肥养分投入估值

根据调研取得的化肥和有机肥投入量对全区耕地肥料投入量进行估算。化肥按每年两茬投入计算的年投入总量为1700 kg/hm2。有机肥年初一次性投入，年投入总量为28 t/hm2。化肥氮、磷、钾比例以调研所得两种配比取均值，结合全区蔬菜播种面积（顺义区种植业服务中心内部数据），计算得到化肥源的氮、磷、钾纯养分年投入量分别为2107、1870、2344 t（表5）；有机肥按照区畜禽养殖分布及粪尿产出，对具体有机肥源的年产出量权重（表6）与其NPK养分含量（表6）乘积再进行加和，计算得到有机肥源的氮、磷、钾纯养分投入量分别为979、522和1246 t（表5）。综合考虑化肥源和有机肥源，全区每年氮、磷、钾纯养分实际投入量分别为3086、2392和3590 t。

表5 全区耕地化肥和有机肥纯N、P、K养分年投入估值

2.6 2018年度畜禽粪尿产出量及可替代化肥养分潜力估算

根据全区2018年的畜禽存栏数据及日产粪尿量估值，计算得到顺义区猪、牛、羊、鸡和鸭的粪尿年度产出总量分别为717614、325372、64231、63和10 t（表6），说 明 畜 禽 粪 尿 主 要贡献源是猪和牛。参照路国彬等［27］有机肥替代估算模型，计算得到每年畜禽粪尿产量可以替代氮肥、磷肥和钾肥的量分别为5027、2568和6433 t。猪粪尿养分含量可替代化肥潜力最大，占到可替代化肥潜力的63.4%；其次为牛粪尿，占27.3%；以上两种畜禽粪尿来源总量占可替代化肥潜力的90.7%。羊粪尿养分含量占可替代化肥潜力的9.28%。从可替代的3种化学肥料来看，畜禽粪尿可替代钾肥的潜力较大，占总替代化肥潜力的45.8%；可替代氮肥的潜力次之，占35.8%；可替代磷肥的潜力占18.3%。猪粪尿和牛粪尿中钾肥含量分别占可替代钾肥潜力的63.5%和27.8%，氮肥含量分别占可替代氮肥潜力的58.3%和30.7%，羊粪尿钾氮含量分别占可替代钾氮潜力的8.53%和10.9%，鸡粪尿和鸭粪尿可替代氮磷钾肥的潜力均较低，可忽略不计。分析表明不同畜禽粪尿的养分含量及可替代化肥的潜力不同。考虑到羊粪尿、鸡粪尿和鸭粪尿在实地批量收集中的难度和不可操作性，笔者另外计算了猪粪尿和牛粪尿两类畜禽粪尿的总可替代化肥养分潜力，得出的可替代氮肥、磷肥和钾肥的量分别为4477、2371和5883 t。据此，计算全区猪牛粪尿年产出量替代蔬菜氮、磷、钾纯养分年实际投入量（涵盖化肥和有机肥，表5）的比例分别为145%、99.1%和164%，潜力巨大。分析表明，该区猪牛养殖粪尿氮磷钾养分年产出量完全能够满足该区蔬菜氮磷钾养分的年度需求，种养结合的资源再利用基础非常好。

表6 顺义区畜禽粪尿2018年度产出量及可替代化肥的潜力

2.7 畜禽粪尿产出及可替代化肥养分潜力的不同年代对比分析

将2018年度数据与2005年测算值对比（表7），发现以下规律：1）畜禽粪尿年产出总量大幅降低，从332万t降至110万t，降低67%；2）畜禽粪尿分布发生明显变化，2005年畜禽粪尿来源以牛养殖为主，其次是猪养殖，羊和禽养殖比重较低；2018年畜禽粪尿来源以猪养殖为主，其次是牛养殖，羊养殖比重较低，禽养殖可忽略不计；3）13年间畜禽粪尿可替代化肥氮、磷、钾养分的量分别降低73%、74%和69%；4）两个年度的4类畜禽、猪、牛粪尿总量的可替代化肥潜力均具有钾替代潜力＞氮替代潜力＞磷替代潜力的趋势；羊粪尿可替代化肥潜力呈氮替代潜力=钾替代潜力＞磷替代潜力趋势；禽粪尿可替代化肥潜力呈氮磷替代潜力＞钾替代潜力趋势。结合北京市近年来的农牧业布局调整和养殖业疏解政策，分析认为随着区畜禽养殖数量的不断下降，畜禽粪尿产生量不断减少；早期牛养殖对畜禽养殖业污染的主导贡献及由此实施的严管措施，形成目前猪养殖为主的畜禽分布格局；虽然在数量和来源分布上有所变化，时间跨度达13年的布局调整后，猪和牛养殖仍然占主导地位，由此决定畜禽粪尿总体可替代化肥潜力仍然是以替代钾的潜力最大，氮的潜力次之，磷的潜力最低，并且可替代化肥总量完全可以满足当地蔬菜生产养分需求。

表7 顺义区畜禽粪尿年度产出量及可替代化肥潜力的不同年代对比分析

3 结论与建议

从农业面源污染防治、农业废弃物资源化利用、种养结合及农产品品质提升的角度考虑，实行有机肥替代化肥技术是农业绿色生产的必然选择。

本次调研及分析表明，该区可利用的有机肥源主要有猪粪尿和牛粪尿，利用这类畜粪尿堆腐制备有机肥的天然立地条件较好。全区农业废弃物转化生产有机肥的比例目前还比较低，充分利用农业废弃物资源生产有机肥具有较好的产业化前景。

从具体落实的角度来看，有机肥替代化肥工作的实施，需要做好以下几方面的工作：1）畜粪尿和农业秸秆废弃物的收集、处理应符合畜牧业与农业的绿色发展需求，做好源头控制。农业农村部于2019年7月10日发布的第194号公告明确指出，停止生产、进口、经营、使用除中药外的所有促生长类药物饲料添加剂品种，从源头阻控抗生素和重金属，解决有机肥生产的源头安全问题。这对于提升有机肥产品质量是极大的政策利好。2）畜粪尿制备有机肥的工艺过程应做到“资源化、无害化和减量化”。3）有机肥产品的合理替代技术。笔者针对番茄有机无机氮耦合试验结果来看，有机肥和化肥以7∶3的氮养分比例投入的产量和品质效果最佳（尚未发表）；其他类型蔬菜也存在合理的有机无机肥投入比例。结合本次调研设施蔬菜有机肥和化肥投入情况来看，有机肥替代化肥养分的潜力空间较大，同时从文献调研看出，有机肥的合理投入量也因蔬菜类型不同存在较大差异。因此，有机肥替代化肥过程中，有必要针对蔬菜类型和测土结果进行有机肥投入量及有机肥化肥合理配施的两茬以上科学定位试验，并依据试验结果在主要经营主体间进行施肥技术的示范和推广。

本文对顺义区典型设施蔬菜经营主体的施肥现状进行调研分析，并结合畜禽养殖存栏及蔬菜规模数据估算了全区有机肥替代化肥的潜力，可为该区有机肥替代化肥工作的实施和推广提供实证参考。