我国有机废弃物资源总量及养分利用潜力

徐少奇，陈文杰,2，解林奇，柴胜阳，贾凯雪，魏雨泉,2*

[1 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193；2 中国农业大学有机循环研究院(苏州), 江苏苏州 215100；3 北京大北农科技集团股份有限公司, 北京 100080]

有机废弃物是指人们在生活和生产活动中丢弃的一类有机物质。随着人民生活水平的不断提高，工农业的逐步发展，我国各类有机废弃物的生产量以每年5%～10%的速度递增[1]。我国有机废弃物产量巨大，朱建春等[2]估算我国2009年主要农作物秸秆量约为7亿t；宋大利等[3]估算2015年我国畜禽粪尿数量为31.6亿t；施军营等[4]估计我国每年产生9000万t餐厨垃圾；戴晓虎[5]预测2020年我国污泥产量可达到6000万t。据统计，目前全世界每年产生约20.1亿t生活垃圾，如果按目前的趋势继续发展，到2050年，每年将产生约34亿t生活垃圾[6]。张福锁[7]研究表明，长江流域农业面源污染占长江水体氮磷输入的50%以上。若不能将产量巨大的废弃物进行妥善处理，会严重污染环境，如造成水体富营养化、土壤酸化[8]等，影响人类健康[9]。而有机废弃物资源化处理，不仅可以有效避免环境污染，还可以实现有机废弃物中的养分资源循环利用，对我国农业绿色发展具有重要意义。

近年来随着人类对粮食的需求量不断增加，化学肥料的施用量急剧增加[10]，部分施用化肥水平较高地区出现报酬递减现象[11]。过量施用化肥不仅加剧了对环境的污染[12]，还变相减少了有机废弃物的还田利用量。我国政府高度重视环境污染问题，2015年农业部印发了《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》[13]，要求降低化肥施用量。截至2019年，我国虽然已减少了10%的化肥施用，但现阶段由于我国化肥价格快速增长，种粮成本提高，肥料形势仍旧紧张[14]，需要继续推进有机无机肥配合施用，通过利用有机肥对中低产田的涵养，进一步提高化肥利用效率来实现化肥的减量施用[15]。同时我国政府不断发力，连续出台《农村改厕管理办法(试行)》[16](全爱卫办发〔2009〕4号)、《关于加强地沟油整治和餐厨废弃物管理的意见》(国办发〔2010〕36号)[17]、《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》(发改环资〔2011〕2615号)[18]、《关于印发水污染防治行动计划的通知》(国发〔2015〕17号)[19]、《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(国办发〔2017〕48号)[20]和《生活垃圾分类制度实施方案》(国办发〔2017〕26号)[21]等一系列政策，推进农村人粪尿、农作物秸秆、污泥、畜禽粪便和生活垃圾等有机废弃物资源化利用。

国内外实践表明，有机废弃物的资源化利用和无害化处理，是减少化肥施用、提高化肥利用率、控制农业环境污染从而实现农业可持续发展的有效途径[22]。明确我国有机废弃物资源化利用潜力有利于进一步合理配置和利用我国各类有机废弃物资源，同时还可为制定科学、规范的发展规划，健全发展体系提供理论数据[15]。因此，根据推动有机废弃物资源利用的相关政策，对2009—2019年我国典型有机废弃物(秸秆、畜禽粪便、农村人粪尿、污泥和生活有机垃圾)产生量进行估算，同时对其利用潜力进行分析。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究对象与范围

研究对象为我国2009—2019年间秸秆、畜禽粪便、农村人粪尿、污泥以及生活有机垃圾的年产量。依据中国统计年鉴，秸秆类作物选取了水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、棉花、花生、油菜和甘蔗；畜禽种类选取了牛(肉牛、奶牛和役用牛)、马、驴、骡、羊、猪、家禽和兔。

作物秸秆系数，畜禽饲养期、单头日排泄量，生活污泥产率系数，人年均排泄量，农村人均日产垃圾量，农村生活垃圾有机比，城镇人均日产垃圾量，城镇生活垃圾有机比，有机废弃物养分含量、含水率等参数均参考国内外研究成果而确定[23-26]，详见表1、表2、表3。

表1 各类作物秸秆系数[23]及养分含量(干基)[24-25]Table 1 Straw coefficient and nutrient content of various crops

表2 各类畜禽饲养周期[23]、粪便日排泄量[24,26]、养分含量(鲜基)[24,26]及含水率[24]Table 2 Feeding days, daily excretion, nutrient content, and moisture content of various livestock and poultry

表3 人粪尿、污泥、生活有机垃圾养分含量(鲜基)及含水率[24]Table 3 Nutrient content and moisture content of human manure, sludge and domestic organic waste

1.2 有机废弃物产生总量及作物养分需求量估算方法

1.2.1 我国各类作物秸秆年产生量 由作物经济产量与秸秆的关系(谷草比)计算，作物秸秆养分资源量由秸秆产量与秸秆养分含量的关系得出，参照下列公式计算：

式中，Mt-dry为秸秆产量(t) (干基)；Ci为第i种作物的经济产量(t)；Ri为第i种作物的秸秆系数；MtN、MtP2O5、MtK2O分别表示农作物秸秆的氮、磷、钾养分资源量(t)；Ni、Pi、Ki分别表示第i种秸秆氮、磷、钾养分含量(干基)；2.29是单质磷换算为P2O5的系数，1.2是单质钾换算成K2O的系数。

1.2.2 畜禽粪便产量及其养分资源量 参照下列公式计算：

式中，Mm-fresh为畜禽粪便产量(t，鲜基)；Mm-dry为畜禽粪便产量(t，干基)；Cdi为第i种畜禽数量(万头或万只)；di为第i种畜禽粪便日排泄量(kg/d)；hi为第i种畜禽的饲养周期(d)；θi为第i种畜禽粪便含水率；MmN、MmP2O5、MmK2O分别表示畜禽粪便的氮、磷、钾养分资源量(t)；Ni、Pi、Ki分别表示第i种畜禽粪便中氮、磷、钾养分含量(鲜基)；2.29是单质磷换算为P2O5的系数，1.2是单质钾换算成K2O的系数。

1.2.3 农村人粪尿量及其养分资源量 参照下列公式计算：

式中，Mu-fresh为人粪尿量(t，鲜基)；Mu-dry为人粪尿量(t，干基)；D为14岁以上农村人口数量；β为成年人年粪尿排泄量(以年龄大于14岁记)；θ为农村人粪尿含水率。MuN、MuP2O5、MuK2O分别表示人粪尿的氮、磷、钾养分资源量(t)；N、P、K分别表示人粪尿中氮、磷、钾养分含量(鲜基)；2.29是单质磷换算为P2O5的系数，1.2是单质钾换算成K2O的系数。

1.2.4 污泥产量及其养分资源量 污泥产生量与污水处理量呈一定的比例关系，因此本研究采用经验系数法对生活污泥的产生量进行估算，污泥产量及其养分资源量计算公式如下：

式中，Ms-fresh为城镇污泥产生量(t，鲜基)；Ms-dry为城镇污泥产生量(t，干基)；D为城镇生活污水排放量；α为城镇生活污水处理率(%)；0.02%为生活污泥产生率系数[27]；θ为污泥含水率；MsN、MsP2O5、MsK2O分别表示污泥的氮、磷、钾养分资源量(t)；N、P、K分别表示污泥中氮、磷、钾养分含量(鲜基)；2.29是单质磷换算为P2O5的系数，1.2是单质钾换算成K2O的系数。

1.2.5 有机垃圾量及其养分含量 生活有机垃圾主要包括生活垃圾物理构成中的厨余、果皮、草木等易腐类有机物，本研究对有机垃圾量及其养分含量进行了估算，公式如下：

式中，Mw-fresh为生活有机垃圾产生量(t，鲜基)；Mw-dry为生活有机垃圾产生量(t，干基)；PT为城市的人口数(人)，1.03是城市人均垃圾产率[kg/(人·d)]，0.41%是城市垃圾中有机物含量(%)；PV为农村的人口数(人)，0.3是农村人均垃圾产率[kg/(人·d)]，0.15%是农村垃圾中有机物含量(%)[14]；θ为生活有机垃圾含水率；MwN、MwP2O5、MwK2O分别表示生活有机垃圾的氮、磷、钾养分资源量(t)；N、P、K分别表示污泥中氮、磷、钾养分含量(鲜基)；2.29是单质磷换算为P2O5的系数，1.2是单质钾换算成K2O的系数。

1.2.6 作物养分需求量 计算公式如下：

式中，MnN、MnP2O5、MnK2O分别为作物氮、磷、钾养分需求量(万t)；S为该作物播种面积(×103hm2)；NiN、NiP2O5、NiK2O分别为该作物推荐施氮、磷、钾量(kg/hm2)。

1.3 数据来源

作物产量、播种面积、农村人口数量、城镇人口数量数据来自《中国统计年鉴2020》[28]；畜禽出栏量、存栏量数据来源《中国农村统计年鉴2010—2020》[29]；污水排放量数据来源《中国环境统计年鉴2010—2020》[30]；2009—2019年化肥施用量来源于《中国统计年鉴2020》[28]。

2 结果与分析

2.1 有机废弃物总量及养分资源总量

图1和图2显示，2009—2019年我国有机废弃物每年资源总量相对稳定，平均有机废弃物总量(干重)为12.9亿t，平均养分含量(N、P2O5、K2O)为4537.9万t。2011年有机废弃物总量(干重)最低，约为11.3亿t，养分含量4220.0万t；2015年有机废弃物总量(干重)最高，约为13.6亿t，养分含量为4730.4万t。与2009年相比，2019年有机废弃物总量增加约7.1%，总养分含量则增加约3.0%。2011年秸秆产量最低，约8.3亿t，养分含量分别为596.6万 t (N)、195.7万 t (P2O5)、1049.2万 t (K2O)，之后秸秆产量和养分含量均呈小幅上涨。2019年秸秆量相较2009年增加了约1.4亿t，养分总量增加约379.5万t，其中N增加128.5万t、P2O5增加44.6万t、K2O增加206.4万t。2009—2019年我国畜禽粪便、农村人粪尿产量以及养分含量均呈现下降趋势。2009年畜禽粪便总产量(干重)约为4.2亿t，养分总量约1751.6万t，其中N 739.2万t、P2O5496.3万t、K2O 591.0万t。2019年畜禽粪便总产量(干重)相较2009年下降0.67亿t；养分总量下降221.8万t，其中包括92.8万t (N)、60.4万t (P2O5)、68.6万t (K2O)。2019年农村人粪尿总产量(干重)和养分含量相较10年前分别下降了0.07亿t和79.2万t。10年中，污泥以及生活有机垃圾产量和养分含量均持续上升，相较2009年废弃物产量(干重)分别增长0.002亿t (污泥)、0.2亿t (生活有机垃圾)，养分含量分别增长1.3万t (污泥)、53.2万t (生活有机垃圾)。

图1 2009—2019年我国有机废弃物总量(干重)Fig.1 Total amount of domestic organic waste from 2009 to 2019 (dry weight)

图2 2009—2019年我国各类有机废弃物养分资源总量Fig.2 Total amount of nutrient resources of various organic wastes in China from 2009 to 2019

2019年我国有机废弃物总量(干重)约为13.11亿t，其中秸秆占比最大，约为8.27亿t，占2019年废弃物总量的63.1%；其次是畜禽粪便量，2019年畜禽粪便总量约为3.54亿t，占比为27.0%；占比最少的是污泥，2019年产量仅为0.004亿t。

从养分总量（图3）看，我国有机废弃物养分潜力巨大。2019年我国有机废弃物养分总量高达约4503.5万t，其中N总量约为1653.3万t，P2O5总量约为799.6万t，K2O总量约2050.6万t。钾养分资源量最高，其次是氮和磷，分别占总养分量的45.5%(K2O)，36.7% (N)和17.8% (P2O5)。有机废弃物养分资源量中以秸秆氮和钾养分资源量最高，分别占总养分量的46.3% (N)和65.8% (K2O)，磷养分资源量以畜禽粪便最高，占54.5% (P2O5)。秸秆养分含量最高约为2362.0万t，占总养分量的52.4%，证明秸秆养分还田是实现化肥减施的有效措施，具有广阔的应用前景[31]。同时，畜禽粪便作为我国三大面源污染之一[32]，其总养分量约为1529.8万t，约占34.0%。农村人粪尿和生活有机垃圾总养分量分别约为353.1万、255.8万t，分别占总养分量的7.8%和5.7%。养分含量最少的有机废弃物为污泥，仅占全部养分含量的0.01%，约为2.80万t (图2)。

图3 2009—2019年我国有机废弃物养分总量Fig.3 Nutrient resources of organic wastes in China from 2009 to 2019

2.2 农用化肥施用量

化肥的大量使用极大促进了粮食产量的增长。2009年我国化肥施用量为5390万t，且施肥量逐年增长，于2015年达到化肥施用量峰值，约为6000万t (图4)，增幅约达到11.2%。2016年起，我国化肥施用量开始逐年降低，2019年全年化肥施用量降至5400万t。相较2015年，2019年化肥施用量降低了10%。氮肥和磷肥施用量占比都呈下降趋势，占比分别由1980年的73.5% (N)和21.5% (P2O5)下降至2019年化肥施用总量的35.7% (N)和12.6%(P2O5)。钾肥化肥施用量比例由2.7%逐年增长，至2019年钾肥施用量占比约为10.4%。复合肥施用量所占比例也在逐年上升，到2019年施用比例略高于氮肥，为41.2%。

图4 2009—2019年我国化肥施用量Fig.4 Fertilizer application amount in China from 2009 to 2019

2.3 有机废弃物利用潜力

2019年，我国主要农作物（包括水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、棉花、花生、油菜和甘蔗）种植面积为1.29亿hm2，作物理论N、P2O5和K2O需求量分别为2303.9万、1053.2万、1338.6万t，需求比例为 1∶0.46∶0.58 (N∶P2O5∶K2O) (表4)。2019 年我国有机废弃物中的N养分含量较作物N需求量低650.6万t，占需N量的71.8%；有机废弃物中的P2O5养分含量占作物P2O5需求量的75.9%；有机废弃物中K2O含量较作物K2O需求量多712.0万t，占养分需求量的153.2% (表4)。

表4 2019年我国主要作物种植面积、最佳施肥量[31,33-34]及养分需求量Table 4 Planting area, optimal fertilizer application rate, and nutrient requirement of main crops in China in 2019

3 讨论

3.1 有机废弃物产生量及养分量估算

目前，关于我国有机废弃物产生量及养分量的估算已有较多研究，但是不同研究者之间的计算结果存在一定差距。戴志刚等[35]对2009年全国农作物秸秆总产量的估算值为6.46亿t，其中N 600.80万 t、P2O592.56 万 t、K2O 940.86 万 t；石祖梁等[36]估算2015年我国秸秆产量约为8.99亿t。耿维等[37]研究认为2010年我国畜禽粪便总量达22.35亿t。张海成等[38]估算2009年我国畜禽粪便量约为39.9亿t，秸秆总量约为8.99亿t。苑亚茹[23]估算2006年我国有机废弃物总量高达14.2亿t (干重)，有机废弃物的总养分贮量达6359万t，包括N 2362万t、P2O51422万t和K2O 2575万t。刘晓永[39]估算2016年我国有机废弃物总养分量约8140万t，其中N 3910万t、P 854万t和K 3377万t。这些研究结果存在较大差异，但均证明了我国有机废弃物产生量和养分量巨大。产生差异的主要原因是各研究者在估算时废弃物总量干、湿重展现形式不同，以及选择的研究对象的范围不同、系数选择的出入，如：秸秆系数、畜禽排泄系数、饲养周期、养分含量等，从而导致各研究者在估算秸秆、畜禽粪便等有机废弃物产生量和养分量上出现较大差异。

3.2 有机废弃物还田潜力与贡献

有机废弃物中含有丰富的氮、磷、钾等养分资源，如果能够合理还田资源化利用，将大大减少化肥的施用量。赵俊伟等[40]研究发现，如果畜禽粪便能够完全实现肥料化利用，则畜禽粪便中养分的化肥替代率将达60%以上。目前我国不同种类有机废弃物还田潜力与贡献不同。秸秆肥料化利用分为直接还田和加工商品有机肥两种形式[41]。据统计，2016年我国秸秆直接还田率达到61.27%，直接还田的秸秆养分量分别为N 706万t、P2O587万t和K2O 909万t[39]。畜禽粪便肥料化方式主要包括直接还田、堆沤还田、制作生物有机肥和燃烧后灰分还田，畜禽粪便还田给农田提供了大量的氮磷钾养分。2010年我国畜禽粪便养分还田量约为1733万t，还田率为41.83%[39]，宋大利等[3]估算粪尿全量还田理论上氮、磷、钾施用量分别平均可以减少37.3%、87.6%和65.9%。随着我国污水处理行业的发展，污泥产生量逐年增加，但污泥利用现状仍然堪忧。据统计，我国污泥的土地利用率仅有44.8%，仍有很多污泥被随意堆放，造成资源浪费[42]，而因污泥本身重金属含量较高，目前主要用于园林绿化施用[43]。1980年以前，我国种养结合较为紧密，农村人粪尿大部分被还田利用，但随着城镇化的加速，人口向城镇转移，人粪尿还田量逐渐下降[39]。随着《农村改厕管理办法(试行)》[16]颁布，从源头上提高了人粪尿收集量、无害化程度以及还田潜力。本研究估算，在我国有机废弃物养分资源结构保持不变且全量还田的情况下，有机废弃物中的氮、磷、钾养分总量可以满足作物各类养分需求的N 71.8%、P2O575.9%、K2O 100% (图5)。虽然有机废弃物养分资源潜力巨大，但有机废弃物中氮磷钾养分并不能完全被作物吸收，同时有机废弃物在肥料化处理过程中会存在一定的养分损失(如NH3挥发等)，单纯依赖有机废弃物还田仍不能实现有机废弃物与作物之间养分的完全循环。故在保持土壤养分含量不变的情况下，化肥与有机肥配合施用仍是必要的。

图5 2019年有机废弃物中养分含量与作物养分需求量比较Fig.5 Comparison of nutrient amount in organic waste and crop nutrient requirement in 2019

据估计，我国农田目前仅有38%的养分来自有机肥料[39]，相较于丹麦农田70%氮素养分来自有机肥[44]，我国有机废弃物利用程度仍旧较低。2021年10月国务院印发《2030年前碳达峰行动方案的通知》[45]，要求到2025年大宗固废年利用量达到40亿t左右，生活垃圾资源化利用比例提升至60%左右，到2030年，固废年利用量达到45亿t左右，生活垃圾资源化利用比例提升至65%。为实现2030年碳达峰目标，可将有机废弃物堆肥制成有机肥进行资源化利用。籍春蕾等[46]研究表明，若将有机废弃物堆制成有机肥，全球变暖潜力、富营养化潜力和环境酸化潜力将分别降低17.5%、52.9%和62.6%。不仅如此，提高有机肥施用量还可间接降低化肥生产、施用过程中的碳排放，据估算我国平均氮、磷、钾肥综合碳排放系数分别为2.116 t CE/t (N)和0.636 t CE/t (P2O5)和0.180 t CE/t (K2O)，是国外平均水平的1.6倍(N)、3.2倍(P2O5)和1.2倍(K2O)[47]。此外，土壤长期施用有机肥不仅可维持作物产量[48]，还可促进土壤固碳，提高土壤有机碳含量[49]。因此，提高有机废弃物利用率，减少化肥施用是实现碳达峰、碳中和的重要实施路线。但目前我国缺乏对农田施肥结构和施用数量的科学指导，化肥和有机肥施用不协调，部分地区存在施肥量大、肥效低、肥料配比及布局不当等问题，限制了养分资源的高效利用[39]。同时长距离运输等问题加大了有机肥的施用成本，降低了种植业使用有机肥的主动性[50]。为了解决商品有机肥时空分布差异导致有机肥施用成本提高的问题，应优化产业布局，推进有机废弃物资源化利用进程。

3.3 有机废弃物循环利用模式

有机废弃物还田利用是消除废弃物污染、减少化肥施用量的重要途径。有机肥与化肥配合使用对土壤有一定的调控效应，可以提高土壤有机质含量、改善土壤结构[51]、提高肥料利用率[52]、提升土壤微生物多样性和生物活性[53]；但肥料的不合理施用以及有机废弃物空间、产生时间上分布不均匀，都会对耕田承载能力产生负荷。目前我国种植业与养殖业分离现象严重，同时养殖场集约化程度不同，耕地畜禽粪便利用量在空间上分布不平衡[54]。因此，将有机废弃物资源化还田的同时，应评估其环境风险，考虑区域农田污染负荷程度，选择合适的有机废弃物循环模式，实行循环农业，调整和优化农业生态系统内部结构及产业结构，延长产业链条，提高农业系统物质的多级循环利用，最大限度地利用农业生物质资源，加大有机废弃物养分的“静脉循环”(当地循环利用)和“广域循环”(异地循环利用)，从而提高有机废弃物资源利用率。李祖章等[55]研究表明，每年稻田施用猪粪量应控制在15 t/hm2以内，在利用畜禽粪便时，应充分考虑土壤环境承载力，避免粪便施用量过高而造成环境污染，同时减少大范围、跨地区移动，充分利用当地耕地进行消纳处理，实现农牧中循环，降低农业成本。此外，随着我国垃圾分类政策的落实，若能将年产量约9000万t的餐厨垃圾[56]进行规模化好氧堆肥运营，保证商品有机肥质量稳定，便可兼顾经济与环境效益[57]，将农村输入城市中的粮食以有机肥料的形式归还农村，实现有机废弃物城乡大循环。

4 结论

我国有机废弃物数量巨大，2009—2019年我国有机废弃物每年资源总量相对稳定，平均有机废弃物总量(干重)为12.9亿t，平均养分含量为4537.9万t。2019年我国有机废弃物总量(干重)达到13.11亿t，作物秸秆对有机废物总量(干重)贡献最大，占比为63.1%，其次是畜禽粪便，占比27.0%。2019年我国有机废弃物养分总量为4503.5万t，其中，N、P2O5、K2O养分含量分别为1653.3万、799.6万、2050.6万t。2019年我国有机废弃物中的N养分含量占推荐施氮量的71.8%；P2O5养分含量占推荐施磷量的75.9%；K2O含量占推荐施钾量的153.2%。因此，在我国有机废弃物养分资源结构保持不变，且全量还田的情况下，有机废弃物中的氮、磷、钾养分总量可以满足作物各类养分需求的71.8% (N)、75.9% (P2O5)、100% (K2O)。