中國北方平原地區種養循環農業現狀調研與發展分析

趙立欣，孟海波，沈玉君，丁京濤，張 曦

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中國北方平原地區種養循環農業現狀調研與發展分析

趙立欣1,3，孟海波1,2，沈玉君1,2，丁京濤1,2，張 曦1,2

（1. 農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，北京 100125；2. 農業部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京 100125；3. 農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

中國各地根據自然條件、產業類型及資源稟賦等形成了不同的種養循環農業模式，然而，針對北方平原地區（包括東北地區、西北地區和黃淮海地區）的種養循環農業模式尚缺乏系統研究，可復制可推廣可持續的典型模式亟待總結。該文以實地調研和文獻資料總結分析形式，對北方平原地區121個種養大縣的農業廢棄物資源化利用系統調研分析，梳理總結出中國北方平原地區基于農業廢棄物（畜禽糞污、秸稈、尾菜等）資源化利用，形成以沼氣工程、好氧堆肥和秸稈資源化為紐帶的種養循環農業模式。同時，深入分析現有種養模式存在問題，仍需優化種養業格局實現種養平衡，構建評價體系，因地制宜選擇種養模式，加快關鍵技術研發，以指導北方平原地區乃至全國種養循環農業發展。

堆肥；秸稈；沼氣工程；種養循環農業；北方平原地區

0 引 言

循環農業（circular agriculture）是一種農業可持續發展模式，將循環經濟理論、可持續發展和產業鏈延伸理念、減少廢棄物的優先原則和循環經濟“3R”原則（即減量化reduce、再使用reuse、再循環recycle）應用于農業生產體系，按照“資源-產品-廢棄物-再利用或再生產”的物質循環和能量流動模式，提高農業系統物質能量多級循環利用，最大程度降低環境污染和生態破壞，最大程度提高農業資源利用效率，同時實現農業生產各個環節價值的增值，實現生態良性循環與農村建設和諧發展[1-3]。面對日益嚴重的生態、資源和環境問題，發展循環農業是實現農業資源可持續利用、農業清潔生產的有效手段，也是解決現代農業發展困境的必然選擇[4]。美國（精準農業）、英國（永久農業）、德國（“綠色能源”農業）、以色列（節水農業）和日本（菱鎮循環農業）等發達國家大力發展循環農業，建立系統的循環農業發展模式，獲得了生態環境、社會及經濟效益三者之間協調、統一發展[5-6]。自古以來，中國就形成了各種類型的循環農業模式，近年來，隨著化肥農藥過度使用、農業面源污染、農產品質量安全等問題日益凸顯，農業可持續發展遭受了前所未有的挑戰，循環農業再次成為中國農業發展的重點。

農業廢棄物（agricultural residue）是在整個農業生產過程中被丟棄的有機類物質，主要包括：農林生產過程產生的植物類殘余廢棄物；牧、漁業生產過程產生的動物類殘余廢棄物；農業加工過程產生的加工類殘余廢棄物和農村城鎮生活垃圾等[7]，主要來源于種植業和養殖業。據估算，全國每年產生畜禽糞污38億t，綜合利用率不到60%；每年產生秸稈近10.04億t，未利用的約2億t[8]，2013年蔬菜廢棄物總產量高達2.69億t[9]。從循環農業的角度看，農業廢棄物是放錯地方的資源，也是物質和能量的載體，但未被資源化利用的農業廢棄物亂堆亂放、隨意焚燒，嚴重影響了城鄉生態環境[10-11]。種植業和養殖業緊密相連、密不可分，根據循環和生態農業原理，將種植業與養殖業納入到一體化經營的產業體系中，合理配置、綜合優化，對農業與其他產業之間產業鏈條進行延伸，形成物質、能量循環利用的產業鏈，既能提高農業廢棄物的資源化利用，又解決生態環境污染問題，實現農業的可持續發展。

種養循環農業模式與區域自然條件、產業類型及資源稟賦緊密相關。中國各地根據區域特點及實際情況，選擇不同的農業廢棄物資源化利用方式，形成了不同類型的種養循環農業模式[12]，其基本雛形是南方以沼氣為紐帶的南方“豬-沼-果”典型模式，及北方“四位一體”循環農業模式。近年來，隨著中國農業循環經濟的不斷壯大和循環農業技術的不斷增強，研究者們針對不同區域循環農業的發展現狀進行了研究和總結分析，王濟等[13]以貴陽實施“多位一體”農村生態能源建設項目為依托，總結了一套以沼氣為紐帶，以生物質能循環利用為代表的“多位一體”農村循環經濟模式；王隆[14]基于對壽光農業生產中秸稈、畜禽糞便和廢氣廢水再利用研究，提出的以秸稈綜合利用、畜禽糞便利用和沼氣為紐帶的資源利用型農業循環發展模式；徐可佳[15]研究分析黑龍江省循環農業發展現狀，總結出黑龍江省“廢物綜合利用”、“養殖-沼-種植”及“種植-生物質能源和加工品-沼-種植”相結合的基本農業發展模式。北方平原地區主要包括東北地區、西北地區和黃淮海地區，包括174個種養大縣，種養業規模大，集約化程度高，在以追求數量為目的的農業發展過程中，資源消耗高且利用率低，化肥農藥等化學藥品大量施用，種養分離，面臨嚴重的農業面源污染、耕地質量下降等問題[16]，發展種養循環農業十分必要且迫切。然而，目前針對北方平原地區的種養循環農業模式尚缺乏系統研究，可復制可推廣可持續的典型模式和機制亟待總結。為了更好地完善種養循環農業生產的體系，推廣種養循環農業技術，本文通過對北方121個種養大縣開展系統調研，剖析北方平原地區典型的種養循環農業模式及存在問題，針對問題研究提出中國種養循環農業發展方向和建議，從而為中國北方平原地區乃至全國種養循環農業發展提供參考和借鑒。

1 調研方案

本文主要采用實地調研與文獻資料查閱相結合的綜合分析方法。調研時間從2013年7月至2016年12月；調研對象主要為沼氣工程、有機肥廠、飼料廠等農業廢棄物資源化利用工程；調研形式主要采用與企業和農戶座談及調研問卷，共發放調研問卷121份，回收96份；調研內容主要包括各地種植業和養殖業結構、規模及其匹配度，各經營主體（龍頭企業、合作社和種養大戶）對種養結合循環農業和農業廢棄物資源化利用的認識及政府扶持情況，現有種養業廢棄物資源化利用的方式和配套技術等。對座談內容及調研問卷進行整理分析，結合文獻資料總結北方平原地區主要種養循環農業模式及存在問題。

調研區域為中國北方平原地區，范圍涵蓋北方121個種養大縣，其中東北地區32個，西北地區19個，黃淮海地區70個（圖1），該地區地面遼闊平坦，土壤肥沃，區域夏季暖熱，冬季寒冷，水熱資源不均，以一年一熟、一年二熟為主。包括北京、天津、河南、河北、山東等省市在內的黃淮海地區，主要采用小麥-玉米輪作的耕作制度，另外，水稻、花生、棉花、大豆等作物也有一定量的種植，是中國糧食產地中秸稈產量最多的2個區域之一，該區域人增地減、資源短缺、環境污染、生態破壞已成為區域農業可持續發展的“瓶頸”[17]。西北地區深居大陸腹地，地廣人稀，包括新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內蒙古6省、自治區，根據自然環境不同分為干旱、半干旱草原及黃河流域3大區，水資源較少，生態環境脆弱，主要種植農作物有小麥、棉花、油菜、甜菜、玉米等。東北地區包括遼寧、吉林和黑龍江三省及內蒙古自治區和河北省的部分地區，從濕潤區、半濕潤區過渡到半干旱區，是中國最重要的商品糧（小麥、玉米、大豆等）生產基地，畜牧業生產也占有舉足輕重的地位，但近年來農業廢棄物不合理處置及大量化學品的投入，農業生態環境不斷惡化。

圖1 北方平原地區調查縣分布

2 北方平原地區種養循環農業的基本情況

中國北方平原地區種養循環農業的主要特點是以畜禽糞污、秸稈、尾菜等農業廢棄物的資源化利用為紐帶，實現種養相結合，良性循環發展，其中，畜禽糞污、尾菜主要是通過厭氧發酵生產沼氣沼肥、好氧發酵生產有機肥2條途徑進入農田，秸稈主要通過飼料化和基質化等途徑實現種養循環。具體來看，可以分為以規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程為紐帶的種養循環模式、以中小型沼氣工程和戶用沼氣為紐帶的種養循環模式、以商品有機肥生產為紐帶的種養循環模式、以堆肥直接還田為紐帶的種養循環模式、以秸稈飼料化和秸稈基質化為紐帶的種養循環模式等（表1）。從調研情況來看，一個種養大縣內，一般呈現“一種模式為主，多種模式并存”的格局，中國北方平原地區種養循環農業發展日趨成熟，種養循環產業系統已初步建立并逐漸完善。

表1 各地區農業廢棄物種養循環利用方式

3 北方平原地區典型種養循環農業模式

3.1 以沼氣工程為紐帶的種養循環農業模式

以沼氣工程為紐帶的種養循環模式是循環經濟在農業方面的具體應用形式之一，將農作物種植、畜禽生產、微生物發酵和農村建設等以沼氣工程為紐帶合理地結合起來，有利于降低農業環境污染、減少資源消耗。沼氣工程模式是通過植物生產、動物轉化、微生物還原實現農業廢棄物的資源化循環利用，具體運行模式是種植業產生的作物秸稈和養殖業產生的畜禽糞便經過厭氧發酵產生沼氣，作為新型優質燃料用于生產生活，排出的沼渣、沼液含有多種養分和微量元素，可經過好氧發酵生產優質有機肥（圖2）。此外，由生物質轉化而來的以甲烷為主要成分的燃氣稱為生物天然氣（bio-natural gas），目前主要指通過沼氣提純得到的生物甲烷氣（bio-methane，甲烷體積分數97%以上），生物天然氣可以直接作為石化天然氣的替代燃料，因此，發展沼氣已成為增加天然氣供應的重要方向。根據沼氣工程的組織模式，包括以規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程為紐帶的種養循環農業模式、以中小型沼氣工程和戶用沼氣為紐帶的種養小循環模式2種。

圖2 以沼氣工程為紐帶的種養循環農業模式流程圖

3.1.1 以規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程為紐帶的種養循環農業模式

該模式以畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜和農產品加工廢棄物等為原料，通過規模化生物天然氣工程、規模化大型沼氣工程，物質和能量循環利用，上聯養殖業、下聯種植業，實現種養結合，主要工藝流程是“畜禽糞便等廢棄物收集-規模化生物天然氣/大型沼氣工程-沼肥直接還田/沼肥高值化還田”，主要適用于大型養殖場和糧食主產區等農業廢棄物產量大的區域。隨著中國對規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程支持力度的不斷加大，該種養結合模式的應用越來越廣泛。

華北和東北地區是中國糧食主產區，養殖業規模化程度高[18]，畜禽糞污、秸稈和尾菜等農業廢棄物產生量大，多采用“規模化養殖場畜禽糞便-生物天然氣/規模化沼氣工程-沼肥還田/高值利用”模式。如北京某大型養殖場沼氣工程（見圖3a）以雞糞為原料進行厭氧發酵，生產的沼氣用于發電和沼氣池保溫，沼渣沼液通過訂單農業的模式出售給當地的農民還田使用，形成了熱、電、肥聯供模式[19]。山東省某沼氣發電工程（見圖3b）年可處理雞糞18萬t、生產沼氣1 095萬m3、生產有機肥25萬t，形成了“雞-肥-沼-電-生物肥”的循環產業鏈，達到沼氣熱電聯供、沼渣沼液無害化利用的目的[20]。2013年，東北地區典型縣平均年產各類農作物秸稈合計163.93萬t，按照目前典型縣秸稈綜合利用率71%計算，剩余秸稈約為48萬t。按照處理利用率達到85%以上，需增加22.95萬t處理能力，考慮競爭性用途，其中20%用于沼氣發酵，則可產生1 377萬m3沼氣。根據典型縣2013年畜牧養殖數據，初步估算全縣畜禽糞便產生38.37萬t，污水153.46萬t，目前生豬奶牛糞便處理利用率約60%。按照處理利用率達到90%以上，需增加11.51萬t畜禽糞便和46.04萬t廢水處理能力，可產生沼氣1105萬m3。

a. 北京某養殖場沼氣工程a. Biogas projects of a breeding farm in Beijingb. 山東某沼氣工程b. Biogas projects in Shandong province

西北地區養殖規模有限[21]，農田消納沼液能力強，多采用“養殖場糞污分散收集-生物天然氣/規模化沼氣工程-沼肥直接還田”模式。如寧夏青銅峽市大型沼氣工程和甘肅某集團現代循環農業示范園都形成了“分散養殖-沼氣集中發酵-發電-沼肥-種植”的良性循環系統，畜禽糞污經糞污車收集運輸至沼氣工程，生產的沼氣用于農戶生產生活，沼渣沼液生產有機肥施用于蔬菜、經果林果等作物種植，有力推進了當地生態農業發展[22]。陜西洋縣超過一半的農戶采用“畜-沼-菜”循環農業發展模式，26.4%的農戶采用“畜-沼-糧”循環農業發展模式，超過74%的沼氣農戶使用沼肥[23]。

這類種養循環模式的核心是規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程，但目前，部分地區尚存在原料收集困難、沼渣沼液利用率低、接口技術裝備水平不高等問題，尤其是沼渣沼液利用途徑比較單一，產品附加值低，有些地方因沼液難以處理，長期存放帶來了面源污染[24]。如在北京市大中型沼氣工程中，有近50%的沼氣工程并未進行沼渣沼液分離，大部分采用自然沉淀的方式進行分離，只有約30%的沼氣工程出售沼液，10%的沼氣工程將沼液用于農場或林場生態園澆灌；大部分沼氣工程將沼液廢棄在儲液塘，或排放到溝渠中曬成干糞[25]。

3.1.2 以中小型沼氣工程和戶用沼氣為紐帶的種養小循環模式

在農戶有散養習慣及中小型養殖場密布的地區，適宜發展戶用沼氣和中小型沼氣工程，產生的沼氣用于農戶家庭和養殖場清潔燃氣需求，沼渣和沼液可直接還田，尤其可推進特色產業綠色生產模式，提高農產品品質，促進種養平衡循環農業發展。該模式主要工藝流程是“畜禽糞便收集-中小型沼氣工程/戶用沼氣-沼肥直接還田”。按照應用地域尺度，該模式可分為生態溫室模式、生態園區模式和區域循環模式。

生態溫室模式利用物質循環再生原理和生態學食物鏈原理，將戶用沼氣池、畜禽舍、農作物種植有機結合在日光溫室中，三者相互利用、互相依存，最大限度的降低農業生產對系統外物質的要求，屬于典型的庭院經濟農業模式（見圖4）。該模式比較典型的有北方“四位一體”模式[26]和中部“生態溫室”模式[27]。這種模式主要建設單元包括日光溫室、沼氣池、畜禽舍，還可增加蚯蚓養殖槽、廁所等建設單元。

1.進料口 2.豬圈 3.廁所 4.沼氣池 5.通氣孔 6.出料口 7.日光溫室 8.菜地 9.沼氣燈

生態園區模式利用沼氣的紐帶作用，將養殖業和園區種植業有機結合起來，降低農業生產成本，增強了系統的自我維持能力。比較典型的有北方“中部地區生態果園”模式（見圖5）[28]和西北地區“牧-沼-糧-草-果”五配套模式[29]等。這種模式主要的建設單元包括果（菜、茶）園、沼氣池、畜禽舍，建設內容易于擴展，可充分考慮應用區域的地貌、氣候、水土等特征，增加果園內養雞、養林蛙、沼渣種蘑菇、養殖蚯蚓等內容，構建地域性的特色模式，如隴縣“沼氣池-廁所-畜舍-菜（果、糧）”模式、千陽縣“桑-蠶-雙孢蘑菇-畜舍-沼氣池”模式[30]。

1.太陽能熱水器 2.廁所 3.太陽能地暖圈 4.導氣管 5.沼氣池 6.貯肥池 7.沉沙池 8.水泵 9.水窖 10.滴灌系統

區域循環模式在中小規模化畜禽養殖場或養殖場較多、較分散的區域，構建區域內的“糧經飼-畜禽養殖-中型沼氣工程-沼肥直接還田/高值化還田”生態循環模式，解決飼料糧（草）生產基地和畜禽糞便消納土地場所缺乏的問題，生產優質畜產品。這種模式的主要特點是種植業由傳統的糧食生產一元結構或糧食、經濟作物生產二元結構向糧食作物、經濟作物、飼料飼草作物三元結構發展，畜禽養殖主要發展草食性動物，利用畜禽糞便進行沼氣發酵，同時用產生的沼渣沼液研發優質有機肥，用于農作物生產。河南省一些地區構建“糧-經-飼”三元統籌耕作制度，通過人工草場與各類作物副產品、作物秸稈發展食草畜禽，完善養殖系統，形成了符合當地實踐的種養結合模式[31]。河北正定縣收集秸稈和畜禽糞便，利用戶用沼氣池進行厭氧發酵，生產的沼氣為居民全年供氣，沼渣沼液制成固態肥和液體生物肥，施用于農作物，形成了縣域循環農業[32]。

以中小型沼氣工程和戶用沼氣為紐帶的種養循環農業模式對中國農村生產和生活具有重要作用。目前，該模式存在的主要問題是區域/園區內種植業和養殖業規模配置不平衡，導致沼渣沼液不能完全被消納，以及沼渣沼液資源化利用技術裝備不規范帶來土壤板結、燒苗、重金屬殘留等風險，影響種植業發展。此外，由于中小規模養殖場抗市場沖擊力不足、沼氣工程規模不合理等原因，大部分沼氣工程存在不同程度的原料來源不確定性，導致穩定運行存在隱患[33]，難以發揮紐帶作用。在制約中小型沼氣工程和戶用沼氣產業鏈延伸的眾多因素中，社會化服務建設滯后更嚴重制約了沼氣產業的發展，沼氣池利用率不高已經成為部分區域普遍存在的問題[34]。

3.2 以好氧堆肥為紐帶的種養循環農業模式

以高溫好氧堆肥為紐帶處理農作物秸稈和畜禽糞便等農業廢棄物，是中國北方平原地區最常見的種養結合農業循環模式，有利于解決有機肥短缺的問題。該模式主要將農作物秸稈/尾菜、畜禽糞便等按照一定的比例混合，通過高溫堆肥發酵處理殺滅廢棄物中含有的寄生蟲卵、病原菌、雜草種子等對農作物有害的物質，生成腐熟的有機肥（圖6）。該模式主要包括堆肥直接還田模式和商品化有機肥還田模式2種。

圖6 以好氧堆肥為紐帶的種養循環農業模式流程圖

3.2.1 堆肥直接還田模式

該模式主要以畜禽糞便、尾菜等有機廢棄物為原料，通過好氧堆肥、自然堆漚后，直接施用于農田，實現農業廢棄物的資源化利用和農業生產的良性循環。堆肥直接還田是中國最傳統、最經濟的糞便處理方式，適用于農村、有足夠農田消納養殖場糞便的地區。主要工藝流程是“畜禽糞便、尾菜-堆肥/堆漚-直接還田”。

在畜禽養殖基礎條件較好的農業區，“糧-菜-豬”、“玉米-牛（豬）”等種養模式較為普遍。如豬糞尿在田間建設的發酵池中好氧發酵4～6個月后作為糧食作物基肥，利用管網，通過淌、噴灌的形式就近還田，減少化肥施用量[35]。有些地區還可利用秸稈、鋸末混合生物菌制成發酵床墊料養豬，換下的墊料作為有機肥施用于農田。在牧草發達的農牧區，草畜平衡循環模式可恢復草地植被，提高草地生產力，利于草地畜牧業的可持續發展。如黑龍江省雙城市某奶牛場采用“牧草-作物-奶牛”模式，將奶牛糞污經干濕分離后，液體上清液經氧化塘處理后用于飼料飼草地灌溉，固體糞污用作墊料及飼料飼草地施肥。

該模式的核心技術是好氧堆肥，但目前在大部分農村地區，堆肥技術較為落后，微生物強化堆肥技術（如外源高溫分解菌接種技術、功能性微生物接種技術及微生物除臭技術等）尚未普及，導致堆肥腐熟周期長、體積和質量大、氣味惡臭、養分含量低，病菌傳播、污染大，無害化程度低，運輸和施用很不方便等特點，這些特征制約著上述模式的推廣和施用。此外，畜禽養殖尿液、污水及經固液分離后液體部分的資源化利用途徑也是影響上述模式經濟和環境效益的重要因素[36]。

3.2.2 商品化有機肥還田模式

該模式主要以畜禽糞污、尾菜等農業廢棄物為原料，通過糞便收集、干燥、好氧發酵、添加、造粒、包裝等過程生產商品化有機肥，也可根據用戶需求生產專用商品化有機固體肥料和液體肥料，便于長距離運輸。商品化有機肥還田模式適用于資金和技術實力比較雄厚的大型養殖場或養殖園區，主要工藝流程是“畜禽糞便、尾菜-好氧發酵-商品化有機肥”，如山東某有機肥廠（圖7a）采用高效復合微生物菌劑對尾菜進行無害化處理，日處理尾菜達100 t，日產生物有機肥30 t，徹底解決了當地尾菜處理難題，以商品化有機肥還田有力地促進了當地循環農業的發展。河南某食品股份有限公司各養殖場利用振動篩網式分離機（圖8a）及螺旋擠壓式分離機（圖8b）對豬糞進行兩級固液分離，將養豬糞污的再利用，固液分離后的豬糞和沼渣定期運往有機肥廠（圖7b），生產商品有機肥外售，實現養豬糞污零排放商品化有機肥還田模式有益于綠色和有機食品的發展，具有顯著的經濟、環境和社會效益[37]。

a. 山東某有機肥廠a. An organic fertilizer plant in Shandong provinceb. 河南某有機肥廠b. Organic fertilizer plant in Henan province

圖8 固液分離設備示意圖

但目前，商品有機肥生產和使用配套技術較落后，加之肥源品質較差，導致有機肥產品質量不高，且與化肥相比，商品有機肥價格無競爭優勢，農戶在使用商品有機肥時，在同等投入條件下，有機肥所產生的增產效益在短時期內并不明顯，造成農戶使用有機肥積極性不高。此外，由于有機肥生產行業準入門檻較低，目前國內有機肥市場較混亂，有些投機商為降低生產成本，在有機肥制作中加入大量的碳素含量很高而養分含量不高的肥料，導致有機肥質量參差不齊，市場競爭無序，嚴重阻礙了商品化有機肥還田模式下種養循環農業的發展。

3.3 以秸稈資源化為紐帶的種養循環農業模式

中國北方平原地區秸稈資源豐富，將秸稈資源利用與其他農業生產方式結合起來，形成以秸稈資源化為紐帶多級循環利用的種養循環農業模式（圖9）。秸稈是牛羊粗飼料主要來源，通過氨化、青貯、微貯等處理可以提高秸稈的飼料營養價值，同時將養殖業和種植有效結合起來，形成以秸稈飼料化為紐帶的種養循環農業模式，此外，以秸稈基質化為紐帶的種養循環農業模式以秸稈作為基料用于食用菌栽培為起點，通過菇渣的后續開發利用來延伸產業鏈條，實現經濟與生態的有機統一。

圖9 以秸稈資源化為紐帶的種養循環農業模式工藝流程圖

3.3.1 秸稈飼料化利用模式

對秸稈和部分牧草進行飼料化生產，既可以有效利用秸稈和牧草的有效養分，也可以保證冬季飼料的充分供應，是飼養草食性動物的良好飼料[38]。秸稈飼料化利用模式主要工藝流程是“農作物秸稈-青貯（黃貯、氨化）-養殖業”。如甘肅省張掖市依靠豐富的農作物秸稈資源，緊緊圍繞牛羊產業大縣建設，利用秸稈青貯、黃貯、氨化、草粉（顆粒）加工等技術，提高秸稈飼料的轉化利用率，增加飼草過腹增值效益；到2012年，全市秸稈飼料化加工利用率達46.4%，有力的推動了當地養殖業發展[39]。

秸稈飼料化技術主要包含秸稈收儲運技術與秸稈飼料化轉化技術，其中收儲運技術分為聯合收獲與分段收獲工藝，飼料化轉化技術分為青貯、氨化、黃貯等工藝。目前，中國秸稈飼料加工水平低下，秸稈飼料化只是經過簡單的物理處理，只有一些較大規模的奶牛（肉牛）場使用青貯技術，大多數秸稈基本上是未經處理而直接飼喂牲畜，且大部分地區在規模化、產業化開發秸稈飼料設施上配套還不夠[40]。另外，由于受不同地區秸稈種類與資源密度、秸稈收儲運發展水平和當地社會經濟發展水平等多因素制約，不同地區的不同秸稈所適宜的飼料化集成技術不同[41]，而目前，中國尚缺乏對該方面的技術研究推廣。

3.3.2 秸稈基質化利用模式

秸稈基質化利用模式通過秸稈制備栽培基質技術，將秸稈等有機廢棄物在通風干燥防雨環境中進行有氧高溫堆肥，使其腐殖化與穩定化，將堆腐穩定的物料破碎后，與泥炭、珍珠巖、蛭石、礦渣等材料合理配比，使其理化指標達到育苗或栽培基質所需條件。利用秸稈等有機固體廢棄物生產栽培基質早已成為無土栽培基質的研究熱點[42]，隨之產生了“農-菌-牧”等種養模式[43]，將農作物秸稈粉碎處理后作為食用菌的營養基原料，而副產品菌糠經生物處理后作為動物的飼料，畜禽副產品及糞污經過堆肥無公害處理后還田。如吉林舒蘭市和通化縣，利用秸稈研制木耳、銀耳等食用菌和中藥種植基質，木耳收獲后繼續種植平菇，多次利用，最后的基質經好氧發酵等無害化處理后施用于農田。秸稈基質化利用模式的核心技術是秸稈栽培基質制備技術，但目前該技術尚不成熟，生產工藝與流程尚不規范，基質產品性能不穩定，且缺乏統一的科學操作標準，制約了秸稈基質化利用模式的發展。

4 中國種養循環農業發展分析

現代規模化的農業生產割裂了傳統農業中種植與養殖業間的天然有機聯系。種植業依靠大量農藥、化肥等化學物質的投入獲得高產，養殖業產生的廢物不再被種植業及時、有效地消納，種植業大量化學物質的投入及養殖業不能及時消納的廢棄物成為農業面源的主要來源，對生態環境造成極大危害。本研究通過系統調研總結中國北方平原地區典型的種養循環模式，結合中國農業生產實際，深入分析現有的種養循環模式存在的問題，發展種養循環農業實現農業可持續需發展，仍需在以下幾方面研究提升：

4.1 種養平衡

近年來，中國養殖業特別是畜禽養殖業迅速發展，集約化、規模化養殖場數量不斷增加，研究表明，有80%以上的規模化養殖場周邊沒有足夠數量的配套耕地消納畜禽糞便[44]。張緒美等[45]基于中國31個省1997－2004年的牛、豬、羊和家禽的養殖量統計數據，計算不同地區的畜禽糞便農田負荷量，結果表明中國23個省污染負荷量對農業生態環境造成威脅。在本研究調研的121個種養大縣中，90%以上的縣存在種養不平衡的現象，其中也以畜禽養殖量超出土地承載力為主。大量的畜禽糞便無法通過區域內種植業消納而成為廢棄物，不僅大量浪費資源，也造成了日益嚴重的農業面源污染問題。此外，目前所構建的種養循環模式大多采用“畜-肥-作”的思路，也就是根據畜禽養殖量建設沼氣工程或堆肥工程，然而，這無法解決沼肥有機肥的大量生產與農作物的季節性需求之間的矛盾。

中國急需轉變發展思路，以種植業發展特點及耕地糞便承載力為依據，從宏觀層面加強畜禽養殖發展規劃與種植業規劃的協調，做好頂層設計，優化種養業格局，借鑒國外“以地定畜”、“以種定養”的模式，合理確定畜禽養殖量，使耕地能夠充分消納畜禽糞便產生量，從而提高農業生產的環境效益。此外，加強畜禽糞便的無害化處理，依據各類畜禽糞肥特性，合理選擇畜禽糞便資源化利用方式，“以養促種”，確保有機糞肥的高效利用，實現種養系統資源高效循環利用與污染物減量排放。

4.2 種養循環農業評價體系

發展種養結合循環農業的同時，也要開展關于種養結合循環農業評價體系的研究，為種養結合循環農業模式的推廣提供科學依據，也是促進種養結合循環農業發展的關鍵問題[46]。不同地區開展不同類型的種養循環農業實踐，從宏觀上如何評價發展狀態和運行效果，另外，如何選擇符合種養循環農業發展原則的技術模式進行示范推廣，都需要一套相對科學統一的指標體系[47]。

基于評價的出發點不同，不同循環農業評價的內容也有所不同，王麗靜等[48]采用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）在邯鄲農業現狀分析的基礎上對循環農業系統進行綜合評價以反映區域農業循環經濟發展情況；王小龍[49]基于能值分析（emergy analysis，EME）與生命周期評價（life cycle assessment，LCA）方法，在理論改進與計算過程規范的基礎上，初步構建了適合中國循環農業系統評價的EME-LCA綜合評價框架；王瑞波等[50]應用層次分析法和模糊綜合評判法對北京市5種板栗產業循環農業模式的經濟效益、社會效益和生態效益進行綜合評價。一套好的評價指標體系能夠遵從其評價對象的基本原則，且能全面真實地反映評價系統內部的資源與物質利用情況[51]，體現評價對象的內涵和基本特征。種養結合循環農業是在農業生產活動中，將種植業和養殖業有機結合在一起，減少化肥、農藥等購買性資源、物質的投入量，減少廢物和風險污染物的產生與排放量，實現農業生態系統自然資源和廢棄物資源的最大循環利用，并最大限度地減輕環境污染，實現農業和生態環境的“雙贏”。因此，應根據種養循環農業的基本內涵選擇評價指標體系（種植業指標、畜牧業指標、農業廢棄物指標等），確定指標權重，篩選科學合理的評價方法，進而構建種養循環農業評價體系，實現農業資源的高效、可持續利用和廢棄物的最小化與無害化排放。

4.3 種養循環模式選擇

農業廢棄物資源化利用工程模式的構建和選擇，首要目標是農業廢棄物的消納和高效利用，解決環境污染問題，此外，所構建的模式要持續穩定運行并能獲得一定的經濟利益，以加快現代農業產業工程體系建設、實現農業可持續發展[12]。通過調研我們發現，現有的種養循環模式選擇多存在隨意性，易出現模式持續不長久、產品消納困難、工程難以運行等問題，因此，應充分考慮廢棄物種類、土地消納能力、氣候特點、產業現狀和市場需求等因素，因地制宜，選擇科學合理的種養循環農業模式。

以沼氣為紐帶的種養循環模式為例，在水系發達、河網密布地區，沼液消納能力弱，可選擇“糞便、秸稈干法序批式厭氧消化-沼渣制肥和養殖廢水達標排放-肥料還田”的種養循環模式。在氣候干燥、秸稈產生量大、沼液消納能力強的地區，可選擇“糞污、玉米秸稈濕法單相厭氧消化-沼渣沼液肥料化-肥料還田”的種養循環模式。氣候寒冷、秸稈產量大、冬季沼液處理難，可選擇“玉米秸稈、糞便干法連續式厭氧消化-沼渣制肥-肥料還田”的種養循環模式。在土壤貧瘠、尾菜產生量大的地區，可選擇“尾菜、糞污濕法兩相耦合厭氧消化-沼渣沼液肥料化-肥料還田”的種養循環模式。此外，中國在種養循環模式選擇與關聯因素之間的關系方面，尚缺乏系統研究，急需提升。

4.4 種養循環關鍵技術

依據農業廢棄物資源化利用技術的可靠性、適應性及不同區域的技術狀況，選擇、研發不同區域適宜的技術模式，是種養循環農業模式的基礎。圍繞種養循環技術體系和產業體系，基于現有優勢技術，加快種養技術研發和創新，突破循環利用核心環節與產業鏈前后端關鍵技術、耦合接口技術研究，實現農業廢棄物資源化利用的產業化發展。比如，突破畜禽養殖適宜規模、承載力、載畜量與布局及分布等技術問題；突破種養結合系統廢棄物減量化資源化利用關鍵技術問題，如廢棄物收儲運技術、農作物秸稈還田技術、畜禽糞便與秸稈肥料化技術裝備、沼氣工程提檔升級、廢棄物基質化利用技術等；突破種養結合的物料（沼液、有機肥）輸移、貯存及農田適量消納的施用技術與裝備問題；突破不同養殖布局和種養模式的生態環境效應、種養結合糞尿還田生物安全性和環境風險評估技術問題，實現種養系統間物質投入產出環境效益最優化、農業廢棄物高效循環利用和污染物排放的最小化。

5 結 論

本文以實地調研及文獻資料分析總結形式，對北方平原地區（包括東北地區、西北地區和黃淮海地區）121個種養大縣的農業廢棄物資源化利用工程進行系統調研分析總結。該地區種養循環農業模式主要包括以規模化生物天然氣工程和大型沼氣工程為紐帶、以中小型沼氣工程和戶用沼氣為紐帶、以商品有機肥生產為紐帶、以堆肥直接還田為紐帶、以秸稈飼料化和秸稈基質化為紐帶等模式。推廣種養循環農業，仍需轉變發展思路，以種植業發展特點及耕地糞便承載力為依據，優化種養業格局，實現種養平衡，并依據種養循環農業特點構建評價體系，因地制宜選擇合理的種養模式，同時，加快種養技術研發和創新，突破循環利用核心環節與產業鏈前后端關鍵技術、耦合接口技術，實現農業廢棄物資源化利用的產業化發展，實現農業可持續發展。

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Investigation and development analysis of planting-breeding circulating agriculture ecosystem system in northern plains in China

Zhao Lixin1,3, Meng Haibo1,2, Shen Yujun1,2, Ding Jingtao1,2, Zhang Xi1,2

(1.100125;2.100125,; 3.100125)

Recycle agriculture is an efficient utilization and resource-saving mode of agriculture, and an inevitable choice for modern agriculture to step out of developmental dilemma. It has been the effective way to realize sustainable utilization of agricultural resources and cleaner agricultural production. China has already had a history of circular agriculture, and in recent years, circular agriculture and resource utilization of agricultural residues are getting more and more attentions. Based on regional natural conditions, industry types, resources endowment, and so on, various models of planting-breeding circulating agriculture ecosystems are formed in China. Due to the production strength and high intensive degree of farming and breeding in northern plains (containing northeast, northwest and Huang-Huai-Hai region), planting and breeding produce a large amount of waste, and long-term separation of planting and breeding industry causes the inefficient resources use, which has brought serious regional environmental hazards. Development of the planting-breeding circulating agriculture is very necessary and urgent. There was lack of systematic research on the models of planting-breeding circulating agriculture in northern plains, and the summarization of problems is needed. In this article, the resource utilization engineering for agricultural residues containing biogas engineering, organic fertilizer plant, and feed mill from 121 counties with large-scale planting-breeding industry in northern plains, was systematically investigated and analyzed through investigation and literature analysis. Among the 121 counties, there are 32 in northeast area, 19 in northwest area and 70 in Huang-Huai-Hai region. The research contents mainly include the production and utilization status, and the ways of use for straw, and livestock and poultry manure, other planting and breeding industries, and so on. The results showed that based on the resource utilization for agricultural residues (such as livestock and poultry manure, straw, and vegetable wastes), there are biogas engineering-linked, aerobic composting-linked, and straw resource utilization-linked planting-breeding circulating agriculture ecosystems which have been developed in northern plains in China. In the biogas engineering-linked system, cultivation of crops, production of livestock and poultry, fermentation of microorganisms and construction of rural areas, are rationally combined with biogas projects as a link, and it includes large scale biological gas engineering and biogas engineering-linked, and middle and small size and household biogas-linked circulating agriculture ecosystems. In the aerobic composting-linked agriculture ecosystems, high temperature aerobic composting is a link to deal with agricultural wastes such as crop straw and livestock manure, and some companies use this method to produce commercial organic fertilizer. In the northern plain of China, straw resources are abundant, and the resource utilization of straw is combined with other agricultural production methods to form straw utilization-linked recycling agricultural models, such as feed utilization and utilization of crop straw in soilless culture. Combined with the actual agricultural production in China, the in-depth analysis on the deficiencies and problems of existing planting-breeding circulating agriculture ecosystems was also conducted. The balance of planting and breeding, the mode selection and the key technology should be researched and improved in planting-breeding circulating agriculture ecosystems, to guide the development of planting-breeding circulating agriculture in northern plains and even in China.

composting; straw; biogas engineering; planting-breeding circulating agriculture; northern plain area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.001

S181.4

A

1002-6819(2017)-18-0001-10

2017-06-01

2017-09-01

國家重點研發計劃：好氧發酵過程重金屬鈍化及高效生物除臭關鍵技術與設備研究（2016YFD0800603）

趙立欣，研究員，主要從事種養循環農業領域的研究工作。Email：zhaolixin5092@163.com。