畜禽養殖廢棄物還田利用模式發展戰略

賈偉，臧建軍，張強，李德發

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081；2. 養分資源高效開發與綜合利用國家重點實驗室/金正大生態工程集團股份有限公司，北京100022；3. 中國農業大學動物科技學院飼料工業中心，北京100193）

畜禽養殖廢棄物還田利用模式發展戰略

賈偉1,2，臧建軍3，張強2，李德發3

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081；2. 養分資源高效開發與綜合利用國家重點實驗室/金正大生態工程集團股份有限公司，北京100022；3. 中國農業大學動物科技學院飼料工業中心，北京100193）

本文介紹我國畜禽養殖廢棄物還田利用模式發展概況，分析養殖廢棄物循環利用產業發展的問題，探討下一步的發展戰略。總結發現，多年來國內外在探索畜禽養殖廢棄物還田利用模式、農田適宜載畜量參數等方面取得了重要的進展，但仍然存在種養結合養分不平衡、各種處理過程養分損失大、農田合理施用糞肥原則缺失等問題。下一步的研究應該以“還田利用，環境友好”為目標，引入種養結合糞便養分管理理念，開展畜禽養殖廢棄物的收集—貯存—處理—還田；開展包括優化還田安全利用技術、種養循環過程溫室氣體減排、農田對養殖廢棄物合理消納量定量、減少氮磷養分損失避免面源污染等方面的研究，同時在政策上引導畜禽養殖廢棄物的高效資源化利用。

規模化；養殖場；糞便；廢水；種養結合；養分

一、前言

1978—2012年，我國畜牧業的增加值增長了130倍，種植業的增加值增長了42倍，畜牧業增加值的增幅遠遠超過種植業[1]。規模化養殖是畜牧業現代化的重要標志。2014年我國生豬出欄500頭以上、肉雞出欄10 000只以上、蛋雞存欄2 000只以上的規模養殖比重分別達到41.8%、73.3%和68.8% [2]；2015年奶牛存欄100頭以上、肉牛出欄50頭以上、肉羊出欄100只以上的規模養殖比重分別達到45.2%、27.5%、36.5% [3]。按照“十三五”規劃，到2020年我國生豬出欄500頭以上、奶牛存欄100頭以上的規模養殖比重將達到52%和60%，畜牧業整體的規模化率達到50%以上。目前，在我國生豬、蛋禽和奶牛優勢省區，豬肉、禽蛋和牛奶產量分別占我國豬肉、禽蛋和牛奶總產量的92%、68%和88%。隨著規模化的發展，畜禽糞便總量持續增加且更趨集中；而我國長期以來的種養分離事實，導致畜禽糞便養分無法做到有效的還田利用，短期內優勢養殖產業區的環境壓力越來越大，養殖生產的環境問題更加凸顯。

種養結合利用糞肥養分是當前有效利用畜禽糞肥的最優途徑。我國畜禽糞便養分可提供的氮、磷和鉀分別約相當于3.602×107t尿素、1.166×108t過磷酸鈣和2.122×107t氯化鉀[4,5]。據估計，我國畜禽糞便中氮、磷養分量分別相當于同期化肥使用量的79%和57%，高效利用養殖廢棄物對于減少化肥使用量意義重大[6]。糞肥替代化肥施用可以減少化肥生產和施用，避免資源的浪費和溫室氣體的排放[7]。畜禽糞便養分還田利用涉及畜舍飼養、糞便收集、糞便貯存、土壤作物利用的整個種養循環過程，各環節的養分損失差異很大[8,9]。在我國開展畜禽養殖廢棄物種養結合還田利用模式，還缺少對于糞肥養分管理、農田合理施用糞肥等的研究。本文重點總結國內外畜禽養殖廢棄物還田利用模式，比較這些模式的實施效果，形成我國綠色養殖廢棄物還田利用模式的發展戰略思路，提出開展相關工程的措施和建議。

二、國外畜禽養殖廢棄物還田利用模式及機制

（一）國外畜禽養殖廢棄物還田利用的主要模式

養殖廢棄物還田利用模式是圍繞固體糞便和尿液進行的全部活動，涉及從畜舍收集、貯存、發酵處理、運輸到最終施用整個糞便鏈條中的損失和排放[10]。常見養殖廢棄物還田利用模式鏈條見圖1。

美國Smithfield公司豬場主要采用厭氧發酵塘處理后貯存的方式，糞便等最終全部作為有機肥用于農田施用。美國農業部調研發現，養殖畜禽糞便主要是直接還田模式，糞便—沼氣—沼液還田模式很難與其競爭；從市場角度看，糞便—沼氣—沼液還田模式更適合于糞便供應充足、肥料價值最小的區域。美國的畜禽糞便能源技術已經商業化使用多年，如焚燒廠、厭氧發酵沼氣燃料發電等，但這些技術仍未大面積推廣應用[11]。美國畜禽養殖場廢棄物還田利用基本情況，如表1所示。

圖1 養殖廢棄物還田利用模式鏈條

表1 美國畜禽養殖場廢棄物還田利用基本情況

英國的畜禽糞便主要利用途徑是肥料還田，其模式為糞便—貯存—農田。液體糞便貯存方式主要分為地上儲罐、圍墻式貯存、氧化塘、地下儲罐等。液體糞便主要施用方式為表層撒施、條施、淺層注射、深層注射、噴灌等[12,13]。孟加拉國有70%～80%的農戶貯存固體糞便，其中50%的固體糞便用于作物施肥。越南大部分的大中型養殖場有沼氣工程設施，養殖場產生的70%～90%的沼渣用于農田施肥或水產養殖。阿根廷液體糞便貯存于氧化塘中，75%的農場貯存固體糞便，50%的農場糞便進行還田施用。哥斯達黎加有50%的規模化奶牛場將糞肥施用于牧場草地；大部分養豬場會收集和貯存糞便，其中50%的養豬場有沼氣處理工程設備[10]。部分國家畜禽養殖場廢棄物還田利用情況，如表2所示。

（二）歐美畜禽養殖廢棄物還田利用的機制

美國養殖廢棄物污染防治國家戰略和國家污染物排放削減（NPDES）許可證制度推動了畜禽糞便綜合養分管理計劃相關技術的研發和應用[14]。美國畜禽糞便綜合養分管理計劃，強制養殖大戶必須實施、鼓勵養殖小戶自愿實施。歐盟國家的農業環境得到保護，養分管理政策起著非常重要的作用[15]。養分管理政策推動了英國養殖廢棄物還田利用，同時減少硝酸鹽淋洗和溫室氣體對環境的影響，英國按照糞便養分管理計劃進行了養殖糞肥的施用[12]。德國沒有針對畜禽養殖廢棄物管理和利用開展過專門的立法，但將養殖廢棄物污染防治的相關規定融入到環保領域相關的法律法規中；在德國，80%的農場采取種養結合，還田利用模式為養殖糞便—沼氣—農田，農場用肥需考慮養分平衡，依據是不超出作物氮、磷養分的需求上限[16]。

美國的糞便綜合養分管理計劃和歐盟養分管理政策實質是相同的，目的都是提高糞肥養分的利用率，減少養分的環境損失。美國和歐盟都制定了相關的法律法規來實現養分管理，如硝酸鹽法案和硝酸鹽敏感區、水保護法案、“590”法案、水潔凈法案等[17]。

糞便綜合養分管理的核心是養分平衡，其主要考量畜禽所產生提供的養分量、作物目標產量氮磷養分需求量以及土壤養分水平，以減少糞便養分的環境排放。歐美國家已經用養分平衡方法表征了種養結合系統生產的可持續性，同時指導養殖廢棄物的還田利用[18～20]。歐美養分平衡應用以農場平衡法、養分利用率法、土壤表觀平衡法使用最多（見表3）。為提高養分利用率，實施畜禽糞便養分綜合管理計劃，將環境保護與種植業、養殖業養分管理有機結合，在滿足作物需求的同時，解決畜禽養殖污染問題，促進農業領域的可持續發展。

表2 部分國家畜禽養殖場廢棄物還田利用情況

表3 養分平衡應用

（三）農田合理施用糞肥

1. 糞肥施用推薦

英國和美國都推薦采用糞肥定量施用原則。農田作為畜禽糞便的消納場所，其容量既取決于土壤的質地肥力，又受作物收獲時籽粒和秸稈吸收量的影響[37]。控制糞肥施用量對減少氮揮發損失尤為重要[38]。糞肥中氮/磷大約是作物生長所需氮/磷的2倍，在糞肥為滿足作物對氮的需要而進行施肥后，將會使土壤中磷的水平增加。建議根據作物磷需求量與土壤磷測定來確定施肥時磷的需求量，以達到使用適當糞肥施用量的目標[39]。歐盟的硝酸鹽法案規定，在硝酸鹽敏感區糞肥施用的最大量為170 kg·N/hm2·a，該限值迫使養殖場將多余的糞便運輸到其他的農場并加以利用[14]。

2. 施肥方式

糞肥在地表的時間越長，其被灌溉水或雨水徑流導致的損失就越大，氨揮發造成的流失也就越大，因此將糞肥與表土混合可有效降低養分的流失狀況，研究表明深施有利于減少氨的揮發和徑流損失[40,41]。撒施后翻耕和條施后覆土處理能有效抑制氨的揮發和氧化亞氮的排放損失[42]，液態糞肥噴施后翻耕比表土條施，氨的損失量低55% [38,43]。當液體、固體糞肥施用時，深耕并立即覆蓋是最有效的減排技術[44]。

3. 施肥季節

氮素的流失與季節有關，應盡量避免在秋季及初冬時節施肥，推遲到冬末或初春施肥有利于減少養分流失而增加作物對養分的吸收[45]。在作物生長旺盛的季節，根系的吸收能力強，所施加的糞肥中的速效養分可以被作物迅速吸收，從而有利于減少養分的損失[40]。

三、我國畜禽養殖廢棄物還田利用模式發展現狀

（一）養殖廢棄物還田利用模式

種養結合是我國畜禽糞污處理的主要方式之一，是指養殖場固體糞便通過自然堆放或堆肥處理后的農田利用，污水與部分固體糞便進行厭氧發酵或者經過氧化塘貯存，沼渣、沼液或糞污用作農作物肥料[46]。

糞肥還田利用途徑主要分為：第一類是畜禽養殖—貯存—農田模式，該模式糞便和污水全部貯存，全部糞便和污水作為有機肥直接還田利用。第二類是畜禽養殖—沼氣—農田模式，以沼氣池技術為核心，將糞便污水作為沼氣池的原料，在缺氧的條件下生成沼氣、沼渣和沼液，沼氣用于燃料或發電，沼渣和沼液用于種植農作物等。第三類是畜禽養殖—堆肥+沼氣—農田模式，該模式的糞污處理系統由預處理、厭氧處理、好氧處理、后處理、固液分離、沼渣沼液農田利用、沼氣凈化、沼氣貯存與利用等部分組成。我國區域養殖廢棄物還田利用模式，如表4所示[47]。

表4 我國區域養殖廢棄物還田利用模式

（二）養殖廢棄物還田利用量

我國在農田糞肥的合理施用方面，缺乏對糞肥施用推薦、施肥方式、施肥季節等的研究，而養殖廢物還田利用量主要是通過適宜載畜量來進行判斷。針對糧食、蔬菜和果樹等農林作物不同的生產模式，大田作物、蔬菜的糞污氮、磷養分消納量要大于果樹[48,49]；固液分離—液體厭氧發酵處理模式下，種植糧食作物、蔬菜、果樹，每公頃農田每年分別可承載32～33、56～69、7～18頭存欄豬所排放的廢棄物[50]；糞污直接厭氧發酵處理模式下，種植糧食作物、蔬菜、果樹，每公頃農田每年分別可承載35～37、53～67、8～17頭存欄豬所排放的廢棄物[51]。

（三）我國畜禽養殖廢棄物還田利用模式發展戰略問題

我國畜禽養殖廢棄物沒有做到充分還田利用，養殖廢棄物還田利用技術模式沒有大面積開展推廣應用的主要原因包括：第一，我國與歐美國家在養殖業和土地、種植業情況等方面有很大差異，就我國國情而言，養殖業經過幾十年的發展，養殖廢棄物治理一直沿襲傳統工業的達標排放管理辦法，目前不少規模化養殖場周邊已不再有開展種養結合的條件[52]。第二，我國畜牧養殖廢棄物還田利用模式缺乏規劃，與西方發達國家大型的養殖場不同，我國的畜牧養殖業的規模化、產業化和科學化水平還相對較低，導致我國畜牧養殖糞污處理模式相對落后[53]；此外，種植業發展缺乏對本區域內畜禽糞便有效利用的考慮，為增加產量而盲目地大量使用化學肥料，加大了環境污染的風險。第三，我國缺少糞便養分管理政策及相關法律法規來保證養殖廢棄物的還田利用。美國養殖廢棄物治理沒有處理概念，只有養分管理的概念，這與我國有很大差別[52]。第四，資金缺乏是限制建設畜禽養殖廢棄物處理與還田利用設施的主要阻礙因素，畜禽養殖業是微利行業，對于養殖場而言，廢棄物處理與利用設施的建設與運行成本較高，不少養殖場無力承擔廢棄物處理與利用設施的建設費用，或出現建設得起但運行不起的尷尬局面[14]。第五，畜禽糞便從產生到施入農田的每個環節都有損失（見圖1），國內養殖場尺度廢棄物還田利用缺少養分管理指導，較多研究是從區域尺度畜禽廢棄物還田利用開展養分管理研究[54～56]。為更好地利用養分資源，并減少CO2、CH4、N2O等溫室氣體排放對環境的影響，需要針對養殖場采取相應的措施以減少養分損失。

四、我國畜禽養殖廢棄物還田利用戰略建議

第一、開展試點建設政策引導。由國家農業、環保等部門牽頭，在各地典型環境條件下的大中型養殖場，實施畜禽養殖廢棄物還田利用試驗示范工程，制定有機肥替代化肥的以獎代補政策，支持切合實際的各種形式的養殖廢棄物還田循環利用模式。鼓勵規模養殖場與周邊農戶形成新型合作社，配套一定規模的種植用地，實現養殖廢棄物就地就近消納，提高農業和農民的綜合收益，推動養殖業與種植業綠色、可持續發展，建設社會生態文明。

第二、加大科技投入集成創新。針對我國在養殖廢棄物還田利用方面諸多的研究空白，建議加大財政科技投入，引入不同形式的社會資金。針對養殖廢棄物還田利用相關工程技術與裝備的需要，整合各類資金或設立專項。基礎研究與集成創新并重，在引進、消化、吸引、再創新以盡快形成完整的產業技術體系與綜合生產力的同時，強化原創動力，推動養殖廢棄物還田利用模式與技術的優化升級，實現創新式的發展。提高糞污還田利用收集、貯存、運輸、使用各環節的機械化水平和處理效率。結合農作物秸稈的處理利用，制定相關的有機糞肥生產標準、檢測辦法及農田使用規范等，為標準化養殖廢棄物還田利用模式的建立奠定基礎。

第三、實施養殖糞便養分管理。突破糞便還田利用的瓶頸問題，一方面必須以農牧結合、循環利用為主體，調動養殖和種植兩方面對糞便養分管理的積極性；另一方面，國家應以養分管理政策為引導，并建立健全法律法規來支撐養分管理政策的實施。推進養分管理計劃，需要土地、技術、機制、設備的配套，選擇有條件的地區，特別是新建的規模化養殖場應積極鼓勵開展種養結合的模式。在畜禽養殖優勢區域，因地制宜地開展畜禽糞便大中型沼氣工程和沼液農田利用工程建設。在全國生豬、奶牛、肉牛等養殖優勢區域，針對規模化養殖場或散養密集區，在一定區域內建設畜禽糞便收集無害化處理站，收集、貯存、堆肥處理區域范圍內的畜禽糞便，堆肥后就地還田利用或轉運至集中處理中心進行有機肥的加工。實施糞便養分管理計劃不僅可以提高養分利用率，更能減少溫室氣體排放等對環境造成的不良影響。

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Development Strategies for Utilization Models for Returning Livestock and Poultry Manure to the Land

Jia Wei1,2, Zang Jianjun3, Zhang Qiang2, Li Defa3
(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China; 2. State Key Laboratory of Nutrition Resources Integrated Utilization/Kingenta Ecological Engineering Group Co. Ltd.,Beijing 100022, China; 3. Ministry of Agriculture Feed Industry Centre, College of Animal Science and Technology,China Agricultural University, Beijing 100193, China)

This paper summarizes the development of utilization models for the return of livestock and poultry manure to farmland in China. It analyzes the problems affecting the industrial development of the utilization of livestock and poultry manure recycling, and discusses development strategies for the next step in this process. In past years, important progress has been achieved in exploring utilization models for returning livestock and poultry manure to farmland, and in identifying suitable parameters for the farmland carrying capacity of livestock, both at home and abroad. However, problems remain such as unbalanced nutrients after combining planting and livestock systems, large nutrient losses, and a lack of reasonable principles for manure application on farmland. In the next step, studies should be based on the concept of the environmentally friendly return of manure to farmland and should introduce the concept of nutrient management after combining planting and livestock systems. Techniques should be carried out for the collection, storage, and processing of manure; for its return to farmland; for reasonable manure applications; for balancing nitrogen and phosphorus nutrients in order to reduce non-point source pollution; and for other aspects. In addition, policies about the efficient recycling of livestock and poultry manure should be promoted.

large-scale; livestock farm; manure; wastewater; combining planting and livestock systems; nutrients

S82；S83

A

2017-06-25；

2017-07-15

臧建軍，中國農業大學動物科技學院飼料工業中心，高級畜牧師，研究方向為豬營養與環境；E-mail: zangjj@cau.edu.cn

中國工程院咨詢項目“生態文明建設若干戰略問題研究（二期）”(2015-ZD-16)；國家高技術研究(863)計劃“畜禽環境監控與數字化養殖關鍵裝備開發”(2013AA10230602)

本刊網址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.04.021