李季等：從鄉間堆肥入手重建循環經濟
來源：人與生物圈 作者：李季、王越
堆肥是一門既傳統又現代的學科，堆肥的目的就是通過一系列科學的工藝步驟，把各種各樣的有機廢棄物分解轉化成為一種穩定的、無害化的適合于土壤培肥的有機肥產品。
堆肥一般分為好氧堆肥和厭氧堆肥。好氧堆肥指在有氧氣情況下有機物料的分解過程，其代謝產物主要是二氧化碳、水和熱；而厭氧堆肥則是在無氧氣條件下有機物料的分解，厭氧分解最后的代謝產物是甲烷、二氧化碳和許多低分子量的中間產物，如有機酸等。傳統堆肥以厭氧堆肥為主，而現代堆肥系統則大都采用好氧堆肥。好氧堆肥從我國南宋時期即已肇始，是在北方人口大批向南方轉移、水稻種植開始出現兩熟制以及土壤肥力不足以維持高產的情形下出現的，由此解決了千年來我國土壤的地力常新壯問題。現代堆肥技術開始于20 世紀20~30年代的歐洲，以機械化堆肥為特色，目前工藝有上百種、技術也形形色色，并成為城鄉有機廢棄物處理領域的一個重要方向，受到眾多城建、環衛、農業等部門與企業的歡迎。籠統地講，堆肥也是有機肥。廣義上的有機肥范圍很寬，包括所有施用到農田的有機物料，如人畜糞便、綠肥、河泥、骨粉等，也包括規�；袡C肥廠生產的商品有機肥。在我國農民的傳統智慧里，新鮮的水分含量高的廢棄物均要經過一個熟化的過程才可還田，而熟化就是一個堆肥的過程；現代商品有機肥標準里也要求秸稈、畜禽糞便等有機廢棄物一定要經過發酵腐熟這樣一個過程。令人遺憾的是，經過40 年的城市化和工業化發展，我國城鄉許多有機廢棄物不再用來堆肥，而是被送到一個個垃圾填埋場、焚燒廠，或者被簡單堆放在田間，隨著雨水流入水體，加速了全國范圍水質的嚴重惡化。鄉間堆肥已遠離我們，不再是農村冬春季節的一道道獨特的風景，這對于我們這樣一個有著幾千年傳統文化的農業大國而言，悲乎痛哉！堆肥有很多作用，包括廢物利用、減少污染、改良土壤、提高產量、改善品質等，最重要的有兩點：一是可以把大量的有機廢棄物轉變為有用的產品，降低環境風險；二是能創造有價值的堆肥產品，可作為土壤改良劑或有機肥產品等。堆肥與廢物資源利用 據估算，我國每年都會產生高達55 億噸的有機廢棄物，其中主要是畜禽糞便和秸稈，還有城市及食品工業等的廢棄物，如有機垃圾、生活污泥、糖渣、酒糟等。資料顯示，2017 年全國秸稈可收集量為9 億噸，秸稈綜合利用率約80%，還有20% 的秸稈未得到有效利用，一些地區秸稈焚燒現象依然嚴重。根據估算，目前我國養殖業每年產生的畜禽糞污總量約為38 億噸，按收集系數70% 來計，每年需要處理的畜禽糞污量達27 億噸。除此以外，每年還有約2 億噸的有機垃圾、5000 萬噸的市鎮污泥以及數千萬噸的食品下腳料等。有機固體廢棄物中蘊含著豐富的養分。據估算，全國有機肥料資源中氮磷鉀養分儲量高達7000 萬噸，理論上可以完全替代化肥投入，若這些有機廢棄物利用率達到50%，則可替代約一半的化肥。據2017 年全國第二次污染源普查公報的結果顯示，來自農業源水污染物排放量中，化學需氧量為1067.13 萬噸， 氨氮為21.62 萬噸，總氮為141.49 萬噸，總磷為21.20 萬噸，分別占總量的49.77%，22.44%，46.52% 和67.21%，是主要的污染來源。因此，科學利用這些有機固體廢棄物，既可防止其污染環境，同時又可以加快資源的循環利用，減少資源的浪費。當然，開發各類有54 MAN AND THE BIOSPHERE Issue 129 -130機廢棄物需要有一定的方法、技術和設備，使之達到“減量化、無害化和資源化”要求，而堆肥就是處理各類有機廢棄物無害化與資源化最有效的途徑之一，是集處理和資源化利用于一體的生物方法，由于其無害化比較徹底，資源化率比較高，目前廣受關注。堆肥與農業生產 堆肥與農業密不可分，自古以來，人們將有機廢棄物進行混合堆漚處理，并將產物再歸還于土壤，這既符合農業可持續發展的方向，也有利于促進農業和畜牧業的共同發展，提高人民生活質量。把有機廢棄物歸還到土壤，首先可以為作物提供一定的養分促進作物生長，因為堆肥中不僅含有氮、磷、鉀、鈣、鎂等大量營養元素，也含有鐵、銅、鋅、錳、硼等微量元素，因此是一種全面的、綜合的植物養分供應源；其次可以改善土壤的理化和生物學性狀，連續施用有機肥，可逐步提高土壤有機質含量，使土壤生物活性旺盛，土壤養分供應能力提高，抑制土壤病害的發生；再者可以提高作物產量，并保證穩產高產。大量的施肥試驗表明，有機肥與化肥結合施用還能進一步提高不同農作物的產量，并提高農業的可持續生產力。據不完全統計，我國目前有機肥使用比例僅約25% 左右，遠低于歐美等發達國家50%的使用比例。近年來，我國農業主管部門發布了一系列有機肥替代化肥行動計劃、高標準農田建設規劃等指導性意見，對有機肥的使用給予了大力支持。中國農業大學自1993 年起在河北省曲周實驗站開展有機肥的糧田長期定位實驗，經過27 年的時間，土壤有機質從1.3% 提高到3%，每畝年均提高0.063%。1995~2016年間，小麥平均產量提高了29.4%，玉米平均產量提高了25.4%。中國農業科學院在山東省禹城開展31 年的長期定位試驗發現，施用有機肥能夠顯著降低土壤容重，增加土壤有機質的含量及儲量。目前，堆肥技術已成為發展生態農業和改善農村環境的重要技術支撐，在秸稈、尾菜綜合處理、畜禽糞便資源化利用、商品有機類肥料的開發、有機肥替代化肥等行動計劃中發揮著越來越重要的作用。據史料記載，人類利用有機固體廢棄物生產堆肥的歷史已延續兩千余年。據古書記載，我國公元六世紀就出現了“踏糞法”，即厭氧廄肥的生產應用；公元1149 年南宋時期則最早記錄了好氧堆肥的方法。這些歷史記錄也反映出我國古代為了保持土壤肥力、提高農業生產力以及滿足糧食需要，在有機廢物的循環利用方面做出了令現代人嘆為觀止的成就，其利用范圍和利用程度遠超當代。中國不同歷史時期對有機原料的農業利用經歷了一個逐漸認識發展的過程。不同階段如西漢時期、北魏時期、南宋時期、元朝時期、明朝、清朝的主要農學著作對此均有詳細的記錄。我們從中可以看出，我國農民在長期的生產實踐中發掘出越來越多的有機肥資源，特別是在南宋和清末，由于人口的激增，全面利用農村各類有機肥資源達到了空前的水平。我們挖掘和揭示這些傳統堆肥方法的作用，目的不是為了恢復這些技術，而是警示當下的人們要學習古人物盡其用的理念，珍惜資源、愛護環境。相信在鄉村振興中重建循環經濟的背景下，現代的技術、裝備會不斷開發出來，用來取代傳統的落后手工做法；也確信會有更多村莊建立起適合自身特點的各式各樣的廢物循環利用設施，還自然于綠水青山。根據美國公用事業協會（APWP）報道，最早的堆肥工程技術開始于1925 年的印度，其方法被稱為印多爾法（Indore）。1932 年，荷蘭VAM 公司建立了歐洲第一個改良印多爾法的規�；逊蕪S，其工藝稱為范曼奈法（VanMannen），是將垃圾用水調節后，在室外堆積4~8 個月（厭氧分解），然后破碎、分選得到堆肥產品。1933 年，丹麥出現了丹諾（Dano）堆肥工藝，這是一種運用滾筒進行好氧發酵的方法，特點是發酵溫度高、發酵周期短，一般只需3~4 天即可以基本實現無害化。20 世紀70 年代以后，許多堆肥工藝不斷得到完善，一些新的工藝也被開發出來，如1972~1973 年間美國農業部馬里蘭州農業研究中心開發的通氣靜態堆工藝，也稱貝特斯維勒（BELTSVILLE）工藝。該工藝在美國得到了廣泛應用，1990 年已有超過76 座設備在運行。其他堆肥的工藝還有垂直通風攪拌床托馬斯（EARP-THOMAS）工藝，日本的立式多層攪拌床式工藝（即塔式工藝），愛溫森（EWESON）轉鼓式反應器系統以及比爾德（Beard）筒倉工藝等。現代堆肥技術在我國起始于20 世紀50 年代，這一時期的堆肥多為露天的堆垛，采用表面土壤覆蓋保溫，自然通風供氧，沒有專用的機械設備，也很少進行堆體的維護管理，多為厭氧或者兼性好氧堆肥過程，堆肥產品主要用于農田、果園或苗圃。70~80 年代，堆肥化處理各種有機廢棄物成為研究熱點，堆肥專用機械設備得到大量引進與開發，涌現出大量新工藝、新技術，堆肥機理也得到了深入研究。這一階段主要采用二次發酵工藝，堆肥方式還是靜態堆肥方式，1987 年開始了配合翻堆的動態堆肥工藝的研究。90 年代開始，國內已掌握了堆肥基本技術，主要堆肥工藝趨向成熟，具備了產業化發展的條件。我國鄉村在經歷40 年高速城鎮化和非農化過程中，生態環境也經歷了一個污染退化和艱難治理的過程。鄉村生態環境變遷 畜禽養殖是農村環境污染的主要來源。當前，我國畜禽養殖業化學需氧量、氨氮、總氮、總磷排放分別為1000.53 萬噸、11.09 萬噸、59.63 萬噸、11.97 萬噸，占農業源排放的93.8%、51.3%、42.1%、56.5%，成為農業面源污染的最重要“貢獻者”。近年來，國家不斷加大對畜禽規模養殖污染的監管和治理力度，大中型畜禽養殖場污染問題基本得到控制。但規模以下養殖場（戶）因小本經營、環保意識不高，糞污處理設施配套不完善，加之種養分離，循環不暢，致使糞污被隨意堆放或直接排入溝渠、坑塘，給生態環境帶來嚴重威脅，已成為畜禽養殖污染防控的難點和短板。化肥農藥過量使用也是部分地區的重要污染。2018 年，我國化肥用量達5653.4 萬噸，農藥用量26.88 萬噸，均占全球用量的三分之一，居世界第一位。世界主要發達國家的經驗表明，人均GDP 在8000~13000 美元區間時，化肥使用量開始呈現從增長到穩定甚至降低的趨勢。2019 年，我國人均GDP 達到1 萬美元，預計我國化肥使用量將進入穩中有降階段。但是，隨著我國人口數量增長、城鄉一體化推進和居民消費結構升級，糧食需求仍將呈現剛性增長態勢，化肥農藥使用量也難有較大降幅，一定時期內仍將處于高位。當前，我國化肥農藥利用率還不到40%，距離歐美發達國家50%~65% 的平均水平還有較大差距，流失風險不容小視；特別是一些重點區域如露地蔬菜種植的氮磷流失、保護地蔬菜的氮素地下淋溶及南方水網地區水稻種植的氮磷流失，對水體環境影響尤其突出。此外，農村生活污水和生活垃圾處理不當也造成農村生態環境惡化。據統計，我國廢水每年總排放量大約為600 億立方米，其中我國農村每年產生生活污水約90 多億噸，人糞尿年產生量約為2.6 億噸。目前我國工業廢水及城市生活污水都得到了較好的處理，但農村生活污水由于治理資金短缺和對農村水環境保護意識的淡薄，96% 的村莊都沒有排水渠道和污水處理系統，生活污水處理率很低，大部分農村的生活污水放任自流，任意排放到河流，是農村56 MAN AND THE BIOSPHERE Issue 129 -130環境問題的根源。從農村生活垃圾來看，有學者估計年產生量約為1.8~2 億噸。雖然美麗鄉村建設中對農村垃圾進行了清理，但由于農民落后的生活方式，加上大多數村鎮沒有專門垃圾處理系統，農村“臟、亂、差”現象及地下水和地表水污染現象依然嚴重。農村污染防治是一項長期、復雜的工作，雖然污染治理取得了一定成效，但長效機制尚未有效建立，農村環境改觀或恢復到20 世紀60~70 年代的水平還需很長一段時間。鄉村堆肥之衰退 過去，農村幾乎家家戶戶門口都會有一個堆漚池，用來處理日常產生的人糞尿、養殖糞污、作物秸稈等；而在田間，這種小糞堆也隨處可見。但現在，隨著鄉村現代化建設的推進，農村旱廁改成了水廁，糞污通過吸糞車收集后，一部分集中處理，更多的簡單處理就進入農田中；養殖場被要求集中管理，搬到村外，糞污通過處理就近還田了，相當部分也未經過科學處理；這樣一來村子里堆肥就成了“無米之炊”，村子外的堆肥也因為用地、機械、勞力等影響而無法進行。第一，在農村能夠較好的掌握堆肥方法的主要是老年人，隨著城鎮化的發展，這部分人群雖然是農事活動的主要勞動力，但基本上已經喪失了勞作的能力；而年輕人因堆肥環境惡劣、操作難等原因，不愿進行堆肥方法的學習；久而久之，堆肥技術就逐漸丟失了。第二，堆肥在使用過程中較為復雜，需要人工施肥，效率低；相比之下，化肥使用簡便、成本更低、效率更高。20 世紀50~70 年代我國農村還普遍進行堆肥，那時在農村有機廢料都拿去堆肥了，基本見不到生活垃圾，因此很少有污染。但過去40年來，受化肥大量使用、農村環保投入不足以及農村勞動力轉移和結構性短缺等影響，堆肥在農村地區日漸稀少，鄉村堆肥呈現衰敗景象；反之，由各種垃圾造成的環境污染現象卻比比皆是。堆肥缺失之后果 堆肥這一傳統技術的衰敗不僅加劇了廢棄物對環境的污染，也影響到了耕地的質量提升。我國農田特別是糧田長期不施用有機肥，導致土壤質量出現退化，基礎地力顯著降低。全國中低等級耕地面積占比達69%；旱地不施肥作物產量與施肥作物產量之比，從20 世紀80 年代的60% 下降至40%；水田從80% 下降到60%，即農田基礎地力在逐漸退化；而造成該現象的主要原因是只種不養，使土地越來越“瘦”。研究表明，通過有機肥替代30% 的化肥可使土壤更健康，還能減少土壤病蟲草害的發生。開始于1984 年的江西紅壤水稻田長期定位試驗，研究發現與單施化肥處理相比，有機肥替代30% 和50% 化肥的處理均能夠提高水稻產量，增產幅度分別達7.7% 和6.5%，且當有機肥替代率為30% 時穩產效果最優。施用有機肥還能夠減緩土壤酸化，提高了土壤養分和土壤微生物量，改善土壤結構。與不施肥相比，不同有機肥替代量處理下，土壤微生物碳和微生物氮顯著提高了17.0%~71.1% 和104.1%~267.0%。此外，長期施用有機肥還能夠抑制土壤傳病害，長期施用化肥的辣椒疫病的發病率達81.3%，施用有機肥其發病率下降至54.2%。土壤是農業的基礎，肥沃的土壤才能保證糧食的產量與質量，進而滿足人類對食物和健康的需求。土壤有機質是耕地地力最重要的性狀之一，被認為是土壤質量和功能的核心。經過30 余年的努力，我國農田耕層土壤有機質含量整體上呈上升趨勢，較全國第二次土壤普查時期提高了24.49%，但與歐洲國家相比還有待提升。就目前而言，中國土壤有機質水平僅為歐洲的30%~50%。提高土壤有機質的關鍵是有機廢棄物的循環利用。在這方面，德國和日本有很好的經驗。德國是世界上發展循環經濟較早（20 世紀50~60 年代）、水平最高的國家之一。德國的綜合型農業發展模式是歐洲國家發展農業循環經濟的典型代表。目前，德國的城市廢棄物再生利用率高達66%、焚燒處理率達34%，因為廢棄物處理用地緊張的問題，衛生填埋率處于“0狀態”。日本是一個人多地少的國家，面臨農地、水資源、能源的極大匱乏，20 世紀90 年代初，日本正式提出“環境保全型”農業的概念，并頒布了一系列政策法規，包括《可持續農業法》《家畜排泄物法》 《肥料管理法》等，形成了世界上最完備的循環經濟立法體系。據日本環境省2011 年資料，日本產業有機廢棄物中，進行焚燒和衛生填埋處理量約占23%，再生利用處理量約占77%。再生利用處理中，部分進行飼料化處理以外主要是堆肥化處理。目前我國城市有機廢棄物資源化利用效率在5% 以下，與韓國（59%）、奧地利（58%）、比利時（51%）、瑞典（50%）等發達國家的資源化率差距顯著。造成我國有機廢棄物資源化率較低的主要原因是堆肥施用成本過高。另外，城市有機廢棄物作為堆肥原料沒有進行分類收集從而提高了制造成本，這也是有機廢棄物堆肥資源化率較低的原因之一。但隨著國家垃圾分類政策的實施，相信有機廢棄物的資源化處理利用產業前景光明。隨著國家對生態文明和綠色農業建設的推進，未來有機肥生產必將進入蓬勃發展的階段。擺在我們面前的問題是，堆肥或物質循環體系如何重建？我國未來主要有機廢棄物將以每年5% 的速度遞增，而所有動植物把營養從土壤帶出，隨農產品物流遠離“故土”，僅靠化肥是不足以完全補充土壤養分的，必須把有機的部分特別是碳和微量元素等再返回到土壤中。目前我國有機廢棄物的產生量大、循環利用率低，造成了生態失衡的局面。這種失衡主要體現在三個方面：水陸間物質流失衡、城鄉物質流失衡、種養物質循環脫節。所謂水陸間物質流失衡，是指清水進入城市、污水返回水體，污染水體產生的大量藍藻、淤泥回不到陸地，形成多次循環污染；所謂城鄉物質流失衡，是指營養元素通過食物進入城市，最終變為廚余垃圾留在城區，多以簡單焚燒和填埋處置，資源化利用低，土壤得不到營養返還；所謂種養物質循環脫節是指，養殖場缺少消納糞污的土地，種植業缺乏有機肥投入而過度依賴化肥，造成面源污染。針對以上三種生態失衡現狀，需構建多尺度廢棄物循環利用模式，例如：農場小循環、本地（縣域）中循環、區域（省域）大循環；要建立有機廢棄物管理全鏈條的循環利用技術。具體來說，針對種養物質循環脫節，可通過種養高效結合實現重建，而這也是農業綠色循環發展的核心內容。例如，通過匹配養殖與種植土地消納，既增加了有機廢棄物的處理利用途徑，同時當糧食、經濟作物的有機肥替代化肥比例達40%~50% 時，糞肥氮循環效率增加40%，氮肥用量減少32%，實現了化肥投入的減少及物質內部的循環利用效率。針對城鄉物質流與水陸間物質流失衡的問題，可通過構建多尺度的循環利用模式實現重建，前者可通過本地（縣域/ 城鄉）中循環，而后者可通過區域（省域/水陸）大循環實現。這一物質循環體系的構建跨越城市與鄉村，涉及多部門、多行業，也需要沿廢棄物全鏈條進行整體設計。看似一個簡單的、古老的、不值一提的廢物利用命題，卻關系到一個國家的土壤、環境和人民健康，期待經過幾十年的不懈努力，能把我們的鄉村環境恢復到魚翔淺底、充滿生機，人們可以重新直飲河水的美好境地！
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