基于系统动力学的东莞有机废弃物替代化肥潜力研究

综合考虑作物秸秆还田、禽畜养殖和农村生活有机废弃物排放这3个过程中所产生的养分资源以及农作物、果树生长需要吸纳的养分,构建系统动力学模型,探究东莞种养结合、有效利用有机废弃物养分从而替代化肥施用的潜力。结果表明,2025年农作物和果树养分的总需求量为4.6136×10~3 t,作物秸秆、禽畜养殖和农村生活有机废弃物肥料蕴含的养分为0.430 6×10~3和4.514 3×10~3 t。若这些有机粪肥资源按存储发酵、沼气处理和堆肥加工这3种方式处理,则实际可提供的总养分依次为3.913 9×10~3,4.803 7×10~3和3.055 0×10~3 t。根据有机肥氮素替代50%化肥氮的原则来估算有机废弃物养分供应量,则有机粪肥资源所提供的氮、磷、钾养分均超出当地农作物和果树生长所需,需要外运粪肥以降低对环境的影响。考虑当地作物秸秆还田方式,即全部还田、部分还田和不还田(不还田的秸杆用于焚烧或作饲料),需要移出的养分比例分别为73.2%～74.1%,53.7%～60.0%和24.1%～33.5%。     

我国有机废弃物资源总量及养分利用潜力

  【目的】  我国有机废弃物产量巨大,理清我国有机废弃物总量及其养分资源量,有助于实现有机废弃物中养分资源的充分利用,对保障化肥使用量零增长和国家粮食安全具有重大意义。  【方法】  以我国2009—2019年间典型有机废弃物(秸秆、畜禽粪便、农村人粪尿、污泥和生活有机垃圾)的年产量为研究对象,通过查阅我国统计数据和公开发表的文献资料,对近10年我国有机废弃物总量及其养分资源量进行估算,分析有机废弃物利用潜力。  【结果】  2009—2019年有机废弃物资源量和养分总量相对稳定,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。2019年废弃物资源量达13.11亿t (干重),相比2009年增加7.1%;养分总量达到4503.5万t,相比2009年增加3.0%。2019年有机废弃物全量还田可以输入氮(N)约1653.3万t、磷(P₂O₅)约799.6万t、钾(K₂O)约2050.6万t,分别占作物养分需求量的71.8%、75.9%和153.2%。秸秆的氮和钾养分量最大,分别占有机废弃物中单质总养分的46.3% (N)和65.8% (K₂O),磷养分量以畜禽粪便最高,占单质总养分的54.5% (P₂O₅)。  【结论】  我国近10年有机废弃物年产生量及其养分资源量保持较高水平,具有广阔的利用空间。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、钾养分可以满足作物各类养分需求的71.8% (N)、75.9% (P₂O₅)、100% (K₂O)。     

中国秸秆养分资源及还田的时空分布特征

中国农作物秸秆资源丰富,但不同地区秸秆及其养分资源数量、还田利用状况以及随时间的变化特征仍不清楚。该研究基于官方统计数据和文献资料,分析了中国不同年代各省秸秆资源和氮磷钾养分资源量及其还田利用状况,为秸秆养分资源的合理利用和化肥零增长下作物养分管理提供科学依据和参考。结果表明:从1980s到2010s,中国秸秆及其养分资源总量分别增长了85.5%和10~4%,西北地区以及西藏、黑龙江增幅明显。华北、长江中下游、四川盆地以及黑龙江地区的秸秆及其养分资源占全国的2/3以上。到2010s秸秆资源和氮磷钾养分资源分别达到9.01×10~8和2 485.63×10~4 t,相当于单位耕地面积上6 665.52和183.91 kg/hm~2,比1980s分别增加1 601.18和56.85 kg/hm~2。各种作物秸秆及其养分资源所占比例各地区差异较大,2010s谷类作物秸秆及其养分资源分别占全国的69.86%和56.47%,东北地区谷类作物秸秆比例最高;果蔬类作物秸秆及其养分资源分别占9.67%和21.99%,东南地区果蔬类作物秸秆比例最高;豆类、薯类、油料类、棉麻纤维类和其他类作物秸秆及其养分资源占比相对较小。从1980s到2010s,秸秆直接还田量持续增加,燃烧还田量从1980s到2000s增加,2010s则下降。然而,秸秆养分还田量持续增加,氮磷钾还田总量从1980s的583.92×10~4 t(N 97.81×10~4 t、P_2O_5 40.10×10~4 t和K_2O 446.01×10~4 t)增加到2010s的1 770.66×10~4 t(N 574.53×10~4 t、P_2O_5 105.53×10~4 t和K_2O 1 090.60×10~4 t),相当于单位耕地面积从60.89 kg/hm~2(N 10.20 kg/hm~2、P_2O_5 4.18 kg/hm~2、K_2O 46.51 kg/hm~2)增加到131.02 kg/hm~2(N 42.51 kg/hm~2、P_2O_5 7.81 kg/hm~2、K_2O 80.70 kg/hm~2)。1980s、1990s、2000s、2010s秸秆氮磷钾养分还田率分别为47.92%、56.16%、60.11%和71.24%。内蒙古、新疆、黑龙江省秸秆养分还田率增加明显,但华北、长江中下游和四川盆地秸秆养分还田量占全国秸秆养分还田总量的2/3以上。     

烟台市种植业有机废弃物还田对畜禽粪污土壤消纳量的影响研究

通过《烟台统计年鉴》(2011～2020年)对2010～2019年烟台市农业有机废弃物(畜禽粪污、果树修剪枝条、农作物秸秆)资源量进行评估，并测算种植业有机废弃物还田对畜禽粪污土壤消纳量的影响，为烟台市合理利用农业有机废弃物、实现农业可持续发展提供参考。结果表明:2010～2019年烟台市种植面积、农作物秸秆产生量呈下降趋势，畜禽养殖猪当量、畜禽粪污排泄量与果树修剪枝条量呈上升趋势；10年间种植业产生的果树修剪枝条、农作物秸秆和养殖业畜禽粪污排泄量年平均分别为108.24万、205.60万、782.52万t，种植业和养殖业有机废弃物还田分别可提供氮2.91万、2.68万t，磷0.52万、1.03万t。种植业有机废弃物还田减少了粪污土壤消纳量，降低了区域内养殖潜力。在种植业有机废弃物还田的情况下，10年间畜禽粪污氮、磷土地承载力分别降低了33.63%～36.10%、43.56%～46.44%，畜禽粪污氮、磷土地承载力指数分别升高了50.68%～56.49%、77.18%～86.70%；在种植业有机废弃物未还田情况下，2019年烟台市15个县市区中，莱州市、招远市、栖霞市的养殖量不超过以氮和磷为基准计算的理论最大养殖量(土地承载力指数小于1)，在还田情况下只有莱州市的养殖量不超过以氮和磷为基准计算的理论最大养殖量。     

京郊畜禽粪肥资源现状及其替代化肥潜力分析

随着都市型规模化养殖业快速发展,畜禽粪尿废物大量排放因缺乏足够面积土地消纳所带来的环境压力很大,而粪尿中的氮磷钾养分与化肥一样对作物同等重要,如何合理利用这些废物资源决定了都市化农业的可持续发展。该文针对京郊养殖业和农用地面积现状,结合调研、收集畜禽养分排泄系数和农田养分需求等参数,估算京郊固液粪便养分资源现状及其替代化肥的潜力。结果表明:京郊畜禽固液粪便中N、P、K养分量分别为58.7×103、21.3×103、29.8×103 t,其中固体粪便N、P、K养分分别为43.1×103、20.3×103和19.7×103 t,京郊畜禽固液粪便可分别满足农田N、P、K养分需求量的99.3%、185.2%、62.7%。大部分区县粪肥中P养分产生量超过作物P需求量,粮田秸秆还田可带入的N、P、K养分分别为11.0×103、1.6×103和15.0×103 t,情景分析表明在秸秆还田条件下,按照磷素平衡原则估算本地区所能消纳的粪肥所带入N、P和K养分数量分别为18.3×103、9.9×103和10.3×103 t,同时需要补充N、K化肥分别为29.8×103和22.2×103 t,其余粪肥则需经过堆肥化处理并输往外地。经过堆肥处理,固体粪肥可提供的N、P、K养分分别下降了23%、11%和12%,外输固体粪肥堆肥可进一步减少农田氮磷负荷以及可能的环境风险。     

1988－2018年中国水稻秸秆资源时空分布特征及还田替代化肥潜力

中国的水稻秸秆资源丰富,但不同地区水稻秸秆及养分资源量,还田替代化肥潜力以及随时间的变化特征尚不清楚。该研究基于农业农村部1988-2018年在全国稻作区的水稻土长期监测数据,分析了中国各地区不同年份的水稻秸秆和养分资源量及还田替代化肥潜力,为水稻秸秆资源的合理利用提供依据。结果表明:全国近10 a(2009-2018年)水稻秸秆和氮磷钾(NPK)养分资源年均量分别达到1.69×108t和452.09×104t,比1988-1998年增加0.23×108t和61.50×10~4t,东北增幅最高。全国水稻秸秆及养分资源随种植年限的延长呈增长趋势,第一阶段(1990s-2000s)和第二阶段(2000s-2010s)水稻秸秆资源年变化速率分别为18.11×104t/a和211.47×104t/a,N、P、K养分资源年变化速率分别为(0.15×10~4)、(0.02×10~4)、(0.31×104)t/a和(1.76×10~4)、(0.25×10~4)、(3.66×10~4)t/a。70%以上的水稻秸秆和养分资源分布在长三角、长江中游和西南,以长三角最高(4.15×107 t,NPK 111.05×104 t),华南最低(2.20×107 t,NPK 58.54×104 t)。30 a来,全国单位耕地面积水稻秸秆还田带入农田的氮(N)、磷(P)、钾(K)养分量持续稳定增加,占化肥年均施用量的比例为10.88%～12.53%、11.83%～17.13%、116.22%～122.62%。全国水稻秸秆还田的氮、磷、钾肥年均可替代量为(28.90±0.14)、(5.80±0.03)、(180.46±0.52)kg/hm~2,各区以长三角最高(N:(34.44±0.20)kg/hm~2、P:(6.91±0.04)kg/hm~2、K:(129.23±0.74)kg/hm~2),华南最低(N:(25.80±0.23)kg/hm~2、P:(5.18±0.05)kg/hm~2、K:(96.83±0.87)kg/hm~2)。充分利用水稻秸秆资源,是实现化肥减施增效的重要保障。     

中国畜禽粪尿养分资源及其还田的时空分布特征

为准确掌握中国不同地区畜禽粪尿量、畜禽粪尿氮磷钾量及其还田利用随时间变化特征,该研究基于统计数据和文献资料,估算各地区畜禽粪尿量、养分量及各种畜禽粪尿所占比例,分析不同时期畜禽粪尿养分还田量的地区间差异。结果表明:1980s,1990s,2000s和2010s全国畜禽粪尿(鲜质)资源量分别为276 177.41×10~4,391 083.29×10~4,445 885.84×10~4,423 422.87×10~4 t,30多年增长了53.32%,其养分资源分别为2 523.86×10~4 t(N 1 249.47×10~4 t,P_2O_5 230.64×10~4 t,K_2O 1 043.75×10~4 t),3 686.59×10~4 t(N 1 820.79×10~4 t,P_2O_5 327.13×10~4 t,K_2O 1 538.67×10~4 t),4 296.77×10~4 t(N 2 124.13×10~4 t,P_2O_5 401.29×10~4 t,K_2O 1 771.35×10~4 t)和4 089.40×10~4 t(N 2 017.66×10~4 t,P_2O_5 421.17×10~4 t,K_2O 1 650.57×10~4 t),30多年增加了62.03%,其中东北地区增幅最为明显。河南、四川、山东、湖南、云南和内蒙古的畜禽粪尿及其养分量约占全国的40%。全国不同畜禽粪尿及其养分量占总量的比例依次为:牛猪羊家禽马驴骡,但各地区有一定差异。西北、西南和东北地区牛粪尿及其养分占比较大,长江中下游地区猪粪尿及其养分占比最高,西北地区羊粪尿及其养分占比最大,东南地区禽粪及其养分占比最高,马、驴、骡粪尿及其养分在各地区占比都相对较小。1980s,1990s,2000s和2010s全国畜禽粪尿氮磷钾总养分还田量分别为1 132.73×10~4,821.36×10~4,1 860.52×10~4和1 709.19×10~4 t,还田率分别为44.88%,22.28%,43.30%和41.80%,河北、河南、山东、湖南、内蒙古、四川、云南和广西省畜禽粪尿养分还田量约占全国还田量的50%。2010s全国畜禽粪尿N,P_2O_5和K_2O还田量分别为615.91.91×10~4,297.70×10~4和795.58×10~4 t,还田率分别为30.53%,70.68%和48.20%。该研究为中国和各地区畜禽粪尿养分资源的合理利用和化肥零增长下畜禽粪尿养分管理提供科学依据。     

湖北省秸秆和畜禽粪污还田化肥替减潜力与环境承载力分析

湖北省畜禽业规模化养殖水平显著提高,秸秆资源量逐年提升,农业废弃物还田不仅可以减少农业面源污染,还可以减少化肥施用。该文将湖北省分为5个种植区域（即鄂东南低山丘陵区、鄂北低山丘岗区、鄂西北山地区、鄂中平原区以及鄂西南山地区）。基于2019年－2020年统计数据,收集不同区域主要畜禽（猪、肉牛、奶牛、羊、肉鸡、蛋鸡）的存栏量、出栏量以及饲养周期,主要农作物种植面积和经济产量,计算湖北省畜禽粪污的养分供给量,评估不同区域的畜禽养殖现状是否超过土地承载畜禽粪污的最大容许数量。根据不同农作物的草谷比以及秸秆养分含量,计算出湖北省农作物秸秆的养分资源量以及养分还田量。湖北省不同区域畜禽养殖量均未超出当地最大承载容纳量,其中鄂北地区的土地承载力指数最高,达到了0.35～0.78,鄂中地区的土地承载力指数仅在0.17～0.54,有较大的空间来发展畜禽养殖业。2019年湖北省畜禽粪污养分资源量分别为36.89万t N、14.03万t P2O5、52.06万t K2O。按照畜禽粪污肥料化还田率65%计算,畜禽粪肥的养分还田总量分别为23.98万t N、9.12万t P2O5、33.70万t K2O,理论可替减化肥比例分别为17.3%、11.9%、56.2%。湖北省主要农作物秸秆资源总量以鄂中地区秸秆资源量最高,鄂西北地区最低。当前湖北省秸秆养分资源为31.07万t N、9.98万t P2O5、68.30万t K2O,理论可替减化肥比例分别为22.5%、13.1%、114.0%。湖北省主要农业废弃物还田理论可基本满足主要农作物的钾素需求,实现氮肥消费量减少39.8%、磷肥消费量减少25.0%。该文通过计算湖北省主要农业废弃物（畜禽粪污、秸秆）的养分资源量,评估农业废弃物还田的化肥可替减潜力以及畜禽粪污土地承载力,为湖北省农业绿色发展提供理论依据和数据支撑。     

安徽省作物养分供需分析及化肥减施潜力研究

有机-无机相结合的农田养分管理模式是现阶段中国发展绿色农业的必由之路,因而开展有机、无机养分和作物养分需求的比较研究对促进养分资源的合理分配和施用具有重要的参考价值。本文采用文献调查和统计分析的方法,评估了安徽省16市2010—2016年主要有机肥(包括秸秆、粪便、绿肥和饼肥)的养分资源,明晰了安徽省农业生产中有机、无机养分投入现状,并根据农业种植结构开展了有机、无机养分和作物养分需求的差异和关系研究,最后探索了安徽省的化肥减施潜力。结果表明:安徽省2010—2016年平均有机肥养分资源为287.70万t,N、P_2O_5和K_2O分别为104.49万t、39.60万t和143.61万t,可基本满足作物的养分需求;但有机肥的当季利用率低,N、P_2O_5和K_2O的当季利用率分别为21.44%、19.91%和52.61%,有机肥N、P_2O_5和K_2O实际还田量仅占作物养分需求的20.74%、25.38%和63.61%,占农田养分总投入的比重分别为11.87%、10.27%和51.35%。全省N、P_2O_5、K_2O养分实际投入量(包括有机肥和化肥)是作物养分需求的1.75倍、2.47倍和1.24倍,有7个市的N和13个市的P_2O_5养分施用量超过作物需求的2倍,存在较高的环境污染风险。通过控制农业总养分输入,安徽省的化肥减施潜力为35.12%,N、P_2O和K_2O的减施潜力分别为21.28%、23.97%和78.61%。提高有机肥的当季利用率和发展冬季绿肥资源可进一步促进化肥减施。本研究可为安徽省化肥零增长和农牧业的绿色可持续发展提供数据参考。     

菌渣还田对土壤有效养分动态变化的影响

研究成都平原稻麦轮作模式下,不同菌渣还田处理对土壤有效养分动态变化的影响,旨在探索适宜于成都平原的菌渣还田方式,为种植业废弃物的农业资源化利用提供科学依据。在为期1年的田间定位试验中,设置常规化肥处理(CK)和4个菌渣还田处理:等氮量还田(T1)、1.5倍氮量还田(T2)、2倍氮量还田(T3)和2.5倍氮量还田(T4),并按生育期测定不同处理下土壤速效养分含量。结果表明:与常规施肥相比,除小麦季的土壤有效磷外,中、高量菌渣还田处理(T2、T3和T4)均能有效提高土壤速效养分含量,作物成熟期菌渣还田处理的土壤碱解氮、速效钾和水稻季有效磷含量分别比化肥处理高出3.55%~20.24%、2.84%~31.97%和2.10%~14.48%;低量菌渣还田处理(T1)无法在作物各生育期内提供与化肥等量的碱解氮,存在供氮不足的风险。     

基于区位商法的北京都市型现代农业产业布局研究

本文基于区位商法分析了北京与周边省份农业各行业的比较优势,研究了农业结构内部各行业在北京18个区县的比较优势,提出了北京都市型现代农业产业发展的布局。结果表明：与周边省份相比,北京农业总体上没有比较优势,但林业和牧业比较优势明显,种植业和渔业完全没有比较优势。北京各区县比较,延庆县、密云县、平谷区、大兴区、通州区、顺义区、房山区农业占相当大比重。从农业内部结构看,种植业在丰台区、平谷区、昌平区、大兴区、通州区的比较优势明显,林业在门头沟区、朝阳区、丰台区、昌平区、怀柔区、海淀区比较优势明显,牧业在怀柔区、密云县、房山区、顺义区、门头沟区、延庆县有一定的比较优势,农业服务业在海淀区、朝阳区比较优势非常突出。籍此,结合北京市的资源禀赋、区位条件等,北京都市型现代农业产业的发展应按照近郊农业圈、远郊农业圈、山区生态涵养发展圈、合作农业圈4个圈层进行布局。     

京郊桃园养分投入对土壤养分和桃果品质的影响

以绿化9号品种为调查对象,2006年调查了平谷区141个桃园的施肥现状及其对土壤养分和桃果品质的影响。结果表明:所调查的桃园施用的有机肥以鸡粪、羊粪、猪粪、牛粪为主,化肥投入以复合肥居多;与2004年的调查结果相比,2006年来自有机肥和化肥的总N投入数量下降,但是P、K投入总量增加;由于桃园多年的过量养分投入,2006年桃园土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量比1981年第二次土壤普查结果均有大幅度提高;调查结果还显示,养分投入为适宜等氮素投入水平(100～200kghm-2)、中磷素投入水平(20～100kghm-2)和低钾素投入水平(50kghm-2)的桃园桃果实单果重较大,可溶性固形物含量较高,因此,桃园要进行合理的养分管理以保证产量和品质的形成,以及桃园的可持续发展。     

甘肃省有机肥资源分布与利用潜力

通过调查研究和测定分析,甘肃省有机肥资源总量是13405.3万吨,有机肥利用量5846.43万吨,利用率为43.6%,且品种全,富含氮、磷、钾养分。人畜粪尿、作物秸秆、绿肥、饼肥四种肥源贡献N,P2O5,K2O养分总量达到204.36万吨,是1999年甘肃省化肥施用量的63.4万吨的3.22倍,重视有机肥养分资源的再循环利用,有利于农业的可持续发展。     

大城市郊区耕地种植结构变化规律及其对土壤养分的影响——以北京市大兴区为例

分析了北京市大兴区1980年以来耕地种植结构的变化规律,核算了不同种植制度下的投入产出效益,并研究其对土壤肥力的影响。结果表明:(1)大兴的耕地种植结构已经从粮食为主转变成瓜菜为主,而且受政策引导效果明显。(2)不同种植制度下耕地的投入差异悬殊,表现出两极分化的趋势。耕地投入的顺序为:蔬菜>西瓜-蔬菜>小麦-玉米>一茬大田作物(粮食或油料)。(3)若不计劳动力成本,不同种植制度的净收益排序同耕地投入排序是一致的。若计入劳动力成本,一茬大田由于省工,其净收益反而高于小麦-玉米轮作。(4)高投入的种植制度下土壤肥力水平相对较高,各项养分含量最高的是蔬菜地,而且不同种植制度下磷、钾含量的差异比氮含量的差异要显著。(5)不同种植制度下的土壤养分变化幅度差异显著。速效磷变化差异最明显,瓜菜种植的速效磷增幅远高于粮食作物。速效钾除了蔬菜地略有增加,其他都呈减少趋势,小麦-玉米轮作制度下的土壤有机质增幅最大。     

基于RUSLE模型的安徽省土壤侵蚀及其养分流失评估

基于修正的通用土壤流失方程(RUSLE)和GIS空间分析技术,定量分析了安徽省土壤侵蚀及其养分流失的空间分布特征,探讨了土壤侵蚀强度与海拔、坡度等地形因子的关系。结果表明:2010年安徽省土壤侵蚀总量为3 454×104 t a-1,土壤侵蚀模数平均值为256.9 t km-2 a-1。全省以微度土壤侵蚀为主,侵蚀强度由北向南逐渐加剧。淮北与沿淮平原、江淮丘陵岗地以微度土壤侵蚀为主,皖南丘陵山区和皖西大别山区以强度侵蚀为主。海拔200~500 m和坡度15°~25°的区域土壤侵蚀量最大。不同土壤侵蚀强度在各高程、坡度带的面积分布比例规律相似,随着海拔和坡度的增加,土壤侵蚀强度逐渐加剧。微度侵蚀的面积比例逐渐减小,其他侵蚀强度的面积比例逐渐增加。全省因土壤侵蚀引起的土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)等养分流失总量为106.6×104 t a-1,其中SOC、TN、TP和TK的平均流失量分别为3.57、0.37、0.10和3.90 t km-2 a-1。土壤养分流失量总体上由北向南逐渐增多,淮北与沿淮平原四种养分平均流失量和流失总量最小,皖南丘陵山区平均流失量和流失总量最大。     

京津冀秸秆养分资源及秸秆焚烧气体污染物排放定量估算

为推动区域农作物秸秆综合利用,减少秸秆露天焚烧气体对环境的影响,以京津冀地区为研究对象,评估分析了各类农作物秸秆资源产生、利用状况及其应用潜力,并定量估算了该地区主要农作物秸秆露天焚烧气体污染物排放特征。结果表明,2012年京津冀地区农作物秸秆资源总产量为5 406.9万t,秸秆中氮、磷、钾养分资源总量分别达到3.7×10~4、7.4×10~4、1.0×10~6 t。秸秆资源化利用方式主要以还田为主,北京市、天津市、河北省还田量分别占秸秆量的67.7%、27.3%和61.2%。秸秆露天焚烧主要以小麦和玉米秸秆为主,占田间秸秆焚烧总量的93.03%,焚烧排放的污染物总量分别达到1.0×10~6和4.8×10~5 t。基于京津冀地区秸秆利用现状,建议因地制宜地推动秸秆全量化利用,并在秸秆还田机制、离田利用机制、组织管理机制、技术研发机制等方面出台系统配套的政策措施,以期为中国不同区域秸秆资源的科学利用提供参考。