鄭盛華,陳尚洪,陳紅琳,萬(wàn)柯均,敖玉琴,劉定輝
(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610066)
中國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的污染排放量近年來(lái)總體呈下降趨勢(shì),但農(nóng)業(yè)源污染物的占比仍然很高,種植業(yè)與畜禽養(yǎng)殖污染物的貢獻(xiàn)占到農(nóng)業(yè)源污染物的90%以上[1]。四川是中國(guó)西南地區(qū)種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖大省。據(jù)統(tǒng)計(jì),四川每年產(chǎn)生主要農(nóng)作物秸稈總量3038萬(wàn)t[2],畜禽糞便平均產(chǎn)生量2.10億t豬糞當(dāng)量[3]。而秸稈和糞污的綜合利用率和無(wú)害化處理率不足60%和50%,有相當(dāng)一部分農(nóng)業(yè)廢棄物被就地掩埋或焚燒,這不僅導(dǎo)致了生物質(zhì)能源的損失,還加劇了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)[4]。四川還是紫色土分布最為集中的地區(qū),養(yǎng)分隨壤中流流失現(xiàn)象也比較嚴(yán)重,土壤中的氮、磷、農(nóng)藥等物質(zhì)隨壤中流大量進(jìn)入附近水體,造成附近水環(huán)境惡化[5-7]。因此,為四川丘陵農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)選擇合理的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,開(kāi)展養(yǎng)分平衡管理,是實(shí)現(xiàn)丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要抓手。
四川境內(nèi)自然生物多樣復(fù)雜,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式多樣。按照現(xiàn)有自然資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),主要有4種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式:一是以糞污處理為核心的循環(huán)模式,適用于以畜禽養(yǎng)殖為主導(dǎo),種植為副業(yè)的區(qū)域,典型模式為“豬-沼-果”循環(huán)模式[8];二是以秸稈利用為核心的農(nóng)牧結(jié)合模式,適用于以種植為主導(dǎo),畜禽養(yǎng)殖為副業(yè)的區(qū)域,典型模式為“秸稈-青飼-牛羊”循環(huán)模式;三是立體復(fù)合型模式,利用生物習(xí)性,合理搭配,形成多層生態(tài)結(jié)構(gòu),典型模式為稻漁(鴨)種養(yǎng)循環(huán)模式等。四是農(nóng)副資源利用模式,以農(nóng)副產(chǎn)品為核心,對(duì)食用菌渣、經(jīng)濟(jì)林等農(nóng)副廢棄物加工處理,并資源化利用[9]。國(guó)內(nèi)已探索構(gòu)建了多種多樣的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,如三峽庫(kù)區(qū)面源污染阻控的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式[10]、北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)牧結(jié)合循環(huán)模式[11]、高原藏區(qū)的種養(yǎng)循環(huán)一體棚模式[12]等等。蓬溪縣是川東丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)種養(yǎng)大縣,以食用菌和生豬、肉牛養(yǎng)殖為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)已具規(guī)模。本研究以四川蓬溪縣為例開(kāi)展實(shí)證分析,為川東丘陵區(qū)開(kāi)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。
蓬溪縣地處四川盆地中部偏東,涪江中游,經(jīng)緯度范圍為105°03′E—105°59′E和30°22′N—30°56′N,幅員面積1251 km2??h境丘陵面積占比達(dá)81.4%,平均海拔404 m。氣候?qū)賮啛釒貪窦撅L(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,降水適中。降水時(shí)空分布不均,春、伏旱時(shí)有發(fā)生,夏旱頻繁。年均氣溫17℃,年均降雨量929.5 mm,年均日照數(shù)1471.7 h,年均蒸發(fā)量990.3 mm,相對(duì)濕度82%,≥10℃的活動(dòng)積溫5383.2℃。
據(jù)蓬溪縣2021年國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào),全縣農(nóng)作物播種面積8.87萬(wàn)hm2,其中糧食作物5.90萬(wàn)hm2,油料作物1.90萬(wàn)hm2,蔬菜瓜果類0.84萬(wàn)hm2,藥材0.03萬(wàn)hm2。全年糧食產(chǎn)量31.89萬(wàn)t,油料產(chǎn)量5.42萬(wàn)t。肉類總產(chǎn)量5.97萬(wàn)t,其中豬肉產(chǎn)量5.03萬(wàn)t,牛肉產(chǎn)量0.11萬(wàn)t,羊肉產(chǎn)量0.18萬(wàn)t。年末生豬存欄47.4萬(wàn)頭,全年出欄生豬53.1萬(wàn)頭,出欄羊13.5萬(wàn)頭,出欄家禽422.7萬(wàn)只。畜牧業(yè)總產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的比重達(dá)44%。全縣大力發(fā)展優(yōu)質(zhì)菌菜、精品水果等特色產(chǎn)業(yè),食用菌產(chǎn)業(yè)以天福鎮(zhèn)為重點(diǎn),是全國(guó)食用菌工廠化生產(chǎn)示范縣和省級(jí)食用菌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)。
蓬溪縣依托區(qū)域生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目等財(cái)政資金和相關(guān)政策支持,推進(jìn)以食用菌菌渣、畜禽糞污和作物秸稈循環(huán)利用為重點(diǎn)的種養(yǎng)廢棄物循環(huán)利用,開(kāi)展基于作物養(yǎng)分平衡的綜合養(yǎng)分管理,推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物區(qū)域內(nèi)循環(huán)利用。本研究以蓬溪縣區(qū)域生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目為例開(kāi)展分析。
項(xiàng)目采用“糧經(jīng)作物-秸稈-食用菌(豬、牛)-菌渣(沼肥)-糧經(jīng)作物(果樹(shù))”的循環(huán)模式,以項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用為導(dǎo)向,充分利用現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),采用生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)模式,在轄區(qū)內(nèi)開(kāi)展畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用,秸稈、菌渣等農(nóng)副資源綜合開(kāi)發(fā),標(biāo)準(zhǔn)化清潔生產(chǎn)等方面的建設(shè)。
項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)種植的玉米、水稻等農(nóng)作物秸稈,主要由食用菌生產(chǎn)企業(yè)統(tǒng)一收購(gòu)、粉碎、加工作為食用菌栽培基料,還有部分由養(yǎng)殖企業(yè)集中青貯作為草食牲畜的飼料,不便于收集的直接粉碎還田作肥料。食用菌生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的菌渣一部分由車輛運(yùn)輸?shù)椒N植基地,堆漚發(fā)酵后作為有機(jī)肥還田,其余部分銷售到有機(jī)肥廠作為有機(jī)肥原料。畜禽養(yǎng)殖環(huán)節(jié)產(chǎn)生的畜禽糞污,經(jīng)干濕分離后,部分干糞經(jīng)車輛運(yùn)輸?shù)椒N植基地,堆漚發(fā)酵后作為有機(jī)肥還田。污水進(jìn)行沼氣化厭氧發(fā)酵和好氧處理后,沼渣經(jīng)車輛運(yùn)輸?shù)椒N植基地直接還田,沼液經(jīng)管道運(yùn)輸?shù)椒N植基地灌溉還田。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣用于燃料或養(yǎng)殖企業(yè)照明等。廢舊菌袋、地膜、農(nóng)藥和肥料包裝物等,采取定點(diǎn)存放,定期回收和資源化利用。
2.2.1 秸稈收集利用 縣域內(nèi)種植專業(yè)合作社從農(nóng)民手中收購(gòu)約1.3萬(wàn)t秸稈。合作社首先對(duì)收購(gòu)來(lái)的秸稈除雜,通過(guò)皮帶輸送機(jī)送到鍘草機(jī),然后通過(guò)水平輸送帶將秸稈送到粉碎機(jī),同時(shí)用風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)選管道將8 mm以上的砂石等雜物除去,最后形成10 mm以下的秸稈粉,用作食用菌生產(chǎn)的原料。
2.2.2 食用菌菌渣利用 部分食用菌菌渣經(jīng)過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)菌渣堆肥,將其以一定比例施入水稻、玉米、油菜等作物大田中,菌渣堆肥中殘留的菌絲蛋白可為作物生長(zhǎng)提供部分養(yǎng)分。菌渣還田能夠提供豐富的氨基酸、多糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),提高酶活性和促進(jìn)碳氮循環(huán)[13]。在土壤中施用菌渣,除為作物提供平衡的氮、碳等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外,其在土壤中還進(jìn)一步分解,形成具有良好通氣、蓄水能力的腐殖質(zhì),有利于改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力。多余部分菌渣將與牛糞、豬糞混合,用于生產(chǎn)有機(jī)肥。
2.2.3 沼肥沼氣利用 項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖場(chǎng)污水在原料調(diào)配池中混合均勻后泵入?yún)捬醴磻?yīng)罐中。厭氧反應(yīng)罐內(nèi)物料呈全混狀態(tài),在適宜的堿度、溫度條件下充分厭氧反應(yīng)。厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)凈化系統(tǒng)處理后,供養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)生活用氣,以及周邊居民生活用氣。消化罐內(nèi)出來(lái)的殘?jiān)陕輻U泵輸送至換熱器,經(jīng)熱交換后流入緩沖池,再由污泥泵輸送入臥螺式離心分離機(jī)進(jìn)行固液分離。沼液一部分返回預(yù)處理單元參與物料稀釋,一部分送入沼液儲(chǔ)池,進(jìn)一步加工制成有機(jī)液肥,沼渣送入沼渣堆場(chǎng)進(jìn)一步加工制成有機(jī)肥。
2.2.4 豬牛糞有機(jī)肥 將豬糞便等與菌渣輔料摻混后至含水量低于50%(菌渣、糠醛渣、作物秸稈等其他適合做有機(jī)肥的物料),與具有特殊功能的微生物發(fā)酵劑混勻,再通過(guò)連續(xù)池式發(fā)酵,使畜禽糞便等充分腐熟。腐熟的半成品可制作粉狀、顆粒有機(jī)肥,添加功能菌劑則可生產(chǎn)生物有機(jī)肥,添加氮、磷、鉀(總含量≤15%)可生產(chǎn)高養(yǎng)分含量有機(jī)肥。牛糞有機(jī)肥工藝流程與豬糞有機(jī)肥相似,差別為配制的原料不同。主要工藝流程包括將鮮畜禽糞便、干草、腐爛的青(黃)貯、菌種按比例混合,經(jīng)過(guò)堆腐發(fā)酵、溫度變化監(jiān)測(cè)、鼓風(fēng)、翻堆等程序,進(jìn)行水分控制,制成成品,還田進(jìn)入種植基地。
項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)生豬養(yǎng)殖企業(yè)存欄生豬約9580頭。經(jīng)估算,養(yǎng)殖種母豬4300頭、仔豬5280頭,4300頭種母豬年產(chǎn)糞便0.35萬(wàn)t,年產(chǎn)尿液0.71萬(wàn)t,沖洗用水量1.10萬(wàn)t,年共產(chǎn)糞污量2.16萬(wàn)t;5280頭仔豬年產(chǎn)糞便0.09萬(wàn)t,年產(chǎn)尿液0.26萬(wàn)t,沖洗用水量0.77萬(wàn)t,年共產(chǎn)糞污量1.12萬(wàn)t。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)肉牛養(yǎng)殖企業(yè)年存欄肉牛約2000頭。經(jīng)估算,年產(chǎn)糞便0.88萬(wàn)t,尿液0.61萬(wàn)t,沖洗用水量1.10萬(wàn)t,年共產(chǎn)糞污量2.59萬(wàn)t。
本項(xiàng)目食用菌企業(yè)年產(chǎn)菌渣約15000 t(見(jiàn)表1)。除少量菌渣經(jīng)處理后還田外,大部分菌渣與豬、牛糞便等輔料摻混后制成有機(jī)肥,就近供應(yīng)作物大田和果樹(shù)基地。
表1 菌渣產(chǎn)生量估算
項(xiàng)目區(qū)年產(chǎn)豬糞0.44萬(wàn)t,牛糞0.88萬(wàn)t(按含水率70%折算),累計(jì)豬牛糞便1.32萬(wàn)t,用于生產(chǎn)有機(jī)肥的菌渣1.28萬(wàn)t,生產(chǎn)約1.30萬(wàn)t有機(jī)肥(含水率15%~20%),沼液4.09萬(wàn)t,主要施用于項(xiàng)目區(qū)種植消納基地中。根據(jù)主要大田作物、果園的周年養(yǎng)分目標(biāo)需N量,和存欄牲畜年均糞污養(yǎng)分可利用量,計(jì)算出每年大田和果園所能消納的有機(jī)肥(沼液)用量和化肥替代比例[14]。由表2可見(jiàn),根據(jù)不同的作物和果樹(shù)品種,作物大田有機(jī)肥替代化肥N的比例達(dá)31%~34%,柑橘和核桃等果樹(shù)的替代比例達(dá)39%~41%,蔬菜田的替代比例達(dá)62%。
表2 項(xiàng)目區(qū)作物地有機(jī)肥(沼液)養(yǎng)分利用測(cè)算
項(xiàng)目區(qū)內(nèi)現(xiàn)有大田作物種植基地約1340 hm2,其中水田主要輪作模式水稻-油菜/小麥;旱地主要輪作模式為玉米-小麥/油菜;果樹(shù)基地630 hm2,主要種植柑橘、核桃。蔬菜基地13 hm2,主要種植茄果、葉菜類等露地蔬菜。由表3可見(jiàn),依據(jù)大田和果園目標(biāo)產(chǎn)量、目標(biāo)施N量,測(cè)算有機(jī)肥(沼液)的施用量,項(xiàng)目生產(chǎn)的有機(jī)肥和沼液可全部在項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)就近循環(huán)利用。依據(jù)糞污承載量測(cè)算,項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)畜禽承載量仍有一定的拓展空間。
表3 項(xiàng)目區(qū)作物和果樹(shù)基地糞污承載量測(cè)算
綜上,蓬溪縣是川東丘陵區(qū)典型的丘區(qū)農(nóng)業(yè)模式,以食用菌和生豬、肉牛養(yǎng)殖為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)具有代表性。依據(jù)大田作物和果園目標(biāo)產(chǎn)量、目標(biāo)施N量,測(cè)算有機(jī)肥(沼液)的施用量,項(xiàng)目區(qū)產(chǎn)生的畜禽糞便和沼液可全部在項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)就近循環(huán)利用,化肥N替代率達(dá)31%~62%。依據(jù)項(xiàng)目區(qū)作物和果樹(shù)種植基地的畜禽糞污有機(jī)肥替代化肥的測(cè)算,項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)仍有一定的畜禽承載潛力。該模式基于川東丘陵區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn),結(jié)合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè),因地制宜、就近循環(huán),使得種養(yǎng)廢棄物就近科學(xué)合理利用,降低了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。
川東丘陵地區(qū)山地面積占丘陵地區(qū)總面積的80%,不適宜大規(guī)模推進(jìn)機(jī)械化作業(yè),以家庭農(nóng)場(chǎng)為主發(fā)展種養(yǎng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)將成為推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[15]。得益于國(guó)家和省市的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目資金的支持,蓬溪縣生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)取得了較好的效果。蓬溪縣生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)具有以下特點(diǎn):一是食用菌和豬牛養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)循環(huán)配合。二是采取縣域范圍內(nèi)集中推進(jìn),區(qū)域布局相對(duì)集中,減少畜禽糞便外遷污染的風(fēng)險(xiǎn)。三是采取綜合養(yǎng)分平衡利用方案,推進(jìn)種養(yǎng)廢棄物的科學(xué)利用。與此同時(shí),要繼續(xù)推進(jìn)川東丘陵區(qū)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展,還需要進(jìn)一步探索相應(yīng)的管理運(yùn)行機(jī)制,擴(kuò)大區(qū)域生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)規(guī)模。
由于區(qū)域主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)中的種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)需要相互協(xié)調(diào)配合,才能做好區(qū)域內(nèi)部的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的閉環(huán)管理。相對(duì)于平原地區(qū),地理?xiàng)l件先天不足的丘陵山區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)戶土地少且較為分散,地塊形狀不規(guī)則,小規(guī)模細(xì)碎化經(jīng)營(yíng)造成機(jī)械化水平低、耕作成本高而生產(chǎn)技術(shù)效率低,難以支撐規(guī)?;r(nóng)業(yè),適度規(guī)模面積相對(duì)較小[16]。研究表明,生豬養(yǎng)殖數(shù)量和農(nóng)田經(jīng)營(yíng)面積的比值與生豬養(yǎng)殖環(huán)境效率存在倒U型關(guān)系[17]。因此,探索基于主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)種養(yǎng)結(jié)合的適度規(guī)模大小和經(jīng)營(yíng)機(jī)制,是推動(dòng)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。如果種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)比例失調(diào),那么就難以就近消納、難以形成良性的循環(huán)鏈條。
解決農(nóng)業(yè)面源污染的核心問(wèn)題之一是農(nóng)業(yè)投入品的綠色管理,生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的核心是實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的養(yǎng)分平衡,使農(nóng)業(yè)廢棄物得到就近資源化利用,避免環(huán)境污染。畜禽糞便資源化利用方式主要為能源化和肥料化利用,中國(guó)畜禽糞便肥料化潛力可以在較高程度上填補(bǔ)氮肥、磷肥的需求量[18]。由于畜禽糞尿的特點(diǎn)決定了難以大范圍、跨地區(qū)移動(dòng),所以就近耕地消納仍是較為經(jīng)濟(jì)可行的處理手段,資源化利用的較好途徑是制作有機(jī)肥適量還田[19]。農(nóng)用地對(duì)畜禽糞便的消納能力不僅受農(nóng)用地利用類型影響,還受土壤理化特性、地形地貌、利用方式(裸露和保護(hù)地)、種植模式、施肥習(xí)慣等多因素影響[20]。針對(duì)縣域區(qū)域內(nèi),通過(guò)養(yǎng)分平衡測(cè)算,規(guī)劃區(qū)域內(nèi)種養(yǎng)廢棄物的養(yǎng)分盈余,和種植大田的養(yǎng)分需求,使得養(yǎng)分平衡消納。此項(xiàng)工作需要主管部門牽頭統(tǒng)籌規(guī)劃,專業(yè)合作社、家庭農(nóng)場(chǎng)主和養(yǎng)殖企業(yè)等協(xié)調(diào)配合,整體推進(jìn),才能達(dá)到較好的循環(huán)效果。
生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)涉及到種植、養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)廢棄物處理等多個(gè)環(huán)節(jié),整體運(yùn)轉(zhuǎn)鏈條比較復(fù)雜。所構(gòu)建的模式要持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益?,F(xiàn)有的種養(yǎng)循環(huán)模式多存在隨意性,易出現(xiàn)模式持續(xù)不長(zhǎng)久、產(chǎn)品消納困難、工程難以運(yùn)行等問(wèn)題[21]。本項(xiàng)目中的養(yǎng)殖企業(yè)、專業(yè)合作社都是在當(dāng)?shù)赜休^好生產(chǎn)規(guī)模,產(chǎn)品銷路較好,具備一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。一般的小農(nóng)戶或小型家庭農(nóng)場(chǎng)難以主導(dǎo)這么多環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。因此,只有采取市場(chǎng)化導(dǎo)向,由政府主管部門制定激勵(lì)政策,引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)、大中型專業(yè)合作社、家庭農(nóng)場(chǎng)來(lái)參與區(qū)域內(nèi)的種養(yǎng)循環(huán),才能有力推動(dòng)整體循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
致謝:感謝蓬溪縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供蓬溪縣相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。