孫曉杰,譚知涵,田雨欣,張木喜,王亞搏,潘 琦,朱紅祥
(1.桂林理工大學 a.廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室;b.巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541006;2.廣西大學 輕工與食品工程學院,南寧 530004)
有機固體廢物是指源于生物質(zhì)的固體廢物, 主要包括廚余垃圾, 園林廢棄物, 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥, 人類糞便, 農(nóng)業(yè)廢棄物中的畜禽糞便、 秸稈等。據(jù)估計, 我國每年畜禽糞污產(chǎn)生量高達38億t[1], 農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量約10億t[2], 市政污泥(以含水率80%計)年產(chǎn)生量超過4 000萬t[3], 隨著垃圾分類制度以及原生垃圾零填埋等政策的實施, 我國廚余垃圾的年產(chǎn)生量也超過2.1億 t[4]。堆肥化是一種處理有機固體廢物的有效方法, 在受控的有氧條件下, 通過微生物發(fā)酵分解廢物中可降解組分, 可將有機固體廢物轉(zhuǎn)化為具有經(jīng)濟價值的有機肥。施用堆肥是一種減少化肥施用、 改善土壤質(zhì)量、 提升作物品質(zhì)的有效舉措。長期以來, 我國一直有利用有機固體廢物堆漚肥的傳統(tǒng)。1995年, 農(nóng)業(yè)部以提高有機肥施用量為目標實施了“沃土計劃”, 鼓勵利用人畜糞便等各類有機固體廢物堆肥; 2015年, 農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》中提出要用有機肥部分替代化肥, 增加有機肥資源利用; 2016年國務院發(fā)布的“土十條”中也有增施有機肥的相關表述; 2017年, 農(nóng)業(yè)部制定的《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》中指出要支持農(nóng)民利用積造生產(chǎn)有機肥, 推廣有機肥替代化肥的生產(chǎn)技術模式, 構建果菜茶有機肥替代化肥長效機制。這些政策文件的出臺表明國家和有關部門高度重視堆肥產(chǎn)品的推廣應用。
然而, 近二十年來, 我國出現(xiàn)了施用堆肥意愿不高、 堆肥產(chǎn)品缺乏市場競爭力等問題, 農(nóng)民逐漸放棄有機肥的積造和施用。本文分析了有機固體廢物堆肥產(chǎn)品的困境, 從農(nóng)民生產(chǎn)生活方式的變化、 堆肥施用的費效比高、 有機固體廢物堆肥存在潛在安全風險等角度分析了堆肥失去市場的原因, 并提出推廣施用堆肥產(chǎn)品的建議, 對促進有機固體廢物的資源化利用、 減輕固體廢物環(huán)境污染具有重要的意義。
1980年, 我國有機肥在肥料投入中的占比為47.1%, 與化肥相當, 而到2003年僅占總投入量的25%[5]。對于其他有機固體廢物, 如污泥、 廚余垃圾等, 盡管國家層面也鼓勵和倡導堆肥化處理, 然而, 污泥、 廚余垃圾等有機固體廢物堆肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。以生活垃圾堆肥為例(圖1), 我國生活垃圾堆肥無害化處理廠數(shù)量和堆肥處理量逐年下降[6], 2011年后的《中國統(tǒng)計年鑒》均未再出現(xiàn)生活垃圾堆肥相關數(shù)據(jù)。堆肥施用量的下降造成大量有機固體廢物資源被浪費, 同時化肥的施用量不斷增長進一步造成了環(huán)境污染。我國有機養(yǎng)分資源總量超過7 500萬t, 但總體資源利用率不足40%, 其中畜禽糞便養(yǎng)分還田率為50%左右, 農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分還田率僅為35%左右[7]。1990—2009年間, 中國氮肥生產(chǎn)和消費的增加量分別占世界的61%和52%[8]。過量施用化肥造成的農(nóng)業(yè)面源污染問題日益嚴重, 我國近50%的地下水受到農(nóng)業(yè)面源污染, 近2 000萬hm2耕地面積受到影響[6,9]??梢? 我國有機固體廢物堆肥產(chǎn)品的出路并不順暢, 堆肥產(chǎn)品應用減少導致的環(huán)境問題也日益凸顯。
圖1 2003—2010年中國生活垃圾堆肥處理廠數(shù)量和堆肥無害化處理量變化Fig.1 Changes in the number of domestic waste composting plants and composting trentment capacity in China from 2003 to 2010
改革開放以前, 我國農(nóng)業(yè)走的是集體化道路, 形成了種養(yǎng)結(jié)合、 種地養(yǎng)地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。從20世紀80年代開始, 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大范圍實行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制, 土地被分割為小塊分散經(jīng)營, 農(nóng)民收入主要來源于務農(nóng)。1995年, 農(nóng)業(yè)收入占農(nóng)村居民人均純收入的63.2%[6]。為了增加收入、 改善生活, 許多農(nóng)民開展副業(yè), 如飼養(yǎng)豬、 牛、 雞、 鴨等。餐廚垃圾可以喂養(yǎng)家畜和家禽, 而畜禽產(chǎn)生的糞便可以漚肥。漚肥不僅能促進作物增產(chǎn), 在一定程度上也可以減少化肥的使用。
進入21世紀以來, 隨著中國工業(yè)化和城市化進程的加速, 大量農(nóng)村青壯年勞動力到城市務工, 農(nóng)民開始從務農(nóng)轉(zhuǎn)向非農(nóng)職業(yè), 增加了農(nóng)民收入。最初農(nóng)民在農(nóng)忙時仍會返回農(nóng)村收種莊稼, 隨著非農(nóng)收入所占比例持續(xù)增加, 當返鄉(xiāng)收種莊稼獲得的收入低于在外務工所得收入時, 農(nóng)民種地的積極性受到了影響, 一些地方甚至出現(xiàn)了土地拋荒閑置的現(xiàn)象。從2000—2020年, 我國農(nóng)村居民人均可支配收入由2 282.1元增長到17 131元, 增長了7.5倍[10]。2004年, 包括畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)在內(nèi)的農(nóng)業(yè)收入占總收入的26.24%, 非農(nóng)收入占比則達到了73.76%[11], 非農(nóng)行業(yè)成為農(nóng)民的主要收入來源。
大量青壯年勞動力向城市的轉(zhuǎn)移還導致了農(nóng)村主要依靠老人和婦女從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[12-13]。2013年, 中國農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移規(guī)模已經(jīng)達到26 894萬人, 約占當年農(nóng)村總勞動力69.4%[14]。對于留守在農(nóng)村的老人和婦女而言, 家庭漚肥和施用過程都存在勞動時間長、 勞動強度大的問題[15], 因而逐漸放棄了通過人、 畜、 禽糞便等有機固體廢物漚肥增產(chǎn)增收的耕作方法[16-17], 取而代之的是將家庭產(chǎn)生的固體廢物直接投至垃圾收集點或通過專業(yè)的運輸車輛運走。
生產(chǎn)生活方式的變化, 使農(nóng)戶散種散養(yǎng)向規(guī)模種植和養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變: 一方面, 家庭養(yǎng)殖畜禽數(shù)量減小, 畜禽糞便等有機物產(chǎn)量減少, 家庭漚肥難以持續(xù)下去; 另一方面, 我國種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的種養(yǎng)分離情況日益嚴重。目前全國的種植業(yè)或養(yǎng)殖業(yè)70%以上為單一的農(nóng)業(yè)園區(qū), 部分農(nóng)業(yè)園區(qū)雖然種養(yǎng)兼營, 但大多數(shù)難以實現(xiàn)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展[18], 從而導致養(yǎng)殖戶缺乏足夠的土地消納畜禽糞便, 而種植戶的秸稈等有機固體廢物也無法得到有效利用[19]。
綜上, 生產(chǎn)生活方式的變化打破了我國長期以來種養(yǎng)結(jié)合、 種地養(yǎng)地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式, 農(nóng)民逐漸放棄了堆漚肥的傳統(tǒng)。
通常,堆肥的養(yǎng)分含量較化肥低[20],為達到良好的增產(chǎn)效果,堆肥施用量遠大于化肥施用量(表1),導致運輸和施肥成本高。劉洪濤等[24]的研究表明,單位面積有機肥的購買成本為化肥的1.67倍,并且還需要支付額外的運輸成本和人力施用成本,最終施用單位面積有機肥投入成本約為化肥的2.17倍。相比堆肥,使用化肥施用量小、 運輸施用方便、 可明顯降低勞動強度和成本,化肥對糧食增產(chǎn)的貢獻達到30%~50%,能有效保證糧食產(chǎn)量[25-27];而施用堆肥增產(chǎn)效果有限,造成了施用堆肥的費效比高于化肥。因此,化肥逐漸成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的首選,而堆肥逐漸失去了市場。
表1 不同堆肥替代化肥的施用量
有機固體廢物堆肥存在重金屬和抗生素積累等潛在問題。Yang等[28]調(diào)查了我國10個省份212家堆肥廠的畜禽糞便堆肥樣品, 其中As和Cd超標比例為13.7%和2.4%, 部分樣品Zn和Cu含量較高。據(jù)估計, 全世界每年抗生素使用量為10~20萬t, 其中約70%用于防治畜禽疾病和促進畜禽生長, 40%~90%的抗生素最終進入畜禽糞便[29]。倪治華等[30]對浙江省及周邊80多家有機肥料企業(yè)的有機肥產(chǎn)品進行抗生素殘留檢測, 在107個樣品中檢出11種抗生素類污染物, 檢出濃度最高可達71.0 mg/kg。相比化肥, 堆肥的施用量大, 即使堆肥中重金屬和抗生素等污染物殘留濃度較低, 但引入土壤的污染物的量也高于化肥[31]。Zhen等[32]發(fā)現(xiàn), 連續(xù)大量施用糞肥14 a后土壤中Cd、 Zn、 Cu和Cr的總濃度分別增加了230%、 110%、 66%和86%。宋瑩[33]的研究表明, 污泥經(jīng)堆肥后重金屬汞的含量有所下降, 仍超過《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 農(nóng)用泥質(zhì)》(CJ/T 309—2009)限值要求, 其堆肥產(chǎn)品不能用于農(nóng)業(yè)種植。雖然廚余垃圾的重金屬、 抗生素含量較低, 但其較高的油脂和鹽分會在堆肥產(chǎn)品中殘留, 可能會對土壤及作物造成負面影響[34]。李志洋[35]分別對水稻施用10%、 20%、 30%、 40%的豬糞秸稈堆肥純氮替代化肥純氮, 結(jié)果表明, 所有替代處理的水稻籽粒中Cd含量均顯著上升, 某些品種水稻籽粒中Cd含量甚至超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中的限值(0.2 mg/kg)。因此, 長期、 大量施用堆肥有可能造成污染物在土壤和植物中積累, 并通過食物鏈威脅人體健康[36-37]。
生產(chǎn)工藝嚴格、 有機質(zhì)含量高的高質(zhì)量堆肥產(chǎn)品更容易受到消費者青睞從而占據(jù)市場。然而, 農(nóng)戶自行積造的堆肥產(chǎn)品往往由于堆制溫度較低, 達不到較好的無害化處理效果; 部分堆肥企業(yè)技術水平低、 生產(chǎn)工藝落后, 甚至有企業(yè)為降低生產(chǎn)成本在堆肥過程中加入工業(yè)廢料等不符合國家標準的原料, 生產(chǎn)的有機肥產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足相關標準要求[38]; 部分企業(yè)為了獲得價格優(yōu)勢, 讓劣質(zhì)的產(chǎn)品以低廉的價格出售, 擾亂了市場的有序競爭, 低端堆肥產(chǎn)品充斥市場, 而需求量較大的高端堆肥產(chǎn)品受到擠壓, 難以大范圍推廣[39]。
種養(yǎng)結(jié)合是指將種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)結(jié)合發(fā)展, 將畜禽養(yǎng)殖作為種植業(yè)的肥料來源, 種植業(yè)消納養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的畜禽糞污并為養(yǎng)殖業(yè)提供飼料, 使得有機養(yǎng)分資源得到循環(huán)利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式[18]?!度珖r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年)》提出要“優(yōu)化調(diào)整種養(yǎng)業(yè)結(jié)構, 促進種養(yǎng)循環(huán)”。《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃(2016—2020年)》明確提出“要實施種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)工程”。農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)農(nóng)業(yè)示范工程建設規(guī)劃(2017—2020年)》指出, 要把秸稈和畜禽糞便等有機固體廢物作為再生資源利用, 推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由“資源—產(chǎn)品—廢棄物”向“資源—產(chǎn)品—再生資源—產(chǎn)品”的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。在循環(huán)農(nóng)業(yè)中, 畜禽糞便、 秸稈等農(nóng)業(yè)有機固體廢物都是可再生的資源, 堆肥作為一種將有機固體廢物轉(zhuǎn)化為有機肥產(chǎn)品的技術, 可在循環(huán)農(nóng)業(yè)模式中起到紐帶的作用[12, 15]?!缎笄菁S污資源化利用行動方案(2017—2020 年)》指出, 畜禽糞污要以農(nóng)用有機肥為主要利用方向。對于小規(guī)模養(yǎng)殖戶或種植戶, 畜禽糞便、 秸稈等廢棄物可以混合堆漚后直接還田利用。較大規(guī)模的養(yǎng)殖場可就地配套建設堆肥廠處理廢棄物, 生產(chǎn)出的商品有機肥可對外出售, 避免出現(xiàn)周邊農(nóng)田無法消納的情況。在實現(xiàn)有機固體廢物就地還田利用的同時, 還可以帶來經(jīng)濟效益, 有助于提高農(nóng)戶利用堆肥處理有機固體廢物的積極性。因此, 發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式是解決農(nóng)業(yè)秸稈、 畜牧業(yè)糞便等有機固體廢物堆肥出路的關鍵[40]。
機械化程度低是限制堆肥推廣施用的另一個關鍵問題[41-43]。我國農(nóng)村地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大部分是以家庭為單位, 2016年, 我國農(nóng)村戶均耕地面積為0.65 hm2左右, 97%的農(nóng)戶種植規(guī)模低于3.3 hm2[44]。小規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式造成秸稈、 尾菜等有機固體廢物來源分散, 收集和規(guī)?;幚砝щy, 不利于實現(xiàn)施肥機械化, 我國僅30%的農(nóng)作物種植面積使用機械施肥[45]。江蘇省56%的農(nóng)戶使用手推車運送肥料, 使用卡車的農(nóng)戶只占37%, 且超過80%的農(nóng)民使用人力撒施肥料[16]。機械的缺乏導致用量較大的堆肥產(chǎn)品運輸和施用極為不便且成本較高, 農(nóng)民施用積極性不高[46]。
發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)?;?、 集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營, 有利于發(fā)展機械化運肥、 施肥[47-48]。機械撒施可以提升施肥的質(zhì)量和均勻性, 提高施肥效率, 間接減少人工施肥次數(shù)和勞動成本[49]。機械溝施可以避免養(yǎng)分流失, 使養(yǎng)分隨著雨水下滲到達植物根系, 更能促進作物的生長[50]。因此, 我國應提高肥料運輸和施用的機械化水平, 以機械撒施、 溝施替代人力施肥。政府可對肥料運輸車輛和施肥機械等進行補貼, 降低農(nóng)戶運輸和施用堆肥的成本, 提高農(nóng)戶堆肥還田的效率和積極性[44]。
評估堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性, 并為堆肥產(chǎn)品制定安全分類標準, 可以確保堆肥產(chǎn)品安全性適用于不同的需求。質(zhì)量高、 安全性好的堆肥產(chǎn)品可作為有機肥應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 而質(zhì)量一般和較差的堆肥可應用于城市綠化、 污染土壤修復、 垃圾填埋場覆蓋、 建材利用、 焚燒發(fā)電等領域, 從而達到避開食物鏈和提高堆肥產(chǎn)品農(nóng)業(yè)利用安全性的目的[51]。比如, 中國香港將堆肥產(chǎn)品分為有機耕種、 普通農(nóng)業(yè)標準及非農(nóng)業(yè)用途3類, 分別對不同類別堆肥中重金屬含量進行了限定。歐盟、 加拿大等也有類似的分類標準[51]。此外, 歐美國家對堆肥標準的制定和實施成立了專門的協(xié)會來推動堆肥產(chǎn)品標準化, 如意大利堆肥協(xié)會(CIC)、 英國有機廢物堆肥協(xié)會等(OWCA), 而我國尚未設立相關標準制定協(xié)會[52]。2017年, 我國編制的《肥料分級及要求》按有害物質(zhì)限量將肥料分為園林級、 農(nóng)田級和生態(tài)級3類, 分別對肥料中重金屬、 病原體和抗生素等進行了限量, 例如, 農(nóng)田級肥料的總鎘含量≤10 mg/kg, 生態(tài)級肥料的總鎘含量≤3.0 mg/kg, 有害物質(zhì)含量高于園林級的肥料則不得出廠和銷售, 可有效限制低質(zhì)量堆肥流向農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 但是該標準最后未能頒布實施[16]。目前我國尚無堆肥產(chǎn)品安全分類標準, 因此, 有必要進一步對堆肥產(chǎn)品進行分級限定, 完善相關標準體系。
目前, 堆肥產(chǎn)品應用面較窄, 多用于果、 菜、 茶等經(jīng)濟作物, 而在園林綠化、 人工林地、 纖維作物等非糧食作物領域仍有很大的市場發(fā)展?jié)摿53]。我國每年在園林綠化上的有機肥需求量約(120~150)×104t, 人工速生林的有機肥需求量高達1.2×107t[54-55]。 胡自航等[56]的研究表明, 當施用量低于30 t/hm2時, 污泥和園林廢棄物混合堆肥施用能提高人工榆樹林地微生物活性、 改善土壤質(zhì)量, 并且較低土壤重金屬污染的風險。
此外, 堆肥用于生產(chǎn)林木、 花卉、 草坪等非食用植物的無土栽培基質(zhì)也是一個新的資源化應用方向[57-58]。Manca等[59]在污泥與蔗渣堆肥中加入磷酸鹽后進行桉樹幼苗栽培, 與商品基質(zhì)相比, 堆肥產(chǎn)品能提高桉樹幼苗的株高、 直徑和總生物量, 能有效滿足幼苗的營養(yǎng)需求且無植物毒性??梢? 堆肥產(chǎn)品可有效替代現(xiàn)有的栽培基質(zhì), 具有較好的市場前景[60]。
綜上, 含重金屬、 抗生素等有害物質(zhì)的堆肥應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會造成較大安全風險[61], 有必要制定堆肥安全分類標準, 開辟堆肥在非糧食作物、 無土栽培等領域新的利用途徑, 有助于擴大堆肥產(chǎn)品市場需求, 從而解決堆肥產(chǎn)品的出路問題。
開發(fā)先進的堆肥技術, 加大經(jīng)濟可靠的新型調(diào)理劑的研發(fā)力度, 在堆肥過程中添加合適的調(diào)理劑能夠鈍化原料重金屬, 提高病原菌和部分有機污染物的去除率, 促進堆肥的腐殖化, 提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性, 從而降低產(chǎn)品土壤污染風險; 探索適應當?shù)貐^(qū)域特點和施肥模式的施肥機械, 提高施肥效率, 降低堆肥運輸和施用成本, 解決傳統(tǒng)施肥費時費力的問題; 探索適合不同區(qū)域種植結(jié)構和土壤條件的堆肥施用比例, 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本; 新型堆肥產(chǎn)品的研發(fā), 如生物有機肥、 有機無機復合肥等高附加值的肥料產(chǎn)品, 提高養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量, 提高堆肥產(chǎn)品帶來的經(jīng)濟效益[62]; 研究解決堆肥發(fā)酵、 運輸、 儲存過程中營養(yǎng)元素流失問題[63]。
廣大農(nóng)戶對堆肥缺乏認識, 往往片面關注施用化肥帶來的經(jīng)濟利益, 忽視了過度施用化肥造成的環(huán)境危害, 并且農(nóng)戶在適應了施用化肥之后, 對各種商品有機肥的施用方法和施用量并不了解, 往往是依照經(jīng)驗施用[64]。即便施用了, 若施肥方式、 效果不佳, 反而損害了農(nóng)戶施用堆肥的積極性。因此, 在推廣堆肥施用的過程中, 需要新聞媒體加大對堆肥的宣傳力度, 對農(nóng)戶進行堆肥相關知識的普及, 使農(nóng)戶認識到施用堆肥的優(yōu)勢和盲目增施化肥對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的危害, 同時讓農(nóng)戶了解國家推進堆肥部分替代化肥的相關政策文件, 提高農(nóng)戶對堆肥產(chǎn)品的接受程度和施用堆肥產(chǎn)品的積極性。此外, 還需要通過各種渠道對農(nóng)戶施用堆肥進行指導, 提高施用效率, 從而維護農(nóng)戶的經(jīng)濟利益。
有機固體廢物堆肥產(chǎn)品失去市場的原因主要包括: ①生產(chǎn)生活方式的變化, 導致農(nóng)民放棄堆肥; ②堆肥施用的費效比高, 導致農(nóng)民放棄施用堆肥; ③有機固體廢物堆肥存在安全和質(zhì)量問題。為了解決有機固體廢物堆肥面臨的困境, 可以發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合的農(nóng)業(yè)模式, 促進種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)固體廢物的循環(huán)利用; 發(fā)展規(guī)?;?jīng)營模式, 實現(xiàn)機械化施肥, 降低施肥成本; 制定堆肥安全分類標準, 開辟非糧食作物、 無土栽培等領域的堆肥利用的新途徑; 加強相關基礎理論研究, 開發(fā)和推廣更先進和經(jīng)濟的堆肥化技術; 加大宣傳力度和相關知識普及, 提高農(nóng)戶對堆肥的認識。