西安市農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為農(nóng)用氮素供需平衡分析

常小箭　李方向　王濤　王晨光　陳妮　李強(qiáng)　耿騰飛　劉喆

摘要以西安市主要涉農(nóng)區(qū)縣為研究對象，通過文獻(xiàn)資料查詢及實(shí)地調(diào)研，對西安市農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的氮素供需平衡進(jìn)行了研究分析。首先，計(jì)算了主要涉農(nóng)區(qū)縣農(nóng)作物秸稈、瓜果藤蔓、畜禽糞便的氮素轉(zhuǎn)化量。其次，根據(jù)土壤理化性質(zhì)及農(nóng)作物種植面積，估算了主要涉農(nóng)區(qū)縣農(nóng)作物的氮素養(yǎng)分需求量。結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析了西安市主要涉農(nóng)區(qū)縣農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為農(nóng)用氮素養(yǎng)分的供需平衡關(guān)系。結(jié)果表明：2021年西安市涉農(nóng)區(qū)縣主要農(nóng)作物種植需要44 414.75 t氮素養(yǎng)分，農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化氮素養(yǎng)分的總供應(yīng)量為28 560.12 t，其中農(nóng)作物秸稈、瓜果藤蔓轉(zhuǎn)化氮素養(yǎng)分23 155.00 t，占供應(yīng)量的81.07%，畜禽糞便轉(zhuǎn)化為氮素養(yǎng)分5 405.15 t，占供應(yīng)量的18.93%，氮素養(yǎng)分供需比為1.56，即供不應(yīng)求，因此應(yīng)該充分利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的氮素轉(zhuǎn)化，并配合施用化肥及有機(jī)肥滿足作物生長養(yǎng)分需求。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物；供需平衡；氮素養(yǎng)分；西安

中圖分類號(hào)S21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611（2023）11-0178-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.043開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of Supply and Demand Balance of Agricultural Organic Waste Converted into Agricultural Nitrogen in Xian

CHANG Xiao-jian， LI Fang-xiang，WANG Tao et al（Xian Agricultural Technology Extension Center，Xian，Shaanxi 710061）

AbstractIn this article， the nitrogen supply and demand balance of agricultural organic waste in Xian was studied and analyzed through literature search and field research， taking the main agriculture-related districts and counties in Xian as the research target. Firstly， the nitrogen conversion amounts of crop straw， fruit and vine， and livestock manure in the main agriculture-related districts and counties were calculated. Secondly， the nitrogen nutrient demand of crops in major agriculture-related districts and counties was estimated based on soil physical and chemical properties and crop cultivation area. Combined with the calculation results， the supply-demand balance of agricultural wastes converted into agricultural nitrogen nutrients in the main agriculture-related districts and counties of Xian was analyzed. The research results showed that 44 414.75 tons of nitrogen nutrients were required for the cultivation of major crops in the agriculture-related districts and counties of Xian in 2021， and the total supply of nitrogen nutrients converted from agricultural organic waste was 28 560.12 tons， among which 23 155.00 tons of nitrogen nutrients were converted from crop straws， fruits and vines， accounting for 81.07% of the supply， and 5 405.15 million tons of nitrogen nutrients were converted from livestock and poultry manure， accounting for 18.93% of the supply， and the nitrogen nutrient The supply-demand ratio was 1.56， both supply and demand exceeded supply， so we should make full use of the nitrogen conversion of agricultural organic waste and apply chemical fertilizers and organic fertilizers together.

Key wordsAgricultural organic waste;Supply-demand balance;Nitrogen nutrients;Xian

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化肥、農(nóng)藥的大量施用等導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，農(nóng)產(chǎn)品問題層出不窮，人們對生態(tài)、綠色農(nóng)產(chǎn)品的需求越來越大，對循環(huán)農(nóng)業(yè)的關(guān)注度也越來越高。農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的資源化利用是實(shí)現(xiàn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要舉措之一［1］。農(nóng)作物秸稈、蔬菜尾菜、畜禽糞便等含有較多養(yǎng)分，具有較大資源利用潛力，但由于收集、回收、利用體系尚不完善，目前西安市農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的利用也不充分，尚未實(shí)現(xiàn)高效利用［2-3］。農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便是農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的主要來源，也是回收的重點(diǎn)。已經(jīng)有很多學(xué)者研究探討了不同農(nóng)業(yè)廢棄物的回收方法及綜合利用技術(shù)［4-6］。目前，畜禽糞便主要通過堆肥和沼氣發(fā)酵進(jìn)行利用，該技術(shù)對環(huán)境影響較?。?］。但隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，農(nóng)村地區(qū)有機(jī)廢棄物人均排放量持續(xù)增加，且高于其他發(fā)展中國家［8］，這對農(nóng)村人居環(huán)境造成了極大影響，嚴(yán)重影響農(nóng)村人居環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

西安市擁有豐富的農(nóng)作物秸稈來源，2015年主要農(nóng)作物秸稈資源量達(dá)到211.93萬t，可收集資源量達(dá)到175.95萬t［2］。2017年西安市蔬菜秸稈理論資源量達(dá)31.63萬t［3］。然而，這些農(nóng)作物秸稈并未得到充分的利用，許多隨意丟棄在路邊或者焚燒。同時(shí)，西安畜牧業(yè)的蓬勃發(fā)展也帶來了大量糞便，據(jù)估算，西安市畜禽糞便量達(dá)到96.71萬t，這些糞便大部分未經(jīng)分解直接施用到農(nóng)田，不僅危害農(nóng)作物，而且對地表水和地下水造成了污染，成為西安農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的主要污染源。

在這種情況下，研究農(nóng)作物生長的氮素需求量及農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便的氮素供應(yīng)量，分析西安市不同區(qū)域氮素供需平衡，促進(jìn)農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的回收利用，能夠有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量的循環(huán)，對促進(jìn)西安地區(qū)農(nóng)村環(huán)境保護(hù)及發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)來源于《2021年西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》中各區(qū)、縣主要農(nóng)作物數(shù)據(jù)及畜禽存欄數(shù)量。

1.2研究內(nèi)容主要研究西安市主要涉農(nóng)區(qū)域灞橋、未央、閻良、臨潼、長安、高陵、鄠邑、藍(lán)田、周至、西咸主要農(nóng)作物秸稈及畜禽糞便中氮素養(yǎng)分含量。結(jié)合研究地區(qū)的土壤理化性質(zhì)、農(nóng)作物生長對氮素的需求量，對各區(qū)域的氮素供需平衡進(jìn)行了定量分析，為農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的循環(huán)利用提供科學(xué)參考。

1.3系數(shù)說明不同農(nóng)作物的氮素需求量、秸稈回收系數(shù)及氮素養(yǎng)分含量參考Aramaki等［9］研究結(jié)果，小麥、玉米、蔬菜、瓜果的氮素需求量分別為0.074、0.113、0.250、0.220 t/hm2其秸稈系數(shù)和氮素養(yǎng)分含量見表1。畜禽糞便排泄系數(shù)及氮素養(yǎng)分含量參考Zhou等［10］的研究結(jié)果（表2）。

2計(jì)算方法

2.1需求計(jì)算各區(qū)縣氮素養(yǎng)分需求量Qij 的計(jì)算方法是每種作物的種植面積Rij與每種作物對氮素養(yǎng)分的參考需求量Sij的乘積，計(jì)算公式如下：

Q_ij=R_ij×S_ij （1）

其中，Q_ij是農(nóng)作物種植對氮素的養(yǎng)分需求量（×10³t/a）；R_ij是各區(qū)縣每種作物的種植面積（×10₃hm²/a）；S_ij是每種作物對氮素養(yǎng)分的參考需求量（t/hm²）；j為作物序號(hào)；i為各區(qū)縣序號(hào)。

2.2供應(yīng)計(jì)算

2.2.1農(nóng)作物氮素養(yǎng)分供應(yīng)量。農(nóng)作物秸稈氮素養(yǎng)分含量分兩步計(jì)算，首先計(jì)算出各區(qū)縣農(nóng)作物秸稈理論資源量即農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量W_ij，再將秸稈產(chǎn)量W_ij與秸稈中的氮素養(yǎng)分N_ij含量相乘。計(jì)算公式如下：

W_ij=Σ（H_ij×B_ij） （2）

式中，W_ij為各區(qū)縣農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量（×10³t）；Hij為作物產(chǎn)量（×10³ t）；Bij為每種作物的秸稈系數(shù)比；j為作物序號(hào)；i是各區(qū)縣序號(hào)。

每種作物的氮素養(yǎng)分含量C_ij計(jì)算方法是將作物的秸稈量W_ij與作物氮含量百分比N_ij相乘。計(jì)算公式如下：

C_ij=W_ij×N_ij（3）

式中，C_ij為每種作物的氮素養(yǎng)分含量（×10³t）；Wij是每種作物的秸稈量（×10³t）；Nij為不同作物氮含量百分?jǐn)?shù)（%）；j為作物序號(hào)；i是各區(qū)縣序號(hào)。

2.2.2畜禽糞便的氮素養(yǎng)分供應(yīng)量。畜禽糞便的氮素養(yǎng)分含量也分兩步計(jì)算。首先，每個(gè)畜禽糞便的數(shù)量F_ij的計(jì)算方法是將每個(gè)畜禽糞便的數(shù)量Y_ij與該畜禽的日排泄系數(shù)E_ij相乘，再乘以該畜禽的飼養(yǎng)期T_ij，計(jì)算公式如下：

F_ij=Σ（Y_ij×E_ij×T_ij） （4）

式中，F(xiàn)_ij是每種畜禽的產(chǎn)糞量（×10³ t）；Y_ij是每種畜禽的存欄量（個(gè)）；E_ij是不同畜禽的日排泄系數(shù)；T_ij是每個(gè)畜禽的飼養(yǎng)周期；j是不同畜禽的序號(hào)；i是不同區(qū)域的序列號(hào)。

每個(gè)畜禽糞便的氮素養(yǎng)分含量B_ij計(jì)算方法是將每個(gè)畜禽糞便的數(shù)量F_ij與該畜禽糞便中氮的百分比M_ij相乘，計(jì)算公式如下：

B_ij=F_ij×M_ij（5）

式中，B_ij是不同畜禽糞便的氮素養(yǎng)分含量（×10³t）；F_ij是不同畜禽糞便的產(chǎn)量（×10³t）；M_ij是不同畜禽糞便的氮素百分比（%）；j是畜禽糞便種類序列號(hào)；i是研究區(qū)域的序列號(hào)。不同畜禽的排泄系數(shù)及氮素養(yǎng)分含量見表2。

2.2.3氮素養(yǎng)分供應(yīng)。各區(qū)縣的氮素養(yǎng)分供應(yīng)量Tij是各區(qū)縣不同農(nóng)作物秸稈及畜禽糞便氮素養(yǎng)分含量相乘得出。計(jì)算公式如下

T_ij=C_ij×B_ij（6）

式中，T_ij是各區(qū)縣氮素的養(yǎng)分供應(yīng)量（×10³t）;C_ij是每個(gè)作物秸稈中的氮素養(yǎng)分含量（×10³t）；B_ij是每個(gè)畜禽的氮素養(yǎng)分含量（×10³t）；j是農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的序列號(hào)；i是各區(qū)縣的序列號(hào)。

3結(jié)果與分析

3.1農(nóng)作物氮素養(yǎng)分需求量根據(jù)計(jì)算公式（1）得出西安市各區(qū)縣不同農(nóng)作物生長氮素需求量，由表3可知，全市主要農(nóng)作物生長的氮素需求總量為44 414.75 t，蔬菜的氮素需求量最大，達(dá)18 240.00 t，占比41.07%；瓜果的氮素需求量最小，僅2 107.62 t，占比4.74%；玉米、小麥的氮素需求量分別為13 274.48和10 792.65 t，占比分別為29.89%、24.30%；這與不同農(nóng)作物種植面積及蔬菜高氮素需求量有直接關(guān)系。

從各區(qū)域的氮素需求量可以看出，臨潼區(qū)對氮素養(yǎng)分的需求量最大，達(dá)到8 892.11 t，占全市氮素需求量的20.02%，這與臨潼區(qū)是糧食主產(chǎn)區(qū)，種植面積大呈正相關(guān)；未央?yún)^(qū)的氮素需求量最小，僅107.06 t，占全市氮素需求量的0.24%，這是由于西安市行政區(qū)域劃分，未央?yún)^(qū)慢慢退出涉農(nóng)區(qū)縣，農(nóng)作物種植面積較少。

3.2農(nóng)作物秸稈氮素供應(yīng)量根據(jù)計(jì)算公式（2）、（3）得出西安市農(nóng)作物秸稈的氮素供應(yīng)量，結(jié)果見表4。由表4可知，全市主要農(nóng)作物秸稈的氮素供應(yīng)總量為23 155.00 t，其中玉米的氮素供應(yīng)量最大，達(dá)8 459.47 t，占比36.53%；瓜果的氮素供應(yīng)量最少，僅2 008.88 t，占比8.68%；蔬菜、小麥的氮素供應(yīng)量分別為7 052.71、5 633.94 t，占比分別為30.46%、24.33%。該結(jié)果與不同農(nóng)作物秸稈氮素養(yǎng)分含量及種植面積呈正相關(guān)。

從各區(qū)域的氮素供應(yīng)量可以看出，臨潼秸稈氮素供應(yīng)量最大，達(dá)到4 569.48 t，占比19.73%，這與臨潼區(qū)玉米、小麥種植面積最大呈正相關(guān)；未央?yún)^(qū)的氮素供應(yīng)量僅為17.36 t，占比0.07%，與氮素需求量呈正相關(guān)。

3.3畜禽糞便氮素供應(yīng)量根據(jù)計(jì)算公式（4）、（5）得出西安市畜禽糞便氮素供應(yīng)量，結(jié)果見表5。由表5可知，全市畜禽氮素供應(yīng)總量為5 405.15 t，其中家禽氮素供應(yīng)量最大，達(dá)1 804.20 t，占比33.38%；種豬氮素供應(yīng)量最少，僅183.84 t，占比3.40%；奶牛、肉牛、市場豬、羊的氮素供應(yīng)量分別為1 570.40、688.91、595.57、562.23 t，占比分別為29.05%、12.75%、11.02%、10.40%。該結(jié)果與不同畜禽氮素養(yǎng)分含量及畜禽數(shù)量呈正比。

從各區(qū)域的氮素供應(yīng)量可以看出，臨潼的畜禽氮素供應(yīng)量最大，達(dá)到1 735.61 t，占比32.11%，這與臨潼區(qū)畜禽養(yǎng)殖量呈正相關(guān)；灞橋區(qū)因畜禽養(yǎng)殖數(shù)量較少，畜禽氮素供應(yīng)量僅105.96 t，占比1.96%。

3.4農(nóng)業(yè)廢棄物氮素供需平衡由表6可知，2021年西安市農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物氮素養(yǎng)分的總需求量44 414.74 t、供應(yīng)量為28 560.12 t，氮素養(yǎng)分的供需比為1.56。這說明西安市各區(qū)縣的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化農(nóng)用氮素的養(yǎng)分供不應(yīng)求，農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的氮素養(yǎng)分供應(yīng)相對不足。其中，閻良的供需比為1.23，是全市農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物氮素養(yǎng)分供應(yīng)相對充足的區(qū)域，這與閻良區(qū)的瓜果種植面積及畜禽養(yǎng)殖數(shù)量呈正相關(guān)，根據(jù)該結(jié)果，如果閻良區(qū)的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物能夠完全肥料化利用轉(zhuǎn)化為氮素，只需額外少量的氮素養(yǎng)分即可滿足該區(qū)域主要農(nóng)作物氮素養(yǎng)分需求。未央?yún)^(qū)的供需比達(dá)到6.16，這與未央?yún)^(qū)沒有畜禽養(yǎng)殖有直接關(guān)系，氮素供應(yīng)非常不足，需要大量的外源氮素供應(yīng)。

全市除了閻良和未央，其他區(qū)域的氮素供需比差異不大，都屬于氮素養(yǎng)分供應(yīng)不足，各區(qū)域的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化氮素養(yǎng)分難以滿足該區(qū)域農(nóng)作物的生長需求。高陵、臨潼、鄠邑、藍(lán)田、周至、灞橋、長安、西咸的供需比分別為1.37、1.41、1.52、1.57、1.68、1.76、1.85、1.98。該數(shù)據(jù)同時(shí)說明西安市種植面積較大，而畜禽養(yǎng)殖數(shù)量相對較少。

4結(jié)論與討論

通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研，對西安市10個(gè)涉農(nóng)區(qū)縣農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的氮素養(yǎng)分供需平衡進(jìn)行了研究。其中氮素養(yǎng)分需求量是根據(jù)各區(qū)域農(nóng)作物種植面積及不同農(nóng)作物生長對氮素的養(yǎng)分需求量計(jì)算得出；養(yǎng)分供應(yīng)量分為農(nóng)作物秸稈氮素供應(yīng)量及各區(qū)域畜禽氮素養(yǎng)分供應(yīng)量2部分，其中秸稈氮素供應(yīng)量是根據(jù)不同農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量及秸稈氮素養(yǎng)分含量計(jì)算得出，畜禽氮素供應(yīng)量是根據(jù)各區(qū)域畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、畜禽種類、各畜禽的排泄系數(shù)及飼養(yǎng)周期等計(jì)算得出。

通過研究結(jié)果可以看出，2021年西安市各區(qū)縣主要農(nóng)作物生長對氮素的總需求量為44 417.75 t，而2021年各區(qū)縣的氮素供應(yīng)總量為28 560.12 t，其中包括主要農(nóng)作物秸稈的氮素供應(yīng)量23 155.00 t（81.07%），畜禽糞便的5 405.15 t（18.93%），氮素養(yǎng)分供需比為1.56。結(jié)果表明，西安市各區(qū)縣農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物（秸稈、畜禽糞便）的氮素養(yǎng)分供應(yīng)量難以完全滿足該區(qū)域農(nóng)作物生長對氮素的需求。其中，畜禽氮素供應(yīng)量占比僅19%，這與西安農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及生態(tài)環(huán)境保護(hù)有很大的關(guān)系。全市畜禽年末存欄量逐年下降，對不符合污染物排放要求的養(yǎng)殖企業(yè)進(jìn)行了關(guān)停。

筆者對西安主要農(nóng)作物秸稈及畜禽等廢棄物的氮素養(yǎng)分含量進(jìn)行了計(jì)算和分析，未涉及果樹枝條廢棄物利用及氮素養(yǎng)分含量，主要原因是果樹枝條腐解較為緩慢，難以給作物提供速效的氮素養(yǎng)分。因此，僅從農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便的氮素養(yǎng)分供應(yīng)來看，西安市農(nóng)業(yè)有機(jī)肥廢棄物的氮素養(yǎng)分供應(yīng)不充分，各區(qū)域還需補(bǔ)充額外的氮素養(yǎng)分。同時(shí)也可以看出，西安市農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物含有大量的氮素養(yǎng)分含量，需要加以利用，轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥，補(bǔ)充西安市農(nóng)作物氮素養(yǎng)分需求的同時(shí)，能夠避免農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物對該市農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞。

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