基于養分平衡的順義區蔬菜產業有機肥替代化肥潛力估算

李艷梅，徐 茂，鄒國元*，孫焱鑫*，廖上強

（1.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097；2.北京市順義區種植業服務中心，北京 101300；3.北京市緩控釋肥料工程技術研究中心，北京 100097）

北京大城市小農業的特點有發展現代農業的需求，加快設施農業建設是發展現代農業的有效載體和途徑［1-3］。順義是北京設施蔬菜產業發展的重點區域，是北京發展特色、精品、高檔蔬菜產品的優勢區，在保障北京城鄉居民蔬菜供應方面發揮著重要的作用［4-7］。同時，順義也是北京市畜禽養殖重點區縣，畜禽養殖業是當地農業的重要產業［8］。作為富含氮磷養分的有機肥，將畜禽糞尿妥善處置并肥料化利用是一項兼顧環境保護和資源利用的雙效舉措，符合國家農業綠色發展的總體方針［9-11］。為探索產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路，農業部于2017年發布了《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》的公告，組織了全國100家重點區縣實施有機肥替代化肥示范縣的創建工作，其中，順義區重點實施設施蔬菜有機肥替代化肥模式構建工作，以遴選的31個設施蔬菜經營主體為對象，全面實施“有機肥替代技術［12］，旨在促進項目區化肥減量及有機肥替代化肥工作的實施，打造設施蔬菜有機肥替代化肥的試點樣板。以有機肥替代化肥，推進資源循環利用是緩解生產與環保矛盾，實現農業綠色發展的重要措施［13］。對設施蔬菜經營主體而言，經濟作物肥料高投入的特點決定其化肥減量工作更為重要［14-15］。那么，蔬菜經營主體的施肥現狀如何？種養結合技術的立地條件如何？畜禽糞尿肥料化替代化肥的潛力空間有多大？對這些問題的分析有助于對化肥減量和有機肥替代方向的把握。圍繞有機肥替代分析工作，許多學者已從不同角度做了一些研究。其內容涵蓋有機肥替代比例［16］，有機肥使用現狀及有機肥替代面臨的問題和對策［17］，商品有機肥的施肥行為及影響因素［18］，有機肥替代效果、經濟效益及與抗逆性和品質提升的關系［19］等。從現有研究可以看出，施肥現狀及效應是普遍關注的問題，但關于蔬菜布局及施肥統計、畜禽糞尿產出、種養結合立地條件的關注較少。

基于以上所述，本文針對順義區31個典型設施蔬菜經營主體開展了設施蔬菜施肥現狀調研及有機肥替代化肥潛力分析工作，旨在為順義區高效推進設施蔬菜有機肥替代化肥工作提供重要技術支撐。

1 調研及分析的方法和內容

1.1 調研方法

調研由北京市順義區種植業服務中心組織，北京市農林科學院植物營養與資源研究所具體實施，各典型農業園區協助調研。調研時間自2018年8月開始，至2019年6月結束。調研方式包括召開座談會、發放調查問卷、實地考察、調研農業統計數據等。圍繞主題，實地調研了順義區31個典型農業園區，力求真實反映設施蔬菜經營主體的生產及施肥現狀，為順義區有機肥替代化肥工作的實施提供客觀依據。

1.2 分析方法

本研究的畜禽指豬、牛、羊和家禽，均以存欄量統計糞尿排放量。畜禽糞尿數據來源于順義種植業服務中心統計數據。化肥施用量來源于該區設施蔬菜生產主體的調研數據。畜禽糞尿可替代化肥的估算模型如下：

其中，T：畜禽糞肥可替代化肥量，t；Ti：i類畜禽糞肥可替代化肥的量，t；Ai：i類畜禽鮮糞量，t/（年·頭）；Bi：i類畜禽尿含量，t/（年·頭）；XAi：i類畜禽鮮糞含N（P/K）率，%；XBi：i類畜禽尿含N（P/K）率，%；ɑ：畜禽糞尿N（P/K）收集常數。

1.3 調研及分析內容

主要包括7部分：1）設施蔬菜栽培情況；2）主栽蔬菜的肥料來源、種類及施用方法；3）主栽蔬菜的化肥和有機肥投入量；4）與文獻有機肥用量的對比；5）蔬菜化肥和有機肥養分投入估值；6）2018年度畜禽糞尿產出量及可替代化肥養分潛力估算；7）畜禽糞尿產出及可替代化肥養分潛力的不同年代對比分析。

2 主要調研結果

2.1 設施蔬菜栽培情況

研究區域的設施蔬菜（表1）主要分以下幾大類：果菜（44%）、葉菜（28%）、瓜菜（16%）、根 菜（6%）、豆 菜（3%）、蔥 姜蒜（2%）和芥菜（1%）。種植面積排前10位的蔬菜有：番茄（17.5%）、西瓜（16.1%）、生菜（9.94%）、白菜（9%）、茄子（8.95%）、辣椒（6.99%）、芹菜（5.73%）、甘藍（5.56%）、萵 苣（2.25%）和 菠 菜（1.97%），累 計 面 積占比84%；排第11～20位的有：快菜、甜瓜、紅薯、蔥蒜、蘿卜、芥菜（/蘑菇，并列排名，下同）、西葫蘆、豇豆和茴香，累計面積占比11.2%。排名前20位的蔬菜面積累計占比達95.2%；排第21～30位的依次是：菜豆（/南瓜）、大豆、冬瓜、韭菜、絲瓜、扁豆、薺菜、芽苔菜和馬鈴薯。排第31～35位的依次是：茼蒿、山藥、芫荽、豆薯和雍菜。番茄和西瓜成為主栽蔬菜可能與其市場需求量及種植收益大有關。

對種植面積排前10位的蔬菜進行換茬模式及茬長調研（表2），結果顯示：茄果類的番茄、茄子、辣椒的換茬類型主要是葉菜類的生菜、芹菜、甘藍，瓜類的西瓜、甜瓜和西葫蘆，塊莖類，玉米，茄果類其他作物（如番茄與辣椒、茄子與辣椒的搭配），蔥蒜類及豆角等；但也發現番茄與番茄、茄子與茄子、辣椒與辣椒連茬種植的安排。西瓜的換茬類型主要是葉菜類的生菜、茄果類的番茄和辣椒，也有西瓜與西瓜連茬種植的安排。葉菜類的生菜、白菜、芹菜、甘藍、萵苣和菠菜的換茬類型主要是茄果類的番茄、茄子、黃瓜等，生菜、芹菜、甘藍和菠菜的換茬類型還有根菜、瓜菜、蔥蒜和葉菜類其他作物（如生菜與芹菜、生菜與甘藍、菠菜與油菜的搭配）；萵苣的換茬類型還有瓜類和蔥蒜，白菜的換茬類型還有根菜和玉米。

表1 設施蔬菜種植面積及比例

茄果類番茄、茄子、辣椒一茬種植時長90～180 d，番茄由于長茬種植原因，一茬種植時長最長達240 d；4種茄果蔬菜一茬種植時長的均值分別約為120、130、120和120 d。西瓜一茬種植時長90～120 d，平均時長約100 d。葉菜類芹菜、白菜和甘藍一茬種植時長50～180 d，平均時長分別約120、90和80 d。葉菜類的生菜、萵苣和菠菜一茬種植時長30～100 d，平均時長約60 d。

2.2 主栽蔬菜的肥料來源、種類及施用方法

主栽蔬菜化肥和有機肥的來源渠道主要有農資店購置、政府補助、商販購置、肥料廠配送。底施化肥主要為復合肥和復混肥，氮、磷、鉀肥純養分投入量的比例主要有1.25∶1∶1.5和1∶1∶1兩種方式。底施有機肥主要是腐熟的商品有機肥，其次是發酵后的牛糞、豬糞、羊糞、雞糞、鴿糞和生物菌肥，主要采用一次底施的方式。追施化肥主要為高鉀型沖施水溶肥，也有追施液體肥及噴施葉面肥的情況。追施（沖施）水溶肥的用量在一茬蔬菜肥料總投入量中所占的比例大于等于50%；追施次數1～5次不等，以追施3次為主，3次追施肥量在水溶肥追施總量中所占比例分別為30%、40%和30%。

2.3 主栽蔬菜的化肥和有機肥投入量

茄果類番茄、茄子、辣椒化肥用量為400～1500 kg/hm2（表3）；有機肥用量為7.5～56 t/hm2。西瓜化肥和有機肥用量分別介于750～1500 kg/hm2和15～35 t/hm2之間。葉菜類中生菜化肥用量偏高，為600～1200 kg/hm2；其他葉菜化肥用量介于350～750 kg/hm2之間；6類葉菜有機肥用量為15～45 t/hm2，以15～30 t/hm2區間的比例最高。調研顯示，設施蔬菜化肥平均用量為850 kg/hm2，有機肥平均用量為28 t/hm2。果菜和葉菜的化肥和有機肥施用量隨機性比較大，同類蔬菜在不同種植區的肥料用量存在較大差異。有必要借助測土配方及目標產量法等方法來優化兩類肥料的投入量。

表3 主栽蔬菜的化肥和有機肥投入量

2.4 與文獻有機肥用量的對比

對比文獻調研的蔬菜有機肥用量篩選結果（表4）［20-25］發現：在配施化肥450 kg/hm2基礎上，西甜瓜的適宜有機肥投入量區間值的左端和右端均高于調研值，其中，區間值左端比調研值高86%，區間值右端比調研值高28%，表明園區西甜瓜有機肥投入量應在目前基礎上適度增加。在配施化肥為450～490 kg/hm2時，番茄和黃瓜等果菜適宜有機肥投入量區間比調研值的區間窄，區間值的左端比調研值高100%，區間值的右端比調研值低46%，表明園區果菜有機肥投入量波動較大，應避免投入量過高或過低的情況。文獻調研還發現，在配施化肥為405 kg/hm2，且選用養分含量較高的商品有機肥時，辣椒有機肥投入量適宜值僅為常規值的10%～20%時即可滿足生產需求。葉菜在配施化肥為337.5 kg/hm2時，其適宜的有機肥投入量明顯低于調研值，區間值的左端和右端均為調研值的1/2左右，表明園區葉菜有機肥投入量偏高，可考慮減少一半的投入量。控制有機肥用量的重要性在于：適量施用可為蔬菜提供均衡充分的營養，過量施用則會降低其非氮源營養成分可溶性糖與Vc的含量［26］。

表4 主栽蔬菜的有機肥用量篩選結果

蔬菜生產中的有機肥投入，既要考慮有機肥的來源（不同有機肥源的養分含量存在明顯差異）和用量，也要考慮有機肥純養分的含量，以及配施化肥的用量，此外，作物類型是必須考慮的因素。

2.5 蔬菜化肥和有機肥養分投入估值

根據調研取得的化肥和有機肥投入量對全區耕地肥料投入量進行估算。化肥按每年兩茬投入計算的年投入總量為1700 kg/hm2。有機肥年初一次性投入，年投入總量為28 t/hm2。化肥氮、磷、鉀比例以調研所得兩種配比取均值，結合全區蔬菜播種面積（順義區種植業服務中心內部數據），計算得到化肥源的氮、磷、鉀純養分年投入量分別為2107、1870、2344 t（表5）；有機肥按照區畜禽養殖分布及糞尿產出，對具體有機肥源的年產出量權重（表6）與其NPK養分含量（表6）乘積再進行加和，計算得到有機肥源的氮、磷、鉀純養分投入量分別為979、522和1246 t（表5）。綜合考慮化肥源和有機肥源，全區每年氮、磷、鉀純養分實際投入量分別為3086、2392和3590 t。

表5 全區耕地化肥和有機肥純N、P、K養分年投入估值

2.6 2018年度畜禽糞尿產出量及可替代化肥養分潛力估算

根據全區2018年的畜禽存欄數據及日產糞尿量估值，計算得到順義區豬、牛、羊、雞和鴨的糞尿年度產出總量分別為717614、325372、64231、63和10 t（表6），說 明 畜 禽 糞 尿 主 要貢獻源是豬和牛。參照路國彬等［27］有機肥替代估算模型，計算得到每年畜禽糞尿產量可以替代氮肥、磷肥和鉀肥的量分別為5027、2568和6433 t。豬糞尿養分含量可替代化肥潛力最大，占到可替代化肥潛力的63.4%；其次為牛糞尿，占27.3%；以上兩種畜禽糞尿來源總量占可替代化肥潛力的90.7%。羊糞尿養分含量占可替代化肥潛力的9.28%。從可替代的3種化學肥料來看，畜禽糞尿可替代鉀肥的潛力較大，占總替代化肥潛力的45.8%；可替代氮肥的潛力次之，占35.8%；可替代磷肥的潛力占18.3%。豬糞尿和牛糞尿中鉀肥含量分別占可替代鉀肥潛力的63.5%和27.8%，氮肥含量分別占可替代氮肥潛力的58.3%和30.7%，羊糞尿鉀氮含量分別占可替代鉀氮潛力的8.53%和10.9%，雞糞尿和鴨糞尿可替代氮磷鉀肥的潛力均較低，可忽略不計。分析表明不同畜禽糞尿的養分含量及可替代化肥的潛力不同。考慮到羊糞尿、雞糞尿和鴨糞尿在實地批量收集中的難度和不可操作性，筆者另外計算了豬糞尿和牛糞尿兩類畜禽糞尿的總可替代化肥養分潛力，得出的可替代氮肥、磷肥和鉀肥的量分別為4477、2371和5883 t。據此，計算全區豬牛糞尿年產出量替代蔬菜氮、磷、鉀純養分年實際投入量（涵蓋化肥和有機肥，表5）的比例分別為145%、99.1%和164%，潛力巨大。分析表明，該區豬牛養殖糞尿氮磷鉀養分年產出量完全能夠滿足該區蔬菜氮磷鉀養分的年度需求，種養結合的資源再利用基礎非常好。

表6 順義區畜禽糞尿2018年度產出量及可替代化肥的潛力

2.7 畜禽糞尿產出及可替代化肥養分潛力的不同年代對比分析

將2018年度數據與2005年測算值對比（表7），發現以下規律：1）畜禽糞尿年產出總量大幅降低，從332萬t降至110萬t，降低67%；2）畜禽糞尿分布發生明顯變化，2005年畜禽糞尿來源以牛養殖為主，其次是豬養殖，羊和禽養殖比重較低；2018年畜禽糞尿來源以豬養殖為主，其次是牛養殖，羊養殖比重較低，禽養殖可忽略不計；3）13年間畜禽糞尿可替代化肥氮、磷、鉀養分的量分別降低73%、74%和69%；4）兩個年度的4類畜禽、豬、牛糞尿總量的可替代化肥潛力均具有鉀替代潛力＞氮替代潛力＞磷替代潛力的趨勢；羊糞尿可替代化肥潛力呈氮替代潛力=鉀替代潛力＞磷替代潛力趨勢；禽糞尿可替代化肥潛力呈氮磷替代潛力＞鉀替代潛力趨勢。結合北京市近年來的農牧業布局調整和養殖業疏解政策，分析認為隨著區畜禽養殖數量的不斷下降，畜禽糞尿產生量不斷減少；早期牛養殖對畜禽養殖業污染的主導貢獻及由此實施的嚴管措施，形成目前豬養殖為主的畜禽分布格局；雖然在數量和來源分布上有所變化，時間跨度達13年的布局調整后，豬和牛養殖仍然占主導地位，由此決定畜禽糞尿總體可替代化肥潛力仍然是以替代鉀的潛力最大，氮的潛力次之，磷的潛力最低，并且可替代化肥總量完全可以滿足當地蔬菜生產養分需求。

表7 順義區畜禽糞尿年度產出量及可替代化肥潛力的不同年代對比分析

3 結論與建議

從農業面源污染防治、農業廢棄物資源化利用、種養結合及農產品品質提升的角度考慮，實行有機肥替代化肥技術是農業綠色生產的必然選擇。

本次調研及分析表明，該區可利用的有機肥源主要有豬糞尿和牛糞尿，利用這類畜糞尿堆腐制備有機肥的天然立地條件較好。全區農業廢棄物轉化生產有機肥的比例目前還比較低，充分利用農業廢棄物資源生產有機肥具有較好的產業化前景。

從具體落實的角度來看，有機肥替代化肥工作的實施，需要做好以下幾方面的工作：1）畜糞尿和農業秸稈廢棄物的收集、處理應符合畜牧業與農業的綠色發展需求，做好源頭控制。農業農村部于2019年7月10日發布的第194號公告明確指出，停止生產、進口、經營、使用除中藥外的所有促生長類藥物飼料添加劑品種，從源頭阻控抗生素和重金屬，解決有機肥生產的源頭安全問題。這對于提升有機肥產品質量是極大的政策利好。2）畜糞尿制備有機肥的工藝過程應做到“資源化、無害化和減量化”。3）有機肥產品的合理替代技術。筆者針對番茄有機無機氮耦合試驗結果來看，有機肥和化肥以7∶3的氮養分比例投入的產量和品質效果最佳（尚未發表）；其他類型蔬菜也存在合理的有機無機肥投入比例。結合本次調研設施蔬菜有機肥和化肥投入情況來看，有機肥替代化肥養分的潛力空間較大，同時從文獻調研看出，有機肥的合理投入量也因蔬菜類型不同存在較大差異。因此，有機肥替代化肥過程中，有必要針對蔬菜類型和測土結果進行有機肥投入量及有機肥化肥合理配施的兩茬以上科學定位試驗，并依據試驗結果在主要經營主體間進行施肥技術的示范和推廣。

本文對順義區典型設施蔬菜經營主體的施肥現狀進行調研分析，并結合畜禽養殖存欄及蔬菜規模數據估算了全區有機肥替代化肥的潛力，可為該區有機肥替代化肥工作的實施和推廣提供實證參考。