西安市農業有機廢棄物轉化為農用氮素供需平衡分析

常小箭　李方向　王濤　王晨光　陳妮　李強　耿騰飛　劉喆

摘要以西安市主要涉農區縣為研究對象，通過文獻資料查詢及實地調研，對西安市農業有機廢棄物的氮素供需平衡進行了研究分析。首先，計算了主要涉農區縣農作物秸稈、瓜果藤蔓、畜禽糞便的氮素轉化量。其次，根據土壤理化性質及農作物種植面積，估算了主要涉農區縣農作物的氮素養分需求量。結合計算結果分析了西安市主要涉農區縣農業廢棄物轉化為農用氮素養分的供需平衡關系。結果表明：2021年西安市涉農區縣主要農作物種植需要44 414.75 t氮素養分，農業有機廢棄物轉化氮素養分的總供應量為28 560.12 t，其中農作物秸稈、瓜果藤蔓轉化氮素養分23 155.00 t，占供應量的81.07%，畜禽糞便轉化為氮素養分5 405.15 t，占供應量的18.93%，氮素養分供需比為1.56，即供不應求，因此應該充分利用農業有機廢棄物的氮素轉化，并配合施用化肥及有機肥滿足作物生長養分需求。

關鍵詞農業有機廢棄物；供需平衡；氮素養分；西安

中圖分類號S21文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）11-0178-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.043開放科學（資源服務）標識碼（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

隨著經濟的快速發展，化肥、農藥的大量施用等導致農業面源污染嚴重，農產品問題層出不窮，人們對生態、綠色農產品的需求越來越大，對循環農業的關注度也越來越高。農業有機廢棄物的資源化利用是實現生態循環農業的重要舉措之一［1］。農作物秸稈、蔬菜尾菜、畜禽糞便等含有較多養分，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，目前西安市農業有機廢棄物的利用也不充分，尚未實現高效利用［2-3］。農作物秸稈、畜禽糞便是農業有機廢棄物的主要來源，也是回收的重點。已經有很多學者研究探討了不同農業廢棄物的回收方法及綜合利用技術［4-6］。目前，畜禽糞便主要通過堆肥和沼氣發酵進行利用，該技術對環境影響較小［7］。但隨著我國經濟的快速增長，農村地區有機廢棄物人均排放量持續增加，且高于其他發展中國家［8］，這對農村人居環境造成了極大影響，嚴重影響農村人居環境的可持續發展。

西安市擁有豐富的農作物秸稈來源，2015年主要農作物秸稈資源量達到211.93萬t，可收集資源量達到175.95萬t［2］。2017年西安市蔬菜秸稈理論資源量達31.63萬t［3］。然而，這些農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，西安畜牧業的蓬勃發展也帶來了大量糞便，據估算，西安市畜禽糞便量達到96.71萬t，這些糞便大部分未經分解直接施用到農田，不僅危害農作物，而且對地表水和地下水造成了污染，成為西安農業生態環境的主要污染源。

在這種情況下，研究農作物生長的氮素需求量及農作物秸稈、畜禽糞便的氮素供應量，分析西安市不同區域氮素供需平衡，促進農業有機廢棄物的回收利用，能夠有效實現農業生產系統中物質轉化和能量的循環，對促進西安地區農村環境保護及發展循環農業具有重要的理論指導意義。

1研究方法

1.1數據來源數據來源于《2021年西安市統計年鑒》中各區、縣主要農作物數據及畜禽存欄數量。

1.2研究內容主要研究西安市主要涉農區域灞橋、未央、閻良、臨潼、長安、高陵、鄠邑、藍田、周至、西咸主要農作物秸稈及畜禽糞便中氮素養分含量。結合研究地區的土壤理化性質、農作物生長對氮素的需求量，對各區域的氮素供需平衡進行了定量分析，為農業有機廢棄物的循環利用提供科學參考。

1.3系數說明不同農作物的氮素需求量、秸稈回收系數及氮素養分含量參考Aramaki等［9］研究結果，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其秸稈系數和氮素養分含量見表1。畜禽糞便排泄系數及氮素養分含量參考Zhou等［10］的研究結果（表2）。

2計算方法

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

Q_ij=R_ij×S_ij （1）

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

2.2供應計算

2.2.1農作物氮素養分供應量。農作物秸稈氮素養分含量分兩步計算，首先計算出各區縣農作物秸稈理論資源量即農作物秸稈產量W_ij，再將秸稈產量W_ij與秸稈中的氮素養分N_ij含量相乘。計算公式如下：

W_ij=Σ（H_ij×B_ij） （2）

式中，W_ij為各區縣農作物秸稈產量（×10³t）；Hij為作物產量（×10³ t）；Bij為每種作物的秸稈系數比；j為作物序號；i是各區縣序號。

每種作物的氮素養分含量C_ij計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數（%）；j為作物序號；i是各區縣序號。

2.2.2畜禽糞便的氮素養分供應量。畜禽糞便的氮素養分含量也分兩步計算。首先，每個畜禽糞便的數量F_ij的計算方法是將每個畜禽糞便的數量Y_ij與該畜禽的日排泄系數E_ij相乘，再乘以該畜禽的飼養期T_ij，計算公式如下：

F_ij=Σ（Y_ij×E_ij×T_ij） （4）

式中，F_ij是每種畜禽的產糞量（×10³ t）；Y_ij是每種畜禽的存欄量（個）；E_ij是不同畜禽的日排泄系數；T_ij是每個畜禽的飼養周期；j是不同畜禽的序號；i是不同區域的序列號。

每個畜禽糞便的氮素養分含量B_ij計算方法是將每個畜禽糞便的數量F_ij與該畜禽糞便中氮的百分比M_ij相乘，計算公式如下：

B_ij=F_ij×M_ij（5）

式中，B_ij是不同畜禽糞便的氮素養分含量（×10³t）；F_ij是不同畜禽糞便的產量（×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；i是研究區域的序列號。不同畜禽的排泄系數及氮素養分含量見表2。

2.2.3氮素養分供應。各區縣的氮素養分供應量Tij是各區縣不同農作物秸稈及畜禽糞便氮素養分含量相乘得出。計算公式如下

T_ij=C_ij×B_ij（6）

式中，T_ij是各區縣氮素的養分供應量（×10³t）;C_ij是每個作物秸稈中的氮素養分含量（×10³t）；B_ij是每個畜禽的氮素養分含量（×10³t）；j是農業有機廢棄物的序列號；i是各區縣的序列號。

3結果與分析

3.1農作物氮素養分需求量根據計算公式（1）得出西安市各區縣不同農作物生長氮素需求量，由表3可知，全市主要農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%；這與不同農作物種植面積及蔬菜高氮素需求量有直接關系。

從各區域的氮素需求量可以看出，臨潼區對氮素養分的需求量最大，達到8 892.11 t，占全市氮素需求量的20.02%，這與臨潼區是糧食主產區，種植面積大呈正相關；未央區的氮素需求量最小，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域劃分，未央區慢慢退出涉農區縣，農作物種植面積較少。

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

從各區域的氮素供應量可以看出，臨潼秸稈氮素供應量最大，達到4 569.48 t，占比19.73%，這與臨潼區玉米、小麥種植面積最大呈正相關；未央區的氮素供應量僅為17.36 t，占比0.07%，與氮素需求量呈正相關。

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

從各區域的氮素供應量可以看出，臨潼的畜禽氮素供應量最大，達到1 735.61 t，占比32.11%，這與臨潼區畜禽養殖量呈正相關；灞橋區因畜禽養殖數量較少，畜禽氮素供應量僅105.96 t，占比1.96%。

3.4農業廢棄物氮素供需平衡由表6可知，2021年西安市農業有機廢棄物氮素養分的總需求量44 414.74 t、供應量為28 560.12 t，氮素養分的供需比為1.56。這說明西安市各區縣的農業有機廢棄物轉化農用氮素的養分供不應求，農業有機廢棄物的氮素養分供應相對不足。其中，閻良的供需比為1.23，是全市農業有機廢棄物氮素養分供應相對充足的區域，這與閻良區的瓜果種植面積及畜禽養殖數量呈正相關，根據該結果，如果閻良區的農業有機廢棄物能夠完全肥料化利用轉化為氮素，只需額外少量的氮素養分即可滿足該區域主要農作物氮素養分需求。未央區的供需比達到6.16，這與未央區沒有畜禽養殖有直接關系，氮素供應非常不足，需要大量的外源氮素供應。

全市除了閻良和未央，其他區域的氮素供需比差異不大，都屬于氮素養分供應不足，各區域的農業有機廢棄物轉化氮素養分難以滿足該區域農作物的生長需求。高陵、臨潼、鄠邑、藍田、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。該數據同時說明西安市種植面積較大，而畜禽養殖數量相對較少。

4結論與討論

通過查閱文獻和實地調研，對西安市10個涉農區縣農業有機廢棄物的氮素養分供需平衡進行了研究。其中氮素養分需求量是根據各區域農作物種植面積及不同農作物生長對氮素的養分需求量計算得出；養分供應量分為農作物秸稈氮素供應量及各區域畜禽氮素養分供應量2部分，其中秸稈氮素供應量是根據不同農作物秸稈產量及秸稈氮素養分含量計算得出，畜禽氮素供應量是根據各區域畜禽養殖數量、畜禽種類、各畜禽的排泄系數及飼養周期等計算得出。

通過研究結果可以看出，2021年西安市各區縣主要農作物生長對氮素的總需求量為44 417.75 t，而2021年各區縣的氮素供應總量為28 560.12 t，其中包括主要農作物秸稈的氮素供應量23 155.00 t（81.07%），畜禽糞便的5 405.15 t（18.93%），氮素養分供需比為1.56。結果表明，西安市各區縣農業有機廢棄物（秸稈、畜禽糞便）的氮素養分供應量難以完全滿足該區域農作物生長對氮素的需求。其中，畜禽氮素供應量占比僅19%，這與西安農業產業結構調整及生態環境保護有很大的關系。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殖企業進行了關停。

筆者對西安主要農作物秸稈及畜禽等廢棄物的氮素養分含量進行了計算和分析，未涉及果樹枝條廢棄物利用及氮素養分含量，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分。因此，僅從農作物秸稈和畜禽糞便的氮素養分供應來看，西安市農業有機肥廢棄物的氮素養分供應不充分，各區域還需補充額外的氮素養分。同時也可以看出，西安市農業有機廢棄物含有大量的氮素養分含量，需要加以利用，轉化為有機肥，補充西安市農作物氮素養分需求的同時，能夠避免農業有機廢棄物對該市農業生態環境造成污染和破壞。

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