CN111680929B - 一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用，该评估方法能够系统性评估农田所用化肥产生的农业面源污染量，进而应用在区域的农业面源污染的防治中，通过对区域内农田所用化肥的化学养分与农业有机废弃物的有机养分进行总量盘点，再将有机废弃物资源化产物的应用与土壤地力提升的需求进行科学对标，通过有机养分科学替代化学养分，实现有机废弃物安全高质量利用与化肥减量的区域养分综合管理目的；进而促进耕地质量提升，控制因过量使用化肥导致的农业面源环境污染风险的水土共治目标，对我国农业、农村可持续发展具有极其重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境治理技术领域，更具体地说，是涉及一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用。
背景技术
随着我国农业生产水平的快速发展与国民生活水平的不断提高，农村作为粮食生产与肉奶养殖的主要聚集地，每年产生的农业有机废弃物种类与数量急剧增长，这不但给生态环境带来巨大压力，也严重制约着我国农村经济的可持续发展。然而，与农业有机废弃物资源利用相关的我国耕地质量问题却十分突出，我国18亿亩耕地中中低产田占比70％，为防止退化贫瘠土壤生产力低下的问题，就不得不逐年加大化肥、农药的用量。据相关数据分析，我国化肥、农药用量占到全世界用量的近40％。其中，亩均化肥用量45kg，远超过发达国家为防止化肥过量造成水体污染而设定的15kg/亩的安全限值，过量化肥进入土壤后受到淋溶、径流、氨挥发等过程作用，流失到外部生态环境中，流失的养分流入到水系中不仅造成水体富营养引发藻类过度生长，破坏水体原有生态平衡，水中的生物更会因为藻类的快速生长水体缺氧而死亡。因此，一味地追求高产，过量使用化肥农药即对耕地质量造成破坏，也严重威胁着生态环境安全。
但是，由于现阶段土地所有者和土地流转经营者对耕地质量的关注度低，一味地过度所取，过量使用化肥，地力耗竭，土地可持续利用前景堪忧，严重富营养化的土壤也成为农业面源污染的主要源头之一；因此，如何从农业面源污染角度对农田所用化肥进行系统性评估，从而能够从源头控制因过量使用化肥导致农田氮磷流失带来的农业面源污染问题，进而提高耕地质量、提升地力，进一步提高农业经济收益，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用，能够系统性评估农田所用化肥产生的农业面源污染，进而有效控制过量使用化肥导致的环境污染，促进耕地质量提升，降低耕地质量退化风险的水土共治的目标，对我国农业、农村可持续发展具有极其重要的意义。
本发明提供了一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法，包括以下步骤：
a)对待评估区域中的农田所用化肥的养分总量进行盘点后，采用式(I)和式(II)计算，得到农田所用化肥产生的农业面源污染量；
农田所用化肥损失入水氮污染量＝G(CF-N)×65％×20％×85％ 式(I)；
农田所用化肥损失入水磷污染量＝G(CF-P)×75％×10％×85％ 式(II)；
式(I)～(II)中，G(CF-N)为待评估区域中农田所用化肥的化学氮总量，G(CF-P)为待评估区域中农田所用化肥的化学磷总量。
优选的，步骤a)中所述待评估区域中的农田所用化肥的养分总量的盘点方法采用以下计算公式：
式(III)中，Mi为区域内某种农作物的全区种植面积，Xi为区域内某种农作物的化肥全年亩用量，f(N)i为区域内某种农作物对氮的需求占氮磷钾总需求比例的标准值；
式(IV)中，f(P2O5)i为区域内某种农作物对磷的需求占氮磷钾总需求比例的标准值；
式(V)中，f(K2O)i为区域内某种农作物对钾的需求占氮磷钾总需求比例的标准值。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的农田所用化肥的农业面源污染的评估方法在区域农业面源污染防治中的应用。
优选的，包括以下步骤：
对待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量进行盘点后，对上述有机废弃物进行资源化转化，并核算出有机废弃物资源化产物的有机养分总量；
在得到农田所用化肥产生的农业面源污染量的基础上，通过建立的区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系，进行上述待评估区域的养分综合管理，实现水土共治、区域农业面源污染的防治；
所述养分综合管理的过程具体为：
通过区域养分综合管理评估方法，计算出待评估区域中有机废弃物资源化产物有机养分替代农田所用化肥化学养分的最大比例，并按照上述计算的结果进行有机废弃物资源化产物对农田所用化肥的科学替代；
所述区域养分综合管理评估方法采用以下计算公式：
式(VI)中，RN为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机氮可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-N)为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机氮总量；
式(VII)中，RP为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机磷可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-P)为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机磷总量；
式(VIII)中，RK为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机钾可替代农田所用化肥中化学钾的比例，G(OF-K)为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机钾总量，G(CF-K)为待评估区域中农田所用化肥的化学钾总量；
K＝min(RN，RP，RK) 式(IX)；
式(IX)中，K为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机养分替代农田所用化肥化学养分的最大比例。
优选的，所述有机废弃物资源包括养殖业粪污和种植业秸秆。
优选的，所述养殖业粪污的总量盘点方法采用以下计算公式：
式(X)中，Pi为区域内存在的某类畜禽年产粪污总量，Ni为调查统计到的区域内存在的某类畜禽养殖数量，pi为某类畜禽单只年产粪污量标准值，wi为某类畜禽粪污含水率标准值，wi为区域内存在的某类有机废弃物的实际含水率。
所述种植业秸秆的总量盘点方法采用以下计算公式：
式(XI)中，Qi为区域内存在的某类农作物年产秸秆总量，Mi为调查统计到的区域内存在的某类农作物种植面积，ni为调查统计到的区域内存在的某类农作物种植茬数，yi为调查统计到的区域内存在的某类农作物单产，λi为某类作物草谷比的标准值。
优选的，所述有机废弃物资源的有机养分总量的盘点方法采用以下计算公式：
式(XII)中，G(OW-N)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机氮总量，A(N)i为某类有机废弃物的有机氮含量标准值；
式(XIII)中，G(OW-P)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机磷总量，A(P)i为某类有机废弃物的有机磷含量标准值；
式(XIV)中，G(OW-K)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机钾总量，A(K)i为某类有机废弃物的有机钾含量标准值。
优选的，所述资源化转化的方式为堆肥发酵；所述堆肥发酵的过程具体为：
a1)根据待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量的盘点结果及配方原则，确定发酵配方，并对所述发酵配方进行科学性验证；
a2)采用步骤a1)确定的发酵配方进行发酵，并控制发酵过程中物料通氧量，得到有机废弃物资源化转化产物。
优选的，步骤a)中所述有机废弃物资源化产物的有机养分总量的核算方法采用以下计算公式：
有机废弃物资源化转化产物总吨数＝0.55∑Yi 式(XV)；
式(XV)中，Yi为区域内用于资源化转化的某种有机废弃物的总量；
式(XVI)中，W为区域内用于资源化转化的有机废弃物混合发酵料初始含水率预估值；
式(XVII)中，G(OF-N)为区域内有机废弃物资源化产物的有机氮总量，G(OFM-N)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机氮总量；
式(XVIII)中，G(OF-P)为区域内有机废弃物资源化产物的有机磷总量，G(OFM-P)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机磷总量；
式(XIX)中，G(OF-K)为区域内有机废弃物资源化产物的有机钾总量，G(OFM-K)为区域内用于资源化转化的有机废弃物的有机钾总量；
式(XX)中，G(OF-C)为区域内有机废弃物资源化产物的有机碳总量，G(OFM-C)为区域内用于资源化转化的有机废弃物的有机碳总量。
优选的，所述区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系具体包括：
土壤有机质含量≤2％时，有机废弃物资源化产物还田量为3～5t/亩；
土壤有机质含量为2％～3.5％时，有机废弃物资源化产物还田量为1.5～3t/亩；
土壤有机质含量为3.5％～5％时，有机废弃物资源化产物还田量为0.5～1.5t/亩；
土壤有机质含量为5％～7％时，有机废弃物资源化产物还田量为0.2～0.5t/亩；
土壤有机质含量≥7％时，有机废弃物资源化产物还田量为0～0.2t/亩。
本发明提供了一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用，该评估方法能够系统性评估农田所用化肥产生的农业面源污染量，进而应用在区域的农业面源污染的防治中，通过对区域内农田所用化肥的化学养分与农业有机废弃物的有机养分进行总量盘点，再将有机废弃物资源化产物的应用与土壤地力提升的需求进行科学对标，通过有机养分科学替代化学养分，实现有机废弃物安全高质量利用与化肥减量的区域养分综合管理目的；进而促进耕地质量提升，控制因过量使用化肥导致的农业面源环境污染风险的水土共治目标，对我国农业、农村可持续发展具有极其重要的意义。实验结果表明，本发明提供的农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用兼具土壤改良、作物增产及品质提升、水质改善等多重技术效果优势，对农业面源污染控制及生态环境治理具有重要意义。
附图说明
图1为待评估区域实施水土共治的逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法，包括以下步骤：
a)对待评估区域中的农田所用化肥的化学养分总量进行盘点后，采用式(I)和式(II)计算，得到农田所用化肥产生的农业面源污染量；
农田所用化肥损失入水氮污染量＝G(CF-N)×65％×20％×85％ 式(I)；
农田所用化肥损失入水磷污染量＝G(CF-P)×75％×10％×85％ 式(II)；
式(I)～(II)中，G(CF-N)为待评估区域中农田所用化肥的化学氮总量，G(CF-P)为待评估区域中农田所用化肥的化学磷总量。
本发明首先对待评估区域中的农田所用化肥的化学养分总量进行盘点。在本发明中，所述待评估区域的范围优选根据地区行政管理单元划定，最小区域范围为“村”级单位，最大区域范围为“县/区”级单位；在本发明优选的实施例中，以湖北省十堰郧阳区作为待评估区域。
鉴于近几年来随着复合肥市场的不断壮大，为节省施肥成本，提高用肥方便度，多数农户农耕以复合肥为主，单元素化肥为辅，本发明中所涉及到的农作物化肥类型以总养分45％的复合肥为标准核算；常见作物需肥比例查询表参见表1所示。
表1常见作物需肥比例查询表
注：茄果菜类：西红柿、茄子、椒；白菜类：大白菜、小白菜小油菜；瓜菜类：黄瓜、南瓜、西葫芦、冬瓜、丝瓜、苦瓜等；绿叶菜类：菠菜、莴苣、芹菜、苋菜、生菜、茼蒿等；根茎类：萝卜、胡萝卜、马铃薯、芋头等；果树：苹果、梨、桃、橘、枣等。
在本发明中，所述待评估区域中的农田所用化肥的养分总量(投入量)的盘点方法优选采用以下计算公式：
式(III)中，G(CF-N)为待评估区域中农田所用化肥的化学氮总量(单位：t/年)，Mi为区域内某种农作物的种植面积(单位：亩)，Xi为区域内某种农作物的化肥全年亩用量(单位：kg/亩)，f(N)i为区域内某种农作物对氮的需求占氮磷钾总需求比例标准值(单位：％)，通过查询表1获得；
式(IV)中，G(CF-P)为待评估区域中农田所用化肥化学磷总量(单位：t/年)，f(P2O5)i为区域内某种作物对磷的需求占氮磷钾总需求比例标准值(单位：％)，通过查询表1获得；
式(V)中，G(CF-K)为待评估区域中农田所用化肥的化学钾总量(单位：t/年)，f(K2O)i为区域内某种作物对钾的需求占氮磷钾总需求比例标准值(单位：％)，通过查询表1获得；
另外，上式中i为表1中农作物编号，i＝1，2，3......，15；45％为化肥氮磷钾养分总含量。
完成对待评估区域中的农田所用化肥的化学养分总量的盘点后，本发明采用式(I)和式(II)计算，得到农田所用化肥产生的农业面源污染量；
农田所用化肥损失入水氮污染量＝G(CF-N)×65％×20％×85％ 式(I)；
农田所用化肥损失入水磷污染量＝G(CF-P)×75％×10％×85％ 式(II)；
式(I)～(II)中，农田所用化肥损失入水氮污染量和农田所用化肥损失入水磷污染量的单位均为t/年；G(CF-N)为待评估区域中农田所用化肥的化学氮总量(单位：t/年)；65％为氮肥当季未利用率，按氮肥当季利用率35％核算；20％为氮肥当季未利用量中的随水流失率；85％为氮、磷肥随水流失量的入水率；G(CF-P)为待评估区域中农田所用化肥磷素总重量(单位：t/年)；75％为磷肥当季未利用率，按磷肥当季利用率25％核算；10％为磷肥当季未利用量中的随水流失率。
本发明提供了一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法，能够系统性评估农田所用化肥产生的农业面源污染量，进而应用在区域的农业面源污染防治中。参见图1所示，图1为待评估区域实施水土共治的逻辑图。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的农田所用化肥的农业面源污染的评估方法在区域农业面源污染防治中的应用，优选包括以下步骤：
对待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量进行盘点后，对上述有机废弃物进行资源化转化，并核算出有机废弃物资源化产物的有机养分总量；
在得到农田所用化肥产生的农业面源污染量的基础上，通过建立的区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系，进行上述待评估区域的养分综合管理，实现水土共治、区域农业面源污染的防治的目标；
所述养分综合管理的过程具体为：
通过区域养分综合管理评估方法，计算出待评估区域中有机废弃物资源化产物有机养分替代农田所用化肥化学养分的最大比例，并按照上述计算的结果进行有机废弃物资源化转化产物对农田所用化肥的替代；
所述区域养分综合管理评估方法采用以下计算公式：
式(VI)中，RN为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机氮可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-N)为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机氮总量；
式(VII)中，RP为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机磷可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-P)为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机磷总量；
式(VIII)中，RK为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机钾可替代农田所用化肥中化学钾的比例，G(OF-K)为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机钾总量，G(CF-K)为待评估区域中农田所用化肥的化学钾总量；
K＝min(RN，RP，RK) 式(IX)；
式(IX)中，K为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机养分替代农田所用化肥化学养分的最大比例。
本发明首先对待评估区域中的有机废弃物资源的养分总量进行盘点后，对上述有机废弃物进行资源化转化，并核算出有机废弃物资源化产物的有机养分总量。
在本发明中，纳入盘点范围内的待评估区域中的有机废弃物资源需具备如下特点：(1)来源长期稳定；(2)价廉易得；(3)运距不超过50km(特殊情况下可拓展至100km)。在本发明中，所述有机废弃物资源优选包括养殖业粪污和种植业秸秆；其中，常见养殖类型及粪污产生量盘点关键参数查询表参见表2所示。
表2常见养殖类型及粪污产生量盘点关键参数查询表
在本发明中，所述养殖业粪污的总量盘点方法优选采用以下计算公式：
式(X)中，Pi为区域内存在的某类畜禽年产粪污总量(单位：t/年)，Ni为调查统计到的区域内存在的某类畜禽养殖数量，pi为某类畜禽单只年产粪污量标准值(单位：t/年)，wi为某类畜禽粪污含水率标准值(单位：％)，wi为区域内存在的某类有机废弃物(畜禽粪污)实际含水率(单位：％)；另外，以上标准值均通过查询表2获得；i为表1中畜禽类型编号，i＝1，2，3，4，5......，10。
在本发明中，以高于平均水平10％和20％含量界定高养分和富养分秸秆，将秸秆分类如下：富氮类秸秆有薯类、花生和大豆秸秆；高氮类秸秆有烟草、棉花、小杂粮和甘薯秸秆；富磷类秸秆包括甜菜、薯类、大豆和花生秸秆；高磷类秸秆有玉米、水稻和棉花秸秆；富钾类秸秆是甜菜、薯类、油菜、水稻和向日葵秸秆；高钾类秸秆有小杂粮和烟草秸秆；其中薯类秸秆富含氮、磷、钾，大豆和花生秸秆富含氮、磷，甜菜和烟草秸秆富含磷、钾；常见种植作物类型及秸秆产生量盘点关键参数查询表参见表3所示。
表3常见种植作物类型及秸秆产生量盘点关键参数查询表
备注：草谷比即作物秸秆量/作物产量(以秸秆含水量15％计算)，根据全国各地区的平均值核算。
在本发明中，所述种植业秸秆的总量盘点方法优选采用以下计算公式：
式(XI)中，Qi为区域内存在的某类农作物年产秸秆总量(单位：t/年)，Mi为调查统计到的区域内存在的某类农作物种植面积(单位：亩)，ni为调查统计到的区域内存在的某类农作物种植茬数，yi为调查统计到的区域内存在的某类农作物单产(单位：kg/亩)，λi为某类作物草谷比的标准值，w i为区域内存在的某类有机废弃物(作物秸秆)实际含水率(单位：％)；另外，以上标准值均通过查询表3获得；85％为秸秆干物质量；i为表3中作物类型编号，i＝11，12，13......，24。
在此基础上，所述有机废弃物资源的有机养分总量的盘点方法优选采用以下计算公式：
式(XII)中，G(OW-N)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机氮总量(单位：t/年)，A(N)i为某类有机废弃物的有机氮含量标准值(单位：％)；
式(XIII)中，G(OW-P)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机磷总量(单位：t/年)，A(P)i为某类有机废弃物的有机磷含量标准值(单位：％)；
式(XIV)中，G(OW-K)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机钾总量(单位：t/年)，A(K)i为某类有机废弃物的有机钾含量标准值(单位：％)；
另外，以上标准值通过查询表2～3获得；i为表2～3中的类型编号n，i＝1，2，3......，24。
本发明对待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量进行盘点后，优选还包括：
对待评估区域中的有机废弃物资源的农业面源污染量进行评估；所述待评估区域中的有机废弃物资源的农业面源污染量的评估方法优选采用以下计算公式：
其中，畜禽粪污损失入水氮污染量和畜禽粪污损失入水磷污染量的单位均为t/年；5％是根据国家环保总局南京环科所(1997)的研究结果：鲜粪污染物进入水体的流失率处于2％-8％的水平，平均5％计。
在本发明中，所述资源化转化的方式优选为堆肥发酵，此方式能够实现快速资源化转化。针对堆肥发酵，影响发酵质量的关键因素取决于发酵过程中对4个关键参数的有效控制，即：混合发酵料初始C/N比适宜范围需控制为(20～30)：1、含水率为50％～60％、pH为5.5～8.5、堆体氧气浓度为15％～20％；为满足以上发酵参数要求，提高准确性与利用效率，所述堆肥发酵的过程优选具体为：
a1)根据待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量的盘点结果及配方原则，确定发酵配方，并对所述发酵配方进行科学性验证；
a2)采用步骤a1)确定的发酵配方进行发酵，并控制发酵过程中物料通氧量，得到有机废弃物资源化转化产物(堆肥)。
本发明首先根据待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量的盘点结果及配方原则，确定发酵配方，并对所述发酵配方进行科学性验证。在本发明中，所述待评估区域中的有机废弃物资源的养分总量的盘点结果参见上述内容，在此不再赘述；所述配方原则优选包括：(1)避免单一使用粪便或秸秆发酵；应将低碳氮比、高含水量、碱性/弱碱性的畜禽粪便类有机废弃物(C/N一般在18以下、水分含量一般在50％～80％之间、pH一般在7～9之间)组合高C/N比、低含水量、中性弱酸性的秸秆类废弃物(C/N一般在55以上、水分含量一般在30％以下、pH一般在5～7之间)混合发酵；(2)有机废弃物的资源化处理应最大化优先利用畜禽粪污类有机废弃物；(3)影响发酵质量的四个关键指标需满足：混合发酵料初始C/N比适宜范围为(20～30)：1、含水率为50％～60％、pH为5.5～8.5、发酵过程中物料氧气浓度15％～20％的要求。
在本发明中，对所述发酵配方进行科学性验证的方法优选具体为：
(1)C/N适宜范围验证：
G(OFM-N)＝∑Yi×A(N)i×(1-wi)；
G(OFM-P)＝∑Yi×A(P)i×(1-wi)；
G(OFM-K)＝∑Yi×A(K)i×(1-wi)；
G(OFM-C)＝∑Yi×A(C)i×(1-wi)；
上式中，G(OFM-N)为区域内用作堆肥的有机废弃物有机氮总量(单位：t/年)；G(OFM-P)为区域内用作堆肥的有机废弃物有机磷总量(单位：t/年)；G(OFM-K)为区域内用作堆肥的有机废弃物有机钾总量(单位：t/年)；G(OFM-C)为区域内用作堆肥的有机废弃物有机碳总量(单位：t/年)；Yi为区域内用作堆肥的某种有机废弃物的总量(单位：t/年)；wi为区域内用作堆肥的某种有机废弃物的实际含水率(单位：％)；A(C)i为区域内用作堆肥的某种有机废弃物有机碳含量标准值(单位：％)，通过查询表1～2获得；
(2)含水率适宜范围验证：
①可通过手抓物料的经验感觉判断，判断依据如表4所示。
表4感觉判断发酵原料含水率标准
| 水分范围 | 物料状态 |
| >80％ | 手抓一把物料成团，可滴水，落地不散 |
| 60-80％ | 手抓一把物料成团，可滴水，落地能散 |
| 40-60％ | 手抓一把物料成团，手掌可见水印但不滴水，落地即散 |
| <40％ | 手抓一把物料不成团，手掌稍见水印，落地即散 |
②采用简单计算公式验证：
上式中，W为堆肥发酵混合料初始含水率预估值(单位：％)，Yi为用作堆肥发酵的某种有机废弃物重量(单位：t/年)，wi为用作堆肥发酵的某种有机废弃物的实测含水率(单位：％)。
(3)pH适宜范围验证：
采用便携式pH快速检测仪进行。
验证完成后，本发明采用步骤a1)确定的发酵配方进行发酵，并控制发酵过程中物料通氧量，得到有机废弃物资源化转化产物(堆肥)。在本发明中，所述控制发酵过程中物料通氧量的方法优选具体为：
通过根据环境温度进行翻堆控制，翻抛原则需做到：环境适宜(10℃以上)时第3、6、9、12天翻堆，第15天完成(也可在第15天继续翻堆，第18天完成)；环境温度过低(10℃以下)时第4、7、11、15天翻堆，第18天完成。
得到所述有机废弃物资源化转化产物后，本发明核算出有机废弃物资源化产物的有机养分总量；所述有机废弃物资源化产物的有机养分总量的核算方法优选采用以下计算公式：
有机废弃物资源化转化产物总吨数＝0.55∑Yi 式(XV)；
式(XV)中，Yi为区域内用于资源化转化的某种有机废弃物的总量(单位：t/年)；
式(XVI)中，W为区域内用于资源化转化的有机废弃物混合物料初始含水率预估值(单位：％)；
式(XVII)中，G(OF-N)为区域内有机废弃物资源化转化产物有机氮总量(单位：t/年)，G(OFM-N)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机氮总量(单位：t/年)；
式(XVIII)中，G(OF-P)为区域内有机废弃物资源化转化产物有机磷总量(单位：t/年)，G(OFM-P)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机磷总量(单位：t/年)；
式(XIX)中，G(OF-K)为区域内有机废弃物资源化转化产物有机钾总量(单位：t/年)，G(OFM-K)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机钾总量(单位：t/年)；
式(XX)中，G(OF-C)为区域内有机废弃物资源化转化产物有机碳总量(单位：t/年)，G(OFM-C)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机碳总量(单位：t/年)。
上式中，有机废弃物用作堆肥的物质量得率为55％(堆肥过程含水率折损约50％，有机物矿化折损率约5％)，其中，养分元素N、P、K可实现95％的资源化利用，5％以气体形式释放，有机碳的腐殖化率为65％，即有机碳可实现65％的资源化利用，而未经处理直接还田的生粪所产生的污染物可直接进入水体造成水质污染。
另外，得到所述有机废弃物资源化产物后，本发明优选还包括：
根据NY525-2012标准中对重金属含量的要求进行安全性检验，需确保所有安全指标达标的资源化产物才能还田使用。
之后，在上述技术方案得到农田所用化肥产生的农业面源污染量的基础上，通过建立的区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系，进行上述待评估区域的养分综合管理，实现水土共治、区域农业面源污染的防治的目的。
在本发明中，所述区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系优选具体包括：
土壤有机质含量≤2％时，有机废弃物资源化产物还田量为3～5t/亩；
土壤有机质含量为2％～3.5％时，有机废弃物资源化产物还田量为1.5～3t/亩；
土壤有机质含量为3.5％～5％时，有机废弃物资源化产物还田量为0.5～1.5t/亩；
土壤有机质含量为5％～7％时，有机废弃物资源化产物还田量为0.2～0.5t/亩；
土壤有机质含量≥7％时，有机废弃物资源化产物还田量为0～0.2t/亩。
本发明通过调查区域内不同作物的耕地土壤有机质平均含量，判断土壤基础肥力大小，根据上述关系，确定区域内土地承载能力的有机废弃物最大还田量。
本发明通过上述区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系，进行待评估区域的养分综合管理；所述养分综合管理的过程优选具体为：
通过区域养分综合管理评估方法，计算出待评估区域中有机废弃物资源化产物有机养分替代农田所用化肥化学养分的最大比例，并按照上述计算的结果进行有机废弃物资源化转化产物对农田所用化肥的替代，实现水土共治区域农业面源污染的治理。
在本发明中，所述区域养分综合管理评估方法采用以下计算公式：
式(VI)中，RN为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机氮可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-N)为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机氮总量(单位：t/年)，G(CF-N)为待评估区域中农田所用化肥化学氮总量(单位：t/年)；
式(VII)中，RP为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机磷可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-P)为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机磷总量(单位：t/年)，G(CF-P)为待评估区域中农田所用化肥化学磷总量(单位：t/年)；
式(VIII)中，RK为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机钾可替代农田所用化肥中化学钾的比例，G(OF-K)为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机钾总量(单位：t/年)，G(CF-K)为待评估区域中农田所用化肥化学钾总量(单位：t/年)；
K＝min(RN，RP，RK) 式(IX)；
式(IX)中，K为待评估区域中有机废弃物资源化产物有机养分替代农田所用化肥化学养分的最大比例，即待评估区域内可实现的农田最大减化肥率。
本发明提供了一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用，该评估方法能够系统性评估农田所用化肥产生的农业面源污染量，进而应用在区域的农业面源污染的防治中，通过对区域内农田所用化肥的化学养分与农业有机废弃物的有机养分进行总量盘点，再将有机废弃物资源化产物的应用与土壤地力提升的需求进行科学对标，通过有机养分科学替代化学养分，实现有机废弃物安全高质量利用与化肥减量的区域养分综合管理目的；进而促进耕地质量提升，控制因过量使用化肥导致的农业面源环境污染风险的水土共治目标，对我国农业、农村可持续发展具有极其重要的意义。实验结果表明，本发明提供的农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用兼具土壤改良、作物增产及品质提升、水质改善等多重技术效果优势，对农业面源污染控制及生态环境治理具有重要意义。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。以下实施例所涉及的待评估区域为湖北省十堰市郧阳区；郧阳区位于湖北省西北部，十堰市中心城区西北，居汉江中上游，全县共有大小河流766条，河流总长3351公里，主要河流有汉江、滔河、堵河、曲远河和将军河，是国家南水北调中线工程核心水源区、国家重要战略水源基地、秦巴山区生物多样性保护区、国家功能区限制开发区，承担着确保“一库清水永续北送”的政治使命，在全国全省的战略地位非常重要。随着农村经济的快速发展，农村养殖业的逐级发达，农村畜禽粪便除小部分作为农肥资源化利用外，大部分粪便未经处理直接排入附近水体或任意堆放，严重污染水环境和人居环境；农田耕地长期依赖化肥农药的使用导致农田氮磷流失对土壤和地下水、地表水均存在较大的污染风险问题，威胁丹江口水库水环境质量，南水北调中线工程水源区水环境受到严重威胁。
实施例
本发明实施例提供的农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用，具体步骤如下：
(1)对郧阳区农田所用化肥的养分总量进行盘点，并对其农业面源污染进行风险评估，得到区域内农田所用化肥化学养分总量盘点与农业面源污染量评估表，参见表5所示。
表5区域内农田所用化肥化学养分总量盘点与农业面源污染量评估表
由表5可知，全县约78万亩耕地全年化肥投入量约26000吨，其中含氮素4699吨，磷素816吨，钾素4260吨，化肥损失入水氮污染量约519吨/年，磷污染量约52吨/年。
(2)对郧阳区种养业有机废弃物资源的有机养分进行总量盘点，并对其面源污染进行风险评估，具体包括如下步骤：
①采用上述技术方案中所述的区域常见畜禽粪污总量盘点方法，对全区常见畜禽粪污的总量进行盘点，得到全县养殖业畜禽粪污总量盘点表，参见表6所示。
表6全县养殖业畜禽粪污总量盘点表
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通过表6可知，该区养殖业以猪、牛、羊、鸡四大类为主，猪粪数量最多，年产生量约76万吨/年；牛羊粪次之，分别为42万吨/年、33万吨/年；鸡粪最少，约为7万吨/年；全县常见畜禽粪污年产生总量约158万吨。
②根据上述技术方案中所述的区域常见作物秸秆总量盘点方法，对全区常见农作物秸秆资源的总量进行盘点，得到全县作物秸秆总量盘点表，参见表7所示。
表7全县作物秸秆总量盘点表
由表7可知，该区种植业以水稻、油菜、玉米、小麦四大类作物为主，玉米与小麦秸秆量最多，年产生量分别为22.3万吨、18万吨，水稻与油菜秸秆相对较少，年产秸秆量分别为5.3万吨、7.5万吨；全区年产生秸秆总量约53万吨。
③根据上述技术方案中所述的区域有机废弃物的养分总量评估方法和农业面源污染量的计算公式，对全县典型有机废弃物的养分总量进行盘点，并对其农业面源污染量进行评估，得到全县种养业有机废弃物的养分总量盘点与农业面源污染量评估表，参见表8所示。
表8全县种养业有机废弃物养分总量盘点与农业面源污染量评估表
由表8可知，该区全年产生约210.8万吨有机废弃物，其中有机氮总量约7224吨，有机磷总量约1667吨，有机钾总量约7912吨，全年损失入水总氮量约为200吨，总磷量约57吨。
(3)采取堆肥发酵的方式对县域典型有机废弃物进行快速资源化转化，并对资源化产物(堆肥)的各养分总量进行估算，具体包括以下步骤：
①确定发酵配方：通过区域典型有机废弃物类型与总量盘点可知，该区有机废弃物类型较全面，根据上述技术方案所述的配方原则(畜禽粪污类+秸秆类废弃物混合发酵与优先处理畜禽粪污的配方制定基本原则)，制定表9所示的发酵配方，并根据配方按照上述技术方案所述的配方科学性验证方法进行科学性验证，列举各验证参数值。
表9有机废弃物快速资源化发酵配方及科学性验证关键参数表
根据表9得出，该发酵配方的发酵混合料的理论初始C/N为29：1(148605吨/5205吨)，而通过化学方法检测得出的C/N实测值为28：1；理论含水率为59.7％(1063500吨/1780000吨)，实测值为61.5％，pH值为7.5，各发酵关键参数复合发酵要求(即，混合发酵料初始C/N比适宜范围为(20～30)：1、含水率为50％～60％、pH为5.5～8.5)，因此可确定最佳发酵配方为：
42.7％猪粪+23.6％肉牛粪+18.5％山羊粪+3.9％鸡粪+2.8％水稻秸秆+3.9％油菜秸秆+4.5％小麦秸秆。
②采用上述技术方案中所述的发酵过程中物料通氧量控制方法，控制发酵过程物料通氧量：发酵时间自10月15日开始(环境温度18℃)，采取槽式发酵方式，第3、6、9、12、15天翻堆，第18天完成。
③根据上述技术方案所述的区域有机废弃物资源化产物(堆肥)的养分总量评估方法，对资源化产品(堆肥)的各养分总量进行估算，得到资源化产物关键参数核算表，参见表10所示。
表10发酵终产物关键参数核算表
由表10可知，该配方发酵混合料的总氮含量约为0.73％，总磷0.19％，总钾0.71％，有机质根据有机废弃物资源的N、P、K能实现95％的资源化利用、C可实现65％的腐殖化率、发酵资源化产率55％的原则，发酵终产物的总氮含量约为0.69％，总磷0.18％，总钾0.67％，总碳13.5％，且与各指标实测值吻合度较高。
(4)根据上述技术方案所述的区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系标准，得到该县耕地可承载的堆肥还田量为0.5～1.5吨(具体用量需进一步根据化肥减量率与作物养分管理情况酌情考虑)，参见表11所示。
表11基于土地承载能力的有机废弃物还田量评估原则
再通过上述技术方案所述的区域养分综合管理评估方法，计算得出区域内利用有机养分可最大化替代的化学养分的比例，得到县域环境-农业养分综合管理评估表，参见表12所示。
表12县域环境-农业养分综合管理评估表
由表12可知，待治理区域中有机废弃物资源化产物中的有机养分总量远超过农田化肥养分需求量，因此有机养分替代化学养分最高可实现减化肥率100％。
最后确定县域环境-农业养分综合管理具体实施方案，参见表13所示；实现水土共治区域农业面源污染的治理。
表13县域环境-农业养分综合管理具体实施方案
对本发明实施例提供的农田所用化肥的农业面源污染的评估方法和应用的技术效果进行评价：
(1)土壤改良效果，参见表14所示。
表14对土壤肥力变化的影响
由表14可知，该地土壤平均pH平均约为7.0，属中性土壤；有机质含量水平较低，平均不足2.0％；氮磷含量水平偏低；土壤活性较差，土壤微生物丰度平均低于107。经土壤改良减化肥80％处理的水稻与油菜种植中：土壤有机质、氮磷钾含量水平及微生物丰度均得到不同程度的提升，其中水稻地土壤有机质年均提升了0.17个百分点，油菜地土壤有机质年均提升了0.58个百分点；土壤全氮含量整体提升至中等含量水平(＞1g/kg)，土壤有效磷含量整体提升至较高含量水平(＞20mg/kg)；土壤微生物丰度平均提升了1～2个数量级。这是表明：减少化肥的使用，增加有机质的投入，能快速提升土壤有机质含量水平，提高土壤微生物活性，进而加快了对微生物对土壤有机养分的矿化释放，从而有效提升土壤地力。
(2)作物增产提品质效果，参见表15～18所示。
表15对水稻产量的影响
经测产结果显示，土壤改良减化肥80％处理的水稻亩产量1178斤，常规化肥种植水稻亩产量为1024斤，比常规种植亩增产约15％。
表16对水稻内外在品质的影响
表17对水稻矿物质营养元素含量的影响
水稻品质对比结果显示，与对照相比，土壤改良减化肥80％的处理稻米碎米率下降了46％，黄米粒下降了67％，直链淀粉率提高了12％，总糖提高了11％，稻米所含中微量元素中，铜含量提高了2.1mg/kg，锰提高1mg/kg，铁含量提高13.4mg/kg，钙含量提高22mg/kg，镁提高19mg/kg，硒含量由<3mg/kg提高到9.36mg/kg，说明土壤改良减化肥处理明显提升的稻米品质与口感。
表18对油菜产量与品质的影响
经测产结果显示，土壤改良减化肥80％处理的油菜平均单株产量为7.48g，常规化肥种植油菜平均单株产量为6.75斤，比常规种植增产约10％。土壤改良减化肥80％的处理可显著降低油菜籽粒中芥酸、硫苷和亚麻酸含量，促进油酸含量以及黄籽度水平的升高，有效保障油菜产量与品质。
(3)水质改善效果，参见表19所示。
表19水稻减排试验效果
水稻水土共治种植模型中：采用有机废弃物资源化安全还田，实现土壤增碳扩容，有机养分替代化学养分，化肥减量80％的生态水稻种植方式，水质检测结果表明：与常规化肥种植的水稻灌溉水水质相比，使用底肥后的泡田水总氮减排率76％，总磷减排率84％；灌浆期排出水的总氮减排率75％，总磷减排率58％；平均总氮减排率75％，总磷减排率71％。
由此可见，农业面源污染是影响水体质量的关键因素之一，开展“水土共治”的环水有机农业至关重要。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种农田所用化肥的农业面源污染的评估方法，包括以下步骤：
a)对待评估区域中的农田所用化肥的化学养分总量进行盘点后，采用式(I)和式(II)计算，得到农田所用化肥产生的农业面源污染量；
农田所用化肥损失入水氮污染量＝G(CF-N)×65％×20％×85％式(I)；
农田所用化肥损失入水磷污染量＝G(CF-P)×75％×10％×85％式(II)；
式(I)～(II)中，G(CF-N)为待评估区域中农田所用化肥的化学氮总量，G(CF-P)为待评估区域中农田所用化肥的化学磷总量；
所述待评估区域中的农田所用化肥的化学养分总量的盘点方法采用以下计算公式：
式(III)中，Mi为区域内某种农作物的种植面积，Xi为区域内某种农作物的化肥全年亩用量，f(N)i为区域内某种农作物对氮的需求占氮磷钾总需求比例的标准值；
式(IV)中，f(P2O5)i为区域内某种农作物对磷的需求占氮磷钾总需求比例的标准值；
式(V)中，f(K2O)i为区域内某种农作物对钾的需求占氮磷钾总需求比例的标准值。
2.一种权利要求1所述的农田所用化肥产生的农业面源污染的评估方法在区域农业面源污染防治中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
对待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量进行盘点后，对上述有机废弃物进行资源化转化，并核算出有机废弃物资源化产物的有机养分总量；
在得到农田所用化肥产生的农业面源污染量的基础上，通过建立的区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系，进行上述待评估区域的养分综合管理，实现水土共治、区域农业面源污染的防治；
所述养分综合管理的过程具体为：
通过区域养分综合管理评估方法，计算出待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机养分替代农田所用化肥的化学养分的最大比例，并按照上述计算的结果进行有机废弃物资源化产物对农田所用化肥的科学替代；
所述区域养分综合管理评估方法采用以下计算公式：
式(VI)中，RN为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机氮可替代农田所用化肥中化学氮的比例，G(OF-N)为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机氮总量；
式(VII)中，RP为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机磷可替代农田所用化肥中化学磷的比例，G(OF-P)为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机磷总量；
式(VIII)中，RK为待评估区域中有机废弃物资源化产物中有机钾可替代农田所用化肥中化学钾的比例，G(OF-K)为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机钾总量，G(CF-K)为待评估区域中农田所用化肥的化学钾总量；
K＝min(RN，RP，RK) 式(IX)；
式(IX)中，K为待评估区域中有机废弃物资源化产物的有机养分替代农田所用化肥的化学养分的最大比例。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述有机废弃物资源包括养殖业粪污和种植业秸秆。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述养殖业粪污的总量盘点方法采用以下计算公式：
式(X)中，Pi为区域内存在的某类畜禽年产粪污总量，Ni为调查统计到的区域内存在的某类畜禽养殖数量，pi为某类畜禽单只年产粪污量标准值，wi为某类畜禽粪污含水率标准值，wi为区域内存在的某类有机废弃物的实际含水率；
所述种植业秸秆的总量盘点方法采用以下计算公式：
式(XI)中，Qi为区域内存在的某类农作物年产秸秆总量，Mi为调查统计到的区域内存在的某类农作物种植面积，ni为调查统计到的区域内存在的某类农作物种植茬数，yi为调查统计到的区域内存在的某类农作物单产，λi为某类作物草谷比的标准值。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述有机废弃物资源的有机养分总量的盘点方法采用以下计算公式：
式(XII)中，G(OW-N)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机氮总量，A(N)i为某类有机废弃物的有机氮含量标准值；
式(XIII)中，G(OW-P)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机磷总量，A(P)i为某类有机废弃物的有机磷含量标准值；
式(XIV)中，G(OW-K)为区域内年产生的有机废弃物资源的有机钾总量，A(K)i为某类有机废弃物的有机钾含量标准值。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述资源化转化的方式为堆肥发酵；所述堆肥发酵的过程具体为：
a1)根据待评估区域中的有机废弃物资源的有机养分总量的盘点结果及配方原则，确定发酵配方，并对所述发酵配方进行科学性验证；
a2)采用步骤a1)确定的发酵配方进行发酵，并控制发酵过程中物料通氧量，得到有机废弃物资源化产物。
8.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述有机废弃物资源化产物的有机养分总量的核算方法采用以下计算公式：
有机废弃物资源化转化产物总吨数＝0.55∑Yi 式(XV)；
式(XV)中，Yi为区域内用于资源化转化的某种有机废弃物的总量；
式(XVI)中，W为区域内用于资源化转化的有机废弃物混合发酵料初始含水率预估值；
式(XVII)中，G(OF-N)为区域内有机废弃物资源化产物的有机氮总量，G(OFM-N)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机氮总量；
式(XVIII)中，G(OF-P)为区域内有机废弃物资源化产物的有机磷总量，G(OFM-P)为区域内用于资源化转化的有机废弃物有机磷总量；
式(XIX)中，G(OF-K)为区域内有机废弃物资源化产物的有机钾总量，G(OFM-K)为区域内用于资源化转化的有机废弃物的有机钾总量；
式(XX)中，G(OF-C)为区域内有机废弃物资源化产物的有机碳总量，G(OFM-C)为区域内用于资源化转化的有机废弃物的有机碳总量。
9.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述区域耕地质量与有机废弃物资源化产物还田量关系具体包括：
土壤有机质含量≤2％时，有机废弃物资源化产物还田量为3～5t/亩；
土壤有机质含量为2％～3.5％时，有机废弃物资源化产物还田量为1.5～3t/亩；
土壤有机质含量为3.5％～5％时，有机废弃物资源化产物还田量为0.5～1.5t/亩；
土壤有机质含量为5％～7％时，有机废弃物资源化产物还田量为0.2～0.5t/亩；
土壤有机质含量≥7％时，有机废弃物资源化产物还田量为0～0.2t/亩。
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