零排放研究及倡议

长期行动:综合农业系统

Image by Man Chung

综合农业
系统(IFS)能为人类

做什么?

 

—— 乔治·L·陈(George L. Chan)
​         
环境管理顾问

零排放研究及倡议的「可持续社区协会(SCZ)」十分感谢 乔治·L·陈教授 授权重印他本人的照片以及他于2003年11月发表的一篇详细的文章,其中对回收利用人畜粪便的综合农业系统进行了阐释。乔治·L·陈教授 是一名环卫工程师,曾在太平洋的美国环境保护署第九区任职。

请点击以下链接阅读英文原文:

http://www.scizerinm.org/chanarticle.html

摘要
 
回顾世界范围内的农业活动,不稳定因素甚至是危险因素此消彼长,映入眼帘的尽是努力工作维持生计却依然在贫困线边缘挣扎的农民,他们总是试图通过土地,牲畜和作物来谋生。牲畜的粪便用来给庄稼施肥,庄稼的残渣能够作为牲畜的饲料。为了提高产量和质量,他们需要投入大量的金钱,以购买化学肥料和人工饲料,这使得他们入不敷出。而且,他们根本没有能力为自己造成的污染负责。
 
将渔业加入畜牧-种植体系的作法已经向前迈进了一大步,鱼的排泄物可以作为肥料的同时,鱼产量也大大增加,生产效率也有了提高,农民从而提高产品的市场价格,提高了收入。
 
池塘挖得越深,鱼的产量就越高,废物和肥料的价值也随之增加。但是,如果池塘中堆积的废物太多,有限的溶解氧受到了过分的消耗,那么环境仍然会受到污染。
 
所以,能够在沼气池中对畜禽粪便进行厌氧处理,增加沼气能量的生产,并在浅水盆地中采取同样的处理方式,沼气总量可以增加10倍,相应地,池塘中的肥料和饲料也会增加,但在此期间,并不会消耗任何溶解氧。如果不能做到多样且低耗高效地投入农业生产,从而改进农业方法,高质量的农产品对于我们而言只能是海市蜃楼。
 
如果将所有额外的营养物质和饲料都用来提高生产力,农民的收益会大大增加,农业也会呈现一幅欣欣向荣的景象。不仅如此,这种类型的“额外”能源还可以帮助农民对他们的农产品进行加工,以保值和增值,减少腐败发生,并提高整体效益。这就是综合农业系统的意义所在。
 
 
 
简介
对于一些地处热带和亚热带的国家,干旱并不常见,而「综合农业系统(IFS)」彻底改变了当地的传统畜牧业、水产养殖业、园艺、农用产业和其他相关产业活动。纵观全球,世界各地的农业态势并不被看好,除非有较大的投入增加,否则产量难以维持,与此同时,经济可行性和生态可持续性也容易遭到损害。显然,如果对进口材料和能源征收高额关税,并对污染者实行无可厚非的污染付费政策,情况可能会恶化。
 
IFS可以大大消弭这些限制,它能够解决大多数现有的经济甚至生态问题,还可以提供所需的燃料、肥料和饲料等生产手段,以成倍提高生产率。它可以在最贫穷的国家实现,将所有现行的灾难性的农业系统变成经济上可行的、生态上平衡的系统,这不仅能够减轻贫困,甚至可以彻底根除这一灾难性的问题。
 
整合——畜牧业和种植业的结合由来已久,这在过去为全世界范围内的农民提供了灵感,将粪肥作为作物的肥料,而作物残留物作为牲畜的饲料。然而,大多数粪肥在变成硝酸盐之前通常失去了一半的氮含量,并且很容易被用作植物肥料。随着人口的增加,肥料数量也变得不足,致使农民不得不购买化肥和人工饲料,这对于本就挣得不多的小农户来说更是雪上加霜。
 
最近,渔业也加入到了畜牧-种植的生产模式中,这有助于改善肥料和饲料供应,而且鱼类作为饲料和食物,享有较高的市场价值,大大增加了农民的收入。从技术上讲,从鱼类废物中补充营养素的第二轮重要循环有利于加强一体化进程,并大大改善了许多小农的生计。目前,来自马来西亚国际水生生物资源管理中心的M. Prein在《亚洲水产养殖与作物-动物系统的整合》一文中对此进行了记载。
 
值得注意的是,牲畜的两个营养循环中的第一个被用来为池塘中各种天然浮游生物的生长施肥,而浮游生物可以作为鱼类的饲料。如在中国、泰国、越南、印度和孟加拉国所作的那样,将多种不同营养水平的相容鱼类进行混合养殖,可使鱼类产量提高三到四倍。这些鱼在吃掉浮游生物后,会产生自己的废物,这些废物自然地转化为第二轮营养循环,可用来给水面上和周围堤坝上的各种作物施肥,这一场景在中国部分地区见怪不怪。
 
然而,虽然这种生产模式是向前迈出的一大步,它仍然需要一些外部投入来提高农业生产力或用于农用工业的农产品加工。因此,由于化肥、人工饲料、化石燃料等投入成本不断上升,农产品产量和质量、农产品加工以及农业经济都受到了不利影响。因此,仅靠这点进步,小农户脱贫仍然是天方夜谭。进一步创新和提高生产力是推动综合农业系统趋近完善的必要条件。这就是零排放研究及倡议(Zero Emission Research Initiative)集成生物质系统(IBS)一直在尝试做的事情,正如冈特·鲍利在“升级”(“Upsizing”)模块中所记录的那样。
 
 
消化和氧化
这种作法最重要的创新之处在于,综合养殖系统的废物处理过程中引入了沼气池和盆地。牲畜粪便中含有非常不稳定的有机物,分解快,氧气消耗大,这是一个严重的问题。对于任一池塘,可以添加的牲畜废物的数量都是有限的,一旦过量就有可能导致池塘中的氧气耗尽,对鱼类种群产生不利影响,甚至导致鱼类死亡。
 
此外,我们应该认真对待毛里求斯当地和外国专家目前提出的不成熟的小建议,将世界经历过的失败抛诸脑后,避免稀缺资金浪费,重蹈覆辙,例如:
 
  • 将牲畜粪便撒在土地上,任其腐烂,期待其中的挥发性氨和亚硝酸盐流失后剩下的少量营养物质能够在不被雨水或灌溉水冲走的前提下提高土壤肥力;
 
  • 将禽畜粪便与生活垃圾堆肥,以获得低质量的肥料,同样造成了氨和亚硝酸盐的流失。从未想过将禽畜粪便转化成更高质量的肥料,利用垃圾生产蚯蚓等高蛋白饲料,或将铸件和垃圾残渣作为较好的土壤改良剂;
 
  • 处理禽畜废物的效率低下,以及未能及时处理化粪池中的禽畜废物,这不但得不到任何经济效益或其他好处,还会产生处理不当的废水,这与废物本身一样危险。
 
在封闭厌氧条件下处理畜禽粪便,然后在开放的浅盆中氧化,由天然藻类通过光合作用提供自由氧,然后将处理后的废水排入鱼塘,可以让几乎全部的有机物转化为无机物,而这一过程不会消耗任何氧气,鱼类也不会面临生存危机。因此,从理论上讲,在没有任何污染风险的情况下,将废物的数量增加十倍是可能的。
 
此外,每天大量增加可用营养物质对系统是有益的,前提是它们被完全用于鱼类和作物养殖,否则它们会造成鱼塘等水体富营养化的问题,这将适得其反。
IFS各组成部分的作用
牲畜 ——
无论是为了生产牛奶、鸡蛋还是肉类,大小牲畜每天都需要适当营养均衡的喂养,不能只是继续靠吃被丢弃的谷物及其残渣、屠宰场和包装厂的廉价内脏和残留物,以及餐馆的食物残渣过活。值得强调的是,除了舒适的住房条件和保持干净和干燥环境,牲畜必须均衡摄入定量食物,以生产高质量的食品。
 
牲畜产生的日常废物是宝贵的可再生资源,即使没有化石燃料、化肥和人工饲料等任何外部投入,也能使当地的各种农业活动持续下去。在世界范围内,后者一直被用于增加产量和提高品质,但是这么做的金融风险更大,而且大多数农民支付不起这么高昂的费用,依旧在生存线边缘徘徊。与此同时,采用综合农业生产模式的农民通过自家农场走在致富之路上。
 
然而,饲料的数量和质量仍然是严重的问题。大多数饲料可以从作物,当地生产的农作物或残留物中获取,也不会考虑是否有进一步处理保存或提高饲料质量的要求。但作为更有潜力的饲料来源,比如蚯蚓、蚕、真菌、昆虫和其他生物也应当被鼓励生产,这些饲料甚至能够生产出类似丝绸和蘑菇等高附加值产品。
 
沼气池 ——
 
这在上个世纪的农业,特别是畜牧业中留下了浓墨重彩的一笔,这是综合农业系统发展的的必需品。它可以像一对5立方米容量或200升桶装的同心塑料袋那样简单,也可以像大型农场或工业企业那样使用具有UASB(上流式厌氧污泥垫)的复杂钢筋混凝土或钢结构。
 
它能够通过隔离、沉降、消化、液化和固液分离等方式对牲畜或有机废弃物进行最佳的初级处理,后者的处理进一步强化,生化需氧量(BOD)减少了60%或更多,这一指标旨在衡量废物中的有机物含量。一旦基质在具备良好生物条件的前提下进行处理,自然存在于人类和温血动物肠道内的甲烷菌就会接下消化工作,这是一个持续的过程。
 
当新鲜的废物进入沼气池时,细菌“喂养”有机含量,并将产生的不稳定氨(NH3)和亚硝酸盐(NO2)转化为稳定的硝酸盐(NO3),这种营养物质经常用作肥料。这种转化只需要柱塞搅拌和清除入口管道上的漂浮物质,不需要增加额外的能源或化学物质。
 
事实上,随着废物数量的增加,沼气池产生了丰富且取之不尽的沼气,沼气是由2/3可燃甲烷和1/3二氧化碳组成的混合物,是方便获取的免费可再生能量来源,可供家庭、工农业使用。大型农场、肉类和鱼类包装工厂、酿酒厂和各种农用工业现在在能源方面已经自给自足,此外还有大量用于鱼塘施肥的富营养废水,以及多种作物的“加肥灌溉”——将施肥和灌溉合二为一的一种农作方式,详见下文。
 
氧化 ——
 
这一氧化过程有助于在低成本的浅海盆地通过需氧手段 —— 存在于大气中溶解的氧气或天然藻类通过光合作用产生的氧气—— 进一步处理,以减少另外30%的BOD。
 
因此,在废水准备排入鱼塘时,它就已经得到了充分的处理。在热带地区,高蛋白小球藻生长旺盛,这一点与亚热带地区的情况大相径庭。高蛋白小球藻为氧化过程提供充足氧气,并为鸡、鸭、鹅提供“加餐”。
鱼塘 ——
 
禽畜废物中的任何残留有机物会立即被鱼塘中的溶解氧氧化,这对大型鱼类种群几乎不会产生任何不利影响,甚至还能提供丰富的营养物质,以促进不同种类的天然浮游生物的大量生长,从而为5-6种混养的相容鱼类混养提供饲料。除了本地种植的草食鱼以外,不需要任何人工饲料。
 
如前所述,鱼类产生的废物会在池塘中被自然处理,以保证第二轮营养循环的发生,接着作为生长于塘水和堤坝的作物的养料。这样的高产量红利在其他任何农业系统中都是不存在的。
 
如果有用于酿酒的一些发酵大米或其他谷物,或用于养蚕的蚕及其废物,不妨将其投入池塘,以此推动第三个营养循环,在水质不受影响的情况下提高鱼类和作物产量。我们还需要进行更多的研究和开发,从而创造出更多囊括鱼类、贝类和农作物的养殖系统,确保这些营养物质都物尽其用,毕竟这些未被使用的物质成分都将是潜在的污染物。同时,营养物质也能通过沉淀处理,作为干肥料出售。
 
现在,人们正在用特殊的扩散管与沼气泵中的压缩空气进行试验,从而实现池底通气,以增加浮游生物和鱼类的产量。为了达到同样的目的,研究人员也在尝试挖掘一个水深超过3米的池塘。
 
农田 ——
 
IFS本身存在矛盾,它拥有其他系统中缺乏的肥料。因此,我们需要找到将肥料合理分配的方式。有些国家会在池塘边种植葡萄类作物,它们会在堤坝和水面的棚架上攀爬,此外,这些国家还成功地种植了一些能够在湖泊和河流上漂流的水生蔬菜。也有人在竹子上种植谷物、水果和鲜花,具备强持久性的聚氨酯漂浮在鱼塘近一半的水面上,而这并不会对池塘里5-6种鱼的混合养殖产生干扰。
 
这种复合养殖模式占据了中国数百万公顷的鱼塘和湖泊中的一半面积,农田面积也随之增加。所有这一切之所以成为可能,都要归功于综合农业系统所提供的营养物质。
 
鱼耕栽培技术改进了栽培模式。例如,水稻现在被移植到12个相同的漂浮物模块中,每周完成一个模块的转移,然后任由水稻在模块中生长,不需要单独灌溉或施肥,也不需要除草,而12周后才能见证水稻的成熟。在第13周,水稻到了收获期,秧苗再次移植,开始新的生长周期。在这个国家的温暖地区,一年有四次水稻种植期,繁重的劳动也因此省去。
 
另一个例子是在一系列三角形管道中进行水果和类似的蔬菜的水培,并让高度矿化的池塘水,通过添加缺少的元素,从顶部抵达其他管的所有植物。这种设置大大提高了昂贵的水培建筑的单位表面积产量。
 
最后,土制排水系统将对污水进行过滤处理,并利用这种水源种植诸如Lemna, Azolla, Pistia,甚至水葫芦等植物。在去除所有的营养物质之后,如硝酸盐,磷酸盐和钾,再将纯净水释放到含水层。
 
加工 —— 
 
市场产品存在一个巨大问题,当农民在同一时间收获相同作物时,该产品价格就会下降,农民也要面临供过于求造成的农产品滞销带来的巨大损失。因此,我们应当向所有农民传授一些简单的工艺,如熏制、烘干、腌制、加糖、腌制等,这样他们就不会糟蹋多余的粮食。由于几乎可以免费获得丰富的沼气能源,他们现在可以对其产品进行更复杂的处理,从而做到产品保值和产品增值。
 
综合农业系统中的沼气能源充足,而且不收取任何费用,这一点的重要性是毋庸置疑的。在大多数国家,尤其是偏远地区,缺乏这种经济和社会发展的基本资源。要知道,当化石燃料耗尽时,沼气仍然可用……
残留物 ——
 
综合养殖系统中有更多的生物,如长势稳定的沼渣、死藻、大型植物、作物和加工残留物。考虑到牲畜只消耗其所吃饲料的15-20%,剩下的以粪便的形式排泄,残留物的数量十分可观。所以我们必须尽一切努力回收它们,以便更好地利用它们的副产品,这就是金融研究所正在做的事情。
 
将污泥、藻类、大型植物、农作物、加工残留物放入塑料袋中,用沼气能量产生的蒸汽进行消毒,然后注入适当的孢子,用于高价蘑菇的培养。蘑菇酶不仅能分解木质纤维素,释放出营养成分,还能使残留物种类变得更加丰富,成为家畜更易消化的美味饲料。剩下的纤维残渣可以用来饲养蚯蚓,为鸡提供特殊的蛋白质饲料。最后的残留物中包括大量的蠕虫,它们被堆肥并用于土壤调理和通风。
 
结论
通过将未使用的废物作为可再生资源加以循环利用,从而为大多数农业活动提供肥料、经济可行和生态可持续的饲料和燃料。对IFS传达的概念视而不见,这简直等同于无知犯罪和愚蠢的偏见,而且会让大多数农民挣扎在贫困线,并被剥夺无论男女老少都应该享有的权利。事实证明,地球提供给现在和未来几代人的资源都是足够的。
 
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参考文献
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  • 钟国峰, 王志强, 吴洪生, 1997. 《基塘系统的陆-水相互作用》, 比利时纳木尔大学出版社和欧洲大陆生态技术出版社.
  • 这个猪粪图将美国农业部要求的处理方式、ZERI推荐的处理方式和空白对照组(不作处理)进行比较。
 
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  • 《沼气入门指南》(Beginner's Guide to Biogas)由澳大利亚阿德莱德大学的保罗·哈里斯撰写,书中对沼气进行了介绍,并包含了很多相关的参考文献和链接。
  • 沼气论坛(Biogas Forum.)。这是一个主要语言为英语和德语的瑞士网站,提供沼气相关信息,并包含许多重要相关网站的链接。
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