史建碩，楊軍芳，王麗英，郭 麗，任燕利，李若楠，翟鳳芝，孫 璇

（河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050051）

隨著我國集約化農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村廢棄物產(chǎn)生量以每年5%～10%的速度遞增，預(yù)計(jì)到2020年將超過50億t[1]。目前我國農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用方式較為粗放，大量作物秸稈和畜禽糞便等廢棄物無害化、資源化處理率低，農(nóng)業(yè)廢棄物處置與利用不合理，種養(yǎng)業(yè)分離，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重。2016年農(nóng)業(yè)部等六部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點(diǎn)的方案》，明確指出農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用是改善環(huán)境污染、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《畜禽糞污資源化利用行動方案（2017-2020年）》中，強(qiáng)調(diào)要以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以農(nóng)用有機(jī)肥和農(nóng)村能源為主要利用方向，全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用。其中，厭氧發(fā)酵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便以及有機(jī)廢棄物等有機(jī)物質(zhì)的處理[2]，不僅提供了清潔方便的能源沼氣，還產(chǎn)出一部分發(fā)酵殘余物（包括沼液和沼渣）。發(fā)酵過程中氮磷鉀等營養(yǎng)元素大部分被保留于沼液和沼渣中[3]，可作為有機(jī)肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，統(tǒng)稱為沼肥。廣大學(xué)者對沼渣、沼液的綜合利用進(jìn)行了深入研究，如將沼渣和沼液用于玉米生產(chǎn)[4]、無公害蔬菜生產(chǎn)[5]、作物育苗[6]等方面，同時(shí)存在沼肥生產(chǎn)原料種類多、性質(zhì)差異大等共性問題。基于此，作者對沼肥的特性、對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用、施用技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行了分析，對安全、合理、有效地利用農(nóng)業(yè)廢棄物，保障沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展和緩解我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境危機(jī)具有重要的意義。

1 沼肥的組成及其特性

控制厭氧發(fā)酵工藝，可產(chǎn)生肥效高且無害化的沼肥[7，8]。徐延熙等[9]測定了不同發(fā)酵原料的沼渣、沼液的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素含量（表1）。姚燕[10]通過對以畜禽糞便為原料的厭氧發(fā)酵液生產(chǎn)工藝研究發(fā)現(xiàn)，影響沼肥肥效的因素有原料濃度、發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度。當(dāng)原料濃度為3.7%、發(fā)酵時(shí)間為4 d、發(fā)酵溫度為55℃時(shí)，沼液中銨態(tài)氮和有效磷含量最高。

表1 不同發(fā)酵原料的沼渣和沼液中有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素的含量Table 1 The contents of organic matter and nutrient elements of biogas residue and biogas slurry of different fermented raw materials

厭氧發(fā)酵工藝的發(fā)酵過程中可消除臭氣，殺滅大部分致病菌和蟲卵，發(fā)酵充分的沼液應(yīng)為深褐色、無惡臭液體，pH 值為 7.5～8.0[7]。C?té C 等[11]研究表明，在20℃條件下厭氧發(fā)酵20 d，可使豬糞中的大腸桿菌減少99.67%～100%；álvarez J A等[12]研究發(fā)現(xiàn)，厭氧發(fā)酵31 d可使豬糞中的金霉素減少53.2%～67.7%。

2 沼肥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用

2.1 改變土壤性狀

沼肥中含有的腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主要部分，能提高土壤的保水和保肥能力，還有胡敏酸和富里酸等弱酸性有機(jī)物質(zhì)和多種微生物菌團(tuán)[7]，具有很強(qiáng)的緩沖酸堿變化的能力，對鹽堿地的改良效果明顯，同時(shí)還能提高土壤團(tuán)?？倲?shù)和土壤交換容量，增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)。肖洋等[15]研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施沼渣和沼液能夠降低土壤容重，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效防止土壤酸化，顯著改善土壤物理性質(zhì)；Cordovil等[16]研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞發(fā)酵的沼液能夠增加土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，改良和修復(fù)林區(qū)火災(zāi)后土壤。黃繼川等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著沼液用量的增加能夠顯著提高稻田土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，能夠顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性。萬海文等[18]研究發(fā)現(xiàn)，追施沼液提高了麥田土壤過氧化氫酶和脲酶活性。張翠麗等[19]研究發(fā)現(xiàn)，沼肥能夠顯著降低土壤pH值和容重，證明了沼肥改良鹽堿土的可行性。

2.2 促進(jìn)作物生長，有效防治病蟲害的發(fā)生

沼肥中含有多種作物所需的營養(yǎng)成分，營養(yǎng)能力強(qiáng)、養(yǎng)分利用率高，田間施用不僅能提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，還能起到抗病和提高抗性的作用。萬海文[20]研究發(fā)現(xiàn)，追施沼肥能夠提高小麥和玉米的光合速率和水分利用率，增加葉片葉綠素相對含量，促進(jìn)小麥生長、提高小麥成穗率和籽粒重，增加小麥產(chǎn)量；艾俊國[21]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的沼肥與化肥配施能夠促進(jìn)春玉米的生長發(fā)育，增加春玉米干物質(zhì)量和光合特性指標(biāo)，改善根系結(jié)構(gòu)，提高春玉米產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)；Tani等[22]通過對玉米進(jìn)行沼肥和動物骨灰配施試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該處理較單施化肥處理增產(chǎn)4.32%；牛偉等[23]研究發(fā)現(xiàn)，蘋果樹長期采用“豬—沼—果”的管理方式，可以明顯提高蘋果的品質(zhì)；亓翠玲等[24]研究表明，沼液澆灌櫻桃能顯著改善樹形，提高果樹營養(yǎng)狀況，較清水處理增產(chǎn)21.76%，單果重增加28.89%；胡敏等[25]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施沼液能夠促進(jìn)辣椒生長，提高葉片葉綠素含量，沖施沼肥能夠顯著提高辣椒產(chǎn)量；雍山玉等[26]研究發(fā)現(xiàn)，沼肥與化肥的合理配施能夠明顯增加玉米產(chǎn)量，施用沼肥還可以有效防治玉米根腐?。粡垥钥档萚27]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼肥能夠提高西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低西瓜苗期病蟲害的發(fā)生概率。董照峰等[28]通過采用沼渣底施+沼液噴施的方式研究了沼肥對丹參生長的影響，發(fā)現(xiàn)施用沼肥能夠明顯增加丹參產(chǎn)量，還能有效地防治丹參的根腐病。Yongabi等[29]研究發(fā)現(xiàn)，沼液能夠抑制大腸桿菌、葡萄球菌和綠膿桿菌的生長，提高藥用植物的抗菌活性。

2.3 施用沼肥對環(huán)境的影響

石鵬飛等[30]研究發(fā)現(xiàn)，沼氣發(fā)酵和有機(jī)肥還田是物質(zhì)循環(huán)和能量流動的核心，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約化肥和用電成本1 796.8萬元，解決了面源污染和資源損耗等問題，具有明顯的生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益。鄭苗壯等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤-草坪系統(tǒng)下，全年沼肥與施氮量分別為600 kg/hm2時(shí)，1 m以下的土壤滲濾液的硝態(tài)氮和總氮濃度均低于等氮量的化肥處理，對地下水環(huán)境無污染。李軼等[32]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼肥能降低污灌區(qū)土壤和油菜莖葉部的重金屬Cr的有效態(tài)含量。劉研萍等[33]通過對沼渣成分檢測和有害性分析發(fā)現(xiàn)，參試沼渣基本符合我國農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，但Cu和Zn的含量較高，超出國外發(fā)達(dá)國家污泥農(nóng)用重金屬的限定標(biāo)準(zhǔn)，重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)顯示，沼渣中Cd、Hg和Cu的潛在危害性最強(qiáng)，需要進(jìn)一步研究沼渣的安全施用技術(shù)。

3 沼肥施用技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)控制

目前，我國沼氣發(fā)酵的原料以農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便為主，發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣、沼液比原料肥效更佳[33]，然而，沼渣、沼液的肥效也受厭氧發(fā)酵工藝、發(fā)酵原料以及施用技術(shù)的制約，存在病菌、蟲卵、養(yǎng)分差異、重金屬和抗生素殘留等問題，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)應(yīng)該注意沼肥的篩選，保證在合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物的同時(shí)，避免對土壤、作物以及環(huán)境造成二次污染。

3.1 沼肥的施用技術(shù)

根據(jù)不同生態(tài)類型、不同土壤肥力、作物養(yǎng)分需求量以及沼肥的養(yǎng)分含量進(jìn)行合理的養(yǎng)分推薦。沼肥用量應(yīng)該以帶入的氮量或磷量為推薦基準(zhǔn)，應(yīng)著重考慮有機(jī)肥與化肥的配施比例，保持養(yǎng)分平衡，安全施用，才能保證高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和環(huán)境友好。

我國農(nóng)田沼肥等有機(jī)肥料的承載量為30～45t/hm2[34]，超負(fù)荷的施用沼肥可能引起土壤氮磷積累和次生鹽漬化。陳乃禾[35]提出在成都平原水稻土上施用以豬糞為發(fā)酵原料的沼肥推薦使用量為27 t/hm2；萬海文[17]認(rèn)為，關(guān)中平原地區(qū)小麥-玉米輪作生產(chǎn)模式，牛糞尿?yàn)榘l(fā)酵原料的沼液在麥田作為追肥的最佳施用量為22.5～33.75 t/hm2，并在拔節(jié)期和孕穗期追施2次為宜；賈亮亮等[36]研究發(fā)現(xiàn)，日光溫室番茄沼肥適宜施用量為75 t/hm2，噴施沼液時(shí)注意施用濃度，推薦體積分?jǐn)?shù)50%的沼液。沼液還可用于水肥一體化系統(tǒng)[37]，但需要進(jìn)行過濾處理。

3.2 沼肥施用風(fēng)險(xiǎn)控制

沼肥是一種營養(yǎng)能力強(qiáng)、養(yǎng)分利用率高、抑菌增抗的速效生物有機(jī)復(fù)合肥，但施用前必須對沼肥的重金屬元素進(jìn)行檢測，并對超標(biāo)的沼肥進(jìn)行無害化處理，保證沼肥安全還田。李健等[38]檢測發(fā)現(xiàn)配合飼料喂養(yǎng)法的沼渣中As、Cr和Cd的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過NY/T 5018—2001規(guī)定的污染物指標(biāo)值，Hg的含量也接近標(biāo)準(zhǔn)的限定值，而青飼料飼養(yǎng)法的沼渣中重金屬含量除Pb以外均未超出標(biāo)準(zhǔn)的限定值；沼液中重金屬含量的衡量標(biāo)準(zhǔn)較模糊，其重金屬含量均未超出有機(jī)肥料的限定標(biāo)準(zhǔn)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。劉思辰等[39]研究發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)酵原料所產(chǎn)生的沼液重金屬含量差異較大，豬場的沼液重金屬含量均高于牛場（表2）。馬潔瓊等[40]研究發(fā)現(xiàn)沼液重金屬含量超出國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而這些污染物主要來源為飼料添加劑，可通過離心去除沼液中的懸浮物，降低沼液重金屬含量。史艷財(cái)[41]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓或者蚯蚓-菌肥配施可有效降低重金屬的生態(tài)危害。陳苗等[42]提出沼肥施用前需進(jìn)行無害化處理，降低沼肥重金屬含量，具體方法可參照土壤重金屬修復(fù)方法，如超富集植物、淋洗劑和固定劑等。

表2 不同發(fā)酵原料沼液的重金屬含量 （mg/L）Table 2 The concentration of heavy metals in biogas slurry fermented different raw materials

4 展望

沼肥是一種優(yōu)質(zhì)的生物資源，具有較高的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益。合理利用沼肥是建設(shè)資源節(jié)約型社會和環(huán)境友好型社會的重要環(huán)節(jié)，因此，沼肥的無害化和綜合利用值得進(jìn)一步研究。首先，結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源，發(fā)展“日光溫室棚菜—養(yǎng)豬—沼氣池”“果園—養(yǎng)豬—沼氣池”“綠肥—養(yǎng)殖—沼氣—種植”等不同的綠色生態(tài)循環(huán)發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村良性循環(huán)；其次，建立健全的檢測機(jī)制，控制沼肥的無害化程度，為實(shí)現(xiàn)沼肥無害化資源化利用提供有力保障；最后，發(fā)展產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合研發(fā)模式，集中力量發(fā)展大中型沼氣工程，推進(jìn)農(nóng)畜廢棄物的資源化再利用，實(shí)現(xiàn)我國沼氣規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。

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