張笑千， 王 波， 王夏暉， 張曉麗， 鄭利杰

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院， 農(nóng)村環(huán)境保護(hù)中心， 北京 100012)

近年來，我國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖水平顯著提高，但產(chǎn)生了大量的畜禽養(yǎng)殖廢棄物未得到有效處理與利用，成為農(nóng)村環(huán)境治理的一大難題。根據(jù)原農(nóng)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年畜禽養(yǎng)殖廢棄物產(chǎn)生量約38億噸，而綜合利用率不到60%，畜禽養(yǎng)殖已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一。通過研究分析近30年來我國(guó)主要畜禽養(yǎng)殖及其污染的時(shí)空變化特征，得出我國(guó)單位耕地面積的畜禽氮污染負(fù)荷平均已達(dá)138 kg·hm-2以上，其中有6省(自治區(qū)、直轄市)污染負(fù)荷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了歐盟農(nóng)業(yè)政策規(guī)定的糞肥年施氮量限制，對(duì)環(huán)境構(gòu)成了極大的潛在威脅與風(fēng)險(xiǎn)[1]。

為有效防治農(nóng)業(yè)面源污染，加強(qiáng)農(nóng)村環(huán)境綜合治理，近兩年來我國(guó)出臺(tái)了多項(xiàng)政策文件，為畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用提出了要求和方向。2017年4月，原農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《重點(diǎn)流域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理示范工程建設(shè)規(guī)劃(2016～2020年)》，針對(duì)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)，應(yīng)因地制宜地采用厭氧發(fā)酵、糞便堆肥等技術(shù)，處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物。同年6月，國(guó)務(wù)院辦公廳提出了《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》，指出為了全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，加快構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)牧循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展新格局，應(yīng)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。2018年新年伊始，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》，為新時(shí)代“三農(nóng)”工作提出了“產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富裕”的總要求，其中生態(tài)宜居是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施關(guān)鍵，應(yīng)推進(jìn)有機(jī)肥替代化肥、畜禽糞污處理等農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展行動(dòng)，加強(qiáng)農(nóng)村突出環(huán)境問題治理。7月23日，生態(tài)環(huán)境部常務(wù)會(huì)議審議并原則通過《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》，打好農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)既是打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的七大標(biāo)志性重大戰(zhàn)役之一，也是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要任務(wù)，應(yīng)強(qiáng)化廢棄物循環(huán)利用等方面，深化推進(jìn)廢棄物資源化，從而加快補(bǔ)齊農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)突出短板，為決勝全面建成小康社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在這樣的戰(zhàn)略要求與政策推動(dòng)背景下，我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域沼氣工程蓬勃發(fā)展，農(nóng)村沼氣工程逐步向規(guī)?；?、大型化的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，在畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理與農(nóng)業(yè)面源污染防治方面發(fā)揮出重要作用。沼氣工程不僅提供了用于取暖、炊事和照明的清潔能源-沼氣，還產(chǎn)生了厭氧發(fā)酵剩余物—沼液。沼液可以作為下一級(jí)生產(chǎn)活動(dòng)的原料、肥料、飼料和添加劑等再生利用，即沼液的種養(yǎng)殖業(yè)綜合利用。

1 沼液種養(yǎng)殖業(yè)利用途徑

在種植業(yè)上，沼液是一種優(yōu)質(zhì)、全效的有機(jī)肥料[2]，將沼液施用于糧食作物[3-5]、牧草[6]等均具有明顯的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)。近年來，沼液利用技術(shù)層出不窮： 1)作為浸種劑。由于沼液中含有多種植物激素類物質(zhì)，如赤霉素、吲哚乙酸、細(xì)胞分裂素等[7]，適宜濃度的沼液浸種可以提高種子發(fā)芽率并促進(jìn)植物幼苗生長(zhǎng)[8]。有研究實(shí)例表明經(jīng)過了沼液浸種后的辣椒種子，其出苗率、株高、根長(zhǎng)、根毛數(shù)均優(yōu)于清水浸種，其中沼液濃度為80%時(shí)效果較好[9]。2)作為殺蟲劑。沼液中除含有植物激素類物質(zhì)外，還含有核酸、單糖、游離氨基酸、維生素和富里酸等有效成分[10-11]，雖然在沼液中的含量不高，但對(duì)多種有害病菌和蟲卵有抑制效果，從而起到抗病蟲害的作用。3)作為無土栽培營(yíng)養(yǎng)液。沼液既可以作為營(yíng)養(yǎng)液直接用于水培，也可以用于基質(zhì)栽培的后續(xù)追肥。湖南省農(nóng)科院通過兩年的試驗(yàn)，利用沼液作為營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行蔬菜水培，取得較好效果。研究結(jié)果表明[12]，應(yīng)根據(jù)沼液的實(shí)際營(yíng)養(yǎng)成分含量，并結(jié)合作物的營(yíng)養(yǎng)需求，補(bǔ)充適量的營(yíng)養(yǎng)元素，最后用98%磷酸調(diào)節(jié)pH值到微酸性才能使用。4)作為肥料。農(nóng)田施用，是沼液最為廣泛的利用方式。沼液施用方式種類繁多，如沼液?jiǎn)问?、沼液沼渣混施、沼液化肥配施、沼液作追肥根施或葉面噴施等，不同的農(nóng)田施用方式會(huì)形成不同的施用效果(見表1)。

表1 不同沼液施用方式對(duì)作物、土壤環(huán)境的影響

同樣，在養(yǎng)殖業(yè)上，沼液與飼料搭配養(yǎng)雞[17]、魚[18]、豬[19]等，可以增強(qiáng)動(dòng)物免疫能力，加快生長(zhǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。張全國(guó)[20]的研究表明，在粗放飼養(yǎng)條件下利用沼液養(yǎng)豬，豬采食量增加14%、育肥期約縮短20%、日增重提高26%。利用沼液養(yǎng)魚，可為魚類提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有研究表明施用沼液的魚塘藻類總量比施用鮮豬糞魚塘高36.6%，葉綠素高25.93 mg·m-3[21]。

厭氧發(fā)酵過程使得沼液與發(fā)酵原料相比，存在一系列不同，如沼液有機(jī)質(zhì)含量，BOD，粘度等低于發(fā)酵原料，而pH值和銨態(tài)氮含量則高于發(fā)酵原料等[22-26]。為了更好地發(fā)揮沼液施用效果，并避免沼液的過量、不當(dāng)施用造成的環(huán)境污染，在施用前了解沼液成分是合理施用沼液的基礎(chǔ)和前提條件。

2 不同發(fā)酵原料的沼液成分對(duì)比分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章對(duì)34個(gè)沼氣工程進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研，沼氣工程的相關(guān)信息如表2所示。調(diào)查的34個(gè)沼氣工程中，以雞糞、牛糞、豬糞為發(fā)酵原料的分別有10，8，16個(gè)，位于國(guó)內(nèi)、國(guó)外的沼氣工程分別有23個(gè)和11個(gè)，采用的發(fā)酵工藝類型主要為混合厭氧反應(yīng)器(CSTR)、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、推流式厭氧反應(yīng)器(plug-flow anaerobic digester)。

表2 沼液成分?jǐn)?shù)據(jù)來源及對(duì)應(yīng)沼氣工程信息

2.2 統(tǒng)計(jì)方法

不同發(fā)酵原料對(duì)沼液理化性質(zhì)的影響采用方差分析(ANOVA)法，顯著性水平為0.05，使用SPSS 20.0(IBM Corp, Armonk, New York, USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和差異性分析；作圖采用Sigmaplot 12.5(Systat Software, Inc.)。

2.3 結(jié)果分析

不同發(fā)酵原料沼液樣品的pH值，TN，TP，NH4-N濃度的統(tǒng)計(jì)如圖1～圖4所示。結(jié)果表明，不同發(fā)酵原料的沼液pH值和NH4-N濃度有著明顯的差異性，而沼液的TN和TP濃度沒有因發(fā)酵原料的不同呈現(xiàn)出顯著差異性。其中，雞糞沼液的NH4-N濃度顯著高于豬糞沼液與牛糞沼液，這可能是與發(fā)酵原料中的總氮含量直接相關(guān)[54]。

沼液保留了畜禽養(yǎng)殖廢棄物中大部分的N和P等營(yíng)養(yǎng)元素[55]，且易被作物吸收利用的速效養(yǎng)分含量增加。如靳紅梅[22]等通過130 d的厭氧發(fā)酵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，豬糞和牛糞發(fā)酵出料中NH4-N質(zhì)量的增幅分別達(dá)162%和90%。沼液中含有較高速效營(yíng)養(yǎng)成分的特征，使得沼液農(nóng)田施用后能迅速被農(nóng)作物吸收利用[10]，是沼液作為肥料農(nóng)田施用的優(yōu)勢(shì)之一。

然而，統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)出的沼液成分含量的差異性與多變性也值得引起注意。沼液成分會(huì)受到發(fā)酵原料的影響，但即使是同一發(fā)酵原料產(chǎn)生的沼液成分也會(huì)因接種物來源、厭氧發(fā)酵工藝條件等因素表現(xiàn)出不同特性[56]。因此，為了更合理有效地利用沼液，一方面，對(duì)沼液只進(jìn)行一次成分監(jiān)測(cè)分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，有必要對(duì)實(shí)際沼氣工程產(chǎn)生的沼液進(jìn)行長(zhǎng)期、全面的監(jiān)測(cè)；另一方面，在利用沼液前，也應(yīng)對(duì)沼液的營(yíng)養(yǎng)成分、金屬元素進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)分析，為農(nóng)田施用量、施用時(shí)間提供可參考的依據(jù)。

圖1 不同發(fā)酵原料沼液樣品的pH值

圖2 不同發(fā)酵原料沼液樣品的TP濃度

圖3 不同發(fā)酵原料沼液樣品的NH4-N濃度

圖4 不同發(fā)酵原料沼液樣品的TN濃度

注:1)實(shí)心圓圈為異常值；豎線從左到右依次為除異常值外的最小值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)和最大值；◇為各發(fā)酵原料沼液的平均值；虛線為總體沼液樣品的平均值；n為樣品數(shù)；不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。2)同一指標(biāo)下不同字母(a，b)代表不同發(fā)酵原料的沼液間存在顯著性差異。

3 沼液肥料化利用現(xiàn)存問題

在沼液肥料化利用過程中，尚存在著不合理利用、不安全利用問題。沼液的不合理利用問題主要體現(xiàn)在施用量、施用時(shí)間兩方面。沼液的施用量需與作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求量吻合，這樣不僅可以降低沼液過量施用可能會(huì)造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，也可以提高農(nóng)民的效益。對(duì)于沼液的施用時(shí)間，應(yīng)盡量避免在秋季或冬季施用沼液。德國(guó)、瑞典、丹麥等國(guó)家根據(jù)本國(guó)情況，均對(duì)沼液施用量、施用時(shí)間作出了嚴(yán)格規(guī)定[57～58]。然而，我國(guó)目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

沼液的不安全利用問題主要是由于以畜禽養(yǎng)殖廢棄物為發(fā)酵原料的沼液中存在大量的重金屬元素，有學(xué)者通過對(duì)沼液樣品的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，沼液中重金屬元素濃度超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重[59]。若忽略對(duì)沼液中重金屬的監(jiān)測(cè)、控制，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田中重金屬不斷積累，從而造成二次污染，最終通過飲水及食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，在人體內(nèi)蓄積而危害到人體健康。我國(guó)目前尚未制定沼液在農(nóng)田施用方面的專屬污染控制標(biāo)準(zhǔn)，在沼液的安全性評(píng)估方面研究也較少。

4 建議

沼液利用在全國(guó)范圍內(nèi)都有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，?duì)于有效防治農(nóng)業(yè)面源污染，加強(qiáng)農(nóng)村環(huán)境綜合治理有著重大意義。為了確保沼液的合理、安全利用，建議加強(qiáng)對(duì)沼液營(yíng)養(yǎng)成分、重金屬含量的監(jiān)測(cè)，施用之前事先分析沼液的適用條件，評(píng)估沼液利用的安全性，避免發(fā)生土壤鹽漬化、重金屬污染等隱患問題。應(yīng)盡快建立沼液合理安全利用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，強(qiáng)化沼液肥料化利用的規(guī)范化和程序化措施。為了推動(dòng)沼液在全國(guó)的綜合、廣泛應(yīng)用，建議加強(qiáng)對(duì)沼液利用工程技術(shù)方面的研究，包括濃縮型沼液技術(shù)，沼液有益成分分離、提取、濃縮技術(shù)，以及沼液噴灌、滴灌等機(jī)械化推廣性施肥技術(shù)，以提高沼液中養(yǎng)分循環(huán)利用的高效性，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)肥料化利用沼液的可操作性、可持續(xù)性。