童文彬，周旭健，劉銀秀，葉強(qiáng)，秦唐勇，聶新軍，李子川，柴彥君

(1.衢州市衢江區(qū)土壤肥料技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324022； 2.浙江天地環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 311121； 3.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 4.衢州市寧蓮牧業(yè)有限公司，浙江 衢州 324000； 5.浙江科技學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院 浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

目前，在農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)資源化利用研究中，關(guān)于規(guī)?；託夤こ躺a(chǎn)過程中殘留的沼渣和秸稈熱解炭化產(chǎn)生的秸稈生物炭在土壤培肥和環(huán)境修復(fù)方面的研究較多，而關(guān)于沼氣工程產(chǎn)生的沼液和秸稈炭化產(chǎn)生的粗木醋液對農(nóng)田無機(jī)氮循環(huán)影響的研究相對較少。此外，為了解決沼液產(chǎn)生量大、存儲和運(yùn)輸成本高的難題，近年來逐漸規(guī)?；瘧?yīng)用的沼液膜濃縮技術(shù)產(chǎn)生的沼液濃縮液已被用來作為液體肥料施用到農(nóng)田中。然而，施用沼液濃縮液對農(nóng)田土壤氨揮發(fā)和硝酸根流失的影響，以及沼液濃縮液與秸稈炭化產(chǎn)生的粗木醋液混合施用對沼液濃縮液養(yǎng)分緩釋和農(nóng)田無機(jī)氮循環(huán)的作用效果尚不清楚。

為此，圍繞沼液濃縮液施用對農(nóng)田無機(jī)氮在土壤、作物、水體和大氣中分配行為的潛在影響，從沼液的產(chǎn)生特征與膜濃縮技術(shù)研究進(jìn)展出發(fā)，結(jié)合沼液農(nóng)田施用的環(huán)境效應(yīng)和沼液與木醋液混合施用降低土壤氨揮發(fā)的有益作用，探討沼液濃縮液及其與粗木醋液農(nóng)田混合施用的應(yīng)用前景和潛在環(huán)境效應(yīng)，以期為沼液濃縮液的農(nóng)田施用提供借鑒與參考。

1 沼液農(nóng)業(yè)應(yīng)用與膜濃縮技術(shù)進(jìn)展

沼液是規(guī)?；託馍a(chǎn)過程中排放的廢棄發(fā)酵液經(jīng)干濕分離后產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水，具有產(chǎn)生量大(按利用率75%、含水率70%計(jì)算，預(yù)計(jì)到2020年全國沼液年產(chǎn)生量約20億t)、有機(jī)碳和營養(yǎng)元素濃度較高，以及化學(xué)與生物化學(xué)需氧量高的特點(diǎn)，直接排放到環(huán)境中會造成原位土壤和下游水體的二次污染[7]。當(dāng)前，沼液主要通過農(nóng)田就近消納、制作高附加值濃縮液體肥、自然生態(tài)凈化，以及工業(yè)化凈化處理后安全排放等資源化利用或無害化處理的方式解決其環(huán)境污染問題[8-11]。相比較于將沼液用于浸種[12]或用作無土栽培基液[13]，沼液作為基肥或追肥直接應(yīng)用于農(nóng)田因其消納量大，尤其是可利用NH4+部分替代氮肥，而成為沼液生態(tài)消納的主要處理方式。然而，沼液農(nóng)田消納面臨儲存、運(yùn)輸和管路維護(hù)費(fèi)用高的難題，而沼液無害化工業(yè)處理通常會陷入運(yùn)行費(fèi)用高昂的困境，因此，沼液的去向問題嚴(yán)重制約畜禽養(yǎng)殖資源化利用和規(guī)?；託夤こ痰慕ㄔO(shè)。此外，沼液的養(yǎng)分組成因來料類型、發(fā)酵溫度、取樣季節(jié)和技術(shù)工藝的差異而存在較大的波動，這導(dǎo)致沼液的農(nóng)田生態(tài)消納和無害化工業(yè)處理的標(biāo)準(zhǔn)化存在較大的不確定性，如果定期對來源龐雜的沼液進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，無疑會極大地提高沼液的資源化利用成本。因此，開發(fā)低成本、高效率的沼液濃縮技術(shù)，制定沼液濃縮等級標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前規(guī)?；託夤こ探ㄔO(shè)中亟待攻克的技術(shù)難題。

2 秸稈木醋液生產(chǎn)及其應(yīng)用

秸稈木醋液是秸稈熱裂解氣化過程中除生物質(zhì)炭和燃?xì)馔?，室溫下冷凝出的液體副產(chǎn)物。由于原料類型和炭化工藝條件差異會極大地影響粗木醋液的性質(zhì)與組分，這就使得此類粗木醋液因工業(yè)精制成本太高而無法進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)熱解炭化中粗木醋液的產(chǎn)率通常為26%～44%[22-23]，預(yù)計(jì)到2020年，我國每年因秸稈炭化產(chǎn)生的粗木醋液將超過1.2億t(按秸稈熱解炭化利用率60%計(jì)算)。與秸稈熱裂解產(chǎn)生的生物炭通常被用于土壤培肥或制作環(huán)境修復(fù)材料相比，這部分粗木醋液如果利用不好，會造成生物質(zhì)資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此，亟須拓展其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的低成本應(yīng)用。

粗木醋液中含有大量的有機(jī)酸、醇類、酚類和酮類等有機(jī)物質(zhì)，具有殺菌防病防蟲和改良土壤的作用，以及降低農(nóng)藥和肥料用量的效果[23-24]。粗木醋液作為農(nóng)林廢棄物熱裂解過程中的液態(tài)副產(chǎn)品，經(jīng)過簡單加工后可被用作土壤改良劑、植物葉面肥、浸種劑、飼料添加劑和殺菌驅(qū)蟲劑等。此外，精加工的木醋液還能用于食品保鮮、化妝品，以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[25-26]。相較于由單一原料制作的粗木醋液所對應(yīng)的特定精加工技術(shù)，秸稈炭化來源的粗木醋液因其原料來源繁雜、熱裂解溫度差異大而不利于開展高附加值的精加工。因此，在當(dāng)前推進(jìn)化肥、農(nóng)藥減量增效、促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的背景下，拓展粗木醋液在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是全面推進(jìn)秸稈氣化清潔能源利用和解決秸稈炭化產(chǎn)生的大量粗木醋液資源化利用的重要發(fā)展方向。

3 沼液濃縮液與粗木醋液農(nóng)田混合施用的應(yīng)用前景與潛在環(huán)境效應(yīng)

4 面臨的挑戰(zhàn)與突破方向

沼液中含有的抗生素和病原菌會不同程度地影響土壤微生物的群落組成和作物病蟲害的發(fā)病率，再加上沼液中含量不定的重金屬也會增加土壤重金屬污染的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，因此，農(nóng)田施用沼液可能會給區(qū)域糧食安全和人類健康產(chǎn)生不確定的影響[8, 14]。為了應(yīng)對沼氣生產(chǎn)過程中的沼液生態(tài)處理難題，研究人員正就沼液膜濃縮過程中的重金屬和抗生素阻控技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，并研究和制定沼液田間精準(zhǔn)施用的技術(shù)規(guī)范，以逐步解決沼液生態(tài)消納的二次污染難題。相比較于低壓蒸發(fā)或冷凍干燥技術(shù)對沼液的濃縮效果，膜濃縮在隔離病原菌、抗生素和重金屬方面具有全方位的系統(tǒng)可調(diào)的優(yōu)勢。由于沼氣發(fā)酵的原料類型、發(fā)酵溫度、沼液抽取時(shí)間等因素變化導(dǎo)致沼液濃縮液的濃度同樣會存在一定的波動，給沼液濃縮液的農(nóng)田定量施用和優(yōu)化與粗木醋液的混合比例等帶來極大不便；因此，構(gòu)建規(guī)?；冶阌谕ㄟ^線上或線下監(jiān)測養(yǎng)分濃度的沼液膜濃縮系統(tǒng)也是未來沼氣工程建設(shè)項(xiàng)目中需要重點(diǎn)考慮的問題。此外，通過線上養(yǎng)分濃度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)節(jié)沼液濃縮的膜循環(huán)頻次，提升沼液的膜濃縮效率等也是未來沼液膜濃縮技術(shù)的重要探索方向?？偟膩砜矗绾伪３终右簼饪s液養(yǎng)分物質(zhì)組成和濃度的穩(wěn)定性，并通過該濃縮工藝提升沼液膜濃縮的工作效率是未來沼液膜濃縮系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。

充分了解沼氣發(fā)酵過程中養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化及其在土壤、大氣和水體中的分配特征是評價(jià)畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈廢棄物生態(tài)處理和資源化利用的重要參考指標(biāo)。比較而言，國外發(fā)達(dá)國家在畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)林種植的高效銜接方面技術(shù)比較成熟，主要通過農(nóng)牧結(jié)合的方式解決沼液消納的問題，通過地區(qū)或區(qū)域養(yǎng)分的系統(tǒng)管理基本上實(shí)現(xiàn)了對地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境排放、食物鏈轉(zhuǎn)移和生物地球化學(xué)循環(huán)的定量分析，并通過模型模擬和現(xiàn)場監(jiān)測精準(zhǔn)控制氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在養(yǎng)殖場-土壤-作物(或水體)間的源匯耦合過程循環(huán)，最終在地區(qū)和區(qū)域尺度上達(dá)到畜禽廢棄物妥善處理和充分資源化利用的目標(biāo)。因此，通過畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈廢棄物中養(yǎng)分物質(zhì)的全生命周期循環(huán)理論[32]來指導(dǎo)沼液膜濃縮工藝開發(fā)和改善農(nóng)田沼液濃縮液及其與粗木醋液混合施用的農(nóng)藝學(xué)貢獻(xiàn)和環(huán)境效應(yīng)，將成為評價(jià)畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈廢棄物生態(tài)處理和資源化利用的關(guān)鍵。

5 建議與展望