姚 利，辛淑榮，趙自超

（1山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟(jì)南 250100；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質(zhì)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100）

0 引言

隨著中國集約化養(yǎng)殖的快速發(fā)展，畜禽糞便的排放量逐年增大，已成為巨大的農(nóng)業(yè)污染源，處理不當(dāng)將會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來極大的威脅。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2017年《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點(diǎn)的方案》中估算，全國每年產(chǎn)生畜禽糞污38億t，綜合利用率不到60%，也就是說有15.2億t糞污浪費(fèi)。

畜禽糞便的資源化方式主要是作為肥料、能源、基質(zhì)、飼料、墊料利用，其中肥料化和農(nóng)田利用約占65%～75%、沼氣化利用僅占1%左右[1-2]，基質(zhì)化和飼料化應(yīng)用也相對較少。基質(zhì)化是“種植業(yè)工廠化”的核心，基質(zhì)栽培可以針對作物需求配置適宜的生長環(huán)境，有效避免土壤土傳病害的發(fā)生，代表了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向。無土栽培和工廠化育苗的發(fā)展需要大量質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的基質(zhì)，基于環(huán)境目標(biāo)和提供可替代廉價(jià)基質(zhì)的考慮，利用畜禽糞便生產(chǎn)性能穩(wěn)定、養(yǎng)分豐富且適宜規(guī)?；a(chǎn)的基質(zhì)產(chǎn)品，是目前中國高效生態(tài)農(nóng)業(yè)提質(zhì)升級、農(nóng)業(yè)資源節(jié)約、環(huán)境友好及循環(huán)利用的迫切需要。

畜禽糞便中含有豐富的氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)和微量元素，以合適比例添加到基質(zhì)中可提高基質(zhì)品質(zhì)[3]，促進(jìn)作物根芽生長[4]。但畜禽糞便種類、產(chǎn)地及理化特性的不確定性，造成基質(zhì)性狀穩(wěn)定性差等原因未能在生產(chǎn)上大規(guī)模使用。目前畜禽糞便基質(zhì)化利用的研究局限于利用某種畜禽糞在單一作物上的基質(zhì)復(fù)配，如利用牛糞、雞糞與蘑菇渣、作物秸稈、椰糠等種植廢棄物制備黃瓜、番茄、草莓的育苗或栽培基質(zhì)[5-7]，但對于畜禽糞便不同生物轉(zhuǎn)化方式形成的基質(zhì)化技術(shù)模式，以及其應(yīng)用方式缺少總結(jié)及分析，難以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

本研究針對畜禽糞便的特點(diǎn)和指標(biāo)特性、基質(zhì)化利用的技術(shù)模式以及今后的發(fā)展方向等內(nèi)容進(jìn)行了綜述和探討，旨在為加快生物基質(zhì)技術(shù)創(chuàng)新的步伐，引導(dǎo)種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源利用朝著高值、高效、綠色方向發(fā)展提供借鑒和參考。

1 畜禽糞便的特點(diǎn)

1.1 理化特性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年中國畜禽糞尿中氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)養(yǎng)分資源總量分別達(dá)到1478.0萬、901.0萬和1453.9萬t，糞尿總養(yǎng)分量以豬最大，其次為肉牛和羊，分別占總量28.2%（豬）、22.8%（肉牛）和15.0%（羊）[8]。

由于養(yǎng)殖類型、地域、生長周期等差異，畜禽糞便的特性有較大差別，表1是綜合多份資料得出的畜禽糞便理化特性指標(biāo)。雞糞、羊糞中氮和鉀的含量顯著高于豬糞和牛糞，平均值高出1倍左右。雞糞中磷素含量最高，其次是豬糞和羊糞，牛糞最低。此外，由于本底和礦物元素添加劑的使用，豬糞、雞糞還含有豐富的Ca、Fe、Mg、Na、Mn、Co等中、微量元素，使得其更加具有補(bǔ)充和平衡土壤養(yǎng)分的作用[13]。

畜禽糞便中性偏堿，各種糞便的pH 7.6～8.0，一般不會(huì)對作物生長造成不利影響。4種主要畜禽糞便的電導(dǎo)率（EC值）主要集中在50～150 mS/cm，豬糞和雞糞EC值高于牛糞和羊糞[12]。江蘇省畜禽糞便中鹽分含量（干糞）平均值為9.7 g/kg，檢出范圍1.8～24.2 g/kg；不同畜禽種類糞便中鹽分含量為雞糞(14.8 g/kg)＞豬糞(8.1 g/kg)＞牛糞(6.0 g/kg)[14]。通常認(rèn)為，基質(zhì)的可溶性鹽含量在500～1000 mg/kg，EC≤1.25 mS/cm，超出范圍有可能對植物根系構(gòu)成滲透逆境[15]。基質(zhì)鹽分的適用范圍同時(shí)與灌溉水的鹽分、灌溉方式、營養(yǎng)液施用、基質(zhì)槽密閉性等因素相關(guān)。育苗基質(zhì)相對栽培基質(zhì)來說，適宜的EC值更低，《蔬菜育苗基質(zhì)》(NY/T 2118—2012)規(guī)定，電導(dǎo)率指標(biāo)在0.1～0.2 mS/cm范圍?？傮w而言，畜禽糞便用作育苗或栽培基質(zhì)，鹽分指標(biāo)偏高，需要進(jìn)行脫鹽處理或調(diào)整在基質(zhì)中的添加比例。

綜上所述，畜禽糞便含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等營養(yǎng)元素和無機(jī)鹽類，合理的基質(zhì)化利用既可解決養(yǎng)殖廢棄物污染問題，提高糞便價(jià)值，同時(shí)可大大減少作物化肥用量、提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)。

1.2 基質(zhì)特性指標(biāo)

基質(zhì)作為作物生長的介質(zhì)，要能夠?yàn)樽魑锷L提供良好的水、氣、肥根際環(huán)境，應(yīng)具有支持、固定植株的功能。為滿足以上功能，基質(zhì)需要具備以下特性：良好的保水性、透氣性和保水保肥能力，以及適宜的收縮和沉降性能。表征基質(zhì)特性的指標(biāo)主要有總孔隙度、容重、大小孔隙比（氣水比）、粒徑、電導(dǎo)率和陽離子交換量等。畜禽糞便經(jīng)過無害化和腐熟后，可成為營養(yǎng)豐富、粒度較細(xì)、性質(zhì)穩(wěn)定的基質(zhì)，為滿足孔隙度要求，通常需要調(diào)節(jié)基質(zhì)粒徑，可添加其他孔隙度較高的材料進(jìn)行級配，如椰糠、秸稈、食用菌菌渣等有機(jī)物料或珍珠巖、蛭石等無機(jī)物料。

表1 主要畜種糞便理化特性

2 畜禽糞便基質(zhì)化利用技術(shù)模式

2.1 “畜禽糞便—加入輔料—好氧堆肥—后處理—蔬果栽培基質(zhì)”模式

該模式是將畜禽糞便和作物秸稈、食用菌菌渣等物料混合后進(jìn)行好氧堆肥發(fā)酵，獲得高腐殖質(zhì)的堆肥，再根據(jù)作物品種需求適當(dāng)添加輔料，制備符合要求的基質(zhì)。該模式在番茄、黃瓜和草莓等作物的栽培和育苗基質(zhì)中均進(jìn)行了研究和應(yīng)用，可提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。蔬菜栽培及育苗基質(zhì)配方中，按質(zhì)量畜禽糞可占比30%～40%，菌渣、稻殼、爐渣、河沙是常用的輔料，也可加入少量草炭和珍珠巖調(diào)節(jié)基質(zhì)性能，實(shí)現(xiàn)草炭土部分或完全替代。如董強(qiáng)研究將腐熟牛糞、腐熟金針菇菌渣、爐渣按4:5:1比例配制育苗基質(zhì)，有利于番茄幼苗的生長[5]。陳向梅[6]以雞糞:稻殼:發(fā)酵秸稈:爐渣=4:3:2:1配制的生態(tài)型基質(zhì)栽培對草莓生長狀況、產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)均優(yōu)于土壤栽培。將牛糞、羊糞、河沙以不同配比制備的基質(zhì)種植黃瓜，果實(shí)品質(zhì)、果實(shí)特性和產(chǎn)量等方面都表現(xiàn)較好，其產(chǎn)量達(dá)到95.00 t/hm2以上[7]。腐熟羊糞:草炭:珍珠巖=1:1:1的基質(zhì)配方可提高番茄出苗率，促進(jìn)幼苗株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積的增長及葉綠素含量的升高[16]。

2.2 “玉米芯、糞便主料配方—輕簡化發(fā)酵技術(shù)—覆土改良技術(shù)—食用菌栽培”模式

該模式利用腐熟后的牛糞（雞糞、豬糞等）輔以玉米芯、稻草、麥秸等作為培養(yǎng)料栽培草腐型食用菌（草菇、雙孢菇），工藝設(shè)施簡易，轉(zhuǎn)化效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著，并可實(shí)現(xiàn)菌菜連作，改良土壤。配方和處理方式有2種。

（1）草菇。1畦，6 m×0.5 m，用料約牛糞15 kg、玉米芯50 kg。玉米芯無需粉碎，浸泡12 h預(yù)處理，牛糞提前建堆發(fā)酵15～20天。原料準(zhǔn)備好后，先將玉米芯在大棚里鋪設(shè)成畦，上面撒上發(fā)酵后的牛糞，然后播種草菇菌種。該模式在山東莘縣等地獲得廣泛應(yīng)用，投資小、見效快，從備料之日算起，40天即可采收完畢。栽培草菇后對菌渣原位還田，與西葫蘆、甜椒、黃瓜等蔬菜進(jìn)行連作，可顯著改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤微生物數(shù)量[17]。

（2）雙孢菇。玉米芯1500 kg，廢棉1000 kg，干牛糞1250 kg，石膏50 kg，磷肥50 kg，石灰75 kg，碳酸鈣100 kg。將牛糞打碎、混勻，用1%石灰水澆透預(yù)堆，使含水量達(dá)到60%左右，覆膜悶堆1天以殺滅螨蟲。將預(yù)濕的牛糞與麥草等混合，在室外建堆發(fā)酵12天左右，期間翻堆3次，保持料溫60～70℃，結(jié)束時(shí)培養(yǎng)料應(yīng)呈現(xiàn)淺咖啡色，草料不易拉斷，不刺手，略有氨味。將培養(yǎng)料快速運(yùn)入菇房，經(jīng)二次發(fā)酵5～6 h后接入菌種。根據(jù)配方不同，雙孢菇栽培配方中牛糞占比可達(dá)20%～60%，平均每平方米土地栽培雙孢菇消納干牛糞（含水量50%）的最大消納量為14.75 kg[18]。

2.3 “畜禽糞便—厭氧發(fā)酵—沼渣改性處理—輔料添加—育苗栽培基質(zhì)”模式

該模式是將厭氧發(fā)酵后的畜禽糞便經(jīng)過干燥粉碎，通過脫堿、脫鹽、改性等措施，改善沼渣的基質(zhì)特性，再與菌渣、稻殼、蛭石、珍珠巖等物料復(fù)配，得到性質(zhì)優(yōu)良的育苗栽培基質(zhì)。例如沼渣經(jīng)黑曲霉改性后，比表面積由1.5247 m2/g提高到7.0542 m2/g，大大提高了沼渣的吸附特性[19]，可改善基質(zhì)的吸水性和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

沼渣的容重較高，孔隙率較低[20]，將菌渣、稻殼和沼渣以不同比例復(fù)配黃瓜育苗基質(zhì)，可以提高復(fù)合基質(zhì)的通氣孔隙功能，出苗率均大于93%，最高達(dá)99%，達(dá)到工廠化育苗的出苗率要求。牛糞沼渣可完全替代草炭，豬糞沼渣和雞糞沼渣可部分替代草炭，且育苗效果優(yōu)于草炭、蛭石、珍珠巖配比的人工育苗基質(zhì)[21]。沼渣用作基質(zhì)可提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，純沼渣栽培的黃瓜、番茄、甘藍(lán)等5種蔬菜營養(yǎng)元素總體上均高于草炭[22]，沼渣和爐渣以3:1配比栽培番茄植株根系活力最強(qiáng)[23]。

2.4 “畜禽糞便—過腹轉(zhuǎn)化—蟲糞—生物基質(zhì)利用”模式

該模式是基于過腹轉(zhuǎn)化將畜禽糞便轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的生物基質(zhì)，構(gòu)建高值化的循環(huán)模式。目前研究較多的是蚯蚓糞，與草炭、椰糠等物料配比制備育苗或栽培基質(zhì)，在黃瓜、番茄、茄子、草莓等作物上均有應(yīng)用。有研究表明，在草炭中添加30%左右的蚯蚓糞，對黃瓜幼苗的生長有一定的促進(jìn)作用[24]；椰糠:蚯蚓糞=2:1的基質(zhì)比較適合茄子穴盤育苗[25]；奶牛糞蚯蚓堆肥與泥炭、珍珠巖、蛭石按2:2:1:1的比例栽培草莓可顯著提高品質(zhì)并提前收獲[26]。也有研究發(fā)現(xiàn)在黃瓜育苗基質(zhì)中摻入少量黃粉蟲糞（體積比1:160），即可使黃瓜育苗的指標(biāo)明顯提高[27]，育苗基質(zhì)中添加2%、5%（體積比）的白星花金龜幼蟲蟲糞可以提高辣椒苗期的耐寒能力[28]。畜禽糞便過腹轉(zhuǎn)化產(chǎn)物具有營養(yǎng)元素豐富、養(yǎng)分均衡的特點(diǎn)，且具有微生態(tài)平衡作用和良好的保水作用，是作物育苗和栽培的良好基料，但還存在蟲糞理化特性不清、基質(zhì)配方缺少標(biāo)準(zhǔn)等問題，蟲糞殘留的污染物成分和含量也有差別，這些因素都會(huì)影響到基質(zhì)化利用的品種及基料配比，其應(yīng)用推廣技術(shù)有待于進(jìn)一步研究。

3 展望

3.1 基質(zhì)化是畜禽糞便實(shí)現(xiàn)高值化利用的重要方式

畜禽糞便養(yǎng)分高且微量元素豐富，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗罂梢酝耆虿糠痔娲萏客?，作為育苗栽培基質(zhì)的主要成分。畜禽糞制備的基質(zhì)在營養(yǎng)需求較高的西瓜育苗、水稻育秧和蔬菜無土栽培方面，具有明顯的優(yōu)勢，可以減少化肥和農(nóng)藥施用、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。特別是在國產(chǎn)泥炭儲(chǔ)量持續(xù)下降、泥炭進(jìn)口逐年遞增的背景下，具有巨大的市場潛力，在降低無土栽培成本、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益方面必將發(fā)揮更大的作用。

3.2 選擇適宜的畜禽糞便無害化技術(shù)

畜禽糞便水分含量高，含有有害微生物，養(yǎng)分多為有機(jī)態(tài)或緩效態(tài)，直接農(nóng)田利用會(huì)造成水、土、大氣污染，傳染病蟲害且容易燒苗，因此通常采用生物轉(zhuǎn)化腐熟后方可農(nóng)用，好氧堆肥、厭氧發(fā)酵或過腹轉(zhuǎn)化均可以作為畜禽糞便處理的有效手段，獲得干燥、腐熟、營養(yǎng)豐富的基質(zhì)原料。通過適宜的生物處理方式可以使糞便充分腐熟，殺滅病原微生物，大幅度降解抗生素和激素含量，鈍化重金屬，提高畜禽糞便基質(zhì)化利用的安全性。

3.3 制定農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用標(biāo)準(zhǔn)體系

目前尚無針對廢棄物基質(zhì)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的《蔬菜育苗基質(zhì)》(NY/T 2118—2012)是以進(jìn)口泥炭的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，對EC等指標(biāo)限制較高，以廢棄物為原料制備的基質(zhì)難以達(dá)到，且對廢棄物原料中含有的抗生素、農(nóng)殘等特征污染物未進(jìn)行規(guī)定，不符合生物基質(zhì)的特點(diǎn)?；|(zhì)的用途不僅限于育苗，不同作物的育苗需求也各不相同，單一的標(biāo)準(zhǔn)難以涵蓋多數(shù)基質(zhì)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。因此對不同廢棄原料、作物和用途的基質(zhì)，有必要開展包含畜禽糞便在內(nèi)的農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究，通過蔬菜品種選擇、處理技術(shù)、基質(zhì)配伍等技術(shù)研究，以及特性指標(biāo)的檢測分析方法的明確，建立包含畜禽糞便在內(nèi)的農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)化利用標(biāo)準(zhǔn)體系，為生物基質(zhì)的應(yīng)用和推廣提供技術(shù)支持。