实施乡村振兴战略下畜禽养殖废弃物利用

张笑千， 王 波， 王夏晖， 张晓丽， 郑利杰

(生态环境部环境规划院， 农村环境保护中心， 北京 100012)

近年来，我国规模化畜禽养殖水平显著提高，但产生了大量的畜禽养殖废弃物未得到有效处理与利用，成为农村环境治理的一大难题。根据原农业部的统计，我国每年畜禽养殖废弃物产生量约38亿吨，而综合利用率不到60%，畜禽养殖已成为我国农业面源污染的主要来源之一。通过研究分析近30年来我国主要畜禽养殖及其污染的时空变化特征，得出我国单位耕地面积的畜禽氮污染负荷平均已达138 kg·hm-2以上，其中有6省(自治区、直辖市)污染负荷量远远超出了欧盟农业政策规定的粪肥年施氮量限制，对环境构成了极大的潜在威胁与风险[1]。

为有效防治农业面源污染，加强农村环境综合治理，近两年来我国出台了多项政策文件，为畜禽养殖废弃物资源化利用提出了要求和方向。2017年4月，原农业部发布了《重点流域农业面源污染综合治理示范工程建设规划(2016～2020年)》，针对规模化畜禽养殖场，应因地制宜地采用厌氧发酵、粪便堆肥等技术，处理畜禽养殖废弃物。同年6月，国务院办公厅提出了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，指出为了全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用，加快构建种养结合、农牧循环的可持续发展新格局，应以沼气和生物天然气为主要处理方向，以农用有机肥和农村能源为主要利用方向。2018年新年伊始，中共中央、国务院发布了《关于实施乡村振兴战略的意见》，为新时代“三农”工作提出了“产业兴旺、生态宜居、乡风文明、治理有效、生活富裕”的总要求，其中生态宜居是乡村振兴战略的实施关键，应推进有机肥替代化肥、畜禽粪污处理等农业绿色发展行动，加强农村突出环境问题治理。7月23日，生态环境部常务会议审议并原则通过《农业农村污染治理攻坚战行动计划》，打好农业农村污染治理攻坚战既是打好污染防治攻坚战的七大标志性重大战役之一，也是实施乡村振兴战略的重要任务，应强化废弃物循环利用等方面，深化推进废弃物资源化，从而加快补齐农业农村生态环境保护突出短板，为决胜全面建成小康社会打下坚实基础。

在这样的战略要求与政策推动背景下，我国农业领域沼气工程蓬勃发展，农村沼气工程逐步向规模化、大型化的方向转型升级，在畜禽养殖废弃物处理与农业面源污染防治方面发挥出重要作用。沼气工程不仅提供了用于取暖、炊事和照明的清洁能源-沼气，还产生了厌氧发酵剩余物—沼液。沼液可以作为下一级生产活动的原料、肥料、饲料和添加剂等再生利用，即沼液的种养殖业综合利用。

1 沼液种养殖业利用途径

在种植业上，沼液是一种优质、全效的有机肥料[2]，将沼液施用于粮食作物[3-5]、牧草[6]等均具有明显的增产提质效应。近年来，沼液利用技术层出不穷： 1)作为浸种剂。由于沼液中含有多种植物激素类物质，如赤霉素、吲哚乙酸、细胞分裂素等[7]，适宜浓度的沼液浸种可以提高种子发芽率并促进植物幼苗生长[8]。有研究实例表明经过了沼液浸种后的辣椒种子，其出苗率、株高、根长、根毛数均优于清水浸种，其中沼液浓度为80%时效果较好[9]。2)作为杀虫剂。沼液中除含有植物激素类物质外，还含有核酸、单糖、游离氨基酸、维生素和富里酸等有效成分[10-11]，虽然在沼液中的含量不高，但对多种有害病菌和虫卵有抑制效果，从而起到抗病虫害的作用。3)作为无土栽培营养液。沼液既可以作为营养液直接用于水培，也可以用于基质栽培的后续追肥。湖南省农科院通过两年的试验，利用沼液作为营养液进行蔬菜水培，取得较好效果。研究结果表明[12]，应根据沼液的实际营养成分含量，并结合作物的营养需求，补充适量的营养元素，最后用98%磷酸调节pH值到微酸性才能使用。4)作为肥料。农田施用，是沼液最为广泛的利用方式。沼液施用方式种类繁多，如沼液单施、沼液沼渣混施、沼液化肥配施、沼液作追肥根施或叶面喷施等，不同的农田施用方式会形成不同的施用效果(见表1)。

表1 不同沼液施用方式对作物、土壤环境的影响

同样，在养殖业上，沼液与饲料搭配养鸡[17]、鱼[18]、猪[19]等，可以增强动物免疫能力，加快生长，提高经济效益。张全国[20]的研究表明，在粗放饲养条件下利用沼液养猪，猪采食量增加14%、育肥期约缩短20%、日增重提高26%。利用沼液养鱼，可为鱼类提供丰富的营养物质，有研究表明施用沼液的鱼塘藻类总量比施用鲜猪粪鱼塘高36.6%，叶绿素高25.93 mg·m-3[21]。

厌氧发酵过程使得沼液与发酵原料相比，存在一系列不同，如沼液有机质含量，BOD，粘度等低于发酵原料，而pH值和铵态氮含量则高于发酵原料等[22-26]。为了更好地发挥沼液施用效果，并避免沼液的过量、不当施用造成的环境污染，在施用前了解沼液成分是合理施用沼液的基础和前提条件。

2 不同发酵原料的沼液成分对比分析

2.1 数据来源

文章对34个沼气工程进行了文献调研，沼气工程的相关信息如表2所示。调查的34个沼气工程中，以鸡粪、牛粪、猪粪为发酵原料的分别有10，8，16个，位于国内、国外的沼气工程分别有23个和11个，采用的发酵工艺类型主要为混合厌氧反应器(CSTR)、升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、推流式厌氧反应器(plug-flow anaerobic digester)。

表2 沼液成分数据来源及对应沼气工程信息

2.2 统计方法

不同发酵原料对沼液理化性质的影响采用方差分析(ANOVA)法，显著性水平为0.05，使用SPSS 20.0(IBM Corp, Armonk, New York, USA)进行数据统计和差异性分析；作图采用Sigmaplot 12.5(Systat Software, Inc.)。

2.3 结果分析

不同发酵原料沼液样品的pH值，TN，TP，NH4-N浓度的统计如图1～图4所示。结果表明，不同发酵原料的沼液pH值和NH4-N浓度有着明显的差异性，而沼液的TN和TP浓度没有因发酵原料的不同呈现出显著差异性。其中，鸡粪沼液的NH4-N浓度显著高于猪粪沼液与牛粪沼液，这可能是与发酵原料中的总氮含量直接相关[54]。

沼液保留了畜禽养殖废弃物中大部分的N和P等营养元素[55]，且易被作物吸收利用的速效养分含量增加。如靳红梅[22]等通过130 d的厌氧发酵试验发现，猪粪和牛粪发酵出料中NH4-N质量的增幅分别达162%和90%。沼液中含有较高速效营养成分的特征，使得沼液农田施用后能迅速被农作物吸收利用[10]，是沼液作为肥料农田施用的优势之一。

然而，统计结果呈现出的沼液成分含量的差异性与多变性也值得引起注意。沼液成分会受到发酵原料的影响，但即使是同一发酵原料产生的沼液成分也会因接种物来源、厌氧发酵工艺条件等因素表现出不同特性[56]。因此，为了更合理有效地利用沼液，一方面，对沼液只进行一次成分监测分析是远远不够的，有必要对实际沼气工程产生的沼液进行长期、全面的监测；另一方面，在利用沼液前，也应对沼液的营养成分、金属元素进行定量监测分析，为农田施用量、施用时间提供可参考的依据。

图1 不同发酵原料沼液样品的pH值

图2 不同发酵原料沼液样品的TP浓度

图3 不同发酵原料沼液样品的NH4-N浓度

图4 不同发酵原料沼液样品的TN浓度

注:1)实心圆圈为异常值；竖线从左到右依次为除异常值外的最小值、上四分位数、中位数、下四分位数和最大值；◇为各发酵原料沼液的平均值；虚线为总体沼液样品的平均值；n为样品数；不同字母表示差异显著性(p<0.05)。2)同一指标下不同字母(a，b)代表不同发酵原料的沼液间存在显著性差异。

3 沼液肥料化利用现存问题

在沼液肥料化利用过程中，尚存在着不合理利用、不安全利用问题。沼液的不合理利用问题主要体现在施用量、施用时间两方面。沼液的施用量需与作物对营养成分的需求量吻合，这样不仅可以降低沼液过量施用可能会造成的环境风险，也可以提高农民的效益。对于沼液的施用时间，应尽量避免在秋季或冬季施用沼液。德国、瑞典、丹麦等国家根据本国情况，均对沼液施用量、施用时间作出了严格规定[57～58]。然而，我国目前尚无统一的标准规范。

沼液的不安全利用问题主要是由于以畜禽养殖废弃物为发酵原料的沼液中存在大量的重金属元素，有学者通过对沼液样品的测试发现，沼液中重金属元素浓度超标现象严重[59]。若忽略对沼液中重金属的监测、控制，会导致农田中重金属不断积累，从而造成二次污染，最终通过饮水及食物链进入人体内，在人体内蓄积而危害到人体健康。我国目前尚未制定沼液在农田施用方面的专属污染控制标准，在沼液的安全性评估方面研究也较少。

4 建议

沼液利用在全国范围内都有着巨大的发展潜力，对于有效防治农业面源污染，加强农村环境综合治理有着重大意义。为了确保沼液的合理、安全利用，建议加强对沼液营养成分、重金属含量的监测，施用之前事先分析沼液的适用条件，评估沼液利用的安全性，避免发生土壤盐渍化、重金属污染等隐患问题。应尽快建立沼液合理安全利用的标准规范，强化沼液肥料化利用的规范化和程序化措施。为了推动沼液在全国的综合、广泛应用，建议加强对沼液利用工程技术方面的研究，包括浓缩型沼液技术，沼液有益成分分离、提取、浓缩技术，以及沼液喷灌、滴灌等机械化推广性施肥技术，以提高沼液中养分循环利用的高效性，促进区域内肥料化利用沼液的可操作性、可持续性。