實施鄉村振興戰略下畜禽養殖廢棄物利用

張笑千， 王 波， 王夏暉， 張曉麗， 鄭利杰

(生態環境部環境規劃院， 農村環境保護中心， 北京 100012)

近年來，我國規模化畜禽養殖水平顯著提高，但產生了大量的畜禽養殖廢棄物未得到有效處理與利用，成為農村環境治理的一大難題。根據原農業部的統計，我國每年畜禽養殖廢棄物產生量約38億噸，而綜合利用率不到60%，畜禽養殖已成為我國農業面源污染的主要來源之一。通過研究分析近30年來我國主要畜禽養殖及其污染的時空變化特征，得出我國單位耕地面積的畜禽氮污染負荷平均已達138 kg·hm-2以上，其中有6省(自治區、直轄市)污染負荷量遠遠超出了歐盟農業政策規定的糞肥年施氮量限制，對環境構成了極大的潛在威脅與風險[1]。

為有效防治農業面源污染，加強農村環境綜合治理，近兩年來我國出臺了多項政策文件，為畜禽養殖廢棄物資源化利用提出了要求和方向。2017年4月，原農業部發布了《重點流域農業面源污染綜合治理示范工程建設規劃(2016～2020年)》，針對規模化畜禽養殖場，應因地制宜地采用厭氧發酵、糞便堆肥等技術，處理畜禽養殖廢棄物。同年6月，國務院辦公廳提出了《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》，指出為了全面推進畜禽養殖廢棄物資源化利用，加快構建種養結合、農牧循環的可持續發展新格局，應以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以農用有機肥和農村能源為主要利用方向。2018年新年伊始，中共中央、國務院發布了《關于實施鄉村振興戰略的意見》，為新時代“三農”工作提出了“產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富?！钡目傄?，其中生態宜居是鄉村振興戰略的實施關鍵，應推進有機肥替代化肥、畜禽糞污處理等農業綠色發展行動，加強農村突出環境問題治理。7月23日，生態環境部常務會議審議并原則通過《農業農村污染治理攻堅戰行動計劃》，打好農業農村污染治理攻堅戰既是打好污染防治攻堅戰的七大標志性重大戰役之一，也是實施鄉村振興戰略的重要任務，應強化廢棄物循環利用等方面，深化推進廢棄物資源化，從而加快補齊農業農村生態環境保護突出短板，為決勝全面建成小康社會打下堅實基礎。

在這樣的戰略要求與政策推動背景下，我國農業領域沼氣工程蓬勃發展，農村沼氣工程逐步向規?；⒋笮突姆较蜣D型升級，在畜禽養殖廢棄物處理與農業面源污染防治方面發揮出重要作用。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，還產生了厭氧發酵剩余物—沼液。沼液可以作為下一級生產活動的原料、肥料、飼料和添加劑等再生利用，即沼液的種養殖業綜合利用。

1 沼液種養殖業利用途徑

在種植業上，沼液是一種優質、全效的有機肥料[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提質效應。近年來，沼液利用技術層出不窮： 1)作為浸種劑。由于沼液中含有多種植物激素類物質，如赤霉素、吲哚乙酸、細胞分裂素等[7]，適宜濃度的沼液浸種可以提高種子發芽率并促進植物幼苗生長[8]。有研究實例表明經過了沼液浸種后的辣椒種子，其出苗率、株高、根長、根毛數均優于清水浸種，其中沼液濃度為80%時效果較好[9]。2)作為殺蟲劑。沼液中除含有植物激素類物質外，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)作為無土栽培營養液。沼液既可以作為營養液直接用于水培，也可以用于基質栽培的后續追肥。湖南省農科院通過兩年的試驗，利用沼液作為營養液進行蔬菜水培，取得較好效果。研究結果表明[12]，應根據沼液的實際營養成分含量，并結合作物的營養需求，補充適量的營養元素，最后用98%磷酸調節pH值到微酸性才能使用。4)作為肥料。農田施用，是沼液最為廣泛的利用方式。沼液施用方式種類繁多，如沼液單施、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，不同的農田施用方式會形成不同的施用效果(見表1)。

表1 不同沼液施用方式對作物、土壤環境的影響

同樣，在養殖業上，沼液與飼料搭配養雞[17]、魚[18]、豬[19]等，可以增強動物免疫能力，加快生長，提高經濟效益。張全國[20]的研究表明，在粗放飼養條件下利用沼液養豬，豬采食量增加14%、育肥期約縮短20%、日增重提高26%。利用沼液養魚，可為魚類提供豐富的營養物質，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]。

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

2 不同發酵原料的沼液成分對比分析

2.1 數據來源

文章對34個沼氣工程進行了文獻調研，沼氣工程的相關信息如表2所示。調查的34個沼氣工程中，以雞糞、牛糞、豬糞為發酵原料的分別有10，8，16個，位于國內、國外的沼氣工程分別有23個和11個，采用的發酵工藝類型主要為混合厭氧反應器(CSTR)、升流式厭氧污泥床反應器(UASB)、推流式厭氧反應器(plug-flow anaerobic digester)。

表2 沼液成分數據來源及對應沼氣工程信息

2.2 統計方法

不同發酵原料對沼液理化性質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)進行數據統計和差異性分析；作圖采用Sigmaplot 12.5(Systat Software, Inc.)。

2.3 結果分析

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

沼液保留了畜禽養殖廢棄物中大部分的N和P等營養元素[55]，且易被作物吸收利用的速效養分含量增加。如靳紅梅[22]等通過130 d的厭氧發酵試驗發現，豬糞和牛糞發酵出料中NH4-N質量的增幅分別達162%和90%。沼液中含有較高速效營養成分的特征，使得沼液農田施用后能迅速被農作物吸收利用[10]，是沼液作為肥料農田施用的優勢之一。

然而，統計結果呈現出的沼液成分含量的差異性與多變性也值得引起注意。沼液成分會受到發酵原料的影響，但即使是同一發酵原料產生的沼液成分也會因接種物來源、厭氧發酵工藝條件等因素表現出不同特性[56]。因此，為了更合理有效地利用沼液，一方面，對沼液只進行一次成分監測分析是遠遠不夠的，有必要對實際沼氣工程產生的沼液進行長期、全面的監測；另一方面，在利用沼液前，也應對沼液的營養成分、金屬元素進行定量監測分析，為農田施用量、施用時間提供可參考的依據。

圖1 不同發酵原料沼液樣品的pH值

圖2 不同發酵原料沼液樣品的TP濃度

圖3 不同發酵原料沼液樣品的NH4-N濃度

圖4 不同發酵原料沼液樣品的TN濃度

注:1)實心圓圈為異常值；豎線從左到右依次為除異常值外的最小值、上四分位數、中位數、下四分位數和最大值；◇為各發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；不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。2)同一指標下不同字母(a，b)代表不同發酵原料的沼液間存在顯著性差異。

3 沼液肥料化利用現存問題

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在施用量、施用時間兩方面。沼液的施用量需與作物對營養成分的需求量吻合，這樣不僅可以降低沼液過量施用可能會造成的環境風險，也可以提高農民的效益。對于沼液的施用時間，應盡量避免在秋季或冬季施用沼液。德國、瑞典、丹麥等國家根據本國情況，均對沼液施用量、施用時間作出了嚴格規定[57～58]。然而，我國目前尚無統一的標準規范。

沼液的不安全利用問題主要是由于以畜禽養殖廢棄物為發酵原料的沼液中存在大量的重金屬元素，有學者通過對沼液樣品的測試發現，沼液中重金屬元素濃度超標現象嚴重[59]。若忽略對沼液中重金屬的監測、控制，會導致農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入人體內，在人體內蓄積而危害到人體健康。我國目前尚未制定沼液在農田施用方面的專屬污染控制標準，在沼液的安全性評估方面研究也較少。

4 建議

沼液利用在全國范圍內都有著巨大的發展潛力，對于有效防治農業面源污染，加強農村環境綜合治理有著重大意義。為了確保沼液的合理、安全利用，建議加強對沼液營養成分、重金屬含量的監測，施用之前事先分析沼液的適用條件，評估沼液利用的安全性，避免發生土壤鹽漬化、重金屬污染等隱患問題。應盡快建立沼液合理安全利用的標準規范，強化沼液肥料化利用的規范化和程序化措施。為了推動沼液在全國的綜合、廣泛應用，建議加強對沼液利用工程技術方面的研究，包括濃縮型沼液技術，沼液有益成分分離、提取、濃縮技術，以及沼液噴灌、滴灌等機械化推廣性施肥技術，以提高沼液中養分循環利用的高效性，促進區域內肥料化利用沼液的可操作性、可持續性。