畜禽糞污沼液肥料化利用及優化途徑

文│楊子森 程彩虹 張亞強 焦光月（山西省生態畜牧產業工作站）

張紀濤 史向遠（山西農業大學山西有機旱作農業研究院）

焦翔翔（山西資環股份科技有限公司）

隨著畜禽規模化養殖逐漸擴大，隨之而來的糞污排放量不斷增加。沼氣作為處理畜禽糞污的主要工程措施之一，可以有效解決畜禽糞污處理的難題。目前，沼氣工程發酵液中干物質濃度一般為6%～12%，發酵周期為28～40天，這對于規模化沼氣工程的沼液排放量較大。沼液作為處理糞污的附屬產物，適宜處置和資源化利用對于沼氣工程的運營具有重要意義。

沼液中含有有機質、大量元素、微量元素、多種氨基酸等多種營養物質，兼具速效性和長效型，可以部分代替傳統化學肥料。因此，肥料化利用是沼液增值利用的重要途徑。

一、沼液特性

沼液中除含有大中微量元素之外，還含有17種氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物質，以及揮發性有機成分和有毒重金屬等。不同地區、不同原料、不同厭氧發酵工藝所產生的沼液營養元素含量差異較大。倪中應等（2017）從長三角地區的養豬場、養牛場和一般農戶的39個沼液中檢測結果表明，沼液中的氮、磷、鉀含量與組分變化很大。饒中秀等（2019）對長沙地區的規模化養豬場的沼液調研也得到相似結果。

沼液的養分含量影響因素是多方面的。一般以雞糞為原料的沼液中養分總含量高于牛糞、豬糞的沼液。沼液營養成分總含量隨儲存時間延長不斷降低，且溫度越高，營養成分損失率越大。在沼液儲存過程中有機質含量變幅較小，氮、磷、鉀總量明顯降低，開放儲存到50天時，氮、磷、鉀降幅達到80%以上，而密閉儲存的沼液氮、磷、鉀降低少。一般情況下，厭氧發酵時間越長，沼液穩定性越好。此外，沼液的末端處理方式也會造成養分的損失。曲明山等（2013）試驗表明過篩后的沼液中氮、磷、鉀含量會降低，不同清糞工藝對沼氣工程產生的沼液養分含量也有影響。

沼液中還含有豐富的微生物，且沼液中的微生物種類差異較大。王旭輝等（2019）利用高通量測序技術檢測表明，沼液中的細菌主要為擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門，主要的真菌門是子囊菌門和擔子菌門。沼液中還含有復雜的有機化合物。吳慧斌等（2015）從雞糞沼液濃縮物里分離出四個化合物，其中一個為新化合物，將其命名為24-降齊墩果烷-4，12-二烯-3，22-二酮，其余3個為8-羥基-3，4-二氫喹啉-2酮、（E）-3-（2-羥基苯）丙烯酰胺、苯乙酸。

二、沼液及其配施化肥對土壤環境與作物生長的影響

1.沼液對土壤的改良作用及風險。

（1）沼液對土壤肥力的影響。發酵原料在厭氧發酵過程中損失的主要元素為碳、氮、硫等，在沼渣、沼液中會殘留大部分的礦物質營養元素。沼液的合理施用，可以有效改善土壤環境，提高土壤肥力。鄭健等（2019）試驗表明灌施沼液能降低土壤容重、增加土壤的總孔隙度和含水率。羅偉等（2019）在成都平原地區沖積性水稻土上試驗表明，施用沼液能提高土壤氮、鉀元素含量，但需配施適量的磷、鉀肥才能維持土壤養分平衡。孫天姿等（2020）試驗表明，施用餐廚垃圾消化沼液制備的液態菌肥可以提高土壤有效氮、有效磷的含量，改善農田土壤的有機組分和土壤肥力。鞏明明（2017）在旱作玉米的土壤上追施沼液可提高土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。宋麗芬等（2017）研究雞糞沼液在大田油菜上施用，提高了土壤的pH值和有機質。王康等（2019）研究表明施用300噸/公頃雞糞沼液能夠促進降低鹽堿地和灘涂土壤的容重、EC值、氯離子含量，提高有機質、有效氮、有效磷、速效鉀含量，以及微生物數量。唐華等（2011）試驗表明灌溉沼液可增加土壤全氮、全磷、有機質含量和電導率等，提高了土壤脲酶活性。楊益瓊等（2016）試驗證明施用沼液提高了土壤養分含量。

（2）施用沼液對土壤生態安全的影響。沼液中還有部分重金屬元素，施用沼液可能造成土壤或植物受到污染。宋麗芬等（2017）研究施用雞糞沼液增加了土壤的鉛、鉻、砷、鎘等重金屬含量。湯逸帆等（2019）以江蘇濱海稻麥輪作田為對象的試驗表明，沼液施用5a后，雖然土壤和作物籽粒中銅、鋅、鉛、鎘均未超標，但土壤銅和鋅顯著富集，小麥和水稻籽粒的鋅含量隨沼液施用年限增加而增加。郭全忠等（2020）指出施用沼液會造成土壤養分和鹽分快速累積，給土壤環境帶來較大的污染風險。許文志等（2019）也指出長期施用沼液，需注意土壤磷素及總銅和總鋅含量增高帶來的生態風險。

2.沼液對作物生長的影響及適宜用量。

（1）施用沼液對作物生長和品質的影響。沼液的合理施用可以改善作物品質，部分代替化肥，保障或提高作物產量。據報道，沼液對土壤種植的苜蓿、玉米、油菜、堿蓬和蘆葦、黑麥草、白菜、薄皮甜瓜、辣椒、小白菜、小麥、大麥、番茄、茭白、毛竹、棉花等多種作物或植物的生長、品質、產量等有改善效果。在水培條件下，40%的沼液替代營養液提升了生菜產量，同時提高了可溶性糖、可溶性蛋白含量，降低了硝酸鹽含量。

（2）沼液在作物上的適宜用量。因作物養分需求特性不同，沼液的適宜施用量不同。25%～50%的沼液灌溉可以提高苜蓿的產量和營養價值，而種植辣椒的適宜施用沼液濃度為30%，小白菜適宜的沼液滴灌濃度為20%。水稻上適宜的施用量為108～144噸/公頃，同時需要配施磷、鉀肥。對于玉米以45噸/公頃的施用量，在拔節期、抽雄期和灌漿期各追施1次為最佳，過量則造成玉米營養生長旺盛。對于黑麥草，667毫升/千克的沼液灌溉量即可滿足其生長所需。劉庭付等（2019）指出沼液作為茭白的追肥，每畝不宜超過5噸，化肥可以減量施用50%。另外，沼液基肥施用效果優于追肥施用。

（3）沼液在作物生產上的生防作用。沼液對病蟲害還具有防治作用，與農藥配施可以改善防治效果，降低農藥使用量。李鈺飛等（2020）通過試驗證明種植前沼液淹沒土壤可抑制根結線蟲，防效率高達97.1%。孫星星等（2020）指出合理使用沼液及與殺蟲劑能夠有效控制大麥蚜蟲的發生。王洪濤等（2020）報道雞糞沼液能夠提高氟啶蟲酰胺對蘋果黃蚜的防效，可減少化學農藥氟啶蟲酰胺用量10%～20%。

三、沼液濃縮對養分含量的影響

1.沼液的濃縮工藝。沼液中的氮、磷、鉀總含量一般均低于10克/升，與相關的肥料標準要求有較大差距。沼液中的大量營養元素含量遠低于肥料標準中的要求，因此沼液不適宜于遠距離運輸使用。沼液濃縮可以回收沼液中營養物，使沼液體積減量化，進而提高沼液營養物質濃度和節約運輸成本。目前，常用的沼液濃縮方式有膜濃縮和蒸發濃縮。膜濃縮包括微濾、納濾、超濾、反滲透、正滲透等工藝。蒸發濃縮包括循環蒸發、沼液負壓蒸發濃縮、三效蒸發濃縮、低溫蒸發、常壓蒸發和減壓蒸發等。

2.濃縮對沼液養分含量的影響。沼液通過膜濃縮后，易造成養分損失。宋成芳等（2011）采用“預處理+超濾膜分離器”濃縮的20倍牛糞沼液的氮、磷、鉀分別由170、50、340毫克/升提高到1934、669、425毫克/升，而豬糞沼液總的氮、磷、鉀分別由320、42、350毫克/升提高到2239、481、354毫克/升。白曉鳳等（2015）采用蒸發法濃縮處理沼液，結果表明低溫蒸發對沼液中的氨、氮損失高達98%，但對磷、鉀影響不大。

四、存在的問題與優化利用途徑分析

沼液合理利用是優良的肥料資源，利用不當則造成生態環境污染。沼液的處理方式可以歸納為直接還田消納、自然生態凈化技術、生化處理技術、高附加值開發處理技術等。目前，在生產中仍以還田消納和自然凈化為主。自然凈化周期較長，需要配套場地。還田消納和沼液配肥利用可以合理利用資源，節約化肥，改善土壤生態環境。沼液的肥料化利用還存在著以下方面問題，需進一步深入研究與優化。

第一，沼液利用的生態環境風險問題。首先，需要明確沼液對“土壤—植物”生態系統的影響。不同區域環境、不同作物、不同類型土壤對沼液的重金屬和鹽分的代謝不同，因此需要通過長期定位監測確定安全限值，為合理、安全施用沼液提供技術指導，建立起科學的沼液施肥體系。同時，應在源頭上降低重金屬、抗生素等風險因素進入生態循環中，進而降低沼液在農業生產中的生態安全風險。

第二，不同原料沼液的標準化生產與施用問題。不同原料及其組合所產生的沼液特性不同，導致沼液的施用方式和用量也不相同。陳志龍等（2019）指出目前存在沼液質量標準和無害化標準缺失、沼液還田量缺乏計算依據、沼液還田政策配套不夠完善等問題，需加強沼液無害化還田規范制定、沼液精準還田及沼液還田長效運行機制等方面。從經濟成本考慮，濃縮沼液存在著成本高等問題，未濃縮沼液不適宜于遠距離運輸。對于相對固定的沼氣工程，其服務半徑相對固定，而區域內種植的作物類型及種植制度也基本穩定。因此，在相對固定的區域內，為更好建立沼液標準化肥料利用模式，應對沼氣工程原料、發酵工藝、沼液處理與存放、沼液施用等方面實施標準化管理，以利于建立穩定的種養結合模式，推進區域沼液資源化利用效率。

基于以上問題，首先需要建立和完善適應現階段農業生產的沼液利用配套設施。例如為配合現階段的灌溉方式，可以將沼液輸送到田間，形式為水沼肥一體化灌溉等。其次，制定區域沼肥施用指南，并加強政策監管。建議制定區域沼液安全評價技術導則與施用技術指南，出臺相關激勵補償政策措施等。

五、小結

目前，沼液處理是許多大型沼氣工程亟需解決的問題。養殖企業較化工或煤焦化產業效益低，受成本限制，難以直接使用現有的工業化的水處理工程或設備進行處理后達標排放。為解決沼液對沼氣工程企業的負擔，還應進行深入技術研究、制定積極政策并加強管理，構建高值化綜合利用體系，以建立良好的產業循環模式，促進產業可持續健康發展。