沼液濃縮液與粗木醋液農田混合施用的應用前景及潛在環境效應探討

童文彬，周旭健，劉銀秀，葉強，秦唐勇，聶新軍，李子川，柴彥君

(1.衢州市衢江區土壤肥料技術推廣站，浙江 衢州 324022； 2.浙江天地環保科技有限公司，浙江 杭州 311121； 3.浙江省農業生態與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 4.衢州市寧蓮牧業有限公司，浙江 衢州 324000； 5.浙江科技學院環境與資源學院 浙江省廢棄生物質循環利用與生態處理技術重點實驗室，浙江 杭州 310023)

目前，在農業廢棄生物質資源化利用研究中，關于規模化沼氣工程生產過程中殘留的沼渣和秸稈熱解炭化產生的秸稈生物炭在土壤培肥和環境修復方面的研究較多，而關于沼氣工程產生的沼液和秸稈炭化產生的粗木醋液對農田無機氮循環影響的研究相對較少。此外，為了解決沼液產生量大、存儲和運輸成本高的難題，近年來逐漸規模化應用的沼液膜濃縮技術產生的沼液濃縮液已被用來作為液體肥料施用到農田中。然而，施用沼液濃縮液對農田土壤氨揮發和硝酸根流失的影響，以及沼液濃縮液與秸稈炭化產生的粗木醋液混合施用對沼液濃縮液養分緩釋和農田無機氮循環的作用效果尚不清楚。

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

1 沼液農業應用與膜濃縮技術進展

沼液是規模化沼氣生產過程中排放的廢棄發酵液經干濕分離后產生的高濃度有機廢水，具有產生量大(按利用率75%、含水率70%計算，預計到2020年全國沼液年產生量約20億t)、有機碳和營養元素濃度較高，以及化學與生物化學需氧量高的特點，直接排放到環境中會造成原位土壤和下游水體的二次污染[7]。當前，沼液主要通過農田就近消納、制作高附加值濃縮液體肥、自然生態凈化，以及工業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用于農田因其消納量大，尤其是可利用NH4+部分替代氮肥，而成為沼液生態消納的主要處理方式。然而，沼液農田消納面臨儲存、運輸和管路維護費用高的難題，而沼液無害化工業處理通常會陷入運行費用高昂的困境，因此，沼液的去向問題嚴重制約畜禽養殖資源化利用和規模化沼氣工程的建設。此外，沼液的養分組成因來料類型、發酵溫度、取樣季節和技術工藝的差異而存在較大的波動，這導致沼液的農田生態消納和無害化工業處理的標準化存在較大的不確定性，如果定期對來源龐雜的沼液進行跟蹤監測，無疑會極大地提高沼液的資源化利用成本。因此，開發低成本、高效率的沼液濃縮技術，制定沼液濃縮等級標準是當前規模化沼氣工程建設中亟待攻克的技術難題。

2 秸稈木醋液生產及其應用

秸稈木醋液是秸稈熱裂解氣化過程中除生物質炭和燃氣外，室溫下冷凝出的液體副產物。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與組分，這就使得此類粗木醋液因工業精制成本太高而無法進行工業應用。農業廢棄生物質熱解炭化中粗木醋液的產率通常為26%～44%[22-23]，預計到2020年，我國每年因秸稈炭化產生的粗木醋液將超過1.2億t(按秸稈熱解炭化利用率60%計算)。與秸稈熱裂解產生的生物炭通常被用于土壤培肥或制作環境修復材料相比，這部分粗木醋液如果利用不好，會造成生物質資源的浪費和環境污染，因此，亟須拓展其在農業生產中的低成本應用。

粗木醋液中含有大量的有機酸、醇類、酚類和酮類等有機物質，具有殺菌防病防蟲和改良土壤的作用，以及降低農藥和肥料用量的效果[23-24]。粗木醋液作為農林廢棄物熱裂解過程中的液態副產品，經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，以及醫學等領域[25-26]。相較于由單一原料制作的粗木醋液所對應的特定精加工技術，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，在當前推進化肥、農藥減量增效、促進綠色農業發展的背景下，拓展粗木醋液在農業領域中的應用是全面推進秸稈氣化清潔能源利用和解決秸稈炭化產生的大量粗木醋液資源化利用的重要發展方向。

3 沼液濃縮液與粗木醋液農田混合施用的應用前景與潛在環境效應

4 面臨的挑戰與突破方向

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生風險，因此，農田施用沼液可能會給區域糧食安全和人類健康產生不確定的影響[8, 14]。為了應對沼氣生產過程中的沼液生態處理難題，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進行開發和應用，并研究和制定沼液田間精準施用的技術規范，以逐步解決沼液生態消納的二次污染難題。相比較于低壓蒸發或冷凍干燥技術對沼液的濃縮效果，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可調的優勢。由于沼氣發酵的原料類型、發酵溫度、沼液抽取時間等因素變化導致沼液濃縮液的濃度同樣會存在一定的波動，給沼液濃縮液的農田定量施用和優化與粗木醋液的混合比例等帶來極大不便；因此，構建規模化且便于通過線上或線下監測養分濃度的沼液膜濃縮系統也是未來沼氣工程建設項目中需要重點考慮的問題。此外，通過線上養分濃度監測系統調節沼液濃縮的膜循環頻次，提升沼液的膜濃縮效率等也是未來沼液膜濃縮技術的重要探索方向。總的來看，如何保持沼液濃縮液養分物質組成和濃度的穩定性，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開發的關鍵。

充分了解沼氣發酵過程中養分的遷移轉化及其在土壤、大氣和水體中的分配特征是評價畜禽養殖和作物秸稈廢棄物生態處理和資源化利用的重要參考指標。比較而言，國外發達國家在畜禽養殖和農林種植的高效銜接方面技術比較成熟，主要通過農牧結合的方式解決沼液消納的問題，通過地區或區域養分的系統管理基本上實現了對地區農牧系統氮磷等營養物質的環境排放、食物鏈轉移和生物地球化學循環的定量分析，并通過模型模擬和現場監測精準控制氮、磷等營養物質在養殖場-土壤-作物(或水體)間的源匯耦合過程循環，最終在地區和區域尺度上達到畜禽廢棄物妥善處理和充分資源化利用的目標。因此，通過畜禽養殖和作物秸稈廢棄物中養分物質的全生命周期循環理論[32]來指導沼液膜濃縮工藝開發和改善農田沼液濃縮液及其與粗木醋液混合施用的農藝學貢獻和環境效應，將成為評價畜禽養殖和作物秸稈廢棄物生態處理和資源化利用的關鍵。

5 建議與展望