畜禽糞便基質化利用典型技術模式研究進展

姚 利，辛淑榮，趙自超

（1山東省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟南 250100；2農業(yè)農村部廢棄物基質化利用重點實驗室，濟南 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，已成為巨大的農業(yè)污染源，處理不當將會給生態(tài)環(huán)境帶來極大的威脅。據農業(yè)農村部2017年《關于推進農業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》中估算，全國每年產生畜禽糞污38億t，綜合利用率不到60%，也就是說有15.2億t糞污浪費。

畜禽糞便的資源化方式主要是作為肥料、能源、基質、飼料、墊料利用，其中肥料化和農田利用約占65%～75%、沼氣化利用僅占1%左右[1-2]，基質化和飼料化應用也相對較少。基質化是“種植業(yè)工廠化”的核心，基質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，代表了農業(yè)現代化的發(fā)展方向。無土栽培和工廠化育苗的發(fā)展需要大量質優(yōu)價廉的基質，基于環(huán)境目標和提供可替代廉價基質的考慮，利用畜禽糞便生產性能穩(wěn)定、養(yǎng)分豐富且適宜規(guī)模化生產的基質產品，是目前中國高效生態(tài)農業(yè)提質升級、農業(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、有機質和微量元素，以合適比例添加到基質中可提高基質品質[3]，促進作物根芽生長[4]。但畜禽糞便種類、產地及理化特性的不確定性，造成基質性狀穩(wěn)定性差等原因未能在生產上大規(guī)模使用。目前畜禽糞便基質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復配，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[5-7]，但對于畜禽糞便不同生物轉化方式形成的基質化技術模式，以及其應用方式缺少總結及分析，難以指導生產實踐。

本研究針對畜禽糞便的特點和指標特性、基質化利用的技術模式以及今后的發(fā)展方向等內容進行了綜述和探討，旨在為加快生物基質技術創(chuàng)新的步伐，引導種養(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

1.1 理化特性

據統(tǒng)計，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。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 7.6～8.0，一般不會對作物生長造成不利影響。4種主要畜禽糞便的電導率（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]。通常認為，基質的可溶性鹽含量在500～1000 mg/kg，EC≤1.25 mS/cm，超出范圍有可能對植物根系構成滲透逆境[15]。基質鹽分的適用范圍同時與灌溉水的鹽分、灌溉方式、營養(yǎng)液施用、基質槽密閉性等因素相關。育苗基質相對栽培基質來說，適宜的EC值更低，《蔬菜育苗基質》(NY/T 2118—2012)規(guī)定，電導率指標在0.1～0.2 mS/cm范圍。總體而言，畜禽糞便用作育苗或栽培基質，鹽分指標偏高，需要進行脫鹽處理或調整在基質中的添加比例。

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

1.2 基質特性指標

基質作為作物生長的介質，要能夠為作物生長提供良好的水、氣、肥根際環(huán)境，應具有支持、固定植株的功能。為滿足以上功能，基質需要具備以下特性：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。表征基質特性的指標主要有總孔隙度、容重、大小孔隙比（氣水比）、粒徑、電導率和陽離子交換量等。畜禽糞便經過無害化和腐熟后，可成為營養(yǎng)豐富、粒度較細、性質穩(wěn)定的基質，為滿足孔隙度要求，通常需要調節(jié)基質粒徑，可添加其他孔隙度較高的材料進行級配，如椰糠、秸稈、食用菌菌渣等有機物料或珍珠巖、蛭石等無機物料。

表1 主要畜種糞便理化特性

2 畜禽糞便基質化利用技術模式

2.1 “畜禽糞便—加入輔料—好氧堆肥—后處理—蔬果栽培基質”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行好氧堆肥發(fā)酵，獲得高腐殖質的堆肥，再根據作物品種需求適當添加輔料，制備符合要求的基質。該模式在番茄、黃瓜和草莓等作物的栽培和育苗基質中均進行了研究和應用，可提高作物產量和品質，經濟效益和生態(tài)效益顯著。蔬菜栽培及育苗基質配方中，按質量畜禽糞可占比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節(jié)基質性能，實現草炭土部分或完全替代。如董強研究將腐熟牛糞、腐熟金針菇菌渣、爐渣按4:5:1比例配制育苗基質，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)型基質栽培對草莓生長狀況、產量、果實品質均優(yōu)于土壤栽培。將牛糞、羊糞、河沙以不同配比制備的基質種植黃瓜，果實品質、果實特性和產量等方面都表現較好，其產量達到95.00 t/hm2以上[7]。腐熟羊糞:草炭:珍珠巖=1:1:1的基質配方可提高番茄出苗率，促進幼苗株高、莖粗、葉片數、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—覆土改良技術—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），工藝設施簡易，轉化效率高，經濟效益顯著，并可實現菌菜連作，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預處理，牛糞提前建堆發(fā)酵15～20天。原料準備好后，先將玉米芯在大棚里鋪設成畦，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、黃瓜等蔬菜進行連作，可顯著改善土壤理化性質，增加土壤微生物數量[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%石灰水澆透預堆，使含水量達到60%左右，覆膜悶堆1天以殺滅螨蟲。將預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℃，結束時培養(yǎng)料應呈現淺咖啡色，草料不易拉斷，不刺手，略有氨味。將培養(yǎng)料快速運入菇房，經二次發(fā)酵5～6 h后接入菌種。根據配方不同，雙孢菇栽培配方中牛糞占比可達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”模式

該模式是將厭氧發(fā)酵后的畜禽糞便經過干燥粉碎，通過脫堿、脫鹽、改性等措施，改善沼渣的基質特性，再與菌渣、稻殼、蛭石、珍珠巖等物料復配，得到性質優(yōu)良的育苗栽培基質。例如沼渣經黑曲霉改性后，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]，可改善基質的吸水性和團粒結構。

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配黃瓜育苗基質，可以提高復合基質的通氣孔隙功能，出苗率均大于93%，最高達99%，達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[21]。沼渣用作基質可提高蔬菜產量和品質，純沼渣栽培的黃瓜、番茄、甘藍等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[23]。

2.4 “畜禽糞便—過腹轉化—蟲糞—生物基質利用”模式

該模式是基于過腹轉化將畜禽糞便轉化為高質量的生物基質，構建高值化的循環(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，在黃瓜、番茄、茄子、草莓等作物上均有應用。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作用[24]；椰糠:蚯蚓糞=2:1的基質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并提前收獲[26]。也有研究發(fā)現在黃瓜育苗基質中摻入少量黃粉蟲糞（體積比1:160），即可使黃瓜育苗的指標明顯提高[27]，育苗基質中添加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]。畜禽糞便過腹轉化產物具有營養(yǎng)元素豐富、養(yǎng)分均衡的特點，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、基質配方缺少標準等問題，蟲糞殘留的污染物成分和含量也有差別，這些因素都會影響到基質化利用的品種及基料配比，其應用推廣技術有待于進一步研究。

3 展望

3.1 基質化是畜禽糞便實現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，經過適當的處理后可以完全或部分替代草炭土，作為育苗栽培基質的主要成分。畜禽糞制備的基質在營養(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，可以減少化肥和農藥施用、提高作物產量和品質。特別是在國產泥炭儲量持續(xù)下降、泥炭進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、提高農業(yè)生產效益方面必將發(fā)揮更大的作用。

3.2 選擇適宜的畜禽糞便無害化技術

畜禽糞便水分含量高，含有有害微生物，養(yǎng)分多為有機態(tài)或緩效態(tài)，直接農田利用會造成水、土、大氣污染，傳染病蟲害且容易燒苗，因此通常采用生物轉化腐熟后方可農用，好氧堆肥、厭氧發(fā)酵或過腹轉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，提高畜禽糞便基質化利用的安全性。

3.3 制定農業(yè)廢棄物基質化利用標準體系

目前尚無針對廢棄物基質的國家標準和行業(yè)標準，現有的《蔬菜育苗基質》(NY/T 2118—2012)是以進口泥炭的指標進行規(guī)定，對EC等指標限制較高，以廢棄物為原料制備的基質難以達到，且對廢棄物原料中含有的抗生素、農殘等特征污染物未進行規(guī)定，不符合生物基質的特點。基質的用途不僅限于育苗，不同作物的育苗需求也各不相同，單一的標準難以涵蓋多數基質產品的應用范圍。因此對不同廢棄原料、作物和用途的基質，有必要開展包含畜禽糞便在內的農業(yè)廢棄物基質化利用的標準化技術研究，通過蔬菜品種選擇、處理技術、基質配伍等技術研究，以及特性指標的檢測分析方法的明確，建立包含畜禽糞便在內的農業(yè)廢棄物基質化利用標準體系，為生物基質的應用和推廣提供技術支持。