發酵床技術在奶牛養殖中的應用研究進展

李忠玲，岳淑寧，付 博，韓姍姍，張紅艷

（1.陜西省生物農業研究所，陜西 西安 710043；2.陜西省酶工程技術研究中心，陜西 西安 710043；3.陜西省植物線蟲學重點實驗室，陜西 西安 710043）

畜禽養殖污染具有量大面廣、 構成復雜等特點，因監管難度大，其防治與管控已成為我國環境領域的重大挑戰［1］。 隨著畜牧業的發展，奶牛養殖正向著集約化和規?；较蜣D變， 但污染治理在措施與設施方面有待完善， 畜禽規模養殖已成為我國農村地區環境污染的重要來源之一［2］。 據農業農村部統計，2016 年全國奶牛場糞污產量約4億t。 糞污中含有大量有機質和氮、磷、鉀等養分、病原微生物以及Cu、Fe、Zn、Mn 等微量元素和獸藥殘留，因此，糞污在資源化利用過程中存在污染空氣、水體、土壤及傳播疾病等風險［3］。 可見，規?；B牛產生的糞污未能妥善處理，必對環境造成很大的威脅。隨著《中華人民共和國環境保護法》的實施，奶牛養殖企業面臨前所未有的壓力與挑戰，部分企業因環評不達標面臨嚴重后果［4］。 新型微生物發酵床技術的誕生與推廣， 從根本上解決了奶牛養殖企業對環境污染的后顧之憂，基本實現了“零排放”和內部衛生環境的無污染。

1 發酵床技術原理和發酵床中的微生物

1.1 發酵床技術原理

發酵床養殖技術的核心在于利用功能強大的有益微生物菌群，長期、穩定、持續地將動物糞尿轉化利用，基本實現“無污染、零排放”目標，是公認的生態環保型養殖模式［5］。 動物的排泄物中有較多的水分，部分纖維素、蛋白質、脂肪等有機物和少量的灰分［6］。 有機物降解整個生物化學過程都是在微生物分泌酶的作用下進行的酶促反應［7］。 發酵床中的微生物菌群，以有氧呼吸為基礎，通過微生物產生大量的酶，降解、轉化糞尿中的有機物，將糞尿氧化分解為CO2和H2O， 并產生大量的熱量。 有機物中的纖維素、脂肪、蛋白質等大分子物質通過纖維素酶、脂肪酶、蛋白酶等的協同作用，降解為多糖、脂肪酸、多肽等小分子化合物，并繼續降解為單糖、乙酰CoA、氨基酸等單體。 部分單體被微生物利用， 大部分進一步分解散發到空氣中。 灰分的主要成分是磷酸鹽、氯化物及鈣、鎂、鉀、鈉等鹽類，因其不易降解而長期留存于發酵床內。發酵床養殖不但可以基本實現牛舍（欄、圈）無異味、免沖洗，而且，發酵床中的有益菌群以牛的糞尿為基礎營養物質進行快速繁殖，搶占生態位，抑制、殺滅病原微生物，實現健康養殖［8-9］。

1.2 發酵床中的微生物

發酵床養殖技術中糞尿的分解是通過墊料中微生物群落的繁殖代謝活動實現的，因此，墊料中牛糞的腐熟、發酵溫度、除臭效果以及對病原菌的抑制效果都受微生物生長與活動情況的影響。 發酵床微生物優勢菌及微生物群落結構多樣性變化規律的研究尤為重要。

唐艷華等［10］對發酵床表層、中層、深層細菌的16S rDNA 和真菌的ITS 進行序列測定， 結果表明在不同深度的發酵床墊料中微生物的豐度、 多樣性、相似性、優勢菌群不同。 發酵床中層微生物的多樣性遠高于表層和深層， 細菌的多樣性和豐度遠高于真菌， 而且， 真菌中有大量未被分類的真菌。藍江林等［11］研究發現，發酵床中微生物群落結構中細菌的豐度最高，其次是放線菌，真菌最少。同樣，李志宇［12］研究發現，發酵床的微生物中無論在什么時期細菌的數量都高于真菌。 盧舒嫻［13］指出微生物發酵床中細菌是優勢菌，分布數量達到了108數量級，而放線菌和真菌的分布數量相對于細菌低3～4 個數量級。管業坤等［14］研究表明，發酵床墊料菌群主要由4 個門組成：擬桿菌門（27.66%～60.93%）、厚壁菌門（13.41%～34.21%）、變形菌門（10.28%～14.71%）和放線菌門（4.63%～26.24%）。朱雙紅［15］研究表明，厚壁菌門細菌對墊料中有機質的降解具有重要作用，尤其是芽孢桿菌屬細菌和梭菌屬細菌，在一年期墊料樣品和二年期墊料樣品中都是優勢菌；在三年期墊料樣品中變形菌門細菌出現較多，主要參與氮、硫等物質的轉化；擬桿菌門細菌主要參與碳循環。 邱凌［16］研究表明，發酵床在運行過程中，墊料中不同類型微生物的動態有所不同，雖然大多數微生物數量呈下降趨勢，但下降的特點有所不同。 隨著發酵時間延長，墊料中菌群的多樣性降低，穩定性提高。 王遠孝等［17］研究表明，糞便中的微生物對于發酵的形成和維持具有重要作用。

2 發酵床的管理

要確保微生物菌群對牛糞尿的消化分解能力維持在較高的水平， 必須保持發酵床中有益微生物菌群處于優勢地位，因此，發酵床的日常管理尤為重要。管理發酵床，實質上就是管理發酵床中的微生物。發酵床主要利用兼性好氧菌的好氧發酵，因此，維持墊料中的含水量、含氧量、溫度、C/N 值等參數在一定水平， 是發酵床保持較高糞尿分解能力的關鍵因素， 為發酵床中有益微生物的繁殖創造有利條件。同時也是抑制病原微生物繁殖、減少疾病發生的重要措施［18］。 以上發酵床參數可以通過控制養殖密度、定期翻拋墊料、補充墊料和微生物等管理手段來實現。

2.1 控制養殖密度

合理的飼養密度是發酵床養奶牛成功因素之一。因為發酵床的體積固定，有益微生物的數量有固定的波動范圍［19］。 墊料中微生物的養料是畜禽糞便，當糞便量過多時會因營養過剩，導致微生物不能將其充分利用，造成分解不完全，增加墊料負擔。李彬輝等［20］研究表明，氨態氮轉化趨勢在不同糞污負荷條件下有所不同， 高負荷條件下更容易造成氮素的損失。 而且在分解有機物的過程中會產生水，增加發酵床的含水量。飼養密度過小則會增大養殖成本。 發酵床要始終保持含有適宜的水分和通透性， 這是保持墊料中菌種擴繁的重要條件之一， 能確保墊料中有益微生物始終維持理想的菌群數量、 較高的繁殖速率和對糞尿的快速分解能力，延長發酵床的使用壽命［4］。 有研究表明，菌群活動在墊料含水量為50%～60%時最為活躍，高于65%時， 會因水分充滿墊料顆粒間的空隙而影響通風， 使墊料中氧氣含量下降， 造成厭氧發酵；含水量低于40%，不利于微生物生長，菌種的活性降低，發酵過程則會被抑制［19-21］。 墊料過干也易揚塵，引發畜禽的呼吸道疾?。?2］。

李倩倩等［18］研究發現，泌乳牛由于排泄量大，糞便較稀，水分較大，發酵床養殖密度以10 m2/頭左右為宜。 然而張曉慧等［23］試驗結果表明發酵床使用9.6 m2/頭的標準養奶牛并不能控制發酵床的水分。 任潔等［6］提出發酵床養殖密度的理想狀態是12～15 m2/頭。 發酵床技術在實際應用中因地域、季節、墊料原料及厚度的不同具有不同的承載量， 實際飼養密度應根據牛的排泄量等條件變化適當調整。

2.2 定期翻拋發酵床墊料

定期翻拋的作用，一是保持發酵床的通透性，主要通過調節翻拋頻率和翻拋深度進行墊料通透性管理，防止墊料板結，確保墊料中的含氧量維持在適宜的水平， 使發酵床在保持較高糞尿分解能力的同時， 抑制病原微生物繁殖， 減少疾病的發生。 氧含量一般保持在5%～18%比較適宜，氧含量低于5%會導致厭氧發酵而產生惡臭；高于18%則會導致墊料溫度過低、病原菌大量存活［21-22］。 另一方面，定期翻拋可將糞便與墊料充分混合均勻，易于消化分解。 而且，定期翻拋有利于水分、CO2等氣體的揮發，降低墊料濕度，改善牛舍環境。 奶牛排泄量大、含水量高，每天可進行2 次25 cm 的翻拋，促使糞便均勻分布并及時分解，減少生蠅蛆［24］。每隔7～10 d 進行1 次25～35 cm 的翻拋，每隔50～60 d 進行1 次深翻到底［4，25-27］。

2.3 及時補充墊料和微生物

隨著發酵床的持續運行， 其墊料也會損耗，應及時補充和更新墊料以保持發酵床性能的穩定。當墊料減少10%后應及時補充新墊料， 并將其與發酵床上的墊料混合均勻［24］。發酵床正常運行時其下層物料無臭味，有時能見到白色菌絲［27］。一般來說，發酵床最上層溫度為25～35 ℃，20 cm 以下的發酵層溫度可達50 ℃，在規范管理的前提下，當高溫段由下層向表層位移，應該及時更新墊料［6］。 在實際應用中，發酵床的表層濕度過高（高于30%），易使墊料板結產生異味，墊料會黏在奶牛身上，影響牛身清潔度，這時也要及時更換墊料。 李倩倩等［18］研究表明， 每隔3～4 個月需補充占初始投入總量5%左右的有益菌，以保持發酵床的有效分解能力。

3 發酵床的應用效果

為奶牛提供舒適的采食環境、躺臥環境以及活動環境，能更好發揮生產性能，提高生產效益［28］。發酵床技術在國內應用時間不長， 沒有該技術的標準生產流程和應用評價標準， 對其使用效果及評價褒貶不一。

3.1 對奶牛健康的影響

發酵床對奶牛健康的影響主要體現在以下幾個方面：第一，減少乳房炎的發生。 孫仁利等［27］使用生物發酵床技術降低了奶牛乳房炎發生率，同時降低了牛奶中體細胞數， 降低了奶牛乳腺被感染的可能。 陳永生等［4］研究結果顯示，使用300 d微生物發酵床后，奶牛乳房炎發病率降低47.0%；第二， 防治肢蹄病。 不舒適的地面會造成奶牛跛行，肢蹄病會影響奶牛的站立時間并影響舒適性。松軟的發酵床表面更利于其躺臥。因此，發酵床有利于防控奶牛肢蹄病。張曉慧等［23］研究表明，肢蹄不健康的奶牛通過在發酵床上飼養大部分肢蹄病康復， 說明發酵床的使用對奶牛肢蹄病恢復有積極的作用。 陳永生等［4］研究結果顯示，使用300 d微生物發酵床后， 肢蹄病發生率降低82.0%。 第三，影響血液免疫指標。 張振斌等［29］研究表明，與拴系飼養奶牛相比， 發酵床飼養奶牛的總膽固醇含量、膽堿酯酶活性都極顯著降低，而其他免疫指標無顯著差異。其中，總膽固醇含量降低了41.3%，說明發酵床飼養模式提高了奶牛脂類的代謝效率，防止膽固醇在體內蓄積。 陳長樂［30］研究發現，發酵床飼養模式促進了生長育肥豬的脂類代謝，降低了血清中總膽固醇含量。 同時，與拴系飼養奶牛相比，發酵床飼養奶牛肝功能較強，其膽堿酯酶含量439.33 U/L，極顯著低于拴系飼養奶牛的809.63 U/L?？赡苁前l酵床養殖改善了環境，提高了機體免疫力、減輕了肝臟負擔。 第四，促進腸道健康。 李東平等［19］報道，發酵床中的微生物可以在一定程度上改善動物腸道菌群，維持代謝平衡，提高機體免疫力，減少疾病。 丘陵［16］研究表明通過發酵床技術飼養奶牛， 并在飼料中添加微生物菌劑進行飼喂后，顯著增加了奶牛腸道菌群的多樣性，使奶牛個體差異降低，同時，促進了腸道內微生物的定植，菌群穩定性提高。

3.2 對奶牛生產性能的影響

孫仁利等［27］研究表明，使用發酵床能提高奶牛產奶性能，日均產奶量提高了5.31%～7.85%。 同時，發酵床養殖提升了牛奶品質，牛奶中體細胞數降低了3.90%～12.53%。陳永生等［4］報道結果顯示，使用微生物發酵床300 d 的試驗組奶牛單產提高18.2%；奶牛產奶高峰期延長22 d。 鄭蒙蒙等［31］指出，發酵床中有益菌群大量繁殖，產生的熱量，可抑制并殺死部分有害病原微生物，減少疾病，減少用藥，降低了牛肉和奶制品中的藥物殘留，改善了肉、奶品質［32-33］。

發酵床養殖技術在奶牛養殖中的應用時間短，部分技術還在探索階段，由于在發酵床制作、管理以及奶牛不同產奶階段和品種的差別， 發酵床的應用效果有所差別。 張振斌等［29］研究表明發酵床與拴系式飼養奶牛日產奶量在統計學上無顯著差異。

3.3 對奶牛舒適度影響

我國畜牧業發展迅速，規?；⒓s化是當前發展趨勢，隨著養殖規模的不斷擴大，如何提高畜產品質量、保障動物福利、保證環境可持續發展是養殖業面臨的新問題。影響奶牛的健康狀況、生產力等因素中，遺傳約占20%，營養占40%～50%，環境占30%～40%，舒適的飼養環境對奶牛發揮遺傳潛力具有重要作用［34］。

第一，對奶牛躺臥和行走舒適度的影響。躺臥時間是衡量奶牛是否舒適的重要指標，一天中躺臥約占50%的時間。 奶牛躺臥可增加乳腺的血流量從而增加產奶；當躺臥減少時，血漿中生長激素濃度降低，影響奶牛健康和生產。張振斌等［29］研究發現，發酵床飼養奶牛臥床躺臥率（75.05%）顯著高于拴系式飼養奶牛（64.74%），說明發酵床飼養奶牛能在一定程度上提高躺臥舒適度。 據李斌等［28］報道，松軟及高摩擦力的地面可提高步速及步長，更有利于奶牛行走，改善奶牛肢蹄的健康，提高舒適度。 據Fregonesi 等［35］報道，奶牛躺臥時間隨飼養密度的增加顯著減少。Tucker 等［36］研究表明，相對于牛床墊，奶牛在厚墊料臥床躺臥時間更長。 發酵床上奶牛沒有被束縛，自由活動，場地面積大，舒適度更高。第二，對奶牛身體潔凈度的影響。通常牛身體污染的主要來源是排泄物的飛濺和牛舍清糞不及時。 董剛輝等［37］研究結果表明，乳房和下腿潔凈度評分對體細胞數有顯著影響（P＜0.05），且隨著乳房、下腿潔凈度評分的增加有上升的趨勢。 Erbez等［38］研究表明，諸多因素影響奶牛的清潔，例如臥床設計與臥床墊料使用的不合理等，進而造成奶牛乳房感染。 張瑞華［39］報道，發酵床對奶牛乳房和牛體清潔度具有積極的影響，牛的清潔度明顯好于其他牛舍。第三，對奶牛居住環境空氣質量的影響。發酵床墊料中的微生物能夠將糞尿中的氮素利用，減少含氮化合物的分解，減少氨氣、硫化氫等臭味物質的產生和揮發，減少污染，保障牛舍的空氣質量［24］。 林啟才等［2］報道，生物發酵床養殖技術與傳統養殖技術的對比分析結果，氨氮削減47%～68%，硫化氫和二氧化硫削減20%～38%，說明添加生物發酵床墊料對養殖場污染物去除效果明顯。同時，李斌等［28］報道指出，發酵床對奶牛糞尿的及時分解改善了養殖環境， 提高了奶牛身體的潔凈度，減少了奶牛由于蚊蠅干擾產生的護體行為， 提高了奶牛的舒適度。 甄永康等［40］研究表明，發酵床牛舍的細菌密度為0.10×104個/m3，極顯著（P＜0.01）低于拴系式牛舍的2.33×104個/m3；發酵床牛舍的噪聲強度為57.6 dB，極顯著（P＜0.01）低于拴系式牛舍的65.3 dB；綜上，發酵床牛舍的環境細菌濃度、噪聲強度與氨氣濃度等均較低， 能夠在一定程度上改善奶牛的舒適度。第四，在寒冷的季節保證溫度，提高奶牛福利。 據報道，奶牛適宜的環境是溫度0.5～20 ℃、濕度55%～80%，據陳永生等［4］報道，在牛舍外溫度為-30～-20 ℃的冬季， 使用發酵床可使牛舍內溫度達到6 ℃以上， 為牛提供了一個舒適的暖床， 延長躺臥時間。 與傳統養殖模式相比，發酵床養牛能明顯改善牛舍空氣質量、改善奶牛躺臥和運動環境、提高身體潔凈度、保障了牛的福利。

4 發酵床技術在糞污處理和資源化利用中存在的問題

4.1 發酵床糞污處理不完全

發酵床在宣傳推廣時最有吸引力的口號是“無污染、零排放”，但張曉慧等［23］報道指出，發酵床在后備牛、 肉牛或干奶期牛群使用時通過降低飼養密度可能確實能夠做到“零排放”，但在泌乳牛群不管規模如何縮減， 總有25%左右的糞尿量（擠奶區域）是發酵床不能處理的。 牛舍采食通道中的糞尿量占總排泄量的60%～70%，也是整個牧場糞尿處理的重點［18］。 當發酵床墊料濕度低于40%時， 該部分糞尿可直接放置于墊料上混合處理；如果墊料濕度高于40%，建議將該部分糞尿收集分離干濕，干糞經過發酵、消毒、晾曬，再將其作為墊料回置于發酵床上。

4.2 重金屬和獸藥殘留影響糞污的資源化利用

在資源化利用方面， 獸藥殘留和重金屬問題也是亟待解決的技術難點。李林海［41］報道，牛糞中重 金 屬Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、As 含 量 分 別 達 到151.9、46.5、15.2、15.7、3.4、14.1、2.01 mg/kg。 養 殖戶在養殖過程中為追求經濟利益最大化， 在動物飼喂時添加大量鋅、銅、鎘、砷等微量元素［42-43］，而這些微量元素的利用率很低， 絕大部分隨糞便排出［44-46］。 這些糞便施入農田，造成農田土壤重金屬累積和污染，影響農作物種植安全，進一步通過食物鏈影響人類的健康［47-49］。 在獸藥殘留方面，以抗生素為例，用于促進動物生長、疾病預防和治療的抗生素用量超過8 000 t/年，30%～90%的抗生素會殘留在動物的糞污中［50］，影響了生態農業、有機農業的發展，也影響了糞污資源化利用的推進。

解決上述問題的對策：①源頭減量。在養殖中推廣使用酶制劑、微生物制劑等飼料添加劑，提高飼料利用率；減量或停止使用獸藥和鋅、銅飼料添加劑，減少養殖污染的排放。②加快高效處理技術的研究，將重金屬鈍化或抽離，將獸藥降解。 鮑艷宇等［51］報道，好氧堆肥可使奶牛糞便中重金屬有效態的相對含量降低，減少資源化利用的風險。邵淼［52］報道，奶牛場糞污堆肥時添加一定比例玉米秸稈， 可明顯降低重金屬Cu、Zn、Pb 的生物有效性， 提高堆肥產物中氮磷鉀及速效磷與速效鉀含量。郭彤等［53］研究結果表明，只要飼料中重金屬含量控制在國家規定的范圍內，而且發酵床管理好，定期深翻墊料或更換新的墊料和發酵菌種 （尤其是糞尿區），重金屬就不會超標。 豬場使用1～3 年的發酵床墊料重金屬均未超標， 能直接用作有機肥還田。發酵床對糞污的處理效果類似堆肥，而宋婷婷等［54］研究表明，堆肥對大部分抗生素具有好的降解效果， 其中， 四環素類抗生素降解率為62.7%～99%，磺胺類為0～99.99%，對大環內酯類幾乎完全可以降解，但是，堆肥無法降解喹諾酮類抗生素。 林啟才等［2］研究表明，牛場以菌糠為發酵床墊料，對養殖場污染物去除效果明顯，經過發酵床發酵的墊料生產的肥料達到 “有機肥料”（NY 525—2012）各項指標要求。

5 小結

近年來生態發酵床技術的研究、推廣、應用、使用效果和環境效益日益凸顯。 發酵床養殖奶牛能夠改善牛舍環境、 減少疾病、 促進奶牛健康生長， 但發酵床養殖奶牛仍存在一些技術問題亟待解決。發酵床各參數既相互作用又相互矛盾，要求發酵床、微生物、畜禽、飼養管理合理地配合才能發揮最大優勢［22］，所以，對發酵床養殖技術這一系統工程仍需進行深入、系統的研究。相信隨著研究的深入和推廣應用范圍的擴大，發酵床養殖技術會成為奶牛養殖的重要飼養方法之一。