发酵床养猪废弃垫料的资源化利用评价

胡海燕，于 勇，张玉静，徐 晶，孙建光*

(1农业部作物营养与施肥重点开放实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081;2中国环境监测总站，北京100012)

微生物发酵床技术是将微生物菌剂按照一定比例与锯木屑、秸秆以及必要的辅助材料混合，经过堆积发酵形成垫料床用于畜禽养殖。该技术的基本原理是利用微生物的分解能力，降解、消化生猪养殖过程中产生的粪尿排泄物，实现猪粪尿就地减量化，缓解规模养猪场的环境污染问题，是一种全新的环保养猪方式［1－3］。日本最早从事猪的发酵床养殖技术研究，于1970年建立了第一个以木屑作垫料的发酵床系统［4］。加拿大Biotech公司于1985年推出一个以秸秆为深层垫料的发酵床系统［5］。上世纪90年代，我国在部分省市开展了发酵床养殖技术的试验示范［3］，目前，随着环保压力的增加和养猪户环保意识的逐渐增强，越来越多的养猪户接受并运用微生物发酵床技术，收到了良好的经济效益、生态效益和社会效益［6］。

目前，国内外学者对于发酵床养猪技术改善猪的福利、减少对环境的污染、降低猪群疾病、提高猪肉品质、提高生产性能等方面的作用做了较多的研究［3，7－10］。但是，对于养殖后垫料的基本成分、理化性质，废弃垫料农田土壤利用的适宜性，垫料作为有机肥料使用的可行性，以及无害化处理和资源化应用技术等目前尚缺乏系统报道。本研究对我国山东、吉林两省5个发酵床养猪场的废弃垫料样品分别进行了基本理化性质、重金属元素、抗生素、病原微生物等含量的测定，目的是评价废弃垫料作为有机肥的潜力，为其合理利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2011年9月和11月先后从山东、吉林2省的5个发酵床养殖场采集垫料样品，样品的具体情况见表1。其中，山东齐河裕农畜禽养殖有限公司采集的样品FJC－1、FJC－2为已出栏垫料，其余均为栏内垫料。样品FJC－1为采自6个废弃垫料堆的垫料样品混合物，FJC－2为采自3个废弃垫料堆的垫料样品混合物，FJC－3和FJC－5均为采自4个发酵床的垫料样品混合物，FJC－4为采自3个发酵床的垫料样品混合物，FJC－6和FJC－7均为采自2个发酵床的垫料样品混合物。

垫料堆采集0—15 cm的垫料样品，每个堆采集3个点，混合后作为该垫料堆的样品。发酵床内垫料样品采用5点采样法，每个点取0—15 cm的垫料样品，混合后作为该垫料床的样品。

1.2 试验方法

1.2.1重金属及抗生素测定方法 重金属Cu、Zn、Cr、As、Ni、Pb、Cd、Hg 含量的测定按照国家有关标准执行［11－16］。抗生素中土霉 素 (Oxytetracycline，OTC)、四环 素 (Tetracycline，TC)和 金霉 素(Chlortetracycline，CTC)含量的测定也按国家有关标准执行［17－18］。

1.2.2病源微生物的测定方法 总细菌数量采用稀释平板法［19］，采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基(pH7.0～7.2)，在28℃ ～30℃恒温培养箱中保湿培养，36～48 h后观察计数;大肠杆菌采用最大可能数法(MPN)，具体方法参照《中华人民共和国国家标准GB/T 19524.1－2004肥料中粪大肠菌群的测定》［20］;蛔虫卵死亡率测定方法参照《中华人民共和国国家标准GB/T 19524.2－2004肥料中蛔虫卵死亡率的测定》［21］。

1.2.3基本理化性质的测定有机质、含水量、pH值、全氮、全磷(P2O5)、全钾(K2O)的测定参照《中华人民共和国农业行业标准 NY 525－2012有机肥料》［22］的方法;粗有机物的测定采用马福炉灼烧法。

2 结果与分析

2.1 发酵床垫料样品主要养分含量

表2看出，本研究所采集的2个省的5个发酵床养猪场垫料的pH范围在6.43～7.91之间，属于中性偏碱。含水量范围在25.74%～65.79%之间，其中，山东样品含水量均大于吉林样品含水量，这可能与采样季节不同有关，吉林样品是在冬季干燥季节采集的，所以含水量偏低。粗有机物和有机质含量范围分别为54.30%～66.84%和42.62%～54.12%，全氮含量范围为1.54% ～2.12%，全磷(P2O5)含量范围为2.24% ～5.55%，全钾(K2O)含量范围为0.57%～2.15%。其中，吉林样品的全氮和全钾含量均大于山东样品的全氮和全钾含量，而吉林样品的全磷含量均小于山东样品的全磷含量，这可能与不同地区所用的垫料原料和饲料所含有的营养成分不同有关。参照我国有机肥料农业行业标准(NY 525－2012)和城镇垃圾农用控制标准(GB8172 －1987)［23］，垫料中的有机质、氮、磷、钾含量均在最低限量以上。

表1 发酵床垫料样品的基本信息Table 1 Basic information of pig litters

表2 发酵床垫料主要养分、水分含量及pH指标Table 2 Major nutrients，water content and pH of pig litters

2.2 发酵床垫料样品主要重金属元素含量

5个发酵床养猪场的垫料样品的 Cu、Zn、Cr、As、Ni、Pb、Cd、Hg 等 8 种重金属元素含量见表 3。垫料样品中重金属Cu和Zn的含量较高，其余6种含量较低。Cu的含量范围为20.4～180 mg/kg，Zn的含量范围为77.8～504 mg/kg，Cr的含量范围为1.53～3.67 mg/kg，As的含量范围为 0.92～3.42 mg/kg，Ni的含量范围为1.74 ～5.61mg/kg，Pb 的含量范围为1.19～6.09 mg/kg，Cd的含量范围为0.092～0.19mg/kg，而各样品中Hg均未检出(＜0.005mg/kg)。其中，FJC－6中的Cu、Zn含量显著高于其它样品，该养殖场所用的饲料中Cu、Zn含量可能较高，所以导致了垫料中Cu、Zn含量高，具体原因还需进一步调查验证。所测垫料中重金属元素含量均在我国有机肥料农业行业标准(NY 525－2012)和城镇垃圾农用控制标准(GB 8172－1987)的限量范围内。

表3 发酵床垫料主要重金属元素含量(mg/kg)Table 3 The contents of major heavy metals element of pig litters

2.3 发酵床垫料样品中兽用抗生素残留

目前，我国允许在生产中使用的抗生素有17种，其中土霉素(OTC)、四环素(TC)和金霉素(CTC)等四环素类抗生素是应用最广泛、使用量最大的一类抗生素，约占抗生素总用量的57%［24］。据报道，进入动物体内的抗生素约有60% ～90%以药物原形或初级代谢产物的形式随动物粪、尿排出体外［25］。大量随畜禽粪便进入环境的残留抗生素对土壤、水体等环境产生不良影响，并通过食物链对生态环境产生毒害作用，影响植物、动物和微生物的正常生命活动，最终影响人类的健康。

由表4可以看出，7个样品的土霉素含量均＜0.5 mg/kg，四环素含量均＜1 mg/kg，金霉素含量均＜4 mg/kg。可见，发酵床养殖废弃垫料中抗生素的环境风险较小。

表4 发酵床垫料四环素类的残留量(mg/kg)Table 4 Antibiotics residues of TCs of pig litters

2.4 发酵床垫料样品中的盐分含量

表5显示，本研究所采集的发酵床垫料样品的电导率、可溶性盐分及Na元素含量都较高，电导率为8.14～16.06 ms/cm，可溶性盐含量为22.11～45.71g/kg，Na元素含量为 1.18～4.18 g/kg。所以，安全、有效利用发酵床废弃垫料资源需要检测和考虑其盐分，防止土壤次生盐渍化。

表5 发酵床垫料盐分含量Table 5 Salt contents of pig litters

2.5 发酵床垫料样品中的有害生物数量

畜禽粪中含有大量的病原菌和有害微生物，据报道，畜禽粪便废弃物中含有150多种人畜共患病的潜在致病源，发酵床养殖因为是将猪粪尿直接排放到垫料上，所以垫料中可能会含有大量的寄生虫和病原菌等，对土壤、作物有着潜在的威胁。本研究对所采集的山东发酵床垫料样品进行了卫生学指标的测定，采用目前已公认的几项指标，如总大肠杆菌数、总细菌数和蛔虫卵死亡率，作为判定其中有害生物数量，同时表征其它种类病原菌和有害微生物的存在。由表6可以看出，发酵床垫料样品中总细菌的数量在1.93×109～7.90×109cfus/g之间，蛔虫卵死亡率在90%～94%之间，总大肠杆菌的数量在1.29×105～2.24×106cfus/g之间。参照我国有机肥料农业行业标准(NY 525－2012)和城镇垃圾农用控制标准(GB 8172－1987)，蛔虫卵死亡率和大肠杆菌数量均超过国家限量标准。

表6 发酵床垫料有害微生物数量Table 6 Maleficent bacteria of pig litters

3 讨论

发酵床养猪的应用在国内还处于起步阶段，相关研究多集中于畜舍环境、动物生长性能等方面，对其废弃垫料资源化利用的研究较少。本研究对我国山东、吉林两省5个发酵床养猪场的垫料样品的主要化学组成进行了测定，结果表明，垫料中富含有机质、氮、磷、钾等营养物质，有机质含量范围为42.62% ～54.12%，全氮 1.54% ～2.12%，全磷(P2O5)2.24% ～5.55%，全钾(K2O)0.57% ～2.15%。蓝江林等对使用2年后的垫料进行检测发现有机质含量达35%以上，全氮含量高于1.8%，全磷含量高于2.2%，全钾含量高于1.1%［6］。盛清凯等［26］的研究结果也表明，使用18个月的发酵床废弃垫料有机质含量31.0%，全氮含量1.95%，全磷含量3.12%，全钾含量2.68%。均与本研究的结果相符。

随着畜禽养殖业的规模化、集约化发展，大量促进动物生长发育的饲料添加剂和预混剂被广泛使用，加之畜禽对微量重金属元素吸收利用率低，使得重金属元素大部分积累在畜禽粪便中。张树清等对我国7个省、市、自治区的典型规模化养殖畜禽粪的测定结果表明，规模化养殖畜禽粪中Cu、Zn、Cr、As等重金属含量较高，在猪粪中，Cu、Zn、Cr、As重金属元素的含量范围分别为10.7～1591mg/kg、71.3～8710 mg/kg、0 ～ 688 mg/kg、0.30 ～ 65.4 mg/kg［27］。发酵床养殖中，猪粪尿直接排放在发酵床上，所以垫料中不可避免地含有一些对环境和生物有害的重金属元素等物质。重金属元素具有难迁移、易富集、危害大等特点，随着废弃垫料进入农田生态环境后，会对土壤生态系统造成危害，从而影响食品安全。所以有必要对垫料中重金属含量进行检测。本试验测定结果表明，发酵床垫料样品中重金属元素Cu、Zn、Cr、As、Ni、Pb、Cd 虽然均能检出，但含量较低，均处于国家相关标准限量范围之内，各样品中Hg均未检出。已有的研究证明，养猪2年及7年后的发酵床垫料中 Cu、Zn、Cr、As、Ni、Pb、Cd 等重金属元素含量均在相关标准限量范围内［28］，与本研究结果相吻合。

自从20世纪50年代以来，抗生素作为动物促生长剂和治疗用药已被广泛应用于动物饲养业。张树清等的研究发现，典型规模化养殖畜禽粪中四环素类抗生素多有残留，土霉素、四环素、金霉素含量范围分别为1.05～134.75 mg/kg、0～78.57 mg/kg、0～121.78 mg/kg［27］。张慧敏等对浙北地区畜禽粪便中四环素类抗生素残留的检测结果为，四环素、土霉素和金霉素残留量平均值分别为1.57 mg/kg、3.10 mg/kg 和 1.80 mg/kg［25］。大量未经无害化处理或经简单堆肥处理的含有抗生素残留的禽畜粪便作为有机肥施于农田，是土壤环境中兽用抗生素的主要来源之一。本研究对所采集的发酵床垫料样品的分析结果为，土霉素含量均＜0.5 mg/kg，四环素含量均＜1 mg/kg，金霉素含量均＜4 mg/kg，可见，3种四环素类抗生素含量均很低。

近年来，土壤次生盐渍化成为影响农业可持续发展的重要障碍因子之一。由于养殖过程中饲料外源添加矿质盐，使得规模化养殖畜禽粪便中含有较高浓度的盐分［29］。这些畜禽粪作为有机肥施入农田后，可以增加土壤盐分水平，最终导致土壤盐分累积，抑制作物的出苗和生根。所以安全有效地利用废弃垫料，需要考虑其盐分含量高的问题。

由畜禽粪便污染引起的人畜共患病传播与感染，已引起人们对畜禽粪便病原微生物污染的重视。对发酵床垫料中病原菌和有害微生物的调查研究报道较少。本研究对山东发酵床垫料样品进行了总大肠杆菌数量、总细菌数量和蛔虫卵死亡率的测定，总大肠杆菌的数量在1.29×105～2.24×106cfus/g之间，蛔虫卵死亡率在90% ～94%之间，均超过国家相关标准规定的最低限量。

综上，发酵床废弃垫料具有有机肥料的基本性质，重金属元素含量和四环素类抗生素含量均居于安全范围。但是大肠杆菌群和肠道寄生虫卵超标，具有生物安全隐患，直接还田对农田土壤及农产品具有安全风险，施用前需对其进行无害化处理。另外，垫料中的盐分含量较高，在施用过程中要注意防止土壤次生盐渍化的危害。

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