沼液浓缩液与粗木醋液农田混合施用的应用前景及潜在环境效应探讨

童文彬，周旭健，刘银秀，叶强，秦唐勇，聂新军，李子川，柴彦君

(1.衢州市衢江区土壤肥料技术推广站，浙江 衢州 324022； 2.浙江天地环保科技有限公司，浙江 杭州 311121； 3.浙江省农业生态与能源办公室，浙江 杭州 310012； 4.衢州市宁莲牧业有限公司，浙江 衢州 324000； 5.浙江科技学院环境与资源学院 浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室，浙江 杭州 310023)

目前，在农业废弃生物质资源化利用研究中，关于规模化沼气工程生产过程中残留的沼渣和秸秆热解炭化产生的秸秆生物炭在土壤培肥和环境修复方面的研究较多，而关于沼气工程产生的沼液和秸秆炭化产生的粗木醋液对农田无机氮循环影响的研究相对较少。此外，为了解决沼液产生量大、存储和运输成本高的难题，近年来逐渐规模化应用的沼液膜浓缩技术产生的沼液浓缩液已被用来作为液体肥料施用到农田中。然而，施用沼液浓缩液对农田土壤氨挥发和硝酸根流失的影响，以及沼液浓缩液与秸秆炭化产生的粗木醋液混合施用对沼液浓缩液养分缓释和农田无机氮循环的作用效果尚不清楚。

为此，围绕沼液浓缩液施用对农田无机氮在土壤、作物、水体和大气中分配行为的潜在影响，从沼液的产生特征与膜浓缩技术研究进展出发，结合沼液农田施用的环境效应和沼液与木醋液混合施用降低土壤氨挥发的有益作用，探讨沼液浓缩液及其与粗木醋液农田混合施用的应用前景和潜在环境效应，以期为沼液浓缩液的农田施用提供借鉴与参考。

1 沼液农业应用与膜浓缩技术进展

沼液是规模化沼气生产过程中排放的废弃发酵液经干湿分离后产生的高浓度有机废水，具有产生量大(按利用率75%、含水率70%计算，预计到2020年全国沼液年产生量约20亿t)、有机碳和营养元素浓度较高，以及化学与生物化学需氧量高的特点，直接排放到环境中会造成原位土壤和下游水体的二次污染[7]。当前，沼液主要通过农田就近消纳、制作高附加值浓缩液体肥、自然生态净化，以及工业化净化处理后安全排放等资源化利用或无害化处理的方式解决其环境污染问题[8-11]。相比较于将沼液用于浸种[12]或用作无土栽培基液[13]，沼液作为基肥或追肥直接应用于农田因其消纳量大，尤其是可利用NH4+部分替代氮肥，而成为沼液生态消纳的主要处理方式。然而，沼液农田消纳面临储存、运输和管路维护费用高的难题，而沼液无害化工业处理通常会陷入运行费用高昂的困境，因此，沼液的去向问题严重制约畜禽养殖资源化利用和规模化沼气工程的建设。此外，沼液的养分组成因来料类型、发酵温度、取样季节和技术工艺的差异而存在较大的波动，这导致沼液的农田生态消纳和无害化工业处理的标准化存在较大的不确定性，如果定期对来源庞杂的沼液进行跟踪监测，无疑会极大地提高沼液的资源化利用成本。因此，开发低成本、高效率的沼液浓缩技术，制定沼液浓缩等级标准是当前规模化沼气工程建设中亟待攻克的技术难题。

2 秸秆木醋液生产及其应用

秸秆木醋液是秸秆热裂解气化过程中除生物质炭和燃气外，室温下冷凝出的液体副产物。由于原料类型和炭化工艺条件差异会极大地影响粗木醋液的性质与组分，这就使得此类粗木醋液因工业精制成本太高而无法进行工业应用。农业废弃生物质热解炭化中粗木醋液的产率通常为26%～44%[22-23]，预计到2020年，我国每年因秸秆炭化产生的粗木醋液将超过1.2亿t(按秸秆热解炭化利用率60%计算)。与秸秆热裂解产生的生物炭通常被用于土壤培肥或制作环境修复材料相比，这部分粗木醋液如果利用不好，会造成生物质资源的浪费和环境污染，因此，亟须拓展其在农业生产中的低成本应用。

粗木醋液中含有大量的有机酸、醇类、酚类和酮类等有机物质，具有杀菌防病防虫和改良土壤的作用，以及降低农药和肥料用量的效果[23-24]。粗木醋液作为农林废弃物热裂解过程中的液态副产品，经过简单加工后可被用作土壤改良剂、植物叶面肥、浸种剂、饲料添加剂和杀菌驱虫剂等。此外，精加工的木醋液还能用于食品保鲜、化妆品，以及医学等领域[25-26]。相较于由单一原料制作的粗木醋液所对应的特定精加工技术，秸秆炭化来源的粗木醋液因其原料来源繁杂、热裂解温度差异大而不利于开展高附加值的精加工。因此，在当前推进化肥、农药减量增效、促进绿色农业发展的背景下，拓展粗木醋液在农业领域中的应用是全面推进秸秆气化清洁能源利用和解决秸秆炭化产生的大量粗木醋液资源化利用的重要发展方向。

3 沼液浓缩液与粗木醋液农田混合施用的应用前景与潜在环境效应

4 面临的挑战与突破方向

沼液中含有的抗生素和病原菌会不同程度地影响土壤微生物的群落组成和作物病虫害的发病率，再加上沼液中含量不定的重金属也会增加土壤重金属污染的发生风险，因此，农田施用沼液可能会给区域粮食安全和人类健康产生不确定的影响[8, 14]。为了应对沼气生产过程中的沼液生态处理难题，研究人员正就沼液膜浓缩过程中的重金属和抗生素阻控技术进行开发和应用，并研究和制定沼液田间精准施用的技术规范，以逐步解决沼液生态消纳的二次污染难题。相比较于低压蒸发或冷冻干燥技术对沼液的浓缩效果，膜浓缩在隔离病原菌、抗生素和重金属方面具有全方位的系统可调的优势。由于沼气发酵的原料类型、发酵温度、沼液抽取时间等因素变化导致沼液浓缩液的浓度同样会存在一定的波动，给沼液浓缩液的农田定量施用和优化与粗木醋液的混合比例等带来极大不便；因此，构建规模化且便于通过线上或线下监测养分浓度的沼液膜浓缩系统也是未来沼气工程建设项目中需要重点考虑的问题。此外，通过线上养分浓度监测系统调节沼液浓缩的膜循环频次，提升沼液的膜浓缩效率等也是未来沼液膜浓缩技术的重要探索方向。总的来看，如何保持沼液浓缩液养分物质组成和浓度的稳定性，并通过该浓缩工艺提升沼液膜浓缩的工作效率是未来沼液膜浓缩系统开发的关键。

充分了解沼气发酵过程中养分的迁移转化及其在土壤、大气和水体中的分配特征是评价畜禽养殖和作物秸秆废弃物生态处理和资源化利用的重要参考指标。比较而言，国外发达国家在畜禽养殖和农林种植的高效衔接方面技术比较成熟，主要通过农牧结合的方式解决沼液消纳的问题，通过地区或区域养分的系统管理基本上实现了对地区农牧系统氮磷等营养物质的环境排放、食物链转移和生物地球化学循环的定量分析，并通过模型模拟和现场监测精准控制氮、磷等营养物质在养殖场-土壤-作物(或水体)间的源汇耦合过程循环，最终在地区和区域尺度上达到畜禽废弃物妥善处理和充分资源化利用的目标。因此，通过畜禽养殖和作物秸秆废弃物中养分物质的全生命周期循环理论[32]来指导沼液膜浓缩工艺开发和改善农田沼液浓缩液及其与粗木醋液混合施用的农艺学贡献和环境效应，将成为评价畜禽养殖和作物秸秆废弃物生态处理和资源化利用的关键。

5 建议与展望