生物发酵床腐熟垫料的资源化利用及安全性评价

2020-04-16

家畜生态学报 2020年3期

(1.浙江省兽药饲料监察所，浙江杭州 311101;2. 杭州谱育科技发展有限公司，浙江杭州 310051;3.浙江省江山市石明畜业有限公司，浙江衢州 324107)

畜禽粪污的资源化利用问题已成为制约现代养殖业发展的重要瓶颈。生物发酵床技术以垫料为载体，应用微生物发酵原理，将畜禽粪污转化为具有营养肥效的腐熟垫料，被农业部列为农业废弃物资源化利用重点推广技术[1]。生物发酵床技术为养殖场解决了畜禽粪污污染的问题，然而，并未化解腐熟垫料如何实现还田利用的问题，许多学者对腐熟垫料会否对农田生态造成污染心存疑虑，因此研究腐熟垫料的资源化利用及安全性问题具有十分重要的理论意义和现实意义。

1 生物发酵床垫料的选材

稻壳与锯末是使用最广泛的原料。锯末保湿性好，含有丰富的木质素不易被降解，寿命可达3～4年；稻壳透气性良好，使用寿命仅次于锯末[2]，两者1∶1混合使用效果最佳，锯末的量可在30%～70%之间调整，也可以用刨花、木屑、花生壳、玉米芯、稻草、秸秆等原料部分代替锯末，如在菌菇种植地区多用菌糠部分代替锯末[3-4]。在起始发酵时要向垫料中添加1%～1.5%的红糖或玉米粉补充营养以帮助菌种快速启动发酵。垫料在使用过程中会逐渐被碳化，颜色由黄色逐渐变深变黑，大多数垫料使用3年后会全部变黑，易板结，不宜继续使用[5]。

2 腐熟垫料的肥效评价

2.1 畜禽粪污资源化利用现状

2019年全国畜禽粪污综合利用率达到70%[6]，主要采用储存农用和粪便堆肥的方式，但不同畜种和不同地区处理模式差异很大，宣梦等[7]对全国规模养殖场粪污治理模式统计数据显示，东北平原区生猪养殖采用发酵床处理粪便的占比最高，为5.99%，其次为南方水网区。范建华等[8]统计了调研的8个省份的210家规模化畜禽养殖场，显示采取异位发酵床处理的养殖场占比29.5%。生物发酵床技术消化粪污的能力十分突出，但肥料产出较少，产出率仅为堆肥发酵的1/10，在畜牧大县和规模养殖场推行“养殖场+有机肥厂+种植业”的模式，降低资源化利用成本应是以后重点发展方向。

2.2 腐熟垫料的评价标准

目前，国内评价腐熟垫料时所采用的标准有《有机肥料标准》(NY525-2012)、《生物有机肥标准》(NY884-2012)、《城镇垃圾农用控制标准》(GB8172-1987)、《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284-2018)、《畜禽粪便无害化处理技术规范》(GB/T 36195-2018)等。笔者认为腐熟垫料的评价指标至少应包括营养、理化性质、有害生物、重金属和盐分五个方面，其中，《有机肥料标准》(NY525-2012)最宜作为主要的参考标准，但该标准未设置Cu、Zn和盐分这三个指标，采用《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284-2018)作为Cu和Zn的评价标准较为合适。腐熟垫料中的盐分主要会对农作物生长产生影响，可以采用《食用农产品产地环境质量评价标准》HJ/T 332-2006来评价垫料中盐分。

2.3 腐熟垫料的营养及理化特性

腐熟垫料含有N、P、K等营养元素，具有有机肥料的特性。孙盼等[9]通过对比实验发现使用腐熟垫料可有效提高土壤肥力。腐熟垫料的营养主要来自畜禽粪污，垫料中有机质、总养分、全氮、全磷、全钾的含量均随着垫料使用年限的增加而增加[10]。由表1可以看出，猪粪腐熟垫料的有机质和总养分略低于《有机肥料标准》(NY525-2012)的要求，鸡粪腐熟垫料的有机质和总养分基本能达到标准要求。腐熟垫料的pH均符合NY525-2012的要求，但水分普遍高于30%。综合来看，腐熟垫料具有很高的营养肥效，具有肥料的特性。

表1 腐熟垫料的营养指标及理化特性Table 1 Nutritional indexes and physicochemical properties of scrap padding

2.4 腐熟垫料对农作物生长的影响

研究发现，腐熟垫料施用于农田后可以增加土壤肥效，促进农作物生长。一是可作为食用菌栽培基质，促进食用菌生长。应正河等[12]研究发现添加了适量垫料的基质可以显著地促进菌丝的生长；二是可促进果蔬育苗。研究发现用发酵床养猪垫料与椰糠按3∶7混合作为黄瓜育苗基质，黄瓜出苗率、成苗率、苗高、茎粗和根长均优于其他配比[17]，陈博阳等[18]发现含50%猪粪垫料的基质促进小白菜出苗和幼苗生长效果最好，陈燕萍等[19]将2种垫料的浸提液梯度稀释后检测其对6类蔬菜种子发芽的影响，结果发芽率都在97%以上；三是可提高果蔬产量。研究人员发现用猪菌渣垫料作底肥种植甘蓝,每公顷施用6 000 kg时,甘蓝产量与施用相同量的商品有机肥无显著差异,随着垫料施用量的增加,甘蓝产量呈增加趋势[13]。综上所述，施用垫料可以有效的促进作物生长。

如果垫料用量过大，有可能由于垫料中盐分过高而抑制植物生长。发酵床垫料直接作为基质会抑制植物种子的萌芽及生长[15,20]；李晟等[21]发现垫料的安全施用量在5%～10%，添加量较高时对白菜出芽率与产量均产生负面影响。

3 腐熟垫料的安全性评价

3.1 腐熟垫料的生物安全性

芽孢杆菌属细菌和梭菌属等益生菌是腐熟垫料中的优势菌种[22]，但垫料中致病菌超标的现象还是较为普遍的。廖党金等[23]从5个养猪发酵床垫料共分离到25种致病菌，李娟[14]在鸡粪腐熟垫料检出有大量沙门氏菌，也有猪粪腐熟垫料中蛔虫卵死亡率和大肠杆菌总量均不符合《畜禽粪便无害化处理技术规范》(GB/T 36195-2018)规定的现象[24-25]。腐熟垫料中有害生物含量超标主要原因是发酵温度和保持时间不够，未能有效杀灭病原生物。

3.2 腐熟垫料中Cu和Zn的残留

养殖粪污肥料是农业土壤重金属污染的一个重要来源，其中最严重的是Cu和Zn[26]。Cu和Zn主要来源于饲料添加剂，因此，腐熟垫料中的重金属含量与饲料中重金属的添加量及垫料的使用年限正相关，如郭彤[27]发现养猪场2年期垫料中Cu远高于1年期垫料。由表2可知,不同养殖场腐熟垫料的Cu和Zn的含量差别较大，Cu的含量为42.5～750.85 mg/kg ，均符合GB4284-2018的要求，有6组垫料Zn超标，占43%。有学者按照每年养殖2批猪进行测算后认为，2年期发酵床垫料中的Cu会达到轻微生态危害[28]。

3.3 腐熟垫料中其他重金属的残留

垫料中其他重金属主要是指As、Cd、Pb、Hg、Cr这五种全国重点重金属污染物。纪玉琨[10]发现垫料中五种重金属均有随着时间增加而累积的现象，表明垫料中的重金属主要来源于粪便。和种植业污染源情况不同的是，一段时间以来饲料中添加有机砷现象较为普遍，致使畜禽粪便中的As元素含量远高于正常水平，韩建东等[13]发现养猪结束后的垫料中砷的增长倍数远高于其他重金属[13]，任玉琴等[34]发现杭州市萧山区72.7%的饲料样本在各阶段猪饲料中均添加有机砷，有54.9%的猪粪砷含量超过NY525-2012的限值。表3中有三组垫料中As的含量高于NY/T 525-2012的限值，另有三组垫料As的含量接近标准限值，表明垫料中As污染的风险相对较高。垫料中Cd、Pb、Hg和Cr的含量均处于较低水平，表明风险较低。

表2 腐熟垫料中的Cu和Zn的含量Table 2 Content of Cu and Zn in scrap padding

表3 腐熟垫料中As、Cd、Pb、Hg和Cr含量Table 3 Content of As, Cd, Pb, Hg and Cr in scrap padding mg/kg

有机砷添加的危害已引起高度重视，已停止砷原料药及其制剂用于食品动物[35]，从源头上治理有机砷添加的现象，腐熟垫料中As超标的风险有望大幅降低。

3.4 腐熟垫料中的盐分

HJ/T 332-2006中规定土壤中的全盐量不得超过1 g/kg。垫料中的盐分主要来源于畜禽饲料，其含量差别较大。王辉等[37]通过对江苏省150个养殖场畜禽粪便样品检测发现样品中全盐含量平均值高达9.7 g/kg，是《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T332-2006)[38]最高限值(1 g/kg)的9.7倍，已经达到中盐渍土的标准(5～10 g/kg)。粪便中的盐在垫料中具有富集效应,则腐熟垫料中的全盐量应是粪便的数十倍。不同垫料实际测得的结果相差比较大，低的为0.2～1.3 g /kg[39],最高的22.11～45.71 g/kg[24]。除了全盐量这个指标，也可以用 EC值来评价土壤中的盐分，通常认为EC值达到2000～4000 μs/m时就会对作物生长产生有害影响。李娟等[14]检测5处使用2个月的鸡舍垫料的EC值为3679～-4310(μS/cm)，已经达到了危害生态的程度。综上分析，腐熟垫料中的盐含量普遍偏高，致使土壤盐渍化的风险较高。

4 降低腐熟垫料安全性风险的建议

4.1 健全制度体系，加强数据监测

建议对各种形式的畜禽废弃物开展一次普查和长期监测，并开展腐熟垫料还田利用的风险评估，完善有机肥料相关生产和检测标准，健全畜禽废弃物资源化利用体系。

4.2 开发优质菌种和廉价垫料资源

生物发酵床处理粪污成本较高，主要原因是菌种和垫料价格昂贵且消耗巨大。菌种是生物发酵床技术的核心[40]，我国在土著菌和商品菌的开发上离日韩还有不小的差距，同时，多个省市出现锯末供应日趋紧张的现象，价格则每年水涨船高。要降低垫料资源化利用成本和安全性风险就需要降低发酵床运行成本和缩短垫料使用周期，开发优质菌种和廉价垫料资源显得更为迫切。

4.3 降低饲料中微量元素和矿物质的添加

研究表明,仔猪料中Cu元素只有每千克仔猪体重低于3克剂量时才会影响仔猪生长，到了生长后期Cu元素促生长作用几乎可以忽略不计[41]，而许多饲料中的Cu的添加量高于这一水平数倍甚至数十倍，建议对饲料中Cu和Zn的添加进行更严格的监管，合理规范添加矿物元素，倡导使用低剂量纳米锌或薄膜锌产品提高锌的利用率。