“牛-沼-菜”循环经济模式关键技术研究总结报告

娄佑武，邱俊，丁君辉，王荣民*，刘继明

(1.江西省畜牧技术推广站，江西南昌330046；2.江西益洁环保技术有限公司)

沼液是人们广为熟知的一种速效性有机肥料，含有大量的有机物、氨氮、磷等植物生长所需的物质。20世纪90年代开始，人们对养猪场沼液、沼渣的利用方面进行过较多的研究，对沼液的直接利用，如浸种、喂猪、养鱼等方面进行了很好的开发，提出了“猪-沼-果”、“猪-沼-渔”等综合利用模式[1]。但传统的沼液直接用于浇灌作物的模式具有明显的缺点，不仅作物利用率低，而且沼液的利用范围受输送方式严重制约，从而造成了猪场周围土地无法消纳过多的沼液而导致环境污染和远离猪场的地区无法获得沼液灌溉之间的矛盾。特别严重的是，由于养殖业中铜、锌等微量元素添加剂的过量使用，致使猪沼液中的铜、锌等微量元素严重超标，长期施用必然导致单位土地面积的铜、锌等微量元素蓄积，最终影响到施用农产品（如蔬菜、水果等）的食用安全[2]。

相对于猪沼液而言，牛沼液中所含的营养物质相对较低，采用牛粪还田种草利用的养牛模式，造成的环境污染相对较少，因此，对牛沼液的综合利用方面的研究也较少，在国内外鲜有报道。牛作为草食动物，饲草是其主要日粮，排出的粪尿中重金属的含量极低，经发酵后的沼液、沼渣施用安全，不易造成二次污染，是生产有机蔬菜等极好的肥料。随着规模化、集约化养牛场（小区）的增加，粪污的排放集中且量不断增加，若后端的污水、污物处理不当，特别是发酵后的沼液难以达标排放，最终也会对环境产生污染。因此，加快养牛场（小区）中沼液的开发利用，进一步提高单位质量的沼液利用价值，改变传统的沼液就地消纳方式，利用沼液生产复合多功能型牛沼液叶面肥可有效促进作物生长，具有抗逆、防病作用，是一种复合型多功能肥料。同时，沼液微生物叶面肥可避免Fe、Mn、P、Zn、Cu等养分直接施入土壤中时容易被土壤固定或转化，而使肥效降低的缺点。叶面肥不需通过根系吸收，茎杆输送等漫长运输过程，具有针对性强，可根据叶片缺素特征及时喷施等特点，从而可以大大提高肥料的利用率，是一种高效施用各类营养素的方式[2]。

多年来，我国由于长期施用化学肥料，有机肥不足，各类养分比例失调，致使农田生态环境、土壤理化性状和土壤微生物区系受到不同程度的破坏，在一定程度上影响了农产品的安全。化肥的长期大量使用和对有机肥的忽视，已造成肥效下降、利用率低、土壤板结、农产品品质差等弊端。有机肥是一种既能向农作物提供多种无机养分和有机养分，又能培肥改良土壤的一类肥料。在农业生产中有机肥具有以下作用：(1)有机质含量高，供给农作物多种养分；(2)减少土壤养分固定，提高肥料的利用率和肥效；(3)改良土壤理化性状，提高沙土保水保肥能力；(4)肥劲柔和，肥效持久而稳定；(5)增加土壤微生物数量和提供所需要的能量；(6)吸收某些农药，有机质与重金属离子形成鳌合物，减轻土壤污染。高产优质农产品和卫生健康食品已成为当前社会和农业生产中的迫切需求。合理施用化肥，走有机无机配合施用之路，是当前我国发展生态农业的方向，也是提高我国食品工业和农副产品国际竞争力的必经之路[3]。

1 技术工艺

图1 减压浓缩系统结构

1.1 牛沼液浓缩工艺

牛沼液浓缩设备采用自制钢结构减压浓缩设备，设备由自动加热温控系统、减压系统和蒸汽冷却系统三部分组成，结构见图1所示。沼液从进水(料)口加入后，将设备完全密封，沼液通过自动温控系统加热至设定的温度，出水口连接真空泵，在真空泵的作用下，反应器内的压力可以达到设定要求，汽化后的水蒸气通过真空泵吸出并进入冷却系统孔冷却，最后剩余在蒸发器内的沼液为浓缩沼液，从出水（料）管排出。为得到浓缩沼液，实验中采用两次浓缩的方法，第一次将沼液浓缩至20%后对浓缩液再次浓缩至20%，两次浓缩后，沼液可浓缩至4%。

1.2 沼液肥生产工艺

1.2.1 常规牛沼液叶面肥生产工艺。牛沼液取经过深度发酵的沼液沉淀、陈化10d，采用曝气陈化处理工艺基本去除沼液异味，采取常温减压浓缩后，取样进行主要营养成分的分析测定，根据植物所需营养要求加入无机元素和调整各项营养指标、相关成分，再用硝酸或磷酸调节液肥的pH至6.3～6.5，加入适量香精或除臭剂，混合均匀，取样分析，控制各营养指标，装瓶包装，形成产品，应用于有机蔬菜生产等。具体工艺如图2所示。

图2 沼液加工处理流程图

1.2.2 微生物牛沼液叶面肥生产工艺。取经过深度发酵的沼液沉淀、陈化10d，采用曝气陈化处理工艺基本去除沼液异味，向沼液中添加EM制剂，进一步对沼液进行微生物处理，取样进行主要营养成分的分析测定，根据植物所需营养要求加入无机元素和调整各项营养指标、相关成分，再用硝酸或磷酸调节液肥的pH至6.3～6.5，加入适量香精或除臭剂，混合均匀，取样分析，控制各营养指标，装瓶包装，得到产品，应用于有机蔬菜生产等。具体工艺如图3。

图3 沼液加工处理流程图

1.3 沼液肥在蔬菜种植中的应用

本课题以江西高安裕丰农牧科技有限公司排放的粪污进行集中厌氧发酵后产生的沼液，采用减压浓缩与EM菌液相结合的方式，生产沼液全营养液或有机肥应用于有机蔬菜生产，以减少农药、化肥等投入品的使用量，保障农产品安全，建立“牛-沼-菜”模式的有机蔬菜生产示范基地，形成“牛-沼-菜”循环综合利用配套技术。利用牛沼液生产微生物叶面肥和腐植酸有机肥，各项指标均能达到GB/T17420-1998和NY525-2002中的相关要求。

2 材料与方法

2.1 沼液减压浓缩

研究将牛沼液浓缩50%～80%的最佳操作条件和动力消耗条件，分析沼液减压浓缩技术的可行性和经济可行性。

2.1.1 试验材料。减压蒸馏瓶、电炉、温度计、真空泵、压力表、烧杯、量筒、玻璃棒等。

2.1.2 试验方法。通过改变减压浓缩的温度和压力，获取最佳经济条件下的不同浓度的沼液，检测沼液中N、P、K的含量。方法如图4所示。

图4 减压浓缩技术流程图

2.2 微生物沼液肥生产

2.2.1 试验材料。EM原露、红糖、蒸馏水及常量（微量）元素（表1和表2）、腐殖酸等。

2.2.2 试验方法。微生物培养基的制取。向10L蒸馏水中加入3kg红糖，并按表1、表2加入微生物生长所需的常量元素、微量元素，而后加入1LEM原露配制成混合溶液，将混合溶液移至塑料密封桶中进行密封，环境温度在30℃～35℃；每日定时进行打开密封桶并检测混合溶液的pH，至pH降至5.0认为微生物营养基培养完成。

表1 常量(微量)元素加入量

表2 微量元素添加液配置方法g/L

微生物沼液肥的制取。取浓度为4%的浓缩沼液，制取14组(每组2.5kg)微生物沼液肥检测样品，将配制完成的微生物沼液肥密封保存(保存温度30℃～35℃、时间15d左右)，每天定时开封检测其pH，微生物沼肥制取分组配比具体见表3。

2.3 沼液肥在蔬菜种植中的应用

2.3.1 试验材料。选择种植黄瓜、辣椒等蔬菜品种2个，整理30个10m2的蔬菜种植小区；基肥选择腐熟牛粪肥和复合肥，叶面追施选择自制的EM沼液肥、牛沼液、EM原液、化肥及清水等。

2.3.2 试验方法。种植黄瓜、辣椒2个蔬菜品种，按照所施叶面肥（自制的EM沼液肥、沼液、EM原液、化肥及清水）随机分为5组，每组3个重复，共30个小区，每个小区10m2，小区施腐熟牛粪肥2.5～3.5kg/m2、复合肥0.06～0.1kg/m2；沼液肥施用时按照水与沼液比1:2勾兑沟灌。施肥量为0.15～0.2T/666.67m2，分5～10次喷施，沼每隔10d喷施1次，在喷施后20h左右再喷1次清水。观察作物生长情况并做好田间记录。具体分组处理见表4。

表3 微生物沼液肥的制取 %

表4 蔬菜种植分组处理方法

3 分析与讨论

3.1 沼液减压浓缩技术分析

沼液减压浓缩可以提高沼液中的营养物质浓度，同时可以有效的处理沼液随意排放造成的环境污染，减压浓缩需要考虑浓缩温度和压力，并综合考虑浓缩时间、能量消耗且不能对沼液中营养物质造成损失。由表5可以看出，当设定压力恒定时，随着温度升高，沼液的蒸发速度加快，蒸发所需的时间缩短，但温度过高会导致能量的浪费，同时还会使沼液中的营养成分发生改变；选择设定温度为60℃，压力为90kpa，为最佳设定温度和压力。

表5 减压浓缩时间及能耗表

3.2 沼液重金属农用安全风险分析

对原沼液和浓缩沼液中的Cd、Cr、Pb、Hg、As五种一类重金属污染物和Cu、Zn、Ni三种常规重金属污染物进行检测，并参考相关污染物控制标准，对沼液中重金属农用安全风险进行分析[4]。目前我国尚无畜禽粪便、沼液和沼渣在农业回用中的重金属控制标准，对Cd、Cr、Pb、Hg、As五种一类重金属污染物参照《农用微生物菌剂》（GB 20287-2006）进行比较，对Cu、Zn、Ni参照《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-84进行比较(Cu在酸性土壤pH≤6.5时，最高允许浓度为500mg/kg，对Zn、Ni暂无限制性要求)。由见表6检测结果可知，原沼液和浓缩沼液中重金属含量远低于上述标准中的最高控制要求，在农业回用中无风险。

表6 原沼液及浓缩沼液中的重金属检测 mg/kg

3.3 微生物沼肥的制取分析

农用微生物制剂中有效活菌数、蛋白酶活性、pH、粪大肠杆菌群数、蛔虫卵死亡率等指标需要满足《农用微生物菌剂》（GB 20287-2006）中的要求(具体见表7)。

表7 农用微生物菌剂技术指标

由表8可以看出，微生物沼液肥编号2、编号4和编号14三组实验数据中各项指标均可以达到《农用微生物菌剂》（GB 20287-2006）中的技术指标要求，综合考虑生产成本，并最大限度的对沼液进行处理，本实验研究选择2号方案，即沼液、红糖、微生物培养基的投加比例分别为89%，5%和6%。

表8 浓缩微生物沼肥主要指标检测

3.4 经济可行性分析

沼液减压浓缩后制取微生物沼液肥主要生产成本包括能耗、添加剂成本等，其成本构成见表9。制取微生物沼液肥成本价为6 108元/t，根据微生物液肥市场价格为15 000～20 000元/t，采用牛沼液制取微生物沼肥在经济上是可行的。

表9 微生物沼肥生产成本构成

3.5 牛沼液在蔬菜生产中的应用

3.5.1 沼液肥对黄瓜种植的影响。由表10可知，EM沼液肥黄瓜种植株高、叶片数、维生素C含量极显著高于其他各种处理（P＜0.01），黄瓜产量EM沼液肥与化肥组差异不显著（P＞0.05），而极显著高于另外其他各组（P＜0.01）。黄瓜样品营养成分据江西省无公害农产品质量监督检验站检测结果，根据平均营养价值估算法ANV=蛋白质(g)/5g+纤维素(g)+钙(g)/100+铁(mg)/2+胡萝卜素(mg)+Vc(mg)/40，此法是根据蔬菜每100g可食部分中，所含蛋白质、纤维素、钙、铁和维生素C等主要成分的量，计算出分数值，分数值大则营养价值高，分数小则营养价值低。结果表明，EM沼肥4.636，化肥4.429，沼液4.2181，EM原液3.665和3.428。本结果说明施用EM牛沼液肥对黄瓜营养价值效果最好，黄瓜果实中维生素C的含量最高。

表10 牛沼液对黄瓜种植的效果

3.5.2 沼液肥对辣椒种植的影响。由表11可知，EM沼液肥辣椒株高较化肥组显著提高9.72%（P＜0.05），极显著高于其他各处理组（P＜0.01）；辣椒株挂果数EM沼液肥组极显著高于其他各处理组（P＜0.01），较沼液肥、EM稀释液、化肥和清水组分别提高61.91%、73.46%、23.20%和102.39%；辣椒单果重显著高于化肥组9.08%（P＜0.05），极显著高于其他各处理组（P＜0.01），分别较沼液肥、EM稀释液和清水组提高10.10%、17.20%和47.22%。EM沼液肥能显著提高辣椒产量。另外，根据平均营养价值估算法ANV=蛋白质(g)/5g+纤维素(g)+钙(g)/100+铁(mg)/2+胡萝卜素(mg)+Vc(mg)/40结果表明，EM沼肥4.8533，化肥4.7269，沼液4.7181，EM原液3.9378和3.712。说明施用EM牛沼液肥对辣椒营养价值效果最好[5]。

表11 牛沼液对辣椒种植的效果

4 结论

本试验对牛沼液采取常温减压加工工艺，制取浓度为4%的浓缩沼液，浓缩沼液中的Cd、Cr、Pb、Hg、As五种一类重金属污染物和Cu、Zn、Ni三种常规重金属污染物含量远低于《农用微生物菌剂》（GB 20287-2006）和《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-84最高控制要求，在农业生产回用中无风险。

通过减压浓缩和微生物培养技术对牛场沼液进行处理制取微生物沼肥，达到《农用微生物菌剂》（GB 20287-2006）中的技术指标要求，且经济可行。

根据不同植物的营养需要向微生物沼液中添加不同的营养元素，保障了微生物沼液肥营养成分均衡性和全面性，提高沼液的利用效率；同时，可有效地解决牛场周边沼液利用不当造成的环境污染，实现了牛场沼液肥在农业生产中的循环利用。

通过减压浓缩和添加EM制剂微生物培养制取微生物沼肥，提高沼液中的有益微生物种群密度，改善植物生长的微生态环境。用于蔬菜生产，减少农药、化肥的使用量，保障蔬菜品质和安全，建立“牛-沼-菜”模式的蔬菜生产示范基地，形成“牛-沼-菜”循环综合利用配套技术。