微生物发酵床技术在畜禽养殖中的应用

刘 慧，于 鲲，崔省委，马 云，赵清梅，余永涛*，王进宽

（1.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021；2.北方民族大学 生物科学与工程学院，宁夏 银川 750021；3.永宁县望远镇人民政府，宁夏 永宁 750100；4.固原市原州区张易镇畜牧兽医工作站，宁夏 固原 756000）

近年来，随着畜禽养殖总量的增加，其所造成的环境污染问题也日益严重。未能有效处理或利用的粪污，会产生大量的二氧化碳、甲烷、氨气、二氧化硫、粪臭素等气体，造成空气污染、温室效应、全球变暖和酸雨等危害。粪便中的病原微生物、寄生虫会污染邻近水源、土壤和农作物，进入人和动物食物链，威胁人类和动物的健康。粪便中过多的盐分、氮磷和其他有机质等会进入农田、水源，造成土壤盐渍化、水质和生态环境破坏等问题。目前，畜禽粪污排放已经成为农业的首要污染源。为了加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用和农业可持续发展，国务院办公厅于2017年印发了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》（以下简称《意见》）。《意见》提出，要推广节水、节料等清洁养殖工艺和干清粪、微生物发酵等实用技术，实现源头减量。

微生物发酵床技术是一种利用微生物发酵处理粪污的无污染、零排放和循环利用的新型农业技术。该技术在20世纪末引入我国，并在生猪养殖中进行大面积推广应用，目前已经拓展应用到家禽、牛羊等养殖中。该技术基于微生态学、微生物发酵相关理论，在舍内或舍外铺垫锯末、稻壳、秸秆等原料组成的基质垫料，接种环境益生菌等发酵微生物，制成微生物发酵床。再将畜禽饲养于发酵床上，或使畜禽粪污与发酵床垫料接触混合，以此达到无臭气、零污染、无公害养殖的目标。微生物发酵过程中不仅能够有效降解粪污中的有机物，杀死病原微生物和寄生虫卵，降低传染病的发病率，还可大幅减少圈舍中氨气、二氧化硫等气体的产生，改善圈舍舒适度，提高养殖效益，而且使用后的垫料还可作为有机肥直接应用于农业生产。本文从微生物发酵床技术的原理、分类、发酵床制作工艺、对畜禽养殖的影响、应用中存在的问题及发展趋势等方面进行了综述，以期为该技术的应用推广提供参考。

1 微生物发酵床技术

1.1 基本原理

微生物发酵床充分利用了微生物对畜禽粪污的处理作用，畜禽粪污在秸秆、锯末等垫料原料及微生物菌剂制成的发酵床上进行降解，粪污经过高温发酵，其中的病原微生物得到有效抑制，有机物被分解为二氧化碳和水排放至空气中，使用后的垫料可以作为有机肥出售，实现畜禽粪污无害化、资源化利用。微生物发酵床的应用关键点在于垫料及菌剂，垫料主要取自农业生产废弃物，如稻壳、秸秆、锯末等，菌剂主要选择抗逆性强、有较强活性的菌种。

1.2 分类

微生物发酵床按照畜禽是否与垫料直接接触可分为接触式发酵床和非接触式发酵床。

1.2.1 接触式发酵床 又称原位发酵床，即畜禽直接生活在垫料上，在垫料上俯卧休息、排泄等。原位发酵床分为湿发酵床和干发酵床。两者之间的区别是，湿发酵床制作前先将菌种扩繁，再将菌种与垫料混合，加入一定量的水分，发酵一定时间后再放入动物进行养殖。干发酵床无需提前发酵，是将菌种直接撒在垫料上与垫料混合，再放入动物进行饲养。原位发酵床的优势：一是相比于传统养殖可免于圈舍冲洗，有效减少水资源浪费，减少粪污污染，实现绿色环保养殖。二是发酵床发酵产生的高温有利于冬天动物保温，动物伏卧在垫料上，能够保护腹部不受凉，减少胃肠道疾病发生。三是粪污直接排放在垫料上，不需要人工刮除粪便，节省了人力物力。但原位发酵床也有一定的局限性，一是不能完全依靠自动机械设备对垫料进行翻耙，需要依赖人工，或者人工控制机械翻耙，垫料常因疏于管理出现发霉死床现象。二是当动物踩踏垫料时，垫料中的颗粒物很有可能携带致病菌进入动物呼吸道，引发动物呼吸道疾病。生活在垫料上的动物一旦发生疾病，为避免影响垫料后期使用，养殖者一般不用抗生素等药物，也不对圈舍消毒，所以动物疾病难以防治。三是天气炎热，畜舍通风散热不及时，垫料的保温作用使圈舍温度更高，容易造成动物热应激，而热应激会影响动物机体生理机能。刘金林等[1]研究发现，高温会影响公猪的繁殖性能，垫料高温影响公猪精子活力，所以在畜舍建设初期就要考虑通风降温问题。

1.2.2 非接触式发酵床 又称异位发酵床，分为漏板发酵和异位发酵。漏板发酵建设要点是将畜舍建为上下两层，畜禽生活在漏缝地板上，粪尿通过地板缝隙落入下面的发酵床进行发酵。下面的发酵床可安装垫料自动翻耙机与通风机等自动设备，自动翻耙机可以在避免影响动物生活的情况下将垫料与粪尿混合均匀；异位发酵实现了粪污处理自动化，建设要点是在圈舍外建一个发酵大棚/舍，养殖产生的粪污通过排污管道流入粪污收集池内，而后由抽取装置抽取喷洒至发酵大棚/舍的垫料上，然后用自动翻耙机将粪污与垫料混合均匀后发酵。异位发酵床具有以下优势：一是实现了自动化，异位发酵床可建设自动翻耙机、自动喷淋装置，实现粪污排放处理一体化。二是畜禽不直接生活在垫料上，避免了采食垫料引起寄生虫病及其他疾病在动物体内的循环感染，也解决了原位发酵床夏季高温引起的畜禽热应激问题。三是发酵床利用效率更高。异位发酵床相比原位发酵床具有更适合发酵的稳定环境，发酵床中的降解菌如芽孢杆菌丰度高，使异位发酵床对粪污的降解能力强于原位发酵床。但异位发酵床同样存在局限性，一是应用成本高。异位发酵床建造需要建设发酵池、自动翻耙设备、喷淋装置，比原位发酵床造价更高，比较适合大型养殖企业。由于异位发酵床技术还不够完善，相关的设施设备在市场上没有统一标准，相应产品参差不齐，在使用过程中容易出现设备损坏无法售后的问题，运行成本大大增加。二是应用推广难。由于异位发酵床成本较高，一些中小型养殖企业望而却步，同时由于异位发酵床管理更精细化，需要具备畜禽粪污资源化利用相关知识的人员进行管理，但在实际生产中，更多养殖者的关注焦点在提高经济效益上，对于粪污的资源化利用不够重视。

2 发酵床的制作工艺

2.1 垫料的选择

发酵床垫料是微生物发酵床饲养模式的基础。常用的发酵床垫料有稻壳、玉米芯、秸秆、谷壳、木屑、花生壳、棉籽壳等，这些原料经过合理搭配混合制成颗粒状垫料。选择发酵床垫料时，要根据当地的资源情况、获取难易程度进行选择，做到经济实惠、简便易取、可靠实用。南方地区可选择锯末、稻壳、稻草等，北方地区可选择秸秆、玉米芯等。有条件的大型养殖场可以选择发酵效果更好的垫料。有研究指出，锯末作为垫料粪污消纳能力约为稻壳的2倍，所以选择锯末作为发酵床的垫料比选择稻壳发酵效果好[2]。其次，要搭配好垫料的比例，发酵床垫料通常由主料和辅料构成，主料和辅料的划分依据为用量的多少，主料一般比例在60%以上，辅料比例不超过40%。主料的构成可以是一种或多种物料，可以是单独的玉米芯或者玉米芯加秸秆，辅料同样可以由一种或者多种物料构成。主料一般选择木屑、稻壳、秸秆等碳素物料，这些物料有机碳含量高，可为微生物发酵提供丰富的营养，促进微生物繁殖；辅料作为调节剂，促进垫料能量平衡、调节垫料通透性、pH值等，一般选择麸皮、豆粕饼等，也会加入少量辅助调节剂如活性炭、沸石，帮助吸附圈舍内有害物质，增加垫料氧气含量、减少能量损失。有研究发现，垫料中添加生物炭和磷石膏可以减少氮损失，增加垫料的养分含量[3]。

2.2 菌种的选择

菌种在微生物发酵床应用中起着关键作用。发酵床菌种的选择并不是单一的，需要多种菌种相互配合才能达到最好的发酵效果，包括抑制病害分解有害物质改善肠道健康的乳酸菌、分解不易吸收物质为畜禽生长提供营养的酵母菌、提高畜禽免疫力的枯草芽孢杆菌等。顾亚兰等[4]研究了不同比例复合芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌混合应用于发酵床对青年奶牛生长、健康及舍内环境卫生的影响，发现复合芽孢杆菌和乳酸杆菌（2∶1）对牛舍内粉尘的控制有良好作用，复合芽孢杆菌、酵母菌和乳酸菌（1 ∶1 ∶1）对牛肢蹄和泌乳系统较好，而且有利于提高青年奶牛的肝功能。在确定发酵床选择何种菌剂时，除了菌种本身的效果也要依据菌种应用的垫料类型筛选优势菌种。

2.3 发酵床的制作

制作发酵床时，根据养殖者情况选择垫料后，需要将垫料粉碎成颗粒，一般颗粒的尺寸为50～100 mm，粉碎宽度要粗细均匀，太细容易板结，太粗不能为微生物提供良好的发酵环境。其次确定发酵床厚度，应根据发酵床的具体类型以及养殖的具体动物来确定，如奶牛养殖原位发酵床厚度为50～100 cm，异位发酵床养猪垫料厚度为45～50 cm。确定厚度后要开始铺设垫料，垫料的铺设方式为分层铺设，一般分为上中下三层，每层10～15 cm，而三层内可根据实际情况再进行细分，每铺设一层垫料，需要均匀加入发酵菌剂。菌剂与垫料完全混合后，发酵48～72 h后可投入使用。

3 发酵床饲养模式对畜禽的影响

3.1 提高畜禽生产性能

与传统养殖模式相比，生物发酵床模式能够提高动物生产性能，降低料肉比，增加日增重。苟宪福等[5]比较了发酵床猪舍和水泥地面猪舍的育肥猪养殖效果，发现发酵床猪舍能够提高育肥猪日增重18.84%，降低料肉比16.09%，头均增重经济效益比水泥地面饲养猪高149.67元。盛清凯等[6]研究也发现与常规水泥地面饲养相比，生物发酵床能显著提高猪的日增重并降低料肉比。除了在日增重和料肉比方面有影响，发酵床对畜禽成活率也有影响。管业坤等[7]对保育猪应用发酵床养殖模式饲喂效果进行了研究，发现发酵床养殖模式可以降低保育猪发病率，提高保育猪成活率。李芳芳等[8]研究表明，农作物秸秆发酵床养殖奶牛能够提高奶牛产奶量并减少乳房炎疾病的发生。综上所述，微生物发酵床能显著提高动物生产性能，有利于养殖场提高经济效益。

3.2 提高动物福利

与传统养殖模式相比，发酵床养殖模式能够提高动物福利。粪尿在垫料中发酵，圈舍臭味减轻，蝇蛆减少。陈倩倩等[9]研究了不同垫料粪臭素含量，发现发酵床垫料中的粪臭素要低于猪粪中的粪臭素，说明发酵床能够减轻圈舍臭味，降低空气污染，让动物生活更舒适。此外在寒冷季节，发酵床发酵产热，能够提高舍内温度，如果畜舍内保温效果好，冬季仍能达到畜禽养殖适宜温度的要求。腹部保温对幼龄动物相对重要，冬季来临，气温降低，但发酵床中层垫料温度可以达到40～50 ℃，此时幼畜躺卧在发酵床上，腹部得到温暖，提高了酶活性，可增强胃肠功能。相比传统的水泥地面养殖，发酵床垫料柔软舒适，让动物自然习性能够得到释放。如生活在垫料床上的猪，充分满足了其翻拱习性，保证了动物福利。朱洪龙等[10]研究表明，发酵床饲养模式下，猪的探究行为（嗅、啃、拱等）增加，攻击行为（争斗、咬耳、咬尾等）减少，采食总时间和采食次数减少，但每次采食持续时间增加，表明发酵床饲养模式下，猪将更多的时间用于探究行为，动物福利得到提高。顾亚兰等[11]研究发现，发酵床奶牛舍中牛的躺卧率要高于栓式奶牛舍，奶牛的舒适度更高。秦枫等[12]研究发现，发酵床饲养的猪相比水泥地面饲养的猪，唾液和血清中的5-HT、β-EP等情绪物质含量显著提高，发酵床可以促进脑分泌P11抗抑郁蛋白，减少动物生理应激，使猪只获得更高的愉悦感。

3.3 改善畜禽肉品质

关于发酵床饲养模式对动物肉品质影响的研究较多，李健等[13]研究了不同发酵床垫料对苏钟猪肉品质的影响，发现与水泥地面饲养的猪相比，发酵床垫料饲养的猪肉蒸煮水分流失、滴水损失均低，肉内亚油酸、不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸、人体必需氨基酸含量均高，这表明发酵床饲养模式能显著改善猪肉品质。朱洪龙等[14]研究了饲养方式对猪胴体性质和肉品质的影响，发现发酵床饲养模式猪背腰最长肌有增加趋势，滴水损失有降低趋势，肌内脂肪含量有提高趋势，表明发酵床养殖模式能够提高猪肉品质。熊立寅[15]研究发现发酵床饲养模式有提高猪肉嫩度、系水力，减少肉品滴水损失的趋势，还对改善猪肉色泽有作用。发酵床提高肉品质的同时，还可提高动物蛋白合成，增加机体氮沉积量，促进动物生长[16-17]。

4 影响微生物发酵床效果的因素

4.1 温度

温度对发酵效果具有以下影响：一是对垫料含水率有影响。有研究显示，垫料初始含水率为60%，发酵温度70 ℃、环境温度35 ℃、外界环境湿度70%时，垫料中水分蒸发量最大。而发酵床含水率又是影响发酵效果的重要因素，所以环境温度也会影响发酵效果。二是由于发酵过程会产生热量，环境温度过高，畜禽散热不及时，容易引起热应激，从而影响动物健康，环境温度过低，发酵床内部即使达到微生物发酵所需温度也难以维持，所以环境温度一般以不超过30 ℃为宜。三是环境温度过高，粪便分解加快，产生的甲烷、二氧化碳等气体增多，如果此时通风不及时则会影响畜禽健康。

4.2 含水率

含水率直接影响菌种发酵效率的高低，在发酵床制作时，肉眼判断含水率是否适宜可用手握紧垫料，不滴水、不成团，垫料水分控制在45%～60%为宜。发酵床中的水分有3个来源，一是人为添加，二是来源于粪尿中，三是来自发酵床内生化作用产生的水。水分发酵床含氧量下降，发酵床内部发酵温度就会受影响，还会促使霉菌毒素产生。水分降低到一定水平，微生物发酵就会停止，进而造成死床现象[18-19]。

4.3 圈舍条件与动物饲养管理

发酵床要达到良好的应用效果，硬件条件同样必不可少。制作发酵床前，要做好圈舍防水防雨、通风等工作。动物进圈前进行驱虫，防止动物携带的寄生虫排放至垫料内。同时，做好动物疫苗接种和疾病预防工作，坚持自繁自养，新进动物隔离检查正常后再混群饲养。动物日粮尽量选择能量蛋白质饲料并添加一些动物必需营养物质，如维生素和矿物质。此外，控制动物采食量，合理搭配日粮精粗比。饲养期间如果出现严重腹泻需要进行隔离，并将动物排泄物及接触垫料进行无害化处理。饲养密度根据季节、发酵床厚度、动物体重等来进行控制。

5 微生物发酵床在应用中存在的问题和展望

5.1 存在问题

一是发酵床技术局限性。发酵床制作并没有统一标准，需要养殖场根据所养殖动物种类、数量、当地环境、取材难易程度等进行垫料和菌种的选择及制作。后期发酵床维护人员能否正确判断发酵床发酵情况决定了发酵床能否正常运行，而养殖场缺乏这类人才。二是南北气候差异影响成功率。相比于北方发酵床，南方发酵床成功率偏低。南方地区气温普遍偏高，特别是夏季，气温常常在35 ℃以上，过高的环境温度与垫料发酵温度常常使圈舍温度过高，影响动物正常生长。三是成本高。以原位发酵床铺设垫料4000 m2，铺设厚度50～80 cm为例。成本投入包括垫料、菌剂、机械费、人工费、电费、运费、铺床费等，约为80～110元/m2，后期维护成本按照发酵床最长使用年限3年计算，成本约为100～150元/m2，相比传统养殖，发酵床养殖增加了发酵床建设及维护成本。四是配套技术不完善。无论是法律法规配套还是技术服务配套，发酵床技术仍然处于起步阶段。相关设备五花八门、参差不齐，大型养殖场机械化配套设施也不完善。

5.2 发展趋势和应用前景

随着畜禽养殖量的逐年递增，国家通过一系列手段加大畜禽粪污治理力度，鼓励采取粪肥还田、生产有机肥等方式进行粪污资源化利用，粪污综合利用率得到提升。但是面对有限的土地资源，粪污消纳土地不足的缺陷日益凸显，而企业面对越来越高的粪污处理达标排放标准，承受着较大压力。国家“碳中和碳达峰”的启动，对粪污处理水平提出更高要求，急需低排放、低成本处理粪污技术。微生物发酵床技术不仅能够减少各类疾病、寄生虫病的发生，还能降低粪污处理成本，减少环境污染，增强畜禽生活舒适性，提高动物福利，同时也能利用农作物秸秆废弃物制成有机肥料，具有较好的应用前景。