?畜禽糞便肥料化及其在土壤改良中的應用綜述?

摘 要：我國畜禽養(yǎng)殖由散戶向規(guī)模化集中養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變后，養(yǎng)殖廢棄物造成的環(huán)境污染問題仍較嚴重。畜禽糞便中富含N、P、K等多種營養(yǎng)元素和有機質(zhì)，是重要的有機肥源。為了加快推進畜禽糞便的資源化利用，筆者首先分析了畜禽糞便隨意排放帶來的風險，然后介紹了當前流行的幾種糞便資源化利用方式。我國目前對畜禽糞污的處理技術主要包括除臭和固液分離，資源化利用方面主要有厭氧發(fā)酵和肥料化利用，也有將畜禽糞便氣化后作為能源利用的嘗試，但因能源化利用成本較高而難于推廣；肥料化利用操作簡單、成本低，且應用效果顯著。筆者著重闡述了畜禽糞便堆肥技術以及畜禽糞便肥料對土壤改良的效果，并提出今后應著重解決堆肥過程中重金屬和抗生素污染問題，加強雞糞、鴿糞、豬糞、牛糞等不同來源有機肥的系統(tǒng)性對比研究，以更好地推進畜禽糞便的資源化利用。

關鍵詞： 畜禽糞便；堆肥；有機肥；土壤改良；綜述

中圖分類號：X713 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）04-0109-06

Abstract：Though the livestock and poultry breeding in China has transformed from dispersed culture to large-scale intensive raising， the environmental pollution problem caused by animal waste is still serious. On the other hand， livestock and poultry manure is an important source of organic fertilizer which is rich in N， P， K， etc. nutrient elements and organic matter （OM）. To accelerate the resource utilization of livestock and poultry manure， we first analyzed the risks caused by the random discharge of livestock and poultry manure， and introduced several common ways of resource utilization of livestock and poultry manure. At present， the treatment techniques of livestock and poultry manure mainly include deodorization and solid-liquid separation. The utilization of manure resources mainly includes anaerobic fermentation and composting. There is also attempt to gasify animal waste for energy， which is difficult to popularize because of the high cost of energy utilization. Composting utilization is simple in operation and low in cost with significant performance. Here， we elaborate the composting technology of livestock and poultry manure and its effect on soil improvement， and suggest that the pollution of heavy metals and antibiotics during composting should be emphatically solved in the future， and the systematically comparative study of organic manure from different sources， such as chicken， pigeon， pig and cow manures， should be strengthened， so as to better promote the process of resource utilization of livestock and poultry manure.

Key words： livestock and poultry manure; compost; organic fertilizer; soil improvement; review

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模不斷擴大，畜牧業(yè)養(yǎng)殖方式也從家庭散養(yǎng)向規(guī)模養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，畜牧業(yè)總產(chǎn)值占比增大[1]。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國養(yǎng)殖的大牲畜約有10 486.77萬頭，生豬出欄數(shù)高達44 922.42萬頭，豬肉產(chǎn)量高達5 295.93萬t，畜牧業(yè)總產(chǎn)值達2 869.4億元[2]。但是，安婧等[3]的研究表明，2021年中國畜禽糞便產(chǎn)生量達39億t，大部分地區(qū)和省份的畜禽糞便排放量已超出環(huán)境容量的50%，造成的氮、磷污染區(qū)域逐步擴大，特別是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)污染風險較高。由于畜禽糞便富含N、P、K、Ca、Mg、S、B等營養(yǎng)元素，且含有胡敏酸、富里酸和胡敏素等有機物質(zhì)，對其進行肥料化處理不僅可以減少對環(huán)境的污染，而且可實現(xiàn)資源的重復利用，變廢為寶。研究表明，畜禽糞便所制的肥料可以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分含量比例，提升土壤有機質(zhì)（organic matter，OM）含量，促進植物生長，減少化肥使用量，還可改善土壤結(jié)構(gòu)，疏松土層，降低板結(jié)，提高緩沖性能，防止土壤酸化[4]。為治理畜禽糞便污染，國家也出臺了相關政策文件。例如，2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、生態(tài)環(huán)境部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關于進一步明確畜禽糞污還田利用要求 強化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知》，明確畜禽糞污還田利用標準，要求加強事中事后監(jiān)管，完善糞肥管理制度，加快構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)牧循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展新格局。為了加快推進畜禽糞便的資源化利用，筆者首先分析了畜禽糞便隨意排放帶來的風險，然后介紹了當前流行的幾種糞便資源化利用方式，著重闡述了畜禽糞便堆肥技術以及畜禽糞便肥料對土壤改良的效果，并展望了該領域未來的研究重點。

1 畜禽糞便隨意排放的風險

我國畜禽糞污總量巨大，其中大部分產(chǎn)自集約化牛、羊、豬以及家禽類養(yǎng)殖場，其化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）高達1 000萬t，是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。大量未經(jīng)處理的畜禽糞便隨意排入環(huán)境，對土壤、水體和大氣環(huán)境造成嚴重污染，極大地威脅動物和人類的生命健康，也阻礙了畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。畜禽糞便短時間內(nèi)集中排放或長期持續(xù)排放，一方面其味道難以消散，周圍環(huán)境難以及時消納，且糞便中的重金屬、雌激素等有害物質(zhì)在土壤中大量沉積將嚴重影響農(nóng)作物生長發(fā)育[6]；另一方面畜禽糞便中有大量有機營養(yǎng)物質(zhì)和病原體，其COD遠超生活污水排放標準，可導致藻類迅速生長，水中溶解氧含量持續(xù)降低，生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）負荷增加，導致厭氧腐化或富營養(yǎng)化情況發(fā)生，威脅魚類等水生生物的生存，嚴重破壞水生生態(tài)，甚至可使河流生態(tài)功能喪失；另外，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的氣態(tài)污染物硫化氫、氨等具有強烈毒性，濃度大時能使人畜中毒[7]。由此可見，畜禽糞便的處置及其資源化應用已成為當前亟待解決的問題。

2 畜禽糞便資源化利用的方式

鑒于畜禽糞便富含的多種植物生長所需的礦質(zhì)元素（表1）和OM等營養(yǎng)成分[8]，肥料化利用便成為畜禽糞便資源化利用的重要方式之一。Wang等[9]調(diào)查了云南、西藏、涼山等5個多民族地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)廢棄物處理情況，指出農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)廢棄物的再利用將有效減少化肥的使用，有助于偏遠和少數(shù)民族地區(qū)的脫貧攻堅，應提倡實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。1949年以來，畜禽糞便的資源化利用方式不斷轉(zhuǎn)變，從初期的傳統(tǒng)廄肥，到沼氣發(fā)酵，最后發(fā)展到如今的多元化處理，技術逐步完善[10]。目前為止，對畜禽糞污的處理技術主要包括除臭和固液分離技術；資源化利用方面有厭氧發(fā)酵和肥料化利用[11]。值得關注的是，近年來有少數(shù)學者對畜禽糞便利用有了新的途徑。如Sitka等[12]將畜禽糞便氣化后作為能源利用。但是，能源化利用的成本較高，無法廣泛推廣。相比之下，肥料化利用操作簡單、成本低。但這也表明人們已經(jīng)逐漸意識到無害化處理和資源化利用才是畜禽糞便最佳的處理方式，目前應用最廣的還是堆肥處理[13]。

3 畜禽糞便堆肥技術

畜禽糞污雖然是優(yōu)質(zhì)的有機肥，但不能直接還田利用，一方面是因為病原菌、抗生素和雌激素等污染問題不容忽視，另一方面是畜禽糞污中的部分OM不能被植物有效吸收利用。畜禽糞便經(jīng)高溫發(fā)酵腐熟制成堆漚肥，可將未被完全消化的OM分解成有機氮、有機磷、腐殖酸等易被作物吸收利用的養(yǎng)分，病原菌、有害微生物也能被高溫殺滅，大部分雌激素也可通過該方式有效去除。研究發(fā)現(xiàn)，堆肥能有效降低抗生素抗藥性在土壤中傳播的可能性[14]。

影響堆肥質(zhì)量的因素較多，主要包括水分、溫度、C/N、微生物含量及其活性等。堆肥的適宜水分在50%～60%，水分過高微生物活動將轉(zhuǎn)為厭氧活動，且堆體溫度將有所下降，導致堆肥效果不佳；最佳溫度為45～55 ℃，此時微生物活性高，有機質(zhì)分解迅速；C/N一般在25～30較好；在糞便中添加一定量的微生物菌劑可加快腐熟速度、降低養(yǎng)分損失、提高堆肥質(zhì)量。另外，Zhang等[15]研究指出，增加通風量可顯著提高牲畜糞便堆肥的腐熟度，但通風量過大將導致堆肥氣體排放量增加。目前主要的堆肥方式有好氧堆肥、厭氧堆肥[16]和超高溫快速堆肥，其中好氧堆肥是目前運用最廣泛、技術也最為成熟的堆肥方式[17]。

3.1 好氧堆肥

好氧堆肥是指在一定條件下利用好氧微生物將畜禽糞便分解形成腐殖質(zhì)，最終達到無害化程度的方法。好氧堆肥可分為通風靜態(tài)垛堆肥、槽式堆肥和容器式堆肥，其處理方式、優(yōu)缺點各有不同，詳見表2。通風靜態(tài)垛堆肥，其通風方式有2種，一種是被動式的煙囪效應進行自然通風，另一種是利用鼓風機主動式的強制通風，其主要缺點是受天氣影響和次生污染嚴重。槽式堆肥是將原料與輔料充分混合，連續(xù)或定時放入發(fā)酵槽內(nèi)，利用鏈板式翻堆機將原料再次混合，在發(fā)酵槽底部進行充氧曝氣的發(fā)酵過程，翻堆次數(shù)不宜過多，不然不易達到最終的堆制標準，特別在相對空氣濕度較大的地區(qū)，采用槽式堆肥可避免空氣濕度對堆肥效果的影響[18]。容器式堆肥，又稱反應器堆肥，根據(jù)裝置的不同分為3種堆肥方式（表3），是目前較先進的堆肥處理方式。物料主要通過自身重力作用或者翻堆機自上而下從進料口到出料口完成一次腐熟發(fā)酵。

抗生素的環(huán)境污染與生態(tài)毒性近年來引起了日益廣泛的關注，水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜牧業(yè)抗生素長期濫用的直接后果很可能誘導動物體產(chǎn)生抗生素抗性基因（ARGs）。這些ARGs經(jīng)排泄后將對養(yǎng)殖區(qū)域及其周邊環(huán)境造成潛在基因污染，還極有可能在環(huán)境中傳播、擴散，對公共健康和食品、飲用水安全構(gòu)成威脅。為此，學者們提出要將ARGs作為一類新型環(huán)境污染物，對該類污染物在環(huán)境中的來源、潛在的傳播途徑以及國內(nèi)外相關研究進展進行綜述，指出了當前形勢下中國開展環(huán)境中ARGs污染研究的必要性，建議盡快從國家層面上系統(tǒng)進行ARGs的環(huán)境污染機理與控制對策研究。研究表明，好氧堆肥對ARGs有較明顯的控制作用。因此，這是一種可持續(xù)的、有前途的處理動物糞便的方法[19]。不同的堆肥方式優(yōu)缺點各異，雖然堆肥技術在不斷發(fā)展、逐步完善，但是堆肥的過程中重金屬和抗生素污染問題仍然是學者們關注的重點[20]。

3.2 厭氧堆肥

厭氧堆肥是在無氧的條件下，借助厭氧微生物（主要是厭氧細菌）將有機質(zhì)進行分解，被分解的有機碳化合物中能量大部分轉(zhuǎn)化貯存于甲烷中，僅一小部分有機碳化合物氧化成二氧化碳，釋放的能量供微生物生命活動需要的過程，這一過程又被稱為厭氧消化（anaerobic digestion，AD）。畜禽糞便的AD不但能提供優(yōu)質(zhì)的沼氣燃料，其發(fā)酵殘留物還富有N、P、K、腐植酸、維生素等物質(zhì)，可制作優(yōu)質(zhì)花卉肥、魚餌及飼料添加劑等。研究表明，AD可以進一步增強污染物的去除效果[21]，尤其是對ARGs有一定的抑制作用[22]，但堆體溫度[23]、添加重金屬種類[24]、原料濃度[25]和是否攪拌等因素會影響AD對畜禽糞便ARGs的削減效果。此外，AD還可使畜禽糞便中重金屬形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而降低其危害性。近年來，為了研究AD的消化性能，有學者選擇多種底料如煙梗[26]、青貯飼料、秸稈[27]等與畜禽糞便一起進行共消化，效果顯著，這為解決畜禽糞便等廢棄物的回收再利用提供了新的途徑。

3.3 超高溫快速堆肥

超高溫快速堆肥是指在大于等于85℃的條件下將物料預處理4 h后，再進行堆肥發(fā)酵。曹云等[28]研究了畜禽糞便超高溫堆肥過程中產(chǎn)物變化及特性，結(jié)果指出超高溫快速堆肥使雞、豬和奶牛3種糞便中的可溶性有機碳含量明顯增加，腐植化程度增大。王玉等采用模擬堆肥的方法研究了極端嗜熱菌劑促進堆肥腐熟的效果，結(jié)果表明，在堆肥30 d時，接種極端嗜熱菌劑的處理與未接種相比，種子發(fā)芽指數(shù)和胡富比分別提高了35.9%和21.3%。這表明接種極端嗜熱菌劑能加快堆肥腐熟進程，提高堆肥品質(zhì)。但是由于該方法的能耗大、成本高，目前未得到廣泛應用。

4 畜禽糞便有機肥在土壤改良中的應用

隨著養(yǎng)殖場廢棄物無害化處理和資源化利用的發(fā)展，畜禽糞便有機肥替代部分化肥成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。研究表明，畜禽糞便有機肥不僅可增加土壤肥力、提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，降低作物因長期連作和大量使用化肥所導致的“肥害”，還可改善土壤理化性狀，例如改善因大量施用化肥所導致的土壤板結(jié)和酸化問題，增加土壤微生物群落豐富度等[29]。以下從土壤理化性狀、土壤有機質(zhì)（Soil organic matter，SOM）以及土壤微生物特性3個方面具體闡述畜禽糞便有機肥對土壤的改良效果。

4.1 施用畜禽糞便有機肥對土壤理化性狀的影響

畜禽糞便有機肥的施用能顯著改善土壤容重和孔隙度，使土壤團聚體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[30]。劉麗媛等[31]的研究表明，與常規(guī)施肥相比，施用有機肥可顯著降低土壤容重，降幅約3.67%。有研究表明，豬糞等動物源有機肥較化肥能顯著提高土壤大團聚體（＞2 mm）含量，同時降低61.4%的小團聚體（0.25～2 mm）含量，這說明畜禽糞便有機肥能有效改善土壤團聚體的形成[32]。關于土壤孔隙方面，有學者利用最新的X射線顯微攝影技術研究了玉米—大豆輪作條件下施用奶牛糞便有機肥和無機肥料對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明奶牛糞便有機肥和無機肥料結(jié)合施用能顯著提高土壤孔隙度，且長期施用奶牛糞便有機肥可以改善土壤微觀物理環(huán)境[33]。此外，畜禽糞便有機肥能提高土壤全氮、有效磷及交換性鉀、鈣、鎂的濃度，其效果優(yōu)于氮磷鉀肥[34]。研究還發(fā)現(xiàn)，畜禽糞便沼氣池厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的沼液中養(yǎng)分含量占發(fā)酵殘留物總養(yǎng)分含量的85%，且主要為速效養(yǎng)分如生物有效態(tài)氮、磷、鉀和有機質(zhì)等，能為土壤提供充足的營養(yǎng)元素。王康等[35]發(fā)現(xiàn)，在鹽堿地上施用一定含量的雞糞沼液可大幅度降低土壤的鹽度和氯離子含量，進而減少鹽堿地對植物的鹽脅迫和毒害。就氮肥利用率來說，唐麗[36]的研究表示，豬糞堆肥對土壤全氮含量及氮肥利用率的提升效果更顯著?？傮w來說，畜禽糞便有機肥對土壤理化性狀有一定程度的改善作用，有利于作物的生長發(fā)育以及對養(yǎng)分的吸收利用。

4.2 施用畜禽糞便有機肥對土壤有機質(zhì)的影響

研究表明，長期施用畜禽糞便來源的有機肥可以有效提升SOM含量，緩解土壤退化[37]。Rodrigues等[38]研究發(fā)現(xiàn)，與單施豬糞水和單施礦質(zhì)肥料相比，施用豬糞和牛糞混合溶液更加有利于提高0～20 cm土層中的土壤有機碳儲量，可作為微生物肥料的合適替代品。殷勤[39]的研究顯示，蘋果地長期（11 a）施用豬糞水后，SOM水平明顯提高。杜坤[40]在玉米種植地長期施用豬糞水也得出同樣的結(jié)論，且畜禽糞污肥料化產(chǎn)物能顯著提高土壤表層5 cm深度的SOM含量。除此之外，Liu等[41]在江西南昌市稻田土壤監(jiān)測站的長期試驗結(jié)果表明，腐熟豬糞作有機肥可顯著增加SOM含量，從而促進水稻高產(chǎn)。與此同時，SOM含量隨著有機肥替代比例的增加呈上升趨勢[42]。由此可知，長期施用畜禽糞便有機肥可顯著提高SOM含量[43]，但其對不同土壤類型SOM的提升效果還需進一步深入研究。

4.3 施用畜禽糞便有機肥對土壤微生物特性的影響

動物源有機肥對細菌群落結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用大于植物源有機肥，與化肥處理相比，動物源有機肥能明顯提高土壤細菌的豐度、Shannon指數(shù)和Pielou指數(shù)[32]。Gautam等[44]研究了長期施用糞肥和礦物肥料對土壤生化指標的影響，數(shù)據(jù)顯示，與0～10 cm土壤深度的對照處理相比，較高的有機肥施用量顯著增加了土壤酶活性和微生物群落磷脂脂肪酸生物量，較大地改善了土壤細菌的群落結(jié)構(gòu)。還有學者研究了施用動物源有機料對土壤—生菜系統(tǒng)中各類細菌的分布情況，結(jié)果表明，由于細菌分布的共同性，施用家禽糞和豬糞顯著增加了土壤微生物系統(tǒng)中的精氨酸豐度[45]。除此之外，Wang等[46]研究指出，施用動物糞便有機肥顯著增強了非生物和生物的NH4+-N和NO3--N的固定，土壤微生物活性得到顯著提升。靳亞忠等[47]對甜瓜盆栽的試驗結(jié)果顯示，施用雞糞有機肥能提高土壤中蔗糖磷酸合成酶和中性轉(zhuǎn)化酶的活性，促進甜瓜糖分的積累。由此可見，畜禽糞便有機肥的施用有利于提高土壤微生物活性，并在一定程度上改善群落結(jié)構(gòu)，使其有利于作物生長發(fā)育和品質(zhì)形成。

5 總結(jié)與展望

近年來，有關畜禽糞便肥料化利用的技術不斷完善和更新，不管是方法工藝還是儀器設備在我國的推廣和應用都日漸成熟。此外，畜禽糞便肥料除了增加土壤肥力外，還可用作土壤添加劑和改良劑，改善因過量施用化肥所導致的土壤板結(jié)問題，并具有提高土壤質(zhì)量、作物品質(zhì)、產(chǎn)量，改善土壤微生物活性等功效。但以下幾個方面應當引起重視。

（1）畜禽糞便中重金屬、抗生素和環(huán)境雌激素等污染物不容忽視，因此畜禽糞便有機肥施用前的檢測十分必要，同時應在牲畜、家禽飼料和獸藥等源頭上加以嚴格控制，避免畜禽糞便有機肥施用帶來的土壤二次污染。

（2）應加強對不同地區(qū)不同土壤類型以及不同農(nóng)作物種類的畜禽糞便有機肥施用效果研究，綜合考慮多方面因素因地制宜地進行利用，充分利用畜禽糞便堆肥產(chǎn)品及沼液中養(yǎng)分，降低生產(chǎn)成本，提高利用效率。

（3）目前畜禽糞便的利用方式仍較為單一，多元化的利用方式和新型技術仍需進一步探索和開發(fā)，充分利用其中的養(yǎng)分，更好地發(fā)揮畜禽糞便有機肥在改良土壤方面的作用。

（4）目前有關畜禽糞便有機肥的研究大多將各種來源的糞便作為一個整體，然而不同來源的畜禽糞便如雞糞、鴿糞、豬糞、牛糞等的成分含量差異較大，其肥料化利用的工藝參數(shù)、有機肥產(chǎn)品的性質(zhì)和對土壤改良的效果也存在較大差異。今后應加強不同來源有機肥的系統(tǒng)性對比研究，以達到更好地資源化利用效果。

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（責任編輯：張煥裕）