菌草濕地對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中氮磷污染物去除效應(yīng)研究

摘要" 為探討菌草在畜禽糞污凈化方面的效能，利用菌草構(gòu)建了菌草濕地，測(cè)定菌草濕地生態(tài)治理前后水體中的總磷、氨氮和總氮的含量，揭示了其對(duì)畜禽類糞污的凈化效果。結(jié)果表明，養(yǎng)殖場(chǎng)糞污經(jīng)過菌草濕地生態(tài)處理后，污水各項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生明顯變化，總磷、氨氮和總氮含量平均下降率分別為50.5%、66.9%和60.3%。研究表明，菌草對(duì)畜禽糞污的凈化效果較好，未來研究應(yīng)進(jìn)一步深入探究菌草品種篩選與組合和生物發(fā)酵飼料領(lǐng)域，為推動(dòng)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞" 菌草；畜禽養(yǎng)殖；養(yǎng)殖污染；生態(tài)治理

中圖分類號(hào)" X713"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼" A"""""" 文章編號(hào)" 1007-7731（2025）06-0051-04

DOI號(hào)" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.06.013

Research on the removal effect of nitrogen and phosphorus pollutants in livestock and poultry breeding wastewater

SONG Bin¹""" CHEN Jie¹""" WANG Hao²""" XU Xiujing¹""" MA Fei³""" WANG Xiaoguang¹""" REN Yi¹

（¹Suzhou Vocational Technical College， Suzhou 234000， China;

²Suzhou City Yongqiao District Qixian Town Agricultural Comprehensive Service Center， Anhui Province，"Suzhou 234000， China;

³Suzhou City Sixian County Animal Husbandry and Veterinary Aquatic Technical Service Center， Anhui Province， Suzhou 234000， China）

Abstract" To explore the efficiency of Juncao in the purification of livestock and poultry manure， a Juncao wetland was constructed. The contents of total phosphorus， ammonia nitrogen and total nitrogen in the water quality of the Juncao wetland were measured before and after ecological treatment， and the purification effect of the Juncao wetland on" livestock and poultry manure was revealed. The results showed that after the ecological treatment of the manure， all the indexes of the sewage changed obviously， and the average reduction rates of total phosphorus， ammonia nitrogen and total nitrogen were 50.5%， 66.9% and 60.3%， respectively. The studies showed that Juncao has a better purification effect on livestock and poultry manure， and future research should explore the selection and combination of Juncao and biological fermentation feed， so as to provide references for promoting the development of ecological agriculture.

Keywords" Juncao; livestock and poultry breeding; breeding pollution; ecological governance

畜禽養(yǎng)殖業(yè)作為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一，在滿足人們對(duì)肉蛋奶需求的同時(shí)，也帶來了一定的環(huán)境挑戰(zhàn)。近年來，畜禽養(yǎng)殖量穩(wěn)中有升，包括生豬^[1]、肉牛、羊和家禽等，隨之而來的畜禽糞污產(chǎn)生量較大。畜禽糞污處理不當(dāng)容易造成環(huán)境污染，尤其對(duì)水體、土壤和空氣的污染較為明顯，其不合理排放易導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤質(zhì)量下降和空氣污染等一系列環(huán)境問題，可能對(duì)生態(tài)平衡和公眾健康構(gòu)成威脅。畜禽養(yǎng)殖在污水沖刷或糞水沖刷的過程中，對(duì)水源質(zhì)量和水生植物的生長(zhǎng)造成不利影響^[2]。畜牧業(yè)對(duì)氣候變化也產(chǎn)生不可忽視的影響^[3]。

相關(guān)研究人員在探討畜禽糞污的生態(tài)治理以及資源化利用方式等方面進(jìn)行了較多研究。傳統(tǒng)的畜禽糞污處理方法，如堆肥和厭氧發(fā)酵，在一定程度上能減少污染，但存在處理效率低、資源利用有限等局限性。因此，探索一種高效、可持續(xù)的畜禽糞污生態(tài)治理途徑勢(shì)在必行。菌草是一種高大草本植物，高度可達(dá)7 m，具有發(fā)達(dá)的根系、高效的光合效率和廣泛的適應(yīng)性以及極強(qiáng)的分蘗能力，能夠在短時(shí)間內(nèi)大量繁殖，是一種高效的生物質(zhì)資源。菌草還具有強(qiáng)大的生物降解能力^[4]，不僅能高效分解有機(jī)物，還可用于生產(chǎn)有機(jī)肥料和食用菌^[5]，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的雙重效益^[6]。菌草也是生態(tài)治理的先鋒植物，具有強(qiáng)抗逆性，耐旱、耐鹽堿和耐瘠薄，能夠在坡地、沙地和鹽堿地快速生長(zhǎng)，有效改良鹽堿地，防止水土流失^[7-9]。趙曉登等^[10]研究表明，菌草在水土保持、生物質(zhì)能源開發(fā)和飼料生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

菌草在畜禽糞污治理方面的潛力暫未得到充分挖掘。本研究利用菌草對(duì)糞污的凈化機(jī)制，測(cè)定其濕地生態(tài)治理畜禽養(yǎng)殖污染前后相關(guān)指標(biāo)的變化，分析菌草對(duì)畜禽養(yǎng)殖糞污的凈化效果，為實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原理

1.1.1 菌草對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收機(jī)制 菌草根系具有龐大的表面積和豐富的根毛，這使其能夠與糞污中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸。根細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有高度選擇性，能夠識(shí)別并主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性磷等營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入細(xì)胞。氮素通過同化作用合成氨基酸、蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)化合物參與植物的生長(zhǎng)代謝過程；磷素主要用于合成核酸、磷脂等生物大分子，參與能量代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等生理過程；菌草根系分泌的有機(jī)酸（如檸檬酸、蘋果酸等）可降低根際土壤pH，增加土壤中難溶性磷的溶解度，提高磷的有效性，進(jìn)一步促進(jìn)根系對(duì)磷素的吸收^[11]。

1.1.2 菌草對(duì)濕地系統(tǒng)的優(yōu)化機(jī)制 優(yōu)化菌草濕地的水流路徑和污水停留時(shí)間是提高其凈化效果的關(guān)鍵^[12]。采用曲折迂回的流道設(shè)計(jì)，如迷宮式流道或多段式串聯(lián)流道，可增加糞污與菌草根系和微生物的接觸機(jī)會(huì)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，使污染物被充分吸收和降解。根據(jù)畜禽糞污的性質(zhì)和濃度，合理調(diào)整污水停留時(shí)間，一般控制在3～7 d為宜。此外，通過在濕地中設(shè)置不同深度的區(qū)域，形成淺水區(qū)、深水區(qū)和過渡區(qū)，為不同類型的微生物提供多樣化的生存環(huán)境，從而促進(jìn)微生物群落的功能互補(bǔ)和協(xié)同作用；同時(shí)，在濕地底部鋪設(shè)合適的填料，如礫石、陶粒和火山巖等，不僅可以增加微生物附著面積，還能改善水流狀態(tài)，提高濕地系統(tǒng)的通氣性和透水性。

1.1.3 菌草的微生物強(qiáng)化機(jī)制 向菌草濕地接種特定功能的微生物菌劑是提升凈化效能的有效手段^[13]。篩選和培養(yǎng)高效的脫氮菌、解磷菌和降解有機(jī)物的復(fù)合菌劑等，在菌草種植初期或糞污處理過程中定期接種到濕地系統(tǒng)中。通過在濕地環(huán)境中快速定殖，并與土著微生物產(chǎn)生協(xié)同作用，增強(qiáng)對(duì)污染物的分解轉(zhuǎn)化能力。例如，一些具有高效硝化—反硝化功能的微生物菌劑可以加速氮素循環(huán)，將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫诺酱髿庵?；解磷菌劑能夠釋放出有機(jī)酸和磷酸酶等物質(zhì)，將土壤中難溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷，提高磷的生物有效性，便于菌草吸收利用。微生物菌劑的添加還可以調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，抑制有害微生物的生長(zhǎng)，維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在安徽省宿州市埇橋區(qū)蘄縣鎮(zhèn)忠陳村。根據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)殖規(guī)模、畜禽種類和糞污產(chǎn)生量，菌草濕地面積設(shè)計(jì)為1.34 m²。設(shè)計(jì)合理的糞污收集與輸送系統(tǒng)，以確保畜禽糞污能夠穩(wěn)定、高效地引入菌草濕地。采用地下管道輸送方式，避免糞污暴露造成污染，將畜禽糞污通過管道系統(tǒng)引入菌草濕地，并設(shè)計(jì)蛇形流道延長(zhǎng)糞污在濕地中的停留時(shí)間，促進(jìn)菌草與糞污的充分接觸。（1）蛇形流道。蛇形流道寬0.5 m，深度0.5 m，通過設(shè)置彎道和緩坡，使糞污在濕地流道內(nèi)形成緩慢流動(dòng)狀態(tài)，以延長(zhǎng)停留時(shí)間，確保菌草與糞污充分接觸。（2）在蛇形流道之間設(shè)置壟，壟寬0.6 m，壟高0.5 m，菌草栽培在壟上，菌草株距0.4 m。（3）在菌草濕地入口及出口處分別設(shè)置采樣點(diǎn)，用于定期采集糞污原液和凈化后污水樣本。

本試驗(yàn)菌草栽培時(shí)間為2023年4月15日，采用分根繁殖方式，4月30日開始出苗。在菌草栽培以及出苗后3 d分別用水灌溉1次，促使其迅速發(fā)芽和生長(zhǎng)；在菌草株高1 m左右時(shí)將糞污水引入菌草濕地，每7 d引入1次；在菌草株高2 m左右時(shí)，開始取樣進(jìn)行測(cè)試。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 菌草生長(zhǎng)狀況 在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，觀察菌草在濕地環(huán)境中的生長(zhǎng)狀況，包括其株高和外觀形態(tài)。

1.3.2 治理效果指標(biāo) 氨氮含量按照HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》進(jìn)行測(cè)定；總氮含量按照HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》進(jìn)行測(cè)定；總磷含量按照GB 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌草生長(zhǎng)狀況

觀察發(fā)現(xiàn)，菌草對(duì)濕地環(huán)境展現(xiàn)出極強(qiáng)的適應(yīng)性，生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)極為旺盛。其根系發(fā)達(dá)，株高增長(zhǎng)較快，每月平均增高80 cm。從外觀形態(tài)上看，菌草莖桿粗壯結(jié)實(shí)，表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)狀態(tài)和較強(qiáng)的抗倒伏能力；葉片寬大且色澤翠綠，有效提高了光合作用效率，促進(jìn)其生長(zhǎng)和發(fā)育，而翠綠的顏色則是其健康生長(zhǎng)的直觀體現(xiàn)，表明菌草在生長(zhǎng)過程中能夠充分吸收和利用環(huán)境中的養(yǎng)分。菌草的分蘗能力十分強(qiáng)盛，在適宜的環(huán)境條件下，能從母株上不斷長(zhǎng)出新的分蘗，使得菌草群體數(shù)量快速增加，進(jìn)一步提高了其生物量。以上生長(zhǎng)特點(diǎn)增強(qiáng)了菌草對(duì)畜禽糞污中的污染物的吸收和固定能力。

2.2 生態(tài)治理效果指標(biāo)

養(yǎng)殖場(chǎng)糞污經(jīng)過菌草濕地生態(tài)治理后，分別對(duì)糞污原液和治理后的污水進(jìn)行取樣、檢測(cè)化驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。在總磷指標(biāo)方面，糞污原液的平均含量為55.0 mg/L ，經(jīng)過菌草濕地生態(tài)治理后，總磷平均含量降至27.3 mg/L；不同樣本下降率在47.4%～54.5%，平均下降率為50.5%，說明菌草濕地都能穩(wěn)定地發(fā)揮對(duì)總磷的去除作用。在氨氮指標(biāo)方面，糞污原液的氨氮平均含量為198.1 mg/L，經(jīng)治理后，氨氮平均含量降至65.5 mg/L；不同樣本的下降率在65.7%～68.0%，平均下降率為66.9%，說明菌草濕地對(duì)氨氮的去除效果穩(wěn)定且高效。在總氮指標(biāo)方面，糞污原液的總氮平均含量為230.0 mg/L，治理后下降至91.6 mg/L；不同樣本下降率在56.1%～65.4%，平均下降率為60.3%，展現(xiàn)了菌草濕地強(qiáng)大的凈化能力。綜合結(jié)果表明，菌草濕地對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)糞污中的磷、氮等污染物具有較強(qiáng)的去除能力，降低了污水的污染程度，為后續(xù)的水資源合理利用或安全排放奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與討論

本研究將菌草濕地建設(shè)和畜禽糞污凈化緊密關(guān)聯(lián)起來，構(gòu)建一套科學(xué)、完整且高效的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。菌草作為一種生命力頑強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快且適應(yīng)性廣的草本植物，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其發(fā)達(dá)的根系能夠深入土壤，不僅為濕地微生物提供了豐富的附著表面，還能有效增強(qiáng)土壤的透氣性與保水性。畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的大量糞污被引入菌草濕地系統(tǒng)，通過物理沉降和過濾，將糞污中的有機(jī)污染物逐步分解轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。這一過程實(shí)現(xiàn)了畜禽糞污的原位處理。經(jīng)過菌草濕地系統(tǒng)的生態(tài)治理，凈化后的水可回收用于農(nóng)田灌溉、養(yǎng)殖場(chǎng)地沖洗等，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。這種創(chuàng)新模式產(chǎn)生的效益是多方面的。（1）從環(huán)境角度看，顯著減少氨氮等的排放，有效保護(hù)了周邊的水體、土壤和大氣環(huán)境，降低了畜禽養(yǎng)殖對(duì)生態(tài)的負(fù)面影響。（2）從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，降低了糞污處理成本，同時(shí)通過資源循環(huán)利用，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)化肥和水資源的依賴，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。（3）在社會(huì)層面，該模式為生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了可借鑒的成功范例，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

未來研究應(yīng)進(jìn)一步深入探究菌草品種篩選與組合，總結(jié)出不同品種菌草在生長(zhǎng)特性、營(yíng)養(yǎng)元素吸收能力和環(huán)境適應(yīng)能力等方面的差異。深入研究菌草與土壤微生物、畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)之間的復(fù)雜互作關(guān)系，優(yōu)化菌草濕地生態(tài)治理技術(shù)和菌草發(fā)酵工藝，加強(qiáng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和效果評(píng)估。（1）菌草品種篩選與組合。通過篩選對(duì)氮、磷等污染物吸收能力強(qiáng)且生長(zhǎng)速度快和抗逆性好的菌草品種，并進(jìn)行合理組合種植，以提高菌草濕地對(duì)畜禽糞污的凈化效果^[14]。例如，某些菌草品種對(duì)銨態(tài)氮具有較高的親和力，而另一些品種則對(duì)硝態(tài)氮或有機(jī)氮的吸收利用效率更高；部分品種對(duì)磷的富集能力突出，可優(yōu)先選擇這些品種用于高磷含量糞污的處理。同時(shí)，考慮不同菌草品種的生長(zhǎng)周期和生態(tài)位差異，進(jìn)行搭配種植，使菌草濕地在不同季節(jié)和空間層次上都能保持較高的凈化效能。（2）菌草生物發(fā)酵飼料領(lǐng)域。利用特定微生物對(duì)菌草進(jìn)行發(fā)酵處理，并制成優(yōu)質(zhì)飼草，進(jìn)一步拓展了飼草來源，有效緩解了飼草資源緊張的問題。發(fā)酵后的菌草飼料，不僅散發(fā)獨(dú)特香氣，大幅增加了飼料適口性，促進(jìn)了畜禽生長(zhǎng)發(fā)育。以上研究進(jìn)一步推動(dòng)了菌草技術(shù)在更大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的應(yīng)用示范，為生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供更有力的技術(shù)支撐。此外，還應(yīng)開展菌草綜合利用的多元化研究，如開發(fā)菌草基生物肥料、生物能源產(chǎn)品等，拓展菌草產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)其資源價(jià)值的最大化。

綜上，本研究通過菌草濕地生態(tài)治理試驗(yàn)證實(shí)了菌草對(duì)畜禽糞污的凈化效果較佳，養(yǎng)殖場(chǎng)糞污經(jīng)過菌草濕地生態(tài)處理，污水各項(xiàng)指標(biāo)均明顯下降。總磷含量下降50.5%，氨氮含量下降66.9%，總氮含量下降60.3%。本研究表明，菌草濕地系統(tǒng)中畜禽養(yǎng)殖污染生態(tài)治理和菌草種植生長(zhǎng)方面相互促進(jìn)，菌草通過有效吸附和降解水體中的污染物實(shí)現(xiàn)凈化，同時(shí)土壤和水體中的污染物又為菌草生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了菌草的生長(zhǎng)。本研究為實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用和促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了可行的解決方案。

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（責(zé)任編輯：胡立萍）

基金項(xiàng)目 安徽省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目“菌草治污、發(fā)酵飼料生產(chǎn)及生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)研發(fā)”（自然科學(xué)類）（2023AH040364）。

作者簡(jiǎn)介 宋斌（1969—），男，安徽泗縣人，碩士，副教授，從事植物保護(hù)研究。

通信作者 陳潔（1972—），女，安徽宿州人，博士，副教授，從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及生態(tài)農(nóng)業(yè)研究。

收稿日期 2025-01-27