沼肥在现代农业生产中的应用现状与展望

史建硕，杨军芳，王丽英，郭 丽，任燕利，李若楠，翟凤芝，孙 璇

（河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北省肥料工程技术研究中心，河北 石家庄 050051）

随着我国集约化农业的飞速发展，农业和农村废弃物产生量以每年5%～10%的速度递增，预计到2020年将超过50亿t[1]。目前我国农业废弃物循环利用方式较为粗放，大量作物秸秆和畜禽粪便等废弃物无害化、资源化处理率低，农业废弃物处置与利用不合理，种养业分离，导致农业面源污染严重。2016年农业部等六部委联合印发了《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》，明确指出农业废弃物资源化利用是改善环境污染、发展循环经济、实现农业可持续发展的有效途径。农业部印发的《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017-2020年）》中，强调要以沼气和生物天然气为主要处理方向，以农用有机肥和农村能源为主要利用方向，全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用。其中，厌氧发酵技术被广泛应用于农作物秸秆、畜禽粪便以及有机废弃物等有机物质的处理[2]，不仅提供了清洁方便的能源沼气，还产出一部分发酵残余物（包括沼液和沼渣）。发酵过程中氮磷钾等营养元素大部分被保留于沼液和沼渣中[3]，可作为有机肥料应用于农业生产中，统称为沼肥。广大学者对沼渣、沼液的综合利用进行了深入研究，如将沼渣和沼液用于玉米生产[4]、无公害蔬菜生产[5]、作物育苗[6]等方面，同时存在沼肥生产原料种类多、性质差异大等共性问题。基于此，作者对沼肥的特性、对农业生产的作用、施用技术及风险控制进行了分析，对安全、合理、有效地利用农业废弃物，保障沼气工程的可持续发展和缓解我国农业生态环境危机具有重要的意义。

1 沼肥的组成及其特性

控制厌氧发酵工艺，可产生肥效高且无害化的沼肥[7，8]。徐延熙等[9]测定了不同发酵原料的沼渣、沼液的有机质和营养元素含量（表1）。姚燕[10]通过对以畜禽粪便为原料的厌氧发酵液生产工艺研究发现，影响沼肥肥效的因素有原料浓度、发酵时间和发酵温度。当原料浓度为3.7%、发酵时间为4 d、发酵温度为55℃时，沼液中铵态氮和有效磷含量最高。

表1 不同发酵原料的沼渣和沼液中有机质及营养元素的含量Table 1 The contents of organic matter and nutrient elements of biogas residue and biogas slurry of different fermented raw materials

厌氧发酵工艺的发酵过程中可消除臭气，杀灭大部分致病菌和虫卵，发酵充分的沼液应为深褐色、无恶臭液体，pH 值为 7.5～8.0[7]。Côté C 等[11]研究表明，在20℃条件下厌氧发酵20 d，可使猪粪中的大肠杆菌减少99.67%～100%；Álvarez J A等[12]研究发现，厌氧发酵31 d可使猪粪中的金霉素减少53.2%～67.7%。

2 沼肥在现代农业生产中的作用

2.1 改变土壤性状

沼肥中含有的腐殖质是土壤有机质的主要部分，能提高土壤的保水和保肥能力，还有胡敏酸和富里酸等弱酸性有机物质和多种微生物菌团[7]，具有很强的缓冲酸碱变化的能力，对盐碱地的改良效果明显，同时还能提高土壤团粒总数和土壤交换容量，增加土壤孔隙度，改善土壤结构。肖洋等[15]研究发现，化肥配施沼渣和沼液能够降低土壤容重，提高土壤有机质含量，有效防止土壤酸化，显著改善土壤物理性质；Cordovil等[16]研究发现，施用猪粪发酵的沼液能够增加土壤中的铵态氮和硝态氮的含量，改良和修复林区火灾后土壤。黄继川等[17]研究发现，随着沼液用量的增加能够显著提高稻田土壤有机质和速效养分含量，能够显著提高土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性。万海文等[18]研究发现，追施沼液提高了麦田土壤过氧化氢酶和脲酶活性。张翠丽等[19]研究发现，沼肥能够显著降低土壤pH值和容重，证明了沼肥改良盐碱土的可行性。

2.2 促进作物生长，有效防治病虫害的发生

沼肥中含有多种作物所需的营养成分，营养能力强、养分利用率高，田间施用不仅能提高作物产量和品质，还能起到抗病和提高抗性的作用。万海文[20]研究发现，追施沼肥能够提高小麦和玉米的光合速率和水分利用率，增加叶片叶绿素相对含量，促进小麦生长、提高小麦成穗率和籽粒重，增加小麦产量；艾俊国[21]研究发现，适宜的沼肥与化肥配施能够促进春玉米的生长发育，增加春玉米干物质量和光合特性指标，改善根系结构，提高春玉米产量和籽粒品质；Tani等[22]通过对玉米进行沼肥和动物骨灰配施试验发现，该处理较单施化肥处理增产4.32%；牛伟等[23]研究发现，苹果树长期采用“猪—沼—果”的管理方式，可以明显提高苹果的品质；亓翠玲等[24]研究表明，沼液浇灌樱桃能显著改善树形，提高果树营养状况，较清水处理增产21.76%，单果重增加28.89%；胡敏等[25]研究发现，叶面喷施沼液能够促进辣椒生长，提高叶片叶绿素含量，冲施沼肥能够显著提高辣椒产量；雍山玉等[26]研究发现，沼肥与化肥的合理配施能够明显增加玉米产量，施用沼肥还可以有效防治玉米根腐病；张晓康等[27]研究发现，施用沼肥能够提高西瓜的产量和品质，降低西瓜苗期病虫害的发生概率。董照峰等[28]通过采用沼渣底施+沼液喷施的方式研究了沼肥对丹参生长的影响，发现施用沼肥能够明显增加丹参产量，还能有效地防治丹参的根腐病。Yongabi等[29]研究发现，沼液能够抑制大肠杆菌、葡萄球菌和绿脓杆菌的生长，提高药用植物的抗菌活性。

2.3 施用沼肥对环境的影响

石鹏飞等[30]研究发现，沼气发酵和有机肥还田是物质循环和能量流动的核心，可实现年节约化肥和用电成本1 796.8万元，解决了面源污染和资源损耗等问题，具有明显的生态及经济效益。郑苗壮等[31]研究发现，在土壤-草坪系统下，全年沼肥与施氮量分别为600 kg/hm2时，1 m以下的土壤渗滤液的硝态氮和总氮浓度均低于等氮量的化肥处理，对地下水环境无污染。李轶等[32]研究发现，施用沼肥能降低污灌区土壤和油菜茎叶部的重金属Cr的有效态含量。刘研萍等[33]通过对沼渣成分检测和有害性分析发现，参试沼渣基本符合我国农用标准，但Cu和Zn的含量较高，超出国外发达国家污泥农用重金属的限定标准，重金属风险评价显示，沼渣中Cd、Hg和Cu的潜在危害性最强，需要进一步研究沼渣的安全施用技术。

3 沼肥施用技术及风险控制

目前，我国沼气发酵的原料以农作物秸秆和畜禽粪便为主，发酵产生的沼渣、沼液比原料肥效更佳[33]，然而，沼渣、沼液的肥效也受厌氧发酵工艺、发酵原料以及施用技术的制约，存在病菌、虫卵、养分差异、重金属和抗生素残留等问题，因此，在农业生产应用时应该注意沼肥的筛选，保证在合理利用农业废弃物的同时，避免对土壤、作物以及环境造成二次污染。

3.1 沼肥的施用技术

根据不同生态类型、不同土壤肥力、作物养分需求量以及沼肥的养分含量进行合理的养分推荐。沼肥用量应该以带入的氮量或磷量为推荐基准，应着重考虑有机肥与化肥的配施比例，保持养分平衡，安全施用，才能保证高产、优质和环境友好。

我国农田沼肥等有机肥料的承载量为30～45t/hm2[34]，超负荷的施用沼肥可能引起土壤氮磷积累和次生盐渍化。陈乃禾[35]提出在成都平原水稻土上施用以猪粪为发酵原料的沼肥推荐使用量为27 t/hm2；万海文[17]认为，关中平原地区小麦-玉米轮作生产模式，牛粪尿为发酵原料的沼液在麦田作为追肥的最佳施用量为22.5～33.75 t/hm2，并在拔节期和孕穗期追施2次为宜；贾亮亮等[36]研究发现，日光温室番茄沼肥适宜施用量为75 t/hm2，喷施沼液时注意施用浓度，推荐体积分数50%的沼液。沼液还可用于水肥一体化系统[37]，但需要进行过滤处理。

3.2 沼肥施用风险控制

沼肥是一种营养能力强、养分利用率高、抑菌增抗的速效生物有机复合肥，但施用前必须对沼肥的重金属元素进行检测，并对超标的沼肥进行无害化处理，保证沼肥安全还田。李健等[38]检测发现配合饲料喂养法的沼渣中As、Cr和Cd的含量远远超过NY/T 5018—2001规定的污染物指标值，Hg的含量也接近标准的限定值，而青饲料饲养法的沼渣中重金属含量除Pb以外均未超出标准的限定值；沼液中重金属含量的衡量标准较模糊，其重金属含量均未超出有机肥料的限定标准，但远远超出农田灌溉水质标准。刘思辰等[39]研究发现，不同发酵原料所产生的沼液重金属含量差异较大，猪场的沼液重金属含量均高于牛场（表2）。马洁琼等[40]研究发现沼液重金属含量超出国家污水综合排放标准和农田灌溉水质标准，而这些污染物主要来源为饲料添加剂，可通过离心去除沼液中的悬浮物，降低沼液重金属含量。史艳财[41]研究发现，蚯蚓或者蚯蚓-菌肥配施可有效降低重金属的生态危害。陈苗等[42]提出沼肥施用前需进行无害化处理，降低沼肥重金属含量，具体方法可参照土壤重金属修复方法，如超富集植物、淋洗剂和固定剂等。

表2 不同发酵原料沼液的重金属含量 （mg/L）Table 2 The concentration of heavy metals in biogas slurry fermented different raw materials

4 展望

沼肥是一种优质的生物资源，具有较高的经济生态效益。合理利用沼肥是建设资源节约型社会和环境友好型社会的重要环节，因此，沼肥的无害化和综合利用值得进一步研究。首先，结合当地资源，发展“日光温室棚菜—养猪—沼气池”“果园—养猪—沼气池”“绿肥—养殖—沼气—种植”等不同的绿色生态循环发展模式，实现农业农村良性循环；其次，建立健全的检测机制，控制沼肥的无害化程度，为实现沼肥无害化资源化利用提供有力保障；最后，发展产学研相结合研发模式，集中力量发展大中型沼气工程，推进农畜废弃物的资源化再利用，实现我国沼气规模化、产业化和商业化。

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