畜禽粪便基质化利用典型技术模式研究进展

姚 利，辛淑荣，赵自超

（1山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南 250100；2农业农村部废弃物基质化利用重点实验室，济南 250100）

0 引言

随着中国集约化养殖的快速发展，畜禽粪便的排放量逐年增大，已成为巨大的农业污染源，处理不当将会给生态环境带来极大的威胁。据农业农村部2017年《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》中估算，全国每年产生畜禽粪污38亿t，综合利用率不到60%，也就是说有15.2亿t粪污浪费。

畜禽粪便的资源化方式主要是作为肥料、能源、基质、饲料、垫料利用，其中肥料化和农田利用约占65%～75%、沼气化利用仅占1%左右[1-2]，基质化和饲料化应用也相对较少。基质化是“种植业工厂化”的核心，基质栽培可以针对作物需求配置适宜的生长环境，有效避免土壤土传病害的发生，代表了农业现代化的发展方向。无土栽培和工厂化育苗的发展需要大量质优价廉的基质，基于环境目标和提供可替代廉价基质的考虑，利用畜禽粪便生产性能稳定、养分丰富且适宜规模化生产的基质产品，是目前中国高效生态农业提质升级、农业资源节约、环境友好及循环利用的迫切需要。

畜禽粪便中含有丰富的氮磷钾、有机质和微量元素，以合适比例添加到基质中可提高基质品质[3]，促进作物根芽生长[4]。但畜禽粪便种类、产地及理化特性的不确定性，造成基质性状稳定性差等原因未能在生产上大规模使用。目前畜禽粪便基质化利用的研究局限于利用某种畜禽粪在单一作物上的基质复配，如利用牛粪、鸡粪与蘑菇渣、作物秸秆、椰糠等种植废弃物制备黄瓜、番茄、草莓的育苗或栽培基质[5-7]，但对于畜禽粪便不同生物转化方式形成的基质化技术模式，以及其应用方式缺少总结及分析，难以指导生产实践。

本研究针对畜禽粪便的特点和指标特性、基质化利用的技术模式以及今后的发展方向等内容进行了综述和探讨，旨在为加快生物基质技术创新的步伐，引导种养业废弃物资源利用朝着高值、高效、绿色方向发展提供借鉴和参考。

1 畜禽粪便的特点

1.1 理化特性

据统计，2015年中国畜禽粪尿中氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)养分资源总量分别达到1478.0万、901.0万和1453.9万t，粪尿总养分量以猪最大，其次为肉牛和羊，分别占总量28.2%（猪）、22.8%（肉牛）和15.0%（羊）[8]。

由于养殖类型、地域、生长周期等差异，畜禽粪便的特性有较大差别，表1是综合多份资料得出的畜禽粪便理化特性指标。鸡粪、羊粪中氮和钾的含量显著高于猪粪和牛粪，平均值高出1倍左右。鸡粪中磷素含量最高，其次是猪粪和羊粪，牛粪最低。此外，由于本底和矿物元素添加剂的使用，猪粪、鸡粪还含有丰富的Ca、Fe、Mg、Na、Mn、Co等中、微量元素，使得其更加具有补充和平衡土壤养分的作用[13]。

畜禽粪便中性偏碱，各种粪便的pH 7.6～8.0，一般不会对作物生长造成不利影响。4种主要畜禽粪便的电导率（EC值）主要集中在50～150 mS/cm，猪粪和鸡粪EC值高于牛粪和羊粪[12]。江苏省畜禽粪便中盐分含量（干粪）平均值为9.7 g/kg，检出范围1.8～24.2 g/kg；不同畜禽种类粪便中盐分含量为鸡粪(14.8 g/kg)＞猪粪(8.1 g/kg)＞牛粪(6.0 g/kg)[14]。通常认为，基质的可溶性盐含量在500～1000 mg/kg，EC≤1.25 mS/cm，超出范围有可能对植物根系构成渗透逆境[15]。基质盐分的适用范围同时与灌溉水的盐分、灌溉方式、营养液施用、基质槽密闭性等因素相关。育苗基质相对栽培基质来说，适宜的EC值更低，《蔬菜育苗基质》(NY/T 2118—2012)规定，电导率指标在0.1～0.2 mS/cm范围。总体而言，畜禽粪便用作育苗或栽培基质，盐分指标偏高，需要进行脱盐处理或调整在基质中的添加比例。

综上所述，畜禽粪便含有丰富的有机质、氮磷钾等营养元素和无机盐类，合理的基质化利用既可解决养殖废弃物污染问题，提高粪便价值，同时可大大减少作物化肥用量、提高作物产量及品质。

1.2 基质特性指标

基质作为作物生长的介质，要能够为作物生长提供良好的水、气、肥根际环境，应具有支持、固定植株的功能。为满足以上功能，基质需要具备以下特性：良好的保水性、透气性和保水保肥能力，以及适宜的收缩和沉降性能。表征基质特性的指标主要有总孔隙度、容重、大小孔隙比（气水比）、粒径、电导率和阳离子交换量等。畜禽粪便经过无害化和腐熟后，可成为营养丰富、粒度较细、性质稳定的基质，为满足孔隙度要求，通常需要调节基质粒径，可添加其他孔隙度较高的材料进行级配，如椰糠、秸秆、食用菌菌渣等有机物料或珍珠岩、蛭石等无机物料。

表1 主要畜种粪便理化特性

2 畜禽粪便基质化利用技术模式

2.1 “畜禽粪便—加入辅料—好氧堆肥—后处理—蔬果栽培基质”模式

该模式是将畜禽粪便和作物秸秆、食用菌菌渣等物料混合后进行好氧堆肥发酵，获得高腐殖质的堆肥，再根据作物品种需求适当添加辅料，制备符合要求的基质。该模式在番茄、黄瓜和草莓等作物的栽培和育苗基质中均进行了研究和应用，可提高作物产量和品质，经济效益和生态效益显著。蔬菜栽培及育苗基质配方中，按质量畜禽粪可占比30%～40%，菌渣、稻壳、炉渣、河沙是常用的辅料，也可加入少量草炭和珍珠岩调节基质性能，实现草炭土部分或完全替代。如董强研究将腐熟牛粪、腐熟金针菇菌渣、炉渣按4:5:1比例配制育苗基质，有利于番茄幼苗的生长[5]。陈向梅[6]以鸡粪:稻壳:发酵秸秆:炉渣=4:3:2:1配制的生态型基质栽培对草莓生长状况、产量、果实品质均优于土壤栽培。将牛粪、羊粪、河沙以不同配比制备的基质种植黄瓜，果实品质、果实特性和产量等方面都表现较好，其产量达到95.00 t/hm2以上[7]。腐熟羊粪:草炭:珍珠岩=1:1:1的基质配方可提高番茄出苗率，促进幼苗株高、茎粗、叶片数、叶面积的增长及叶绿素含量的升高[16]。

2.2 “玉米芯、粪便主料配方—轻简化发酵技术—覆土改良技术—食用菌栽培”模式

该模式利用腐熟后的牛粪（鸡粪、猪粪等）辅以玉米芯、稻草、麦秸等作为培养料栽培草腐型食用菌（草菇、双孢菇），工艺设施简易，转化效率高，经济效益显著，并可实现菌菜连作，改良土壤。配方和处理方式有2种。

（1）草菇。1畦，6 m×0.5 m，用料约牛粪15 kg、玉米芯50 kg。玉米芯无需粉碎，浸泡12 h预处理，牛粪提前建堆发酵15～20天。原料准备好后，先将玉米芯在大棚里铺设成畦，上面撒上发酵后的牛粪，然后播种草菇菌种。该模式在山东莘县等地获得广泛应用，投资小、见效快，从备料之日算起，40天即可采收完毕。栽培草菇后对菌渣原位还田，与西葫芦、甜椒、黄瓜等蔬菜进行连作，可显著改善土壤理化性质，增加土壤微生物数量[17]。

（2）双孢菇。玉米芯1500 kg，废棉1000 kg，干牛粪1250 kg，石膏50 kg，磷肥50 kg，石灰75 kg，碳酸钙100 kg。将牛粪打碎、混匀，用1%石灰水浇透预堆，使含水量达到60%左右，覆膜闷堆1天以杀灭螨虫。将预湿的牛粪与麦草等混合，在室外建堆发酵12天左右，期间翻堆3次，保持料温60～70℃，结束时培养料应呈现浅咖啡色，草料不易拉断，不刺手，略有氨味。将培养料快速运入菇房，经二次发酵5～6 h后接入菌种。根据配方不同，双孢菇栽培配方中牛粪占比可达20%～60%，平均每平方米土地栽培双孢菇消纳干牛粪（含水量50%）的最大消纳量为14.75 kg[18]。

2.3 “畜禽粪便—厌氧发酵—沼渣改性处理—辅料添加—育苗栽培基质”模式

该模式是将厌氧发酵后的畜禽粪便经过干燥粉碎，通过脱碱、脱盐、改性等措施，改善沼渣的基质特性，再与菌渣、稻壳、蛭石、珍珠岩等物料复配，得到性质优良的育苗栽培基质。例如沼渣经黑曲霉改性后，比表面积由1.5247 m2/g提高到7.0542 m2/g，大大提高了沼渣的吸附特性[19]，可改善基质的吸水性和团粒结构。

沼渣的容重较高，孔隙率较低[20]，将菌渣、稻壳和沼渣以不同比例复配黄瓜育苗基质，可以提高复合基质的通气孔隙功能，出苗率均大于93%，最高达99%，达到工厂化育苗的出苗率要求。牛粪沼渣可完全替代草炭，猪粪沼渣和鸡粪沼渣可部分替代草炭，且育苗效果优于草炭、蛭石、珍珠岩配比的人工育苗基质[21]。沼渣用作基质可提高蔬菜产量和品质，纯沼渣栽培的黄瓜、番茄、甘蓝等5种蔬菜营养元素总体上均高于草炭[22]，沼渣和炉渣以3:1配比栽培番茄植株根系活力最强[23]。

2.4 “畜禽粪便—过腹转化—虫粪—生物基质利用”模式

该模式是基于过腹转化将畜禽粪便转化为高质量的生物基质，构建高值化的循环模式。目前研究较多的是蚯蚓粪，与草炭、椰糠等物料配比制备育苗或栽培基质，在黄瓜、番茄、茄子、草莓等作物上均有应用。有研究表明，在草炭中添加30%左右的蚯蚓粪，对黄瓜幼苗的生长有一定的促进作用[24]；椰糠:蚯蚓粪=2:1的基质比较适合茄子穴盘育苗[25]；奶牛粪蚯蚓堆肥与泥炭、珍珠岩、蛭石按2:2:1:1的比例栽培草莓可显著提高品质并提前收获[26]。也有研究发现在黄瓜育苗基质中掺入少量黄粉虫粪（体积比1:160），即可使黄瓜育苗的指标明显提高[27]，育苗基质中添加2%、5%（体积比）的白星花金龟幼虫虫粪可以提高辣椒苗期的耐寒能力[28]。畜禽粪便过腹转化产物具有营养元素丰富、养分均衡的特点，且具有微生态平衡作用和良好的保水作用，是作物育苗和栽培的良好基料，但还存在虫粪理化特性不清、基质配方缺少标准等问题，虫粪残留的污染物成分和含量也有差别，这些因素都会影响到基质化利用的品种及基料配比，其应用推广技术有待于进一步研究。

3 展望

3.1 基质化是畜禽粪便实现高值化利用的重要方式

畜禽粪便养分高且微量元素丰富，经过适当的处理后可以完全或部分替代草炭土，作为育苗栽培基质的主要成分。畜禽粪制备的基质在营养需求较高的西瓜育苗、水稻育秧和蔬菜无土栽培方面，具有明显的优势，可以减少化肥和农药施用、提高作物产量和品质。特别是在国产泥炭储量持续下降、泥炭进口逐年递增的背景下，具有巨大的市场潜力，在降低无土栽培成本、提高农业生产效益方面必将发挥更大的作用。

3.2 选择适宜的畜禽粪便无害化技术

畜禽粪便水分含量高，含有有害微生物，养分多为有机态或缓效态，直接农田利用会造成水、土、大气污染，传染病虫害且容易烧苗，因此通常采用生物转化腐熟后方可农用，好氧堆肥、厌氧发酵或过腹转化均可以作为畜禽粪便处理的有效手段，获得干燥、腐熟、营养丰富的基质原料。通过适宜的生物处理方式可以使粪便充分腐熟，杀灭病原微生物，大幅度降解抗生素和激素含量，钝化重金属，提高畜禽粪便基质化利用的安全性。

3.3 制定农业废弃物基质化利用标准体系

目前尚无针对废弃物基质的国家标准和行业标准，现有的《蔬菜育苗基质》(NY/T 2118—2012)是以进口泥炭的指标进行规定，对EC等指标限制较高，以废弃物为原料制备的基质难以达到，且对废弃物原料中含有的抗生素、农残等特征污染物未进行规定，不符合生物基质的特点。基质的用途不仅限于育苗，不同作物的育苗需求也各不相同，单一的标准难以涵盖多数基质产品的应用范围。因此对不同废弃原料、作物和用途的基质，有必要开展包含畜禽粪便在内的农业废弃物基质化利用的标准化技术研究，通过蔬菜品种选择、处理技术、基质配伍等技术研究，以及特性指标的检测分析方法的明确，建立包含畜禽粪便在内的农业废弃物基质化利用标准体系，为生物基质的应用和推广提供技术支持。