福建省“农-牧-菌”循环农业体系构建与技术实践

陈华，叶菁，刘朋虎，王义祥，翁伯琦

（1.福建省农业科学院农业生态研究所，福州 350003；2.福建省农林大学国家菌草工程技术研究中心，福州 350002；3.福建省红壤山地农业生态过程重点实验室，福州 350003）

为贯彻落实绿色发展理念，各地深入探索生态循环农业模式与配套技术并取得了良好成效。据统计，我国每年种植业秸秆量超过7 亿t，养殖业废弃物接近40 亿t[1]。福建省农牧菌业废弃物资源总量超过0.5 亿t，但有效处理率不到50%，乡村面源污染仍然由农牧菌业废弃物排放所致，尤其是养殖业粪尿排放，使小流域水体超出适宜负荷量的31.6%；虽然通过有机肥生产、食用菌栽培、沼气开发等消纳了农牧菌业废弃物总量的40%，但是其余60%的农牧菌业废弃物仍有待于实施循环利用，因此发展现代循环农业的潜力巨大[2]。近10年来，福建省在现代循环农业创新研究与集成推广及其生产实践方面取得一系列进展，为现代农业绿色发展与乡村产业振兴探索了新的途径。

福建省以食用菌产业绿色发展为牵引，充分利用农牧业废弃物，既生产优质菌物产品又转化消纳有机废物[3]，研发并形成了农-牧-菌循环农业高质量发展新格局，为乡村产业振兴与农民增收致富做出了积极贡献。进入新发展阶段，农-牧-菌循环农业也面临着如何固碳提质与节能减排的新课题，既要充分开发利用农牧废弃物，创新高效循环利用技术，实现优质生产与农民增收，又要做到资源节约与环境友好[3-4]，创立农-牧-菌体系碳中和新途径。因此，本文概述了福建省农-牧-菌循环农业体系中不同生产模式的成效及其生产技术研究进展，并提出深化探索与集成推广应用的对策，为乡村现代农业绿色发展与循环农业转型升级提供理论参考与实践借鉴。

1 农-牧-菌循环农业体系优化构建的总体思路

以农业绿色发展理念为指导，通过农牧菌业结合与不同要素有序匹配，以有效消纳种植业与养殖业废弃物为目标，按照减量化、再利用、再循环、可调控的原则来优化设立链接环节与接口技术，因地制宜地设立农牧耦合、农菌复合的高效循环利用环节，使之合理匹配，循环利用，推动产业生态化与生态产业化的有效融合发展，促进与完善现代循环农业的绿色生产，有效保护区域生态环境，助力乡村产业振兴与农民增收致富。在总体思路实施过程中，需要注重以下几个方面的内容：

（1）开展农牧菌业废弃物利用及其风险评价，研究有机肥施用对农田生态环境的影响。农业废弃物产生与污染风险评价的目的在于明确农牧菌业废弃物产生量及其对乡村生态环境影响与负荷状况，要深入分析种植业秸秆、养殖业粪便和食用菌菌渣等废弃物去向及其再利用匹配特征，重点评价区域种养业废弃物负荷及其区域耕地的适宜承载力。长期定位观测点数据显示，长期施用猪粪、鸭粪配制的有机肥处理与对照处理相比，氮的利用率提高12.3%，蔬菜硝酸盐含量降低19.6%[5]；连续3 a 施用双孢蘑菇菌渣生产的专用肥（菌渣造粒）可提高水稻产量8.9%~12.5%；稻田土壤有机质含量提高3.6%~8.7%；化肥和牛粪有机肥长期配施，可使蔬菜硝态氮、亚硝酸盐分别降低16.6%、13.3%[6]。试验结果表明，连续5 a 施用菌渣有机肥10 t·hm-2，可替代传统稻作50%化肥施用量（以纯N 养分核算），且稻田连续5 a 施用复合有机肥可消纳菌渣60 t·hm-2，同时有效减少双氰胺化学添加剂使用量，减少化肥投入成本，保护稻田生态环境[7]。

（2）强化农业废弃物资源化技术攻关与应用。在农-牧-菌循环农业体系中，要优化构建以食用菌生产为核心的转化平台，有效利用作物秸秆与养殖废物栽培食用菌，以菌渣等废弃物生产优质有机肥，进而再进入农田生态系统，实现循环利用。栗方亮等[8]研究了菌渣作复合有机肥造粒黏结剂的技术，并改进了有机/无机菌渣复合肥制备工艺与产业化技术；王煌平等[9]探索了菌渣生物炭制备技术，利用带土双孢蘑菇菌渣作为黏结剂，替代高岭土等原料生产有机/无机复合颗粒肥与酸化土壤调理剂，以有机/无机复合颗粒肥和化肥分别施入土壤后15 d，其氮素损失率分别为8%和41%。以菌渣为堆肥主料生产有机/无机复合颗粒肥，再以菌渣有机颗粒肥+菌渣生物炭+有益微生物菌剂作为稻田基肥[10]，其水稻作物氮肥利用率比对照处理（普通有机肥）提高23%。连续2 a施用菌渣生物炭有助于菜地酸化土壤改良，菜地土壤pH提升0.4~0.5 个单位[11]。其中筛选堆肥高温菌剂是重要环节，其有助于农牧菌业废弃物高效分解，对微生物丰度和群落变化具有明显影响。王义祥等[12]在猪粪渣+鸭粪便的堆肥中添加高温发酵的菌株后，堆肥发酵时间缩短了5~7 d。刘波等[13]按照不同作物生长需求，在发酵物料中分别添加不同的化学农药、化学肥料、生物菌剂、生物质炭，研制不同系列的专用肥料、复合肥料、药肥基质、生物炭调理剂等产品，并实现了产业化生产，其应用成效十分显著。

（3）探索影响农-牧-菌体系循环转化内外因素。农牧菌业多级循环利用模式合理与否取决于废弃物中碳、氮等物质转化效率及其环境响应。陈钟佃等[14]以栽培杏鲍菇的菌渣作为再生基质，双孢蘑菇的碳素再利用率为10.8%~16.9%，氮素转化率为21%~54%；黄勤楼等[15]优化创立了规模化养猪场污染及废弃物的多级循环利用模式，以农牧废弃物栽培食用菌，再利用菌渣生产有机肥，不仅增加经济效益25%以上，而且可相对减少碳排放19.6%。事实上，在发酵微生物菌株筛选及菌渣堆制过程中主要因子变化规律与调控是关键。颜明娟等[16]研究牧草轮作对奶牛场污水氮、磷的净化效果，阐明了温度、湿度、酸度、氮量、碳量、菌剂等关键要素的作用，其中酸度影响最大，温度与湿度影响次之；刘波等[13]优化构建了以纤维素高效降解菌筛选、微生物区系动态变化规律及其配套应用技术等为核心的优化调控体系；杨国良等[17]筛选并构建的高效纤维素降解复合菌剂在菌渣原料发酵过程中应用效果十分显著，其与对照处理相比，堆体升温5~6 ℃，缩短发酵时间5~7 d，不仅加快了有机物的分解，同时明显提高了堆肥中滤纸纤维素酶的活性。

（4）创新并开发应用循环系统的碳转化技术。CO2排放发生于食用菌栽培生产全过程，而CH4和N2O排放则发生于栽培料发酵过程。影响CO2排放的主要因子为温度、湿度及基质的酸碱度调控等，研究表明pH 6.5~7.0 为适宜范围[18]。要实现农-牧-菌循环系统碳中和，需要促进系统内碳排放与碳吸收的平衡。李艳春等[19]深入探讨了茶枝代料栽培灵芝、茶园合理套种灵芝和菌渣就地回园对茶园土壤有机碳库的影响，分析了内在规律并优化调整了套种比例及其菌渣回园方法。李振武等[20]研究并建立了茶-菌-菌渣回园循环利用模式并进行运营实践，结果表明山地茶园单位面积内CO2含量高低顺序为单一灵芝>茶叶-灵芝>单一茶叶，茶叶+灵芝系统CO2含量比单一灵芝系统减少71.6%，有利于茶-菌系统内部CO2中和利用；茶园套种灵芝不仅提高土壤肥力，连续套种3 a后茶园土壤有机质提高8.75%，且每667 m2增加280~420元产值，经济效益显著。

2 农-牧-菌循环农业体系实践成效

2.1 大中型养猪场废弃物资源化循环利用模式实践成效

在乡村规模化养殖场废弃物减量化基础上，优化构建资源化循环利用模式并有效实施是现代循环农业发展的重要基础。该模式的主要技术包括4 个方面：（1）生猪饲料氮磷减量及营养配方技术优化。包括在生猪饲养不同阶段，优化减少饲粮氮含量2.5%~3.0%、磷含量0.1%~0.2%，降低铜、铁、锌等微量元素添加水平。在饲料中添加植酸酶30~40 mg·kg-1、非淀粉多糖酶100~120 mg·kg-1的处理与对照处理相比，粪磷、粪氮含量分别减少8.64%、10.80%，同时可减少粪锌12%、粪铜9.7%[21]。（2）养猪场废物固液分离及沼液高效利用技术。研发的新型固液分离机使粪便废液的总固体含量（TS）去除率达到75%以上。优化设计细菌固定化颗粒制备工艺并研发养殖污水复合过滤方法，明显提高了养猪场废液的总氮和总磷的去除率，21 d 后，去除率达到88.6%和55.0%；经固液分离之后，猪粪渣作为双孢蘑菇栽培基质，废液则导入沼气池，沼液应用氧化塘净化等集成技术处理后，水体中化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）的去除率分别提高75.3%和64.0%，水体中CODCr值则从260~280 mg·L-1降到50~60 mg·L-1[22]。利用氧化塘净化后的沼液养鱼，通过筛选适宜鱼种和投苗数量，可使产量达4.65 t·hm-2。（3）集约化养猪场废物作基质循环利用技术。将固液分离机分离出的猪粪渣作为基质原料，用于替代牛粪栽培双孢蘑菇，与常规栽培基质处理相比，产量提高了15.8%~22.0%。以猪粪渣替代45%的木屑栽培毛木耳和替代55%的棉籽壳栽培银耳，其产量分别比对照提高12.6%和9.7%；以猪粪渣替代45%的棉籽壳栽培糙皮侧耳，其产投比达3.65，比常规栽培原料处理提高了1.79 倍[23]。（4）集约型养猪场沼液多级化循环利用技术。实践表明，以沼液灌溉狼尾草草地，每667 m2产量达9.8 t·a-1，一般666.7 m2鱼塘可配套666.7 m2狼尾草（夏季）+黑麦草（冬季套种）草地，草鱼/鲢（鳙）鱼鱼种搭配比例以1∶1.2~1∶1.3 为宜，杂交狼尾草用于草鱼饵料，其最佳刈割期为28 d 左右，草鱼对狼尾草中干物质的消化率达到70.28%，同时草鱼肉中多不饱和脂肪酸（PUFA）、亚麻酸（18：3n-3）的含量分别是全饲料喂养处理的1.86、10.17 倍[24]。

2.2 养猪场发酵床微生物制剂研发与垫料多级循环利用模式实践成效

规模化养猪场发酵床微生物制剂研发与废弃物多级循环利用模式（图1）由4 个系统构成，即有益微生物饲料系统、有益微生物垫料系统、养殖环境因子调控系统、群体监测与智能化反馈系统。以微生物发酵床标准化养猪为核心的循环农业园区，配套菌剂创制、优化配方、基质生产、循环利用、智能大棚等技术，实现循环农业高效运营。取得的成效主要有：（1）畜牧养殖废弃物微生物降解技术研发。福建省农科院联合项目组收集了国内外芽孢杆菌34 892株，分离筛选了饲用益生菌剂，创制了饲用益生菌（秾窠1~5号）；先后研发了系列有机废弃物堆肥发酵专用菌剂、微生物发酵床粪污降解菌剂等14 种菌剂[25]，对集约化养猪场发酵床微生物复合制剂研发与废弃物多级循环利用模式开发提供了厚实基础。（2）设计与建设微生物发酵床养猪场。刘波等[26]研究并筛选了微生物发酵床的替代垫料，以菌渣+椰壳粉+秸秆+专用菌剂为混合原料替代紧缺的锯末，构建了微生物发酵床大栏养猪体系并研发了配套装备，主要包括微生物发酵床大栏养猪场、养殖生态环境监控系统、大栏养猪场发酵床垫料翻堆机械。微生物发酵床+大栏方式养猪与传统模式相比，不仅可节约63%的建场用地，而且节约26%的建场成本，同时节约85%的养殖用水，效益增加31%，养殖废弃物进入循环系统，基本实现零排放[27]。（3）利用养猪场发酵床垫料开发基质。以养殖场发酵床垫料为主原料，筛选并添加无致病力的地衣芽孢杆菌（FJAT-4）等系列生防菌，研发出种苗培育基质，与对照处理相比，其蔬菜种苗病害发生率降低了76%。以发酵床垫料为基材，实现产业化生产食用菌栽培基质；以添加10%~15%养猪场垫料的基质栽培的姬松茸、真姬菇，产量分别比常规配料栽培提高16.5%、10.8%[28]。卢政辉等[29]以杏鲍菇菌渣替代传统基质，筛选了栽培双孢蘑菇新配方，因地制宜优化了工厂化设施栽培模式与环境调控技术；翁伯琦等[30]经多年选育并成功获得“福蘑38”双孢蘑菇新品种，工厂化栽培产量比传统品种As2796 提高19.6%，分别以55%和65%杏鲍菇渣替代常规基质料栽培双孢蘑菇，其产量分别比传统栽培基质增产11.7%和10.2%。刘波等[26]扶持合作企业共同研发不同种类生物基质生产线1 条（年生产能力达10 万t），开发优质基质产品6 类13 个，批量生产生物肥药产品3 个。（4）建立微生物发酵床养殖场示范区。刘波等研究制定并获准发布了《微生物发酵床大栏养猪技术规范》（DB35/T 1543—2015），并按照标准化、循环化、工业化的理念，优化构建了以微生物发酵床养殖场为核心，配套人工腐殖质生产的园区，构建了现代循环农业优质生产与高效经营模式。

2.3 规模化养牛场牧草净化治理及其饲草高效循环利用模式实践成效

利用牧草治理规模化养牛场废液，并实施牧草高效循环利用技术，有助于养分吸收转化与生态环境保护。该模式的主要技术包括：（1）利用杂交狼尾草有效消纳养牛场废水。南平长富乳业集团第27 牧场利用53 hm2红壤山地，大面积连片种植闽牧6 号狼尾草。定位观测数据表明，配套53 hm2草地可消纳1 200 头养牛场沼液废水，杂交狼尾草对养牛场沼液氮、磷的吸收率分别达40.23%和37.25%[31]。（2）引进牧草新品种以提高饲草营养品质。项目组引进系列红象草品种，开展品种区试评比后筛选出红象草FJ-2新品种，并通过省级审定。红象草新品种茎叶的α-亚麻酸含量比对照品种高62.2%[32]；15N 示踪试验数据显示，杂交狼尾草粗纤维、粗蛋白、粗脂肪含量分别达30.5%、12.4%、2.8%。其对沼液氮的利用效率为18.20%~29.34%，杂交狼尾草作为饲料，其氮素消化率为27.67%~68.20%[33]。（3）提高牧草加工品品质以高效饲养奶牛。黄勤楼等[34]引进了14 个纤维素降解菌株，通过试验筛选出5 株纤维素高效降解菌，进而研发出高效降解纤维素的复合菌剂“贮宝2 号”，开发了以狼尾草为物料的不同系列青贮料，红象草茎叶青贮料乳酸含量提高16%以上，杂交狼尾草青贮料中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维降解率分别达31%和28%。项目组近年研究结果表明，杂交狼尾草/花生秧混合比为65∶35，红象草/花生秧混合比为50∶50 为适宜比例；肉牛饲喂狼尾草/花生秧青贮料，料重比达50∶1 时，肉牛质量增加达1.19 kg·d-1，奶牛饲喂红象草/花生秧青贮料，每100 g 牛乳中α-亚麻酸含量达15.88 mg，比对照处理增加43.5%。（4）构建草-牧-沼多级循环利用模式。以山区奶牛场为载体，通过多年研究并因地制宜地构建了草-牧-沼多级循环利用模式，形成了牧草饲料-奶牛生产-牛粪基质-沼气发电-沼液灌溉-牧草生长的递进循环利用新业态。通过系统产投比分析表明，南平市长富乳业集团第27牧场不仅节约饲料-肥料-灌溉-能量投入成本42%，而且环境承载负荷强度降低43%。通过反馈能值有效替代，系统的可持续发展指数（17.8）比对照处理增加33.6%，总体净效益比对照处理提高32.5%[35]。

2.4 菌业生产温室气体减排及其菜-菌体系CO2中和利用模式实践成效

实施食用菌生产过程CO2有效减排，实现菌业废弃物资源化是现代循环农业的重要环节。该模式主要技术有：（1）草生菌碳排放规律与减排技术。项目组采用静态箱-气相色谱法，探讨双孢蘑菇、秀珍菇等栽培过程的温室气体排放动态，其呈现出前低-中高-后低的排放规律。双孢蘑菇在生长期间全程排放CO2，其中栽培基质中15%~20%的碳量被转化到菇体，25%~30%残留在菇渣中、50%~60%以CO2形式排放到大气中[36]。在进行栽培基质预处理过程碳排放方面，创立姬松茸培养料新型复式堆积法，优化堆料碳氮比和满格堆制厚度，改进层次交叉翻堆机械，缩短堆制发酵时间，减少温室气体排放。姬松茸栽培基质按照33∶1 或者35∶1 的C/N 进行堆制发酵，既保障培养料发酵质量，又降低了23%的温室气体排放量，姬松茸产量与对照处理相比提高了29%~38%。（2）大棚菌菜共作栽培与碳中和技术。项目组研究并优化构建了温室大棚蔬菜和食用菌CO2、O2互补栽培体系（图2），该体系包括4 个子系统，即架构设施、生境调控、水肥一体、CO2中和。在温室大棚条件下，选择适宜蔬菜温室大棚栽培的食用菌品种（秀珍菇、平菇等），同时筛选适宜菌渣基质栽培的蔬菜品种，探索不同菇-菜栽培过程CO2排放与体系内CO2、O2互补共赢的合理匹配技术，创立了蔬菜-菌物-菌渣-基质设施生态循环农业产业化模式。建立2 000 m2的菌-菜共作温室示范大棚并进行试验示范，其生产结果显示，菌-菜共作处理与单一种植蔬菜大棚相比，蔬菜增产18.6%，与单一栽培食用菌大棚相比，CO2减排48.8%，平菇产量提高22.6%，取得良好的碳中和效果，该研究成果正在进一步扩大示范并组织集成推广[37]。马路等[38]合理调整木薯、芋头等作物的种植密度、套种时间，并因地制宜地套种竹荪，木薯+竹荪比芋头+竹荪处理的产量提高12%以上，促进废弃物中碳物质转化利用的成效十分显著。

图2 温室大棚蔬菜和食用菌CO2和O2互补栽培体系Figure 2 Complementary cultivation system of CO2 and O2 for vegetables and edible fungi in greenhouse

3 农-牧-菌循环农业体系生产运营中的主要技术对策

农-牧-菌循环农业体系的生产运营需要关注资源优化匹配、循环途径拓展、链接接口优化和有效调控，还需要防控二次污染、启动利益驱动机制等。

要优化构建多级循环农业生产体系，实现提高效率、提升效能、提增效益的目标，今后应加强以下技术的研发。（1）扩大筛选微生物助堆剂并深化食用菌基质快速发酵技术。要深化纤维素降解菌筛选和混合菌剂复配、集成创新隧道式3 次发酵配套设施，优化改进栽培基质堆制技术等研究与集成应用。（2）进一步深化菌渣再利用及其食用菌高优栽培技术。要深入开展菌渣再利用相容性研究，建立便捷应用数据库，深化不同菌渣再利用配方与生产模式的复合研究，提高循环利用效率[39]。（3）选育低重金属含量食用菌新品种及专用料栽培技术。要进一步选育低重金属富集的食用菌新品种，同时要构建低污染栽培体系，保障子实体产品符合食品卫生安全标准。（4）深化草生菌栽培替代料筛选与高质量生产配套技术。要进一步系统研发并完善牛粪、猪粪、稻草、茭白茎叶、笋壳等混合型的系列配方，形成高质量与节料型替代基质生产技术体系。（5）深化旱地作物及果园、茶园套种食用菌高效栽培技术。要在山地果园、茶园套种食用菌，以果园杂草为原料，以果园后沟为场地栽培食用菌，在山地茶园套种灵芝等品种，力求每667 m2果园、茶园增加收入300~500 元。深化实用模式与便捷技术耦合研究，提高资源利用率并实施绿色防控技术。（6）深化菌业加工废弃物资源循环利用增值技术。以蘑菇预煮液为主原料加工制作蘑菇酱油，深化研发蘑菇酱油加工工艺与系列配方；优化树脂纯化菌物多糖工艺参数与喷雾干燥技术，有效提取菇脚、残次料及菇品预煮液的多糖成分；利用食用菌加工漂烫液喷雾干燥制备营养精粉工艺；与企业合作研发加工工艺及其生产线[40]，系统开发食用菌精粉胶囊、含片、饮料等新产品，拓展精深加工领域，研发新一代产品，提高菌业加工副产品的循环利用价值。

多年研究与推广应用实践表明，农-牧-菌循环农业体系的高效运营，有赖于标准化、机械化、智能化、绿色化新技术的导入与应用，其中各个环节与接口直接的优化调控十分重要，保障资源的合理匹配，使上一道生产环节废弃物成为下一道环节的资源，促进循环农业产业链的延伸与有效利益驱动，从而实现经济-社会-生态效益协同，以保障乡村产业生态化与区域生态产业化的双赢目标实现。在建设农业强国的新阶段，现代循环农业要大力提倡节能减排生产与收获高效优质产品，以食用菌产业为载体的农-牧-菌循环农业高质量发展必将为建设资源节约与环境友好新乡村起到重要作用，其成功的探索与有效的经验，对福建省乃至全国乡村产业振兴与农业提质增效具有重要的实践意义。