厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是處理有機(jī)廢棄物的理想方式，農(nóng)田施用沼氣殘余物，對于節(jié)約能源和養(yǎng)分資源循環(huán)利用有著重要意義。從沼氣殘余物的特性，施用后對土壤微生物、土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和品質(zhì)及養(yǎng)分吸收的影響，沼氣殘余物肥用后期處理技術(shù)及施用技術(shù)等方面討論了農(nóng)田施用沼氣殘余物的研究熱點。
沼氣殘余物既可作肥料，提高作物產(chǎn)量；又可作土壤調(diào)理劑，改善土壤肥力。采用淺層注射施肥技術(shù)代替普通撒施和條施方法施用沼氣殘余物，可以降低氨揮發(fā)損失，發(fā)揮其最佳肥效。通過后期堆肥處理，可以提高沼肥質(zhì)量并降低農(nóng)田施用的氮淋溶損失。分子生物學(xué)方法有助于分析復(fù)雜的土壤微生物特性，在施用沼氣殘余物土壤質(zhì)量早期監(jiān)測上應(yīng)該進(jìn)一步探索利用。
有機(jī)廢棄物，包括農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物（如禽畜糞便、農(nóng)作物秸稈等）、城市有機(jī)廢棄物（如餐廚垃圾、城市污泥）以及農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)有機(jī)廢棄物（如農(nóng)副產(chǎn)品加工提煉過程中產(chǎn)生的酒糟、豆渣、薯渣等），如不經(jīng)過妥善處理直接排入環(huán)境或處理不當(dāng)，將會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染和食品安全問題。有機(jī)廢棄物通常通過填埋或焚燒等方式處理，而通過厭氧發(fā)酵處理有機(jī)廢棄物，生成可再生能源——生物燃?xì)猓ㄕ託猓┖投趸?，間接減少了垃圾填埋場甲烷的排放，生物質(zhì)氣體替代部分燃?xì)?，減少了化石燃料的使用，降低了溫室氣體排放。同時，沼氣殘余物施用到農(nóng)田，增加了農(nóng)田有機(jī)質(zhì)的施用比例，并且作為作物營養(yǎng)的補(bǔ)充，替代部分耗能生產(chǎn)的化肥，可以減少或緩解化肥用量，節(jié)約了生產(chǎn)化肥所需要的能源，減少了溫室氣體向大氣排放，有效利用自然資源，促進(jìn)了營養(yǎng)和能源的良性循環(huán)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。可見，通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物燃?xì)猓ㄕ託猓┦翘幚碛袡C(jī)廢棄物的理想方式，有機(jī)廢棄物的厭氧消化對于緩解全球變暖和氣候變化有著重要的意義。在全球能源緊缺及環(huán)境污染亟待治理的背景下，既能處理有機(jī)廢棄物，又能生產(chǎn)新能源的沼氣產(chǎn)業(yè)在我國迅速發(fā)展，小規(guī)模戶用沼氣逐漸走向規(guī)?；a(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，到2013 年底，全國規(guī)模化沼氣工程約10 萬處，年產(chǎn)氣量約20 億m3，總產(chǎn)氣量相當(dāng)于全國天然氣年消費量的12.4%。然而，隨著大中型沼氣工程的建設(shè)，沼渣、沼液的處置和利用已成為制約沼氣工程正常運行的瓶頸問題。我國對沼渣沼液作為作物肥料的研究和應(yīng)用已有較長時間，但由于農(nóng)村沼氣殘余物成分的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，國內(nèi)一些研究只是簡單的定性研究或應(yīng)用效果比較試驗，對于沼渣、沼液農(nóng)田施用的利弊、方法以及土壤質(zhì)量監(jiān)測尚缺乏系統(tǒng)深入的研究和評價。本文在總結(jié)回顧國內(nèi)外對沼氣殘余物農(nóng)業(yè)利用研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析沼氣殘余物施用于農(nóng)田特別是作為作物肥料和土壤調(diào)理劑的效果、價值以及農(nóng)田施用沼氣殘余物的利弊，對于農(nóng)田培肥、有機(jī)肥部分替代化肥、化肥減施增效以及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)有著重要意義。
1 沼氣殘余物的特性
沼氣殘余物是有機(jī)廢棄物經(jīng)過厭氧消化的終端產(chǎn)物，沼氣殘余物的質(zhì)量主要受有機(jī)廢棄物原料來源的顯著影響。由于有機(jī)廢棄物來源相對復(fù)雜，如來源于食品加工廢料、屠宰場下腳料以及農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便甚至生活垃圾、污水污泥等，這些有機(jī)廢棄物被投入到消化裝置，進(jìn)行厭氧降解，降解后殘留部分最后成為沼氣殘余物。同時沼氣殘余物也包含厭氧消化裝置內(nèi)死亡微生物殘體、礦化產(chǎn)物等，它們是有效的植物營養(yǎng)來源，對土壤理化性狀具有改良作用。沼氣殘余物的質(zhì)量可以從物理特性、化學(xué)特性和生物學(xué)特性3 方面進(jìn)行評價。
1.1物理特性
沼渣物理成分中含有豐富的有機(jī)質(zhì)以及不同比例的纖維、非礦物質(zhì)雜質(zhì)、礦物質(zhì)等，施用沼氣殘余物可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和土壤結(jié)構(gòu)的保持，從而提高土壤的保肥能力。沼氣殘余物豐富的有機(jī)質(zhì)使土壤具有良好的排水和通氣性能，為作物高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)；施用沼氣殘余物增強(qiáng)了土壤抗破碎和抗壓性能，減少土壤侵蝕，且易于耕作，同時使作物根系能夠更好生長。但由于沼氣殘余物的原料來源復(fù)雜，其中可能含有一些物理雜質(zhì)如：玻璃、塑料、金屬、石頭等，影響沼氣殘余物作為肥料的適合性，因此，在沼氣殘余物施用到農(nóng)田之前應(yīng)清除這些雜質(zhì)。
1.2化學(xué)特性
沼氣殘余物有機(jī)質(zhì)含量高、營養(yǎng)豐富、植物營養(yǎng)成分比較全面，植物必需營養(yǎng)元素N、P、K 以及一些中微量元素等在發(fā)酵過程中損失較小而被保存在殘余物中，相比未處理的廢棄物，消化后的殘渣中植物有效養(yǎng)分含量顯著提高，因為在消化過程中投入的有機(jī)養(yǎng)分被大量礦化，厭氧消化后的殘余物銨態(tài)氮（NH4-N）含量比沒處理的糞水顯著提高。據(jù)測定，沼液、沼渣中全氮含量比堆漚肥高40%~60%，全磷含量比堆漚肥高40%~50%，全鉀含量比堆漚肥高80%~90%，故施用沼氣殘余物可提高土壤肥力水平，顯著增加作物產(chǎn)量。
1.3生物學(xué)特性
沼氣殘余物含有發(fā)酵原料分解而成的多種蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、生長素、糖類以及未完全分解的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)，還有多種活性成分如水解酶、植物激素、腐植酸、微量營養(yǎng)元素等，不僅可以提高種子發(fā)芽率，而且這些成分還可誘導(dǎo)微生物的抗性，特別對土傳病害有直接的影響，對促進(jìn)生物活性有間接的作用。此外，沼液中含有大量抑菌防病的微生物，這些微生物在抑菌防病功效中發(fā)揮著重要作用，可以抑制作物病蟲害的發(fā)生，對于防治農(nóng)作物病害如葉枯病、霜霉病等效果顯著。
2 沼氣殘余物對土壤微生物和土壤質(zhì)量的影響
2.1對土壤微生物的影響
由于沼氣殘余物含有較高含量的礦質(zhì)氮和易降解碳，有效地提高了土壤微生物活性。施用沼氣殘余物，促進(jìn)了土壤微生物活性，間接提高了作物產(chǎn)量。施用沼氣殘余物還能夠抑制作物疾病的發(fā)生，減少施用農(nóng)藥和用化學(xué)除草劑控制雜草的需求。由于沼氣殘余物中碳含量降低，土壤中微生物降解作用以及耗氧量可能減少，導(dǎo)致厭氧微生物群落減少，因而可能降低反硝化作用，從而大大減少N2O 和N2 損失，減少溫室氣體排放。此外，施用沼氣殘余物能夠提高土壤微生物生物量和土壤酶活性（包括脲酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶活性等），從而提高土壤養(yǎng)分的有效性。
短期培養(yǎng)研究表明土壤氨氧化細(xì)菌群落的組成并未受施用不同有機(jī)肥（厭氧發(fā)酵有機(jī)肥、堆肥、豬糞、牛糞）的影響，也沒有檢測到微生物區(qū)系的變化，施用豬糞和通過喜溫厭氧消化的殘余物后抑制了土壤氨氧化的潛在速率?？赡軞堄辔镏斜旧泶嬖诘囊恍┗衔镆种屏税毖趸钚?。4 年長期施用不同有機(jī)肥（包括生活垃圾堆肥、生活垃圾經(jīng)過厭氧消化后的沼氣殘余物、污泥、豬糞、牛糞以及化肥）的研究顯示，與未處理的對照相比，沼氣殘余物提高了微生物生物量和有代謝活性的微生物的比例。而且，與前面討論的短期試驗結(jié)果相反，長期施用沼氣殘余物提高了氨的潛在氧化率、氮礦化能力以及反硝化細(xì)菌的比生長速率，但與施用化肥的對照相比，沒有顯著差異。
由于土壤微生物是一個活的代謝單位，與有機(jī)質(zhì)本身相比，它隨著周圍環(huán)境變化而改變得更快。施用沼氣殘余物之后，在土壤化學(xué)特性如C、N 含量明確變化之前，土壤微生物參數(shù)的變化可以更及時反映土壤質(zhì)量受沼氣殘余物施用的影響。因此，不管是評價土壤微生物群落總量還是評價其特定系統(tǒng)/功能微生物組群以及微生物活性，都能更實時有效地反映土壤中發(fā)生的變化，為土壤質(zhì)量評價提供快速可靠的信息。
2.2對土壤質(zhì)量的影響
沼氣殘余物具有良好的物理化學(xué)性狀，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤和植物的抗旱能力和土壤保肥能力，有利于抗旱節(jié)水和減少化學(xué)肥料對環(huán)境的污染。沼氣殘余物可作為土壤調(diào)理劑，具有提高土壤緩沖酸堿變化的能力。沼氣殘余物通常偏堿性，可以改良酸性土壤，對于緩解全球土壤面臨的酸化問題很有意義。
然而沼氣殘余物除含有營養(yǎng)物質(zhì)外，還可能含有難降解的有毒致癌有機(jī)物，如二噁英類化合物、多氯聯(lián)苯、殺蟲劑、多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔铮≒AH）、氯化鏈烷烴、酚類化合物以及鄰苯二甲酸鹽等，因此在將沼氣殘余物施用到農(nóng)田之前，需要充分考慮沼氣殘余物中可能存在的污染物給農(nóng)田土壤帶來的影響和潛在風(fēng)險。要對污染物的濃度、化學(xué)反應(yīng)活性、揮發(fā)性、水溶性、吸附容量等對土壤環(huán)境的影響進(jìn)行監(jiān)測。同時土壤的降解容量、長期施用沼氣殘余物可能對土壤質(zhì)量造成的影響也值得關(guān)注。
此外，沼氣殘余物的生物學(xué)質(zhì)量與病源微生物有密切關(guān)系，它們可能在人類、動物和環(huán)境之間形成病原體新的傳播途徑。因此，農(nóng)田施用沼氣殘余物，需要認(rèn)真監(jiān)測其對整個循環(huán)鏈條上各個重要環(huán)節(jié)的影響。
3 沼氣殘余物對作物產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分吸收的影響
3.1對作物產(chǎn)量品質(zhì)的影響
從作物產(chǎn)量角度關(guān)注沼氣殘余物如何有效替代化肥具有重要的意義。有研究顯示，在種植小麥中，氮素的需求可以通過施用沼液滿足。施用沼渣、沼液后大田作物水稻、玉米、小麥等顯示了顯著的增產(chǎn)效果。施用牛糞沼液比未處理的牛糞對照顯著提高了小麥產(chǎn)量，籽粒產(chǎn)量隨著沼氣殘余物的施用量增加而增加。施用沼氣殘余物提高了燕麥和春大麥的產(chǎn)量和籽粒N 含量。兩年的田間試驗研究沼氣殘余物對于飼料作物產(chǎn)量的影響結(jié)果顯示，施用沼氣殘余物和化肥比較，苜蓿的植株累計干重沒有顯著差異，而施用沼氣殘余物的小區(qū)鴨茅草平均產(chǎn)量相比對照小區(qū)更高。比較未處理的有機(jī)肥、厭氧處理后的豬糞水與礦質(zhì)化肥施入土壤后立即翻耕混合3 種施肥方式，結(jié)果顯示肥料效益相似，硝酸鹽的累計風(fēng)險也差不多，也有一些研究報道沼渣沼液降低蔬菜中的硝酸鹽含量，并顯著提高蔬菜Vc 含量；葉面噴施沼液比化肥更能有效提高番茄中的可溶性糖含量，番茄的糖酸比也有顯著提高；沼液對葉菜、果菜及果樹等作物的噴施效果尤其顯著，如小白菜上追施沼液最高可增產(chǎn)97.74%；辣椒追施沼液，單產(chǎn)增加20%；蘋果樹噴施沼液，單果重提高3.07%~15.34%。
可見，農(nóng)田施用沼氣殘余物可顯著提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，增產(chǎn)效果可與化肥相當(dāng)，而對于蔬菜、果樹等農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提高甚至優(yōu)于化肥。
3.2對作物養(yǎng)分吸收的影響
研究表明，施用沼氣殘余物比未加工有機(jī)肥第一次刈割的黑麥草對氮的吸收更高，但第二次刈割的結(jié)果則與此相反。與施用消化后的糞水相比，施用未處理的糞肥的小區(qū)的反硝化作用損失的氮量更高。由于沼氣殘余物含有較多的礦化氮，更適合短期集中吸收氮素的作物，以減少氮素淋溶損失。施用沼氣殘余物與牛糞、豬糞水等有機(jī)肥以及礦質(zhì)肥料肥效相當(dāng)甚至更好。因為與普通堆肥相比，沼氣殘余物含有更多礦化氮以及易降解碳，有效提高了微生物活性，比其他類型的有機(jī)肥更有效為作物供應(yīng)礦質(zhì)氮。沼氣殘余物是農(nóng)作物有效的氮肥資源，具有替代或補(bǔ)充化肥養(yǎng)分的重要作用。但需要注意對施用沼氣殘余物的土壤補(bǔ)充磷素（如過磷酸鈣）以避免磷素的缺乏。
4 沼氣殘余物肥用的后期處理及施用技術(shù)
雖然沼氣殘余物既可為作物提供肥料又可以作土壤調(diào)理劑。但是，有些原始狀態(tài)的沼氣殘余物不適合直接作土壤增效劑或者改良劑，因為其可能含有對植物有毒害的物質(zhì)，或者有味、粘稠、處理困難、含水量高，農(nóng)田施用成本較高。需要進(jìn)一步研究證明沼氣殘余物是否合適施用到農(nóng)田作肥料。沼氣殘余物原料來源的質(zhì)量非常重要，要重視合理的有機(jī)廢棄物原料分離系統(tǒng)，同時，在處理過程中要減小有毒化學(xué)物質(zhì)以及難降解成分的干擾，以使沼氣殘余物產(chǎn)品的質(zhì)量得到提高。
在沼氣殘余物用作可接受的有機(jī)肥產(chǎn)品出售之前，可以進(jìn)一步加工處理使其更適合作肥料，比如通過堆肥進(jìn)行好氧降解和/或風(fēng)干處理。通過脫水或干燥過程可能減少了撒施肥料的數(shù)量，從而減少了施用費用。但是，干燥后，可能高達(dá)90%的銨（NH4-N）以氨氣（NH3）損失，這會大大降低沼氣殘余物的肥效。如果不干燥而直接施用到農(nóng)田，殘余物可以通過傳統(tǒng)的灌溉設(shè)施進(jìn)行灑施，比干燥后再施用效果明顯，也可以在整個作物生育周期進(jìn)行施肥。但是，施用時間上需要注意養(yǎng)分有效性與作物需要匹配，避免礦質(zhì)氮滲漏到土壤下對地下水造成污染。
硝酸鹽滲漏、微生物反硝化作用以及氨揮發(fā)是農(nóng)田氮素?fù)p失主要途徑，農(nóng)田氮素?fù)p失導(dǎo)致對作物的氮素供應(yīng)降低，同時對持續(xù)農(nóng)業(yè)造成威脅。沼氣殘余物pH、NH4-N 含量較高，要注意在使用肥料噴灑設(shè)備時，保證所產(chǎn)生的氨揮發(fā)最小。有機(jī)肥的干物質(zhì)含量顯著影響氨揮發(fā)，隨著干物質(zhì)含量的提高，氨揮發(fā)損失增加。此外，有機(jī)肥干物質(zhì)的物理性狀（如纖維質(zhì)與膠質(zhì)的含量比）也是影響?zhàn)B分可能土壤淋溶的重要因素。改進(jìn)農(nóng)戶施肥技術(shù)，使施入沼肥快速滲透到土壤中以減少氨揮發(fā)損失，采用淺層注射施肥技術(shù)代替普通撒施和條施技術(shù)，可以最大限度發(fā)揮沼氣殘余物的效益。
為了進(jìn)一步減少氮素滲透損失的風(fēng)險，沼氣殘余物可以通過堆肥進(jìn)一步加工和穩(wěn)定化，以提高有機(jī)肥產(chǎn)品的質(zhì)量。因為礦質(zhì)氮能夠被固定到類腐殖質(zhì)成分中。通過堆肥，可以使沼氣殘余物中難降解的有機(jī)組分如木質(zhì)素進(jìn)一步降解，它們通常不能完全被沼氣生成過程的厭氧微生物降解。在好氧堆肥過程中，好氧微生物將對植物有毒害的NH3 轉(zhuǎn)化成為硝酸鹽，使肥料產(chǎn)品的肥力提高，也更適合作為土壤調(diào)理劑。此外堆肥過程也使氣味減少，使其沼氣殘余物更適合作為土壤改良劑。新鮮廢棄物和消化殘余物對植物的有害作用隨著在堆肥過程中易生物降解有機(jī)成分的減少而降低。不同沼氣殘余物碳元素定性組成變化很大，它們對微生物類群所起作用也不同，后期好氧堆肥處理，對于原材料中含有木質(zhì)/植物性成分時，難降解的有機(jī)化合物如木質(zhì)素可以被好氧微生物如真菌進(jìn)一步降解。
不管所選擇的施肥方式是什么，用生物方法有效地對有機(jī)廢棄物（沼氣殘余物）進(jìn)行后處理是必要的。由于受沼氣殘余物原料成分復(fù)雜且不穩(wěn)定、固液分離技術(shù)不夠成熟等因素影響，我國尚缺乏成熟的沼氣殘余物有機(jī)肥制肥技術(shù)，隨著大型沼氣工程的迅速發(fā)展，相關(guān)研究亟待加強(qiáng)，才能使沼氣殘余物有效資源化利用。
5 農(nóng)田施用沼氣殘余物的土壤質(zhì)量監(jiān)測
要使沼氣殘余物有機(jī)肥安全施用，監(jiān)測土壤質(zhì)量變化非常重要，監(jiān)測項目通常包括大量養(yǎng)分元素、中微量養(yǎng)分元素以及有機(jī)碳等。評價施用沼氣殘余物處理對土壤質(zhì)量的影響，主要有化學(xué)特性評價，包括測定土壤C、N 和P 等養(yǎng)分含量，但化學(xué)特性變化較慢，如果僅僅依賴于化學(xué)特性分析，則可能不能全面了解殘余物使用的短期影響，從而不能正確評價土壤質(zhì)量變化。因此有必要分析土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能以及群落活性等。
目前，有許多方法可以用來監(jiān)測微生物群落結(jié)構(gòu)、功能變化，包括代謝活性分析。然而對土壤微生物區(qū)系的研究，應(yīng)用新的分子生物學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)方法結(jié)合，應(yīng)該更加有益，它們能夠清楚說明微生物群落結(jié)構(gòu)，包括不適合單獨培養(yǎng)的微生物種群以及功能微生物種群。非常重要的是要首先考慮利用常規(guī)PCＲ 分子生物學(xué)技術(shù)確定優(yōu)勢基因型，然后再采用其他必要的方法，比如，如果目的是探索復(fù)雜樣本如土壤微生物多樣性，可采用核ＲNA 或核DNA 分析技術(shù)等。目前用分子生物學(xué)方法監(jiān)測由施用沼氣殘余物引起的土壤質(zhì)量變化的研究相對較少，分子生物學(xué)方法有助于分析復(fù)雜的微生物群落特性，在沼氣殘余物施用于農(nóng)田中應(yīng)該進(jìn)一步探索利用。
6 展 望
沼氣殘余物不管是為農(nóng)作物提供肥料，還是作土壤調(diào)理劑，都顯示了積極的效益。大部分研究結(jié)果證實了施用沼氣殘余物顯著提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的效果。然而需要嚴(yán)格監(jiān)測其對土壤質(zhì)量的影響。多數(shù)研究報道施用沼氣殘余物能提高土壤微生物活性和生物量，但部分研究顯示其施用后能降低微生物活性和生物量，因此沼氣殘余物與土壤微生物的關(guān)系值得深入研究。對沼氣殘余物的田間施用，要高度關(guān)注其中可能的高濃度有機(jī)污染物和重金屬殘留等，并注意對其土壤質(zhì)量變化進(jìn)行監(jiān)測和風(fēng)險評估。
當(dāng)前沼氣殘余物作為作物肥料和土壤調(diào)理劑的價值還需要進(jìn)一步確認(rèn)，沼氣殘余物在農(nóng)業(yè)中的研究和應(yīng)用仍需加強(qiáng)，沼氣殘余物制肥技術(shù)以及肥料的高質(zhì)化、功能化研究亟待加強(qiáng)，以使沼氣殘余物在全球環(huán)境和經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更多有利的作用。