畜禽粪便中含有大量的氮、磷、钾等作物生长所必需的营养元素，是一种优质廉价的有机肥原料，越来越多养殖场采用厌氧发酵技术将畜禽粪便转化为沼液、沼渣。沼液、沼渣中富含氮、磷、钾和有机质等，是养分全面、缓速兼备的优质有机肥，将沼肥施用于酸化贫瘠的土壤，能有效改善生态环境，改良土壤结构，既实现了畜禽粪污的资源化利用，也促进了畜禽养殖业的绿色可持续发展
[1]。
畜禽粪污为原料厌氧发酵产生的沼液沼渣在长期、大量和广泛的农田施用情况下，是否存在生态风险安全，受到了人们广泛关注。针对畜禽粪便厌氧发酵后的沼肥中存在重金属、抗生素和病原微生物等多种潜在危害风险的问题，本文分析了畜禽粪便中重金属、抗生素与病原微生物的来源，讨论了畜禽粪便施用对土壤和农产品重金属、抗生素残留的影响及其在食物链中的迁移累积，提出了对畜禽粪污厌氧发酵沼肥中不同风险来源的调控方法，以期为减少土壤环境污染和农产品安全生产提供参考。
1 畜禽粪污厌氧发酵沼肥的生态环境污染因素
1.1 沼肥的重金属来源
目前，饲料中滥用添加剂已成为各种规模化养殖业中较常见的现象，养殖场生产中使用的添加剂中一般包含Cu、Zn、Cr、As等重金属元素，在养殖过程中，为了加速猪、牛等牲畜的出栏速度，饲料中加入了Cu、Zn等微量元素以促进其生长。在质量监管方面，我国相关法规和标准对饲料中重金属的含量限制并不统一，导致监管评估工作较困难。如饲料卫生标准（GB 13078—2001）对As、Hg、Cr、Cd的最高允许量有明确限定，但未就Cu、Zn的含量做出限定，有关饲料中重金属超标的报道时有发生。高Cu含量饲料还会使畜禽粪便中Cu元素含量升高，该粪肥施入农田，被作物大量吸收后进入食物链，对人体与动物的健康构成潜在威胁，如牛羊等采食高Cu牧草后，易引起中毒。
畜禽体内对于重金属元素的消化、吸收、利用率极低，多数重金属随畜禽粪便排出体外，因而畜禽粪便经厌氧发酵产生的沼肥也常出现重金属超标的情况，长期过量施用存在土壤重金属累积的风险。经厌氧发酵后，大量重金属与抗生素富集于沼肥中
[2]。有研究
[3]表明，沼肥还田时长对于土壤中As、Cd和Cr含量有显著影响，这3种重金属的积累量随还田时长增加而升高；且控制沼肥施用量是降低农作物重金属累积的有效措施，当施用沼液替代化肥的替代量小于70%时，对小麦籽粒重金属含量无显著影响；当替代量大于70%时，显著提高了小麦籽粒中Cu、Zn、Cd含量
[4]。
1.2 沼肥的抗生素来源
饲料中添加的化学物质品种繁多，除了抗生素及常规抗寄生虫药物之外，还有例如抗霉剂和抗氧化剂等药物，这些化学成分通过多种方式进入畜禽体内，最后均会以其原始形态或代谢产物的形式被排出体外。畜禽粪便中的抗生素进入自然环境有多种路径，包括间接还田、流失粪尿直接排入养殖场地等。抗生素随畜禽粪便进入环境后，经吸附、降解等一系列生物转化过程，其转化过程受到抗生素固有属性（如水溶性、功能团、吸附性等）的直接或间接作用，同时也会受到土壤和水环境（如温度、矿物质浓度、pH值和有机物含量等）的影响。
经厌氧发酵后，含抗生素的沼肥被施用到土壤后，很大一部分会保留在土壤中，其中各种抗生素的残留物会抑制种子发芽、作物生长，并被作物同化，对土壤生态系统构成潜在威胁。特定类型的抗生素，如磺胺类和四环素类药物因其持久的特性，在土壤中容易产生富集现象，经作物吸收作用后，进而输入食物链，对生态系统和人类健康构成了潜在风险
[5]。畜禽粪便中的抗生素抗性基因可以在土壤和地下水中传播，还有可能将抗性质粒带入食物链中，畜禽粪便中的抗性菌株是土壤和地下水中抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的重要来源之一。厌氧发酵技术可以大幅度降低畜禽粪便中抗生素的浓度，相对而言，高温厌氧消化比中温厌氧消化对抗生素的降解更有效，包括对抗性基因的去除。但因抗生素种类的多样性，其降解效果也常存在显著差异。
1.3 沼肥的病原微生物来源
畜禽粪便可能含有致病微生物、寄生虫和病毒，造成动物疾病和人畜共患疾病传播的风险，进行堆肥、厌氧发酵等处理会降低卫生风险。厌氧发酵通常在中温或常温下进行，导致部分耐热性较强的病原微生物无法被杀灭，沼液沼渣中携带部分病原微生物，直接施用可能存在生物学风险。
一般来说病原体存活时间为20 ℃下40 d、15 ℃下60 d，厌氧消化在中温（25~37 ℃）和高温（55~65 ℃）范围内进行批次或连续系统发酵，可以有效地灭活病原体，高温厌氧消化已被证明比中温厌氧消化更有效地降低病原体（特别是大肠杆菌）的水平，去除率取决于温度和时间的长短。虽然高温厌氧发酵可以更好地消除病原体，但是温度并不是导致病原体灭活的唯一因素，pH和游离氨的浓度也有利于病原体的灭活。有研究
[6]表明，在中温下的厌氧发酵，病原菌减少了90%~95%，大肠杆菌减少了99.67%~100%，并实现了无法检测出本地的沙门氏菌菌株和原生动物的水平。厌氧发酵虽然能够有效的灭活病原体，但是为了达到更好的效果，可以和有氧消化、堆肥和热处理相结合。
1.4 沼肥的其他污染物来源
1）沼肥的类固醇激素可能存在生态环境风险。王小彬等
[7]对沼气工程（原料为猪粪等畜禽粪便）沼液取样测试分析，发现沼液中存在9种天然类固醇激素和1种合成类固醇激素。在中温和高温发酵温度条件下，对应的雌激素、雄激素和孕激素含量分别为667和1 570，258和538，以及321和1 336 ng/g；原料中3种激素水平分别为112～2 163、31～90和27～1 247 ng/g。因此，厌氧发酵畜禽粪便并不能完全去除原料中的类固醇激素，沼液的肥料化利用与猪粪直接还田在激素方面具有相同数量级的环境风险，说明沼肥施用可能成为类固醇激素的排放源，可直接通过食物链对人类健康产生危害。
2）沼肥的理化性质可能对环境有生态毒性。Tigini等
[8]通过作物栽培试验评估猪粪沼肥的生态毒性，发现供试作物对沼肥毒性均处于高度敏感状态，这说明畜禽粪便沼液可能高毒性并极具环境风险，沼液的生态毒性特征不仅与物化特性如高浓度氨、盐度、COD等指标有关，还与沼液中的有机污染物、重金属元素和酚类等毒性物质有关。因此，沼液可能比未经厌氧发酵的畜禽粪便对自然环境和人类健康具有更高的氨气排放潜力、更大的潜在危害、更具威胁的生态环境风险，长期施用可能导致土壤污染，对植物产生毒害作用。
2 沼肥施用过程中的生态环境调控
沼肥在提高作物产量与品质、促进植物种子萌发、防治病虫害、提高土壤养分含量具有积极作用
[9]。然而，由于厌氧发酵过程中使用的有机材料种类繁多，生成的残留物中因其潜在的重金属、有机污染物、杀虫剂和病原体含量而引起广泛关注，大量施用对于水土环境而言存在污染风险，如沼肥中的高含量氨氮和有机物易诱导土壤活动、沼渣施用后氨排放量显著增加、氨气排放还通过硝化作用生成硝酸而使土壤酸化等。因此，在沼肥施用过程中，应充分考虑农作物及农田对沼肥的承载能力，在农田土壤及地下水无污染的前提下选择沼肥用量，系统且定量地监测其在农产品生产过程中的安全性，如此既能减少农民的生产成本，又为科学处理沼液沼渣提供了参考，有利于预防农田消纳沼肥时产生潜在的环境风险。考虑到沼肥的益处和潜在风险，在沼肥应用于农业土壤之前，确保其质量至关重要。
2.1 沼肥施用标准
沼肥的质量会随着发酵原料、发酵时间、发酵强度及气候季节等因素变化而呈现较大差异。将沼液、沼渣施用于作物时，如沼液、沼渣未经充分发酵，将会对作物产生一定程度的危害，从而影响整体作物产量。另外，沼液中含有重金属、抗生素等有害物质，在农用过程中易在土壤中积累，影响作物正常生长；同时重金属的积累常伴随着次生土地盐碱化现象，从而降低土壤质量。如果沼液中的盐分含量超出了灌溉水的规定标准，那么该沼液就不能直接用于农田灌溉，因此当沼液作为液态肥料以灌溉的方式输入农田时，应该进行稀释或除盐处理
[10]。如果过度使用含有高重金属的沼肥，农田土壤中的重金属会逐渐累积，这不仅增加了土壤质量和农产品污染的风险，还可能通过食物链对人们的健康构成威胁。因此，对于肥料用沼液、沼渣等，有必要建立相应的标准，以确保农田土壤环境的绿色性以及农作物产品的安全性。
大多数国家应用于土地的生物肥料中重金属含量都有严格限制，不允许超过国家法规的限值。
表1列举了一些国家对于农业用途废弃物中重金属含量的限量
[11]。
2.2 沼肥对于微生物群落的调控方法
沼肥的施入可能会显著地改变土壤微生物群落结构及生物多样性，进而提高土壤质量。鉴于微生物群落变化速度相较其他土壤属性更快，所以当沼液沼渣肥料化应用时，微生物的相关参数研究往往被看作是一种高度敏感指标
[12]。一般来说，施加沼肥后，土壤有机碳和养分可用性增加，土壤微生物生物量和代谢活性会受到影响。多数研究认为，土壤微生物群落可以在不同的施肥作业下发生改变
[13]，有机肥料在宏观和微观营养成分上比化肥具有更多样化的成分，这也是有机肥可以使土壤微生物生物量和多样性强劲增强的原因。与化肥相比，沼肥应用下的土壤细菌群落结构更为复杂，而对于真菌群落则相反，沼肥会增强土壤细菌和真菌参与土壤有机碳循环，这表明与土壤有机碳分数显著相关的微生物网络模块数量增加。
2.3 沼肥的抗生素调控方法
有研究
[13]表明，高温厌氧消化和堆肥能够有效降解抗生素，降低抗性基因在畜禽粪便中的水平，从而减少施用在土壤上的风险。抗生素污染调控在宏观上主要涉及畜禽粪便和养殖污水中抗生素，目前，针对大量粪肥中抗生素的去除、降解方法，主要有2种：堆肥发酵和厌氧发酵。养殖污水中抗生素的调控主要有物化法、生化法和耦合工艺。
2.4 沼肥的病原微生物调控方法
适当的粪肥管理可以最大程度地减少病原微生物进入食物链、环境及其最终传播给人类的机会。用于灭活不同病原体的方法可分为化学、物理或生物方法。畜禽粪便中致病微生物的生存取决于许多因素，包括温度、水分、pH、有机物含量、微生物的密度和微生物之间的竞争。不同的防治方法对粪便中病原微生物的灭活率有差异，采用多种控制方法联用可以显著降低粪便中不同病原体的水平。除有氧或厌氧生物技术处理外，也可采用微生物杀菌工艺，但该工艺可能对用作肥料的经处理材料的实质性物质产生或多或少的不利影响，例如营养损失、有机物损失等。
2.5 沼肥施用的注意事项
沼肥因其肥料缓释和高效的特性，能够显著提高农作物的耐旱性和防冻性，从而增加幼苗的存活率。在使用沼肥过程中，有5个关键点
[14]需要注意:
1）避免立刻将出池的沼肥施入农田。通常从池中取出的沼肥需要在粪池里存放5~7 d。沼渣与磷肥按照10∶1的质量比混合，经过5~7 d的堆沤处理后再使用，肥效会更加高效。
2）避免直接使用未与水混合的沼肥。沼肥作为一种追加肥料，应当与水混合使用，一般的混合水量应为沼液用量的1/2，以防止农作物受到烧伤。
3）勿在表层土壤上散布沼肥。在对旱地农作物进行施肥时，建议首先采取穴施和沟施方法，随后再覆盖土壤；在给水田施肥时，应首先均匀地撒在田地上，然后再彻底翻耕。
4）避免过量施用沼肥。沼肥的使用量不应过多，一般情况下应低于常规的猪粪肥，以防止农作物过度生长和产量下降。
5）不掺施草木灰、石灰等碱性肥料。碱性肥料容易造成氮肥损失，并降低肥效。
3 结语
目前，我国有关沼液、沼渣肥料化应用的污染识别和生态调控研究仍处于初始阶段，沼肥中的各类有机污染物在环境中难以有效地进行生物降解，因其环境持久性和生物富集性可在食物链中逐渐积累；此外，沼液、沼渣中的细菌、病毒、肠道寄生虫有疾病传播的风险。为推动沼气工程的可持续发展，并为农业生产提供更加安全和可靠的肥料资源，我国在沼肥推广应用中，针对生态环境风险应重点关注2个方向：
1）加快沼液、沼渣肥料化应用的污染物识别和污染物迁移转化途径研究。探明沼肥中重金属、抗生素和病原微生物等污染物的传播途径，探究微生物作用对沼肥施用土壤的污染物转化规律，为沼肥施用的生态环境风险控制提供理论支撑。
2）广泛开展我国不同区域典型农作物的沼肥施用监测试验。对农田土壤和农产品进行长期污染物监测，确定沼肥的施用阈值，综合考虑土壤承载力、作物产量和污染物累积风险，确定不同作物种植时的沼肥安全用量，制定典型农作物的沼肥安全施用规程，为沼液、沼渣的安全应用提供实践指导。
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