厌氧发酵生产沼气是处理有机废弃物的理想方式，农田施用沼气残余物，对于节约能源和养分资源循环利用有着重要意义。从沼气残余物的特性，施用后对土壤微生物、土壤质量、作物产量和品质及养分吸收的影响，沼气残余物肥用后期处理技术及施用技术等方面讨论了农田施用沼气残余物的研究热点。
沼气残余物既可作肥料，提高作物产量；又可作土壤调理剂，改善土壤肥力。采用浅层注射施肥技术代替普通撒施和条施方法施用沼气残余物，可以降低氨挥发损失，发挥其最佳肥效。通过后期堆肥处理，可以提高沼肥质量并降低农田施用的氮淋溶损失。分子生物学方法有助于分析复杂的土壤微生物特性，在施用沼气残余物土壤质量早期监测上应该进一步探索利用。
有机废弃物，包括农业有机废弃物（如禽畜粪便、农作物秸秆等）、城市有机废弃物（如餐厨垃圾、城市污泥）以及农副产品加工业有机废弃物（如农副产品加工提炼过程中产生的酒糟、豆渣、薯渣等），如不经过妥善处理直接排入环境或处理不当，将会带来严重的环境污染和食品安全问题。有机废弃物通常通过填埋或焚烧等方式处理，而通过厌氧发酵处理有机废弃物，生成可再生能源——生物燃气（沼气）和二氧化碳，间接减少了垃圾填埋场甲烷的排放，生物质气体替代部分燃气，减少了化石燃料的使用，降低了温室气体排放。同时，沼气残余物施用到农田，增加了农田有机质的施用比例，并且作为作物营养的补充，替代部分耗能生产的化肥，可以减少或缓解化肥用量，节约了生产化肥所需要的能源，减少了温室气体向大气排放，有效利用自然资源，促进了营养和能源的良性循环，促进农业可持续发展。可见，通过厌氧发酵生产生物燃气（沼气）是处理有机废弃物的理想方式，有机废弃物的厌氧消化对于缓解全球变暖和气候变化有着重要的意义。在全球能源紧缺及环境污染亟待治理的背景下，既能处理有机废弃物，又能生产新能源的沼气产业在我国迅速发展，小规模户用沼气逐渐走向规模化生产。据统计，到2013 年底，全国规模化沼气工程约10 万处，年产气量约20 亿m3，总产气量相当于全国天然气年消费量的12.4%。然而，随着大中型沼气工程的建设，沼渣、沼液的处置和利用已成为制约沼气工程正常运行的瓶颈问题。我国对沼渣沼液作为作物肥料的研究和应用已有较长时间，但由于农村沼气残余物成分的复杂性和不稳定性，国内一些研究只是简单的定性研究或应用效果比较试验，对于沼渣、沼液农田施用的利弊、方法以及土壤质量监测尚缺乏系统深入的研究和评价。本文在总结回顾国内外对沼气残余物农业利用研究进展基础上，分析沼气残余物施用于农田特别是作为作物肥料和土壤调理剂的效果、价值以及农田施用沼气残余物的利弊，对于农田培肥、有机肥部分替代化肥、化肥减施增效以及发展循环经济有着重要意义。
1 沼气残余物的特性
沼气残余物是有机废弃物经过厌氧消化的终端产物，沼气残余物的质量主要受有机废弃物原料来源的显著影响。由于有机废弃物来源相对复杂，如来源于食品加工废料、屠宰场下脚料以及农业废弃物、畜禽粪便甚至生活垃圾、污水污泥等，这些有机废弃物被投入到消化装置，进行厌氧降解，降解后残留部分最后成为沼气残余物。同时沼气残余物也包含厌氧消化装置内死亡微生物残体、矿化产物等，它们是有效的植物营养来源，对土壤理化性状具有改良作用。沼气残余物的质量可以从物理特性、化学特性和生物学特性3 方面进行评价。
1.1物理特性
沼渣物理成分中含有丰富的有机质以及不同比例的纤维、非矿物质杂质、矿物质等，施用沼气残余物可以促进土壤团聚体的形成和土壤结构的保持，从而提高土壤的保肥能力。沼气残余物丰富的有机质使土壤具有良好的排水和通气性能，为作物高产奠定了基础；施用沼气残余物增强了土壤抗破碎和抗压性能，减少土壤侵蚀，且易于耕作，同时使作物根系能够更好生长。但由于沼气残余物的原料来源复杂，其中可能含有一些物理杂质如：玻璃、塑料、金属、石头等，影响沼气残余物作为肥料的适合性，因此，在沼气残余物施用到农田之前应清除这些杂质。
1.2化学特性
沼气残余物有机质含量高、营养丰富、植物营养成分比较全面，植物必需营养元素N、P、K 以及一些中微量元素等在发酵过程中损失较小而被保存在残余物中，相比未处理的废弃物，消化后的残渣中植物有效养分含量显著提高，因为在消化过程中投入的有机养分被大量矿化，厌氧消化后的残余物铵态氮（NH4-N）含量比没处理的粪水显著提高。据测定，沼液、沼渣中全氮含量比堆沤肥高40%~60%，全磷含量比堆沤肥高40%~50%，全钾含量比堆沤肥高80%~90%，故施用沼气残余物可提高土壤肥力水平，显著增加作物产量。
1.3生物学特性
沼气残余物含有发酵原料分解而成的多种蛋白质、氨基酸、维生素、生长素、糖类以及未完全分解的纤维素、半纤维素、木质素等物质，还有多种活性成分如水解酶、植物激素、腐植酸、微量营养元素等，不仅可以提高种子发芽率，而且这些成分还可诱导微生物的抗性，特别对土传病害有直接的影响，对促进生物活性有间接的作用。此外，沼液中含有大量抑菌防病的微生物，这些微生物在抑菌防病功效中发挥着重要作用，可以抑制作物病虫害的发生，对于防治农作物病害如叶枯病、霜霉病等效果显著。
2 沼气残余物对土壤微生物和土壤质量的影响
2.1对土壤微生物的影响
由于沼气残余物含有较高含量的矿质氮和易降解碳，有效地提高了土壤微生物活性。施用沼气残余物，促进了土壤微生物活性，间接提高了作物产量。施用沼气残余物还能够抑制作物疾病的发生，减少施用农药和用化学除草剂控制杂草的需求。由于沼气残余物中碳含量降低，土壤中微生物降解作用以及耗氧量可能减少，导致厌氧微生物群落减少，因而可能降低反硝化作用，从而大大减少N2O 和N2 损失，减少温室气体排放。此外，施用沼气残余物能够提高土壤微生物生物量和土壤酶活性（包括脲酶、碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶活性等），从而提高土壤养分的有效性。
短期培养研究表明土壤氨氧化细菌群落的组成并未受施用不同有机肥（厌氧发酵有机肥、堆肥、猪粪、牛粪）的影响，也没有检测到微生物区系的变化，施用猪粪和通过喜温厌氧消化的残余物后抑制了土壤氨氧化的潜在速率。可能残余物中本身存在的一些化合物抑制了氨氧化活性。4 年长期施用不同有机肥（包括生活垃圾堆肥、生活垃圾经过厌氧消化后的沼气残余物、污泥、猪粪、牛粪以及化肥）的研究显示，与未处理的对照相比，沼气残余物提高了微生物生物量和有代谢活性的微生物的比例。而且，与前面讨论的短期试验结果相反，长期施用沼气残余物提高了氨的潜在氧化率、氮矿化能力以及反硝化细菌的比生长速率，但与施用化肥的对照相比，没有显著差异。
由于土壤微生物是一个活的代谢单位，与有机质本身相比，它随着周围环境变化而改变得更快。施用沼气残余物之后，在土壤化学特性如C、N 含量明确变化之前，土壤微生物参数的变化可以更及时反映土壤质量受沼气残余物施用的影响。因此，不管是评价土壤微生物群落总量还是评价其特定系统/功能微生物组群以及微生物活性，都能更实时有效地反映土壤中发生的变化，为土壤质量评价提供快速可靠的信息。
2.2对土壤质量的影响
沼气残余物具有良好的物理化学性状，能够改善土壤结构，提高土壤和植物的抗旱能力和土壤保肥能力，有利于抗旱节水和减少化学肥料对环境的污染。沼气残余物可作为土壤调理剂，具有提高土壤缓冲酸碱变化的能力。沼气残余物通常偏碱性，可以改良酸性土壤，对于缓解全球土壤面临的酸化问题很有意义。
然而沼气残余物除含有营养物质外，还可能含有难降解的有毒致癌有机物，如二噁英类化合物、多氯联苯、杀虫剂、多环芳香族碳氢化合物（PAH）、氯化链烷烃、酚类化合物以及邻苯二甲酸盐等，因此在将沼气残余物施用到农田之前，需要充分考虑沼气残余物中可能存在的污染物给农田土壤带来的影响和潜在风险。要对污染物的浓度、化学反应活性、挥发性、水溶性、吸附容量等对土壤环境的影响进行监测。同时土壤的降解容量、长期施用沼气残余物可能对土壤质量造成的影响也值得关注。
此外，沼气残余物的生物学质量与病源微生物有密切关系，它们可能在人类、动物和环境之间形成病原体新的传播途径。因此，农田施用沼气残余物，需要认真监测其对整个循环链条上各个重要环节的影响。
3 沼气残余物对作物产量、品质和养分吸收的影响
3.1对作物产量品质的影响
从作物产量角度关注沼气残余物如何有效替代化肥具有重要的意义。有研究显示，在种植小麦中，氮素的需求可以通过施用沼液满足。施用沼渣、沼液后大田作物水稻、玉米、小麦等显示了显著的增产效果。施用牛粪沼液比未处理的牛粪对照显著提高了小麦产量，籽粒产量随着沼气残余物的施用量增加而增加。施用沼气残余物提高了燕麦和春大麦的产量和籽粒N 含量。两年的田间试验研究沼气残余物对于饲料作物产量的影响结果显示，施用沼气残余物和化肥比较，苜蓿的植株累计干重没有显著差异，而施用沼气残余物的小区鸭茅草平均产量相比对照小区更高。比较未处理的有机肥、厌氧处理后的猪粪水与矿质化肥施入土壤后立即翻耕混合3 种施肥方式，结果显示肥料效益相似，硝酸盐的累计风险也差不多，也有一些研究报道沼渣沼液降低蔬菜中的硝酸盐含量，并显著提高蔬菜Vc 含量；叶面喷施沼液比化肥更能有效提高番茄中的可溶性糖含量，番茄的糖酸比也有显著提高；沼液对叶菜、果菜及果树等作物的喷施效果尤其显著，如小白菜上追施沼液最高可增产97.74%；辣椒追施沼液，单产增加20%；苹果树喷施沼液，单果重提高3.07%~15.34%。
可见，农田施用沼气残余物可显著提高作物产量和品质，增产效果可与化肥相当，而对于蔬菜、果树等农产品质量的提高甚至优于化肥。
3.2对作物养分吸收的影响
研究表明，施用沼气残余物比未加工有机肥第一次刈割的黑麦草对氮的吸收更高，但第二次刈割的结果则与此相反。与施用消化后的粪水相比，施用未处理的粪肥的小区的反硝化作用损失的氮量更高。由于沼气残余物含有较多的矿化氮，更适合短期集中吸收氮素的作物，以减少氮素淋溶损失。施用沼气残余物与牛粪、猪粪水等有机肥以及矿质肥料肥效相当甚至更好。因为与普通堆肥相比，沼气残余物含有更多矿化氮以及易降解碳，有效提高了微生物活性，比其他类型的有机肥更有效为作物供应矿质氮。沼气残余物是农作物有效的氮肥资源，具有替代或补充化肥养分的重要作用。但需要注意对施用沼气残余物的土壤补充磷素（如过磷酸钙）以避免磷素的缺乏。
4 沼气残余物肥用的后期处理及施用技术
虽然沼气残余物既可为作物提供肥料又可以作土壤调理剂。但是，有些原始状态的沼气残余物不适合直接作土壤增效剂或者改良剂，因为其可能含有对植物有毒害的物质，或者有味、粘稠、处理困难、含水量高，农田施用成本较高。需要进一步研究证明沼气残余物是否合适施用到农田作肥料。沼气残余物原料来源的质量非常重要，要重视合理的有机废弃物原料分离系统，同时，在处理过程中要减小有毒化学物质以及难降解成分的干扰，以使沼气残余物产品的质量得到提高。
在沼气残余物用作可接受的有机肥产品出售之前，可以进一步加工处理使其更适合作肥料，比如通过堆肥进行好氧降解和/或风干处理。通过脱水或干燥过程可能减少了撒施肥料的数量，从而减少了施用费用。但是，干燥后，可能高达90%的铵（NH4-N）以氨气（NH3）损失，这会大大降低沼气残余物的肥效。如果不干燥而直接施用到农田，残余物可以通过传统的灌溉设施进行洒施，比干燥后再施用效果明显，也可以在整个作物生育周期进行施肥。但是，施用时间上需要注意养分有效性与作物需要匹配，避免矿质氮渗漏到土壤下对地下水造成污染。
硝酸盐渗漏、微生物反硝化作用以及氨挥发是农田氮素损失主要途径，农田氮素损失导致对作物的氮素供应降低，同时对持续农业造成威胁。沼气残余物pH、NH4-N 含量较高，要注意在使用肥料喷洒设备时，保证所产生的氨挥发最小。有机肥的干物质含量显著影响氨挥发，随着干物质含量的提高，氨挥发损失增加。此外，有机肥干物质的物理性状（如纤维质与胶质的含量比）也是影响养分可能土壤淋溶的重要因素。改进农户施肥技术，使施入沼肥快速渗透到土壤中以减少氨挥发损失，采用浅层注射施肥技术代替普通撒施和条施技术，可以最大限度发挥沼气残余物的效益。
为了进一步减少氮素渗透损失的风险，沼气残余物可以通过堆肥进一步加工和稳定化，以提高有机肥产品的质量。因为矿质氮能够被固定到类腐殖质成分中。通过堆肥，可以使沼气残余物中难降解的有机组分如木质素进一步降解，它们通常不能完全被沼气生成过程的厌氧微生物降解。在好氧堆肥过程中，好氧微生物将对植物有毒害的NH3 转化成为硝酸盐，使肥料产品的肥力提高，也更适合作为土壤调理剂。此外堆肥过程也使气味减少，使其沼气残余物更适合作为土壤改良剂。新鲜废弃物和消化残余物对植物的有害作用随着在堆肥过程中易生物降解有机成分的减少而降低。不同沼气残余物碳元素定性组成变化很大，它们对微生物类群所起作用也不同，后期好氧堆肥处理，对于原材料中含有木质/植物性成分时，难降解的有机化合物如木质素可以被好氧微生物如真菌进一步降解。
不管所选择的施肥方式是什么，用生物方法有效地对有机废弃物（沼气残余物）进行后处理是必要的。由于受沼气残余物原料成分复杂且不稳定、固液分离技术不够成熟等因素影响，我国尚缺乏成熟的沼气残余物有机肥制肥技术，随着大型沼气工程的迅速发展，相关研究亟待加强，才能使沼气残余物有效资源化利用。
5 农田施用沼气残余物的土壤质量监测
要使沼气残余物有机肥安全施用，监测土壤质量变化非常重要，监测项目通常包括大量养分元素、中微量养分元素以及有机碳等。评价施用沼气残余物处理对土壤质量的影响，主要有化学特性评价，包括测定土壤C、N 和P 等养分含量，但化学特性变化较慢，如果仅仅依赖于化学特性分析，则可能不能全面了解残余物使用的短期影响，从而不能正确评价土壤质量变化。因此有必要分析土壤微生物结构和功能以及群落活性等。
目前，有许多方法可以用来监测微生物群落结构、功能变化，包括代谢活性分析。然而对土壤微生物区系的研究，应用新的分子生物学技术与传统方法结合，应该更加有益，它们能够清楚说明微生物群落结构，包括不适合单独培养的微生物种群以及功能微生物种群。非常重要的是要首先考虑利用常规PCＲ 分子生物学技术确定优势基因型，然后再采用其他必要的方法，比如，如果目的是探索复杂样本如土壤微生物多样性，可采用核ＲNA 或核DNA 分析技术等。目前用分子生物学方法监测由施用沼气残余物引起的土壤质量变化的研究相对较少，分子生物学方法有助于分析复杂的微生物群落特性，在沼气残余物施用于农田中应该进一步探索利用。
6 展 望
沼气残余物不管是为农作物提供肥料，还是作土壤调理剂，都显示了积极的效益。大部分研究结果证实了施用沼气残余物显著提高作物产量和品质的效果。然而需要严格监测其对土壤质量的影响。多数研究报道施用沼气残余物能提高土壤微生物活性和生物量，但部分研究显示其施用后能降低微生物活性和生物量，因此沼气残余物与土壤微生物的关系值得深入研究。对沼气残余物的田间施用，要高度关注其中可能的高浓度有机污染物和重金属残留等，并注意对其土壤质量变化进行监测和风险评估。
当前沼气残余物作为作物肥料和土壤调理剂的价值还需要进一步确认，沼气残余物在农业中的研究和应用仍需加强，沼气残余物制肥技术以及肥料的高质化、功能化研究亟待加强，以使沼气残余物在全球环境和经济中发挥更多有利的作用。