畜禽养殖业作为农业经济的重要支柱之一，在满足人们对肉蛋奶需求的同时，也带来了一定的环境挑战。近年来，畜禽养殖量稳中有升，包括生猪[1]、肉牛、羊和家禽等，随之而来的畜禽粪污产生量较大。畜禽粪污处理不当容易造成环境污染，尤其对水体、土壤和空气的污染较为明显，其不合理排放易导致水体富营养化、土壤质量下降和空气污染等一系列环境问题，可能对生态平衡和公众健康构成威胁。畜禽养殖在污水冲刷或粪水冲刷的过程中，对水源质量和水生植物的生长造成不利影响[2]。畜牧业对气候变化也产生不可忽视的影响[3]。
相关研究人员在探讨畜禽粪污的生态治理以及资源化利用方式等方面进行了较多研究。传统的畜禽粪污处理方法，如堆肥和厌氧发酵，在一定程度上能减少污染，但存在处理效率低、资源利用有限等局限性。因此，探索一种高效、可持续的畜禽粪污生态治理途径势在必行。菌草是一种高大草本植物，高度可达7 m，具有发达的根系、高效的光合效率和广泛的适应性以及极强的分蘖能力，能够在短时间内大量繁殖，是一种高效的生物质资源。菌草还具有强大的生物降解能力[4]，不仅能高效分解有机物，还可用于生产有机肥料和食用菌[5]，实现环境和经济上的双重效益[6]。菌草也是生态治理的先锋植物，具有强抗逆性，耐旱、耐盐碱和耐瘠薄，能够在坡地、沙地和盐碱地快速生长，有效改良盐碱地，防止水土流失[7-9]。赵晓登等[10]研究表明，菌草在水土保持、生物质能源开发和饲料生产等领域具有广阔的应用前景。
菌草在畜禽粪污治理方面的潜力暂未得到充分挖掘。本研究利用菌草对粪污的净化机制，测定其湿地生态治理畜禽养殖污染前后相关指标的变化，分析菌草对畜禽养殖粪污的净化效果，为实现畜禽养殖与生态环境的协调发展提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验原理
1.1.1 菌草对营养元素的吸收机制
菌草根系具有庞大的表面积和丰富的根毛，这使其能够与粪污中的营养物质充分接触。根细胞膜上的转运蛋白具有高度选择性，能够识别并主动转运铵态氮、硝态氮和可溶性磷等营养元素进入细胞。氮素通过同化作用合成氨基酸、蛋白质等含氮有机化合物参与植物的生长代谢过程；磷素主要用于合成核酸、磷脂等生物大分子，参与能量代谢和信号转导等生理过程；菌草根系分泌的有机酸（如柠檬酸、苹果酸等）可降低根际土壤pH，增加土壤中难溶性磷的溶解度，提高磷的有效性，进一步促进根系对磷素的吸收[11]。
1.1.2 菌草对湿地系统的优化机制
优化菌草湿地的水流路径和污水停留时间是提高其净化效果的关键[12]。采用曲折迂回的流道设计，如迷宫式流道或多段式串联流道，可增加粪污与菌草根系和微生物的接触机会，延长反应时间，使污染物被充分吸收和降解。根据畜禽粪污的性质和浓度，合理调整污水停留时间，一般控制在3～7 d为宜。此外，通过在湿地中设置不同深度的区域，形成浅水区、深水区和过渡区，为不同类型的微生物提供多样化的生存环境，从而促进微生物群落的功能互补和协同作用；同时，在湿地底部铺设合适的填料，如砾石、陶粒和火山岩等，不仅可以增加微生物附着面积，还能改善水流状态，提高湿地系统的通气性和透水性。
1.1.3 菌草的微生物强化机制
向菌草湿地接种特定功能的微生物菌剂是提升净化效能的有效手段[13]。筛选和培养高效的脱氮菌、解磷菌和降解有机物的复合菌剂等，在菌草种植初期或粪污处理过程中定期接种到湿地系统中。通过在湿地环境中快速定殖，并与土著微生物产生协同作用，增强对污染物的分解转化能力。例如，一些具有高效硝化—反硝化功能的微生物菌剂可以加速氮素循环，将氨氮转化为氮气释放到大气中；解磷菌剂能够释放出有机酸和磷酸酶等物质，将土壤中难溶性磷转化为可溶性磷，提高磷的生物有效性，便于菌草吸收利用。微生物菌剂的添加还可以调节土壤微生物群落结构，抑制有害微生物的生长，维持湿地生态系统的稳定。
1.2 试验方法
试验地点设在安徽省宿州市埇桥区蕲县镇忠陈村。根据养殖场的养殖规模、畜禽种类和粪污产生量，菌草湿地面积设计为1.34 m2。设计合理的粪污收集与输送系统，以确保畜禽粪污能够稳定、高效地引入菌草湿地。采用地下管道输送方式，避免粪污暴露造成污染，将畜禽粪污通过管道系统引入菌草湿地，并设计蛇形流道延长粪污在湿地中的停留时间，促进菌草与粪污的充分接触。(1)蛇形流道。蛇形流道宽0.5 m，深度0.5 m，通过设置弯道和缓坡，使粪污在湿地流道内形成缓慢流动状态，以延长停留时间，确保菌草与粪污充分接触。(2)在蛇形流道之间设置垄，垄宽0.6 m，垄高0.5 m，菌草栽培在垄上，菌草株距0.4 m。（3）在菌草湿地入口及出口处分别设置采样点，用于定期采集粪污原液和净化后污水样本。
本试验菌草栽培时间为2023年4月15日，采用分根繁殖方式，4月30日开始出苗。在菌草栽培以及出苗后3 d分别用水灌溉1次，促使其迅速发芽和生长；在菌草株高1 m左右时将粪污水引入菌草湿地，每7 d引入1次；在菌草株高2 m左右时，开始取样进行测试。
1.3 测定指标及方法
1.3.1 菌草生长状况
在整个试验周期内，观察菌草在湿地环境中的生长状况，包括其株高和外观形态。
1.3.2 治理效果指标
氨氮含量按照HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》进行测定；总氮含量按照HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》进行测定；总磷含量按照GB 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》进行测定。
2 结果与分析
2.1 菌草生长状况
观察发现，菌草对湿地环境展现出极强的适应性，生长态势极为旺盛。其根系发达，株高增长较快，每月平均增高80 cm。从外观形态上看，菌草茎杆粗壮结实，表现出良好的生长状态和较强的抗倒伏能力；叶片宽大且色泽翠绿，有效提高了光合作用效率，促进其生长和发育，而翠绿的颜色则是其健康生长的直观体现，表明菌草在生长过程中能够充分吸收和利用环境中的养分。菌草的分蘖能力十分强盛，在适宜的环境条件下，能从母株上不断长出新的分蘖，使得菌草群体数量快速增加，进一步提高了其生物量。以上生长特点增强了菌草对畜禽粪污中的污染物的吸收和固定能力。
2.2 生态治理效果指标
养殖场粪污经过菌草湿地生态治理后，分别对粪污原液和治理后的污水进行取样、检测化验，结果如表1所示。在总磷指标方面，粪污原液的平均含量为55.0 mg/L，经过菌草湿地生态治理后，总磷平均含量降至27.3 mg/L；不同样本下降率在47.4%～54.5%，平均下降率为50.5%，说明菌草湿地都能稳定地发挥对总磷的去除作用。在氨氮指标方面，粪污原液的氨氮平均含量为198.1 mg/L，经治理后，氨氮平均含量降至65.5 mg/L；不同样本的下降率在65.7%～68.0%，平均下降率为66.9%，说明菌草湿地对氨氮的去除效果稳定且高效。在总氮指标方面，粪污原液的总氮平均含量为230.0 mg/L，治理后下降至91.6 mg/L；不同样本下降率在56.1%～65.4%，平均下降率为60.3%，展现了菌草湿地强大的净化能力。综合结果表明，菌草湿地对养殖场粪污中的磷、氮等污染物具有较强的去除能力，降低了污水的污染程度，为后续的水资源合理利用或安全排放奠定了坚实基础。
表1 总磷、氨氮和总氮的生态治理效果 |
| 指标 | 样本1 | 样本2 | 样本3 | 平均 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 总磷 | 粪污原液/（mg/L） | 58.0 | 54.5 | 52.5 | 55.0 |
| 治理后污水/（mg/L） | 30.5 | 27.5 | 23.9 | 27.3 | |
| 总磷下降率/% | 47.4 | 49.5 | 54.5 | 50.5 | |
| 氨氮 | 粪污原液/（mg/L） | 191.2 | 205.5 | 197.5 | 198.1 |
| 治理后污水/（mg/L） | 61.1 | 70.5 | 65.0 | 65.5 | |
| 氨氮下降率/% | 68.0 | 65.7 | 67.1 | 66.9 | |
| 总氮 | 粪污原液/（mg/L） | 231.4 | 235.5 | 223.1 | 230.0 |
| 治理后污水/（mg/L） | 94.1 | 103.5 | 77.3 | 91.6 | |
| 总氮下降率/% | 59.3 | 56.1 | 65.4 | 60.3 | |
3 结论与讨论
本研究将菌草湿地建设和畜禽粪污净化紧密关联起来，构建一套科学、完整且高效的生态循环农业模式。菌草作为一种生命力顽强、生长速度快且适应性广的草本植物，在湿地生态系统中发挥关键作用。其发达的根系能够深入土壤，不仅为湿地微生物提供了丰富的附着表面，还能有效增强土壤的透气性与保水性。畜禽养殖过程中产生的大量粪污被引入菌草湿地系统，通过物理沉降和过滤，将粪污中的有机污染物逐步分解转化为无害物质。这一过程实现了畜禽粪污的原位处理。经过菌草湿地系统的生态治理，净化后的水可回收用于农田灌溉、养殖场地冲洗等，实现水资源的循环利用。这种创新模式产生的效益是多方面的。（1）从环境角度看，显著减少氨氮等的排放，有效保护了周边的水体、土壤和大气环境，降低了畜禽养殖对生态的负面影响。（2）从经济角度出发，降低了粪污处理成本，同时通过资源循环利用，减少了农业生产中对化肥和水资源的依赖，提高了农业生产的经济效益。（3）在社会层面，该模式为生态循环农业发展提供了可借鉴的成功范例，推动了农业产业的绿色可持续发展。
未来研究应进一步深入探究菌草品种筛选与组合，总结出不同品种菌草在生长特性、营养元素吸收能力和环境适应能力等方面的差异。深入研究菌草与土壤微生物、畜禽养殖系统之间的复杂互作关系，优化菌草湿地生态治理技术和菌草发酵工艺，加强长期监测和效果评估。（1）菌草品种筛选与组合。通过筛选对氮、磷等污染物吸收能力强且生长速度快和抗逆性好的菌草品种，并进行合理组合种植，以提高菌草湿地对畜禽粪污的净化效果[14]。例如，某些菌草品种对铵态氮具有较高的亲和力，而另一些品种则对硝态氮或有机氮的吸收利用效率更高；部分品种对磷的富集能力突出，可优先选择这些品种用于高磷含量粪污的处理。同时，考虑不同菌草品种的生长周期和生态位差异，进行搭配种植，使菌草湿地在不同季节和空间层次上都能保持较高的净化效能。（2）菌草生物发酵饲料领域。利用特定微生物对菌草进行发酵处理，并制成优质饲草，进一步拓展了饲草来源，有效缓解了饲草资源紧张的问题。发酵后的菌草饲料，不仅散发独特香气，大幅增加了饲料适口性，促进了畜禽生长发育。以上研究进一步推动了菌草技术在更大规模畜禽养殖场的应用示范，为生态农业可持续发展提供更有力的技术支撑。此外，还应开展菌草综合利用的多元化研究，如开发菌草基生物肥料、生物能源产品等，拓展菌草产业链，实现其资源价值的最大化。
综上，本研究通过菌草湿地生态治理试验证实了菌草对畜禽粪污的净化效果较佳，养殖场粪污经过菌草湿地生态处理，污水各项指标均明显下降。总磷含量下降50.5%，氨氮含量下降66.9%，总氮含量下降60.3%。本研究表明，菌草湿地系统中畜禽养殖污染生态治理和菌草种植生长方面相互促进，菌草通过有效吸附和降解水体中的污染物实现净化，同时土壤和水体中的污染物又为菌草生长提供了营养物质，促进了菌草的生长。本研究为实现畜禽养殖废弃物的资源化利用和促进生态农业、循环农业发展提供了可行的解决方案。