畜禽养殖微生物发酵床理论与实践

畜禽粪污是畜禽养殖过程中产生的主要污染物。原农业部印发了《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020 年）》，提供了资源化利用的7 种典型技术模式，包括粪污全量收集还田利用模式、粪污专业化能源利用模式、固体粪便堆肥利用模式、异位发酵床模式、粪便垫料回用模式、污水肥料化利用模式和污水达标排放模式；其中，异位发酵床模式、粪便垫料回用模式等均为农村粪污资源化关键技术。微生物发酵床是利用微生物建立起的一套生态养殖系统，具有绿色低碳、清洁环保、就近收集、实时处理、原位发酵、高质化利用等特点，可为打造美丽乡村环境提供技术保障。 
在科技部973 前期项目、863 项目、国际合作项目，国家自然科学基金、原农业部行业专项等的支持下，经过20 多年的研究，作者所在团队结合污染治理、健康养殖、资源化利用的机理，围绕微生物发酵床组织编写了“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”，包括了《畜禽养殖微生物发酵床理论与实践》《畜禽粪污治理微生物菌种研究与应用》《畜禽养殖废弃物资源化利用技术与装备》《畜禽养殖发酵床微生物组多样性》《发酵垫料整合微生物组菌剂研发与应用》5 个分册，系统介绍微生物发酵床理论和应用技术。本丛书主要从微生物发酵床畜禽粪污治理与健康养殖出发，研究畜禽粪污治理微生物菌种，设计畜禽粪污资源化利用技术与装备，分析微生物发酵床微生物组多样性，提出了畜禽粪污高质化利用的新方案，为解决我国畜禽养殖污染及畜禽粪污资源化利用、为推动微生物农业特征模式之一的微生物发酵床的发展提供了切实可行的理论依据、技术参考和案例借鉴，有助于达到零排放养殖、无臭养殖、无抗养殖、有机质还田、智能轻简低成本运行，实现种养结合生态循环农业、资源高效利用，助力农业“双减（减肥减药）”绿色发展。 
本丛书反映了作者及其团队在畜禽养殖微生物发酵床综合技术研发和产业应用实践方面所取得的原创性重大科研成果和创新技术。 
（1）提出了原位发酵床和异位发酵床养殖污染微生物治理的新思路，研发了微生物发酵床养殖污染治理技术与装备体系，为我国养殖业污染治理提供技术支撑。 
（2）创建了养殖污染治理微生物资源库，成功地筛选出一批粪污降解菌、饲用益生菌，揭示其作用机理，显著提升了微生物发酵床在养殖业中的应用和效果。 
（3）探索了微生物发酵床的功能，研发了环境监控专家系统，阐明了发酵床调温机制，研究了微生物群落动态，揭示了猪病生防机理，建立了发酵床猪群健康指数，制定了微生物发酵床技术规范和地方标准，提升了发酵床养殖的现代化管理水平。 
（4）创新了发酵床垫料资源化利用技术与装备，成功研制出机器人堆垛自发热隧道式固体发酵功能性生物基质自动化生产线，创制出一批功能性生物基质新产品，实现了养殖粪污的资源化利用。 
本丛书介绍的内容中，畜禽粪污微生物治理及其资源化利用的关键技术——原位发酵床在福建、山东、江苏、湖北、四川、安徽等18 个省份的猪、羊、牛、兔、鸡、鸭等的污染治理中得到大面积推广应用。据不完全统计结果显示，近年来家畜出栏累计达1323 万头，禽类出栏累计达5.6 亿羽，产生经济效益达142.9 亿元，并实现了畜禽健康无臭养殖、粪污“零排放”。异位发酵床被原农业部选为“2018 年十项重大引领性农业技术”，在全国推广超过5000 套，成为养殖粪污资源化利用的重要技术。而且，使用后的发酵垫料等副产物被开发为功能性生物基质、整合微生物组菌肥、生物有机肥等资源化产品超过100 万吨，取得了良好的社会效益、经济效益和生态效益。发酵床利用微生物技术，转化畜禽粪污，发酵为益生菌，促进动物健康养殖，也能提高发酵产物菌肥的微生物组数量并保存丰富的营养物质，不仅可实现污染治理，还提高了资源化利用菌肥的肥效，成为生态循环农业的重要技术支撑，推进农业的绿色发展。 
本书为“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”的一个分册，具体是以畜禽养殖微生物发酵床理论与实践为主线，共分九章：章微生物发酵床起源与发展，主要介绍了微生物发酵床的研究历史、研究进展、发展趋势和微生物发酵床时代的养猪革命；第二章微生物发酵床设计与应用，主要介绍了原位发酵床育肥猪舍和母猪舍、低位发酵床猪舍、饲料发酵床猪舍、集装箱发酵床猪舍、方舱发酵床猪舍、竹林发酵床笋鸡共生系统和异位发酵床治污工艺系统的设计应用；第三章微生物发酵床环境监控，主要介绍了微生物发酵床环境监控系统和图像存证系统设计与应用、微生物发酵床表层温度分布特征、微生物发酵床猪舍环境参数变化动态；第四章微生物发酵床垫料管理，主要介绍了微生物发酵床垫料制作、垫料发酵、垫料发酵过程物质组变化、垫料发酵指数构建、垫料发酵程度电子鼻判别模型、垫料发酵等级色差判别技术；第五章微生物发酵床猪群管理，主要介绍了微生物发酵床隔栏设计、猪群生长、猪群行为、猪群健康生化指标测定、发酵床对猪肉品质的影响；第六章微生物发酵床大栏养猪技术规范与实施案例，主要介绍了微生物发酵床大栏养猪技术规范、实施案例；第七章发酵床垫料微生物群落动态，主要介绍了发酵床可培养微生物分析、微生物群落的宏基因组和脂肪酸组分析；第八章微生物发酵床猪病生防机制，主要介绍了生猪养殖及其病害管理、垫料微生物组结构变化、垫料主要微生物群落多样性、垫料微生物脂肪酸生态学特性、不同基因型大肠杆菌分布动态、大肠杆菌与沙门菌时空分布、不同发酵程度垫料大肠杆菌分布动态、垫料猪细菌病原种群动态、猪重要病原空间分布、猪舍空气中细菌种群分布、发酵床垫料猪病生防机理；第九章微生物发酵床推广应用，主要介绍了微生物发酵床养猪技术在我国主要地区的推广应用情况，以及微生物发酵床养殖技术在猪、牛、羊、兔、鸡、鸭、鹅等畜禽养殖中的应用情况。本书将理论与实践有效结合，具有较强的技术应用性、可操作性和针对性，可供从事畜禽粪污处理处置及资源综合利用的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生物工程、农业工程及相关专业师生参阅。 
本书主要由刘波、王阶平、蓝江林、张海峰等编著，邵国青、朱育菁、车建美、肖荣凤、陈峥、阮传清、郑雪芳、陈德局、刘国红、陈梅春、潘志针、陈倩倩、林营志、葛慈斌、黄素芳、史怀、苏明星、刘芸、曹宜、陈燕萍、郑梅霞、刘欣、戴文霄、夏江平、张习勇等参与了部分内容的编著，在此表示感谢。本书内容涉及成果在研究过程中得到了农业种质资源圃（库）（XTCXGC2021019）、发酵床除臭复合菌种（2020R1034009、2018J01036）、饲料微生物发酵床（2021I0035）、整合微生物组菌剂（2020R1034007、2019R1034-2）、微生物研究与应用科技创新团队（CXTD0099）、农业农村部东南区域农业微生物资源利用科学观测实验站（农科教发〔2011〕8 号）、科技部海西农业微生物菌剂国际科技合作基地（国科外函〔2015〕275 号)、发改委微生物菌剂开发与应用国家地方联合工程研究中心( 发改高技〔2016〕2203 号）等项目的支持；在图书编写和出版过程中得到了陈剑平院士、李玉院士、沈其荣院士、李玉院士、谢华安院士、赵春江院士、喻子牛教授、李季教授、姜瑞波研究员、张和平教授、李文均教授、朱昌雄研究员、王琦教授等精心指导，在此一并表示衷心的感谢。 
限于编著者水平及编著时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者斧正，共勉于发展微生物农业的征程中。 

编著者 
2021 年1 月于福州 

本书为“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”的一个分册，全书共分九章，以畜禽养殖微生物发酵床中理论与实践为主线，内容包括微生物发酵床起源与发展、微生物发酵床设计与应用、微生物发酵床环境监控、微生物发酵床垫料管理、微生物发酵床猪群管理、微生物发酵床大栏养猪实施案例、发酵床垫料微生物群落动态、微生物发酵床猪病生防机制，以及微生物发酵床推广应用等。 
本书具有较强的知识性、系统性和针对性，可供从事畜禽粪污治理及其资源化利用的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生物工程、生态工程、农业工程及其相关专业师生阅读参考。 

本书为“畜禽粪污微生物治理及其资源化利用丛书”的一个分册，全书共分九章，以畜禽养殖微生物发酵床中理论与实践为主线，内容包括微生物发酵床起源与发展、微生物发酵床设计与应用、微生物发酵床环境监控、微生物发酵床垫料管理、微生物发酵床猪群管理、微生物发酵床大栏养猪实施案例、发酵床垫料微生物群落动态、微生物发酵床猪病生防机制，以及微生物发酵床推广应用等。 
本书具有较强的知识性、系统性和针对性，可供从事畜禽粪污治理及其资源化利用的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生物工程、生态工程、农业工程及其相关专业师生阅读参考。 

刘波，福建省农业科学院农业生物资源研究所，二级研究员，德国博士后，美国访问学者；从事微生物生物技术与农业污染微生物治理研究，国家发改委微生物菌剂国地工程研究中心主任，微生物发酵床发明人之一，研究获专利40项，发表论文600多篇（SCI=80多篇），出版作者19部，获得各级科技奖项19个。

章　微生物发酵床起源与发展  001 
节　微生物发酵床研究历史  002 
一、微生物发酵床养猪技术起源  002 
二、国外微生物发酵床研究概况  003 
三、中国微生物发酵床研究概况  006 
第二节　微生物发酵床研究进展  008 
一、微生物发酵床养猪技术原理  008 
二、微生物发酵床垫料组成  009 
三、微生物发酵床垫料管理技术  009 
四、微生物发酵床垫料微生物特性研究  010 
五、微生物发酵床垫料对猪病害抑制作用研究  010 
六、微生物发酵床养猪生态行为研究  011 
七、微生物发酵床的挥发性物质研究  012 
八、微生物发酵床垫料的资源化利用技术  012 
九、微生物发酵床垫料资源化利用体系的构建  013 
第三节　微生物发酵床发展趋势  013 
一、基于微生物发酵床养猪模式的生态安全探讨  013 
二、低碳农业经济视角下无害化养猪微生物发酵床工程化技术体系  016 
三、微生物发酵床人工腐殖质生产园区设计及运行推演  019 
四、微生物发酵床时代的养猪革命  025 

第二章　微生物发酵床设计与应用  029 
节　原位发酵床育肥猪舍设计与应用  030 
一、概述  030 
二、微生物发酵床育肥猪大栏养殖猪舍外观设计  030 
三、微生物发酵床育肥猪大栏养殖猪舍结构设计  030 
四、微生物发酵床育肥猪大栏养殖猪舍的实施  033 
五、讨论  033 
第二节　原位发酵床母猪舍设计与应用  035 
一、概述  035 
二、原位发酵床母猪大栏养殖猪舍外观设计  035 
三、原位发酵床母猪大栏养殖猪舍平面设计  036 
四、原位发酵床母猪大栏养殖猪舍结构设计  037 
五、原位发酵床母猪大栏养殖猪舍装备设计  037 
六、原位发酵床母猪大栏养殖猪舍的实施  038 
七、讨论  040 
第三节　低位发酵床猪舍设计与应用  042 
一、概述  042 
二、低位发酵床的技术原理  043 
三、低位发酵床的结构设计  044 
四、低位发酵床翻耙机的设计  044 
五、低位发酵床的运行管理  044 
六、讨论  045 
第四节　饲料发酵床猪舍设计与应用  047 
一、概述  047 
二、饲料发酵床猪舍设计  048 
三、饲料发酵床垫料选择  049 
四、饲料发酵床垫料配方  050 
五、饲料发酵床垫料管理  051 
六、饲料发酵床垫料实施  051 
七、讨论  053 
第五节　集装箱发酵床猪舍设计与应用  055 
一、概述  055 
二、集装箱发酵床养猪场的规划  055 
三、集装箱发酵床猪舍结构与设备  056 
四、集装箱发酵床猪舍环境控制装备  059 
五、集装箱猪场的实施  060 
六、讨论  061 
第六节　方舱发酵床猪舍设计与应用  062 
一、概述  062 
二、方舱发酵床猪场规划  063 
三、方舱发酵床猪舍单元设计  064 
四、示范效果  065 
第七节　竹林发酵床笋鸡共生系统设计与应用  068 
一、概述  068 
二、微生物发酵床笋鸡共生系统养鸡场规划  069 
三、微生物发酵床观光鸡舍结构设计  070 
四、微生物发酵床观光鸡舍的实施  071 
五、微生物发酵床养鸡技术  071 
六、讨论  072 
第八节　异位发酵床治污工艺设计与应用  073 
一、概述  073 
二、异位发酵床技术原理  073 
三、异位发酵床处理工艺  074 
四、异位发酵床结构设计  074 
五、异位发酵床翻堆机设计  075 
六、异位发酵床猪粪消纳机制  076 
七、异位发酵床运行管理  079 
八、异位发酵床技术创新  082 
九、讨论  092 

第三章　微生物发酵床环境监控  095 
节　微生物发酵床环境监控系统设计与应用  096 
一、概述  096 
二、微生物发酵床大栏猪舍环境监控实体模型设计  097 
三、微生物发酵床大栏猪舍环境监控系统设计  098 
四、微生物发酵床大栏猪舍环境监控系统程序设计  098 
五、微生物发酵床大栏猪舍环境监控专家系统模式设计  099 
六、微生物发酵床大栏猪舍环境监控系统的实施  102 
七、讨论  104 
第二节　微生物发酵床图像存证系统设计与应用  105 
一、概述  105 
二、微生物发酵床大栏猪舍概述  106 
三、远程视频监控系统的结构设计  107 
四、远程视频图像存证系统的结构设计  109 
五、远程视频图像存证系统的程序设计  110 
第三节　微生物发酵床表层温度分布特征  113 
一、概述  113 
二、研究方法  114 
三、微生物发酵床大栏猪舍范围温度场数据采集  115 
四、微生物发酵床大栏猪舍不同区域表层温度差异分析  116 
五、不同养殖密度下猪活动垫料区表层温度差异分析  117 
六、不同养殖密度下猪排泄区和非排泄区垫料表层温度差异分析  117 
七、夏季高温微生物发酵床大栏养猪下猪的生活状况  118 
八、讨论  118 
第四节　微生物发酵床猪舍环境参数变化动态  120 
一、概述  120 
二、研究方法  121 
三、高温季节大栏微生物发酵床猪舍室内环境参数变化  122 
四、夏季高温季节大栏微生物发酵床猪舍室外环境参数变化  126 
五、夏季高温季节大栏微生物发酵床猪舍室内外环境参数的相互关系  129 
六、讨论  134 

第四章　微生物发酵床垫料管理  137 
节　微生物发酵床垫料制作  138 
一、垫料的来源及其特点  138 
二、垫料配方  139 
三、垫料制作要点  140 
四、发酵床制作管理的简化  143 
第二节　微生物发酵床垫料发酵  144 
一、概述  144 
二、研究方法  144 
三、发酵床垫料理化性质变化  146 
四、发酵床垫料微生物群落变化  149 
五、发酵床垫料配方综合分析  150 
六、讨论  152 
第三节　微生物发酵床垫料发酵过程物质组变化  153 
一、概述  153 
二、研究方法  154 
三、不同极性溶剂萃取总离子流图分析  155 
四、不同极性溶剂萃取效果比较  155 
五、不同极性溶剂萃取物质鉴定  157 
六、讨论  160 
第四节　微生物发酵床垫料发酵指数构建  161 
一、概述  161 
二、研究方法  162 
三、养猪微生物发酵床垫料表观特征  162 
四、养猪微生物发酵床垫料在NaCl梯度溶液中的悬浮率  163 
五、养猪微生物发酵床垫料悬浮率的聚类分析及其与垫料发酵程度的相互关系  165 
六、养猪微生物发酵床垫料发酵指数的研究  166 
七、讨论  167 
第五节　发酵床垫料发酵程度电子鼻判别模型  169 
一、概述  169 
二、研究方法  169 
三、微生物发酵床垫料挥发性物质的分析  171 
四、微生物发酵床垫料挥发性物质在样品中分布特性聚类分析  175 
五、微生物发酵床垫料挥发性物质类别分类的聚类分析  176 
六、微生物发酵床垫料挥发性物质判别模型的建立  177 
七、讨论  179 
第六节　发酵床垫料发酵等级色差判别技术  181 
一、概述  181 
二、研究方法  181 
三、垫料样本色差统计  183 
四、垫料发酵等级测定  184 
五、不同等级垫料表观特征研究  184 
六、讨论  184 

第五章　微生物发酵床猪群管理  186 
节　微生物发酵床隔栏设计  187 
一、概述  187 
二、微生物发酵床大栏猪舍猪群管理隔离栏结构设计  187 
三、微生物发酵床大栏猪舍猪群管理隔离栏装备设计  187 
四、微生物发酵床大栏猪舍猪群管理隔离栏的实施  188 
五、讨论  188 
第二节　微生物发酵床猪群生长  191 
一、概述  191 
二、研究方法  191 
三、猪群生长阶段生长指标统计  192 
四、微生物发酵床大栏养殖猪病动态监测  195 
五、微生物发酵床猪群养殖效果  196 
六、讨论  210 
第三节　微生物发酵床猪群行为  212 
一、概述  212 
二、研究方法  212 
三、猪舍小气侯环境  213 
四、不同饲养方式对仔猪各行为变量的影响  213 
五、不同饲养方式对各行为变量持续时间的影响  214 
六、饲养方式对仔猪采食、饮水行为的影响  215 
七、饲养方式对仔猪躺卧和睡眠行为的影响  215 
八、饲养方式对仔猪探究行为的影响  215 
九、饲养方式对仔猪争斗行为的影响  216 
十、不同饲养方式下仔猪的健康评价  217 
十一、讨论  218 
第四节　微生物发酵床猪群健康生化指标测定  218 
一、概述  218 
二、研究方法  219 
三、发酵床饲养对生长育肥猪血液生化指标的影响  220 
四、发酵床饲养对生长育肥猪血清免疫球蛋白的影响  220 
五、发酵床饲养对生长育肥猪特定病原抗体效价的影响  221 
六、讨论  221 
第五节　微生物发酵床对猪肉品质的影响  222 
一、概述  222 
二、研究方法  223 
三、微生物发酵床大栏养猪与传统水泥地猪栏养猪环境描述  223 
四、微生物发酵床大栏养猪对猪胴体品质的影响  224 
五、微生物发酵床大栏养猪对猪肉理化性质的影响  224 
六、微生物发酵床大栏养猪对肉质氨基酸含量的影响  224 
七、讨论  225 

第六章　微生