蔬菜废弃物蚯蚓肥料化处理

张修顺，呼世斌，高德明，张素冰，张玥

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

随着中国城乡居民消费结构的变化，人们对蔬菜的需求迅速增加，2016年中国蔬菜播种面积为1.96×106hm2，蔬菜产量约8×108t[1]，均居世界首位.与此同时也产生了大量的蔬菜废弃物，传统的处理方法以还田和焚烧为主，对土壤和大气造成了严重的污染[2]；资源化利用处理技术主要有好氧或厌氧堆肥[3-4]、加工饲料[5]等，但这些技术因工艺复杂、经济投入高等原因未在全国范围内广泛应用，很多蔬菜废弃物仍被随意堆弃，不仅污染环境，而且浪费了大量的可回收资源.

蚯蚓是环境友好型动物，食量大、繁殖快、分解有机物能力强，利用蚯蚓处理可腐有机废弃物是目前国际上推陈出新的生物处理方法之一.该方法具有工艺简单、不产生二次污染、投资灵活、维护方便等优势，适用于经济发展水平较低的城镇以及广阔的农村地区.国内外对蚯蚓处理技术的报道较多，利用蚯蚓处理畜禽粪便[5]、污泥[6]、生活垃圾[7]等各种有机废弃物，生产出具有较高利用价值的蚯蚓粪有机肥，已被证明是低成本规模化处理有机废弃物的有效方法之一[8].但是，将蔬菜废弃物与牛粪、猪粪按不同比例配合用于蚯蚓处理的研究并不多见，对处理产物的测定一般以常规理化指标为主，较少有学者对产物中的微生物指标进行研究和分析.

本研究以牛粪、猪粪、蔬菜废弃物和秸秆为原料，按照不同原料组合和配比饲养蚯蚓，研究蚯蚓处理过程中物料的pH值、有机质、养分(全氮、全磷和全钾)含量的变化情况，同时对产物中的有效活菌(CFU)、微生物多样性指数进行分析，以期为蚯蚓处理蔬菜废弃物、秸秆和畜禽粪便等有机废弃物提供理论依据.

1 实验部分

1.1 实验原料

蔬菜废弃物、畜禽粪便和秸秆(以麦糠为主)取自西安市云阳镇蔬菜生产基地及附近畜牧养殖公司，其具体理化性质见表1.本实验选用的蚯蚓——赤子爱胜蚓Eiseniafoetida，由陕西康运盛达农业科技有限公司提供.

表1 原料的基本理化性质

1.2 实验方案

图1 处理装置模型Fig.1 Processing device model diagram

实验地点布置在陕西康运盛达农业科技有限公司位于云阳镇的农业基地(34°63′N，108°77′E)，气候条件优越.本次实验共设置了10个处理，牛粪组蔬菜废弃物与牛粪的配比(质量比)为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4，分别命名为N1、N2、N3、N4；猪粪组蔬菜废弃物与猪粪的配比(质量比)为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4，分别命名为Z1、Z2、Z3、Z4；设置2组添加秸秆的处理，分别为NJ(蔬菜、牛粪、秸秆的质量比为4∶4∶2)和ZJ(蔬菜、猪粪、秸秆的质量比为4∶4∶2)，每个处理3次重复.

实验开始前，蔬菜废弃物先通过破碎机(1 500 r/min)进行破碎，根据设定的配比将蔬菜废弃物和其他物料拌匀，水的质量分数控制在55%～65%，之后将混合底料放置于长方体处理装置中(容积0.144 m3)，如图1所示.先将混合底料进行约15 d的自然发酵，待装置内温度稳定至40 ℃以下时，接种体型均匀适中的赤子爱胜蚓，接种密度为500 g/m2，定期调节饵料的湿度以利于蚯蚓生长.在第0(接种蚯蚓前)、15、30、45、60天时采集样品(蚯蚓粪)，剔除杂物保存.

1.3 指标测定

样品基本理化性质参照有机肥国家标准[9]中的测定方法；本实验中有效活菌数以5种有益菌的总数计，分别为硅酸盐细菌(Silicate bacteria)、有机磷细菌(Organophosphorus bacteria)、无机磷细菌(Inorganic phosphorus bacteria)、固氮菌(Azotobacter)和根瘤菌(Rhizobium)，选择培养基参照文献[10]中的方法.

样品的DNA提取步骤参照试剂盒(MP Biomedicals)说明书，使用TruSeq构建文库，测序平台为Hiseq 2500平台的PE250模式，原始测序数据均已上传至NCBI数据库(查询编号：SRP173102).

1.4 数据处理

数据统计使用Excel 2018，折线图绘制使用Origin 2018软件，通过Qiime软件(1.7.0版本)计算Chao和Shannon指数，方差统计和样品间显著性分析使用SPSS 18.0.

2 结果与讨论

2.1 有机质含量和pH值

图2a是混合底料在蚯蚓处理过程中pH值的动态变化，蚯蚓处理混合底料过程中pH值为6.89～8.23，为蚯蚓及各种微生物保持良好的代谢提供了有利环境.随着蚯蚓处理时间的延长，物料的pH值逐渐降低，主要原因是有机废弃物在被微生物降解时会产生H2O和CO2，并生成不同种类的有机酸[11-12]；同时蚯蚓在混合底料中的蠕动可以提高堆体内的透气性，使得大量的氨气挥发至外界环境[13].

蚯蚓处理过程中有机质含量的变化规律如图2b所示，随着蚯蚓处理时间的延长，混合底料的有机质含量先降低后趋于稳定，这一变化规律和国内相关学者的研究相一致[12].蚯蚓处理前期，蚯蚓和各种微生物生命活动会消耗一定的有机物质[14]，最终转化为稳定腐殖酸[15]；因堆料在装置中没有补充碳源，其有机质含量在蚯蚓处理前期呈下降趋势；蚯蚓处理后期，随着微生物活性的降低，有机质含量会逐渐趋于稳定.猪粪组和牛粪组的有机质含量变化规律一致，60 d蚯蚓处理结束时，牛粪组有机质含量平均降低32.44%，猪粪组有机质含量平均降低24.78%，牛粪组经蚯蚓处理后有机质含量显著低于猪粪组(表2，P<0.05).相较于未添加秸秆的处理组，添加秸秆可以提高有机质含量的下降速率，主要原因是在混合底料中添加秸秆能提高堆体内的O2含量，调节C/N，增强蚯蚓和各种微生物的活性[16]，促进有机质的分解.

表2 混合底料中有机质含量和pH值的变化

不同字母表示同一指标不同处理间差异显著(同列)，下同.

2.2 全氮、全磷和全钾

图3和表3是蚯蚓处理底料过程中全氮、全磷和全钾含量的变化情况.由图3可以看出，全氮含量在前45 d逐渐降低，各处理降幅为17.56%～34.74%，在45～60 d呈上升趋势.在蚯蚓处理前期，受微生物分解的影响，堆料中的部分氮素会直接转变为NH3，同时蚯蚓在装置中不断地蠕动，使得堆料透气性提高，大量的NH3挥发至外界环境[17]，是导致全氮含量在前45 d大幅降低的主要原因.当蚯蚓堆肥进入到后期阶段时，微生物的分解活动减弱，固氮菌、硝化细菌等能够固化大气中的N2，生成硝酸盐或亚硝酸盐等稳定于堆料之中，造成蚯蚓处理中后期物料的全氮含量升高[18].由表3可知，混合底料经60 d蚯蚓处理后，牛粪组全氮含量平均降低了23.15%，显著高于猪粪组(7.26%)，表明在蚯蚓肥料化处理过程中，使用猪粪为底料更有助于减少氮素损失.

图3 蚯蚓处理底料过程中全氮(a)、全磷(b)、全钾(c)含量的动态变化Fig.3 Dynamic changes of TN,TP and TK contents during the process of vemicomposting

表3 混合底料中全磷、全氮和全钾的变化

本研究中全氮的变化规律和相关报道的实验结果[19-20]相似，但也有很多学者提出了不同的观点[21-23]，导致结论存在差异的原因可能是：渗滤液造成部分氮素的损失，在蚯蚓处理有机废弃物的过程中，需定期补充外源水来调节混合底料的湿度，因此产生较多的含氮渗滤液，流失至外界环境中.研究表明[24]：堆料中氮素的流失有多种途径，全氮含量降低不仅与NH3等含氮气体逸出有关，随渗滤液流失也是氮素损失的主要途径之一.

混合底料中全磷和全钾的含量变化规律基本一致，均在蚯蚓处理初期升高并逐渐趋于稳定.60 d蚯蚓处理结束时，各处理全磷含量增幅为6.01%～22.47%；全钾含量增幅最高为16.44%，最低为1.75%，与国内外有机废弃物堆肥的研究结论一致[25-26].混合底料中全磷和全钾的这一变化规律主要是有机质矿化过程中的“浓缩效应”造成的，蚯蚓堆肥期间，微生物新陈代谢会分解有机质，造成混合底料的绝对质量降低，而磷素和钾素几乎不会被分解，导致全磷和全钾的含量相对升高.如表3所示，60 d蚯蚓处理结束时，牛粪组的全磷含量显著低于猪粪组，平均低37.83%，主要原因可能是原材料牛粪中的全磷含量远低于猪粪.

2.3 生物指标

2.3.1 有效活菌

研究表明，细菌是微生物中含量最多、丰富度最高的类群，在物质循环方面发挥不可或缺的作用[27].图4是60 d蚯蚓处理结束时混合底料有效活菌数的测定结果，10组处理产物的有效活菌总数均为107数量级(图4a)，达到了生物有机肥的标准.

处理产物中硅酸盐菌、固氮菌的数量级分别为107、106(图4a)，在有效活菌总数中的占比超过80%.硅酸盐菌不仅能促进土壤中速效钾转化，还可以在一定程度提高作物对硅元素的吸收能力[28]，增强作物的抗病性[29].固氮菌和根瘤菌这2种菌能够起到固定氮元素的作用，将N2转化为NH4+—N以便被植物所吸收；邓天天等[30]的大田实验结果表明，根瘤菌浸提液对小麦种子进行预处理后，其发芽率和产量均得到提高.

无机磷细菌和有机磷细菌是土壤中重要的有益菌，它们可以将固化态磷分解为易被作物吸收的有效态磷，提高土壤中磷素的利用水平[31].由图4b可以看出：牛粪组中无机磷细菌和有机磷细菌的数量级为105，而猪粪组中这2种解磷细菌的数量级高达106，造成这一差异的主要原因可能是原材料猪粪中全磷的含量远高于牛粪，为上述2种解磷细菌生长发育提供了更丰富的磷源；研究表明，丰富充足的磷源可以提高上述2种细菌的活性，使得细菌群落总数明显增加[32].

蔡琳琳等[33]通过实验发现在畜禽粪便中加入适量的秸秆等辅料有助于改善蚯蚓的生存环境，促进蚯蚓生长发育，可以显著提高蚯蚓处理产物中的微生物含量；其原因可能是添加秸秆等辅料能够调节堆体内的透气性，增强微生物的活性；但在此次实验中，添加和未添加秸秆的对照组对比发现，5种有益菌在数量级上的差异均不显著.

a.处理产物中固氮菌、硅酸盐菌数量和有效活菌总数;b.处理产物中无机磷细菌、有机磷细菌和根瘤菌数量.不同字母表示同一指标不同样品间差异显著.图4 蚯蚓处理产物中有效活菌数的测定结果Fig.4 Determination of the number of effective viable bacteria in the treated product

2.3.2 微生物多样性指数

图5是采用高通量测序技术测定的微生物多样性指数，N2、Z2、NJ、ZJ是选取的4组经60 d蚯蚓处理后的产物(蚯蚓粪)，底料配比详情见章节1.2；C1和C2是经60 d常规堆肥处理后的产物，底料配比分别为蔬菜废弃物与牛粪的质量比4∶6，蔬菜废弃物与猪粪的质量比4∶6.

从图5可以看出，6组样品的微生物多样性指数存在一定的差异，4组蚯蚓处理产物的OTUs分别为4 331、4 393、3 927和4 170，之间差异不显著，但均显著高于2种常规堆肥产品(2 322和2 861，P<0.05)；此外，蚯蚓处理产物的Shannon指数、Chao指数显著高于2种常规堆肥产品(P<0.05)，表明蚯蚓处理产物中微生物的多样性和物种总数均优于常规堆肥产物；相较于常规堆肥的方式，采用蚯蚓处理有机废弃物可以得到微生物品质更高的产品.

郑金伟等[34]在研究用不同方法处理牛粪时发现，蚯蚓粪中细菌群落多样性比堆肥处理的样品中丰富，与本文研究结果一致；但有文献表明，蚯蚓处理会比堆肥处理的微生物群落多样性略小[35].蚯蚓体内携带大量微生物种群，可以增加底料的微生物物种总数[36]；同时蚯蚓在破碎和摄入底料时分泌的各类酶也会间接提高微生物对有机物的分解代谢能力，从而增强微生物活性[36]，提高微生物群落结构的多样性.

不同字母表示同一指标不同样品间差异显著.图5 微生物多样性指数Fig.5 Microbial diversity index

2.4 脱臭效果

在蚯蚓处理混合底料的过程中，为保障蚯蚓的生存和发育，未密封实验装置，加大了相关致臭气体(CH4、H2S等)的采集难度，本文采用传统的6级分类法对脱臭效果进行评价.评价标准如下：Y0表示没有臭味；Y1表示若仔细闻，可以闻到非常淡的臭味；Y2表示能够闻到相对较淡的臭味；Y3表示能够闻到臭味；Y4表示有很强的臭味；Y5表示臭味令人作呕[29].

图6是混合底料臭味等级随蚯蚓处理时间的动态变化，各处理混合底料初始臭度为Y4或Y5级，臭味比较明显；混合底料经过15 d蚯蚓处理后，臭味变小，臭度为Y3～Y5级；随着蚯蚓处理时间的延长，臭味显著减弱，45 d时各处理混合底料的臭味为Y0或Y1级，臭味非常小；60 d时各处理混合底料的臭味均为Y0级，几乎闻不到臭味.如图6所示：相较于牛粪组，猪粪组的臭味持续周期较长，可能是因为猪粪中存在更多的臭气物质；有研究表明：牛这种多胃动物相较于猪等单胃动物排出的粪便中臭气化合物更少[37].有机废弃物经蚯蚓堆肥处理后有显著的脱臭效果，在蚯蚓处理过程中，蚯蚓的吞食活动可以激发细菌和放线菌等微生物的活性，促进臭气物质进一步的分解，同时蚯蚓的不断蠕动会加快致臭气体(CH4、H2S等)挥发，从而降低物料的臭味.

图6 混合底料臭味等级的动态变化Fig.6 Dynamic change of mixed primer odor level

3 结论

1) 蔬菜废弃物、畜禽粪便等混合底料在经蚯蚓处理过程中,pH值和有机质含量随处理时间的延长均不断降低；全氮含量在0～45 d降低，45～60 d缓慢升高，全磷和全钾含量在0～60 d均逐渐升高.

2) 相较于牛粪组，猪粪组处理产物中的有机质和全磷含量更高，但全钾含量偏低；混合底料经蚯蚓处理后其臭味等级有显著的降低.

3) 60 d蚯蚓处理结束时，10组处理产物的有效活菌总数的数量级均为107，硅酸盐菌和固氮菌在有效活菌总数中的占比超过80%；猪粪组处理产物的无机磷细菌和有机磷细菌的含量显著高于牛粪组.

4) 4组(N2、Z2、NJ、ZJ)蚯蚓处理产物的OTUs、Shannon和Chao指数均显著高于2组(C1、C2)常规堆肥产物.