蚯蚓堆肥模式的环境效益评价

2022-10-03李双来陈云峰刘东海刘治福

中国土壤与肥料 2022年8期

张智，李双来，陈云峰，胡诚，刘东海，刘治福，乔艳*

（1．农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北武汉 430064；2．湖北田申甲生物环保科技有限公司，湖北武穴 435402）

随着种植业和养殖业的快速发展，农业废弃物的产生量逐渐增加［1］。一方面，废弃物中富含有机质和氮（N）、磷（P）等营养元素，是种植业重要的养分资源；另一方面，由碳（C）、N、P等元素排放引起的温室效应、氨挥发、水体富营养化、土壤酸化等环境污染问题尤为严重［2-3］。开展废弃物资源化利用，尤其是农业废弃物的肥料化利用，对于提高农牧业生产效率和保护环境具有重要意义。废弃物处理工艺的核心为好氧堆肥和厌氧发酵，从目前来看，固体粪便主要采用好氧堆肥的方式、液体粪污主要采用厌氧发酵的方式进行处理。然而，好氧堆肥过程中仍然存在有机物降解不均匀、C和N损失较大、臭味浓等问题；厌氧发酵则具有投入成本高、用水量大、沼液处理难等问题［4-5］。因此，为适应日益增长的废弃物产生趋势，研发处理效率高、环境污染低的资源化利用技术将成为研究的热点。

蚯蚓堆肥是在蚯蚓和微生物的综合作用下，将有机物质快速降解成稳定的腐殖质［6］。近年来，蚯蚓堆肥因其独特的优点被广泛应用于废弃物资源化利用中。大量的研究表明，蚯蚓处理的废弃物对象已覆盖畜禽粪便、作物秸秆、污泥、蔬菜尾菜等。其中，牛粪因其富含纤维素和养分元素被认为更适宜于蚯蚓生长［7］。尽管蚯蚓处理过程堆体温度较低，不能完全对杂草种子进行灭活，但是在蚯蚓和微生物的协同作用下，有机物质被迅速分解成稳定的腐殖质，降解效率更高［8］。与好氧堆肥相比，蚯蚓粪N、P养分含量增加幅度更高［9］，且蚯蚓处理过程中的温室气体排放量更低［10］。C、N养分的损失直接关系着腐熟产品的品质，绝大多数的有机碳被蚯蚓和微生物的呼吸作用消耗，从而产生CO2，同时，也有低于6%的碳以CH4的形式损失［11］。氮素主要是通过NH3挥发、硝化和反硝化作用的形式损失的，含水率、氧浓度、温度等因素是影响N素损失的关键［12］。

目前有关蚯蚓堆肥的研究多采用小规模的培养试验，其外部条件往往被严格控制，如环境温度、空气湿度、堆体形状等，且较少考虑成本问题；而工厂化大规模蚯蚓堆肥需综合考虑技术的可操作性和区域适应性，且工厂内不同堆体所处的环境条件和堆肥阶段具有不确定性。因此，小规模的模拟试验结果可能不足以反映大规模蚯蚓堆肥的实际情况，有必要开展大规模蚯蚓养殖过程中物质变化与环境效应的研究。本研究以工厂化蚯蚓处理牛粪模式为对象，限定研究边界，明确处理过程中各环节C、N、P元素的物质变化规律，并定量化评估该模式的环境效益，为蚯蚓处理废弃物模式的应用推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

研究对象为一家蚯蚓养殖场，位于湖北省武穴市。蚯蚓养殖的主料为牛粪，来源于附近的一家奶牛养殖场，采用干清粪的方式收集，车辆运输到蚯蚓养殖场；辅料为污泥和秸秆，污泥来源于污水处理厂，秸秆从周边种植户收集。蚯蚓养殖场占地面积约25 hm2，采用大棚养殖的方法，每个大棚内部两侧设置2条长40 m、宽1 m、高0.3～0.9 m的堆体。工厂日均处理奶牛粪约100 t，其他废弃物约40 t，稳定运行时间超过2年。各物料常年基本理化性质如表1所示。

表1 废弃物基本理化性状

1.2 研究方法

1.2.1 研究边界

工厂化蚯蚓堆肥模式的整个过程基本可划分为4个阶段：原料输入、原料混合、蚯蚓处理和成品输出。如图1所示，本研究限定原料混合和蚯蚓处理2个阶段作为边界。在原料混合阶段，牛粪与其他废弃物的混合比例介于1∶1～3∶2之间，混合周期约为5 d。原料混合均匀后通过定制的车辆进行上料，上料前活体蚯蚓投放密度为2 kg/m2，采用持续上料的方式，每隔5 d左右上1次料，共上料3次，每次上料高度约为0.3 m，蚯蚓处理整个处理周期平均约为40 d。本研究将蚯蚓处理阶段划分为3个时期，即初期、中期和末期，各时期处理天数分别为10、15和10 d。各环节C、N、P元素相关的变化清单主要包括：（1）固体物料的C、N、P元素变化；（2）C、N元素的气态损失；（3）N、P元素的土壤迁移。

图1 蚯蚓堆肥工程示意图

1.2.2 样品采集与测定方法

固体物料样品：为分析各环节固体物料C、N、P元素含量的变化，分别于原料混合阶段、蚯蚓处理初期、蚯蚓处理中期和蚯蚓处理末期4个时期采集固体物料样品，每个时期采集4个大棚作为重复，同一个大棚内采集4个点得到混合样。养殖场采用定期喷洒井水的方式，维持蚯蚓生长期间水分为70%±10%［13］，为避免水分对取样的影响，每次取样保证在洒水前1 d。剔除蚯蚓活体，带回实验室风干、研磨、过筛，用于C、N、P以及含水率和pH等指标的测定，均采用NY 525-2012标准方法进行测定。

气体样品：为分析各环节固体物料的C、N气体损失，分别于原料混合阶段、蚯蚓处理初期、蚯蚓处理中期和蚯蚓处理末期共4个时期采集气体样品，每个时期采集4个大棚作为重复，同一个大棚内采集4个点。NH3采用硼酸吸收-标准酸滴定法测定，即将装有50 mL硼酸吸收液的小烧杯（100 mL）置于物料表面，用已知截面积的大烧杯（2 L）扣住小烧杯，烧杯口周围用物料密封，收集烧杯覆盖范围内挥发的NH3［14］。N2O、CH4和CO2采用静态箱-气相色谱法测定，静态箱为直径40 cm、高50 cm的有机玻璃圆桶，采气时间为9：00～11：00。采气时将采气桶倒扣在物料表面，插入5 cm深，桶口周围用物料密封，在0、15、30 min用注射器各采集1个气体样品，贮存于铝箔气袋，同时记录箱内温度。

土壤样品：为分析蚯蚓处理阶段堆体N、P元素向土壤下方的迁移损失，以堆放牛粪前0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层土壤样品为对照，对比蚯蚓处理牛粪一个周期（40 d）后堆体下方土壤全N、NH4+、NO3-、全P、有效P指标的变化情况，各指标均采用常规方法测定［15］。

1.3 数据处理

1.3.1 气体排放通量的计算

气体排放通量计算公式为：

其中，F为排放通量［mg/（m2·h）］，ρ为标准状态下的气体密度（kg/m3），V为静态箱有效体积（m3），S为截面积（m2），dC/dt为单位时间静态箱内的气体浓度变化，T为静态箱内平均温度（℃）。

1.3.2 环境影响定量化分析

本研究环境影响评价未考虑蚯蚓处理过程中电力、燃油等能源消耗，以及除C、N、P元素以外的其他污染物对环境造成的影响。将环境影响分为对气体环境的全球变暖潜势（GWP）、对水体环境的富营养化潜势（EP）和对土壤环境的酸化潜势（AP），其计算公式分别为：

其中，25、298、0.33、0.42、1.88均为相应的环境效益当量值，N2O、CH4、CO2、NH3为蚯蚓每处理1 t牛粪累积的气体排放量（kg/t），NO3-、PO43-为土壤迁移量（kg/t）。

2 结果与分析

2.1 固体物料碳、氮、磷变化

蚯蚓处理牛粪过程中物料的理化性质变化，包括养分含量和稳定的有机质，是评估有机肥产品品质和蚯蚓适应性的重要参考［16］。如表2所示，原料混合后初始物料的含水率为65.6%，符合蚯蚓生长的含水率要求，到蚯蚓处理末期则降至34.4%。由于N、P元素的矿化作用，pH往往表现出降低的趋势［17］，本研究物料pH在整个过程中介于8.07～8.45之间，无明显的变化趋势，这可能与饲养蚯蚓的基础物料属性有关［6］。由于有机物质的降解，全C含量呈明显下降的趋势，而全N含量则有所增加，这与常规好氧堆肥过程中碳素降解速率高于氮素的现象一致［18］。C/N由初始原料的31.3降低到蚯蚓处理末期的14.3，符合腐熟堆肥的标准（C/N＜20），且与普通堆肥相比，蚯蚓降解有机物的比例更高［8］。物料中NH4+含量呈下降的趋势，而NO3-含量呈上升的趋势，说明蚯蚓处理牛粪有利于硝化作用促进NH4+向NO3-的转化，末期物料NH4+和NO3-含量分别为143.1和331.0 mg/kg；其中，NH4+含量低于400 mg/kg、NH4+/NO3

表2 蚯蚓堆肥模式固体物料理化性质

-低于0.5，均表示蚯蚓粪成品达到堆肥腐熟的规定［19］。蚯蚓处理对物料全P含量无明显影响，结束时为1.61%，对应的C/P为19.0，属于土壤可利用的范围［20］。从物料性质的变化来看，工厂化蚯蚓堆肥C/N和C/P降幅分别为54.3%和35.8%，而小规模蚯蚓堆肥的降幅分别为47.6%～60.4%和56.2%～68.2%［8］，表明工厂化蚯蚓堆肥模式有机物质的降解效率低于小规模室内培养试验，这主要与物料配方的调节和环境条件的控制有关。

2.2 碳、氮气体排放通量

规模化养殖和粪便管理方式的改变，是畜禽粪便管理过程中温室气体增加的主要原因［21］。蚯蚓处理作为有机废弃物资源化利用的有效途径，其温室气体和NH3的排放规律仍有待进一步明确。如图2所示，在原料混合阶段，CH4、CO2、N2O、NH3的排放通量分别为145.9、1672、0.99、24.8 g/（t·d）。其中，CH4和N2O的排放通量明显高于蚯蚓处理阶段，这可能与初始物料的含水率较高、氧含量较低有关［12］。随着蚯蚓处理过程的进行，CH4排放通量由初期的30.3 g/（t·d）降低到末期的0.1 g/（t·d），N2O排放通量由0.73 g/（t·d）降低到0.02 g/（t·d）；与蚯蚓辅助堆肥处理牛粪和番茄茎秆相比，本研究中CH4的排放峰值较高，而N2O的排放峰值较低［22］。CO2排放通量在原料混合阶段相对较低，随着蚯蚓的添加，CO2排放通量有所增加，在中期达到最高，为4682 g/（t·d），到末期时则有所降低，这与Barthod等［23］的研究结果一致。NH3的排放通量在蚯蚓处理初期达到最高，为36.5 g/（t·d），到末期降低到3.9 g/（t·d），排放高峰明显低于不同方式的牛粪好氧堆肥［151.1～574.8 g/（t·d）］［24］。从规模化蚯蚓堆肥C、N气体排放规律可以看出，蚯蚓处理阶段，CH4、N2O和NH3均表现出逐渐降低的趋势，CO2则表现出先增加后降低的趋势。与小规模蚯蚓堆肥相比［25］，规模化蚯蚓堆肥模式未监测到CH4和N2O在后期的排放高峰，这可能与工厂化蚯蚓堆肥周期相对较短有关。

图2 蚯蚓堆肥模式碳、氮气体排放通量

蚯蚓处理牛粪过程中的C、N气体累积排放情况如表3所示，CH4和CO2的累积排放量分别为1105和150142 g/t，其中，CH4的排放主要累积在原料的混合阶段，CO2的排放主要累积在蚯蚓处理中期。N2O和NH3的累积排放量分别为14.9和689 g/t，且两者的排放均主要累积在蚯蚓处理初期。结合初始物料总C、N含量，蚯蚓处理牛粪过程中CH4和CO2的累积损失率分别为0.5%和24.7%，N2O和NH3的累积损失率分别为0.2%和10.7%。整合分析结果显示，好氧堆肥过程中N2O和NH3的平均损失率分别为1.5%和17.1%，且不同堆肥方式、废弃物类型、填充剂类型、堆肥周期、堆肥规模的氮素损失率均普遍高于本研究蚯蚓处理牛粪模式［26］。在小规模蚯蚓堆肥中，CH4-C、N2O-N和NH3-N的损失率分别为0.1%、0.9%和12.3%［22］，其中CH4和N2O的损失率明显低于工厂化大规模蚯蚓堆肥，其原因可能与小规模蚯蚓堆肥未考虑原料混合阶段（含水率较高）的气体损失有关，进而低估了温室气体的排放总量。

表3 蚯蚓堆肥模式碳、氮气体累积排放量

2.3 土壤氮、磷迁移量

氮、磷等营养物质通过淋溶向下迁移的过程，是农业面源污染的一种重要形式［27］。在土壤表面堆放牛粪堆体前后，不同深度土壤全N、NH4+和NO3

-含量的变化情况如图3所示。从不同土壤深度来看，全N含量随着土壤深度的增加表现出逐渐降低的趋势；从堆放牛粪前后来看，堆放牛粪后土壤全N含量在0～10和10～20 cm土层的变幅为0.97～1.10 g/kg，明显高于堆放牛粪前的土层土壤（0.83～0.84 g/kg），而两者在20～40 cm土层无明显差异，介于0.50～0.63 g/kg之间。NH4+含量随土壤深度无明显的变化规律；不同深度土壤NH4+含量由堆放牛粪前的0.80～0.90 mg/kg，增加到堆放牛粪后的0.99～1.10 mg/kg。NO3-含量随土壤深度的增加同样表现出降低的趋势，堆放牛粪前由29.9 mg/kg降低到14.3 mg/kg，而堆放牛粪后由50.1mg/kg降低到20.8 mg/kg；堆放牛粪后不同深度土壤NO3-含量均有不同程度地增加，且表层（0～20 cm）增幅高于深层（20～40 cm）。

图3 堆放牛粪前后土壤全N、NH4+和NO3-含量的变化

在土壤表面堆放牛粪堆体前后，不同深度土壤全P和有效P含量的变化情况如图4所示。随着土壤深度的增加，全P含量无明显的变化规律；从堆放牛粪前后的土壤全P含量来看，差异主要表现在0～20 cm土层深度，其中，堆放牛粪后0～10和10～20 cm土层土壤全P含量分别为1.00和0.92 mg/kg，较堆放牛粪前增加了14%和10%。堆放牛粪前后土壤有效P含量随深度的增加均表现出降低的趋势，当达到20～30 cm土层时，有效P含量维持在2.5 mg/kg左右；堆放牛粪后，0～10 cm土层土壤AP含量达到30.9 mg/kg，较堆放前增加了2倍以上。

图4 堆放牛粪前后土壤全P和有效P含量的变化

2.4 环境影响评价

蚯蚓处理牛粪模式的环境影响结果显示（表4），全球变暖潜势、富营养化潜势、酸化潜势分别为181.1 kg CO2eq/t、0.24 kg PO4eq/t和1.29 kg SO2eq/t。与蚯蚓辅助堆肥处理蔬菜废弃物相比［28］，本研究蚯蚓处理阶段由CH4和N2O引起的GWP更低，为12.0 kg CO2eq/t。与牛粪好氧堆肥模式相比［29］，本研究蚯蚓处理牛粪模式在较大程度上降低了各方面的环境危害。与牛粪厌氧发酵模式相比［30］，蚯蚓处理牛粪模式降低了全球变暖潜势和富营养化潜势，但增加了酸化潜势，其主要原因是由于厌氧发酵时NH3挥发较少。由于本研究未考虑电力、燃油以及除C、N、P元素以外的其他污染物对环境造成的影响，在一定程度上可能会低估了环境的影响值。尽管工厂化蚯蚓堆肥模式具有较好的环境效益，但在推广应用时还应考虑运行和成本等多方面问题，如原料的供应与预处理、夏季保湿与冬季保温、蚓种引进与活蚓分离、土地与能源投入等。因此，本研究针对工厂化蚯蚓堆肥模式的推广提出：工厂选址靠近原料来源，推荐以奶牛粪为主料；建设保温大棚，配备喷淋装置；长期储备作物秸秆，用于物料调节和覆盖保温；配套建设小规模堆肥场，以处理多余废弃物。