浅析蚯蚓粪在现代农业中的应用与展望

陈 泉,熊泽恩,刘文旭,桑 文,3*

(1.深圳市佳兆业公益基金会,广东 深圳 518000;2.华南农业大学,广东 广州 510642;3.生物防治教育部工程研究中心,广东 广州 510642)

随着我国经济与科技的飞速发展,农业生产也随之突飞猛进。农业的高速发展造成了土壤养分的消耗、农药与复合肥的过量施用,对耕地土壤环境产生了一系列影响,如土壤板结、生产力降低、作物农药残留问题等,现如今有机肥的使用越来越受到关注。有机肥的优势有很多,包括有效期长、肥力持久,能改善土壤、疏松土壤,不会对环境造成危害,利用充分并起到保护环境的作用,减少无机复合肥的使用、节能减排,能促进土壤微生物繁殖,改善作物根际微生物群,提高植物的抗病虫能力等[1]。因此,有机肥是符合当今绿色农业理念的最佳选择。

有机肥又称农家肥,是指来源于动植物、施入土壤以提供作物养分为主要功效的含碳物料[2]。有机肥种类繁多,以畜禽粪尿和作物秸秆为主,也包括绿肥、饼粕、草木灰、污泥、生活垃圾及污水、薰土、海肥等。“十三五”期间,农业农村部提出要实现“一控两减三基本”的目标,其中“两减”就是指化肥、农药的减量使用。如今粮食需求日益增加,为追求产量,化肥的使用也日渐增多,对生态环境和土壤环境造成了不良影响[3]。有机肥可以一定程度上替代化肥并大幅降低其使用量,同时满足作物的生产需求。其中,蚯蚓粪在兼具一般有机肥所拥有的优势以外,还有减轻植物病虫害和病原体、提供植物所需的各种激素、帮助土壤降解有毒有机化合物等优点。

1 蚯蚓粪的理化性质

蚯蚓粪一般是指蚯蚓在土壤中进行一系列代谢活动,将土壤废弃物消解之后得到的物质。蚯蚓以食物残渣、庭院垃圾以及动物粪便等有机物为食,并在肠道中进行消化。当蚯蚓消化有机质时,会在体外排除富含有益微生物、植物营养素和腐殖质的营养堆肥。

1.1 物理性质

蚯蚓粪呈泥土味,透气性与排水性较好,含水量相对于普通土壤也较高。由于蚯蚓粪疏松,其表面积较大,使得蚯蚓粪的保水保肥能力更为突出,为土壤有益微生物繁殖提供了良好的生长环境;同时,蚯蚓粪含有钠、磷、钾、铁、镁、锌等营养元素,可提升土壤肥力[4]。

1.2 化学性质

相较于蚯蚓饵料,蚯蚓粪中可溶性盐、腐殖酸的含量也明显提高。蚯蚓可将碱性的畜禽粪便转化为酸性的蚯蚓粪。总体而言,蚯蚓产生粪便可以使碱性土壤转变为中性土壤,增强了土壤的肥沃度。

2 蚯蚓粪对植物生长的影响

2.1 促进植物生长吸收

目前的研究一般认为蚯蚓粪促进植物生长的有以下几个主要原因。一是蚯蚓粪中含有丰富的营养元素,能够为植物生长提供很好的营养环境;二是蚯蚓粪中的微生物群落能够与植物的根系进行互作,促进植物对营养的吸收;三是土壤中的赤霉素、生长素等植物生长激素,经过蚯蚓采食消解之后富集在蚯蚓粪中,可促进植物生长;四是蚯蚓粪本身松软的特质增强了土壤的透气性与透水性,使土壤更适合植物生长。有研究表明,蚯蚓粪在代替泥炭土之后显著增加了绿萝的茎叶干重[5];在培土基质中添加蚯蚓粪,可以更好地促进番茄的株高、茎粗和生物量,提高根系活力,促进植株生长,显著提高番茄产量和品质[6,7]。

2.2 调节植物生长机制

施用蚯蚓粪能够增加土壤细菌、真菌与放线菌的数量,还可显著增加土壤硝化细菌、反硝化细菌、自生固氮菌和氨化细菌数量[8]。在连作番茄的土壤中加入蚯蚓粪,能够显著提高土壤细菌门级优势菌的相对丰度,降低真菌门级优势菌相对丰度,提高土壤养分含量,缓解连作障碍[9]。在增加土壤微生物细菌多样性与丰富度后,土壤中的微生物对外界感染抵抗能力增强,更趋于稳定。在提高作物产量与品质的背后,这些菌群可能发挥了重要的作用。蚯蚓粪中含有的芽单胞菌属能够加快磷的代谢,鞘氨醇单胞菌属能够降解土壤中的芳香族化合物,而镰刀菌属能够产生赤霉素,这些微生物都是影响植物生长的重要原因,且微生物可以改变植物的根际环境,促进植物根系对营养的吸收,分解有害物质,从而促进植物生长[10]。

3 蚯蚓粪对环境的影响

3.1 土壤性质

蚯蚓的活动对土壤化学性质的改善、土壤腐殖质的富集、蚯蚓与微生物协同分解有机物、促进碳、氮、磷循环等作用,都有利于土壤资源的持续利用。蚯蚓排出蚯蚓粪后,变成土壤中营养丰富、品质优良的团粒结构,这些团粒结构具有疏松、多孔、水分稳性强、有效养分多的特点,提高了土壤的通气透水性、蓄水保肥能力、水资源利用效率。施用蚯蚓粪显著提高了土壤中全氮、碱解氮和有机质含量,增加了土壤养分[11]。

3.2 生物环境

土壤微生物的菌群数量及其种类分布不仅是影响植物生长发育的重要因子,而且与植物生长发育有着密切联系。作为土壤健康状态的重要指标,土壤微生物群落结构的多样性在种植过程中也常常成为种植户关注的对象。蚯蚓粪在细菌群落上增加了放线菌们、芽单胞菌门、酸杆菌门相对丰度,降低了担子菌门、接合菌门和壶菌门的相对丰度,施用蚯蚓粪增强了土壤中微生物群落的稳定性;另外,蚯蚓粪自身含有的芽单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属和镰刀菌属等益生菌,还具有加快磷代谢、降解芳香族化合物、产生植物激素(赤霉素)等作用[6,7];在用蚯蚓粪改良的土壤中,植物生长得更快、生产力更高,且不易受到土壤中植食性微生物与节肢动物的影响[12,13]。蚯蚓粪使植物对昆虫具有非偏好(抗异种)和毒性(抗菌)作用,这种抗性能够调控昆虫的影响,有助于提高蚯蚓粪改良土壤中的植物生长发育和存活率,但微节肢动物和昆虫病原体似乎在抗性中没有作用[14]。

3.3 农田环境

保护耕地就是保障国家粮食安全,保护农田环境就是保护耕地。现如今,农田重金属残留与连作之后的土地贫瘠等问题始终困扰着国家与农民。蚯蚓粪作为一种有机肥,对农田几乎无污染,其中的营养元素也能够满足作物需求。蚯蚓粪具有很好的透气性和排水性,能够增加土壤的孔隙度和团聚体数量,同时又具有很大的表面积,对重金属有着较强的吸附能力,因此蚯蚓粪能够改善土壤板结、重金属化等问题[13];同时,蚯蚓可作为环境状态的指示物种,能判断土壤是否适合作为耕地。蚯蚓粪对农田土壤环境的影响,可以使整个耕地生态保持良好的平衡。

4 展望

随着人们保护意识的提高以及国家“双减”的号召,人们越来越渴求寻找到一个能够同时做到保护环境和施肥效果好的有机肥,而蚯蚓粪本身作为大自然的产物,能全面满足作物生长的各种需求[15]。蚯蚓粪被称为“有机肥之王”,能够解决连作障碍,增加土壤微生物丰富度,满足农作物生长需求,是田间最为适合的有机肥料,其在防止病虫害方面也有一定的应用潜力。

目前,从蚯蚓养殖到蚯蚓粪的采收尚未有自动化的处理方式,其养殖与粪便采收过程繁琐,也是导致如今蚯蚓养殖无法全面推广的重要原因;同时,因为蚯蚓养殖技术过于粗放,生长环境因素对其生长习性与繁殖影响并不明确。这些因素导致了蚯蚓与蚯蚓粪质量的参差不齐,给实现真正的产业化带来了不小的困难。蚯蚓多为露天养殖,遇到短期强降雨天气时,蚯蚓苗床易积水,导致其大量逃逸,造成不小的经济损失。国内蚯蚓品种繁多,缺乏对各品种间养殖方式与养殖参数的对比,给养殖户选择适宜的蚯蚓品种造成了困难。

未来可以加强对各类蚯蚓的实验与研究,探究其养殖参数,对比种间优劣,获取数据支持后,能够更好地完善蚯蚓粪生产的自动化体系;此外,还可以从室外粗放养殖转变到室内高密度养殖,有效避免天气和天敌造成的经济损失。