張修順，呼世斌，高德明，張素冰，張玥

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著中國城鄉(xiāng)居民消費結(jié)構(gòu)的變化，人們對蔬菜的需求迅速增加，2016年中國蔬菜播種面積為1.96×106hm2，蔬菜產(chǎn)量約8×108t[1]，均居世界首位.與此同時也產(chǎn)生了大量的蔬菜廢棄物，傳統(tǒng)的處理方法以還田和焚燒為主，對土壤和大氣造成了嚴重的污染[2]；資源化利用處理技術(shù)主要有好氧或厭氧堆肥[3-4]、加工飼料[5]等，但這些技術(shù)因工藝復(fù)雜、經(jīng)濟投入高等原因未在全國范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，很多蔬菜廢棄物仍被隨意堆棄，不僅污染環(huán)境，而且浪費了大量的可回收資源.

蚯蚓是環(huán)境友好型動物，食量大、繁殖快、分解有機物能力強，利用蚯蚓處理可腐有機廢棄物是目前國際上推陳出新的生物處理方法之一.該方法具有工藝簡單、不產(chǎn)生二次污染、投資靈活、維護方便等優(yōu)勢，適用于經(jīng)濟發(fā)展水平較低的城鎮(zhèn)以及廣闊的農(nóng)村地區(qū).國內(nèi)外對蚯蚓處理技術(shù)的報道較多，利用蚯蚓處理畜禽糞便[5]、污泥[6]、生活垃圾[7]等各種有機廢棄物，生產(chǎn)出具有較高利用價值的蚯蚓糞有機肥，已被證明是低成本規(guī)?；幚碛袡C廢棄物的有效方法之一[8].但是，將蔬菜廢棄物與牛糞、豬糞按不同比例配合用于蚯蚓處理的研究并不多見，對處理產(chǎn)物的測定一般以常規(guī)理化指標(biāo)為主，較少有學(xué)者對產(chǎn)物中的微生物指標(biāo)進行研究和分析.

本研究以牛糞、豬糞、蔬菜廢棄物和秸稈為原料，按照不同原料組合和配比飼養(yǎng)蚯蚓，研究蚯蚓處理過程中物料的pH值、有機質(zhì)、養(yǎng)分(全氮、全磷和全鉀)含量的變化情況，同時對產(chǎn)物中的有效活菌(CFU)、微生物多樣性指數(shù)進行分析，以期為蚯蚓處理蔬菜廢棄物、秸稈和畜禽糞便等有機廢棄物提供理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1 實驗原料

蔬菜廢棄物、畜禽糞便和秸稈(以麥糠為主)取自西安市云陽鎮(zhèn)蔬菜生產(chǎn)基地及附近畜牧養(yǎng)殖公司，其具體理化性質(zhì)見表1.本實驗選用的蚯蚓——赤子愛勝蚓Eiseniafoetida，由陜西康運盛達農(nóng)業(yè)科技有限公司提供.

表1 原料的基本理化性質(zhì)

1.2 實驗方案

圖1 處理裝置模型Fig.1 Processing device model diagram

實驗地點布置在陜西康運盛達農(nóng)業(yè)科技有限公司位于云陽鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)基地(34°63′N，108°77′E)，氣候條件優(yōu)越.本次實驗共設(shè)置了10個處理，牛糞組蔬菜廢棄物與牛糞的配比(質(zhì)量比)為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4，分別命名為N1、N2、N3、N4；豬糞組蔬菜廢棄物與豬糞的配比(質(zhì)量比)為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4，分別命名為Z1、Z2、Z3、Z4；設(shè)置2組添加秸稈的處理，分別為NJ(蔬菜、牛糞、秸稈的質(zhì)量比為4∶4∶2)和ZJ(蔬菜、豬糞、秸稈的質(zhì)量比為4∶4∶2)，每個處理3次重復(fù).

實驗開始前，蔬菜廢棄物先通過破碎機(1 500 r/min)進行破碎，根據(jù)設(shè)定的配比將蔬菜廢棄物和其他物料拌勻，水的質(zhì)量分數(shù)控制在55%～65%，之后將混合底料放置于長方體處理裝置中(容積0.144 m3)，如圖1所示.先將混合底料進行約15 d的自然發(fā)酵，待裝置內(nèi)溫度穩(wěn)定至40 ℃以下時，接種體型均勻適中的赤子愛勝蚓，接種密度為500 g/m2，定期調(diào)節(jié)餌料的濕度以利于蚯蚓生長.在第0(接種蚯蚓前)、15、30、45、60天時采集樣品(蚯蚓糞)，剔除雜物保存.

1.3 指標(biāo)測定

樣品基本理化性質(zhì)參照有機肥國家標(biāo)準[9]中的測定方法；本實驗中有效活菌數(shù)以5種有益菌的總數(shù)計，分別為硅酸鹽細菌(Silicate bacteria)、有機磷細菌(Organophosphorus bacteria)、無機磷細菌(Inorganic phosphorus bacteria)、固氮菌(Azotobacter)和根瘤菌(Rhizobium)，選擇培養(yǎng)基參照文獻[10]中的方法.

樣品的DNA提取步驟參照試劑盒(MP Biomedicals)說明書，使用TruSeq構(gòu)建文庫，測序平臺為Hiseq 2500平臺的PE250模式，原始測序數(shù)據(jù)均已上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫(查詢編號：SRP173102).

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用Excel 2018，折線圖繪制使用Origin 2018軟件，通過Qiime軟件(1.7.0版本)計算Chao和Shannon指數(shù)，方差統(tǒng)計和樣品間顯著性分析使用SPSS 18.0.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機質(zhì)含量和pH值

圖2a是混合底料在蚯蚓處理過程中pH值的動態(tài)變化，蚯蚓處理混合底料過程中pH值為6.89～8.23，為蚯蚓及各種微生物保持良好的代謝提供了有利環(huán)境.隨著蚯蚓處理時間的延長，物料的pH值逐漸降低，主要原因是有機廢棄物在被微生物降解時會產(chǎn)生H2O和CO2，并生成不同種類的有機酸[11-12]；同時蚯蚓在混合底料中的蠕動可以提高堆體內(nèi)的透氣性，使得大量的氨氣揮發(fā)至外界環(huán)境[13].

蚯蚓處理過程中有機質(zhì)含量的變化規(guī)律如圖2b所示，隨著蚯蚓處理時間的延長，混合底料的有機質(zhì)含量先降低后趨于穩(wěn)定，這一變化規(guī)律和國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究相一致[12].蚯蚓處理前期，蚯蚓和各種微生物生命活動會消耗一定的有機物質(zhì)[14]，最終轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定腐殖酸[15]；因堆料在裝置中沒有補充碳源，其有機質(zhì)含量在蚯蚓處理前期呈下降趨勢；蚯蚓處理后期，隨著微生物活性的降低，有機質(zhì)含量會逐漸趨于穩(wěn)定.豬糞組和牛糞組的有機質(zhì)含量變化規(guī)律一致，60 d蚯蚓處理結(jié)束時，牛糞組有機質(zhì)含量平均降低32.44%，豬糞組有機質(zhì)含量平均降低24.78%，牛糞組經(jīng)蚯蚓處理后有機質(zhì)含量顯著低于豬糞組(表2，P<0.05).相較于未添加秸稈的處理組，添加秸稈可以提高有機質(zhì)含量的下降速率，主要原因是在混合底料中添加秸稈能提高堆體內(nèi)的O2含量，調(diào)節(jié)C/N，增強蚯蚓和各種微生物的活性[16]，促進有機質(zhì)的分解.

表2 混合底料中有機質(zhì)含量和pH值的變化

不同字母表示同一指標(biāo)不同處理間差異顯著(同列)，下同.

2.2 全氮、全磷和全鉀

圖3和表3是蚯蚓處理底料過程中全氮、全磷和全鉀含量的變化情況.由圖3可以看出，全氮含量在前45 d逐漸降低，各處理降幅為17.56%～34.74%，在45～60 d呈上升趨勢.在蚯蚓處理前期，受微生物分解的影響，堆料中的部分氮素會直接轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3，同時蚯蚓在裝置中不斷地蠕動，使得堆料透氣性提高，大量的NH3揮發(fā)至外界環(huán)境[17]，是導(dǎo)致全氮含量在前45 d大幅降低的主要原因.當(dāng)蚯蚓堆肥進入到后期階段時，微生物的分解活動減弱，固氮菌、硝化細菌等能夠固化大氣中的N2，生成硝酸鹽或亞硝酸鹽等穩(wěn)定于堆料之中，造成蚯蚓處理中后期物料的全氮含量升高[18].由表3可知，混合底料經(jīng)60 d蚯蚓處理后，牛糞組全氮含量平均降低了23.15%，顯著高于豬糞組(7.26%)，表明在蚯蚓肥料化處理過程中，使用豬糞為底料更有助于減少氮素損失.

圖3 蚯蚓處理底料過程中全氮(a)、全磷(b)、全鉀(c)含量的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of TN,TP and TK contents during the process of vemicomposting

表3 混合底料中全磷、全氮和全鉀的變化

本研究中全氮的變化規(guī)律和相關(guān)報道的實驗結(jié)果[19-20]相似，但也有很多學(xué)者提出了不同的觀點[21-23]，導(dǎo)致結(jié)論存在差異的原因可能是：滲濾液造成部分氮素的損失，在蚯蚓處理有機廢棄物的過程中，需定期補充外源水來調(diào)節(jié)混合底料的濕度，因此產(chǎn)生較多的含氮滲濾液，流失至外界環(huán)境中.研究表明[24]：堆料中氮素的流失有多種途徑，全氮含量降低不僅與NH3等含氮氣體逸出有關(guān)，隨滲濾液流失也是氮素損失的主要途徑之一.

混合底料中全磷和全鉀的含量變化規(guī)律基本一致，均在蚯蚓處理初期升高并逐漸趨于穩(wěn)定.60 d蚯蚓處理結(jié)束時，各處理全磷含量增幅為6.01%～22.47%；全鉀含量增幅最高為16.44%，最低為1.75%，與國內(nèi)外有機廢棄物堆肥的研究結(jié)論一致[25-26].混合底料中全磷和全鉀的這一變化規(guī)律主要是有機質(zhì)礦化過程中的“濃縮效應(yīng)”造成的，蚯蚓堆肥期間，微生物新陳代謝會分解有機質(zhì)，造成混合底料的絕對質(zhì)量降低，而磷素和鉀素幾乎不會被分解，導(dǎo)致全磷和全鉀的含量相對升高.如表3所示，60 d蚯蚓處理結(jié)束時，牛糞組的全磷含量顯著低于豬糞組，平均低37.83%，主要原因可能是原材料牛糞中的全磷含量遠低于豬糞.

2.3 生物指標(biāo)

2.3.1 有效活菌

研究表明，細菌是微生物中含量最多、豐富度最高的類群，在物質(zhì)循環(huán)方面發(fā)揮不可或缺的作用[27].圖4是60 d蚯蚓處理結(jié)束時混合底料有效活菌數(shù)的測定結(jié)果，10組處理產(chǎn)物的有效活菌總數(shù)均為107數(shù)量級(圖4a)，達到了生物有機肥的標(biāo)準.

處理產(chǎn)物中硅酸鹽菌、固氮菌的數(shù)量級分別為107、106(圖4a)，在有效活菌總數(shù)中的占比超過80%.硅酸鹽菌不僅能促進土壤中速效鉀轉(zhuǎn)化，還可以在一定程度提高作物對硅元素的吸收能力[28]，增強作物的抗病性[29].固氮菌和根瘤菌這2種菌能夠起到固定氮元素的作用，將N2轉(zhuǎn)化為NH4+—N以便被植物所吸收；鄧天天等[30]的大田實驗結(jié)果表明，根瘤菌浸提液對小麥種子進行預(yù)處理后，其發(fā)芽率和產(chǎn)量均得到提高.

無機磷細菌和有機磷細菌是土壤中重要的有益菌，它們可以將固化態(tài)磷分解為易被作物吸收的有效態(tài)磷，提高土壤中磷素的利用水平[31].由圖4b可以看出：牛糞組中無機磷細菌和有機磷細菌的數(shù)量級為105，而豬糞組中這2種解磷細菌的數(shù)量級高達106，造成這一差異的主要原因可能是原材料豬糞中全磷的含量遠高于牛糞，為上述2種解磷細菌生長發(fā)育提供了更豐富的磷源；研究表明，豐富充足的磷源可以提高上述2種細菌的活性，使得細菌群落總數(shù)明顯增加[32].

蔡琳琳等[33]通過實驗發(fā)現(xiàn)在畜禽糞便中加入適量的秸稈等輔料有助于改善蚯蚓的生存環(huán)境，促進蚯蚓生長發(fā)育，可以顯著提高蚯蚓處理產(chǎn)物中的微生物含量；其原因可能是添加秸稈等輔料能夠調(diào)節(jié)堆體內(nèi)的透氣性，增強微生物的活性；但在此次實驗中，添加和未添加秸稈的對照組對比發(fā)現(xiàn)，5種有益菌在數(shù)量級上的差異均不顯著.

a.處理產(chǎn)物中固氮菌、硅酸鹽菌數(shù)量和有效活菌總數(shù);b.處理產(chǎn)物中無機磷細菌、有機磷細菌和根瘤菌數(shù)量.不同字母表示同一指標(biāo)不同樣品間差異顯著.圖4 蚯蚓處理產(chǎn)物中有效活菌數(shù)的測定結(jié)果Fig.4 Determination of the number of effective viable bacteria in the treated product

2.3.2 微生物多樣性指數(shù)

圖5是采用高通量測序技術(shù)測定的微生物多樣性指數(shù)，N2、Z2、NJ、ZJ是選取的4組經(jīng)60 d蚯蚓處理后的產(chǎn)物(蚯蚓糞)，底料配比詳情見章節(jié)1.2；C1和C2是經(jīng)60 d常規(guī)堆肥處理后的產(chǎn)物，底料配比分別為蔬菜廢棄物與牛糞的質(zhì)量比4∶6，蔬菜廢棄物與豬糞的質(zhì)量比4∶6.

從圖5可以看出，6組樣品的微生物多樣性指數(shù)存在一定的差異，4組蚯蚓處理產(chǎn)物的OTUs分別為4 331、4 393、3 927和4 170，之間差異不顯著，但均顯著高于2種常規(guī)堆肥產(chǎn)品(2 322和2 861，P<0.05)；此外，蚯蚓處理產(chǎn)物的Shannon指數(shù)、Chao指數(shù)顯著高于2種常規(guī)堆肥產(chǎn)品(P<0.05)，表明蚯蚓處理產(chǎn)物中微生物的多樣性和物種總數(shù)均優(yōu)于常規(guī)堆肥產(chǎn)物；相較于常規(guī)堆肥的方式，采用蚯蚓處理有機廢棄物可以得到微生物品質(zhì)更高的產(chǎn)品.

鄭金偉等[34]在研究用不同方法處理牛糞時發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞中細菌群落多樣性比堆肥處理的樣品中豐富，與本文研究結(jié)果一致；但有文獻表明，蚯蚓處理會比堆肥處理的微生物群落多樣性略小[35].蚯蚓體內(nèi)攜帶大量微生物種群，可以增加底料的微生物物種總數(shù)[36]；同時蚯蚓在破碎和攝入底料時分泌的各類酶也會間接提高微生物對有機物的分解代謝能力，從而增強微生物活性[36]，提高微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性.

不同字母表示同一指標(biāo)不同樣品間差異顯著.圖5 微生物多樣性指數(shù)Fig.5 Microbial diversity index

2.4 脫臭效果

在蚯蚓處理混合底料的過程中，為保障蚯蚓的生存和發(fā)育，未密封實驗裝置，加大了相關(guān)致臭氣體(CH4、H2S等)的采集難度，本文采用傳統(tǒng)的6級分類法對脫臭效果進行評價.評價標(biāo)準如下：Y0表示沒有臭味；Y1表示若仔細聞，可以聞到非常淡的臭味；Y2表示能夠聞到相對較淡的臭味；Y3表示能夠聞到臭味；Y4表示有很強的臭味；Y5表示臭味令人作嘔[29].

圖6是混合底料臭味等級隨蚯蚓處理時間的動態(tài)變化，各處理混合底料初始臭度為Y4或Y5級，臭味比較明顯；混合底料經(jīng)過15 d蚯蚓處理后，臭味變小，臭度為Y3～Y5級；隨著蚯蚓處理時間的延長，臭味顯著減弱，45 d時各處理混合底料的臭味為Y0或Y1級，臭味非常小；60 d時各處理混合底料的臭味均為Y0級，幾乎聞不到臭味.如圖6所示：相較于牛糞組，豬糞組的臭味持續(xù)周期較長，可能是因為豬糞中存在更多的臭氣物質(zhì)；有研究表明：牛這種多胃動物相較于豬等單胃動物排出的糞便中臭氣化合物更少[37].有機廢棄物經(jīng)蚯蚓堆肥處理后有顯著的脫臭效果，在蚯蚓處理過程中，蚯蚓的吞食活動可以激發(fā)細菌和放線菌等微生物的活性，促進臭氣物質(zhì)進一步的分解，同時蚯蚓的不斷蠕動會加快致臭氣體(CH4、H2S等)揮發(fā)，從而降低物料的臭味.

圖6 混合底料臭味等級的動態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of mixed primer odor level

3 結(jié)論

1) 蔬菜廢棄物、畜禽糞便等混合底料在經(jīng)蚯蚓處理過程中,pH值和有機質(zhì)含量隨處理時間的延長均不斷降低；全氮含量在0～45 d降低，45～60 d緩慢升高，全磷和全鉀含量在0～60 d均逐漸升高.

2) 相較于牛糞組，豬糞組處理產(chǎn)物中的有機質(zhì)和全磷含量更高，但全鉀含量偏低；混合底料經(jīng)蚯蚓處理后其臭味等級有顯著的降低.

3) 60 d蚯蚓處理結(jié)束時，10組處理產(chǎn)物的有效活菌總數(shù)的數(shù)量級均為107，硅酸鹽菌和固氮菌在有效活菌總數(shù)中的占比超過80%；豬糞組處理產(chǎn)物的無機磷細菌和有機磷細菌的含量顯著高于牛糞組.

4) 4組(N2、Z2、NJ、ZJ)蚯蚓處理產(chǎn)物的OTUs、Shannon和Chao指數(shù)均顯著高于2組(C1、C2)常規(guī)堆肥產(chǎn)物.