蔬菜廢棄物蚯蚓肥料化處理

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(fèi)結(jié)構(gòu)的變化，人們對(duì)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(shí)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(duì)土壤和大氣造成了嚴(yán)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(jì)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(fèi)了大量的可回收資源.

蚯蚓是環(huán)境友好型動(dòng)物，食量大、繁殖快、分解有機(jī)物能力強(qiáng)，利用蚯蚓處理可腐有機(jī)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(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，適用于經(jīng)濟(jì)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(duì)蚯蚓處理技術(shù)的報(bào)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(jī)廢棄物，生產(chǎn)出具有較高利用價(jià)值的蚯蚓糞有機(jī)肥，已被證明是低成本規(guī)模化處理有機(jī)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(duì)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(duì)產(chǎn)物中的微生物指標(biāo)進(jìn)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(jī)質(zhì)、養(yǎng)分(全氮、全磷和全鉀)含量的變化情況，同時(shí)對(duì)產(chǎn)物中的有效活菌(CFU)、微生物多樣性指數(shù)進(jìn)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(jī)廢棄物提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)選用的蚯蚓——赤子愛勝蚓Eiseniafoetida，由陜西康運(yùn)盛達(dá)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(shí)驗(yàn)方案

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

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)布置在陜西康運(yùn)盛達(dá)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(shí)驗(yàn)共設(shè)置了10個(gè)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(gè)處理3次重復(fù).

實(shí)驗(yàn)開始前，蔬菜廢棄物先通過破碎機(jī)(1 500 r/min)進(jìn)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?jǐn)?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(jìn)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(shí)，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(shí)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(jī)肥國家標(biāo)準(zhǔn)[9]中的測定方法；本實(shí)驗(yàn)中有效活菌數(shù)以5種有益菌的總數(shù)計(jì)，分別為硅酸鹽細(xì)菌(Silicate bacteria)、有機(jī)磷細(xì)菌(Organophosphorus bacteria)、無機(jī)磷細(xì)菌(Inorganic phosphorus bacteria)、固氮菌(Azotobacter)和根瘤菌(Rhizobium)，選擇培養(yǎng)基參照文獻(xiàn)[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(tái)為Hiseq 2500平臺(tái)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(hào)：SRP173102).

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)算Chao和Shannon指數(shù)，方差統(tǒng)計(jì)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(jī)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(dòng)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(shí)間的延長，物料的pH值逐漸降低，主要原因是有機(jī)廢棄物在被微生物降解時(shí)會(huì)產(chǎn)生H2O和CO2，并生成不同種類的有機(jī)酸[11-12]；同時(shí)蚯蚓在混合底料中的蠕動(dòng)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(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律如圖2b所示，隨著蚯蚓處理時(shí)間的延長，混合底料的有機(jī)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(dòng)會(huì)消耗一定的有機(jī)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(bǔ)充碳源，其有機(jī)質(zhì)含量在蚯蚓處理前期呈下降趨勢(shì)；蚯蚓處理后期，隨著微生物活性的降低，有機(jī)質(zhì)含量會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定.豬糞組和牛糞組的有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律一致，60 d蚯蚓處理結(jié)束時(shí)，牛糞組有機(jī)質(zhì)含量平均降低32.44%，豬糞組有機(jī)質(zhì)含量平均降低24.78%，牛糞組經(jīng)蚯蚓處理后有機(jī)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(jī)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(qiáng)蚯蚓和各種微生物的活性[16]，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解.

表2 混合底料中有機(jī)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(shì).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(huì)直接轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3，同時(shí)蚯蚓在裝置中不斷地蠕動(dòng)，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(jìn)入到后期階段時(shí)，微生物的分解活動(dòng)減弱，固氮菌、硝化細(xì)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?fù)p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(dòng)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(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19-20]相似，但也有很多學(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)[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(jī)廢棄物的過程中，需定期補(bǔ)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?dú)怏w逸出有關(guān)，隨滲濾液流失也是氮素?fù)p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(shí)，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(jī)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(jī)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(huì)分解有機(jī)質(zhì)，造成混合底料的絕對(duì)質(zhì)量降低，而磷素和鉀素幾乎不會(huì)被分解，導(dǎo)致全磷和全鉀的含量相對(duì)升高.如表3所示，60 d蚯蚓處理結(jié)束時(shí)，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(yuǎn)低于豬糞.

2.3 生物指標(biāo)

2.3.1 有效活菌

研究表明，細(xì)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(shí)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(jí)(圖4a)，達(dá)到了生物有機(jī)肥的標(biāo)準(zhǔn).

處理產(chǎn)物中硅酸鹽菌、固氮菌的數(shù)量級(jí)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(jìn)土壤中速效鉀轉(zhuǎn)化，還可以在一定程度提高作物對(duì)硅元素的吸收能力[28]，增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根瘤菌浸提液對(duì)小麥種子進(jìn)行預(yù)處理后，其發(fā)芽率和產(chǎn)量均得到提高.

無機(jī)磷細(xì)菌和有機(jī)磷細(xì)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(jī)磷細(xì)菌和有機(jī)磷細(xì)菌的數(shù)量級(jí)為105，而豬糞組中這2種解磷細(xì)菌的數(shù)量級(jí)高達(dá)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(yuǎn)高于牛糞，為上述2種解磷細(xì)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(xì)菌的活性，使得細(xì)菌群落總數(shù)明顯增加[32].

蔡琳琳等[33]通過實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)微生物的活性；但在此次實(shí)驗(yàn)中，添加和未添加秸稈的對(duì)照組對(duì)比發(fā)現(xiàn)，5種有益菌在數(shù)量級(jí)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(jī)磷細(xì)菌、有機(jī)磷細(xì)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(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞中細(xì)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(xiàn)表明，蚯蚓處理會(huì)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(shí)蚯蚓在破碎和攝入底料時(shí)分泌的各類酶也會(huì)間接提高微生物對(duì)有機(jī)物的分解代謝能力，從而增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(jí)分類法對(duì)脫臭效果進(jìn)行評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：Y0表示沒有臭味；Y1表示若仔細(xì)聞，可以聞到非常淡的臭味；Y2表示能夠聞到相對(duì)較淡的臭味；Y3表示能夠聞到臭味；Y4表示有很強(qiáng)的臭味；Y5表示臭味令人作嘔[29].

圖6是混合底料臭味等級(jí)隨蚯蚓處理時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，各處理混合底料初始臭度為Y4或Y5級(jí)，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(jí)；隨著蚯蚓處理時(shí)間的延長，臭味顯著減弱，45 d時(shí)各處理混合底料的臭味為Y0或Y1級(jí)，臭味非常??；60 d時(shí)各處理混合底料的臭味均為Y0級(jí)，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?yàn)樨i糞中存在更多的臭氣物質(zhì)；有研究表明：牛這種多胃動(dòng)物相較于豬等單胃動(dòng)物排出的糞便中臭氣化合物更少[37].有機(jī)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(dòng)可以激發(fā)細(xì)菌和放線菌等微生物的活性，促進(jìn)臭氣物質(zhì)進(jìn)一步的分解，同時(shí)蚯蚓的不斷蠕動(dòng)會(huì)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(jí)的動(dòng)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(jī)質(zhì)含量隨處理時(shí)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(jī)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(jí)有顯著的降低.

3) 60 d蚯蚓處理結(jié)束時(shí)，10組處理產(chǎn)物的有效活菌總數(shù)的數(shù)量級(jí)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(jī)磷細(xì)菌和有機(jī)磷細(xì)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.