黑水虻蟲沙在肥料應(yīng)用中的研究進(jìn)展

強(qiáng)敬雯， 王晚晴，2， 唐曼玉， 武雙，2， 華威，2， 朱欣悅， 程艷玲，2*

（1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023； 2.北京聯(lián)合大學(xué)生物質(zhì)廢棄物資源化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100023）

2050年全球預(yù)計(jì)將產(chǎn)生267億t廢棄物，其中，有機(jī)廢棄物占比高達(dá)44%，且常用處理方式為填埋（37%）和焚燒（33%）[1]。然而，這類處理方式會(huì)增加溫室氣體（greenhouse gas, GHG）排放量，GHG釋放到大氣中，導(dǎo)致有毒化合物和滲濾液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)水源、土壤等造成污染，從而對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。同時(shí)，世界人口的增長(zhǎng)不僅會(huì)產(chǎn)生更多廢棄物，還需大幅增加全球糧食產(chǎn)量，但自然條件下產(chǎn)生的植物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)日漸枯竭，且傳統(tǒng)化肥不僅會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)缺乏、作物品質(zhì)下降，還易導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中硝酸鹽含量超標(biāo)，從而危害人體健康。因此，必須尋求更安全有效的廢棄物處理方法，在確保宜居性的前提下，減輕社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力和環(huán)境影響[3]。

黑水虻（black soldier fly, BSF）生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物技術(shù)是一種可持續(xù)性資源化處理方式，其可將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為2種產(chǎn)品：富含蛋白質(zhì)和油脂的幼蟲，可作動(dòng)物飼料[4]；以及在此過(guò)程中產(chǎn)生的蟲沙，可作有機(jī)肥料[5]。Salomone等[6]指出，蟲沙是黑水虻幼蟲（black soldier fly larvae, BSFL）處理有機(jī)廢棄物過(guò)程的主要產(chǎn)出之一，它可作為有機(jī)肥來(lái)改善土壤性狀，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，從而替代部分傳統(tǒng)氮肥，降低全球變暖潛力，且BSFL蟲沙在用水量、能源支出、全球變暖潛力等方面比生產(chǎn)其他有機(jī)肥料對(duì)環(huán)境的影響更小，這意味著BSFL蟲沙在飼料和食品應(yīng)用方面具有很強(qiáng)的潛力，將蟲沙應(yīng)用于農(nóng)業(yè)有望成為解決植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)短缺的備選方案。然而，目前研究更多的側(cè)重于提高BSFL在處理有機(jī)廢棄物過(guò)程中獲得的幼蟲生物量，在蟲沙的使用及其在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用的研究較少。本文綜述了BSFL處理有機(jī)廢棄物后所得蟲沙的特性及其應(yīng)用，介紹了與BSFL蟲沙相關(guān)的知識(shí)，并強(qiáng)調(diào)了使用蟲沙作為補(bǔ)充劑改善植物營(yíng)養(yǎng)和土壤肥力的優(yōu)勢(shì)所在，為應(yīng)用BSFL作為低成本替代方案的可行性提供了參考。

1 黑水虻資源化處理有機(jī)廢棄物

有機(jī)廢棄物具有較高的有機(jī)質(zhì)含量和營(yíng)養(yǎng)成分，是回收后重新引入其他生產(chǎn)鏈的寶貴資源。BSFL可降解75%（（干重，dry matter, DM）的雞糞，并將其轉(zhuǎn)化為任何形式的增值產(chǎn)品，且使用相同廢棄物作基質(zhì)時(shí)，其轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的GHG排放量不到好氧堆肥的2.5%[7]。因此，BSFL處理有機(jī)廢棄物后所得產(chǎn)品（幼蟲生物量和蟲沙）不僅在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上具有可持續(xù)性，還有助于推動(dòng)循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)。

1.1 黑水虻轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物及碳氮回收過(guò)程

BSFL在快速減廢方面能力卓越。有研究表明，使用BSFL單獨(dú)處理廚余垃圾、牛糞和豬糞的廢棄物減少量分別為68%、58%和56%（DM）[8]。然而，Surendra等[9]發(fā)現(xiàn)，廢棄物消耗量與其自身特性高度相關(guān)，且使用多種廢棄物作混合基質(zhì)比單獨(dú)使用某類廢棄物作基質(zhì)時(shí)的減少量有明顯提升。Lopes等[10]發(fā)現(xiàn)，用面包和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢物的混合物喂養(yǎng)BSFL時(shí)，總氮損失有效減少34%。這可能是由于BSFL堆肥時(shí)的pH較低(5.7～6.8)，改變了NH+4和NH3間的平衡關(guān)系，促進(jìn)了NH3向NH+4轉(zhuǎn)化，從而減少了NH3揮發(fā)[11]。Pang等[12]也發(fā)現(xiàn)，用不同pH的廚余垃圾和稻草混合物喂養(yǎng)BSFL時(shí)，總氮損失在2.1%～30%，且pH較低時(shí)NH3揮發(fā)量有所減少，而總碳減少量在10%～24%，其中大部分碳以CO2形式損失，小部分以CH4形式揮發(fā)。也有研究表明，氮元素大部分以NH3形式流失到大氣中，少量以N2O形式散失[13]。CH4的生成取決于BSFL堆肥過(guò)程中飼料基質(zhì)類型及其含水率，含水率越高CH4排放量越高。然而，磷和鉀在生物可降解物質(zhì)中主要以不溶形式存在，因此這些元素不會(huì)揮發(fā)丟失。對(duì)此，Parodi等[14]用商業(yè)飼料（47%酵母濃縮液、47%馬鈴薯淀粉和6%粘合劑）喂養(yǎng)BSFL并評(píng)估了系統(tǒng)中碳、氮、磷和鉀的總排放量，發(fā)現(xiàn)約57%的碳最終轉(zhuǎn)化為糞便，20%轉(zhuǎn)化為幼蟲生物量，24%以CO2的形式揮發(fā)流失；最終，62%的氮保留于蟲沙中，38%被幼蟲回收，且氮損失大于總氮含量的1%。然而，若在CO2達(dá)到峰值前關(guān)閉系統(tǒng)，即可有效避免氮損失。另外，在添加底物過(guò)程中，分批補(bǔ)料比一次性補(bǔ)料的生物轉(zhuǎn)化率更高，但可能會(huì)增加排放量計(jì)算模式的復(fù)雜程度[15]。

此外，幼蟲含量、飼料添加量和取食策略等工藝技術(shù)參數(shù)對(duì)整個(gè)工藝效率及排放量有很大影響，這些工藝參數(shù)決定了BSF的數(shù)量、大小以及GHG總排放量[16]。同時(shí)，蟲沙的后處理也是導(dǎo)致GHG排放的主要原因。研究表明，蟲沙在自然條件下進(jìn)行二次堆肥，其最初存在的碳有49%以CO2的形式排放，但對(duì)其實(shí)施強(qiáng)制曝氣可使CO2排放量下降至29%，且分別減排了72.6%～99.9%的CH4和99.6%～99.9%的N2O，故好氧條件有利于減少蟲沙在后處理過(guò)程中的GHG排放[17]?？偠灾?，BSFL技術(shù)所產(chǎn)生的環(huán)境影響主要由廢棄物類型、處理過(guò)程（工藝參數(shù)和投料方式）、后處理策略和處理時(shí)間幾項(xiàng)因素決定。

1.2 不同有機(jī)廢棄物對(duì)蟲沙產(chǎn)量的影響

使用理化特性不同的有機(jī)廢棄物飼養(yǎng)BSFL所得蟲沙產(chǎn)量不同，適宜的底物基質(zhì)可有效提高固廢減少率。研究表明[18]，飼料基質(zhì)的減少率并不等同于蟲沙生產(chǎn)率。Lalander等[19]用廚余垃圾、禽畜糞便、人類糞便和家禽飼料喂養(yǎng)BSFL時(shí)，蟲沙總產(chǎn)量分別約占投喂總量的45%、40%、52%和15%（DM）。然而，評(píng)估蟲沙產(chǎn)量應(yīng)與其他工藝參數(shù)相結(jié)合，以判斷該工藝是否將蟲沙與未消耗底物進(jìn)行有效分離，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，蟲沙的有效生產(chǎn)率應(yīng)與生物轉(zhuǎn)化率、底物消耗率和最終幼蟲重量等工藝參數(shù)一起評(píng)估。表1總結(jié)了不同有機(jī)廢棄物飼養(yǎng)BSFL的蟲沙產(chǎn)量。

表1 不同有機(jī)廢棄物飼養(yǎng)BSFL的蟲沙產(chǎn)量［13-18］Table 1 Frass yield of BSFL fed with different organic wastes［13-18］

2 蟲沙特性

2.1 營(yíng)養(yǎng)成分

BSFL蟲沙的營(yíng)養(yǎng)成分組成與其飼料類型相關(guān)。Setti等[20]使用家蠅專用飼料喂養(yǎng)BSFL，所得蟲沙中氮、磷和鉀含量分別為44、52 和41 g·kg-1；Klammsteiner等[21]分別用雞飼料、草廢料和果蔬廢料喂養(yǎng)BSFL，所得蟲沙中氮含量在18.3～25.9 g·kg-1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)食不同有機(jī)廢棄物的BSFL蟲沙中總碳和總氮含量變化不大，分別在37%和3%左右，而總磷（1%～5%）和總鉀（0.5%～4.1%）含量差異顯著[22]。此外，微量元素也隨基質(zhì)的不同而變化，但pH（7.5左右）和碳氮比（C/N，約為15）變化較小。相關(guān)研究表明[23]，僅喂食碳水化合物（面包廢料）的BSFL，其蟲沙中氮含量為15.2 g·kg-1，而添加少量富含蛋白質(zhì)的魚內(nèi)臟(5%～15%)后，其營(yíng)養(yǎng)含量可從18.4 g·kg-1增加到23.8 g·kg-1。因此，調(diào)整BSFL飼料類型可獲得不同營(yíng)養(yǎng)成分的最終產(chǎn)品。

Palma等[24]用不同含量水平的杏仁殼喂養(yǎng)BSFL，蟲沙中氮、磷和鉀含量分別為12.3～22.3、17.9～44.6和0.22～0.82 g·kg-1，這是由于不同含量基質(zhì)中碳水化合物、蛋白質(zhì)和纖維含量不同，而高水平糖、淀粉和蛋白質(zhì)與低水平纖維有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在蟲沙中積累，使得各元素含量有所差異。Sarpong等[25]用不同含量水平的城市固體廢棄物喂養(yǎng)BSFL，發(fā)現(xiàn)幼蟲體內(nèi)氮、磷和鉀含量大幅增加，蟲沙中各營(yíng)養(yǎng)元素水平分別達(dá)到4.8、0.9和0.6 g·kg-1，這可能與基質(zhì)中干物質(zhì)含量隨著時(shí)間推移而減少，以及幼蟲在此過(guò)程中排出的微生物有關(guān)。此外，鉀、鎂、錳和銅等元素通常以低水平存在于BSFL蟲沙中，鉀含量一般低于其他主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且不易回收。Song等[26]用秋葵和麥麩混合物喂食BSFL，產(chǎn)生蟲沙中的氮、鉀含量分別為47.80和0.98 g·kg-1；Beesigamukama等[27]用啤酒廢谷物喂食BSFL，其蟲沙中氮、磷、鉀含量分別為21.0、11.6和1.7 g·kg-1。因此，蟲沙中氮、磷含量由底物基質(zhì)類型決定，而鉀含量與其相關(guān)性不大。

2.2 穩(wěn)定性

堆肥腐熟度和穩(wěn)定性是判斷有機(jī)肥能否施用的重要指標(biāo)。若堆肥后產(chǎn)物缺乏穩(wěn)定性或植物毒性過(guò)高會(huì)阻礙土壤有機(jī)質(zhì)降解和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)礦化，使得養(yǎng)分無(wú)法在土壤中被根系同化，從而導(dǎo)致植物負(fù)營(yíng)養(yǎng)異常[28]。因此，需選擇適宜BSFL生長(zhǎng)的有機(jī)廢棄物作為基質(zhì)或?qū)ζ洳扇『筇幚泶胧?，以提高產(chǎn)物穩(wěn)定性，最終達(dá)到生物肥料標(biāo)準(zhǔn)。

Alattar等[29]將以廚余垃圾為基質(zhì)產(chǎn)出的BSFL蟲沙與土壤以1∶2進(jìn)行混合，栽培玉米10周后發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)受阻，可能是由于混合基質(zhì)中銨含量過(guò)高，產(chǎn)生大量氨氣或亞硝酸氣導(dǎo)致基質(zhì)酸堿失衡，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)。當(dāng)用BSFL處理雞、豬和牛糞時(shí)，Liu等[30]通過(guò)種子發(fā)芽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雞糞組植物毒性最高，而其他組蟲沙較為穩(wěn)定，電導(dǎo)率低，萌發(fā)指數(shù)更高。這可能是由于雞糞導(dǎo)電性強(qiáng)，且NH+4-N水平較高，導(dǎo)致其產(chǎn)物不成熟，但對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步堆肥可起到有效改善。然而，Xiao等[31]發(fā)現(xiàn)，以接種了枯草芽孢桿菌的雞糞為基質(zhì)產(chǎn)生的BSFL蟲沙作肥料時(shí)，大白菜和油菜種子所含植物毒性水平隨時(shí)間推移而下降，且BSFL處理13 d后的蟲沙作肥料時(shí)發(fā)芽指數(shù)可達(dá)66%以上。相關(guān)研究也表明，用麥麩、苜蓿草粉和玉米粉作為BSFL飼料基質(zhì)時(shí)，萵苣種子的發(fā)芽指數(shù)超過(guò)70%，且不存在植物毒性，但較老植株在高水平蟲沙中生長(zhǎng)情況較差[32]。

此外，還可通過(guò)C/N評(píng)估蟲沙在土壤中的穩(wěn)定性和性能。為避免土壤中某些礦物質(zhì)被固定，導(dǎo)致生長(zhǎng)不良，化肥的C/N一般控制在20～40。然而，蟲沙的C/N因餌料不同而存在一定差異，且一般低于BSFL生長(zhǎng)所用的飼料基質(zhì)[25]，BSFL堆肥可使生活垃圾和杏仁副產(chǎn)品的C/N分別從48和73下降到17和20。Beesigamukama等[33]認(rèn)為，用于BSFL生長(zhǎng)的飼料基質(zhì)C/N應(yīng)在15～30，以便產(chǎn)生穩(wěn)定的、無(wú)毒的蟲沙。

腐殖質(zhì)的形成是判定堆肥穩(wěn)定性和成熟度的關(guān)鍵指標(biāo)之一，但腐殖質(zhì)與BSFL處理有機(jī)廢棄物的關(guān)系尚未明確[34]。相關(guān)研究表明[35]，對(duì)BSFL蟲沙進(jìn)行8周好氧堆肥后，其營(yíng)養(yǎng)含量和穩(wěn)定性有所提高，表明堆肥中形成了腐殖酸和其他代謝物。此外，其他生命周期長(zhǎng)于BSFL的昆蟲物種（蚯蚓、粉蟲）可加速生物可降解材料中有機(jī)物的穩(wěn)定[36]，若將蟲沙用于蚯蚓堆肥有望提高其穩(wěn)定性并產(chǎn)生豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。同時(shí)，將蟲沙用于厭氧消化生產(chǎn)沼氣在經(jīng)濟(jì)上具較強(qiáng)的可行性。因此，上述方法均可作為蟲沙的后處理方案，以便在提高堆肥穩(wěn)定性和成熟度的同時(shí)推進(jìn)生物循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 微生物組成及其作用

2.3.1 微生物組成 蟲沙中微生物的組成及其改變土壤微生物菌群的能力是將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的重要考察點(diǎn)[37]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴于化肥，長(zhǎng)期使用會(huì)惡化農(nóng)田土壤肥力[38]。而有益微生物可提高土壤養(yǎng)分利用率、抵抗非生物脅迫，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[39]。已有研究表明[40]，蟲沙中所含假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、農(nóng)桿菌屬等20多個(gè)種屬可作為植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)，在改善土壤質(zhì)量、植物性能和作物產(chǎn)量，尤其在提高作物生產(chǎn)力、刺激植物生長(zhǎng)及抑制病原體等方面發(fā)揮著重要作用。此外，BSFL可顯著抑制有機(jī)廢棄物中的沙門氏菌和大腸桿菌[41]。Erickson等[42]使用BSFL處理雞糞后，發(fā)現(xiàn)腸道沙門氏菌減少了4 logCFU·g-1，大腸桿菌減少了5 logCFU·g-1。另有研究報(bào)道[43]，BSFL可使人類糞便和豬糞混合物中沙門氏菌顯著減少(＞7 logCFU·g-1)，但未發(fā)現(xiàn)耐熱大腸菌群失活。因此，BSFL蟲沙的微生物成分可使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)更具可持續(xù)性。

Wynants等[44]研究表明，BSFL蟲沙中微生物組成與幼蟲飼料基質(zhì)相關(guān)。用家庭有機(jī)垃圾喂養(yǎng)的BSFL，所產(chǎn)蟲沙中微生物組成與其他肥料（牛、馬和禽糞）作基質(zhì)時(shí)不同[45]，乳酸菌、芽孢桿菌、放線菌和假單胞菌等益于植物生長(zhǎng)的孢子蟲屬和棒狀桿菌豐度較高，但變形菌門的存在可能導(dǎo)致植物患病，且病原菌和真菌同時(shí)存在可能會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)構(gòu)成一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，為避免交叉污染，若干全球立法禁止在農(nóng)田中施用沙門氏菌、大腸桿菌、耐熱大腸菌群等微生物超標(biāo)的化肥。然而，BSFL在處理某些生物污染物（蛔蟲卵）和真菌衍生污染物（黃曲霉毒素）時(shí)，其含量雖低于我國(guó)現(xiàn)行飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（10～50 g·kg-1），但毒素仍存在于糞便和幼蟲生物量中，無(wú)法根除，這可能會(huì)在農(nóng)業(yè)使用中存在安全隱患[46]。因此，后續(xù)研究不僅要保證BSFL蟲沙的生物穩(wěn)定性，還需滅活其中所含的化學(xué)和生物污染物。

2.3.2 微生物對(duì)植物的促進(jìn)作用 生物活性物質(zhì)會(huì)對(duì)根際土壤產(chǎn)生刺激作用，并增強(qiáng)植物新陳代謝功能，從而在整體上促進(jìn)植物生長(zhǎng)[47]。Poveda等[48]發(fā)現(xiàn)，BSFL蟲沙是生物活性物質(zhì)的良好來(lái)源，其在可持續(xù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的作用如圖1所示[49]。Schmitt等[50]報(bào)道，BSFL蟲沙中的腐殖酸在代謝過(guò)程中會(huì)與土壤微生物相互作用，從而釋放生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素等生物刺激素[51]，以降低生物和非生物脅迫對(duì)植物新陳代謝的影響，進(jìn)而改善其生理機(jī)能。因此，腐殖酸代謝會(huì)在一定程度上促進(jìn)蟲沙中生物刺激素的形成。然而，目前對(duì)于蟲沙中生物刺激素的相關(guān)研究尚未完全明確。Antonov等[52]研究發(fā)現(xiàn)，使用1%蟲沙水浸提取物作橡膠樹生物刺激素時(shí)，松樹脂產(chǎn)量提高了20%，但并未對(duì)蟲沙中的營(yíng)養(yǎng)成分或生物活性物質(zhì)進(jìn)行描述，仍需進(jìn)一步探究BSFL蟲沙中的微生物組分特征。

圖1 黑水虻蟲沙在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的作用［49］Fig.1 Role of black soldier fly frass in sustainable agriculture［49］

此外，植物生長(zhǎng)促進(jìn)微生物（plant growthpromoting microorganisms, PGPM）能調(diào)節(jié)植物中的多種代謝功能和生理機(jī)制，以提高其營(yíng)養(yǎng)吸收效率、非生物脅迫耐受性和作物品質(zhì)[53]。Poveda等[54]研究表明，BSFL蟲沙中所含微生物可能具備這種能力，其中多種芽孢桿菌會(huì)產(chǎn)生生長(zhǎng)素（促進(jìn)生長(zhǎng)并增加耐旱性）、細(xì)胞分裂素（刺激根系分泌）、茉莉酸（誘導(dǎo)耐鹽脅迫）、赤霉素（提高種子萌發(fā)率、增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)代謝、調(diào)節(jié)內(nèi)源植物激素、誘導(dǎo)耐熱性）等對(duì)植物有益的生長(zhǎng)激素。盡管與化肥相比，蟲沙中礦物質(zhì)含量相對(duì)較低，但其所含生物刺激素和PGPMs種類豐富，仍然可為植物帶來(lái)固氮、增磷和增鉀、生長(zhǎng)素生產(chǎn)等多重效益。

3 蟲沙對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

3.1 單基質(zhì)對(duì)蟲沙應(yīng)用于植物生長(zhǎng)的影響

Choi等[55]將以廚余垃圾為基質(zhì)產(chǎn)出的蟲沙與一種營(yíng)養(yǎng)成分相似的商業(yè)肥料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)施用蟲沙的植株除了對(duì)磷的吸收率較低外，氮、鉀、有機(jī)質(zhì)以及植株的葉片數(shù)量、葉長(zhǎng)、葉寬和養(yǎng)分積累量均相近。Chirere等[56]對(duì)BSFL蟲沙進(jìn)行了4 d短期堆肥，結(jié)果顯示，瑞士甜菜的生長(zhǎng)速率高于未施肥組，且與無(wú)機(jī)氮磷鉀肥料生長(zhǎng)情況相似。同樣，Quilliam等[57]將以家禽糞便、啤酒廠廢物和綠色廢棄物為基質(zhì)生長(zhǎng)的BSFL蟲沙作為種植玉米、辣椒和青蔥的肥料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用3種BSFL蟲沙（2.5～10.0 t·hm-2）時(shí)，植物生長(zhǎng)狀態(tài)均與施用雞糞相似，將其與氮磷鉀肥料混合使用時(shí)植株生長(zhǎng)狀態(tài)更佳。

3.2 混合基質(zhì)對(duì)蟲沙應(yīng)用于植物生長(zhǎng)的影響

Alattar等[58]使用蟲沙與土壤質(zhì)量比為1∶2的混合物作玉米植株肥料，發(fā)現(xiàn)其對(duì)植物生長(zhǎng)的負(fù)面影響（矮小或葉片少）高于廚余垃圾肥料，這可能是由于蟲沙中高水平的氨造成的。G?rttling等[59]將BSFL處理有機(jī)廢棄物的3種副產(chǎn)物（糞便、幼蟲皮和死成蠅）與土壤混合后作為玉米植株的土壤改良劑進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三者氮用量為180～215 kg·hm-2，P2O5用量約為75 kg·hm-2，與其他副產(chǎn)物和商業(yè)肥料相比，它們?cè)诟晌镔|(zhì)產(chǎn)量、葉面積和養(yǎng)分利用效率等方面均處于劣勢(shì)。其施肥性能差的原因可能是由于粗粒肥以磷為主，且不具備促進(jìn)某些作物生長(zhǎng)的最佳營(yíng)養(yǎng)成分。然而，Houben等[60]將蟲沙堆肥112 d，并將其在番茄、羽衣甘藍(lán)和法國(guó)豆角中的施肥潛力與商業(yè)有機(jī)肥料和化肥等其他土壤改良劑在溫室和田間條件下進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與未施肥和施用單一肥料組相比，蟲沙與氮磷鉀肥料混合組在植株生長(zhǎng)、作物產(chǎn)量、氮吸收和養(yǎng)分利用效率方面效果最佳。此外，單獨(dú)使用蟲沙堆肥也對(duì)以上3個(gè)物種起到了促進(jìn)作用，這可能是由于蟲沙堆肥增強(qiáng)了有益微生物對(duì)土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量的提高效應(yīng)。

3.3 蟲沙碳氮含量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

Chiam等[61]使用以秋菜籽為基質(zhì)，且含量不同（10%、20%和30%）的BSFL蟲沙作為萵苣肥料，發(fā)現(xiàn)粗渣中含有高水平氮(50 g·kg-1)、磷(0.3 g·kg-1)和鉀(2 g·kg-1)，這種非預(yù)期生長(zhǎng)反應(yīng)可能是低C/N（7.2）使得土壤中養(yǎng)分迅速礦化所致。Rummel等[62]將氮?jiǎng)┝繛?70 和510 kg·hm-2且來(lái)源不同的BSFL蟲沙應(yīng)用于淋溶土中，發(fā)現(xiàn)蟲沙C/N較低時(shí)氮的礦化和固持作用較強(qiáng)。此外，碳和氮的礦化動(dòng)態(tài)與喂養(yǎng)BSFL的基質(zhì)質(zhì)量高度相關(guān)，在此過(guò)程中微生物代謝是氨氮的主要來(lái)源，故蟲沙中銨氮含量直接決定了土壤中氮礦化率和固持率[63]。因此，施用蟲沙后土壤中大量的碳和氮會(huì)導(dǎo)致N2O排放升高，從而減少土壤有機(jī)碳的固存，使得蟲沙的碳足跡可能高于預(yù)期。然而，由于土壤成分及其行為較為多變，至今為止蟲沙的肥力仍未被完全開發(fā)。

3.4 蟲沙施用量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

Kawasaki等[64]研究表明，BSFL蟲沙施肥量較高（1/10）會(huì)使蕓芥患黃葉病，但當(dāng)施肥量為土壤量1/30～1/20時(shí)可有效促進(jìn)其生長(zhǎng)。有研究比較了3齡幼蟲在自然堆肥和好氧堆肥下對(duì)白菜生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)新鮮蟲沙施用率超過(guò)10%會(huì)導(dǎo)致白菜發(fā)育不良，并減少了生物量生產(chǎn)；然而堆肥5周后，使用含量高達(dá)40%的蟲沙可有效促進(jìn)其生長(zhǎng)，表明蟲沙在施用前是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)至關(guān)重要[65]。相反，Menino等[66]發(fā)現(xiàn)，BSFL蟲沙含量需達(dá)到黑麥草總氮需求量的25%～150%，才可使其穩(wěn)定生長(zhǎng)。此外，蟲沙中有機(jī)質(zhì)、P2O5和K2O對(duì)于提高土壤肥力具有正面促進(jìn)作用，表明蟲沙作為生物肥料有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)化肥，但需進(jìn)一步探討植物生長(zhǎng)所需的適宜施用量。

3.5 黑水虻幼蟲及蟲沙可作動(dòng)物飼料和生物肥料

Hamid等[67]指出，BSFL中富含的甲殼素使其具有防治動(dòng)植物病害的能力，這種生物防治特性可減少全球農(nóng)業(yè)對(duì)殺蟲劑的依賴。BSFL蛹?xì)ぶ兴Ａ舻募讱に啬軌蚱茐木€蟲卵殼和植物病原真菌細(xì)胞壁，從而對(duì)其產(chǎn)生抑制作用。因此，向土壤中添加富含甲殼素的物質(zhì)時(shí)，可能會(huì)促進(jìn)幾丁質(zhì)分解菌的形成，進(jìn)而使真菌和線蟲喪失活力。有研究調(diào)查了BSFL中甲殼素在實(shí)際應(yīng)用中的益處，Vilela等[68]發(fā)現(xiàn)BSFL作飼料對(duì)肉雞的免疫系統(tǒng)具有正向調(diào)節(jié)作用；Kroeckel等[69]研究表明，使用BSFL喂養(yǎng)的比目魚生長(zhǎng)性能明顯高于對(duì)照組，這可能是由于甲殼素促使BSFL增大了進(jìn)食量，從而加快了其生長(zhǎng)速率和營(yíng)養(yǎng)吸收能力，進(jìn)而提高其機(jī)體的免疫功能。因此，BSFL及蟲沙中的甲殼素不僅能有效清除土壤植物系統(tǒng)中的真菌病原體和其他害蟲，且使用其作飼料還可提高養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量。

BSFL蟲沙中植物營(yíng)養(yǎng)素豐富，將其用作生物肥料不僅能增加土壤中有機(jī)物水平，還可提高植物有效養(yǎng)分比例。Beesigamukama等[70]將堆肥5周的蟲沙添加到強(qiáng)淋溶鐵鋁土中，發(fā)現(xiàn)其在30～60 d內(nèi)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨后土壤中氮、磷、鉀的釋放量均明顯高于未施肥組，表明蟲沙中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)揮了礦化作用。然而，蟲沙中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的固定和礦化作用高度依賴于自身C/N、生物穩(wěn)定性等特性因素?？偨Y(jié)不同來(lái)源BSFL蟲沙的化學(xué)屬性（表2）后，發(fā)現(xiàn)蟲沙組分與其基質(zhì)間的差異導(dǎo)致了最終產(chǎn)物在土壤中的多變性。

表2 不同有機(jī)廢棄物飼養(yǎng)BSFL所產(chǎn)蟲沙的化學(xué)屬性［67］Table 2 Chemical attributes of frass derived from BSFL with different organic wastes［67］

4 展望

BSFL蟲沙作有機(jī)肥料對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有巨大潛力，其產(chǎn)品可推動(dòng)全球綠色（農(nóng)業(yè)、園藝、生態(tài)恢復(fù)）和棕色產(chǎn)業(yè)（土壤健康、土壤肥力、侵蝕管理）加速發(fā)展，有利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。然而，蟲沙中磷、鉀和微量元素的水平高度依賴于飼料基質(zhì)，且無(wú)法作為喜磷作物的最佳肥料，但將其與氮肥按適當(dāng)比例混合施用即可做到平衡施肥。此外，由于飼料基質(zhì)和快速堆肥過(guò)程中的有毒有害物質(zhì)會(huì)降低BSFL蟲沙生物穩(wěn)定性，故需對(duì)其采取混合堆肥、高溫堆肥、蚯蚓堆肥或用作粉蟲飼料等后處理措施，才可減少植物毒性并促進(jìn)腐殖質(zhì)形成，使其達(dá)到高度穩(wěn)定狀態(tài)[71]。但目前對(duì)于BSFL轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物過(guò)程中腐殖酸、黃腐酸、植物激素、短鏈蛋白和氨基酸的物質(zhì)形成及PGPMs對(duì)BSFL作用機(jī)制的調(diào)查還不全面，仍需進(jìn)一步研究，以開發(fā)生物活性物質(zhì)和有益微生物在此過(guò)程中的積極作用，從而推動(dòng)BSFL蟲沙成為循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的資源化利用，最終達(dá)到環(huán)保與經(jīng)濟(jì)雙贏的“雙碳”目標(biāo)。