蚯蚓糞對土壤環境質量和作物生長影響的研究現狀與展望

單穎+趙鳳亮+林艷+劉聲廷

摘 要 蚯蚓糞是一種優質、安全的天然有機肥料，對土壤環境質量和作物生長具有明顯的改善和促進作用。綜述蚯蚓糞的性質及其在改善土壤理化性狀、提高土壤肥力和促進作物生長方面的研究現狀，并提出了當前研究存在的局限和對未來工作的展望。

關鍵詞 蚯蚓糞 ；土壤性質 ；土壤肥力 ；作物生長

中圖分類號 X705 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.06.003

Research Advances and prospective on effects of vermicompost

on soil environment quality and crop production

SHAN Ying1） ZHAO Fengliang1） LIN Yan1）

LIU Shengting1） LI Wei1） HE Zhenli2） Adel.M.R.A. Abdelaziz1，3）

（1 Environment and Plant Protection Institute， CATAS， Haikou， Hainan 571101；

Danzhou Investigation and Experimental Station of Agricultural Environment，

Ministry of Agriculture， Danzhou 571737， China；

2 University of Florida， IFAS， Indian River Research and Education Center， Fort Pierce，

FL 34945， USA；

3 Central Lab. of Organic Agriculture， Agricultural Research Center （ARC），

9 Cairo Univ. st.， Giza12619， Egypt）

Abstract Vermicomposts are high quality， safe and natural organic fertilizer， which could improve soil quality and crop growth in an obvious way. In this article， the characteristics of vermicompost and its effect on boosting physicochemical properties and fertility of soil， and also the plant production were summarized. The limitations of current researches and the prospects of future work were presented， either.

Keywords vermicompost ； soil properties ； soil fertility ； plant production

化肥作為糧食增產的決定性因子之一，具有肥效快、增產效果顯著等優點，在中國的農業生產中發揮著舉足輕重的作用[1]。研究表明，中國52%的農作物增產來自化肥的貢獻[2]。近年來，中國化肥用量持續快速增長，2010年的化肥消費量占世界化肥消費總量的34%[3]。然而，過度依賴化肥并沒有帶來糧食產量的大幅增長，反而產生了肥料利用率低、資源浪費和環境污染等問題。因此，使用有機肥替代化肥或與化肥配施在農業生產中受到廣泛關注，充分利用農作物秸稈及畜禽糞便生產有機肥，對于資源充分利用，減少化肥投入，實現養分循環和環境保護具有重要的意義[4]。

蚯蚓堆肥是一種將有機物料轉化為肥料和土壤改良劑的方法，其產物蚯蚓糞具有比表面積大、排水性高、持水量大和通氣性好的特點，且含有豐富的營養成分和有益微生物，具有很好的供肥、保肥以及改良土壤的能力[5-6]。已有研究表明，蚯蚓糞作為一種土壤改良劑和新型有機肥，在濱海鹽堿地、紅壤的土壤改良[7-8]，以及生菜、西紅柿、玉米、烤煙等作物育苗及生長上表現出良好效果[9-12]。本文總結了施用蚯蚓糞對農田土壤理化性狀、肥力狀況和作物生長影響的研究現狀，以便正確認識蚯蚓糞的優缺點，為科學研究和農業生產中合理施用蚯蚓糞提供參考依據。

1 蚯蚓糞及其性質

農作物秸稈、禽畜糞便、污泥等有機廢棄物經過蚯蚓的吞食，在蚯蚓消化系統蛋白酶、脂肪酶、纖維酶和淀粉酶，以及蚯蚓與環境中微生物的協同作用下，經消化分解的代謝過程，轉化成為自身或易于其他生物利用的營養物質，經排泄后成為蚯蚓糞[13]。蚯蚓糞是一種黑色或灰黑色、有自然泥土味的細碎物質，大多是0.5～3 mm粒徑的顆粒狀或橢圓狀團聚體，有時也可再粘結成2～3 cm團塊狀。在堆肥過程中，由于蚯蚓的作用，有機物的礦化速度快、腐殖化程度高，蚯蚓糞較傳統堆肥產物在理化性狀、生化特征和營養成分方面更具有優勢，但由于蚯蚓種類、所取食的有機物以及蚯蚓消化程度不同，蚯蚓糞的理化性質有所差異[14-16]。研究表明，大量腐殖質使蚯蚓糞具有吸附能力強、陽離子交換量大、重金屬含量低和保肥供肥性能好等特點[17]。Lim等[16]通過觀察以稻稈為原料堆制的蚯蚓糞SEM圖譜發現，蚯蚓糞呈現均一、多孔結構，比表面積大，顏色較深，而稻稈則呈現細長、纖維狀結構。眾多研究也表明，蚯蚓糞具有優良的孔性、通氣性、持水性和排水性，并具有較高的水穩性和良好的團聚體結構[18]。

蚯蚓糞中含有豐富的有機質、腐殖質，以及植物生長所需的氮、磷、鉀等大量元素，和鐵、錳、銅、硼等多種微量元素。蚯蚓糞中的有機質含量約為20%～39.2%，腐殖質含量約為11.7%～25.8%，全氮約為0.32%～2.13%，全磷約為0.72%～1.72%，全鉀約為0.4%～2.01%，全氮含量比一般土壤高1～14倍，速效磷高10～17倍，速效鉀高8～11倍[19]。蚯蚓糞中營養物質的含量主要取決于堆肥原材料，但通常蚯蚓糞中的大量和微量營養含量均高于相同原材料的普通堆肥產物[5]。Gupta等[17]利用污泥和牛糞加入赤子愛勝蚓進行堆肥，約3個月后發現產物蚯蚓糞較原始混合物的TN、TP、TK含量均有提高。李輝信等[20]比較蚯蚓糞與自然腐熟牛糞發現，礦質氮、速效鉀含量及微生物數量均增加。除有機質、腐殖質和植物所需的大量元素外，研究還發現，蚯蚓糞中含有大量的微量元素、氨基酸、植物生長激素，以及磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等各種酶類物質[21-22]。除此之外，蚯蚓的消化道被譽為有益微生物的小型“培養室”，蚯蚓吞食有機物和微生物后，在消化道內有機物中大部分細菌被殺死，有益微生物大量繁殖，最終將含有細菌、真菌和放線菌的有益微生物群體通過糞便排放出來。因此，蚯蚓糞中含有大量細菌和放線菌等有益微生物[18]。綜上，通過蚯蚓的消化、磨碎過程，有機物的分解轉化速率高，產物蚯蚓糞形狀均一、表面積大，營養成分含量高，富含植物生長激素和酶類物質，且微生物活性強。

2 蚯蚓糞對土壤理化性狀的影響

蚯蚓糞具有特殊的理化性質，對于改善土壤的物理結構和化學性質具有重要意義，施用蚯蚓糞對土壤的理化性狀改變明顯。蚯蚓糞自身是團粒結構，且富含多糖，多糖在土壤中作為一種膠結劑有利于團聚體的形成和保持[5]。土壤團聚體是良好的土壤結構體，由土壤原生顆粒和膠體凝聚、膠結形成，不同粒級團聚體的數量和空間排列方式決定了土壤孔隙的分布，進而決定土壤的水力特征，影響土壤的通氣性、蓄水性、透水性和耕性[23]。蚯蚓糞中能夠改善土壤理化性狀的腐殖質含量豐富，施入土壤后，腐殖質易與鈣離子膠結土粒凝聚形成穩定的團粒結構；且腐殖質為親水膠體，保水能力強，導熱性小，利于土壤保水保溫[18，24]。研究表明，施加蚯蚓糞的土壤中微生物數量增多、活性增強，易于形成團粒結構，土壤容重降低，總孔隙度增加[6，25]。蚯蚓糞能夠增加土壤中小于5 μm粒級的微團聚體數量，協調土壤水、肥、氣和熱的關系。優良的土壤結構使其具備良好的通氣性、持水性、排水性和好氧環境，對植物根系的生長和營養物質的有效利用具有重要意義。

蚯蚓糞多呈中性偏堿性，向土壤中添加蚯蚓糞可以降低土壤交換態鋁含量，用于改良酸性土壤[26]。但也有研究發現，添加蚯蚓糞對土壤的pH沒有影響，甚至可以降低土壤的pH。分析認為，有機物在分解過程中產生的有機酸可能產生酸化作用，或蚯蚓糞增加土壤的滲透性增強了鹽分的流失[5，27]。分析結果發現，蚯蚓糞對土壤pH的影響取決于堆肥原料和土壤性質[28]。例如，張聰俐等[10]在不同類型土壤中添加牛糞為原料的蚯蚓糞進行盆栽試驗發現，土壤pH增加；而有研究添加豬糞為原料的蚯蚓糞發現，土壤pH隨蚯蚓糞用量的提高而降低[29]。而且，有研究發現，將蚯蚓糞施于酸性土壤，土壤pH升高；施于堿性土壤，土壤pH降低，說明蚯蚓糞具有較大的酸堿緩沖容量[30]，可以使土壤pH趨于中性，有利于提高作物所需營養物質的有效性，更好地滿足大多數作物的生長要求。在土壤EC值的研究結果中也發現了類似的現象。陳小錦[8]、張寧[12]等發現，與不添加蚯蚓糞的對照相比，土壤的EC值隨蚯蚓糞用量的升高而增加。Manivannan等[29]發現，在黏土和沙土中添加蚯蚓糞，EC值分別下降了1.4和1.2倍。杭瓊[31]通過室內培養試驗發現，與蚯蚓糞共培養的過程中，土壤EC值的變化呈現先平穩波動、隨后急速增加、又下降趨于穩定的現象。Atiyeh等[25]也發現，短期內土壤EC值隨蚯蚓糞用量升高而增加，但實驗結束時，土壤EC值又下降到幾乎一致的水平。研究結果表明，蚯蚓糞中可溶性鹽分含量高，鈉離子和鉀離子的交換作用強，且土壤孔隙度和滲透率的增加有助于鹽分的流失，降低土壤EC值，降低土壤鹽化的風險[32]。EC值反映的是土壤可溶性鹽分的含量，EC值過高可能會損傷植物生長。綜上，添加蚯蚓糞對土壤物理結構的改善作用顯著，但對土壤酸堿性、離子交換能力的影響尚不統一，機理仍不明確，需要進一步研究。

3 蚯蚓糞對土壤肥力的影響

施用蚯蚓糞可以增加土壤養分含量，促進養分的活化，保持速效養分供應平衡，提高土壤的供肥能力，改良和培肥地力效果顯著。蚯蚓糞含有豐富的養分，自身即可作為一種天然的、可逐漸釋放營養物質的肥料及土壤改良物質。蚯蚓在參與堆肥的過程中，除形成大量優良的土壤團聚體之外，還促進了土壤有機物質的分解與轉化，加強土壤腐殖質的形成和富集，為提高土壤肥力創造了良好的物質基礎。Ngo等[33]、王明友等[34]研究發現，與常規施肥相比，施用蚯蚓糞使土壤中有機碳和全氮含量顯著提高。杭瓊[31]研究發現，利用蚯蚓糞改良果園底土，可以顯著增加土壤中全氮和全磷的含量。Manivannan等[29]在田間試驗中發現，在粘土和沙土中施用蚯蚓糞，較常規施用無機肥相比，2種質地土壤中鈣、鎂、鈉、鐵、錳、鋅、銅等微量元素的含量均有提高。有機質對土壤養分供給和淋失具有重要意義，施用蚯蚓糞將大量有機質帶入土壤，有機質分解產生有機酸，通過酸溶作用可以促進礦物的風化和養分釋放，通過絡合（螯合）作用可以增加礦質養分的有效性[23]。張寧[12]向果園耕層土壤中施加原料為牛糞的蚯蚓糞，發現土壤中有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量顯著升高，且隨著蚯蚓糞用量的增加而升高。張聰俐等[10]通過盆栽試驗發現，無論向果園或菜園土壤中添加蚯蚓糞，土壤中的有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量均隨著蚯蚓糞施入量的增加而顯著提升。王福友等[7]、張榮濤等[35]在鹽堿土壤的改良研究中同樣發現了蚯蚓糞顯著提高土壤速效養分的作用。Manivannan等[29]通過大田試驗也發現，添加蚯蚓糞的土壤中有效氮、磷、鉀的含量提高了1.4～1.7倍。

同時，蚯蚓糞在土壤的碳氮循環中也起著重要的作用[36]。研究發現，蚯蚓糞中大量的團粒結構可以增強對有機碳的物理性保護，有利于碳在大顆粒土壤中微團聚體的長期穩定性，增加了土壤的碳儲量[37]。Martin[38]通過1年的培養試驗發現，蚯蚓糞可以明顯降低有機碳的礦化率。王明友等[34]通過田間小區試驗研究發現，蚯蚓糞與化肥配施可以顯著提高土壤活性有機碳和微生物量碳、氮含量，以及碳庫管理指數。土壤微生物量碳、氮是反映土壤碳、氮養分循環及轉化過程的重要參數，能直觀體現土壤微生物生長狀態和土壤肥力狀況。崔麗娟[39]在番茄生長試驗中也發現，施入蚯蚓糞處理的土壤微生物量碳、氮含量均顯著高于對照處理。研究表明：新鮮蚯蚓糞中的銨態氮和可溶性有機氮都較高，加入土壤，隨著時間的延遲，NH4+含量逐漸降低；相反，NO3-含量隨蚯蚓糞用量的提高呈線性增加的趨勢，NH4+易被吸附、淋溶、植物吸收或通過硝化作用轉化為NO3-，蚯蚓糞中微生物數量多、活性強，增強了硝化作用，促進NH4+向NO3-轉化，有利于作物吸收[25，40]。陳小錦[8]在紅壤中添加不同用量蚯蚓糞發現，在蚯蚓糞用量較低時（0%～5%），土壤中NH4+含量隨著蚯蚓糞含量的增加迅速增加，之后有所下降，在蚯蚓糞用量為10%時達到最小值；而NO3-含量隨著蚯蚓糞添加量的增加出現顯著升高的現象，進一步說明蚯蚓糞可以促進土壤中有機氮的氨化作用和硝化作用。

除此之外，施用蚯蚓糞可以通過提高酶和微生物活性的雙重作用，促進土壤中養分的活化。Pramanik等[41]研究蚯蚓糞對磷的影響時發現，蚯蚓糞可以使土壤中有效磷含量增加13%～26%。其中，試驗前7 d，土壤有效磷含量小幅降低，隨后逐漸升高，在60～90 d時達到穩定水平；而加入無機磷肥的處理中土壤有效磷含量在前45 d逐漸增加，后期出現降低。分析認為，磷肥施入土壤后極易被吸附固定形成難溶性磷酸鹽，從而影響磷的釋放和利用，而加入蚯蚓糞可以降低對磷的吸附，通過微生物和酶的作用促進有機磷向無機磷轉化，從而提高磷素的有效性。蘇曉紅等[42]研究也表明，施用蚯蚓糞可以提高土壤中磷酸酶的活性，增加有效磷和水溶性磷的含量，有利于土壤有效磷的穩定供給。崔麗娟[39]、李繼蕊等[43]研究也證明，蚯蚓糞對土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性具有促進作用；賈德新等[44]、井大煒[45]通過大田試驗研究蚯蚓糞對豇豆、楊樹苗根際土壤微生物活性的影響發現，蚯蚓糞與化肥配施可以顯著增加根際土壤中細菌數、放線菌數、微生物總量及微生物量碳含量，主要是由于蚯蚓糞自身帶入大量活性微生物，以及可以為微生物生長提供良好的環境和新的能源，土壤酶和微生物活性的改變有助于提高土壤中養分離子的有效性和養分保持能力。還有研究指出，添加蚯蚓糞可以減少養分在土壤中的淋溶。目前，關于蚯蚓糞影響土壤養分遷移轉化的機理尚不夠明確，如對土壤碳、氮礦化作用的影響及其機理，仍需進一步深入研究。

4 蚯蚓糞對作物生長的影響

綜上，蚯蚓糞無論在改善土壤理化性質還是養分供應方面都具有較大的優勢，對促進作物生長、提高產量和品質具有重要意義，這一結果已在眾多作物中得到了證實。張聰俐等[10]證明，添加蚯蚓糞后，玉米的株高、地上和地下部干物質量、葉綠素SPAD 值、植株地上部、地下部的全氮和全鉀含量均隨著蚯蚓糞施用量的增加而升高，但當蚯蚓糞用量達到20%時，對玉米的株高、地上和地下部干物質量會出現抑制作用。鄭金偉等[46]研究奶牛糞蚯蚓堆制物對生菜生長及品質的影響時發現，添加蚯蚓糞促進生菜植株的生長，并提高了品質，蚯蚓糞添加量為30%～50%時，生菜莖、葉中可溶性糖和Vc含量明顯增加，硝酸鹽含量降低。呂振宇等[47]施用蚯蚓糞有機肥開展甘藍田間試驗發現，蚯蚓糞與無機肥配施可以極顯著增加甘藍產量，并提高品質，降低甘藍硝酸鹽含量，提高Vc含量。Federico等[48]研究發現，施用蚯蚓糞，番茄的株高增加，果實中碳水化合物含量增加，酸度降低。李繼蕊等[43]采用盆栽試驗研究表明，添加蚯蚓糞定植35 d后，黃瓜株高、莖粗分別提高了31.3%、14%，產量提高36.7%，且黃瓜果實中游離氨基酸、可溶性蛋白、可溶性糖和Vc的含量均有增加。蚯蚓糞與傳統無機肥料相比，其有效養分的含量更高，如NO3-、有效P、速效K、交換性Ca和Mg等。有研究指出，蚯蚓糞對作物生長的促進作用不僅來源于養分，還有大量微生物的活動可以增加土壤中礦質營養和腐殖質含量、酶的活性，還能刺激多種生長激素的釋放，促進根系發育、增強抗病能力、影響作物生長[18]。李歡等[49]通過田間試驗研究蚯蚓糞對夏季玉米生長的影響發現，蚯蚓糞主要通過影響夏玉米關鍵生育期土壤微生物量碳的變化，進而影響了土壤中碳向植物的輸入，最終調控了產量。蚯蚓糞還可以顯著影響作物地下部的生長，研究表明，蚯蚓糞與化肥配施可以促進作物根系的生長，增強根系活性。陳小錦等[8]發現，適量蚯蚓糞可以促進不結球白菜幼苗的根系生長，有助于其對營養成分的吸收。施入蚯蚓糞還可以明顯增加玉米根系分泌物含量，改善玉米根際區域的微生態環境[50]。

蚯蚓糞中還含有大量的氨基酸、植物生長激素等活性物質，能夠促進作物根系發育、刺激作物生長。胡佩等[51]已利用高效液相色譜法證明，蚯蚓糞中含有較豐富的吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA3）等激素物質。Arancon等[52]開展蚯蚓糞對番茄、胡椒和草莓生長的影響試驗研究，開始時通過添加無機肥統一養分含量，發現添加蚯蚓糞的處理，3種作物的產量均顯著升高，分析認為添加蚯蚓糞增加了根系土壤微生物數量和活性，刺激產生了更多的植物生長激素，促進了作物的生長。后期研究也證明了蚯蚓糞可以通過增加微生物的數量和活性來影響分泌植物生長激素，對作物的生長發育、產量和品質有顯著的促進作用[53-54]。添加蚯蚓糞對土壤中的病原微生物有明顯的抑制作用，能夠限制病原菌繁殖，減輕土傳病害的發生，增強植株的抗性。張寧[12]研究蚯蚓糞對西瓜和番茄生長的影響時發現，添加蚯蚓糞后，土壤細菌和放線菌數量均隨蚯蚓糞用量的增加逐漸增多，而真菌數量呈現下降趨勢，細菌數/真菌數比值增加，從而減輕黃瓜的連作障礙。這一結果在張俊英等的研究中也得到了證明，向黃瓜連作土壤中添加蚯蚓糞后，細菌數量減少幅度較大，真菌數量增多，細菌數/真菌數比值呈增加趨勢，黃瓜的連作障礙減輕[55]。

5 結論與展望

綜上，蚯蚓糞在改良土壤理化性狀、改善土壤微生物環境、提高土壤肥力、促進作物生長等方面優勢明顯。鑒于其優良的性質和作用，蚯蚓糞替代化肥或和化肥配施可以在農業生產中大面積推廣使用。但是，要合理利用蚯蚓糞，避免其可能帶來的不利影響，實現其對土壤的有效改良，促進作物高產優質，依然存在一些關鍵問題亟待明確和解決，包括：（1）蚯蚓糞作為有機肥或改良劑施入土壤后會參與土壤各項生物地球化學循環，目前對蚯蚓糞的研究多集中在土壤改良或作物增產的效果方面，但其機理以及蚯蚓糞中養分、酶以及微生物在土壤中的遷移轉化特征尚不夠明確，因此，有必要開展蚯蚓糞在土壤中的生物地球化學行為的深入研究；（2）蚯蚓糞對作物生長的影響機制仍不夠清晰，是營養物質或是植物生長激素促進了作物的生長，仍需進一步研究；（3）已有研究表明，過量施用蚯蚓糞有可能導致作物的減產。因此，蚯蚓糞的合理用量，以及和化肥的配施比例仍需探討明確；（4）由于特定的氣候和耕作條件，蚯蚓糞的作用會有所差異，因此蚯蚓糞在不同地區和不同類型農業土壤的適用性還需要更為全面的探究，以確保其有效性和安全性；（5）當前蚯蚓糞多利用在培養或盆栽試驗中，結果表明對土壤性質、作物生長效果明顯，但針對長期田間試驗的研究相對較少，下一步需要開展長期定位試驗明確蚯蚓糞對農業生態系統的長期影響效應。

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