好氧堆肥-蚯蚓堆肥結合法處理綠化廢棄物與牛糞

蔡琳琳，李素艷，龔小強，孫向陽，張建偉，于 鑫，魏 樂

（1.北京林業大學 林學院，北京 100083； 2.北京潤澤鑫業生物工程技術有限公司，北京100083）

綠化廢棄物是指城市綠化養護中產生的修剪枝條、落葉、草坪修剪物和殘花等［1］。目前，廣泛采用的綠化廢棄物處理方法是好氧堆肥［2］。但由于綠化廢棄物含有較高的木質素和纖維素，好氧堆肥往往降解不充分且降解周期過長，產品質量較差［3］。與此同時，現代畜牧業發展造成的牛糞產生量急劇加大［4］，牛糞好氧堆置往往因為牛糞中豐富的營養物質（氮、磷及有機物質等）、微生物和蟲卵等的存在，使得堆置過程容易滋生蚊蟲，導致病原菌繁殖，并產生臭味，且浸出液進入河流也易使水體富營養化。因此，牛糞資源化處理及利用也是目前中國畜牧業發展亟待解決的問題之一。蚯蚓堆肥是指蚯蚓在常溫有氧條件下吞食有機物，通過腸道物理破碎及腸道微生物的協同作用對有機固體廢棄物進行生物氧化和轉化，形成富含腐殖質和營養元素產物的生物處理工藝［5］。目前，蚯蚓堆肥處理技術已經廣泛用于有機固體廢棄物的處理，如周波等［6］利用蚯蚓處理城市污泥，相對于無蚯蚓處理可顯著降低污泥總有機碳含量，增強微生物活性與重金屬活化作用，提高土壤肥力從而促進植物生長。王清威等［7］研究表明，蚯蚓堆肥處理餐廚垃圾能夠加速其有機物分解速率和蚯蚓生長繁殖率。于建光等［8］研究蚯蚓堆制處理水稻Oryza sativa秸稈與畜禽糞便混合物，發現相比無蚯蚓添加，材料中微生物代謝熵、脫氫酶和堿性磷酸酶活性與全氮、全磷、全鉀等含量增加，表明利用蚯蚓堆制水稻秸稈等混合物可減少堆肥時間并提高堆肥質量。目前利用好氧堆肥和蚯蚓堆肥結合技術處理園林綠化廢棄物的研究還較少。牛糞與綠化廢棄物混合蚯蚓堆肥，一方面，綠化廢棄物可提高堆肥物料的孔隙度，增加氧氣含量，有利于蚯蚓和微生物進行呼吸作用［9］；另一方面，牛糞的大量易降解的小分子有機物，可以為蚯蚓生長提供食物，有益微生物既能作為蚯蚓食物被攝食，又能自身參與降解活動，加速有機物的降解［10-11］。因此，本研究擬利用好氧堆肥-蚯蚓堆肥結合技術對綠化廢棄物與牛糞進行處理，以期篩選出適宜的綠化廢棄物與牛糞的配比處理，為加快綠化廢棄物與牛糞資源化處理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

綠化廢棄物取自北京市海淀區香山植物園，試驗前粉碎至粒徑小于5 mm。風干牛糞取自北京市通州區漷縣鎮吉祥養牛場。赤子愛勝蚯蚓Eisenia fetida購自北京市順義區北京大環順鑫有機肥料廠。美麗竹芋Calathea veitchiana購自北京市豐臺區花鄉花木公司，為生長3個月的幼苗植株。綠化廢棄物和牛糞的物理化學性質見表1。

1.2 試驗方法

試驗于北京林業大學校內苗圃溫室進行，控制溫度25.4～28.7℃，濕度60%～80%，自然光照。

1.2.1 好氧堆肥-蚯蚓堆肥結合方式處理綠化廢棄物和牛糞 取粉碎后的綠化廢棄物，調節含水量至65%～70%， 好氧堆肥 60 d［12］。 取未腐熟風干牛糞， 按質量分數0（T1）， 2%（T2）， 4%（T3）， 6%（T4）， 8%（T5）和10%（T6）的比例與好氧堆肥產物混合。稱取40 kg（干質量）混合材料置于塑料反應容器中（0.60 m×0.80 m×0.65 m，底部具有20個直徑1 cm孔），加入帶有生殖環的赤子愛勝蚯蚓，1 600條·容器-1，平均質量為202.2 mg·條-1，維持水分65%～70%。為防止蚯蚓逃逸，用1 mm孔徑的塑料網覆蓋容器。以無牛糞無蚯蚓的綠化廢棄物為空白對照（T0）。蚯蚓堆肥60 d后，取混合均勻的產品（干質量）1 kg，記錄成年蚯蚓數量，蚯蚓卵數量，幼小蚯蚓數量和成年蚯蚓質量，測量并分析起始材料和堆肥產物的理化性質及生物指標。試驗樣品的物理化學性質［pH值，電導率（EC），有機碳、全氮、全磷、全鉀、鈣、鎂質量分數］參照鮑士旦［13］方法測定；木質素與纖維素質量分數參照劉書釵［14］方法測定；真菌、細菌、放線菌數量參照PRAKASH等［15］方法測定。

表1 供試綠化廢棄物和牛糞理化性質Table 1 Initial physicochemical properties of the green waste and cow dung used for composting-vermicomposting

1.2.2 堆肥產品對美麗竹芋生長的影響 取各處理堆肥產品作為基質，選取株高14～15 cm，葉片生長健壯、根系完整且無病害的美麗竹芋幼苗進行栽培，30株·處理-1，隔3 d澆水1次，整個栽培周期不施加其他營養。栽培180 d后，隨機選取5株·處理-1，測定株高、冠幅、葉片數，并測量鮮質量。冠幅測定時先測量成株縱向和橫向的冠幅直徑（d），計算冠幅面積S=π×（d/2）2。

1.3 數據處理

實驗數據采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 20.0處理，進行方差分析和多重比較。

2 結果與討論

2.1 不同處理對蚯蚓生長和繁殖的影響

由表2可以看出：綠化廢棄物添加牛糞的處理（T2～T6）成年蚯蚓數量和單條蚯蚓質量均顯著高于不添加牛糞處理（T1）；就牛糞添加量而言，T2處理顯著低于T3～T6處理。可見牛糞添加可以提高蚯蚓的存活率和生長量，其最優質量分數為4%～10%。

堆肥結束時各處理蚯蚓幼體數量、蚯蚓卵數量隨著牛糞添加量的增加而增加，其中T3～T6處理顯著高于 T1和 T2處理， 但 T3～T6處理間差異不顯著。結果表明：牛糞添加促進了蚯蚓繁殖數量，以質量分數4%～10%最佳。

2.2 不同處理對產品理化性質的影響

如表3所示：堆肥初始原料pH值為pH 8.31～8.42，符合赤子愛勝蚯蚓生長范圍（pH 5～9）［16］；堆肥試驗結束后，各產品pH值為pH 7.96～8.20，達到農業應用要求pH 7.0～8.5范圍［17］。堆肥產品pH值降低，可能是堆肥后期氨氮化合物經過硝化、分解及微生物繁殖分泌有機酸類物質導致。

堆肥初始原料電導率為1.55～1.80，堆肥結束后，各產品的電導率為1.73～2.62 dS·m-1，符合農業生產中堆肥產品應用植物栽培基質范圍。電導率增率在不同處理間差異顯著，其中，蚯蚓堆肥產品 （T1～T6）增率顯著高于好氧堆肥處理（T0）；不同蚯蚓堆肥處理，電導率增率隨著牛糞添加比例提高而增加，其中T6處理的電導率增率顯著高于其他處理。與初始材料相比，堆肥產品電導率均增大，可能由于堆肥使有機物降解釋放大量可溶性礦質元素［18］所致，添加牛糞可提高蚯蚓活性，促進蚯蚓取食和消化有機物，使可溶性物質釋放量增大，電導率顯著增加。

相比于初始材料有機碳質量分數為331.25～337.78 g·kg-1，堆肥結束后各堆肥產品有機碳質量分數均降低，有機碳質量分數介于258.86～322.1 g·kg-1。其中，蚯蚓堆肥產品（T1～T6）有機碳降解率顯著高于好氧堆肥處理（T0）。不同蚯蚓堆肥處理中，產品有機碳降率順序為T6＞T5＞T4＞T3＞T2＞T1，可見，有機碳降解量隨著牛糞添加比例提高而增加。有機碳質量分數降率與牛糞添加量的正比例關系，可能是牛糞促進了蚯蚓和微生物生長繁殖，加速了有機物的分解［11］。

表2 牛糞添加對蚯蚓生長和繁殖的影響Table 2 Effects of cow dung addition on growth and reproductive performance of earthworm

表3 添加牛糞對蚯蚓堆肥中pH值、電導率和有機碳的影響Table 3 Effects of cow dung addition on pH,EC and organic carbon of vermicomposting

如表4所示：初始材料全氮質量分數為14.36～14.52 g·kg-1，堆肥結束時全氮質量分數為12.62～20.75 g·kg-1，可見堆肥產品全氮質量分數增加，增率達8.07%～41.29%，其中蚯蚓堆肥處理全氮增率顯著高于好氧堆肥處理。研究認為，好氧堆肥全氮質量分數提高是有機物降解、堆肥體積降低造成的，而蚯蚓堆肥中蚯蚓排泄物、黏液分泌等還會增加全氮質量分數［19］。蚯蚓堆肥處理中，T6產品全氮質量分數增率顯著高于T1～T4處理，可能是牛糞添加提高了蚯蚓存活率和繁殖率，同時牛糞含有的大量氮元素和固氮微生物，也使得產物全氮質量分數增加。碳氮比（C/N）反映堆肥過程中材料有機物的降解程度。本試驗中，堆肥結束后，各組產物C/N均下降，其中蚯蚓堆肥處理 （T1～T6）C/N降率顯著高于好氧處理（T0）；不同蚯蚓堆肥處理中，T2～T6處理C/N降率顯著高于T1處理。Van HEERDEN等［20］提出，堆肥C/N低于20表明堆肥腐熟，低于15適宜于農業應用。本研究中，除T0處理外，其他處理的最終C/N均小于20，T4～T6處理C/N小于15。表明在綠化廢棄物中添加質量分數6%～10%牛糞可提高堆肥質量，并應用于農業生產。最終堆肥產品的全磷質量分數為2.25～4.32 g·kg-1，與初始產品相比，增率達10.56%～59.51%； 全鉀質量分數為 7.14～8.97 g·kg-1， 增率達 6.77%～28.65%； 鈣質量分數為 124.61～129.63 g·kg-1，增率達3.92%～16.87%。其中，蚯蚓處理 （T1～T6）全磷、全鉀及鈣質量分數增率顯著高于好氧堆肥處理（T0）。蚯蚓堆肥處理中，T4～T6處理全磷、全鉀及鈣的增率顯著高于T1～T3，但T4，T5，T6處理間差異不顯著。姜宇蛟等［21］研究亦表明，添加牛糞能增加蚯蚓處理污泥中全磷質量分數，污泥中全磷量隨著牛糞添加量的增加而增大。張振都［22］研究發現，牛糞添加苜蓿Medecago sativa等堆肥，可加速有機物分解，并使全鉀質量分數增加15%以上。堆肥產品鎂質量分數為9.73～10.54 g·kg-1，相對于初始產品增率為0.87%～7.10%，其中，T2～T6蚯蚓處理鎂質量分數增率顯著高于好氧堆肥處理T0。蚯蚓堆肥處理T3～T6增率顯著高于T1和T2處理，但T3～T6處理間差異不顯著。FERNáNDEZ-GóMEZ等［23］提出，堆肥養分含量的提高，可能由于有機物的分解造成最終堆肥產品質量和體積的減少造成，而牛糞的添加有利于提高有機物的降解率，因此牛糞處理產品含有更高的營養元素含量。

表4 牛糞添加對蚯蚓堆肥中無機元素的影響Table 4 Effects of cow dung addition on mineral elements of vermicomposting

如表5所示，各處理纖維素、木質素的初始質量分數為29.70%～30.32%和22.58%～23.75%，堆肥結束時都出現顯著下降，質量分數為9.15%～25.36%和14.09%～17.67%。蚯蚓處理（T1～T6）木質素、纖維素降解率顯著高于好氧堆肥處理T0。蚯蚓堆肥中，添加牛糞處理（T2～T6）的纖維素和木質素的降解率顯著高于未添加處理（T1），且T5和T6處理效果顯著高于T2～T4處理，但T5和T6處理間差異不顯著。本結果與KUMAR等［24］的研究結果相似，可能是牛糞含有大量的營養元素，促進了蚯蚓和微生物活動，因此加快了纖維素和木質素的分解［11］。

表5 牛糞添加對蚯蚓堆肥中纖維素和木質素的影響Table 5 Effects of cow dung addition on cellulose and lignin of vermicomposting

2.3 不同處理堆肥產品中微生物數量變化

堆肥后微生物富集是堆肥材料腐熟的質量指標。李碧潔［25］研究蚯蚓堆肥處理城市污泥結果發現，蚯蚓的活動提高了微生物活性，細菌、放線菌、真菌數量均增加。如圖1所示，堆肥結束后，堆肥產品中細菌、放線菌、真菌數量均高于初始材料；同時，蚯蚓堆肥處理（T1～T6）的細菌、放線菌、真菌數量均高于好氧堆肥（T0）。添加牛糞的蚯蚓堆肥處理中，細菌、放線菌、真菌數量在T2～T6處理中顯著高于無牛糞處理T1。牛糞添加處理（T2～T6）之間，T6處理產品中細菌數量和真菌數量顯著高于其他處理，但與T5處理差異不顯著；放線菌數量在T6處理時顯著高于其他處理，但與T5和T4處理差異不顯著。由此認為，添加牛糞能提高蚯蚓的活性，促進有機物質分解，使堆肥材料營養物質增加，從而促進微生物生長繁殖。

2.4 堆肥產品對美麗竹芋生長的影響

以堆肥產品作為基質栽培美麗竹芋，其生長狀況如表6所示。蚯蚓堆肥處理（T1～T6）植株在株高、冠幅、葉片數、鮮質量上均顯著高于好氧堆肥處理（T0）。這一結果的產生可以解釋為，相對于好氧堆肥，蚯蚓堆肥腐熟后基質pH值較低，有利于植物對必須營養元素的吸收；同時，蚯蚓堆肥產品中有效營養元素含量更高，且 含 有 植 物 生 長 調 節 劑［26］； 龔 小 強 等［27］研究表明，蚯蚓堆肥與好氧堆肥產品可作為蔬菜育苗基質，且在蚯蚓堆肥基質中生長的甘藍Brassica oleracea株高、葉片數、鮮質量等顯著優于好氧堆肥栽培基質。本試驗發現，不同蚯蚓堆肥處理（T1～T6）產品對美麗竹芋植株生長影響不同。T2～T6處理下的植株株高顯著高于T1處理；T5和T6處理顯著高于其他處理，但T5和T6之間差異不顯著。除T2處理外，其他牛糞添加處理（T3～T6）植株冠幅均顯著高于無牛糞添加處理（T1）。T2～T6處理下的植株鮮質量顯著高于T1處理，T2～T4處理顯著低于T6處理。T4～T6處理下植株葉片數顯著高于T1。以上結果表明：在綠化廢棄物中添加質量分數8%～10%牛糞進行蚯蚓堆肥，其產物中木質素、纖維素等有機物質降解較完全，釋放更高含量的有效營養元素，因此促進了植物生長［1］。

圖1 牛糞添加對蚯蚓堆肥微生物數量的影響Figure 1 Effects of cow dung addition on numbers of bacteria,fungi and actinomyces of vermicomposts

說明：同列不同字母表示各組間差異顯著（P＜0.05）

3 結論

蚯蚓堆肥產品的營養元素質量分數及美麗竹芋生長指標均顯著高于無蚯蚓添加好氧堆肥，說明好氧堆肥-蚯蚓堆肥結合處理方式優于單獨好氧堆肥。

牛糞添加可促進堆肥過程中蚯蚓的生長和繁殖，加速堆肥過程中有機物的降解，提高堆肥產品質量，并且能夠促進美麗竹芋的生長，其中以m（綠化廢棄物）∶m（牛糞）=92∶8或90∶10為最優配比。

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