有機物料接種蚯蚓對設施菠菜產量及品質的影響

吳 迪， 劉滿強， 焦加國， 薛利紅， 楊林章

(1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇 南京 210014； 2.南京農業大學資源與環境科學學院土壤生態實驗室，江蘇 南京 210095)

高度集約化耕作方式在環境污染和食品安全方面的弊端日益突出。通過增施有機肥改善土壤環境,提高作物品質及減少化肥投入實現未來環境友好農業可持續發展已成為共識[1]。中國農業廢棄物資源極為豐富，有機廢棄物既是重要的有機肥源，又是環境污染源，充分利用有機廢棄物資源是變廢為寶并促進農業生產的有效措施[2]。利用農業固體廢棄物制成的有機肥可作為作物生長很好的氮源，促進作物生長[3]。然而，有機廢棄物制成的有機肥存在養分含量低、當年利用率低、重金屬含量高、施用數量大等問題，嚴重制約了其實際應用價值，尤其是不能及時滿足生長期較短、需肥較多的蔬菜生長的需求[4]，而農田生態系統中最重要的“工程師”蚯蚓可以彌補這個缺陷。

蚯蚓可以通過分解土壤表面的有機物料，增加植物對養分的吸收從而促進作物生長[5],也可以通過刺激微生物活性產生植物調節物質，促進作物根系生長發育，進而提高作物的產量和品質[6]。目前國內外大量研究蚯蚓堆肥后的產物蚯蚓糞對土壤、作物產量和品質的影響[7-10]，較少研究者關注蚯蚓對作物產量和品質影響的直接作用[11]。由于制取蚯蚓糞需要特定的裝置，為了降低在運輸和裝置處理上的成本，本研究直接利用農田作為蚯蚓的一個大生態床，擬建立“有機物料+蚯蚓”的生產模式，探究這種生態農業生產方式對作物產量和品質的影響機制。在田間試驗的過程中，蚯蚓的活性受到很多因素的影響，要確保蚯蚓接種成功并生長良好，不僅要為其提供豐富的食源，且應盡量選擇適合蚯蚓生存的環境友好型有機物料[12]。另一方面，蚯蚓生態型(品種)的選擇也至關重要，不同種蚯蚓對生境要求不同，蚯蚓糞性質也存在差異，從而對作物的產量和品質產生不同的影響[13]。

本研究以菠菜(SpinaciaoleraceaLinn)為試驗材料，利用設施菜地，通過2個田間試驗擬研究有機物料(腐熟牛糞)施用方式和不同種蚯蚓對設施菠菜產量、營養品質和安全品質(重金屬含量)的影響，并進一步探究蚯蚓對設施菠菜產量、營養品質和安全品質的影響與施用有機物料種類的關系，為農田生產應用及管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.2 供試材料

試驗選用的蚯蚓品種為赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)和威廉腔環毛蚓(Metaphireguillelmi)。試驗選用種植的菠菜品種為內蒙古圓葉大菠菜(SpinaciaoleraceaLinn)。供試有機物料：(1)腐熟的牛糞，選自蘇州市相城區望亭鎮新埂村奶牛場。施用腐熟牛糞(以下所有的“腐熟牛糞”簡稱為“牛糞”)的基本性質為含水量80%，全氮21.05 g/kg，全磷11.30 g/kg，全鉀3.25 g/kg，全銅46.820 mg/kg,全鎘0.522 mg/kg, 全鉛2.390 mg/kg , 全鋅200.550 mg/kg；(2)商品有機肥，選自沃豐有限公司生產的商品有機肥，其基本性質為含水量18%，全氮11.90 g/kg，全磷9.56 g/kg，全鉀9.50 g/kg，全銅53.080 mg/kg,全鎘0.646 mg/kg, 全鉛3.350 mg/kg, 全鋅215.480 mg/kg；(3)食用菌渣，選自蘇州市相城區望亭鎮新埂村食用菌廠生產蘑菇的下腳料，其主要成分為棉籽殼、麩皮和石灰。其基本性質為含水量75%，全氮6.70 g/kg，全磷2.03 g/kg，全鉀2.31 g/kg，全銅12.500 mg/kg,全鎘0.193 mg/kg, 全鉛2.510 mg/kg, 全鋅45.860 mg/kg。

1.3 試驗設計

試驗Ⅰ：田間試驗小區建于2010年9月，試驗小區由硅酸鈣板圍成，大小為 2.4 m×1.2 m，埋入地下0.6 m深，高出地表0.2 m，以防止蚯蚓逃逸。小區與小區間隔0.5 m。本試驗共設計6個處理，每個處理3個重復。6個處理分別是：牛糞表施(S)、牛糞表施+赤子愛勝蚓(SE)、牛糞表施+威廉腔環毛蚓(SM)、牛糞混施(I)、牛糞混施+赤子愛勝蚓(IE)、牛糞混施+威廉腔環毛蚓(IM)。牛糞施用量為30 t/hm2，混施是指將牛糞施用到土壤中，與耕作層(20 cm)土壤混勻，表施是指土壤耕作后，將牛糞均勻地散在土壤表面。其中，牛糞作為基肥一次性施用，在整個菠菜生產期內不添加任何化肥或追施肥料。2種蚯蚓經清腸處理后，接種量按60 g/m2[相當于 (100±5)條赤子愛勝蚓，(30±2)條威廉腔環毛蚓]進行接種[14]。盡量將蚯蚓按一定的間距均勻散放到田面，接種后觀察蚯蚓的入土情況，需要時更換掉活性差的蚯蚓。菠菜收獲后對所有小區進行 0.3 m×0.3 m×0.3 m樣方取樣，調查蚯蚓的存活率及生物量。

試驗Ⅱ：田間試驗小區建于2011年9月，試驗小區由硅酸鈣板圍成，大小為 2.4 m×1.2 m，埋入地下0.6 m深，高出地表0.2 m，以防止蚯蚓逃逸。小區與小區間隔0.5 m。本試驗共設計6個處理，每個處理3個重復。6個處理分別是：商品有機肥(O)、商品有機肥+赤子愛勝蚓(OE)、腐熟牛糞(C)、腐熟牛糞+赤子愛勝蚓(CE)、腐熟牛糞+菌渣(1∶1)(CM)和腐熟牛糞+菌渣(1∶1)+赤子愛勝蚓(CME)。其中，商品有機肥為沃豐有機肥(施用量18 t/hm2)，牛糞施用量為30 t/hm2，牛糞與食用菌渣等質量(1∶1)施用，各不同有機物料作為基肥一次性施用，與耕作層(20 cm)土壤混勻，在整個作物生產期內無任何肥料添加。赤子愛勝蚓經過清腸處理后，接種量按60 g/m2[相當于 (100±5)條赤子愛勝蚓]接種[14]。盡量將蚯蚓按一定的間距均勻散放到田面，接種后觀察蚯蚓的入土情況，需要時更換掉活性差的蚯蚓。菠菜收獲后對所有小區進行 0.3 m×0.3 m×0.3 m樣方取樣，調查蚯蚓的存活率及生物量。

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 植株樣品的采集 菠菜生長季為每年10月初到12月初。在菠菜成熟期，所有試驗小區先采收 0.5 m×0.5 m樣方面積的菠菜，抖掉根系上的土，放入塑料袋，帶回實驗室稱質量后用于菠菜品質的測定。接著采收每個小區剩下區域的菠菜，稱質量后加上樣方菠菜質量一起作為菠菜的產量。采收樣方里的菠菜用蒸餾水洗干凈后，選出一半鮮樣植株測定菠菜的營養指標，另一半植株用信封裝好，放入烘箱中，105 ℃殺青30 min， 70～80 ℃烘至恒質量后，測定菠菜安全品質指標重金屬含量。

1.4.2 植株樣品的分析

1.4.2.1 菠菜營養品質指標的測定 在菠菜的鮮樣植株中，采用2,6-二氯酚靛酚法[15]測定菠菜葉片中維生素C含量，采用蒽酮比色法[16]測定菠菜葉片中可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法[17]測定菠菜葉片中可溶性蛋白含量，采用水楊酸比色法[15]測定菠菜葉片中硝酸鹽含量。

1.4.2.2 菠菜安全品質指標的測定 采用HNO3/H2O2濕法消解，烘干的菠菜樣品粉碎過20目篩，稱0.500 g樣品于三角瓶中，加10 ml HNO3過夜，于電熱板上緩慢加熱至剩余 1～2 ml，取下冷卻后加入2 ml H2O2，于電熱板蒸干至溶液呈清澈透明狀態，冷卻，定容，過濾后上ICP儀測定Cu、Cd、Pb和Zn含量。

1.5 數據分析

采用SPSS軟件對數據進行統計分析，分析前用Kolomogorov-Smirnov和Levene方法檢驗數據的正態分布及方差齊性，并在必要時對數據進行對數轉換。在試驗Ⅰ中，采用雙因素方差分析有機物料施用方式及不同蚯蚓品種之間的交互作用。采用單因素方差分析不同種蚯蚓對菠菜產量及品種的作用。在試驗Ⅱ中，以獨立樣本T檢驗分析有無蚯蚓的差異，均值比較檢驗采用Duncan氏法。采用Origin8.5軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓生物量

在試驗Ⅰ和Ⅱ菠菜收獲后，本研究對所有試驗小區進行蚯蚓生物量的田間調查。所有接種蚯蚓的小區，蚯蚓的生物量基本上都保持70%以上，而未接種蚯蚓處理的小區未發現蚯蚓。這些基礎條件為試驗的成功進行提供了保障。

2.2 菠菜產量

無論牛糞表施還是混施，2種蚯蚓均顯著地提高了菠菜的產量(圖1)。赤子愛勝蚓和威廉腔環毛蚓分別提高菠菜產量 32.78%～37.23%和 18.70%～44.26%(圖1)。另外，在施用不同有機物料條件下接種赤子愛勝蚓能顯著地提高菠菜產量(圖2)。其中，施用牛糞+食用菌渣中接種赤子愛勝蚓菠菜產量最高，而施用商品有機肥接種赤子愛勝蚓菠菜產量增幅最小(圖2)。

圖中不同小寫字母表示在有機物料表施或混施處理中，接種不同蚯蚓品種間差異顯著(P<0.05)。S：表示牛糞表施，I：表示牛糞混施。圖1 蚯蚓和有機物料施用方式對菠菜產量的影響Fig.1 Effect of earthworms and manure placement on the spinach yield

2.3 菠菜的營養品質

無論牛糞表施還是混施，赤子愛勝蚓均顯著提高了菠菜的可溶性糖和維生素C含量(圖3A, 圖3 B)，但未對菠菜可溶性蛋白和硝酸鹽含量產生影響(圖3C, 圖3D)。而威廉腔環毛蚓對菠菜營養品質指標的影響并不顯著(圖3)。在不同有機物料比較試驗中，本研究發現，除了施用商品有機肥處理外，在施牛糞或牛糞+食用菌渣條件下，接種赤子愛勝蚓均顯著提高菠菜葉片中可溶性糖和維生素C含量，但對菠菜可溶性蛋白和硝酸鹽含量無顯著影響(圖4)。

圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。O：表示施用商品有機肥，C：表示施用牛糞，CM：表示施用牛糞+食用菌渣。圖2 不同有機物料接種蚯蚓對菠菜產量的影響Fig.2 Effect of earthworms on the spinach yield under different manure application

A：菠菜可溶性糖含量；B：維生素C含量；C：可溶性蛋白含量；D：硝酸鹽含量。S：表示牛糞表施，I：表示牛糞混施。圖中不同小寫字母表示在有機肥表施或混施處理中，接種不同蚯蚓品種間差異顯著(P<0.05)。圖3 蚯蚓和有機物料施用方式對菠菜營養品質的影響Fig.3 Effect of earthworms and manure placement on the spinach nutritional quality

A：菠菜可溶性糖含量；B：維生素C含量；C：可溶性蛋白含量；D：硝酸鹽含量。O：表示施用商品有機肥，C：表示施用牛糞，CM：表示施用牛糞+食用菌渣。圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖4 不同有機物料接種蚯蚓對菠菜營養品質的影響Fig.4 Effect of earthworms on the spinach nutritional quality under different manure application

2.4 菠菜的安全品質

從表1可以看出，蚯蚓和施肥方式對菠菜中重金屬的含量并沒有交互作用。無論牛糞表施還是混施，接種赤子愛勝蚓都顯著降低菠菜中Cu、Pb和Zn的含量。在不同有機物料比較試驗中，除了施用商品有機肥外，在施用牛糞或牛糞+食用菌渣處理中接種赤子愛勝蚓顯著降低菠菜中Cu、Pb和Zn的含量(表2)。

表1蚯蚓和施肥方式對菠菜中重金屬含量的影響

Table1Effectofearthwormsandmanureplacementonheavymetalcontentofspinach

處理 菠菜重金屬含量(mg/kg)CuCdPbZnS8．272±0．527a0．047±0．005a0．187±0．011a17．532±1．134aSE5．688±1．096b0．045±0．005a0．147±0．022b15．401±1．035bSM6．868±1．277ab0．042±0．004a0．170±0．009ab16．184±1．274abI8．300±1．003a0．048±0．003a0．180±0．013a17．872±0．906aIE6．367±0．675a0．043±0．004a0．150±0．005b15．157±0．889bIM7．406±0．422ab0．041±0．006a0．163±0．007ab16．237±0．978ab

S表示牛糞表施未接種蚯蚓；SE表示牛糞表施并接種赤子愛勝蚓；SM表示牛糞表施并接種威廉腔環毛蚓；I表示牛糞混施未接種蚯蚓；IE表示牛糞混施并接種赤子愛勝蚓；IM表示牛糞混施并接種威廉腔環毛蚓。同列數據后不同小寫字母表示在處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

依據蚯蚓的生活習性及其在生態系統中的功能，一般將蚯蚓分為3種生態類型[18]：(1) 表層種：也稱表居型，是指居住和取食都在土壤表層，以有機質和腐爛中的植物殘體為食。(2) 內層種：也稱土居型，是指居住和取食均在土壤內，以混入土壤中的土壤有機質為食的蚯蚓類群，其繁殖力和種群數量較低。(3) 深層種：也稱上食下居型，一般生活在深入土體的永久或半永久穴道里，主要取食土壤腐殖質和微生物的蚯蚓類群。本研究中赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)屬于表層種，主要取食有機物,當地的土著種威廉腔環毛蚓(Metaphireguillelmi)屬于內層種，主要取食富含有機物的土壤。相比之下，施加牛糞等有機物料更適合赤子愛勝蚓的生境。

表2不同有機物料接種蚯蚓對菠菜中重金屬含量的影響

Table2Effectofearthwormsonheavymetalcontentofspinachunderdifferentmanure

處理 菠菜重金屬含量(mg/kg)CuCdPbZnO7．831±0．193a0．046±0．002a0．187±0．002a16．677±0．345aOE7．368±0．339a0．048±0．004a0．185±0．003a16．284±0．474aC7．819±0．115a0．047±0．006a0．173±0．009a17．870±0．606aCE6．388±0．260b0．048±0．008a0．134±0．012b15．627±0．353bCM8．180±0．234a0．047±0．008a0．180±0．012a17．290±1．032aCME6．472±0．365b0．043±0．005a0．142±0．010b14．242±1．016b

O表示商品有機肥混施；OE表示商品有機肥混施接種赤子愛勝蚓；C：表示牛糞混施；CE：表示牛糞混施接種赤子愛勝蚓；CM：表示牛糞+食用菌渣混施；CME：表示牛糞+食用菌渣混施接種赤子愛勝蚓。同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3.1 有機物料接種蚯蚓對菠菜產量的影響

3.2 有機物料接種蚯蚓對菠菜品質的影響

以往的研究主要圍繞蚯蚓對作物產量的作用展開，而忽略了蚯蚓對作物品質的影響[21]。作物的品質可分為營養品質和安全品質兩方面。利用蚯蚓處理有機廢棄物得到的產物—蚯蚓糞可以提高作物的營養品質。胡佩等[22]通過試驗發現，蚯蚓糞中富含各種益生菌及代謝產物，這些微生物不僅使復雜物質礦化為植物易于吸收的有效物質，而且還可以合成一系列具有生物活性的物質，如糖、氨基酸、維生素等，在蔬菜營養品質的次級代謝產物形成的過程中發揮著重要重要。Wang等[7]通過將蚯蚓糞與土壤按不同比例混合種植上海青，發現蚯蚓糞與土壤比例4∶7時，顯著提高了青菜葉片中維生素C的含量，當比例為 2∶7，4∶7以及7∶0時均顯著提高了上海青葉片中可溶性糖含量。同時，Song等[10]通過施用蚯蚓糞，顯著地提高了菠菜維生素C含量。本研究將農田土壤當做一大生態床，采用“有機物料+蚯蚓”的農業生產方式，發現接種赤子愛勝蚓后菠菜的可溶性糖和維生素C含量同樣顯著提高。一方面可能來自蚯蚓在田間取食有機物料形成蚯蚓糞所產生的作用；另一方面，蚯蚓分泌的黏液中含有16種氨基酸，為蔬菜營養品質提供了合成或代謝的物質基礎[23]。另外，由于中國對有機物料還田的使用還缺乏有毒有害物質的限量要求，因此，正確評價有機物料對農產品質量(尤其是重金屬含量)的影響備受關注。本研究發現接種赤子愛勝蚓后，菠菜中重金屬Cu、Pb和Zn的含量顯著降低。可能存在以下2方面原因：一方面蚯蚓對重金屬有生物富集作用，Sharma等[24]曾報道蚯蚓通過取食作用導致組織體內Pb、 Cu、Mn、Ca、 Fe和Zn含量顯著增加；另一方面，Song等[25]研究發現蚯蚓活動能促進腐殖酸組分形成，腐殖酸能夠對重金屬產生很強的吸附能力，形成穩定的金屬-腐殖酸絡合物，導致可被植物吸收的有效態重金屬含量降低。通過施用不同有機物料條件下接種赤子愛勝蚓的試驗，發現對菠菜產量和品質綜合效果最好的是施用有機物料牛糞+食用菌渣。這可能是由于商品有機肥是經過加工成顆粒狀，并不匹配赤子愛勝蚓的偏好而食用菌渣比較疏松并含有大量的有益微生物。

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