不同配比園林綠化廢棄物和蘑菇渣混合蚯蚓堆肥的效果

王 琳，李素艷，孫向陽，龔小強，余克非，蔡琳琳

（北京林業大學 林學院，北京100083）

農林業的迅速發展，對用作栽培基質的草炭需求量急劇增加［1］。作為不可再生的資源，草炭的過度開采會造成濕地生態環境的嚴重破壞。諸多國家已禁止開采草炭，并轉而尋找其他可替代資源［2］。前人研究表明：有機固體廢棄物，例如蘑菇渣、園林綠化廢棄物、城市污泥、牛糞、秸稈等，經過合適的堆肥處理，均能用作栽培基質替代草炭。如李燕等［3］研究園林廢棄物堆肥替代泥炭用于紅掌Anthurium anaraeanum栽培中，添加園林廢棄物堆肥體積為60%對植株生長具有最佳效果；用于鳥巢蕨Asplenium nidus栽培中，添加園林廢棄物堆肥體積為60%～80%對植株生長具有良好效果。曾清華等［4］研究V（小麥秸稈）∶V（草炭）∶V（蛭石）=36∶54∶10 混配基質比較適合甜椒Capsicum annuumvar.grossum幼苗生長發育。胡雨彤等［5］研究牛糞代替泥炭體積的60%時可以顯著改善萬壽菊Tagetes erecta生長狀況。園林綠化廢棄物是指由林木、花草等綠色植物在生長過程中所產生的自然調落物或人工修剪所產生的植物殘體［6］，具有總量大、種類多、不易處理等特點。蘑菇渣是生產食用菌過程中產生的一種有機固體廢棄物，蘑菇渣得不到較好的處理，會污染居住環境，并且影響蘑菇的規模化生產［7］，同時蘑菇渣具有優良的多孔結構、較輕的容重并含有豐富的營養，因此，蘑菇渣經合理處理后是一種草炭替代物資源。蚯蚓Eisenia fetida堆肥處理是將傳統的堆肥方法與生物處理相結合，利用蚯蚓吞食過腹消化和微生物的分解作用對有機廢棄物進行處理，并以蚯蚓糞的形式排出［8］。蚯蚓堆制技術已被廣泛應用，如龔小強等［9］研究了利用蚯蚓堆肥技術處理綠化廢棄物，并將蚯蚓堆肥用作蔬菜育苗基質。園林綠化廢棄物單獨處理時降解慢，而蘑菇渣含有數量龐大的微生物群落，將兩者結合起來進行堆肥具有顯著的優越性。如陳廣銀等［10］研究了添加蘑菇渣對落葉堆肥過程中有機物的影響。結果表明：添加蘑菇渣可以有效提高堆肥產品中的腐殖質、游離腐植酸等的含量，有效促進碳水化合物、脂肪族化合物和木質素等的分解。為解決園林綠化廢棄物和蘑菇渣的處置難題，實現園林綠化廢棄物和蘑菇渣減量化、無害化和資源化，本試驗以園林綠化廢棄物、蘑菇渣為原料，進行蚯蚓堆肥處理。通過對各處理的蚯蚓生長情況以及堆肥產品性質進行分析，篩選出最優的配比方式，為蘑菇渣和園林廢棄物基質化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試園林綠化廢棄物：當季園林綠化廢棄物（植物凋落物、樹枝修剪物和草坪修剪物等）取自北京市海淀區香山植物園。供試蘑菇渣：取自北京市海淀區上莊蘑菇園。供試蚯蚓為 ‘大平2號’Eisenia fetida‘Daping 2’，取自中國農業大學蚯蚓生產基地。

粉碎后的園林綠化廢棄物和蘑菇渣單獨成堆后進行21 d預堆肥，處理后理化性質見表1。

表1 供試園林綠化廢棄物和蘑菇渣理化性質（預堆肥21 d后）（平均值±標準誤）Table 1 Physicochemical properties of the green waste and spent mushroom compost （after 21 d pre-composting） used for vermicomposting（mean±SD）

1.2 試驗方案

堆肥試驗于北京林業大學科技股份有限公司的溫室大棚中進行。試驗設計見表2。

分別將經過好氧堆肥的園林廢棄物和蘑菇渣物料按表2比例混合，將2 kg物料分置于1個塑料反應容器（長 40.5 cm，寬 30.5 cm，高 14.5 cm，底部具有4個1.0 mm排水口）中，各處理重復3次，調節材料水分至65%～70%，之后各個反應容器中加入20條 ‘大平2號’蚯蚓（無生殖環，總生物量約4 g）進行蚯蚓堆肥。為防止蚯蚓逃逸，用1.0 mm孔徑的塑料網覆蓋在各個容器上方及底部孔處，并用橡皮條固定。整個堆制過程維持水分在65%～70%，100 d后蚯蚓堆肥停止。除配比不同外，其他因素均保持一致。

蚯蚓堆肥過程中，隔10 d對反應容器中成熟蚯蚓數量、成熟蚯蚓質量、蚯蚓卵數量和幼年蚯蚓數量進行人工計數和稱量。

分別于蚯蚓堆肥試驗開始和結束時采集樣品，進行電導率值、pH值、全氮、全鉀、全磷、有機碳、腐殖酸、銅、鋅、錳、鐵測定。

種子發芽試驗：取飽滿的白菜Brassica pekinensis種子，均勻播種在園林廢棄物和蘑菇渣混合堆肥基質花盆內，播種深度1.0 cm，播種子20粒·盆-1，各處理設置3次重復，放入人工氣候培養箱內進行培養，晝夜溫度為25℃/20℃，晝夜時長為16 h/8 h，光強度3 000 1x，濕度為70%，并于播種第2天開始記錄發芽種子數，發芽以展開子葉為準，第7天結束發芽，測定發芽幼苗根長，計算種子發芽指數。

表2 試驗設計Table 2 Experiment design

1.3 測定方法

電導率值、pH值的測定：利用蒸餾水和物料以10∶1比例震蕩浸提30 min，過濾后，分別用電導率儀和pH計測定。全氮的測定［11］：半微量凱氏定氮法。全鉀的測定［11］：濃硫酸-過氧化氫消煮，火焰光度計法。全磷的測定［11］：濃硫酸-過氧化氫消煮，釩鉬黃比色法。有機碳的測定［11］：重鉻酸鉀容量法-外加熱法。腐殖酸的測定［11］：重鉻酸鉀氧化法。鈣、鎂、銅、鋅、錳［11］：原子吸收分光光度法（AAS法）。鐵的測定［11］：DTPA溶液浸提-原子吸收光譜法。種子發芽指數（IG）計算方式：IG=［（處理的種子發芽率×處理的種子平均根長）/（對照的種子發芽率×對照的種子平均根長）］/100%。成熟蚯蚓平均質量=測定時成熟蚯蚓總質量/成熟蚯蚓數量。成熟蚯蚓死亡率=（初始時成熟蚯蚓數量-測定時成熟蚯蚓數量）/初始時成熟蚯蚓數量。

1.4 數據處理方法

利用Excel 2010和SPSS 20.0進行試驗數據處理與分析。

2 結果與討論

2.1 不同處理蚯蚓堆肥對蚯蚓生長和繁殖的影響

蚯蚓存活率、蚯蚓質量及蚯蚓繁殖率是反映蚯蚓堆肥進程的重要指標［12］。不同處理的成熟蚯蚓數量在堆肥過程變化如圖1A所示。成熟蚯蚓數量在不同處理間變化趨勢不同，A1，A4和A5的成熟蚯蚓數量在整個周期內均呈下降趨勢，A2在1～7和8～9周內呈下降趨勢，在7～8和9～10周內呈上升趨勢。處理A3在1～7和9～10周內呈下降趨勢，在7～9周內呈上升趨勢。其中A2和A3呈上升趨勢的原因可能是堆肥內環境良好，蚯蚓卵孵化生長，使得成熟蚯蚓數量上升，這與唐健等［13］的研究結果一致。

由表3可見：各處理之間的成熟蚯蚓死亡率差異顯著（P＜0.05），各處理最終成熟蚯蚓死亡率表現為： A1（56.7%±1.7%）＞A5（53.3%±3.3%）＞A4（36.7%±14.5%）＞A3（1.7%±14.8%）=A2（1.7%±6.7%）。 可見，A2和A3較A1，A4和A5處理的蚯蚓存活率更高。甘洋洋［14］研究表明：隨著有機物料碳氮比增加，成年蚯蚓死亡率降低，但本研究中，碳氮比最大的A1處理具有最高死亡率，說明蚯蚓的生存狀況不僅受到有機物料有機碳和氮素的影響，還受其他因素的影響。

蚯蚓平均質量變化如圖1B所示。5個處理的蚯蚓質量在周期內均呈先上升后下降的趨勢，并且蚯蚓質量最大值出現在試驗的第20～40天。這可能是由于培養前期，蚯蚓處于生長期，有機物料中營養和空間都充足，使蚯蚓的生長加快［15］。魏佳倫［16］認為：隨著培養天數增加，一方面蚯蚓達到成熟，繁殖能力增強，蚯蚓幼苗逐漸增多，導致物料與空間資源逐漸減少，蚯蚓存在種內競爭關系；另一方面由于赤子愛勝蚓Eisenia foetida具有母子兩代不愿同居的習慣，所以個體質量逐漸下降。

圖1 不同處理蚯蚓堆肥對單條成熟蚯蚓重量和成熟蚯蚓、蚯蚓幼苗、蚯蚓卵數量的變化影響Figure 1 Effects of different treatments on number of mature earthworms,juveniles,cocoons and weight of single mature earthworm

由表3可見：各處理之間單條成熟蚯蚓最大質量和單條成熟蚯蚓最終質量差異顯著（P＜0.05），各處理單條成熟蚯蚓最大質量表現為： A1（465.7 ± 12.8） mg·條-1＞A2（463.8 ± 20.5） mg·條-1＞A3（435.7 ±23.2） mg·條-1＞A4（334.5 ± 9.1） mg·條-1＞A5（286.0 ± 34.7） mg·條-1， 有機物料碳氮比為 A1＞A2＞A3＞A4＞A5。這一結果與甘洋洋［14］的研究結果相一致：成熟蚯蚓最大質量與有機物料碳氮比之間存在顯著正相關關系。 單條成熟蚯蚓最終質量表現為： A3（306.4 ± 8.5） mg·條-1＞A2（224.5 ± 15.1） mg·條-1＞A4（195.8 ± 15.8） mg·條-1＞A5（186.2 ± 22.1） mg·條-1＞A1（166.2 ± 46.1） mg·條-1。 綜上可知： A1， A2和 A3較A4和A5的蚯蚓生長量大，更適合蚯蚓生長。

表3 不同處理對蚯蚓生長和繁殖的影響Table 3 Effects of different treatments on growth and reproductive performance of earthworm

蚯蚓幼苗變化如圖1C所示。A1，A2和A3的蚯蚓幼苗從第4周開始出現，并且A2和A3的蚯蚓數量在整個周期內呈上升趨勢，A1在7周前呈上升趨勢，在7周后呈下降趨勢，A4和A5的蚯蚓幼苗數量在整個周期內基本為0，AIRA等［17］的研究發現：高碳氮比對蚯蚓的繁殖更有利，所以A4和A5為幼苗數量為0的原因可能是A4和A5的碳氮比較其他處理低，不利于蚯蚓卵的生長和孵化。

由表3可見：各處理之間蚯蚓幼苗最大數量存在顯著差異（P＜0.05），各處理蚯蚓幼苗最大數量表現為： A2（677.7 ± 11.9）條＞A1（548.0 ± 22.5）條＞A3（199.3 ± 42.9）條＞A4（2.7 ± 1.5）條＞A5（1.7 ± 0.8）條。綜上可知：A4和A5不適合蚯蚓幼苗的存活；A1，A2和A3均適合蚯蚓幼苗存活，其中A2最佳。

從圖1D可知：試驗中所有處理蚯蚓卵數呈現先增加后減少的趨勢。在整個周期內A1，A2和A3處理的蚯蚓卵從第2周開始出現，A4和A5處理從第5周開始出現，并且各處理蚯蚓卵數形成1個峰值后在末期回歸至0，這與袁嘉銘［15］的研究結果相一致。A1于第4周最先達到最大值，A2于第5周達到最大值，A3，A4和A5于第6周達到最大值。

由表3可見：各處理之間蚯蚓卵最大數量差異顯著（P＜0.05），各處理蚯蚓卵最大數量表現為：A1（147.0 ± 3.5）粒＞A2（135.0 ± 11.0）粒＞A3（125.3 ± 4.5）粒＞A4（81.0 ± 13.0）粒＞A5（73.3 ± 14.4）粒。 研究表明：蚯蚓卵數量與有機物料碳氮比呈正相關關系，這一結果與LOEHR等［18］研究結果相一致。綜上可知：A1，A2和A3較A4和A5更適合蚯蚓卵的存活。

上述結果表明：園林廢棄物能促進蚯蚓生長繁殖，A1，A2和A3蚯蚓生長和繁殖的較好，A2最優。

2.2 不同處理蚯蚓堆肥對pH值和電導率值的影響

從圖2A可知：堆肥結束時各處理的pH值與堆肥初始時相比有增有減。pH值降低有兩方面原因，一是氮、磷礦化成亞硝酸鹽/硝酸鹽和正磷酸鹽；二是由于有機質通過微生物作用轉化成了有機酸中間產物［19］。pH值上升可能是由于微生物沒有將有機氮降解完全，而以銨鹽的形式釋放［20］，也可能是堆肥過程中蚯蚓釋放出了堿性分泌物，從而提高了堆肥的pH值。其中A5降低的幅度最大，為6.24%，A4次之，為4.10%，A2再次，為2.24%。由此可見：隨著蘑菇渣比例的增加，蚯蚓堆肥的pH值降低幅度增大。堆肥初始時的pH值為8.24～8.66，均在最適合蚯蚓生長的pH范圍（pH 8.00～9.00）內［21］，堆肥結束后pH值為8.12～8.45，均在農業應用要求范圍pH 7.00～8.05內［22］。

圖2 蚯蚓堆肥處理前后物料pH值、電導率的變化Figure 2 Variation of pH and EC of the materials before and after vermicomposting treatment

電導率值是基質浸提液中可溶性鹽濃度指標，反映基質當中可溶性養分總量。電導率過高會構成滲透逆境，導致植物鹽害，電導率過低會導致營養不足，難以維持植物正常生長［19］。從圖2B可知：在蚯蚓堆肥處理后，所有處理的電導率值均升高。電導率值升高很大一部分原因是有機質的降解導致可溶性鹽濃度升高，還有部分原因是蚯蚓活動加快了降解過程中磷酸鹽、銨鹽、鉀鹽及其他礦物離子的釋放［23］。由圖2B可知：隨著蘑菇渣比例的增大電導率值越大，且上升幅度越大，其中A5的電導率值增加幅度最大，為75.93%，其次A3為73.25%，A4再次，為71.60%。這也是與蘑菇渣自身電導率值高直接相關的。農業生產上栽培基質對中等靈敏度植物的電導率耐受水平的上限值為4 dS·m-1［24］，可見A1和A2均在理想水平內。A3，A4和A5處理偏高。

2.3 不同處理蚯蚓堆肥對有機碳、腐植酸的影響

由表4可知：堆肥結束后所有處理的有機碳質量分數均下降，A1～A5的下降百分率為8.76%～16.72%，其中A4和A5的降率最高。堆制過程是有機質的礦質化和腐殖化過程，在此過程中微生物將有機質作為主要碳源，產生二氧化碳和水，導致部分有機碳的損失。同時蚯蚓的存在能夠通過蚯蚓腸道分泌一些酶、腸道黏液和抗生素等加快和強化對大分子有機物的分解作用，使其成為小顆粒物質，從而增加了微生物降解的表面積，導致更多的有機碳損失［25］。這與李燕等［26］的研究結果一致。

表4 不同處理蚯蚓堆肥對有機碳、腐植酸的影響Table 4 Effects of different treatments on organic carbon and humic acid contents of vermicomposted material

腐植酸質量分數反映了栽培基質的保肥供肥能力。由表4可知：在堆肥初期，隨著蘑菇渣的增加堆肥中腐植酸質量分數也增加，這與陳廣銀等［27］的研究結果相同。堆肥結束后所有處理的腐植酸質量分數均升高，A1～A5增加的百分率為5.02%～22.93%。不同處理中A2的腐植酸增率最高，與A1和A4有顯著差異（P＜0.05），表明利用蚯蚓堆肥可以顯著提高A2的保肥供肥能力。A3的增率次之，A5再次。

2.4 不同處理蚯蚓堆肥對氮、磷、鉀和碳氮比的影響

由表5可知：堆肥結束后，所有處理的全氮質量分數均升高。A1～A5的全氮質量分數依次遞增，增加百分率也依次遞增，增加的范圍為0.53%～21.91%，其中A3，A4和A5增率顯著高于A1和A2。SUBRAMAMAN等［28］研究表明：全氮含量上升的原因可能是堆肥過程中非氮有機物礦化分解引起的干物質減少，蚯蚓分泌的黏液、酶和排放的含氮糞便，及堆制后期固氮菌的固氮作用。

表5 不同處理蚯蚓堆肥對氮、磷、鉀和碳氮比的影響Table 5 Effects of different treatments on N，P，K and C/N of vermicomposted material

有機碳的減少和總氮量的增加導致碳氮比的降低。PADMAVATHIAMMA等［29］提出碳氮比小于20時的堆肥產品腐熟度是可以接受的，但是小于15更佳且適宜于農業應用。由表5可知：本試驗中堆肥結束后所有處理碳氮比均降低，降幅為9.47%～31.60%。A3，A4和A5的碳氮比均小于15，且降幅最高，相比 A1和 A2有差異顯著（P＜0.05）。

由表5可知：經蚯蚓堆肥后，各處理全磷、全鉀質量分數都增加。全磷、全鉀質量分數的增加主要是由于有機質的礦化而使得磷、鉀濃縮。這一結果與魏佳倫［16］的研究結果相一致。起始的全磷質量分數為 2.99～9.51 g·kg-1， 堆肥結束后的全磷質量分數為 3.62～12.50 g·kg-1， 增加的百分率為 18.94%～40.56%。全磷增加百分率為A5最大，A4次之，A1～A5間全磷增加百分率無顯著性差異。各處理堆肥起始的全鉀質量分數為 6.94～13.25 g·kg-1，堆肥結束后的全鉀質量分數為 8.14～16.02 g·kg-1，增加的百分率為17.24%～28.32%，A4的增加率最高，A3次之。各處理間的增率無顯著性差異。

2.5 不同處理蚯蚓堆肥對鐵、銅、鋅和錳的影響

由表6可知：蚯蚓堆肥結束后各處理鐵、銅、鋅和錳的質量分數均增加。與全磷相同，各元素質量分數增加的原因主要是有機質的礦化，而使得堆肥的質量和體積下降，導致養分質量分數增加。

表6 不同處理蚯蚓堆肥對鐵、銅、鋅和錳的影響Table 6 Effects of different treatments on Fe， Cu， Zn and Mn concentrations of vermicomposted material

各處理起始的鐵質量分數為2 526.59～3 732.00 mg·kg-1，堆肥結束后的鐵質量分數為2 783.08～3 750.03 mg·kg-1，增加的百分率為0.48%～12.89%，其中A4的鐵增加量最高，與A1和A2相比差異顯著。各處理起始的銅質量分數為19.75～27.59 mg·kg-1，堆肥結束后的銅質量分數為23.49～32.18 mg·kg-1，增加的百分率為16.65%～34.08%，A4的銅增加量顯著高于其他處理。A3的銅增加量次之。各處理起始的鋅質量分數為169.04～199.58 mg·kg-1，堆肥結束后的鋅為214.68～230.90 mg·kg-1，增加的百分率為15.76%～32.76%，其中A4的鋅增加量最大，顯著高于A1和A2。A3的鋅增加量次之。各處理起始的錳質量分數為176.17～221.98 mg·kg-1，堆肥結束后的錳質量分數為196.97～236.41 mg·kg-1，增加的百分率為6.69%～19.93%，其中A4錳的增加量顯著高于A1，A2次之。可能是由于處理后pH值的降低使得鐵、銅、鋅、錳元素有效性增加或微生物的活動加快了有機物的降解進而提高了微量元素質量分數，FERNáNDEZ-GóMEZ等［30］的研究結果也表明可能是由于有機物礦化導致干物質減少從而提高了各元素質量分數。

圖3 不同處理蚯蚓堆肥對種子發芽指數影響Figure 3 Effects of different treatments on germination index

2.6 不同處理蚯蚓堆肥對種子發芽指數的影響

發芽指數（IG）是判斷堆肥腐熟程度的指標之一。ZUCCONI等［31］研究表明：IG值大于50%時表明堆肥已基本腐熟，堆肥對種子基本無毒性。由圖3可知，蚯蚓堆肥結束后，處理A3和A4的IG值大于50%，已基本腐熟。因此，適當配比的園林廢棄物和蘑菇渣堆肥能夠提高蚯蚓堆肥腐熟度。

3 結論

利用 ‘大平2號’蚯蚓對園林綠化廢棄物和蘑菇渣進行堆肥處理［園林廢棄物+蘑菇渣（干質量比）］：A2（75%+25%）和A3（50%+50%）配比的堆肥蚯蚓生長和繁殖的最好，但蘑菇渣質量分數過高的A4（25%+75%）和A5（0%+100%）堆肥限制蚯蚓的生長，不利于蚯蚓卵的成長。

經過蚯蚓堆肥處理后，有機物料的養分質量分數均有顯著變化。蚯蚓能顯著提高A3，A4和A5配比堆肥的氮素質量分數，因而顯著降低A3，A4和A5配比堆肥的碳氮比，A3和A4的養分（全鉀、銅、鋅）增加率最大，達到了腐熟標準，因此混合堆肥比園林綠化廢棄物或蘑菇渣單一堆肥產品品質更好。

本試驗中，蘑菇渣添加的比例過高可能會造成堆肥內電導率值偏高，所以實際生產中建議采取園林廢棄物與蘑菇渣50%+50%的方式進行混合堆肥，并且將該堆肥產品用于低靈敏度植物的栽培基質，或者采用淋洗措施降低該堆肥產品基質的電導率后使用。