吳 迪， 劉滿強(qiáng)， 焦加國(guó)， 薛利紅， 楊林章

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095)

高度集約化耕作方式在環(huán)境污染和食品安全方面的弊端日益突出。通過(guò)增施有機(jī)肥改善土壤環(huán)境,提高作物品質(zhì)及減少化肥投入實(shí)現(xiàn)未來(lái)環(huán)境友好農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為共識(shí)[1]。中國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物資源極為豐富，有機(jī)廢棄物既是重要的有機(jī)肥源，又是環(huán)境污染源，充分利用有機(jī)廢棄物資源是變廢為寶并促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效措施[2]。利用農(nóng)業(yè)固體廢棄物制成的有機(jī)肥可作為作物生長(zhǎng)很好的氮源，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[3]。然而，有機(jī)廢棄物制成的有機(jī)肥存在養(yǎng)分含量低、當(dāng)年利用率低、重金屬含量高、施用數(shù)量大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尤其是不能及時(shí)滿足生長(zhǎng)期較短、需肥較多的蔬菜生長(zhǎng)的需求[4]，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最重要的“工程師”蚯蚓可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。

蚯蚓可以通過(guò)分解土壤表面的有機(jī)物料，增加植物對(duì)養(yǎng)分的吸收從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[5],也可以通過(guò)刺激微生物活性產(chǎn)生植物調(diào)節(jié)物質(zhì)，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。目前國(guó)內(nèi)外大量研究蚯蚓堆肥后的產(chǎn)物蚯蚓糞對(duì)土壤、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[7-10]，較少研究者關(guān)注蚯蚓對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)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(yùn)輸和裝置處理上的成本，本研究直接利用農(nóng)田作為蚯蚓的一個(gè)大生態(tài)床，擬建立“有機(jī)物料+蚯蚓”的生產(chǎn)模式，探究這種生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響機(jī)制。在田間試驗(yàn)的過(guò)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(zhǎng)良好，不僅要為其提供豐富的食源，且應(yīng)盡量選擇適合蚯蚓生存的環(huán)境友好型有機(jī)物料[12]。另一方面，蚯蚓生態(tài)型(品種)的選擇也至關(guān)重要，不同種蚯蚓對(duì)生境要求不同，蚯蚓糞性質(zhì)也存在差異，從而對(duì)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響[13]。

本研究以菠菜(SpinaciaoleraceaLinn)為試驗(yàn)材料，利用設(shè)施菜地，通過(guò)2個(gè)田間試驗(yàn)擬研究有機(jī)物料(腐熟牛糞)施用方式和不同種蚯蚓對(duì)設(shè)施菠菜產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和安全品質(zhì)(重金屬含量)的影響，并進(jìn)一步探究蚯蚓對(duì)設(shè)施菠菜產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和安全品質(zhì)的影響與施用有機(jī)物料種類的關(guān)系，為農(nóng)田生產(chǎn)應(yīng)用及管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.2 供試材料

試驗(yàn)選用的蚯蚓品種為赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafoetida)和威廉腔環(huán)毛蚓(Metaphireguillelmi)。試驗(yàn)選用種植的菠菜品種為內(nèi)蒙古圓葉大菠菜(SpinaciaoleraceaLinn)。供試有機(jī)物料：(1)腐熟的牛糞，選自蘇州市相城區(qū)望亭鎮(zhèn)新埂村奶牛場(chǎng)。施用腐熟牛糞(以下所有的“腐熟牛糞”簡(jiǎn)稱為“牛糞”)的基本性質(zhì)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(jī)肥，選自沃豐有限公司生產(chǎn)的商品有機(jī)肥，其基本性質(zhì)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(qū)望亭鎮(zhèn)新埂村食用菌廠生產(chǎn)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(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)Ⅰ：田間試驗(yàn)小區(qū)建于2010年9月，試驗(yàn)小區(qū)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(qū)與小區(qū)間隔0.5 m。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。6個(gè)處理分別是：牛糞表施(S)、牛糞表施+赤子愛(ài)勝蚓(SE)、牛糞表施+威廉腔環(huán)毛蚓(SM)、牛糞混施(I)、牛糞混施+赤子愛(ài)勝蚓(IE)、牛糞混施+威廉腔環(huán)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(gè)菠菜生產(chǎn)期內(nèi)不添加任何化肥或追施肥料。2種蚯蚓經(jīng)清腸處理后，接種量按60 g/m2[相當(dāng)于 (100±5)條赤子愛(ài)勝蚓，(30±2)條威廉腔環(huán)毛蚓]進(jìn)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(shí)更換掉活性差的蚯蚓。菠菜收獲后對(duì)所有小區(qū)進(jìn)行 0.3 m×0.3 m×0.3 m樣方取樣，調(diào)查蚯蚓的存活率及生物量。

試驗(yàn)Ⅱ：田間試驗(yàn)小區(qū)建于2011年9月，試驗(yàn)小區(qū)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(qū)與小區(qū)間隔0.5 m。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。6個(gè)處理分別是：商品有機(jī)肥(O)、商品有機(jī)肥+赤子愛(ài)勝蚓(OE)、腐熟牛糞(C)、腐熟牛糞+赤子愛(ài)勝蚓(CE)、腐熟牛糞+菌渣(1∶1)(CM)和腐熟牛糞+菌渣(1∶1)+赤子愛(ài)勝蚓(CME)。其中，商品有機(jī)肥為沃豐有機(jī)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(zhì)量(1∶1)施用，各不同有機(jī)物料作為基肥一次性施用，與耕作層(20 cm)土壤混勻，在整個(gè)作物生產(chǎn)期內(nèi)無(wú)任何肥料添加。赤子愛(ài)勝蚓經(jīng)過(guò)清腸處理后，接種量按60 g/m2[相當(dāng)于 (100±5)條赤子愛(ài)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(shí)更換掉活性差的蚯蚓。菠菜收獲后對(duì)所有小區(qū)進(jìn)行 0.3 m×0.3 m×0.3 m樣方取樣，調(diào)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(zhǎng)季為每年10月初到12月初。在菠菜成熟期，所有試驗(yàn)小區(qū)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(shí)驗(yàn)室稱質(zhì)量后用于菠菜品質(zhì)的測(cè)定。接著采收每個(gè)小區(qū)剩下區(qū)域的菠菜，稱質(zhì)量后加上樣方菠菜質(zhì)量一起作為菠菜的產(chǎn)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(cè)定菠菜的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，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(zhì)量后，測(cè)定菠菜安全品質(zhì)指標(biāo)重金屬含量。

1.4.2 植株樣品的分析

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

1.4.2.2 菠菜安全品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 采用HNO3/H2O2濕法消解，烘干的菠菜樣品粉碎過(guò)20目篩，稱0.500 g樣品于三角瓶中，加10 ml HNO3過(guò)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(tài)，冷卻，定容，過(guò)濾后上ICP儀測(cè)定Cu、Cd、Pb和Zn含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析前用Kolomogorov-Smirnov和Levene方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布及方差齊性，并在必要時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。在試驗(yàn)Ⅰ中，采用雙因素方差分析有機(jī)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(duì)菠菜產(chǎn)量及品種的作用。在試驗(yàn)Ⅱ中，以獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析有無(wú)蚯蚓的差異，均值比較檢驗(yàn)采用Duncan氏法。采用Origin8.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓生物量

在試驗(yàn)Ⅰ和Ⅱ菠菜收獲后，本研究對(duì)所有試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行蚯蚓生物量的田間調(diào)查。所有接種蚯蚓的小區(qū)，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(qū)未發(fā)現(xiàn)蚯蚓。這些基礎(chǔ)條件為試驗(yàn)的成功進(jìn)行提供了保障。

2.2 菠菜產(chǎn)量

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

圖中不同小寫(xiě)字母表示在有機(jī)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(jī)物料施用方式對(duì)菠菜產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of earthworms and manure placement on the spinach yield

2.3 菠菜的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

無(wú)論牛糞表施還是混施，赤子愛(ài)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(duì)菠菜可溶性蛋白和硝酸鹽含量產(chǎn)生影響(圖3C, 圖3D)。而威廉腔環(huán)毛蚓對(duì)菠菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的影響并不顯著(圖3)。在不同有機(jī)物料比較試驗(yàn)中，本研究發(fā)現(xiàn)，除了施用商品有機(jī)肥處理外，在施牛糞或牛糞+食用菌渣條件下，接種赤子愛(ài)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(duì)菠菜可溶性蛋白和硝酸鹽含量無(wú)顯著影響(圖4)。

圖中不同小寫(xiě)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(jī)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(jī)物料接種蚯蚓對(duì)菠菜產(chǎn)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(xiě)字母表示在有機(jī)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(jī)物料施用方式對(duì)菠菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)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(jī)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(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖4 不同有機(jī)物料接種蚯蚓對(duì)菠菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)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(zhì)

從表1可以看出，蚯蚓和施肥方式對(duì)菠菜中重金屬的含量并沒(méi)有交互作用。無(wú)論牛糞表施還是混施，接種赤子愛(ài)勝蚓都顯著降低菠菜中Cu、Pb和Zn的含量。在不同有機(jī)物料比較試驗(yàn)中，除了施用商品有機(jī)肥外，在施用牛糞或牛糞+食用菌渣處理中接種赤子愛(ài)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(duì)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(ài)勝蚓；SM表示牛糞表施并接種威廉腔環(huán)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(ài)勝蚓；IM表示牛糞混施并接種威廉腔環(huán)毛蚓。同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

依據(jù)蚯蚓的生活習(xí)性及其在生態(tài)系統(tǒng)中的功能，一般將蚯蚓分為3種生態(tài)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(jī)質(zhì)和腐爛中的植物殘?bào)w為食。(2) 內(nèi)層種：也稱土居型，是指居住和取食均在土壤內(nèi)，以混入土壤中的土壤有機(jī)質(zhì)為食的蚯蚓類群，其繁殖力和種群數(shù)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(zhì)和微生物的蚯蚓類群。本研究中赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafoetida)屬于表層種，主要取食有機(jī)物,當(dāng)?shù)氐耐林N威廉腔環(huán)毛蚓(Metaphireguillelmi)屬于內(nèi)層種，主要取食富含有機(jī)物的土壤。相比之下，施加牛糞等有機(jī)物料更適合赤子愛(ài)勝蚓的生境。

表2不同有機(jī)物料接種蚯蚓對(duì)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(jī)肥混施；OE表示商品有機(jī)肥混施接種赤子愛(ài)勝蚓；C：表示牛糞混施；CE：表示牛糞混施接種赤子愛(ài)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(ài)勝蚓。同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3.1 有機(jī)物料接種蚯蚓對(duì)菠菜產(chǎn)量的影響

3.2 有機(jī)物料接種蚯蚓對(duì)菠菜品質(zhì)的影響

以往的研究主要圍繞蚯蚓對(duì)作物產(chǎn)量的作用展開(kāi)，而忽略了蚯蚓對(duì)作物品質(zhì)的影響[21]。作物的品質(zhì)可分為營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和安全品質(zhì)兩方面。利用蚯蚓處理有機(jī)廢棄物得到的產(chǎn)物—蚯蚓糞可以提高作物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。胡佩等[22]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞中富含各種益生菌及代謝產(chǎn)物，這些微生物不僅使復(fù)雜物質(zhì)礦化為植物易于吸收的有效物質(zhì)，而且還可以合成一系列具有生物活性的物質(zhì)，如糖、氨基酸、維生素等，在蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的次級(jí)代謝產(chǎn)物形成的過(guò)程中發(fā)揮著重要重要。Wang等[7]通過(guò)將蚯蚓糞與土壤按不同比例混合種植上海青，發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞與土壤比例4∶7時(shí)，顯著提高了青菜葉片中維生素C的含量，當(dāng)比例為 2∶7，4∶7以及7∶0時(shí)均顯著提高了上海青葉片中可溶性糖含量。同時(shí)，Song等[10]通過(guò)施用蚯蚓糞，顯著地提高了菠菜維生素C含量。本研究將農(nóng)田土壤當(dāng)做一大生態(tài)床，采用“有機(jī)物料+蚯蚓”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，發(fā)現(xiàn)接種赤子愛(ài)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(lái)自蚯蚓在田間取食有機(jī)物料形成蚯蚓糞所產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提供了合成或代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)[23]。另外，由于中國(guó)對(duì)有機(jī)物料還田的使用還缺乏有毒有害物質(zhì)的限量要求，因此，正確評(píng)價(jià)有機(jī)物料對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量(尤其是重金屬含量)的影響備受關(guān)注。本研究發(fā)現(xiàn)接種赤子愛(ài)勝蚓后，菠菜中重金屬Cu、Pb和Zn的含量顯著降低?？赡艽嬖谝韵?方面原因：一方面蚯蚓對(duì)重金屬有生物富集作用，Sharma等[24]曾報(bào)道蚯蚓通過(guò)取食作用導(dǎo)致組織體內(nèi)Pb、 Cu、Mn、Ca、 Fe和Zn含量顯著增加；另一方面，Song等[25]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動(dòng)能促進(jìn)腐殖酸組分形成，腐殖酸能夠?qū)χ亟饘佼a(chǎn)生很強(qiáng)的吸附能力，形成穩(wěn)定的金屬-腐殖酸絡(luò)合物，導(dǎo)致可被植物吸收的有效態(tài)重金屬含量降低。通過(guò)施用不同有機(jī)物料條件下接種赤子愛(ài)勝蚓的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)菠菜產(chǎn)量和品質(zhì)綜合效果最好的是施用有機(jī)物料牛糞+食用菌渣。這可能是由于商品有機(jī)肥是經(jīng)過(guò)加工成顆粒狀，并不匹配赤子愛(ài)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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