劉 科， 韋秀麗*， 郭 蕭， 張 凱， 唐 寧,， 李 平， 楊玉鵬,

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 重慶 401329； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用南方科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 重慶 401329； 3.農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)與設(shè)備研發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401329)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)向集約化、規(guī)?；?、多元化的趨勢(shì)發(fā)展，農(nóng)業(yè)有機(jī)固體廢棄物逐年增長(zhǎng)，“固廢資源化”成為了我國(guó)廢棄物處置的主要方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)每年我國(guó)畜禽糞便超38 億t、農(nóng)作物秸稈超9億 t、廢棄尾菜2.6億t，已成為我國(guó)面源污染的重要來(lái)源之一[1]。近年來(lái)，以蚯蚓過(guò)腹為代表的固廢生物處理技術(shù)迅速發(fā)展，規(guī)模日益擴(kuò)大，以蚯蚓作為天然的“生物反應(yīng)器”降解固廢同時(shí)，還可獲得蚯蚓活體和蚯蚓糞，以實(shí)現(xiàn)廢棄物無(wú)害化、減量化、和資源化再利用。與傳統(tǒng)好氧堆肥相比，蚯蚓過(guò)腹生物處理技術(shù)可以提高有機(jī)肥的腐殖質(zhì)含量、養(yǎng)分有效性和微生物活性[2-4]。在經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境友好方面，成為現(xiàn)代農(nóng)村農(nóng)民實(shí)現(xiàn)脫貧致富的重要手段，對(duì)我國(guó)生態(tài)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)極大的促進(jìn)作用[5]。

蚯蚓過(guò)腹生物處理技術(shù)通過(guò)蚯蚓的取食、消化、排泄和掘穴等活動(dòng)，改變有機(jī)物料的生物、化學(xué)和物理特征，從而將廢棄物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的、高品質(zhì)的肥料。在堆制過(guò)程中，蚯蚓吞食大量有機(jī)物料，不僅促進(jìn)了有機(jī)廢棄物料分解過(guò)程的水汽循環(huán)，加速其充分混合，而且通過(guò)腸道機(jī)械研磨和各種酶的生物化學(xué)作用，將有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽類分解并部分礦化，轉(zhuǎn)化為氨、尿素、碳酸、尿嘌呤以及速效性的磷鉀礦質(zhì)養(yǎng)分，這些代謝產(chǎn)物大部分以蚓糞的形式排泄出來(lái)。目前利用蚯蚓堆肥處理牛糞[6]、豬糞[7]、雞糞[8]、餐廚垃圾[9]等有機(jī)廢棄物均有較為系統(tǒng)的研究，其中牛糞不僅可以單獨(dú)用于蚯蚓堆肥，還可以作為其他廢棄物處理的“引料基料”，提高蚯蚓對(duì)物料的適口性，是蚯蚓堆肥的最佳物料。而秸稈、瓜果、蔬菜等原料需經(jīng)好氧堆肥預(yù)處理后方可作為蚯蚓過(guò)腹的基料或者添加料，并對(duì)堆肥效果產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用[10-11]。然而目前缺乏不同種類秸稈對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)影響和堆肥適應(yīng)性的系統(tǒng)研究，適合蚯蚓堆肥的最佳糞稈配比也尚不明晰，本文以畜禽糞便、秸稈、蔬菜尾菜和雜草等鄉(xiāng)村有機(jī)廢棄物作餌料培養(yǎng)蚯蚓，篩選出適合用于蚯蚓養(yǎng)殖的廢棄物種類； 通過(guò)探討不同粒徑、不同碳氮比、不同配比混合物料對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響，以及處理后蚓糞種子發(fā)芽率的差異，總結(jié)得出利用鄉(xiāng)村有機(jī)廢棄物養(yǎng)殖蚯蚓的最優(yōu)原料配比，為農(nóng)業(yè)廢棄物的無(wú)害化與資源化利用技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水稻秸稈、雜草、葉菜、瓜果、辣椒、水葫蘆來(lái)自重慶市璧山區(qū)七塘鎮(zhèn)喜觀村某農(nóng)場(chǎng)。

大平二號(hào)蚯蚓：取自某生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，所用蚯蚓均為大小一致，身體健康的幼年蚓。

塑料花盆：規(guī)格大小為28 cm(上端直徑)×22 cm(高)×20 cm(底端直徑)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 物料預(yù)處理

1.2.1.1 單一原料

將水稻秸稈分別粉碎至2 cm、5 cm、10 cm，分別裝入大小一致的塑料箱進(jìn)行初步的發(fā)酵，發(fā)酵起始向裝有各個(gè)物料的箱內(nèi)加入配制好的 EMS菌劑，統(tǒng)一添加量為 10%的菌液 10 mL·kg-1，調(diào)節(jié)各發(fā)酵箱物料含水量約為60%，進(jìn)行為期 15 d 好氧堆肥預(yù)處理，期間每 5 d 對(duì)各個(gè)發(fā)酵箱內(nèi)物料進(jìn)行翻堆1次，排除有害氣體，使物料發(fā)酵更為均勻，正常發(fā)酵直至腐熟。

1.2.1.2 多種原料

對(duì)尾菜、雜草、水稻秸稈等材料進(jìn)行粉碎，秸稈、雜草、葉菜類粒徑不超過(guò)2 cm，瓜果類粉碎粒徑3～5 cm，裝入發(fā)酵塑料箱后按上述方法進(jìn)行好氧堆肥預(yù)處理。

1.2.2 蚯蚓養(yǎng)殖

1.2.2.1 不同原料

將好氧堆肥后的多原料分別放置于塑料花盆中，每盆中放置物料 500 g(干物質(zhì)約200 g)，調(diào)節(jié)物料水分至 60%，接種蚯蚓20條，每條蚓均為健康幼蚓，體表光滑、色澤紅潤(rùn)、活潑好動(dòng)、體重一致，每種樣品做3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，接種蚯蚓后每盆底部放置托盤(pán)及雙層紗布，防止蚯蚓漏失，將花盆放置于恒溫室，溫度維持在 20℃～25℃，因?yàn)轵球揪哂斜芄庑?，所以要使花盆避免受到?yáng)光直射，將花盆頂端用黑色透氣塑料覆蓋，營(yíng)造黑暗環(huán)境，但不限制蚯蚓從中爬出。利用 TDR-300 便攜式土壤水分速測(cè)儀于每天 18:00 測(cè)定物料含水量，使水分始終維持在 60%左右。

1.2.2.2 不同C/N

將原料1.2.1.1好氧堆肥結(jié)束后，在堆肥中添加尿素，調(diào)節(jié)碳氮比為15、20、25、30、35。然后進(jìn)行蚯蚓養(yǎng)殖，實(shí)驗(yàn)方法同1.2.2.1。

將1.2.1.1中經(jīng)過(guò)前處理的物料按純腐熟豬糞、腐熟豬糞∶水稻秸稈=2∶1、腐熟豬糞∶水稻秸稈=1∶1、腐熟豬糞∶水稻秸稈=1∶2、純牛糞(牛糞可直接用于蚯蚓養(yǎng)殖，無(wú)需發(fā)酵處理)、牛糞∶秸稈=2∶1、牛糞∶水稻秸稈=1∶1、牛糞∶水稻秸稈=2∶1分別放置于塑料花盆中，3個(gè)重復(fù)。養(yǎng)殖方法同1.2.2.1。

破碎的石塊、水泥、泥土混雜在一起，只憑借孔老一的一雙手，是不可能挖開(kāi)的。只一會(huì)，孔老一的十指很快便沁出了血水。

1.2.3 樣品采集

養(yǎng)殖時(shí)間40 d，期間每10天對(duì)各個(gè)花盆蚯蚓進(jìn)行體重測(cè)量，體重稱量時(shí)先將物料全部倒出，將蚯蚓輕輕從物料中分離出來(lái)，置于濕潤(rùn)光滑的避光器皿中，讓蚯蚓先自行爬行30 s，后用羽毛輕輕擦去蚯蚓體表物料，用電子天平稱重并記錄。

1.3 蚯蚓生長(zhǎng)指標(biāo)檢測(cè)

蚯蚓平均體重=測(cè)定時(shí)蚯蚓總重/蚯蚓條數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在 Excel 2013 軟件初步整理后，采用 SPSS 23.0 進(jìn)行單因素ANOVA方差分析。

1.4 種子發(fā)芽指數(shù)檢測(cè)

取20 g水稻秸稈與豬糞、牛糞按不同比例混合蚯蚓養(yǎng)殖的產(chǎn)物(蚯蚓糞)鮮樣，加入200 mL蒸餾水，振蕩20 min，30℃下浸提1晝夜，上清液用慢速濾紙過(guò)濾，濾液待用；在9 cm培養(yǎng)皿內(nèi)鋪入相應(yīng)大小的濾紙一張，均勻放進(jìn)20粒顆粒飽滿大小接近的白菜種子，用移液管取5.0 mL堆肥浸提液于培養(yǎng)皿，并以蒸餾水作對(duì)照實(shí)驗(yàn)。每個(gè)處理作3次重復(fù)；將培養(yǎng)皿放置在25℃±1℃、80%濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h；測(cè)種子發(fā)芽率和根長(zhǎng),并計(jì)算GI。

GI(%)=(堆肥浸提液的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))/(蒸餾水的種子發(fā)芽率×種子根長(zhǎng))×100

當(dāng)GI>50%，則可認(rèn)為基本腐熟，當(dāng)GI達(dá)到80%～85%時(shí)，這種堆肥就可以認(rèn)為已經(jīng)完全腐熟，對(duì)植物沒(méi)有毒性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖基料篩選

蚯蚓平均重量作為評(píng)價(jià)蚯蚓生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，能夠較為直觀的反應(yīng)蚯蚓在各個(gè)環(huán)境下的真實(shí)生長(zhǎng)狀況[12-13]。由表1可知，水葫蘆、辣椒堆肥后養(yǎng)殖蚯蚓在10 d時(shí)堆肥中已無(wú)蚯蚓，其原因是用水葫蘆、辣椒堆肥后養(yǎng)殖蚯蚓出現(xiàn)蚯蚓逃逸、死亡現(xiàn)象，可見(jiàn)水葫蘆、辣椒不適宜于蚯蚓養(yǎng)殖。而雜草、葉菜、水稻秸稈、瓜果類堆肥后飼養(yǎng)蚯蚓，蚯蚓平均重量在各個(gè)廢棄物中都呈現(xiàn)先逐步增加后微弱減少的趨勢(shì)，在20 ～30 d內(nèi)，蚯蚓平均重量增加最快，在第30天達(dá)到峰值，雜草、葉菜、水稻秸稈及瓜果4類樣品中蚯蚓的平均重量分別較20 d時(shí)提高56.7%、47.5%、61.5%和50%。30～40 d期間，蚯蚓平均重量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，4類樣品分別較30 d下降6.9%、5.1%、9.5%、8.3%。進(jìn)一步分析得到，養(yǎng)殖初始各個(gè)處理中接種的蚯蚓均為幼蚓， 20 d后蚯蚓較小，取食量有限，生長(zhǎng)速度較慢；20～30 d 期間，蚯蚓處于生長(zhǎng)發(fā)育旺盛時(shí)期，蚯蚓平均重量增加幅度較大， 30 d后，蚯蚓平均體重呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)，主要是由于蚯蚓已經(jīng)成長(zhǎng)為成年蚯蚓，開(kāi)始大量產(chǎn)繭，成年蚯蚓所獲得的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一部分用于產(chǎn)繭，一部分用于自身生長(zhǎng)，故而導(dǎo)致蚯蚓平均體重出現(xiàn)緩慢降低現(xiàn)象。

表1 不同鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖情況

2.2 鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物C/N對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響

以水稻秸稈為原料，探明不同C/N對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響，其中N的來(lái)源為好氧堆肥時(shí)添加的尿素。由圖1可知，蚯蚓的整體生長(zhǎng)規(guī)律與2.1相似，即接種后20～30 d為蚯蚓生長(zhǎng)巔峰期，而后體重逐漸下降。同時(shí)好氧堆肥中物料初始C/N比對(duì)隨后蚯蚓過(guò)腹轉(zhuǎn)化階段具有重要影響[14-15]，在接種蚯蚓后的30 d后，不同C/N蚯蚓堆肥樣品中蚯蚓平均體重分別較初始提高166%、194%、227%、216%、183%，可見(jiàn)堆肥物料C/N為25時(shí)，蚯蚓生長(zhǎng)狀態(tài)最佳，其次分別為C/N=30和C/N=20樣品，C/N=35和C/N=15樣品蚯蚓生長(zhǎng)次之。因此，利用鄉(xiāng)村秸稈有機(jī)廢棄物養(yǎng)殖蚯蚓時(shí)，在好氧預(yù)處理階段將物料C/N調(diào)至20～30最有利于后續(xù)蚯蚓養(yǎng)殖。低于20或高于35會(huì)導(dǎo)致蚯蚓生長(zhǎng)緩慢。

2.3 鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物粒徑對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響

以水稻秸稈為原料，研究不同粒徑好氧堆肥后對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)的影響。由圖2可知，在同一時(shí)間周期內(nèi)，以2 cm物料養(yǎng)殖的蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，其次分別為5 cm、 15 cm的對(duì)照樣品實(shí)驗(yàn)蚯蚓。在30 d的蚯蚓生長(zhǎng)旺盛期內(nèi)，三樣品中蚯蚓平均體重分別增加了244%、216%和188%，由此可見(jiàn)鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物粒徑越小，蚯蚓養(yǎng)殖效果越好，可能是因?yàn)樵狭皆叫?，好氧堆肥過(guò)程中纖維素、半纖維素等有機(jī)物降解得越充分，后期蚯蚓養(yǎng)殖階段可為其提供的食料也越優(yōu)質(zhì)。但是原料粒徑越小，在秸稈粉碎過(guò)程中所需的能耗越高，考慮到預(yù)處理的費(fèi)用問(wèn)題，建議選取5 cm的為宜。

2.4 鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖最優(yōu)配比研究

在開(kāi)展鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖最優(yōu)配比研究時(shí)需考慮到養(yǎng)殖廢棄物(豬糞、牛糞等)，根據(jù)上訴研究結(jié)論，這里選取最適宜蚯蚓養(yǎng)殖的水稻秸稈與豬糞、牛糞按不同比例混合開(kāi)展蚯蚓養(yǎng)殖研究。研究結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3)，純腐熟豬糞養(yǎng)殖蚯蚓在前20 d時(shí)出現(xiàn)死亡，其原因可能是腐熟豬糞透氣性較差，殘留的CH4氣體不能及時(shí)排出導(dǎo)致蚯蚓窒息死亡[16]，可見(jiàn)純腐熟豬糞不適合蚯蚓養(yǎng)殖。在豬糞與秸稈不同比例混合養(yǎng)殖蚯蚓中，腐熟豬糞∶水稻秸稈=1∶2的蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，在接種后的30 d后，其平均體重增長(zhǎng)210%，其次分別為1∶1和2∶1的實(shí)驗(yàn)樣品，其平均體重增長(zhǎng)約200%。在牛糞與秸稈不同比例混合養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，純牛糞可直接養(yǎng)殖蚯蚓，且牛糞∶水稻秸稈=1∶1的樣品蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，在接種后的30 d后，蚯蚓平均體重增長(zhǎng)244%，其次分別為2∶1和1∶2樣品。

2.5 鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖產(chǎn)物對(duì)種子發(fā)芽率試驗(yàn)的影響

用水稻秸稈與豬糞、牛糞按不同比例混合蚯蚓養(yǎng)殖的產(chǎn)物(蚯蚓糞)開(kāi)展種子發(fā)芽率試驗(yàn)來(lái)衡量蚯蚓處理鄉(xiāng)村有機(jī)廢棄物的效果[17-18]。目前種子發(fā)芽試驗(yàn)被認(rèn)為是評(píng)價(jià)堆腐產(chǎn)品無(wú)害腐熟最具說(shuō)服力的方法。種子發(fā)芽指數(shù)(GI)綜合反映了堆肥的植物毒性，被認(rèn)為是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度評(píng)價(jià)指標(biāo)。由表2可知，豬糞與秸稈混合蚯蚓養(yǎng)殖的產(chǎn)物(蚯蚓糞)的種子發(fā)芽率及種子發(fā)展指數(shù)中，腐熟豬糞∶水稻秸稈=1∶2的GI值最高，達(dá)81.6%，已經(jīng)達(dá)到完全腐熟標(biāo)準(zhǔn)。其次分別為1∶1、2∶1的樣品，腐熟豬糞GI值最低，僅68.6%，但上述樣品均已達(dá)到基本腐熟標(biāo)準(zhǔn)。以牛糞-秸稈為原料的蚓糞，其種子發(fā)芽率、GI值以牛糞∶水稻秸稈=1∶1的本樣品最大，其次分別為2∶1、1∶2樣品，所有樣品GI值均大于80%，達(dá)到完全腐熟標(biāo)準(zhǔn)。

表2 鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖產(chǎn)物影響種子發(fā)芽率的情況 (%)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鄉(xiāng)村種植有機(jī)廢棄物蚯蚓養(yǎng)殖基料的篩選，原料初始C/N及廢棄物粒徑對(duì)蚯蚓生長(zhǎng)及腐熟度的影響得出如下結(jié)論：

(1)鄉(xiāng)村有機(jī)廢棄物中，雜草、葉菜、水稻秸稈、瓜果類堆肥后適用于蚯蚓養(yǎng)殖，以水稻秸稈養(yǎng)殖的蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，其次分別為瓜果類、葉菜、雜草；而水葫蘆、辣椒堆肥不適宜于蚯蚓養(yǎng)殖。

(2)水稻秸稈好氧堆肥初始C/N蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)顯示，以C/N=20～30物料養(yǎng)殖的蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，低于20或高于35會(huì)引起蚯蚓生長(zhǎng)緩慢。

(3)不同粒徑水稻秸稈蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)顯示，2 cm粒徑的物料養(yǎng)殖蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，其次分別為5 cm、15 cm 粒徑樣品，由此可見(jiàn)原料粒徑越小，蚯蚓養(yǎng)殖效果越好，考慮到預(yù)處理的費(fèi)用問(wèn)題，建議選取5 cm的為宜。

(4)在糞稈混合原料進(jìn)行蚯蚓養(yǎng)殖時(shí)，腐熟豬糞∶水稻秸稈=1∶2的蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳，其次分別為1∶1和2∶1樣品;純牛糞可直接養(yǎng)殖蚯蚓，且牛糞∶水稻秸稈=1∶1時(shí)蚯蚓生長(zhǎng)情況最佳。

(5)種子發(fā)芽率及種子發(fā)展指數(shù)顯示，蚯蚓過(guò)腹生物處理后的鄉(xiāng)村有機(jī)廢棄物(蚓糞)均達(dá)到了基本腐熟標(biāo)準(zhǔn)，腐熟豬糞∶水稻秸稈=1∶2以及牛糞與秸稈混合養(yǎng)殖蚯蚓產(chǎn)物已達(dá)到完全腐熟標(biāo)準(zhǔn)，可直接作為有機(jī)肥還田使用。