基于葛渣肥料化利用的蚯蚓轉(zhuǎn)化技術(shù)研究

王馨悅，成艷紅，何紹浪，張昆，黃尚書，王斌強，黃欠如

（江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點實驗室/國家紅壤改良工程研究中心/農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測試驗站，南昌 330046）

葛渣是指葛經(jīng)臨床應(yīng)用、食品（保健品）開發(fā)、葛粉生產(chǎn)等加工后的固態(tài)殘渣，葛渣中不但含有豐富的異黃酮類、膳食纖維以及大量的多糖、蛋白質(zhì)和氨基酸等生物活性物質(zhì)，還含有氮、磷、鎂、鐵和鋅等多種元素，極具開發(fā)利用價值[1-2]。目前，對葛渣的資源化利用主要包括養(yǎng)殖業(yè)飼料利用（作為飼料添加劑或發(fā)酵產(chǎn)蛋白飼料）[3]、工業(yè)利用（造紙、土壤修復(fù)、廢水處理、熱解氣化、產(chǎn)沼氣等）[4-5]，以及農(nóng)業(yè)種植利用（食用菌種植和堆肥等）三種方式[6]。然而，葛渣產(chǎn)生量大、季節(jié)性強、保存周期短，現(xiàn)有葛渣飼料化和工業(yè)化利用方式多存在技術(shù)要求高、投資大、處理量低等問題，而堆肥化處理因其成本低，除臭和殺滅病原菌效果好，被認為是當前有機廢棄物無害化和資源化的重要途徑之一[7]，將葛渣肥料化利用無疑是一種技術(shù)簡單、投資較少、處理量較大的利用方式。但是，葛渣中纖維素、木質(zhì)素含量較高，傳統(tǒng)堆肥存在降解速度慢、發(fā)酵時間長，堆肥產(chǎn)物養(yǎng)分失衡等問題[8]，在一定程度上限制了葛渣的肥料化利用。

蚯蚓處理有機廢棄物是將傳統(tǒng)的堆肥法與生物處理法相結(jié)合，利用蚯蚓特殊的生態(tài)學(xué)功能和微生物的協(xié)同作用，將廢棄物快速轉(zhuǎn)化為農(nóng)化性質(zhì)優(yōu)良的蚓糞有機肥的生物處理工藝[9]。同時蚯蚓堆肥中還可以收獲蚓體，應(yīng)用于蛋白質(zhì)飼料、醫(yī)藥保健品等多種行業(yè)，實現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟雙重效益，已成為一種新型有機廢棄物處理技術(shù)[10-11]。目前，國內(nèi)外研究多集中于利用蚯蚓處理城市生活垃圾、污泥及秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物，同時生產(chǎn)具有較高利用價值的蚯蚓糞有機肥[12-13]，且牛糞被普遍認為是最適合蚯蚓堆肥處理的禽畜糞便。但是，以葛渣為蚯蚓主要飼養(yǎng)基質(zhì)的研究較少。葛渣中含有較多黃酮類等對蚯蚓生長不利的物質(zhì)，以及含有大量能降低蚯蚓取食性的未腐熟木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，雖然有機物料在堆腐過程中能分解黃酮類、纖維素等有機物，但蚯蚓在鮮葛渣、腐熟葛渣或者鮮葛渣復(fù)混牛糞物料中能否正常生長繁殖并完成取食轉(zhuǎn)化，以及蚯蚓轉(zhuǎn)化處理后葛渣養(yǎng)分含量等理化性質(zhì)的變化，目前尚不明晰，這些都限制了蚯蚓處理技術(shù)在葛渣肥料化利用中的應(yīng)用。

為此，本研究以葛渣為主要原料，研究腐熟葛渣以及鮮葛渣復(fù)混牛糞等物料對蚯蚓生長繁殖的影響，并分析處理前后物料的肥力變化及其對作物種子發(fā)芽的影響，旨在探索適宜于規(guī)?；a(chǎn)的葛渣蚯蚓生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，為蚯蚓更好地處理葛渣有機廢棄物，實現(xiàn)肥料化利用提供理論和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蚯蚓：赤子愛勝蚓，取自南昌縣某蚯蚓養(yǎng)殖場，挑選活潑健壯且體質(zhì)量相近的成熟蚯蚓。

有機物料：葛渣取自江西省德興市某大型葛加工廠；腐熟葛渣由鮮葛渣（含水量65%左右）堆制而成：鮮葛渣裝入BIOLAN 220 L 堆肥箱高溫堆肥，桶溫高于65 ℃時上下翻動一次（每日觀測溫度），堆制40 d；牛糞取自試驗地周圍養(yǎng)殖場。所有有機物料自然風干，粉碎過2 mm篩，備用。腐解菌為秸稈降解真菌草酸青霉（保藏號CGMCC NO.7527），由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院提供。供試有機物料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the test materials

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020 年3—8 月在江西省紅壤研究所進行。試驗共設(shè)5 個處理（表2），每個處理4 個重復(fù)。分別將葛渣、牛糞按照設(shè)計用量和比例混勻（此時分別取適量樣品，自然風干，研磨過篩，用于有機質(zhì)、pH、電導(dǎo)率等指標的分析測定，所測指標為處理前指標），按干物質(zhì)質(zhì)量975 g 分別裝入30.0 cm×24.8 cm×9.8 cm 的帶蓋塑料盒中，將含水率調(diào)至70%，每盒接種40條個體質(zhì)量約0.45 g帶有環(huán)帶的蚯蚓，蓋上留有多個透氣孔。試驗期間物料濕度控制在70%左右，溫度25 ℃，每7 d 將蚯蚓挑出，稱質(zhì)量、記錄后放回；同時挑出蚓繭并記錄個數(shù)，處理時間21 d。試驗結(jié)束后分離蚯蚓、蚓繭和蚓糞，各處理取適量新鮮物料用作發(fā)芽試驗，然后將剩余物料自然風干，研磨過篩，用于有機質(zhì)、pH、電導(dǎo)率等指標的分析測定，所測指標為堆肥處理后指標。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experiment design

1.3 測定指標及方法

蚯蚓的數(shù)量和質(zhì)量均直接計數(shù)和稱質(zhì)量。蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)和日均產(chǎn)繭量計算公式[14]如下：

日增質(zhì)量倍數(shù)=（養(yǎng)殖一段時間后的蚯蚓總質(zhì)量-初始蚯蚓質(zhì)量）/（初始蚯蚓質(zhì)量×養(yǎng)殖時間）

日均產(chǎn)繭量=總產(chǎn)繭量/（蚯蚓數(shù)×產(chǎn)繭時間）

其中，蚯蚓總數(shù)包括成蚓數(shù)和幼蚓數(shù)，處理時間以天計算。

pH 值和電導(dǎo)率（EC 值）采用pH 計和電導(dǎo)率儀測定；樣品有機質(zhì)（TOM）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮（TN）采用凱氏定氮法測定；全磷（TP）采用鉬銻抗比色法測定；全鉀（TK）采用火焰光度計法測定。

種子發(fā)芽指數(shù)（GI）：挑選均勻、飽滿的油菜/水稻種子，用0.5%次氯酸鈉消毒5 min，再用蒸餾水沖洗干凈，濾紙吸去水分。取蚯蚓不同處理時間的新鮮物料，按照固液比（m/V）1∶10室溫振蕩浸提2 h，定性濾紙過濾得到浸提液。在培養(yǎng)皿（90 mm）內(nèi)鋪一張濾紙，放入30粒飽滿已消毒的油菜/水稻種子，準確吸取10 mL浸提液于培養(yǎng)皿中，在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)暗培養(yǎng)72 h，測定種子發(fā)芽率和根長。每個樣品3次重復(fù)，同時以蒸餾水作空白對照。計算種子發(fā)芽指數(shù)。

種子發(fā)芽指數(shù)=（處理組種子發(fā)芽率×處理組種子平均根長）/（對照組種子發(fā)芽率×對照組種子平均根長）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0 和Excel 2007 進行數(shù)據(jù)分析及做圖，物料經(jīng)蚯蚓堆制處理后的理化性質(zhì)與蚯蚓生長狀況的關(guān)系采用R 語言（www.r-project.org，R3.5.3）進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓生長繁殖特征分析

如表3所示，T2蚯蚓平均體質(zhì)量隨處理時間的延長逐漸下降，T1、T3、T4、T5蚯蚓平均體質(zhì)量在前7 d 內(nèi)迅速增加，T4蚯蚓平均體質(zhì)量在14 d時達到最大值，之后保持不變，而T1、T3、T5蚯蚓平均體質(zhì)量分別在14、21、21 d時下降。T1蚯蚓平均體質(zhì)量在第7 d達到最大值，而其他處理在第14 d達到最大值。在整個處理過程中，T3與T4蚯蚓平均體質(zhì)量均最大，培養(yǎng)21 d時，分別比T2 高56.1%和58.5%，比T5 高8.5%和10.2%，但T3與T4蚯蚓平均體質(zhì)量差異不顯著（P＞0.05）。

表3 不同物料對蚯蚓平均體質(zhì)量的影響（g）Table 3 Effects of different mixture on average mass of earthworm（g）

由表4 可知，所有處理的蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)最大值均出現(xiàn)在第7 d，且均隨時間的延長而逐漸下降。T1 在14 d 時蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)為負數(shù)，且蚯蚓在21 d 時全部死亡或者逃逸。T2 蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)在整個試驗過程中均為負數(shù)，但蚯蚓未出現(xiàn)死亡的情況。T3 蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)在第7 d 最高，是T1、T4、T5 的1.58、1.11 倍和1.75 倍，其后T3 蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)都低于T4。T3 和T4 蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)在整個試驗期間與T5相比差異不顯著。T5蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)較其他處理變化較平緩。

表4 不同物料對蚯蚓日增質(zhì)量倍數(shù)的影響Table 4 Effects of different mixture on daily weight gain of earthworm

蚯蚓日均產(chǎn)繭數(shù)量如表5 所示。在整個處理過程中，T1和T2蚯蚓產(chǎn)繭量均為零，其他處理蚯蚓均在第一周開始產(chǎn)繭。T3 蚯蚓日均產(chǎn)繭量隨處理時間的延長先升高后降低，而T4 和T5 蚯蚓日均產(chǎn)繭量隨處理時間的延長逐漸增加，且T4蚯蚓產(chǎn)繭量增幅較大，并在第21 d 時顯著高于T3 和T5 處理，分別是T3 和T5的3.9倍和2.0倍。

表5 不同物料對蚯蚓日均產(chǎn)繭量的影響（枚）Table 5 Effects of different mixture on the average cocoonproducing capacity of earthworms（pcs）

2.2 蚯蚓堆肥對物料pH值和電導(dǎo)率的影響

從圖1A 看出，試驗結(jié)束時各處理pH 值與堆肥前相比有升有降。T1和T3 pH終值為9.93和8.97，分別比初始值升高了0.53和0.58個單位，差異顯著；T2和T5 pH終值均顯著下降，分別比初始值降低了1.63和1.34個單位。從圖1B 可知，除了T4，其他處理的EC 值均顯著升高，其中T1 處理EC 值增幅最大，為82.7%，其次是T2處理，為66.9%，再次是T5處理，為42.4%。

圖1 蚯蚓堆肥前后不同處理組物料pH和EC值變化Figure 1 Changes of pH and EC of different treatment groups before and after vermicomposting

2.3 蚯蚓堆肥對物料肥力屬性的影響

堆肥處理前后各處理總有機質(zhì)（TOM）含量如圖2A 所示，除T5 外，其他各處理堆肥后TOM 含量均顯著降低，降幅表現(xiàn)為T2（48.4%）＞T1（46.3%）＞T3（41.6%）＞T4（35.8%）；堆肥結(jié)束后，各處理有機質(zhì)含量在254.8～383.5 g·kg-1之間，T4處理TOM 含量最高，T2 處理最低。從堆肥前后各處理TN 變化情況（圖2B）可以看出，堆肥前各處理物料的TN 含量在14.0 g·kg-1～36.5 g·kg-1之間，T2 的含量最高，T5 的含量最低；T2處理TN 含量比初始值增加了6.6%，差異顯著；值得注意的是，鮮葛渣初始TN 含量高于鮮葛渣與牛糞的復(fù)混物料和牛糞，低于腐熟葛渣。圖2C 為TP 含量變化情況，試驗結(jié)束后，各處理的TP含量與初始值相比均顯著增加，增幅為17.5%～135.1%，其中，T3 的TP 含量最高，為19.8 g·kg-1，是堆肥前的2.4 倍，T4 的TP 含量最低，為11.4 g·kg-1，是堆肥前的1.2 倍。TK含量變化如圖2D 所示，可以看出，除T4 外，其他處理的TK 含量均顯著增加；T1 和T2 最終TK 含量分別為33.5 g·kg-1和33.7 g·kg-1，T4 的TK 含量最低，為15.8 g·kg-1；T1與T2的初始TK含量高于其他處理。

圖2 蚯蚓堆肥前后不同處理組物料肥力屬性變化Figure 2 Changes of fertilizing properties in different treatment groups before and after vermicomposting

2.4 蚯蚓堆肥對物料種子發(fā)芽指數(shù)的影響

蚯蚓堆肥前后不同處理物料水提液對油菜和水稻種子GI的影響如圖3所示。堆肥前各處理物料水提液油菜種子GI 分別為63.0%（T1）、64.5%（T2）、84.3%（T3）、82.7%（T4）、89.0%（T5），雖然堆肥后油菜種子GI均有所升高，但只有T1和T4堆肥前后差異顯著。水稻種子GI變化趨勢與油菜種子相似，除T1種子GI有顯著升高，其他處理種子GI堆肥前后變化不明顯。

圖3 蚯蚓堆肥前后不同處理組物料水提液種子發(fā)芽指數(shù)變化Figure 3 Changes in GI of seeds from water extracts of different treatment groups before and after vermicomposting

2.5 相關(guān)性分析

對蚯蚓生長繁殖指標與葛渣復(fù)混物料的養(yǎng)分含量等指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示，成蚓總質(zhì)量（Total adult weight，Taw）、成蚓數(shù)量（Adult worms，Aws）和蚓繭數(shù)（Worm cocoons，Wcs）與TN和TK含量顯著負相關(guān)，與TP含量無顯著相關(guān)性，與TOM含量顯著正相關(guān)。Taw分別與Aws和Wcs極顯著正相關(guān)。Wcs與pH值呈極顯著負相關(guān)。Taw和Aws與EC顯著正相關(guān)。

圖4 物料部分肥力屬性與成蚓總質(zhì)量（Taw）、成蚓數(shù)量（Aws）、蚓繭數(shù)（Wcs）的相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis of mixture and total adult weight（Taw）,adult worms（Aws）and worm cocoons（Wcs）

3 討論

3.1 不同物料對蚯蚓生長繁殖的影響

蚯蚓的生長繁殖情況直接影響其生物處理效果，通過對物料配比等因素的合理控制，為蚯蚓的生物轉(zhuǎn)化提供適宜環(huán)境，以求達到經(jīng)濟性和處理效果的最優(yōu)化[15]。蚯蚓體質(zhì)量增加得益于其對基料中養(yǎng)分的利用，葛渣中含有較多黃酮類等對蚯蚓生長不利的物質(zhì)，以及大量能降低蚯蚓取食性的未腐熟木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。本試驗表明，在處理第21 d 時，100%鮮葛渣中的蚯蚓全部消失（逃逸或者死亡），且無幼蚓產(chǎn)生，而100%腐熟葛渣在處理期間成蚓體質(zhì)量直線下降，且無幼蚓產(chǎn)生。10%鮮葛渣復(fù)混90%牛糞處理（T4）和70%鮮葛渣復(fù)混30%牛糞處理（T3）的蚯蚓平均體質(zhì)量和日增質(zhì)量倍數(shù)優(yōu)于其他葛渣不添加牛糞的處理（T1、T2），說明添加葛渣利于蚯蚓個體生長。10%鮮葛渣復(fù)混90%牛糞處理（T4）的日均產(chǎn)繭量均優(yōu)于其他處理，說明10%鮮葛渣復(fù)混90%牛糞處理（T4）有利于蚯蚓繁殖。而10%鮮葛渣復(fù)混90%牛糞處理和70%鮮葛渣復(fù)混30%牛糞處理在蚯蚓平均體質(zhì)量和日增質(zhì)量倍數(shù)指標上差異不顯著，說明可采用70%鮮葛渣復(fù)混30%牛糞的配比進行葛渣蚯蚓堆肥，這樣既不影響蚯蚓正常生長，又能大量利用廢棄葛渣。

3.2 蚯蚓堆肥對物料理化性質(zhì)的影響

試驗結(jié)束時各處理pH值與處理前相比有增有減（圖1A），是因為含碳有機物所產(chǎn)生的有機酸和含氮有機物所產(chǎn)生的氨以及蛋白質(zhì)共同作用導(dǎo)致堆肥過程中pH 值發(fā)生變化[16]。有機物分解導(dǎo)致氨氣釋放，同時有機酸被微生物分解為CO2和H2O，導(dǎo)致pH 升高[17]，而蚯蚓的活動改變了物料的通透性，加速了氨氣揮發(fā)，再加上有機化合物的礦化增加了有機酸和腐植酸的含量，使pH 降低[18]。依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《有機肥料》（NY 525—2012）[19]，有機肥料pH 值范圍應(yīng)為5.5～8.5，10%鮮葛渣復(fù)混90%牛糞、70%鮮葛渣復(fù)混30%牛糞和100%牛糞處理經(jīng)蚯蚓堆肥處理后的產(chǎn)物均符合該標準。

EC 是基質(zhì)浸提液中可溶性鹽濃度指標，反映基質(zhì)中可溶性養(yǎng)分總量。EC 過高或者過低都不利于植物正常生長[20]。蚯蚓堆肥處理后物料EC 值普遍升高（圖1B），可能是因為有機質(zhì)降解導(dǎo)致可溶性鹽含量升高，也可能是蚯蚓攝食和排泄過程中產(chǎn)生游離離子和礦物質(zhì)所致[21]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，中等靈敏度植物對堆肥EC 值的耐受水平上限為4 mS·cm-1[22]，鮮葛渣和腐熟葛渣經(jīng)蚯蚓堆肥處理后EC 值高于該限值，其他處理達到該標準。

由于沒有外界有機碳源供應(yīng)，蚯蚓與微生物的協(xié)同作用促進了物料中有機質(zhì)的分解，并有相當一部分有機碳以CO2形式散失于環(huán)境中[23-24]，故各處理物料在蚯蚓堆肥處理后有機質(zhì)含量均降低（圖2A）。理論上沒有外源N 的加入，蚯蚓堆肥后物料中TN 的含量會由于蚯蚓迅速生長和繁殖吸收物料中較多N 素而有所減少[25]，但本試驗結(jié)果顯示，純腐熟葛渣（T2）、70%鮮葛渣復(fù)混30%牛糞（T3）和純牛糞（T5）的TN含量反而增加（圖2B），這可能是有機碳在底物分解過程中損失的濃度效應(yīng)、蚯蚓分泌的黏液和排泄的含氮物質(zhì)、微生物作用等因素導(dǎo)致的[26-27]。也有研究表明，蚯蚓處理對基料中TN 的影響也取決于廢棄物中的初始氮含量和分解程度[28]，本試驗結(jié)果顯示，鮮葛渣（T1）初始TN 含量高于鮮葛渣與牛糞的復(fù)混物料（T3、T4）和牛糞（T5），低于腐熟葛渣（T2），推測葛渣是復(fù)混物料中TN 的主要來源，這可能與葛是豆科植物有關(guān)。各處理TP 含量均增加（圖2C），處理過程中有機質(zhì)的分解礦化和質(zhì)量損失是導(dǎo)致總磷含量增加的主要原因[29-30]。K 的增加表明堆肥過程中K 發(fā)生了礦化[31]，除10%鮮葛渣復(fù)混90%牛糞處理（T4）外，其他各處理的TK 含量均顯著增加（圖2D），對于蚯蚓堆肥中普遍出現(xiàn)TK 含量增加的現(xiàn)象[32-33]，最有可能的原因是物料中的有機質(zhì)和有機碳含量減少導(dǎo)致養(yǎng)分濃度升高[34]。此外，堆肥過程中蚯蚓的分解作用，以及真菌和細菌等微生物活動也能增加P、K 等元素的含量[35]。農(nóng)業(yè)行業(yè)標準《有機肥料》（NY 525—2012）[19]中規(guī)定了有機肥總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）≥50 g·kg-1，將處理后各物料的TP 和TK 含量乘以相應(yīng)系數(shù)換算成P2O5和K2O 含量[19]，計算得到蚯蚓堆肥處理產(chǎn)物總養(yǎng)分含量在63.2～113.2 g·kg-1之間，各處理總養(yǎng)分均高于50 g·kg-1，符合標準。

發(fā)芽指數(shù)可以作為堆肥毒性的評價指標，它是植物對于堆肥低毒性（植物根長）和高毒性（發(fā)芽率）的綜合反映指標[33]。蚯蚓堆肥處理前各處理組浸提液的種子發(fā)芽指數(shù)均大于50%，說明各處理對油菜和水稻種子基本無毒，堆肥處理后各處理組浸提液的種子發(fā)芽指數(shù)均大于80%，表明最終產(chǎn)品對油菜和水稻種子無毒性[24]。利用蚯蚓轉(zhuǎn)化葛渣復(fù)混物料的過程也是蚯蚓與葛渣復(fù)混物料互相影響的過程，相關(guān)性分析結(jié)果顯示，Taw、Aws 和Wcs 與TOM 含量顯著正相關(guān)，主要是因為蚯蚓生長需要有機碳提供能量，其與TN和TK 含量顯著負相關(guān)、與TP 含量無顯著相關(guān)性的結(jié)果，與周波等[30]的研究結(jié)果不同，這可能與堆肥原料不同有關(guān)，需要進一步研究。

4 結(jié)論

（1）蚯蚓生物轉(zhuǎn)化技術(shù)可以應(yīng)用于葛渣肥料化處理，但純鮮葛渣和純腐熟葛渣均不利于蚯蚓生長繁殖，鮮葛渣和牛糞的復(fù)混物料適宜蚯蚓生長繁殖。

（2）蚯蚓堆肥處理降低了葛渣復(fù)混物料中的有機質(zhì)含量，同時進一步降低了葛渣復(fù)混物料的植物毒性，提高了葛渣復(fù)混物料的總養(yǎng)分含量。

（3）采用70%鮮葛渣復(fù)混30%牛糞進行蚯蚓堆肥，既不影響蚯蚓正常生長，又能充分利用廢棄葛渣。