蚯蚓堆肥影響土壤健康和作物生長的研究進展

1、    蚯蚓堆肥影響土壤健康和作物生長的研究進展    龐博文 李永梅 徐昆龍摘要：對蚯蚓堆肥發(fā)展的歷史進行簡單的介紹，綜合近年的研究情況，分析蚯蚓堆肥未來的發(fā)展方向。蚯蚓堆肥自身具有良好的結構，并含有大量的營養(yǎng)元素和植物生長激素。蚯蚓堆肥作為一種良好的土壤改良劑，可以改善土壤結構，增加土壤中微生物群落結構多樣性，吸附更多的重金屬離子。蚯蚓堆肥可以促進作物的生長，并起到增產增收的效果。在鹽漬化的土壤中，蚯蚓堆肥可以顯著增強作物對鹽脅迫的抗性;在連作的土壤中，蚯蚓堆肥可以控制土傳病害的傳播。蚯蚓堆肥可以消耗大量的固體廢棄物，并將其轉化為有效的肥料、土壤調節(jié)

2、劑、植物生長調節(jié)劑。關鍵詞：蚯蚓堆肥;土壤改良;作物生長調節(jié)近年來，由于耕作方式的不合理和保護措施的不完善，我國土壤面臨著酸化、鹽漬化、污染等一系列嚴重的問題。一方面，高投高產的集約化農業(yè)保證了糧食產量;但另一方面，集約化生產卻會導致土壤酸化、鹽漬化、土傳病害加重等問題，嚴重的連作障礙最終還會使得作物減產甚至絕收1。農藥、化肥的施用以及畜禽廢棄物排放的不規(guī)范，已經嚴重影響了土壤和周圍水體的安全，有毒有害物質最終會通過植物的富集作用影響到人們的餐桌安全2。眾所周知，化肥的長期使用不僅會導致土壤鹽漬化等問題，還會導致蔬菜中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量超標。而基于我國國情，很多情況下不得不采用連作的方式進

3、行種植。許多作物（例如三七）的根系向土壤中分泌化感自毒物質，導致微生物區(qū)系的失調，最終導致連作情況下的種苗成活率不到10%3-4。因此，采用綠色有機的耕作方式提高作物的產量與品質，并防止食品污染的發(fā)生，成為人們一直以來研究的熱點。資料顯示，我國2015年所產生的牲畜糞尿總量為2.399×109 t，其中牲畜糞總量為1.615×109 t5;我國的秸稈年產量已超過8×108 t6。在我國農村，普遍存在堆肥發(fā)酵不充分和秸稈焚燒的問題。未經發(fā)酵或發(fā)酵不充分的糞肥施用到土壤中可導致病蟲害的傳播，秸稈焚燒會帶來嚴重的空氣污染問題。在城市中，每天也會產生大量的腐爛蔬菜與水果，

4、若處理不當也會對市民的生活環(huán)境與身體健康產生嚴重影響。蚯蚓是一種常見的土壤生物。與許多其他土壤生物一樣，蚯蚓可以通過釋放信號分子等多種方式，提高植物的養(yǎng)分吸收和抗病能力，以促進植物生長7。蚯蚓可以吸食腐敗的蔬菜和水果等有機物，通過腸道的微生物作用，產出蚯蚓堆肥8。前期研究證明，在蚯蚓生產蚯蚓堆肥的過程中，被蚯蚓攝入的有機物中的營養(yǎng)成分會被轉化成利于植物吸收的可溶性鉀、硝酸鹽、可交換磷等形式9。而因為蚯蚓堆肥本身具有良好的結構及化學性質，施用蚯蚓堆肥可顯著增加土壤的透氣性和保水性8。較高的投入和較慢的生產速度限制了蚯蚓堆肥的發(fā)展空間10。但如果從合理消耗牲畜糞便、腐爛的蔬菜水果等有機廢棄物的角度

5、來講，蚯蚓堆肥的推廣有利于化肥減量施用與農業(yè)資源循環(huán)利用的發(fā)展。1 蚯蚓堆肥概述蚯蚓處理的土壤數量僅次于螞蟻和白蟻11。不同于會產生高溫的普通堆肥方式，蚯蚓堆肥是蚯蚓吸食環(huán)境中腐爛的蔬菜、水果等有機物質，經過蚯蚓腸道中微生物的作用，將一部分碳以co2的形式釋放出去，另外產生利于植物吸收的可溶性鉀、硝酸鹽、可溶性磷以及有機化合物的過程8-9，12。蚯蚓堆肥具有良好的結構性，在施入土壤之后可增加土壤的透氣與保水能力，其所含的有機質和營養(yǎng)元素可有效提高土壤有機質含量和肥力8，13。因此，蚯蚓堆肥被視為一種環(huán)境友好的土壤改良劑與肥料。1.1 蚯蚓堆肥的發(fā)展歷程在20世紀末，有大量的科學家對蚯蚓堆肥產生

6、了濃厚的興趣，在此之后蚯蚓堆肥技術不斷發(fā)展，成為了一種日趨成熟的環(huán)境友好型技術14。frank等在1983年初發(fā)表了第1篇有關于研究蚯蚓堆肥的文章15。最開始的蚯蚓堆肥是將植物殘體與有機肥、污泥混合或者將其放置于普通堆肥之上進行生產的15-18。蚯蚓堆肥所需要的時間大約為3周19。接下來，有研究者提出不采用添加動物糞便和普通堆肥等輔助手段，直接用榨汁后的葡萄殘渣廢料進行蚯蚓堆肥，消耗時間大約為15 d20。但在此時，人們對于蚯蚓堆肥生產的認識僅停留在表層，在生產中，蚯蚓與原材料的配比、蚯蚓堆肥的堆肥化程度及其生產效率都處于不明確的狀態(tài)。蚯蚓堆肥對動物糞便和普通堆肥的依賴曾導致了諸多問題的出現。

7、首先，若采用此種方法，在處理大量植物殘體的同時需要消耗大量的動物糞便或普通堆肥，不僅生產成本較昂貴，并且動物糞便和普通堆肥在運輸或預堆肥時也造成了溫室氣體的排放21-22。相對較長的處理時間，較低的經濟適用性和未定量化產出，也成為生產蚯蚓堆肥的最大短板。在近些年的研究中，abbasi等提出了高效植物殘渣蚯蚓堆肥化的概念14。與常規(guī)的堆肥有著顯著的不同，蚯蚓堆肥是一個連續(xù)的生物處理過程。在蚯蚓堆肥的生產過程中可以不斷添加原料，這使得以使用傳統(tǒng)堆肥的c n數據來衡量蚯蚓堆肥的進程存在諸多的不合理性23。因為蚯蚓堆肥的生產具有連續(xù)性，若要蚯蚓堆肥的c n達到一個穩(wěn)定的數值，則很有可能導致蚯蚓被迫吸食

8、自己產生的蚯蚓堆肥進行二次堆肥化，這種情況十分不利于蚯蚓堆肥的生產。早在2001年便有研究者提出，對于植物殘渣從蚯蚓吸食到完全產生蚯蚓堆肥僅需要1218 h24。這個時間遠小于我們之前所提到的3周或15 d。abbasi等通過改良蚯蚓堆肥工具的幾何形狀，增加了蚯蚓與基質的接觸面積，有效防止了厭氧菌的發(fā)酵，保證了濕度的均勻以及蚯蚓堆肥的收集，并通過添加砂礫作為堆肥層的方式，有效保證了蚯蚓堆肥的生產14。以上技術可以大大縮短蚯蚓堆肥所消耗的時間和成本，使得直接對植物殘體進行蚯蚓堆肥成為了可能。具有大量養(yǎng)分、植物激素、驅蟲成分的蚯蚓堆肥在實現高效生產后，將造福于有機固體廢棄物的處理、土壤改良與植物生

9、產24。1.2 蚯蚓堆肥與普通堆肥的區(qū)別蚯蚓堆肥與普通堆肥有著諸多的區(qū)別。雖然蚯蚓堆肥和普通堆肥都是通過微生物的作用來實現堆肥化，但蚯蚓堆肥化與普通堆肥化的場所、方式、溫度等方面均有所不同，這最終導致了兩者的性質、構成、作用有著顯著的差異。首先，蚯蚓堆肥化發(fā)生的場所是在蚯蚓的腸道內，而普通堆肥化的場所為空曠場所的堆積堆中9。隨著研究的深入，蚯蚓堆肥的生產也形成了特定的容器，以節(jié)約生產成本和提高生產效率14。普通堆肥化需要經歷高溫過程，而蚯蚓堆肥化是在活體中進行的，所以不會經歷高溫過程。這直接導致了蚯蚓堆肥中含有相對平衡的微生物群落結構，進而能夠起到控制土傳病害的效果。其次，蚯蚓堆肥和普通堆肥的

10、生產方式有所不同。區(qū)別于普通堆肥的一次性生產，蚯蚓堆肥的生產過程是連續(xù)的，在蚯蚓堆肥化的過程中需要不斷地投入原料，蚯蚓堆肥也會不斷地產出23。另外，蚯蚓堆肥不像普通堆肥一樣帶有嚴重的氣體污染、病原菌傳播和水體污染問題。有研究證明，普通堆肥在高溫發(fā)酵的過程中會產生大量的溫室氣體且有傳播病原菌的可能，堆肥中的氮流失最終也會污染水體25。而蚯蚓堆肥自身含有大量的益生菌，有科學家從蚯蚓堆肥中分離出可用于控病的枯草芽孢桿菌m29菌株26，且蚯蚓堆肥不經歷高溫過程，不會殺滅其中的微生物，其最終產物中的固相和液相部分均可以被利用。因此，蚯蚓堆肥和普通堆肥的可利用部分存在較大差異。普通堆肥因為經歷高溫且只含固

11、形物，只能作為有機質歸還土壤;而蚯蚓堆肥除可作為有機質回歸土壤外，還可以用來控制土傳病害，經過固液分離得出的液體部分可以用作葉面肥和水溶肥。綜上所述，蚯蚓堆肥不僅可以有效避免普通堆肥帶來的環(huán)境問題和病原菌傳播問題，還可以幫助土壤恢復群落結構的平衡，進而保證生產活動的正常進行。并且蚯蚓堆肥中含有的營養(yǎng)元素、營養(yǎng)活化劑與植物激素可以更好地促進作物的生長。2 蚯蚓堆肥對土壤的影響眾所周知，肥力是土壤的本質，尤其是在農業(yè)生產中，土壤的肥力顯得尤為重要。而正是因為對土壤肥力的追求，人們才大量使用化肥?；实氖褂秒m然能夠達到增產增收的效果，但其在農業(yè)生產中對土壤也產生了大量負面影響。土壤酸化、土壤鹽漬化、

12、土壤微生物群落結構的破壞導致土壤質量變差，最終直接影響到了糧食的生產。因此，近年來人們一直在進行土壤改良劑和化肥減量施用的研究和嘗試。而蚯蚓堆肥作為一種環(huán)境友好的、具有疏松多孔結構并含有大量的有機質、養(yǎng)分、植物激素等物質的土壤改良劑和肥料，剛好適合我們目前的需求8，24。在另一方面，由土壤帶來的環(huán)境問題也一直困擾著人們。其中，因重金屬的排放導致土壤背景值超標的問題一直嚴重干擾著農業(yè)生產與人們的健康?？茖W家們在積極嘗試采用鈍化劑將污染物鈍化，或采用活化劑和富集植物配合的方式將土壤中的重金屬吸附走。而蚯蚓堆肥因其獨特的性質受到了研究者們的關注。有部分科學家對蚯蚓堆肥與重金屬污染的關系進行了探究。2

13、.1 蚯蚓堆肥對土壤肥力的影響蚯蚓堆肥是蚯蚓體內微生物對植物體殘渣或動物糞便進行處理的產物，因此一提到蚯蚓堆肥，大家首先想到的便是有機質8。但有機質并非蚯蚓堆肥的唯一成分，蚯蚓堆肥中還含有大量的營養(yǎng)元素、植物激素以及微生物等24。這使得蚯蚓堆肥不僅能夠提高土壤的有機質含量，其釋放出的物質還能夠保證土壤的長效肥力以及糧食安全13，25-27。近些年有研究結果證明，蚯蚓堆肥與化肥配施可有效防止土壤中氮、磷元素的流失，但用作覆蓋物（即撒施蚯蚓堆肥）對土壤表面氮、磷含量的變化并未起到顯著作用28。也有研究表明，在石灰性土壤上施用蚯蚓肥可得到完全不一樣的效果。parastesh等的研究結果表明，蚯蚓堆肥

14、中含有一種名為溶磷細菌的微生物，可通過其自身的生化反應將固定在土壤中的磷元素釋放出來，即使在不施用磷肥的情況下也可以保證磷素的供應29。gupta等的研究也表明，隨著蚯蚓堆肥施用量的增加，土壤中磷酸酶的活性顯著增加，且作物的磷吸收量也相應增加30。蚯蚓堆肥一方面可以通過螯合作用增加土壤中可被植物利用的礦質元素的含量，另一方面也可以通過提高土壤保水率等方式阻止土壤中氮素和磷素的流失，起到很好的保水保肥的作用29，30-33。綜上所述，在石灰性土壤中可施用蚯蚓堆肥，降低土壤ph值，并將固定在土壤中的磷釋放出來以滿足作物對磷元素的需求。在水土流失較為嚴重的地方或污染較為嚴重的水體周圍，可以采用蚯蚓堆

15、肥固持水土，保證營養(yǎng)元素尤其是硝酸根離子不被雨水淋失，以保障養(yǎng)分的供應，并防止水體的富營養(yǎng)化。蚯蚓堆肥可以防止施用的磷肥被固定在土壤中，還能將土壤中閉蓄態(tài)的磷轉化為可利用的磷，大大減少磷肥的用量。蚯蚓堆肥在保持水土、釋放土壤養(yǎng)分、提高化肥的養(yǎng)分利用率、增加土壤的有機質含量等方面均有效果，有利于資源的可持續(xù)利用。2.2 蚯蚓堆肥對土壤微生物的影響眾所周知，土壤微生物的群落結構及其平衡對土壤有重要的影響。土壤微生物也同樣是連作障礙及土傳病害蔓延的關鍵因素。近些年化肥的施用，使得土壤中微生物的生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱34，因此，我們需要依靠外源添加的方式，向土壤中添加有機質和有益菌，以維持微生物群落結構

16、的平衡并抑制病原菌的傳播。在制造蚯蚓堆肥的過程中，其產物中細菌群落功能的多樣性呈不斷增長的趨勢，細菌的代謝能力、鏈霉素和水楊酸合成及硝化作用得到了不斷加強，這些反應揭示了蚯蚓堆肥改良土壤的原因35-36。有研究證明，蚯蚓堆肥的施用可以顯著提高秋葵根際土壤的生物量，隨著蚯蚓堆肥施用量的增加，根際土壤的生物量也逐漸增加30。但也有研究表明，蚯蚓堆肥的施用會顯著降低韭菜根際土壤的真菌群落豐度，進而喪失真菌群落的多樣性37。zhao等的研究表明，蚯蚓堆肥可以通過顯著增加細菌菌群的豐度和多樣性來抑制連作番茄根際土壤中鐮刀菌的繁殖;而且，蚯蚓堆肥的添加不僅可以增加土壤中細菌的豐度，同時抑制有害菌的生長以達

17、到菌落的生態(tài)穩(wěn)定性，還可以降解土壤中因連作積累的酚酸類自毒物質38。有研究表明，蚯蚓堆肥中的提取物可以有效降低南方根結線蟲孵化率并顯著提升其死亡率，還可以顯著降低番茄的根瘤數量39。綜上所述，蚯蚓堆肥通過影響作物的生理指標和生長過程，進而改善作物的品質并增強其可食用性與耐存儲性，在保證產量的同時為人們提供更好的品質。4 結論與展望在過去的作物生產中，蚯蚓堆肥從未形成過一定的體系或定量的標準，但這些問題將在不遠的將來得到解決，這就意味著蚯蚓堆肥的量產將成為可能。蚯蚓堆肥的品種也將得到不斷的細化，未來的市場上將會出現性質不同、用途不同、效果不同的蚯蚓堆肥，以滿足不同土壤、不同作物、不同種植方式的需

18、求。如此，在不斷產生大量有機固體廢棄物的同時，可以將其中的大部分轉化為可再利用的肥料，這將有利于資源的循環(huán)利用與農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。蚯蚓堆肥可以通過自身良好的性質減緩土壤酸化、鹽漬化進程，也可以對水中和存在于土壤中的游離態(tài)離子進行吸附固定。在土壤改良方面，將進一步對蚯蚓堆肥進行定量分析，將蚯蚓堆肥的施用定量化、合理化、多樣化。在面對重金屬離子污染方面，已出現蚯蚓堆肥改性劑以增加其對金屬離子的穩(wěn)定吸附效果，將來會出現更多的蚯蚓堆肥改性劑，并實現蚯蚓堆肥吸附金屬離子的定量化。蚯蚓堆肥的施用將會對土壤性質改良以及土壤污染防控起到重要作用。未來對蚯蚓堆肥研究可能將在以下幾個方面展開。第一，隨著對蚯蚓研究

19、的深入，科研工作者們將會進一步研究蚯蚓堆肥的科學生產方式，面對城市和鄉(xiāng)村有機廢棄物的處理將會形成統(tǒng)一的蚯蚓堆肥標準。第二，隨著更多科研精力的投入，將會有更多的有益菌從蚯蚓堆肥中篩取出來。第三，隨著蚯蚓堆肥量產的實現，將會有更多研究將蚯蚓堆肥與益生菌、肥料或各種土壤改良劑配合施用，以探求更多解決土壤問題的方式。蚯蚓堆肥從生產到施用，完成了資源的再利用，也避免了因農藥化肥的不恰當使用帶來的種種環(huán)境問題。僅從生產和施用這2個環(huán)節(jié)來講，蚯蚓堆肥可能存在一些成本投入，但對于全球的資源循環(huán)與保護的問題上，節(jié)約下的成本將遠小于我們花費的成本。技術的成熟使得蚯蚓堆肥具有量化生產的可能，而科學的發(fā)展將會進一步完

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