張 智，李雙來，陳云峰，胡 誠，劉東海，劉治福，喬 艷*

（1．農業(yè)農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，湖北省農業(yè)科學院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064；2．湖北田申甲生物環(huán)?？萍加邢薰?，湖北 武穴 435402）

隨著種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，農業(yè)廢棄物的產生量逐漸增加［1］。一方面，廢棄物中富含有機質和氮（N）、磷（P）等營養(yǎng)元素，是種植業(yè)重要的養(yǎng)分資源；另一方面，由碳（C）、N、P等元素排放引起的溫室效應、氨揮發(fā)、水體富營養(yǎng)化、土壤酸化等環(huán)境污染問題尤為嚴重［2-3］。開展廢棄物資源化利用，尤其是農業(yè)廢棄物的肥料化利用，對于提高農牧業(yè)生產效率和保護環(huán)境具有重要意義。廢棄物處理工藝的核心為好氧堆肥和厭氧發(fā)酵，從目前來看，固體糞便主要采用好氧堆肥的方式、液體糞污主要采用厭氧發(fā)酵的方式進行處理。然而，好氧堆肥過程中仍然存在有機物降解不均勻、C和N損失較大、臭味濃等問題；厭氧發(fā)酵則具有投入成本高、用水量大、沼液處理難等問題［4-5］。因此，為適應日益增長的廢棄物產生趨勢，研發(fā)處理效率高、環(huán)境污染低的資源化利用技術將成為研究的熱點。

蚯蚓堆肥是在蚯蚓和微生物的綜合作用下，將有機物質快速降解成穩(wěn)定的腐殖質［6］。近年來，蚯蚓堆肥因其獨特的優(yōu)點被廣泛應用于廢棄物資源化利用中。大量的研究表明，蚯蚓處理的廢棄物對象已覆蓋畜禽糞便、作物秸稈、污泥、蔬菜尾菜等。其中，牛糞因其富含纖維素和養(yǎng)分元素被認為更適宜于蚯蚓生長［7］。盡管蚯蚓處理過程堆體溫度較低，不能完全對雜草種子進行滅活，但是在蚯蚓和微生物的協同作用下，有機物質被迅速分解成穩(wěn)定的腐殖質，降解效率更高［8］。與好氧堆肥相比，蚯蚓糞N、P養(yǎng)分含量增加幅度更高［9］，且蚯蚓處理過程中的溫室氣體排放量更低［10］。C、N養(yǎng)分的損失直接關系著腐熟產品的品質，絕大多數的有機碳被蚯蚓和微生物的呼吸作用消耗，從而產生CO2，同時，也有低于6%的碳以CH4的形式損失［11］。氮素主要是通過NH3揮發(fā)、硝化和反硝化作用的形式損失的，含水率、氧濃度、溫度等因素是影響N素損失的關鍵［12］。

目前有關蚯蚓堆肥的研究多采用小規(guī)模的培養(yǎng)試驗，其外部條件往往被嚴格控制，如環(huán)境溫度、空氣濕度、堆體形狀等，且較少考慮成本問題；而工廠化大規(guī)模蚯蚓堆肥需綜合考慮技術的可操作性和區(qū)域適應性，且工廠內不同堆體所處的環(huán)境條件和堆肥階段具有不確定性。因此，小規(guī)模的模擬試驗結果可能不足以反映大規(guī)模蚯蚓堆肥的實際情況，有必要開展大規(guī)模蚯蚓養(yǎng)殖過程中物質變化與環(huán)境效應的研究。本研究以工廠化蚯蚓處理牛糞模式為對象，限定研究邊界，明確處理過程中各環(huán)節(jié)C、N、P元素的物質變化規(guī)律，并定量化評估該模式的環(huán)境效益，為蚯蚓處理廢棄物模式的應用推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

研究對象為一家蚯蚓養(yǎng)殖場，位于湖北省武穴市。蚯蚓養(yǎng)殖的主料為牛糞，來源于附近的一家奶牛養(yǎng)殖場，采用干清糞的方式收集，車輛運輸到蚯蚓養(yǎng)殖場；輔料為污泥和秸稈，污泥來源于污水處理廠，秸稈從周邊種植戶收集。蚯蚓養(yǎng)殖場占地面積約25 hm2，采用大棚養(yǎng)殖的方法，每個大棚內部兩側設置2條長40 m、寬1 m、高0.3～0.9 m的堆體。工廠日均處理奶牛糞約100 t，其他廢棄物約40 t，穩(wěn)定運行時間超過2年。各物料常年基本理化性質如表1所示。

表1 廢棄物基本理化性狀

1.2 研究方法

1.2.1 研究邊界

工廠化蚯蚓堆肥模式的整個過程基本可劃分為4個階段：原料輸入、原料混合、蚯蚓處理和成品輸出。如圖1所示，本研究限定原料混合和蚯蚓處理2個階段作為邊界。在原料混合階段，牛糞與其他廢棄物的混合比例介于1∶1～3∶2之間，混合周期約為5 d。原料混合均勻后通過定制的車輛進行上料，上料前活體蚯蚓投放密度為2 kg/m2，采用持續(xù)上料的方式，每隔5 d左右上1次料，共上料3次，每次上料高度約為0.3 m，蚯蚓處理整個處理周期平均約為40 d。本研究將蚯蚓處理階段劃分為3個時期，即初期、中期和末期，各時期處理天數分別為10、15和10 d。各環(huán)節(jié)C、N、P元素相關的變化清單主要包括：（1）固體物料的C、N、P元素變化；（2）C、N元素的氣態(tài)損失；（3）N、P元素的土壤遷移。

圖1 蚯蚓堆肥工程示意圖

1.2.2 樣品采集與測定方法

固體物料樣品：為分析各環(huán)節(jié)固體物料C、N、P元素含量的變化，分別于原料混合階段、蚯蚓處理初期、蚯蚓處理中期和蚯蚓處理末期4個時期采集固體物料樣品，每個時期采集4個大棚作為重復，同一個大棚內采集4個點得到混合樣。養(yǎng)殖場采用定期噴灑井水的方式，維持蚯蚓生長期間水分為70%±10%［13］，為避免水分對取樣的影響，每次取樣保證在灑水前1 d。剔除蚯蚓活體，帶回實驗室風干、研磨、過篩，用于C、N、P以及含水率和pH等指標的測定，均采用NY 525-2012標準方法進行測定。

氣體樣品：為分析各環(huán)節(jié)固體物料的C、N氣體損失，分別于原料混合階段、蚯蚓處理初期、蚯蚓處理中期和蚯蚓處理末期共4個時期采集氣體樣品，每個時期采集4個大棚作為重復，同一個大棚內采集4個點。NH3采用硼酸吸收-標準酸滴定法測定，即將裝有50 mL硼酸吸收液的小燒杯（100 mL）置于物料表面，用已知截面積的大燒杯（2 L）扣住小燒杯，燒杯口周圍用物料密封，收集燒杯覆蓋范圍內揮發(fā)的NH3［14］。N2O、CH4和CO2采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測定，靜態(tài)箱為直徑40 cm、高50 cm的有機玻璃圓桶，采氣時間為9：00～11：00。采氣時將采氣桶倒扣在物料表面，插入5 cm深，桶口周圍用物料密封，在0、15、30 min用注射器各采集1個氣體樣品，貯存于鋁箔氣袋，同時記錄箱內溫度。

土壤樣品：為分析蚯蚓處理階段堆體N、P元素向土壤下方的遷移損失，以堆放牛糞前0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層土壤樣品為對照，對比蚯蚓處理牛糞一個周期（40 d）后堆體下方土壤全N、NH4+、NO3-、全P、有效P指標的變化情況，各指標均采用常規(guī)方法測定［15］。

1.3 數據處理

1.3.1 氣體排放通量的計算

氣體排放通量計算公式為：

其中，F為排放通量［mg/（m2·h）］，ρ為標準狀態(tài)下的氣體密度（kg/m3），V為靜態(tài)箱有效體積（m3），S為截面積（m2），dC/dt為單位時間靜態(tài)箱內的氣體濃度變化，T為靜態(tài)箱內平均溫度（℃）。

1.3.2 環(huán)境影響定量化分析

本研究環(huán)境影響評價未考慮蚯蚓處理過程中電力、燃油等能源消耗，以及除C、N、P元素以外的其他污染物對環(huán)境造成的影響。將環(huán)境影響分為對氣體環(huán)境的全球變暖潛勢（GWP）、對水體環(huán)境的富營養(yǎng)化潛勢（EP）和對土壤環(huán)境的酸化潛勢（AP），其計算公式分別為：

其 中，25、298、0.33、0.42、1.88均 為 相 應的環(huán)境效益當量值，N2O、CH4、CO2、NH3為蚯蚓每處理1 t牛糞累積的氣體排放量（kg/t），NO3-、PO43-為土壤遷移量（kg/t）。

2 結果與分析

2.1 固體物料碳、氮、磷變化

蚯蚓處理牛糞過程中物料的理化性質變化，包括養(yǎng)分含量和穩(wěn)定的有機質，是評估有機肥產品品質和蚯蚓適應性的重要參考［16］。如表2所示，原料混合后初始物料的含水率為65.6%，符合蚯蚓生長的含水率要求，到蚯蚓處理末期則降至34.4%。由于N、P元素的礦化作用，pH往往表現出降低的趨勢［17］，本研究物料pH在整個過程中介于8.07～8.45之間，無明顯的變化趨勢，這可能與飼養(yǎng)蚯蚓的基礎物料屬性有關［6］。由于有機物質的降解，全C含量呈明顯下降的趨勢，而全N含量則有所增加，這與常規(guī)好氧堆肥過程中碳素降解速率高于氮素的現象一致［18］。C/N由初始原料的31.3降低到蚯蚓處理末期的14.3，符合腐熟堆肥的標準（C/N＜20），且與普通堆肥相比，蚯蚓降解有機物的比例更高［8］。物料中NH4+含量呈下降的趨勢，而NO3-含量呈上升的趨勢，說明蚯蚓處理牛糞有利于硝化作用促進NH4+向NO3-的轉化，末期物料NH4+和NO3-含量分別為143.1和331.0 mg/kg；其中，NH4+含量低于400 mg/kg、NH4+/NO3

表2 蚯蚓堆肥模式固體物料理化性質

-低于0.5，均表示蚯蚓糞成品達到堆肥腐熟的規(guī)定［19］。蚯蚓處理對物料全P含量無明顯影響，結束時為1.61%，對應的C/P為19.0，屬于土壤可利用的范圍［20］。從物料性質的變化來看，工廠化蚯蚓堆肥C/N和C/P降幅分別為54.3%和35.8%，而小規(guī)模蚯蚓堆肥的降幅分別為47.6%～60.4%和56.2%～68.2%［8］，表明工廠化蚯蚓堆肥模式有機物質的降解效率低于小規(guī)模室內培養(yǎng)試驗，這主要與物料配方的調節(jié)和環(huán)境條件的控制有關。

2.2 碳、氮氣體排放通量

規(guī)?；B(yǎng)殖和糞便管理方式的改變，是畜禽糞便管理過程中溫室氣體增加的主要原因［21］。蚯蚓處理作為有機廢棄物資源化利用的有效途徑，其溫室氣體和NH3的排放規(guī)律仍有待進一步明確。如圖2所示，在原料混合階段，CH4、CO2、N2O、NH3的排放通量分別為145.9、1672、0.99、24.8 g/（t·d）。其中，CH4和N2O的排放通量明顯高于蚯蚓處理階段，這可能與初始物料的含水率較高、氧含量較低有關［12］。隨著蚯蚓處理過程的進行，CH4排放通量由初期的30.3 g/（t·d）降低到末期的0.1 g/（t·d），N2O排放通量由0.73 g/（t·d）降低到0.02 g/（t·d）；與蚯蚓輔助堆肥處理牛糞和番茄莖稈相比，本研究中CH4的排放峰值較高，而N2O的排放峰值較低［22］。CO2排放通量在原料混合階段相對較低，隨著蚯蚓的添加，CO2排放通量有所增加，在中期達到最高，為4682 g/（t·d），到末期時則有所降低，這與Barthod等［23］的研究結果一致。NH3的排放通量在蚯蚓處理初期達到最高，為36.5 g/（t·d），到末期降低到3.9 g/（t·d），排放高峰明顯低于不同方式的牛糞好氧堆肥［151.1～574.8 g/（t·d）］［24］。從規(guī)?；球径逊蔆、N氣體排放規(guī)律可以看出，蚯蚓處理階段，CH4、N2O和NH3均表現出逐漸降低的趨勢，CO2則表現出先增加后降低的趨勢。與小規(guī)模蚯蚓堆肥相比［25］，規(guī)模化蚯蚓堆肥模式未監(jiān)測到CH4和N2O在后期的排放高峰，這可能與工廠化蚯蚓堆肥周期相對較短有關。

圖2 蚯蚓堆肥模式碳、氮氣體排放通量

蚯蚓處理牛糞過程中的C、N氣體累積排放情況如表3所示，CH4和CO2的累積排放量分別為1105和150142 g/t，其中，CH4的排放主要累積在原料的混合階段，CO2的排放主要累積在蚯蚓處理中期。N2O和NH3的累積排放量分別為14.9和689 g/t，且兩者的排放均主要累積在蚯蚓處理初期。結合初始物料總C、N含量，蚯蚓處理牛糞過程中CH4和CO2的累積損失率分別為0.5%和24.7%，N2O和NH3的累積損失率分別為0.2%和10.7%。整合分析結果顯示，好氧堆肥過程中N2O和NH3的平均損失率分別為1.5%和17.1%，且不同堆肥方式、廢棄物類型、填充劑類型、堆肥周期、堆肥規(guī)模的氮素損失率均普遍高于本研究蚯蚓處理牛糞模式［26］。在小規(guī)模蚯蚓堆肥中，CH4-C、N2O-N和NH3-N的損失率分別為0.1%、0.9%和12.3%［22］，其中CH4和N2O的損失率明顯低于工廠化大規(guī)模蚯蚓堆肥，其原因可能與小規(guī)模蚯蚓堆肥未考慮原料混合階段（含水率較高）的氣體損失有關，進而低估了溫室氣體的排放總量。

表3 蚯蚓堆肥模式碳、氮氣體累積排放量

2.3 土壤氮、磷遷移量

氮、磷等營養(yǎng)物質通過淋溶向下遷移的過程，是農業(yè)面源污染的一種重要形式［27］。在土壤表面堆放牛糞堆體前后，不同深度土壤全N、NH4+和NO3

-含量的變化情況如圖3所示。從不同土壤深度來看，全N含量隨著土壤深度的增加表現出逐漸降低的趨勢；從堆放牛糞前后來看，堆放牛糞后土壤全N含量在0～10和10～20 cm土層的變幅為0.97～1.10 g/kg，明顯高于堆放牛糞前的土層土壤（0.83～0.84 g/kg），而兩者在20～40 cm土層無明顯差異，介于0.50～0.63 g/kg之間。NH4+含量隨土壤深度無明顯的變化規(guī)律；不同深度土壤NH4+含量由堆放牛糞前的0.80～0.90 mg/kg，增加到堆放牛糞后的0.99～1.10 mg/kg。NO3-含量隨土壤深度的增加同樣表現出降低的趨勢，堆放牛糞前由29.9 mg/kg降低到14.3 mg/kg，而堆放牛糞后由50.1mg/kg降低到20.8 mg/kg；堆放牛糞后不同深度土壤NO3-含量均有不同程度地增加，且表層（0～20 cm）增幅高于深層（20～40 cm）。

圖3 堆放牛糞前后土壤全N、NH4+和NO3-含量的變化

在土壤表面堆放牛糞堆體前后，不同深度土壤全P和有效P含量的變化情況如圖4所示。隨著土壤深度的增加，全P含量無明顯的變化規(guī)律；從堆放牛糞前后的土壤全P含量來看，差異主要表現在0～20 cm土層深度，其中，堆放牛糞后0～10和10～20 cm土層土壤全P含量分別為1.00和0.92 mg/kg，較堆放牛糞前增加了14%和10%。堆放牛糞前后土壤有效P含量隨深度的增加均表現出降低的趨勢，當達到20～30 cm土層時，有效P含量維持在2.5 mg/kg左右；堆放牛糞后，0～10 cm土層土壤AP含量達到30.9 mg/kg，較堆放前增加了2倍以上。

圖4 堆放牛糞前后土壤全P和有效P含量的變化

2.4 環(huán)境影響評價

蚯蚓處理牛糞模式的環(huán)境影響結果顯示（表4），全球變暖潛勢、富營養(yǎng)化潛勢、酸化潛勢分別為181.1 kg CO2eq/t、0.24 kg PO4eq/t和1.29 kg SO2eq/t。與蚯蚓輔助堆肥處理蔬菜廢棄物相比［28］，本研究蚯蚓處理階段由CH4和N2O引起的GWP更低，為12.0 kg CO2eq/t。與牛糞好氧堆肥模式相比［29］，本研究蚯蚓處理牛糞模式在較大程度上降低了各方面的環(huán)境危害。與牛糞厭氧發(fā)酵模式相比［30］，蚯蚓處理牛糞模式降低了全球變暖潛勢和富營養(yǎng)化潛勢，但增加了酸化潛勢，其主要原因是由于厭氧發(fā)酵時NH3揮發(fā)較少。由于本研究未考慮電力、燃油以及除C、N、P元素以外的其他污染物對環(huán)境造成的影響，在一定程度上可能會低估了環(huán)境的影響值。盡管工廠化蚯蚓堆肥模式具有較好的環(huán)境效益，但在推廣應用時還應考慮運行和成本等多方面問題，如原料的供應與預處理、夏季保濕與冬季保溫、蚓種引進與活蚓分離、土地與能源投入等。因此，本研究針對工廠化蚯蚓堆肥模式的推廣提出：工廠選址靠近原料來源，推薦以奶牛糞為主料；建設保溫大棚，配備噴淋裝置；長期儲備作物秸稈，用于物料調節(jié)和覆蓋保溫；配套建設小規(guī)模堆肥場，以處理多余廢棄物。

表4 蚯蚓堆肥模式的環(huán)境影響值

3 結論

（1）蚯蚓堆肥得到的蚯蚓糞可達到堆肥腐熟的標準。

（2）從原料混合到蚯蚓處理結束，CH4、CO2、N2O和NH3的損失率占初始C、N的比例分別為0.50%、24.70%、0.18%和10.71%。

（3）在土質地面進行蚯蚓堆肥，其N、P均會向下遷移，且主要集中在0～20 cm表層土壤。

（4）蚯蚓堆肥模式的全球變暖潛勢、富營養(yǎng)化潛勢和酸化潛勢分別為46.0 kg CO2eq/t、0.24 kg PO4eq/t和1.29 kg SO2eq/t，較傳統(tǒng)的好氧堆肥和厭氧發(fā)酵模式環(huán)境效益更佳。