蚯蚓堆肥影响土壤健康和作物生长的研究进展

庞博文 李永梅 徐昆龙

摘要：对蚯蚓堆肥发展的历史进行简单的介绍，综合近年的研究情况，分析蚯蚓堆肥未来的发展方向。蚯蚓堆肥自身具有良好的结构，并含有大量的营养元素和植物生长激素。蚯蚓堆肥作为一种良好的土壤改良剂，可以改善土壤结构，增加土壤中微生物群落结构多样性，吸附更多的重金属离子。蚯蚓堆肥可以促进作物的生长，并起到增产增收的效果。在盐渍化的土壤中，蚯蚓堆肥可以显著增强作物对盐胁迫的抗性;在连作的土壤中，蚯蚓堆肥可以控制土传病害的传播。蚯蚓堆肥可以消耗大量的固体废弃物，并将其转化为有效的肥料、土壤调节剂、植物生长调节剂。

关键词：蚯蚓堆肥;土壤改良;作物生长调节

近年来，由于耕作方式的不合理和保护措施的不完善，我国土壤面临着酸化、盐渍化、污染等一系列严重的问题。一方面，高投高产的集约化农业保证了粮食产量;但另一方面，集约化生产却会导致土壤酸化、盐渍化、土传病害加重等问题，严重的连作障碍最终还会使得作物减产甚至绝收[1]。农药、化肥的施用以及畜禽废弃物排放的不规范，已经严重影响了土壤和周围水体的安全，有毒有害物质最终会通过植物的富集作用影响到人们的餐桌安全[2]。众所周知，化肥的长期使用不仅会导致土壤盐渍化等问题，还会导致蔬菜中的硝酸盐和亚硝酸盐含量超标。而基于我国国情，很多情况下不得不采用连作的方式进行种植。许多作物（例如三七）的根系向土壤中分泌化感自毒物质，导致微生物区系的失调，最终导致连作情况下的种苗成活率不到10%[3-4]。因此，采用绿色有机的耕作方式提高作物的产量与品质，并防止食品污染的发生，成为人们一直以来研究的热点。

资料显示，我国2015年所产生的牲畜粪尿总量为2.399×109 t，其中牲畜粪总量为1.615×109 t[5];我国的秸秆年产量已超过8×108 t[6]。在我国农村，普遍存在堆肥发酵不充分和秸秆焚烧的问题。未经发酵或发酵不充分的粪肥施用到土壤中可导致病虫害的传播，秸秆焚烧会带来严重的空气污染问题。在城市中，每天也会产生大量的腐烂蔬菜与水果，若处理不当也会对市民的生活环境与身体健康产生严重影响。

蚯蚓是一种常见的土壤生物。与许多其他土壤生物一样，蚯蚓可以通过释放信号分子等多种方式，提高植物的养分吸收和抗病能力，以促进植物生长[7]。蚯蚓可以吸食腐败的蔬菜和水果等有机物，通过肠道的微生物作用，产出蚯蚓堆肥[8]。前期研究证明，在蚯蚓生产蚯蚓堆肥的过程中，被蚯蚓摄入的有机物中的营养成分会被转化成利于植物吸收的可溶性钾、硝酸盐、可交换磷等形式[9]。而因为蚯蚓堆肥本身具有良好的结构及化学性质，施用蚯蚓堆肥可显著增加土壤的透气性和保水性[8]。较高的投入和较慢的生产速度限制了蚯蚓堆肥的发展空间[10]。但如果从合理消耗牲畜粪便、腐烂的蔬菜水果等有机废弃物的角度来讲，蚯蚓堆肥的推广有利于化肥减量施用与农业资源循环利用的发展。

1 蚯蚓堆肥概述

蚯蚓处理的土壤數量仅次于蚂蚁和白蚁[11]。不同于会产生高温的普通堆肥方式，蚯蚓堆肥是蚯蚓吸食环境中腐烂的蔬菜、水果等有机物质，经过蚯蚓肠道中微生物的作用，将一部分碳以CO2的形式释放出去，另外产生利于植物吸收的可溶性钾、硝酸盐、可溶性磷以及有机化合物的过程[8-9，12]。蚯蚓堆肥具有良好的结构性，在施入土壤之后可增加土壤的透气与保水能力，其所含的有机质和营养元素可有效提高土壤有机质含量和肥力[8，13]。因此，蚯蚓堆肥被视为一种环境友好的土壤改良剂与肥料。

1.1 蚯蚓堆肥的发展历程

在20世纪末，有大量的科学家对蚯蚓堆肥产生了浓厚的兴趣，在此之后蚯蚓堆肥技术不断发展，成为了一种日趋成熟的环境友好型技术[14]。Frank等在1983年初发表了第1篇有关于研究蚯蚓堆肥的文章[15]。最开始的蚯蚓堆肥是将植物残体与有机肥、污泥混合或者将其放置于普通堆肥之上进行生产的[15-18]。蚯蚓堆肥所需要的时间大约为3周[19]。接下来，有研究者提出不采用添加动物粪便和普通堆肥等辅助手段，直接用榨汁后的葡萄残渣废料进行蚯蚓堆肥，消耗时间大约为15 d[20]。但在此时，人们对于蚯蚓堆肥生产的认识仅停留在表层，在生产中，蚯蚓与原材料的配比、蚯蚓堆肥的堆肥化程度及其生产效率都处于不明确的状态。

蚯蚓堆肥对动物粪便和普通堆肥的依赖曾导致了诸多问题的出现。首先，若采用此种方法，在处理大量植物残体的同时需要消耗大量的动物粪便或普通堆肥，不仅生产成本较昂贵，并且动物粪便和普通堆肥在运输或预堆肥时也造成了温室气体的排放[21-22]。相对较长的处理时间，较低的经济适用性和未定量化产出，也成为生产蚯蚓堆肥的最大短板。

在近些年的研究中，Abbasi等提出了高效植物残渣蚯蚓堆肥化的概念[14]。与常规的堆肥有着显著的不同，蚯蚓堆肥是一个连续的生物处理过程。在蚯蚓堆肥的生产过程中可以不断添加原料，这使得以使用传统堆肥的C ∶ N数据来衡量蚯蚓堆肥的进程存在诸多的不合理性[23]。因为蚯蚓堆肥的生产具有连续性，若要蚯蚓堆肥的C ∶ N达到一个稳定的数值，则很有可能导致蚯蚓被迫吸食自己产生的蚯蚓堆肥进行二次堆肥化，这种情况十分不利于蚯蚓堆肥的生产。

早在2001年便有研究者提出，对于植物残渣从蚯蚓吸食到完全产生蚯蚓堆肥仅需要12～18 h[24]。这个时间远小于我们之前所提到的3周或15 d。Abbasi等通过改良蚯蚓堆肥工具的几何形状，增加了蚯蚓与基质的接触面积，有效防止了厌氧菌的发酵，保证了湿度的均匀以及蚯蚓堆肥的收集，并通过添加砂砾作为堆肥层的方式，有效保证了蚯蚓堆肥的生产[14]。以上技术可以大大缩短蚯蚓堆肥所消耗的时间和成本，使得直接对植物残体进行蚯蚓堆肥成为了可能。具有大量养分、植物激素、驱虫成分的蚯蚓堆肥在实现高效生产后，将造福于有机固体废弃物的处理、土壤改良与植物生产[24]。

1.2 蚯蚓堆肥与普通堆肥的区别

蚯蚓堆肥与普通堆肥有着诸多的区别。虽然蚯蚓堆肥和普通堆肥都是通过微生物的作用来实现堆肥化，但蚯蚓堆肥化与普通堆肥化的场所、方式、温度等方面均有所不同，这最终导致了两者的性质、构成、作用有着显著的差异。

首先，蚯蚓堆肥化发生的场所是在蚯蚓的肠道内，而普通堆肥化的场所为空旷场所的堆积堆中[9]。随着研究的深入，蚯蚓堆肥的生产也形成了特定的容器，以节约生产成本和提高生产效率[14]。普通堆肥化需要经历高温过程，而蚯蚓堆肥化是在活体中进行的，所以不会经历高温过程。这直接导致了蚯蚓堆肥中含有相对平衡的微生物群落结构，进而能够起到控制土传病害的效果。其次，蚯蚓堆肥和普通堆肥的生产方式有所不同。区别于普通堆肥的一次性生产，蚯蚓堆肥的生产过程是连续的，在蚯蚓堆肥化的过程中需要不断地投入原料，蚯蚓堆肥也会不断地产出[23]。另外，蚯蚓堆肥不像普通堆肥一样带有严重的气体污染、病原菌传播和水体污染问题。有研究证明，普通堆肥在高温发酵的过程中会产生大量的温室气体且有传播病原菌的可能，堆肥中的氮流失最终也会污染水体[25]。而蚯蚓堆肥自身含有大量的益生菌，有科学家从蚯蚓堆肥中分离出可用于控病的枯草芽孢杆菌M29菌株[26]，且蚯蚓堆肥不经历高温过程，不会杀灭其中的微生物，其最终产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异。普通堆肥因为经历高温且只含固形物，只能作为有机质归还土壤;而蚯蚓堆肥除可作为有机质回归土壤外，还可以用来控制土传病害，经过固液分离得出的液体部分可以用作叶面肥和水溶肥。

综上所述，蚯蚓堆肥不仅可以有效避免普通堆肥带来的环境问题和病原菌传播问题，还可以帮助土壤恢复群落结构的平衡，进而保证生产活动的正常进行。并且蚯蚓堆肥中含有的营养元素、营养活化剂与植物激素可以更好地促进作物的生长。

2 蚯蚓堆肥对土壤的影响

众所周知，肥力是土壤的本质，尤其是在农业生产中，土壤的肥力显得尤为重要。而正是因为对土壤肥力的追求，人们才大量使用化肥。化肥的使用虽然能够达到增产增收的效果，但其在农业生产中对土壤也产生了大量负面影响。土壤酸化、土壤盐渍化、土壤微生物群落结构的破坏导致土壤质量变差，最终直接影响到了粮食的生产。因此，近年来人们一直在进行土壤改良剂和化肥减量施用的研究和尝试。而蚯蚓堆肥作为一种环境友好的、具有疏松多孔结构并含有大量的有机质、养分、植物激素等物质的土壤改良剂和肥料，刚好适合我们目前的需求[8，24]。

在另一方面，由土壤带来的环境问题也一直困扰着人们。其中，因重金属的排放导致土壤背景值超标的问题一直严重干扰着农业生产与人们的健康。科学家们在积极尝试采用钝化剂将污染物钝化，或采用活化剂和富集植物配合的方式将土壤中的重金属吸附走。而蚯蚓堆肥因其独特的性质受到了研究者们的关注。有部分科学家对蚯蚓堆肥与重金属污染的关系进行了探究。

2.1 蚯蚓堆肥对土壤肥力的影响

蚯蚓堆肥是蚯蚓体内微生物对植物体残渣或动物粪便进行处理的产物，因此一提到蚯蚓堆肥，大家首先想到的便是有机质[8]。但有机质并非蚯蚓堆肥的唯一成分，蚯蚓堆肥中还含有大量的营养元素、植物激素以及微生物等[24]。这使得蚯蚓堆肥不仅能够提高土壤的有机质含量，其释放出的物质还能够保证土壤的长效肥力以及粮食安全[13，25-27]。

近些年有研究结果证明，蚯蚓堆肥与化肥配施可有效防止土壤中氮、磷元素的流失，但用作覆盖物（即撒施蚯蚓堆肥）对土壤表面氮、磷含量的变化并未起到显著作用[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样的效果。Parastesh等的研究结果表明，蚯蚓堆肥中含有一种名为溶磷细菌的微生物，可通过其自身的生化反应将固定在土壤中的磷元素释放出来，即使在不施用磷肥的情况下也可以保证磷素的供应[29]。Gupta等的研究也表明，随着蚯蚓堆肥施用量的增加，土壤中磷酸酶的活性显著增加，且作物的磷吸收量也相应增加[30]。蚯蚓堆肥一方面可以通过螯合作用增加土壤中可被植物利用的矿质元素的含量，另一方面也可以通过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]。

综上所述，在石灰性土壤中可施用蚯蚓堆肥，降低土壤pH值，并将固定在土壤中的磷释放出来以满足作物对磷元素的需求。在水土流失较为严重的地方或污染较为严重的水体周围，可以采用蚯蚓堆肥固持水土，保证营养元素尤其是硝酸根离子不被雨水淋失，以保障养分的供应，并防止水体的富营养化。蚯蚓堆肥可以防止施用的磷肥被固定在土壤中，还能将土壤中闭蓄态的磷转化为可利用的磷，大大减少磷肥的用量。蚯蚓堆肥在保持水土、释放土壤养分、提高化肥的养分利用率、增加土壤的有机质含量等方面均有效果，有利于资源的可持续利用。

2.2 蚯蚓堆肥对土壤微生物的影响

众所周知，土壤微生物的群落结构及其平衡对土壤有重要的影响。土壤微生物也同样是连作障碍及土传病害蔓延的关键因素。近些年化肥的施用，使得土壤中微生物的生态环境变得更加脆弱[34]，因此，我们需要依靠外源添加的方式，向土壤中添加有机质和有益菌，以维持微生物群落结构的平衡并抑制病原菌的传播。

在制造蚯蚓堆肥的过程中，其产物中细菌群落功能的多样性呈不断增长的趋势，细菌的代谢能力、链霉素和水杨酸合成及硝化作用得到了不断加强，这些反应揭示了蚯蚓堆肥改良土壤的原因[35-36]。有研究证明，蚯蚓堆肥的施用可以显著提高秋葵根际土壤的生物量，随着蚯蚓堆肥施用量的增加，根际土壤的生物量也逐渐增加[30]。但也有研究表明，蚯蚓堆肥的施用会显著降低韭菜根际土壤的真菌群落丰度，进而丧失真菌群落的多样性[37]。Zhao等的研究表明，蚯蚓堆肥可以通过显著增加细菌菌群的丰度和多样性来抑制连作番茄根际土壤中镰刀菌的繁殖;而且，蚯蚓堆肥的添加不仅可以增加土壤中细菌的丰度，同时抑制有害菌的生长以达到菌落的生态稳定性，还可以降解土壤中因连作积累的酚酸类自毒物质[38]。有研究表明，蚯蚓堆肥中的提取物可以有效降低南方根结线虫孵化率并显著提升其死亡率，还可以显著降低番茄的根瘤数量[39]。

综上所述，蚯蚓堆肥通过影响作物的生理指标和生长过程，进而改善作物的品质并增强其可食用性与耐存储性，在保证产量的同时为人们提供更好的品质。

4 结论与展望

在过去的作物生产中，蚯蚓堆肥从未形成过一定的体系或定量的标准，但这些问题将在不远的将来得到解决，这就意味着蚯蚓堆肥的量产将成为可能。蚯蚓堆肥的品种也将得到不断的细化，未来的市场上将会出现性质不同、用途不同、效果不同的蚯蚓堆肥，以满足不同土壤、不同作物、不同种植方式的需求。如此，在不断产生大量有机固体废弃物的同时，可以将其中的大部分转化为可再利用的肥料，这将有利于资源的循环利用与农业的可持续发展。

蚯蚓堆肥可以通过自身良好的性质减缓土壤酸化、盐渍化进程，也可以对水中和存在于土壤中的游离态离子进行吸附固定。在土壤改良方面，将进一步对蚯蚓堆肥进行定量分析，将蚯蚓堆肥的施用定量化、合理化、多样化。在面对重金属离子污染方面，已出现蚯蚓堆肥改性剂以增加其对金属离子的稳定吸附效果，将来会出现更多的蚯蚓堆肥改性剂，并实现蚯蚓堆肥吸附金属离子的定量化。蚯蚓堆肥的施用将会对土壤性质改良以及土壤污染防控起到重要作用。

未来对蚯蚓堆肥研究可能将在以下几个方面展开。第一，随着对蚯蚓研究的深入，科研工作者们将会进一步研究蚯蚓堆肥的科学生产方式，面对城市和乡村有机废弃物的处理将会形成统一的蚯蚓堆肥标准。第二，随着更多科研精力的投入，将会有更多的有益菌从蚯蚓堆肥中筛取出来。第三，随着蚯蚓堆肥量产的实现，将会有更多研究将蚯蚓堆肥与益生菌、肥料或各种土壤改良剂配合施用，以探求更多解决土壤问题的方式。

蚯蚓堆肥从生产到施用，完成了资源的再利用，也避免了因农药化肥的不恰当使用带来的种种环境问题。仅从生产和施用这2个环节来讲，蚯蚓堆肥可能存在一些成本投入，但对于全球的资源循环与保护的问题上，节约下的成本将远小于我们花费的成本。技术的成熟使得蚯蚓堆肥具有量化生产的可能，而科学的发展将会进一步完善蚯蚓堆肥从生产到施用再到生效的整个链条，为农业资源的可持续利用和有机农业的发展作出巨大贡献。

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