餐余蚓粪替代化肥对白菜和西兰花光合、抗氧化性及品质的影响

杨凯，董青君，李其胜，王东升，焦加国*，胡锋，李辉信

（1.南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210095；2.南京市蔬菜花卉科学研究所，南京 210042）

设施蔬菜的发展克服了季节性限制，形成了高投入、高产出的蔬菜生产模式，但也造成了设施菜地连作障碍、养分失衡[1]、盐碱化、温室气体排放增加[2]等一系列的环境问题，进而影响蔬菜的产量及品质。如何在保证高收益的前提下，提高作物对不利环境的抵抗能力已成为当前急需解决的问题之一。保证作物健康发展的前提是良好的土壤环境，有机替代是保持土壤健康和可持续发展的重要举措，能够明显促进作物生长发育[3]。

我国每年产生的餐余废弃物超过6 000 万t[4]，但是餐余废弃物的资源化利用严重不足，给环境带来诸多负面影响。研究表明[5]，以餐余废弃物为原材料堆制成的蚓粪有机肥具有极高的养分和有机质含量，可以作为土壤的改良剂。此外，相比常规堆肥产物，蚓粪有机肥具有更高的生物活性[6]、更好的物理结构，含有多种促进作物生长的生长调节剂，能够为作物生长提供良好的土壤环境，促进其生长发育。大量研究[7-9]表明，蚓粪有机肥能显著提升蔬菜作物生长、产量和维生素C、可溶性糖等品质。Arancon等[10]发现餐余蚓粪可以显著促进牵牛花的生长和开花，认为蚓粪中含有的细胞分裂素和生长素是造成这一结果的主要原因。因此，研究餐余蚓粪有机肥替代化肥对作物生长的影响，不仅可以促进餐余废弃物高效生态资源化利用，而且还能改善作物品质，具有重要的理论和研究意义。

光合作用是作物积累养分和干物质的主要途径，与作物产量息息相关。作物在受到某些非生物胁迫（如高温、干旱、盐害等）时，光合速率会下降[11]，继而导致作物产量和品质的下降。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和丙二醛（MDA）能指示作物在生长过程中的受胁迫程度，因此常被用作评估作物生长状况的生理指标。Hosseinzade 等[11]研究表明，蚓粪的施用有助于在无胁迫条件下提高鹰嘴豆的光合作用，其主要原因是蚓粪可以增加作物根系CO2含量，改善土壤持水状况。Xu等[12]研究发现，与单施化肥相比，蚓粪有机肥可以降低盐胁迫下水飞蓟组织中MDA 含量。刘磊[13]也发现，向日葵叶片的SOD 和POD 含量会随基质中蚓粪含量的增加而提高。

以往餐余废弃物资源化的研究多集中在堆肥技术的研究，而餐余废弃物经过蚯蚓堆肥后对设施蔬菜生长生理及品质的影响研究较少。因此，本研究选取白菜（Brassica pekinensis）和西兰花（Brassica oleracea）作为供试作物，以常规猪粪来源蚓粪和鸡粪有机肥作参比，研究餐余蚓粪部分替代化肥对其光合作用、抗氧化性、产量和品质的影响，旨在为我国餐余废弃物资源化利用及提高设施蔬菜作物抗性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在南京市蔬菜花卉科学研究所位于江宁区横溪街道的研究基地的蔬菜大棚内进行，属亚热带季风气候，年均温为16 ℃，年降水量为1 363 mm。土壤类型为黄棕壤，基本理化性质为：有机质9.28 g·kg-1，全氮 1.59 g·kg-1，全磷 0.44 g·kg-1，速效磷 56.52 mg·kg-1，速效钾301.75 mg·kg-1，碱解氮82.08 mg·kg-1，pH 6.77。

1.2 供试材料

供试白菜品种为“黄玫瑰”杂种一代不结球新品种，西兰花品种为耐寒“优秀”。

餐余蚓粪由江苏省大硕源环保科技有限公司提供，主要制备流程为：将经过前处理的餐余废弃物进行粉碎、脱油、油盐处理后，与菌渣1∶1 复配，作为蚯蚓堆肥原料，加入原料质量6.25%的蚯蚓进行堆肥处理，5 d 后将蚯蚓挑出得到餐余蚓粪有机肥。猪粪蚓粪由南京博农生物科技有限公司提供，鸡粪有机肥由江阴联业生物有限公司提供，供试有机肥基本性质见表1。

供 试 化 肥 ：尿 素 [CO（NH2）2]、过 磷 酸 钙[Ca（H2PO4）2·H2O]和硫酸钾（K2SO4）。

1.3 试验设计与方法

试验于2019 年9 月21 日进行，采取氮磷钾总养分替代原则，共设置5 个处理，分别为CK（不施肥）、CF（单施化肥）、FVF（40%餐余蚓粪+60%化肥）、PVF（40%猪粪蚓粪+60%化肥）、CMF（40%鸡粪有机肥+60%化肥）。每个处理3 个重复，随机区组排列，小区面积7.1 m2。根据当地常规施肥量，总养分施入量为471.42 kg·hm-2（N 151.04 kg·hm-2、P2O5151.04 kg·hm-2、K2O 196.34 kg·hm-2）。FVF、PVF 和 CMF 处理均使用有机肥替代氮磷钾总养分的40%，作为基肥一次性施入。化肥分基肥（30%）和追肥（30%）两次施入。追肥时间为白菜和西兰花的结球初期。各处理具体施肥情况见表2。

表1 供试有机肥基本性质Table 1 Basic properties of organic fertilizer

1.4 样品采集与测定

1.4.1 生长指标测定

在白菜和西兰花不同生育期（白菜：苗期、结球初期、结球后期；西兰花：苗期、莲座期、结球期），使用卷尺测量白菜和西兰花的株高和白菜的开展度，使用游标卡尺测量西兰花的茎粗，叶片的叶绿素值（SPAD）使用便携式叶绿素仪进行测定。

1.4.2 叶片生理指标测定

在白菜和西兰花定植1 个月左右，采集作物成熟的功能叶片，立即用液氮冷冻，放入干冰中运回实验室，于-80 ℃冰箱保存待测。叶片SOD、POD、CAT 活性及MDA 含量采用苏州科铭生物有限公司的试剂盒进行测定。白菜与西兰花定植50 d左右，选取晴天上午9：00—11：00，每个小区随机选取3 个植株，使用Li-6400便携式光合仪测定白菜与西兰花功能叶片的光合特性，设置白菜光强为800 μmol·m-2·s-1，西兰花光强为1 000 μmol·m-2·s-1。

1.4.3 产量及品质测定

在白菜和西兰花成熟期，每小区选取3 颗白菜和西兰花用于产量和品质测定。可溶性糖采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，维生素C用2，6-二氯酚靛酚染色法测定，硝酸盐含量用5%水杨酸-硫酸法测定。总酚含量参考Ainsworth等[14]的方法。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2016 处理数据和制表，R 语言软件制图，SPSS 22 软件对数据进行方差分析和多重比较（Duncan法）。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花生长的影响

由表3 可以看出，FVF 处理较CK 显著增加了白菜的株高、开展度和SPAD 值，虽然FVF 处理白菜的株高和开展度与其他施肥处理无显著差异，但在中后期其数值高于其他施肥处理。在白菜结球后期，FVF处理的SPAD 值为最高且显著高于PVF 处理。由表4可以看出，施肥显著促进了西兰花的生长。在西兰花苗期，不同施肥处理间无显著差异。在西兰花莲座期与结球期，CF 与FVF 处理较CK 均显著增加了西兰花的株高，但PVF 处理株高仅在莲座期与CK 有显著差异，CMF 处理与 CK 无显著差异；与 CK 相比，FVF 与CMF 处理下西兰花的茎粗也显著提高，但CF 与PVF处理仅分别在莲座期和结球期显著高于CK 处理；在西兰花莲座期和结球期，FVF 处理叶片SPAD 值均为最高。总之，餐余蚓粪替代化肥能够显著促进西兰花和白菜的长势，尤其是对SPAD 的提升效果较好，但与其他施肥处理间差异较小。

表2 试验处理及具体施肥情况（kg·hm-2）Table 2 Treatments and specific fertilization（kg·hm-2）

表3 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜生长的影响Table 3 Effects of partial substitution for chemical fertilizer by vermicompost from food waste on growth of Chinese cabbage

表4 餐余蚓粪部分替代化肥对西兰花生长的影响Table 4 Effects of partial substitution for chemical fertilizer by vermicompost from food waste on growth of broccoli

2.2 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花生理特性的影响

2.2.1 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花光合作用的影响

对于白菜而言（图1A～图1D），FVF 处理相比于CF 显著增加了叶片净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率，PVF 与CMF 处理仅对叶片净光合速率的影响较大。FVF、PVF 和CMF 处理较CF 对净光合速率的提升幅度分别为15.56%、13.94% 和12.09%；各处理对白菜气孔导度与蒸腾速率结果相似，均表现为FVF＞CK＞PVF＞CMF＞CF，但仅FVF 处理显著高于CF 处理，增幅分别为45.11%和23.18%。FVF 和CMF 处理的白菜叶片胞间CO2浓度较CF 处理分别增加了19.09%和15.69%。3 种有机肥替代处理间以FVF 处理下光合作用最强，且FVF 处理叶片气孔导度和蒸腾速率显著高于CMF处理。

3 种有机肥替代处理对西兰花的光合作用的影响与白菜相似（图1E～图1H）。与CF 相比，FVF 处理提高了西兰花的净光合速率11.80%，但无统计学差异。相比之下，PVF 和CMF 处理西兰花净光合速率显著增加了21.05%和16.58%。不同施肥处理间叶片气孔导度和胞间CO2无显著差异。FVF 处理与PVF的蒸腾速率较CF分别显著增加了18.74%和12.85%。总的来说，餐余蚓粪40%替代化肥较单施化肥显著增加了白菜和西兰花的光合作用，且提升效果优于鸡粪有机肥，与猪粪蚓粪无显著差异。

2.2.2 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花抗氧化性的影响

图2 为餐余蚓粪替代化肥对白菜和西兰花叶片抗氧化性的影响。由图2A～图2D 可以看出，相比CF处理，仅FVF 处理显著增加了白菜SOD 活性，增幅为23.00%；FVF、PVF 处理 CAT 活性与 CF 无显著差异，但较CMF 处理分别增加了21.52%和25.56%；白菜叶片MDA 含量以FVF 和PVF 较低；不同施肥处理间白菜POD 活性无显著差异。由图2E～图2H 可知，不同施肥处理间西兰花SOD和CAT活性无显著差异；FVF处理西兰花叶片POD 活性显著高于其他处理，按大小顺序排列为FVF＞PVF＞CF＞CMF＞CK；与 CF 相比，CMF 处理显著增加了西兰花叶片MDA 含量，FVF 与PVF无显著差异。西兰花叶片MDA含量以CMF处理最高，且显著高于CF、FVF、PVF 处理。总之，与单施化肥、猪粪蚓粪以及鸡粪有机肥相比，餐余蚓粪替代化肥可以显著增加白菜SOD 和西兰花POD 活性，提升白菜和西兰花的抗氧化性，增强其对不利环境的抵抗能力。

2.3 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花产量和品质的影响

由图3 可知，施肥显著增加了白菜和西兰花产量，增幅分别为 27.17%～55.71%、21.11%～59.42%。白菜产量以 FVF 处理最高，达 98.04 t·hm-2，且显著高于 CF 和 PVF 处理。西兰花产量以 CF（25.03 t·hm-2）最高，FVF（23.51 t·hm-2）处理次之，且均显著高于PVF和CMF处理。表5结果表明，与CF和CMF相比，FVF 处理显著增加了白菜可溶性蛋白，增幅分别为75.18% 和 58.39%，与 CF 和 PVF 相比，FVF 处理显著增加了白菜维生素C 含量，增幅分别为24.55%和26.75%。餐余蚓粪对白菜可溶性糖、总酚含量、硝酸盐含量等指标的影响与其他施肥处理无显著差异。对于西兰花，FVF处理的可溶性糖和可溶性蛋白含量仅显著高于CK 处理，与其他施肥处理无显著差异。CMF处理较CF处理显著增加了西兰花可溶性蛋白和总酚含量，增幅为26.78%和40.00%。综上所述，餐余蚓粪有机肥替代化肥相比单施化肥可以显著提高白菜可溶性蛋白和维生素C含量，与鸡粪有机肥相比显著提高了白菜的可溶性蛋白含量，与猪粪蚓粪无显著差异。餐余蚓粪有机肥对西兰花的影响较小，仅较猪粪蚓粪和鸡粪有机肥有显著增产作用。

3 讨论

在本研究中，餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花的长势有显著的正向影响，尤其是对SPAD 的提升效果较好，较CK 分别显著提高了15.16% 和13.05%，但与其他有机肥替代处理差异较小，这与前人研究相一致[15-17]。此外，餐余蚓粪替代部分化肥处理的白菜和西兰花的产量提升效果明显优于猪粪蚓粪和鸡粪有机肥。Blouin 等[18]通过Meta 分析表明，施用蚓粪有机肥显著增加了农作物的产量和生物量，与本研究结果相似，这是因为施用蚓粪可以提高作物所需养分的有效性，蚓粪中的养分以更易被植物吸收利用的形式存在于土壤中，促进植物的生长发育和干物质积累[8]。研究表明[19]，施用蚓粪与其他有机肥相比，可以提高土壤中固氮菌活性，促进土壤中氮的矿化，增加土壤中矿质态氮的含量。而氮素是决定作物生长及产量的必要元素，植物叶片叶绿素含量（SPAD值）也主要取决于叶片有效氮含量[20]。王亚利等[16]通过研究餐余蚓粪与畜禽粪便对鸡毛菜生长影响发现，餐余蚓粪中养分可利用性明显高于畜禽粪便，这可能是鸡粪有机肥对生长产量促进效果不及餐余蚓粪的原因。

表5 餐余蚓粪部分替代化肥对白菜和西兰花品质的影响Table 5 Effects of partial substitution for chemical fertilizer by vermicompost from food waste on the yield of Chinese cabbage and broccoli

本研究发现，餐余蚓粪替代化肥较单施化肥和鸡粪有机肥显著增加了白菜的营养品质，与猪粪蚓粪差异较小。这与赵海涛等[9]、申飞等[21]的研究结果一致。研究表明[22]，适量施用氮肥可以增加蔬菜维生素C、可溶性蛋白和可溶性糖含量，但氮素投入过量也会降低蔬菜的营养品质。单施化肥虽然可以提供大量氮素，但在设施灌溉量大、氮素种类单一的设施环境下，氮素的淋失以及硝酸盐的积累同样严重，蚓粪良好的物理结构可以减少土壤中氮素流失。有研究[23]证实蚓粪可以提高土壤中氮循环酶的活性，促进硝态氮向铵态氮的转化，增加作物对氮素的利用效率，从而提高作物品质。本研究中猪粪蚓粪和餐余蚓粪对蔬菜品质影响差异较小且优于鸡粪有机肥，说明蚓粪对品质的提高受原料（即养分含量）的限制较小，更可能与蚓粪自身性质有关。蚓粪相比于其他有机肥，其含有的腐植酸类物质[24]可能是蚓粪优于其他有机肥的主要因素之一。

本研究表明，餐余蚓粪有机肥40%替代化肥较单施化肥可以显著增加白菜和西兰花的光合作用，且优于鸡粪有机肥替代，但与猪粪蚓粪替代无显著差异。先前已有类似的报道，蒲瑶瑶等[25]研究发现，相比鸡粪和生物有机肥，蚓粪替代化肥对西瓜光合作用的影响最佳。Zuo 等[26]发现，盆栽试验条件下添加20%～50%的蚓粪可以显著提高草莓的光合参数。本研究中，不同处理对白菜和西兰花净光合速率的影响与气孔导度、蒸腾速率相似，说明气孔导度与蒸腾速率的增加是引起白菜和西兰花光合作用增强的原因之一。这可能是由于蚓粪良好的物理结构改善了土壤持水性[27]，促进了作物根系对水分的吸收，提高了作物的水分利用效率。较高的叶片含水量有助于气孔的开放和蒸腾速率的提高，更多的CO2进入到叶片[28]，从而提高了作物的净光合速率。有研究表明[10]，蚓粪中含有的细胞分类素、生长素可以吸附在腐植酸上，与腐植酸共同作用促进作物生长和叶面积的增加，进而促进植物对光的吸收，提高光合速率。除此之外，光合速率还与作物体内的光合酶活性以及叶绿素含量密切相关。本研究已证明了蚓粪对叶绿素含量的提升效果（表3、表4），在对不同有机肥对西瓜光合酶活性的影响中也发现了蚓粪对西瓜光合酶活性的影响显著优于单施化肥和鸡粪有机肥[29]。

本研究还发现了餐余蚓粪替代化肥较单施化肥显著提高了白菜叶片SOD 活性和西兰花叶片POD 活性。相比之下猪粪蚓粪和鸡粪有机肥替代化肥对白菜和西兰花抗氧化性并无显著影响，且鸡粪有机肥的施用还增加了叶片MDA 的含量。刘磊[13]研究表明，随着蚓粪施用量的增加，向日葵叶片SOD 和POD 活性随之升高。Zuo 等[26]研究发现，盆栽土壤中加入20%～30%蚓粪能显著增加草莓叶片SOD 活性，降低MDA 含量。相比化肥，餐余蚓粪对作物叶片抗氧化性的影响主要可以归结为以下两点：一是餐余蚓粪中含有大量的微量元素（如铁、锰、铜、锌等），例如存在于植物假体基团中的铁和铜均可激活SOD、POD 和CAT[30]等抗氧化酶，从而破坏植物体内的ROS，降低植物体内MDA 含量。其次，餐余蚓粪施入土壤后，土壤中微生物种群数量和多样性的增加以及病原菌的减少也是作物对病原体和非生物胁迫（如干旱、高温盐胁迫等）抗性增加的关键因素[31]。集约化养殖条件下，畜禽粪便往往存在重金属超标、激素和抗生素残留等环境风险，尤以鸡粪和猪粪较为严重[32]，虽然经过不同方式堆肥，但仍可能对作物抗氧化性造成损伤。而餐余蚓粪不存在上述问题，这可能是餐余蚓粪优于其他两种有机肥的原因。

按照江苏省有机肥的市场价为每吨800 元来计算，在40%有机替代条件下，餐余蚓粪有机肥、猪粪蚓粪有机肥以及鸡粪有机肥的施用成本分别为每公顷4 320、5 360元和4 080元。3种有机肥中餐余蚓粪与鸡粪有机肥价格相当，猪粪蚓粪略高，而对作物生长及产量的提升效果以餐余蚓粪最佳，因此餐余蚓粪有机肥可以作为成本适中的优质有机肥，来促进蔬菜作物的生长，提高作物产量及品质。

4 结论

（1）相比单施化肥，餐余蚓粪替代40%化肥促进白菜和西兰花的净光合速率、SOD 和CAT 活性，并且可以提高白菜的产量、可溶性蛋白和维生素C含量。

（2）餐余蚓粪对白菜和西兰花生长、光合作用和品质的提升效果优于鸡粪有机肥，但与猪粪蚓粪差异较小；餐余蚓粪对西兰花和白菜抗氧化性的影响优于其他两种有机肥。

（3）餐余蚓粪替代部分化肥，可以在不影响产量的前提下，促进作物生长、提高作物抗逆性。