蚯蚓堆肥模式的環境效益評價

張 智，李雙來，陳云峰，胡 誠，劉東海，劉治福，喬 艷*

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

隨著種植業和養殖業的快速發展，農業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）等營養元素，是種植業重要的養分資源；另一方面，由碳（C）、N、P等元素排放引起的溫室效應、氨揮發、水體富營養化、土壤酸化等環境污染問題尤為嚴重［2-3］。開展廢棄物資源化利用，尤其是農業廢棄物的肥料化利用，對于提高農牧業生產效率和保護環境具有重要意義。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，研發處理效率高、環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定的腐殖質［6］。近年來，蚯蚓堆肥因其獨特的優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、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模的培養試驗，其外部條件往往被嚴格控制，如環境溫度、空氣濕度、堆體形狀等，且較少考慮成本問題；而工廠化大規模蚯蚓堆肥需綜合考慮技術的可操作性和區域適應性，且工廠內不同堆體所處的環境條件和堆肥階段具有不確定性。因此，小規模的模擬試驗結果可能不足以反映大規模蚯蚓堆肥的實際情況，有必要開展大規模蚯蚓養殖過程中物質變化與環境效應的研究。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節C、N、P元素的物質變化規律，并定量化評估該模式的環境效益，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殖場，位于湖北省武穴市。蚯蚓養殖的主料為牛糞，來源于附近的一家奶牛養殖場，采用干清糞的方式收集，車輛運輸到蚯蚓養殖場；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。蚯蚓養殖場占地面積約25 hm2，采用大棚養殖的方法，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。各環節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：為分析各環節固體物料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：為分析各環節固體物料的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的NH3［14］。N2O、CH4和CO2采用靜態箱-氣相色譜法測定，靜態箱為直徑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為標準狀態下的氣體密度（kg/m3），V為靜態箱有效體積（m3），S為截面積（m2），dC/dt為單位時間靜態箱內的氣體濃度變化，T為靜態箱內平均溫度（℃）。

1.3.2 環境影響定量化分析

本研究環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境造成的影響。將環境影響分為對氣體環境的全球變暖潛勢（GWP）、對水體環境的富營養化潛勢（EP）和對土壤環境的酸化潛勢（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，包括養分含量和穩定的有機質，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模室內培養試驗，這主要與物料配方的調節和環境條件的控制有關。

2.2 碳、氮氣體排放通量

規?；B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?；球径逊蔆、N氣體排放規律可以看出，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。與小規模蚯蚓堆肥相比［25］，規?；球径逊誓Ｊ轿幢O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模蚯蚓堆肥，其原因可能與小規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、磷等營養物質通過淋溶向下遷移的過程，是農業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 環境影響評價

蚯蚓處理牛糞模式的環境影響結果顯示（表4），全球變暖潛勢、富營養化潛勢、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境危害。與牛糞厭氧發酵模式相比［30］，蚯蚓處理牛糞模式降低了全球變暖潛勢和富營養化潛勢，但增加了酸化潛勢，其主要原因是由于厭氧發酵時NH3揮發較少。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境造成的影響，在一定程度上可能會低估了環境的影響值。盡管工廠化蚯蚓堆肥模式具有較好的環境效益，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，用于物料調節和覆蓋保溫；配套建設小規模堆肥場，以處理多余廢棄物。

表4 蚯蚓堆肥模式的環境影響值

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，較傳統的好氧堆肥和厭氧發酵模式環境效益更佳。